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土壤环境功能区划研究进展浅析*

2015-03-09张胜田林玉锁王金超

中国农业资源与区划 2015年1期
关键词:区划土壤环境土地利用

贾 琳,杨 飞,张胜田,林玉锁,王金超

(1.中国环境科学研究院,北京 100012;2.中国科学院地理科学与资源研究所/资源与环境信息系统国家重点实验室,北京 100101;3.环境保护部南京环境科学研究所,南京 210042;4.首都师范大学,北京 100048)

土壤是人类赖以生存和发展的物质基础,土壤环境问题直接关系到食品和人居环境安全问题。加强土壤环境功能保护是构建国家生态文明体系、以人为本、可持续发展的重要内容[1]。土壤环境功能区划是合理开发利用、有效管理保护土壤资源及其环境功能的重要基础性工作。

土壤环境功能有很多,也有不同的划分方式,但其主要功能有:作物生长、原材料生产、自然景观文化遗产和建设承载、营养库、雨水涵养作用、养分转化和循环作用、缓冲过滤、栖息地和基因库等方面[1-3]。土壤环境功能及其区划研究与人类需求,人类活动的联系必然非常密切。人们利用土壤的各种功能获取衣食住行之需,也依靠土壤消纳各种排放物,人为因素等外界干扰显著影响土壤环境和功能的变化[3]。国家高度重视土壤环境保护工作,国务院《关于落实科学发展观,加强环境保护的决定》中明确要求“以防治土壤污染为重点,加强农村环境保护”。2010年《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十二个五年规划的建议》和2011年《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》要求加强综合土壤污染等环境问题治理,明显改善环境质量。

环境功能区划是对区域的环境功能类型进行科学、实用地合理划定[4],土壤环境功能区划是促进社会可持续发展、实现土壤环境科学利用和管理的一项重要的基础性工作,应土壤环境功能分区分类科学管理和人居生态安全需求,土壤环境功能区划工作亟须加紧展开[5]。环境保护部2009年全国环境保护工作会议明确要求开展土壤环境功能区划试点工作,2011年环境保护部《关于进一步加强农村环保工作的意见》中明确要求:“建立土壤环境功能区划指标体系和区划方法,构建土壤环境分区分类管理体系”。

土壤环境功能区划是实现土壤环境“分类分区”管理的重要前提,而土壤环境功能区划方法学研究则是全国土壤环境功能区划工作的重要技术支撑。它需要综合考虑气候、地形地貌、土壤本身类型属性、土壤环境质量现状、土壤环境敏感性、土地利用方式等自然、社会、经济多方面的多系统因素。该研究通过对土壤环境功能区划研究进展进行梳理、探讨土壤环境功能区划主要影响评价因素,进而分析讨论了土壤环境功能区划的主要问题,提出土壤环境功能区划和保护管理方面建议,为我国土壤环境功能区划研究提供科学参考。

1 土壤环境功能区划进展

1.1 土壤环境功能区划概念

环保部生态司组织专家起草的2010年的土壤环境功能区划征求意见稿[6],初步提出土壤环境功能区划定义,指依据各土壤环境单元的承载力 (环境容量)及环境质量的现状和发展变化趋势,结合土地利用方式和社会经济发展对土壤环境质量要求,对区域土壤进行的合理划分。它既包括基于土壤环境本身环境功能的差异而进行的土壤目标分区,也包括为了保护土壤环境功能而进行的政策和措施分区。李志艺等也对土壤环境功能区划做了初步定义:指依据社会经济发展需要和土壤环境保护要求,考虑土壤环境质量特征与总体状况,按照土地资源利用现状、土地利用方向,结合不同用途土地适宜土壤环境质量控制标准,划分为具有科学性、可操作性的土壤环境功能类型,并且对区域进行合理的划定[5]。张胜田等认为土壤环境功能区划是依据社会经济发展需要和不同地区在土壤类型、土壤环境质量和使用功能上的差异对区域进行合理的划分[7]。杜立宇等认为土壤环境功能区划是在以土壤污染状况为主的土壤生态环境现状调查和土壤环境敏感性评价的基础上,依据区域土壤环境生态服务功能的重要性、相似性和差异性而进行的地理空间分区[8]。

目前的土壤环境功能区划几种定义中,都主要考虑了土壤环境质量特征 (特别是土壤污染状况)、土地利用方式、土壤环境承载力,并充分依据区域社会经济发展需求,对土壤环境功能进行合理区划。同时,自然气候背景条件也直接和间接地影响着土壤环境功能,因此其在区划过程中也应充分考虑。

1.2 土壤环境功能区划原则与依据

区划原则是开展区划研究工作的基础,对区划方案各环节都有关键性指导作用,区划原则确定的基本思想就是“从源、从众、从主”:“从源”指必须考虑成因、发生、发展和共轭关系,“从众”是指必须考虑综合性和完整性,“从主”是指应考虑其典型性、代表性[9]。环境区划与自然和行政区划紧密相连,环境区划应遵循现实性和差异性原则、前期成果集成原则、行政单元相对完整原则、环境管理体系匹配原则、界面区域突变原则[10]。

因此,土壤环境功能区划除需遵循一般的相似性与差异性、区域相关性与共轭性、发生学原则、等级性原则、主导性原则等基本区划原则外,还应遵循因地制宜、区内协调完整性、区域发展时空分异、可持续发展以及可操作性强等原则[7]。

目前,土壤环境功能区划研究中,土地利用变化对土壤环境功能的影响作用被重点分析或作为主要区划依据,但土壤污染调查、环境质量评价和土壤环境功能也在土壤环境功能区划研究中得以补充分析(表1)。综上所述,土壤环境功能区划需依据自然背景条件、土壤类型和功能、环境功能定位、土壤环境质量现状和承载力、污染物排放和技术发展水平,考虑到土壤环境质量变化趋势及人类活动的驱动作用,充分考虑实施土壤环境科学管理的阶段性任务、土壤环境功能可持续利用的长期性目标。

1.3 土壤环境功能区划方法与分类体系

目前,区划研究方法主要有层次分析、模糊聚类,以及遥感与地理信息系统技术支持的空间分析方法(见表1)。土壤环境功能区划应采用定性分区和定量分区相结合的方法分区划界,“自上而下”区域分割法和“自下而上”空间聚类途径相结合[9];应充分发挥遥感和地理信息系统技术以及层次分析、模糊聚类、叠置法、主成分分析、回归分析、地理相关分析等定量方法的空间分析作用。

张惠远等基于环境本质内涵将环境功能类型划分为人居健康维护区、粮食安全保障区、自然生态保育区、后备资源保留区4类[4]。许振成等提出土壤环境功能区划主要按照土壤的敏感程度,并可划分为集约建设区、限制干扰区、维持自然状况区这3个一级区[12]。吕巧灵等基于城镇化过程中的土地利用变化对土壤功能的影响,在“三生”(生产、生活、生态)功能分类基础上进一步细分到二级功能[11]。张胜田等也在土壤的“三生”环境功能基础上,根据土壤的自然属性和所具有的主导环境服务功能类型初步提出二级分区体系构架[7]。李志艺等考虑环境功能区、土壤功能区与土壤环境功能区的关系,提出了土壤环境功能区划的两级分类体系,其中一级区划从宏观上解决土地资源合理开发利用与保护的问题,考虑可持续发展的土壤环境质量需求;二级区划主要协调用地部门之间的关系[5]。杜立宇等在对沈阳市土壤环境特征、土壤环境质量现状及生态敏感性空间分异特性的分析基础上,确定了三级的区域土壤环境的主导服务功能,并提出了相应的保护和建设方向[8]。

表1 土壤环境功能区划研究成果比较

综上所述,土壤环境功能区划分类体系仍在不断探讨过程中,分级分类依据和标准也各不相同,这也与土壤环境功能区划尺度、区域特点复杂程度、区域主体功能和主要生态功能等密切相关[13]。在实际区划过程中,应根据区划尺度等进行合理确定分类分级体系,但土壤环境功能区划仍然应该有一个统一的分类分级标准体系。总体来看,目前关于土壤环境功能区划的针对性研究才刚刚开始 (表1),研究尺度主要集中在市县级上,区划研究区域主要集中于我国主要平原农业区,区划指标依据和指标迥然不同,区划分类等级体系也各有千秋。

2 土壤环境功能区划主要评价因素分析

土壤环境功能区划应着眼于土壤生态环境和社会经济的可持续发展,它需依据区域自然气候环境背景特点,综合考虑宏观生态和微观土壤环境质量与功能。因此,在区划过程中,需要从土壤环境质量现状、土壤环境存在问题及成因、土地利用驱动、自然背景基础条件和社会经济发展水平等很多方面进行综合评价。

2.1 自然背景条件

土壤在地理环境中是处于大气圈、水圈、岩石圈、生物圈之间的界面上,与各圈层间相互作用。自然背景和气候条件等显著差异使得土壤类型和属性具有显著的时空差异,水热条件及其动力循环过程不断地改变着土壤的物理化学特性、同时影响着不同因子对土壤环境和功能改变作用的方式途径等。一些关键自然背景条件,如温度、降水、土壤类型、土壤酸碱度、地貌特征等自然背景基础条件,都显著影响着土壤环境功能差异。

2.2 社会经济发展水平

随着工业化、城镇化迅速发展,人口聚集程度增加,土壤开发利用强度不断增强,社会经济产业发展直接造成土壤污染严重、土壤侵蚀加剧、土壤脆弱性增强、土壤肥力下降等一系列环境问题[14],社会经济发展和人类活动对土壤环境各种功能都产生了直接且显著的负面作用,同时影响着土壤环境功能修复、保护等管理措施的实施效果。区划应创新思维,深入认真分析社会经济与土壤资源、环境的一体化和系统化的关系[15]。

2.3 土壤环境污染现状和潜力趋势

土壤污染已成为土壤环境质量和人居生态环境安全的严重威胁,土壤污染面积不断扩大,污染程度不断加重[16]。弄清楚土壤污染及污染源的发生特点、分布范围、污染程度及形成机制,是土壤环境功能区划工作中必不可少的重要工作内容。根据污染源特点在不同尺度上区别对待,如工业源和生活源的土壤污染在县级或更小尺度上的土壤环境功能区划中应该准确研究,面源污染如农业生产中化肥和农药过量使用等对土壤环境质量影响范围很广,在各级尺度上都适宜于考虑。

环境污染对土壤质量和功能影响的作用是逐步显现的,因此对土壤环境污染潜力进行准确评价、识别土壤环境污染风险区域也是提早防范和控制土壤环境污染、保护土壤环境功能的基础工作之一[17-18]。

2.4 土壤环境重金属污染

土壤环境中重金属是一种危害性非常大的污染物,该研究认为在土壤环境功能区划中应区别于其他污染物而重点考虑。矿产资源开采、农药残留、污水灌溉等是重金属污染物的主要来源[19-20],重金属污染阻碍土壤有机质的降解、氮循环,降低土壤酶活性和微生物的代谢活性[21],减少微生物数量,降低土壤微生物的多样性,引起微生物种群结构变化[22],严重威胁食品安全和人类健康。当前土壤重金属污染呈现出多源性、普遍性、潜伏性、复合性、不可逆性和难治理性[23],而且随着城镇化和工业化的进展,将会变的更加复杂多变,其对土壤环境的危害也会进一步加强。

土壤重金属污染的综合评价对土壤环境科学评估和土壤环境功能合理区划至关重要。土壤环境重金属元素综合污染评价常采用内梅罗指数法,兼顾了最高分指数和平均分指数的重金属的影响,强调最高分指数的影响,对环境污染评价与防护有积极作用[24]。重金属对土壤环境污染评价也应考虑其在环境中的毒理效应,瑞典科学家Hakanson(1980)[25]引入重金属毒性响应系数,提出潜在生态危害指数法,将重金属的环境生态效应与毒理学联系起来,不仅考虑土壤中重金属含量差异同时也考虑重金属危害程度。该方法对土壤环境潜在的生态危害进行评价,对强调的保障土壤环境质量和人类健康安全方面具有重要参考价值。

2.5 土壤侵蚀

土壤侵蚀是危及人类生存与发展环境的主要问题之一。土壤侵蚀可在水力、风力、冻融或重力等多种外营力作用下发生,2011年全国土壤侵蚀总面积达约294.91万km2,占全国陆地面积的近1/3[26]。土壤侵蚀不仅可以直接改变土壤物质组成、破坏土壤结构、减少土壤养分和微生物组成、降低土壤环境功能,而且可以通过降低植被覆盖等方式间接影响土壤环境功能[27]。人为活动影响加速自然侵蚀过程,甚至成为主要土壤侵蚀的主力[28]。

2.6 土地环境承载力

土地综合承载力通常被定义为一定的自然、科技和资金投入条件下,土地资源所能持续承载人类各种活动的规模和强度的阈值[29],或者是土壤环境单元所容许承纳的污染物质的最大数量或负荷量。土壤环境承载力是协调经济发展与土壤环境保护的重要内容,其评价需要综合考虑水土资源、环境质量、社会人文和经济技术等复杂系统要素[30]。

2.7 土地利用对土壤环境的影响

土地利用变化研究对土壤环境质量和区域生态安全至关重要[31]。土地利用或覆盖的不同会使土壤的物理结构、化学和生物性质发生改变,从而影响整个土壤环境功能。区域范围的植被也能够保护或减缓土壤环境质量受外界影响的范围和速度。人类土地利用活动能通过改变土地覆被类型分布进而影响地表水文气候过程,造成局部区域的气候条件的改变。合理土地利用则可以改善土壤结构,增强土壤对外界环境变化的抵抗力,增加生物多样性,保护土壤环境质量和功能[32]。

同时,土地利用方式的变化趋势也影响着未来土壤环境质量和功能的变化,土地利用变化的模拟预测一直是重要研究问题[33],土地利用变化模拟是一个系统问题,需综合分析土地利用现状、土地利用变化驱动机制和转换规则、土地管理政策、不同土地利用方式之间的竞争关系,兼顾社会经济发展和人类活动的驱动力特征,因此模拟预测土地利用未来变化对预测土壤环境功能区划近长期目标具有重要指导意义。荷兰瓦格宁根大学的Verburg等科学家提出土地利用动态变化及效应模型[34],可以在空间上反映土地利用变化的过程和结果[35],目前已被广泛应用。

3 土壤环境功能区划问题讨论与建议

3.1 土壤环境功能区划尺度差异

区划研究工作因选择区划尺度不同而异,全国、区域、省、市县级尺度的土壤环境功能区划在区划目标、方法、分类体系方面都存在一定差异。区域尺度重点解决跨省土壤环境功能区划问题,流域尺度土壤环境功能区划主要解决上下游土壤环境功能区划问题,省级尺度土壤环境功能区划重点解决土壤环境功能区划与相关区划接口和环境管理接口问题,县级土壤环境功能区划与环境管理接口更为直接,与地方工作人员对接方式更为简单、自然。目前,土壤环境功能区划试验研究主要在市县级区域尺度上 (见表1),并且区划方案和分类体系等仍处于探索阶段,只有个别学者针对全国尺度土壤环境功能区划提出探索思路。市县级尺度的区划需要全国或区域等大尺度的土壤环境功能区划的协调、统筹,大尺度的区划需要市县等小尺度的区划的细化、落实。从目前研究来看,各级尺度的土壤环境功能区划及其比较分析、科学规范化应用仍需展开大量研究和试验工作。

市县级等小尺度的环境功能区规划是全国等大尺度区划的具体落实,是县域环境决策和管理的重要依据[36],它在整个土壤环境功能区划体系中是较为基础的和可操作性的区划;在县域区划首先从其可实施性出发,如在该分类体系中可重点考虑土壤环境质量现状并结合实施具体的管理办法和治理方法。

在全国等大尺度区划中可主要考虑环境功能,而在县级等小尺度上可以详细考虑土壤功能。在全国等大尺度区划研究中,必须重点研究气候条件空间差异,但在县域范围内,由于气候条件空间差异性不是特别明显,可以不作重点分析。土壤环境质量和敏感性空间异质性非常大、且受各种因素的影响作用较复杂,在市县级尺度上可以做到精确分析、重点考虑,还可参考市县级精细的土地利用规划和土地利用功能分区,因地制宜地进行区划。

3.2 区划指标体系分析

目前土壤环境功能区划分类依据主要为土地利用、土壤主导功能、土壤自然属性、土壤环境污染评价等方面。土壤环境功能区划的分级分类体系林林总总,尚缺乏统一的标准规范。由于土壤环境功能区划的尺度差异,致使在选择评价指标体系、确定分级分类系统方面的差异也都尚不明确。

结合目前土壤环境功能区划分类体系研究概况,土壤环境功能区划中一级分类一般依据主导土壤环境功能进行综合分区,主要分为生产功能区、生态功能区、生活功能区。同时,区划过程中也应根据尺度差异,选择考虑自然气候背景条件、社会经济发展状况等指标进行辅助确定。土地利用方式或土壤环境敏感性是下一级分类体系的主要参考依据,但土地利用和土壤环境敏感性对土壤环境功能影响途径存在很大差别。因此,二级区划可以考虑依据主要土地利用及其行业用地发展规划,从人类活动驱动力和土壤环境变化方式方面进行分类;而将土壤环境污染、土壤侵蚀、土壤环境承载力等指标作为第三级区划分类体系的分区依据。在土壤环境功能区划指标体系应用和落实过程中,也便于从具体且可操作性强的第三级和第二级区划类别进行管理,进而根据第一级区划类别进行科学协调。

同时,在土壤环境功能区划分类体系中,还应对每个分级分区的特征和依据进行描述、增加其实用性和可操作性,包括自然地理气候条件特征、社会经济发展水平,现存和潜在的主要土壤环境问题,引起土壤环境质量问题的驱动力和原因,土壤环境敏感性及可能发生的主要土壤环境问题,土壤环境功能类型和重要性等。根据土壤环境的各功能区等级和类型的空间布局,结合区域主要功能特征,提出相应的环境目标和环境标准建议,根据各功能等级和类型的载荷量制定规划方案。

3.3 土壤环境功能区划的管理保护作用

土壤环境功能区划必须重点考虑土壤环境功能管理,明确不同功能分区下的土壤环境的详细具体的保护措施,使土壤环境功能区划具有较强的实施性。

在土壤环境功能区划中,对于基本农田区、居民区、自然保护区核心区、文物古迹、荒漠等类似的管理保护目标明确且主体功能单一的区域,可稍作分析、简单分区[37];但对上述区域之外的缓冲区域、规划区域、具有多重土壤环境功能等区域进行深刻、明确的区划分析,并重点针对该土壤环境功能区提出区划标准和实施建议。

3.4 土壤环境功能区划实施与管理建议

土壤环境功能区划研究还亟须继续深入,该研究就土壤环境功能区划及其实施、管理和保护等方面提出几点建议:

(1)选择典型土壤功能区划区域进行区划结果验证和应用试点工作。

(2)在不同的土壤环境功能类型区,建立监测控制站点网络[15],进行土壤环境质量和功能状况的时空动态监测,并保证监测数据的标准化和共享。

(3)对土壤环境功能区划重要功能区、土壤环境质量较好区域进行重点监测和管理保护,防止土壤环境功能区域下降。

(4)遥感和地理信息技术 (Geographic information technology,GIS)日渐成熟,充分发挥GIS的空间分析方法和可视化技术优势,掌握土壤环境质量现状、污染分布、驱动力的动态变化等方面,提高土壤环境功能时空区划的科学性。

(5)目前,我国土壤环境质量修复技术和管理保护制度相对落后,这是制约我国环保工作的一个重要因素,应大力开发治理土壤环境质量修复的新技术、加快治理技术产业化,尽快建立健全针对各种土壤环境功能区划类型的具体的管理制度和保护措施标准。

(6)加强土壤环境质量和功能保护的宣传,提高公众保护意识,动员全体公众的力量来监管和保护土壤环境功能。

4 结论

土壤环境功能区划是实现土壤环境“分类分区”管理的重要支撑。土壤环境功能区划过程应与环境管理密切结合,深入分析和评价土壤环境功能区划主要问题和影像因素,剖析和规范化土壤环境功能区划原则、依据和分类体系等等。该研究通过对土壤环境功能区划概念提出、区划原则与依据、区划方法与分类体系等研究进展进行梳理,着重探讨了土壤环境功能区划主要影响因素,包括自然气候、地形地貌、土壤环境污染现状 (特别是重金属)和潜力趋势、土壤侵蚀、土地利用等自然、社会、经济多系统因素,进而分析讨论了土壤环境功能区划的主要问题,提出土壤环境功能区划和保护管理方面建议,为我国土壤环境功能科学区划和有效实施提供科学参考。

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