基于綜合質量影響指數的耕地土壤質量評價與分區

陳文歡，王 湃，熊昌盛

（海南大學政治與公共管理學院，海南·海口 570228）

近年來，我國因耕地土壤重金屬污染而導致的食物中毒事件頻繁發生，引起社會各界廣泛關注[1]。土壤重金屬含量是反映土壤環境質量的重要因素，對其進行評價有助于促進區域土地資源的合理利用[2]。進行耕地土壤質量評價是未來耕地土壤環境保護工作的重點，根據評價結果進行土壤重金屬污染風險等級劃分及安全利用分區與管控，實現區域性耕地土壤污染綜合治理，有著十分重要的現實意義。現有關于耕地土壤質量評價研究主要集中在兩個方面：一是采用不同評價方法對研究區土壤質量進行評價[3-4]；二是對重金屬污染農用地進行分區管控[5-6]。在評價方法上，常見的評價方法有單因子指數法、模糊綜合評價法、灰色聚類法和綜合指數法等[7-10]。這些評價方法側重于土壤中重金屬污染的評價，或側重于農產品污染的評價，且評價過程中忽視土壤環境質量背景、元素價態效應，造成評價結果不夠科學[11]。對此，有學者提出土壤環境質量與農產品質量相結合的一種新的土壤重金屬影響評價方法，即綜合質量影響指數法（influence index of comprehensive quality, IICQ）。該方法將土壤背景值和重金屬形態納入土壤與農作物的綜合評價中，克服了現有評價方法存在的問題，使得評價結果更加客觀可靠和準確[12]。在分區管控上，主要采用一定的模型或方法對非點源污染進行評價或分區。如采用SWAT模型對三峽庫區非點源污染進行控制分區方案的研究[13]；對流域尺度的非點源污染物排放特征進行分析與控制分區[14-15]；也有學者分析農業面源污染的成因并在此基礎上進行污染排放評價，由此提出針對性的調控對策[16]。總的來說，以往研究內容存在的問題主要有：現有的重金屬污染指數評價方法主要考慮土壤中重金屬含量過高的問題，而較少結合農產品質量進行耕地土壤質量綜合評價的實證研究；較少對農用地重金屬污染進行風險分區，而從土壤和農作物污染的視角進行風險分區與管控的研究更少。

綜上，本文以儋州市為研究對象，采用空間插值和單因子污染指數法分析土壤和水稻中重金屬的基本特征，運用IICQ對土壤—水稻系統進行綜合評價和分等定級。最后，基于IICQ評價結果對研究區耕地土壤污染風險進行安全利用分區，并提出合理的管控建議。通過對土壤和農作物進行綜合質量評價得出研究區土壤重金屬的污染情況，旨在提升區域耕地土壤重金屬污染評價的準確性，結合評價結果進行分區并提出更具針對性的分類管控治理農用地措施，有利于實現耕地土壤資源的安全利用。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

儋州地處海南島西北部，瀕臨北部灣，全市轄16個鎮（圖1），土地面積3400km2，耕地面積為1074.93km2。截至2018年底，戶籍總人口達96.73萬。儋州市位于亞熱帶地區，為典型的熱帶季風氣候。平均氣溫23.1℃，年均降雨量1823mm，受臺風影響較小。全市地勢由東南向西北傾斜，由平原、丘陵、山地三部分構成，丘陵占76.5%，濱海平原占23.13%，山地占0.37%。南部屬山地和丘陵地帶，西南屬平原階地及火山熔巖臺地，東南部為砂壤土，海拔多在100～200m之間，中部為河流沖積平原，北部主要為玄武巖和第四紀的海相沉積層，海拔在5～10m之間，境內大部分都在海拔200m以下。全境土壤以磚紅壤為主，紅壤在中亞熱帶濕熱氣候常綠闊葉林植被條件下，發生脫硅富鋁過程和生物富集作用，發育成紅色、鐵鋁聚集、酸性、鹽基高度不飽和的鐵鋁土，適應各種農作物生長。

圖1 研究區土地利用現狀Fig.1 Land use status of the study area

1.2 樣本采集與分析

本研究的監測對象分別是儋州市重要工礦企業周邊耕地以及除此以外的一般耕地。基于隨機性原則和代表性原則，采用混合采樣法在研究區耕地表層（20 cm）采集土壤樣品[17]。截至2018年底，共采樣710個，在每個土樣采集點同步采集30個稻穗，由90個稻穗組成1個混合樣。將710個土壤點位數據根據經緯度信息導入GIS平臺，從而生成采樣點分布圖（圖2）。

圖2 采樣點分布Fig.2 Distribution of sampling points

檢測項目包括pH和鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、砷（As）4項重金屬元素[18]。將土壤樣品經過自然風干后由瑪瑙研缽研磨并過100目尼龍篩備用待測，土壤樣品經消煮后，對As、Hg、Cd、Pb五種重金屬的含量進行分析測試：As、Hg含量用氫化物發生原子熒光光譜法（HG-AFS）分析；Cd含量用石墨爐原子吸收光譜法（GF-AAS）分析；Pb含量用電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-AES）分析[19]。土壤（土水比為1:2.5）pH值采用玻璃電極法（NY/T395-2000，Orion-210酸度計）測定[18]。

1.3 研究方法

1.3.1 單因子污染指數

單因子指數法適用于單一的土壤污染物評價，是其他環境質量指數、環境質量分級和綜合評價的基礎[18]。采用單因子污染指數法評估研究區域土壤或水稻中單個重金屬的污染狀況，其計算如下：

式中：Pi為土壤中污染物i的單因子污染指數；Ci為調查點位土壤中污染物i的實測含量；Si為污染物i的評價標準值或參考值，主要參照《農田土壤污染土壤環境質量風險控制標準》（GB 15618-2018）[20]、《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762-2017）[21]及相關文獻獲得[22-23]。

1.3.2 土壤—水稻系統重金屬綜合質量評價方法

耕地土壤重金屬綜合質量影響指數（IICQ）由土壤綜合質量影響指數（IICQS）和農產品綜合質量影響指數（IICQAP）組成，同時考慮了土壤元素背景值、土壤元素標準和價態效應、農產品中目標元素的含量和污染物限量標準等因素[12]。相較于單因子污染指數法，IICQ有效解決了土壤和農產品在土壤環境質量評價中無法同時兼顧的問題，使評價結果更加客觀和準確，更符合耕地土壤環境質量的實際情況。采用IICQ評價耕地土壤重金屬的綜合質量，包括以下三個過程：

（1）土壤重金屬含量評價

分別求出土壤相對影響當量（relative impact equivalent, RIE），土壤元素測定濃度偏離背景值程度（deviation degree of determination concentration from the background value，DDDB），土壤標準偏離背景值程度（deviation degree of soil standard from the background value，DDSB），三個指標的計算公式如下：

式中：N是測定元素的數目，Csi是元素i的土壤環境質量標準值（土壤篩選值），n為測定元素i的氧化數（Pb為4；Hg為2；Cd為2；As為5）；而PSBi是Ci和CBi的比率，CBi是指元素i的背景值，具體參考相關文獻獲取[22,24]。其中，RIE值越大意味著外源物質影響更顯著；DDDB反映外源物質偏離土壤背景值的程度，是衡量當地土壤環境承載能力的指標，值越大表明土壤標準偏離背景值程度越大，對外源物質的緩沖性越強。

（2）農產品品質指數（quality index of agricultural products, QIAP）

QIAP表示農產品的質量情況，數值大小代表重金屬對水稻質量影響的狀況，當農產品中重金屬濃度超過污染物限量標準時，數值越大代表農產品品質越差[12]。公式如下：

式中：CAPi對應土壤點位農產品元素i的含量，CLSi為農產品中重金屬元素i的限量標準，依據《國家食品安全標準食品污染物限量》（GB 2762-2017）得到[21]。

（3）綜合質量影響指數（IICQ）

IICQ是土壤綜合質量影響指數（IICQS）和農產品綜合質量影響指數（IICQAP）之和。公式如下：

式中：X和Y分別為土壤測量值中超過篩選值和背景值的個數；Z為水稻中超過污染物限值標準的元素數；k為背景校正因子，是水稻污染物限量國家標準與元素背景值之比的參數，從食品安全性考慮并計算后設定背景校正因子k為5[12]。

由公式（6）（7），IICQS和IICQAP呈四種可能：

①當X=0、0＜IICQS＜1、Z=0、IICQAP＜1時，表示土壤和水稻兩者都未受污染，即在一定指標下，土壤環境質量狀況良好；

②當X=0、0＜IICQS＜1、Z＞1或IICQAP＞1時，表示土壤未受污染，但水稻受污染，即土壤綜合環境質量已處于亞健康狀態，不適用于生產水稻，有必要追蹤水稻污染物來源；

③當X≥1或IICQS＞1、Z=0、IICQAP＜1時，表示土壤受污染，但水稻在限定質量標準內，即土壤綜合環境質量處于亞污染狀態，需密切關注；

④當X≥1和Z≥1時，表示土壤和水稻都受不同程度污染。

根據得到的四種情形通過公式（8）將土壤環境質量狀況劃分為五個等級（表1）。

表1 土壤環境質量狀態描述與分級Table 1 Description and classification of soil environmental quality status

2 結果與分析

21 儋州市土壤與水稻重金屬污染空間分布格局分析

2.1.1 儋州市土壤重金屬污染分布特征

根據樣本的監測分析結果可知，pH的變化范圍為4.25-7.32，平均值為6.02，研究區的土壤整體呈弱酸性。采用SPSS對710個樣點的Cd、Hg、As、Pb進行分析，主要選取最小值、最大值、平均值、中位數、標準偏差和變異系數分析土壤重金屬的分布狀況（表2）。

表2 土壤中各元素含量的特征統計Table 2 Characteristic statistics of elements content in soil

710個土壤樣點中Cd、Hg、As、Pb的算數平均值分別為0.31、0.30、13.16、78.77mg/kg，四種金屬的平均值均高于相應的背景值。通過標準差和平均值的比值得到變異系數，變異系數主要用于表示數據的離散程度，值越大表征離散程度越高，分布越不均勻[25]。研究區域土壤中變異系數排序從大到小依次為Pb（64.17%）＞As（56.69%）＞Cd（43.75%）＞Hg（43.33%），其中Pb和As的變異系數較大，空間變異相對顯著，屬于強變異，易受外界的影響；Cd和Hg變異系數小于50%，表明Cd和Hg空間變異一般顯著，受外界影響較小。

單一的含量統計缺乏客觀性，需要與當地的土壤背景值進行比較。重金屬的污染率指重金屬含量超過背景值點位數的百分比，得到四項重金屬的污染率都不超過5.00%。而探究重金屬的污染狀況還需參照土壤中重金屬含量的平均值與相對應的土壤背景值的比值[26]，得到四種重金屬平均超標倍數由大到小的排序為As＞Cd＞Pb＞Hg。由此得到一個基本結論，研究區土壤中重金屬污染物主要為As和Cd。

通過空間插值得到儋州市土壤中Cd、Hg、As、Pb含量的空間分布（圖3）。土壤中Cd、Hg、Pb金屬高含量區主要集中分布于儋州市北部邊緣，其中，Cd、Hg金屬含量的空間分布相對均勻，而Pb金屬含量的空間分布最不均勻；As金屬高含量區主要分布于西北角，空間分布不均勻。

圖3 土壤重金屬空間插值分布Fig.3 Spatial interpolation distribution of heavy metals in soil

2.1.2 儋州市水稻重金屬污染分布特征

利用SPSS對水稻中Cd、Hg、As、Pb含量進行描述性統計，總結其數據特征（表3）。水稻中Cd、Hg、As、Pb的算數平均值分別為0.109、0.010、0.111和0.102mg/kg，中位數分別為0.110、0.010、0.100和0.100mg/kg，水稻中四種金屬的平均值均低于相應的背景值。水稻中四項重金屬的變異系數排序從大到小依次為As（79.20%）＞Pb（60.78%）＞Cd（60.55%）＞Hg（60.00%），變異系數普遍較大，空間變異顯著，屬于強變異，容易受到外界影響。從污染程度看，水稻受Cd、Hg、As、Pb重金屬輕度污染，污染率分別為7.61%、4.23%、0.15%和6.02%。進行非參數檢驗，得到水稻中四類重金屬含量數據都屬于正態分布。初步判定水稻中重金屬的污染物主要為Pb和Cd，水稻重金屬整體污染程度相對較低。

表3 水稻中各元素含量及基本特征Table 3 Contents and basic characteristics of elements in rice

通過空間插值得到研究區水稻中Cd、Hg、As、Pb含量的空間分布情況（圖4）。研究區水稻的Cd和As高含量區域主要集中在儋州市的北部，受Hg、Pb污染地區的空間分布較零散，南部地區受污染程度相對較低。

圖4 水稻重金屬空間插值分布Fig.4 Spatial interpolation distribution of heavy metals in rice

2.2 儋州市耕地土壤質量評價結果分析

通過計算土壤綜合質量影響指數（IICQS）和農產品綜合質量影響指數（IICQAP），將研究區土壤—水稻系統劃分為四個評價等級，并通過空間插值得到土壤受污染等級空間分布情況（圖5）。

圖5 耕地土壤—水稻系統質量狀況圖Fig.5 Quality map of cultivated soil rice system

研究區1074.93km2耕地中，土壤和水稻都未受污染的面積為130.2km2（占12.11%），分布于除儋州市北部地區外的各個鄉鎮；土壤和水稻均受污染的面積為33.27km2（占3.10%），主要集中在研究區北部地區；土壤受污染而水稻未受污染的面積為875.13km2（占81.41%），零散分布于不同鄉鎮中，其中儋州市東部地區分布較為集中；土壤未受污染而水稻超限定值的面積為36.33km2（占3.38%），主要集中在儋州市北部地區，圍繞土壤及水稻均受污染區域呈圈層擴散，另外東北部區域也有小范圍分布。研究區只有少部分的土壤和水稻同時處于未污染狀況，南部地區受污染程度較輕，而絕大部分區域都受到不同程度的污染。

經計算得到研究區耕地樣點的IICQ，將結果劃為5個等級，通過ArcGIS的空間插值得到其空間分布格局（圖6）。其中清潔（I級）面積為121.13km2，占比為11.27%，零散分布于除儋州市北部的其他區域中；輕微污染（II級）面積為870.6km2，占比為80.99%，該等級分布范圍最多且最廣，除了研究區北區外，其他區域都有該等級的分布；中度污染（Ⅲ級）面積為45.33km2，占比為4.22%，分布于研究區北部和東城鎮北部；重度污染（IV級）面積為21.2km2，占比為1.97%，主要分布于峨蔓鎮和木棠鎮；極度污染（V級）面積為16.67km2，占比為1.97%和1.55%，主要集中分布于儋州西北部的峨蔓鎮和木棠鎮。

圖6 耕地重金屬綜合污染等級圖Fig.6 Comprehensive pollution grade map of heavy metals in cultivated land

2.3 儋州市耕地土壤分區管制分析

根據土壤—水稻綜合質量評價結果和污染等級劃分，可將研究區耕地資源保護劃分為五大類：安全區、基本安全區、低風險區、中風險區和高風險區5個安全等級（表4和圖7），并可結合不同分區的特點提出差別化的管制措施與建議。

圖7 研究區的耕地安全利用分區圖Fig.7 Zoning map of cultivated land safety utilization in the study area

表4 安全利用分區方案Table 4 Division basis of safe utilization zoning

（1）安全區，該區121.13km2，占總耕地面積的11.27%，零散分布在除峨蔓鎮和木棠鎮的其他區域中，但在雅星鎮西北部、排浦鎮東部有較大比重的聚集；此外，在劃分為安全區的鄉鎮中，南豐鎮、排浦鎮占比最高，而白馬井鎮、那大鎮只有鄉鎮邊界處有微小分布。安全區內耕地土壤中的重金屬含量均未超過土壤風險篩選值，同時水稻產品中的重金屬含量符合食物限量標準。因此，該區應該實行最嚴格的耕地保護制度，需要對耕地進行重點保護，防止土壤重金屬污染造成農作物污染，保證耕地土壤與周邊環境時刻處于安全狀態，使土壤和農作物維持在安全狀態。

（2）基本安全區，該區870.6km2，占總耕地面積的80.99%，分布在除峨蔓鎮的其他鄉鎮中，其中蘭洋鎮都為基本安全區；在海頭鎮、白馬井鎮、光村鎮、新州鎮和王五鎮分布較集中，而大成鎮的基本安全區是圍繞安全區呈圈狀分布。基本安全區內耕地土壤中的重金屬含量略高于土壤風險篩選值，水稻中的重金屬符合食物限量標準，表明土壤中重金屬含量有輕微積累，但不會威脅到農產品和人體健康。因此需要對土壤污染源進行控制并采取措施防止新的重金屬污染，嚴禁在周邊建立有色金屬廠、垃圾焚燒廠蓄電池制造廠等可能造成土壤重金屬污染的化工廠，保證耕地土壤和周圍環境處于較為安全的狀態。

（3）低風險監控區，該區45.33km2，占總耕地面積的4.22%，集中分布在東成鎮東北部、三都鎮北部、峨蔓鎮北區和木棠鎮中部，在中和鎮的西北部有較少的分布，光村鎮和新州鎮鄉鎮邊界處有微小分布。低風險監控區內耕地土壤重金屬含量較高于土壤篩選值，但是水稻中的重金屬含量符合食物限量標準，表明此刻土壤及周邊狀態對水稻和人體健康基本上構不成威脅。應切斷重金屬污染源并對土壤、灌溉水、周圍環境進行動態監控，以經濟可行性為前提對土壤進行修復和整治。

（4）中風險預警區，該區21.2km2，占總耕地面積的1.97%，集中分布在峨蔓鎮南部和木棠鎮西北部，圍繞著高風險限制區呈圈層擴散，此外，在三都鎮與峨蔓鎮的鄉鎮交界處有微小分布。中風險預警區內耕地土壤重金屬含量較高，而且水稻的重金屬已經超過食物限量標準，表明土壤以及周圍環境對水稻質量已經造成威脅，對人體健康造成較大潛在風險。需要對土壤采取重金屬污染風險評估，實施風險預警防控管理，采取合適的土壤修復和整治措施，比如植物淋浴和固定化處理等。此外，必要時可適當進行農業結構調整，即更換或輪作不同農作物類型。

（5）高風險限制區，該區16.67km2，占總耕地面積的1.55%，該區的占比最少但最聚集，集中分布在峨蔓鎮南部和與木棠鎮的鄉鎮交界處。高風險限制區內耕地土壤重金屬含量嚴重超過土壤風險篩選值，土壤受到嚴重污染，且水稻安全受到較大威脅，當水稻中的重金屬含量超過食物限量標準時，長期食用可能威脅人體健康，增加患病概率。采取土壤綜合整治措施，并深入調查污染源和檢測土壤、大氣和灌溉水的環境質量，預警污染范圍；限制農用地利用，調整作物結構或者在必要的情況下可將農用地轉換為非農用地，降低存在的風險。

經分區統計分析，結合該市的統計年鑒和實地調研，對高風險限制區、中風險預警區和低風險監控區進行了重點分析發現：木棠鎮有工業園區，分布不同類型的工廠；而峨蔓鎮有較大規模的畜禽養殖場。而這些主要工業企業和畜牧業集中分布在鄉鎮的邊緣區域和水域密集地帶，將釋放的廢水、廢棄物中的重金屬污染到周圍的農作物中，所以有必要以安全利用、因地制宜為原則，提出分區利用及管理防控的合理性建議[27]。

3 結論與討論

本文以儋州市為例，首先采用單因子污染指數法和空間插值分析對土壤和水稻中Cd、Hg、As、Pb四種重金屬的基本特征和空間分布情況，其次運用綜合質量指數（IICQ）對土壤—水稻系統質量進行了綜合評價，并依據土壤—水稻系統的重金屬污染等級和農田綜合質量狀況對研究區進行安全利用分區，提出了針對性的分區管控建議。主要結論如下：

（1）研究區土壤中四項重金屬的污染程度由高到低依次為As、Cd、Pb、Hg；而水稻中四項重金屬的污染程度由高到低依次為Cd、Pb、Hg、As。土壤和水稻的四項重金屬在北部地區含量最高，空間分布不均勻。

（2）運用IICQ評價土壤—水稻系統重金屬污染狀況，根據結果將其劃分為I級（清潔）和II級（輕微污染）、Ⅲ級（中度污染）、IV級（重度污染）和V級（極度污染）。結果表明，研究區主要處于輕微污染狀態，其次為清潔狀態和中度污染狀態，土壤—水稻系統整體處于亞健康狀態，水稻基本符合國家食品安全標準。

（3）基于綜合質量指數（IICQ）的評價結果，將研究區劃分為5個安全利用分區：安全區、基本安全區、低風險監控區、中風險預警區和高風險限制區。研究區主要為基本安全區，而中風險預警區和高風險限制區分布最少。并針對不同分區的特征表現，提出合理化管控建議。

本文采用IICQ法將土壤背景值和重金屬形態納入土壤與農作物的綜合評價中，并從土壤和農作物污染的視角進行風險分區與管控，有利于實現耕地土壤資源的安全利用。今后研究可采用不同評價方法驗證綜合指數法的結果準確性，同時繼續深入耕地土壤安全利用定量劃分方案的研究。