基于农业地质调查成果的开封市土壤质量综合评价

李 玲，张云霞，盛 奇，付巧玲，杜丽伟

(1.河南农业大学 资源与环境学院，郑州450002;2.河南省地质调查院，郑州450001)

土壤质量直接影响粮食产量和安全品质，一直是农学、土壤学及环境科学关注的热点。农业地质调查是针对与农业生产密切相关的地质环境要素展开的调查工作，研究岩石、土壤、水、生物等要素的相互作用及规律，是地质科学在农业生产的直接应用，调查成果可以为土壤质量评价提供基础数据。关于土壤质量内涵、评价方法模型、评价指标体系及土壤属性与农作物和人体健康的关系等方面已有诸多研究［1-4］。其中关于土壤综合质量评价研究多选择物理、生物学评价指标，此类指标的度量主观性和专业性较强，对工作者经验要求较高，评价结果受评价人员经验影响较大。鉴于此，本研究从土壤环境质量、肥力质量和健康质量的内涵出发，构建了基于农业地质调查成果的土地质量评价体系，并对开封市土壤进行了综合质量评价。研究成果可对科学合理布局农业生产提供参考［5］，对探索农业地质调查成果的应用具有重要意义。

1 研究区概况

开封市位于黄河下游冲积平原东部，属暖温带大陆型季风性气候，境内水系较多，地下水位埋深较浅。土壤母质分冲积物、风积物和人工灌淤沉积物三类，土壤类型以砂质、壤质潮土为主，农业生产的限制因素主要是沙土盐碱及旱涝等自然灾害［6］。2012年全市土地总面积629 600 hm2，其中耕地面积394 010 hm2，耕地以水浇地为主，其次是旱地。

2 材料与方法

2.1 数据来源与测试方法

21世纪初，农业地质调查纳入国家国土资源大调查计划。本研究根据《河南省黄淮平原经济区农业地质调查》(2010年)的多目标地球化学调查数据成果，将农业地质调查成果的应用从最初的环境污染评价、地方病防治、矿产资源预测延伸到区域生态环境质量评估、土壤质量综合评估、优势农作物种植区划。土壤样品采样密度为1件/km2，采样深度为0～20 cm，分析样品共计1 558件，采样点空间布设见图1。

图1 土壤样点布设图Fig.1 The distribution of soil sampling sites

SiO2、P、K2O、S、Pb、Cr、Zn 采用 X 射线荧光光谱法测定，有机碳(Corg)采用凯氏法测定，B采用交流水平电极发射光谱法测定，I采用催化动力学分光光度法测定，F、pH值采用离子选择电极法测定，Cu、Ni采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定，Cd采用石墨炉原子吸收光谱法测定，As、Hg采用氢化物发生—原子荧光光谱法测定。

2.2 评价方法

首先，根据土壤质量内涵分别进行了土壤环境质量评价及土壤肥力与健康评价;然后，将2项评价结果进行叠加，得到土壤综合质量结果。

2.2.1 土壤环境质量评价方法。土壤环境质量评价主要是土壤重金属污染评价，选择了 Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 8个评价因子，采用单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法进行评价。考虑到开封市土壤pH值整体上在7.5以上，计算单项污染指数时，污染物质量标准参照1995年国家《土壤环境质量标准》规定的pH＞7.5时的二级标准值(表1)［7］。根据污染指数(P)的大小将土壤环境质量划分为5个等级:P≤0.7，1级，土壤环境质量安全、清洁;0.7 ＜P≤1.0，2级，土壤环境质量处于警戒线范围、尚清洁;1.0＜P≤2.0，3级，土壤环境质量受到轻度污染、污染物超过标准值;2.0＜P≤3.0，4级，土壤环境质量受到中等污染;P＞3.0，5级，土壤环境质量受到严重污染。

表1 土壤环境质量二级标准 mg·kg－1Tab.1 The secondary environmental quality standard for soil

单项污染指数法:Pi=Ci/Si。式中:Pi为土壤污染物i的单项污染指数;Ci为污染物i的实测值;Si为污染物i的质量标准值。综合污染指数法:P综=平均单项污染指数;Pi，max为最大单项污染指数。

2.2.2 土壤肥力与健康质量评价方法。选择评价模型和评价因子，确定权重和隶属度。

①评价模型。综合质量指数法是土地评价的一种常用方法，综合质量指数可用加权指数和模型计算［8-11］。以土壤肥力与健康综合质量指数综合反映土壤肥力与土壤肥力与健康质量综合指数;Wi为第i个指标的权重，

②评价因子的选择。评价因子的选择主要根据主导性原则、差异性原则、稳定性原则及易获取性原则。通过综合分析、反复筛选，最终选取土壤理化性质指标pH、SiO2，土壤养分指标 Corg、P、K2O、S、B 及健康元素指标F、I共计9个因子［12］。因子选择时考虑到土壤质地是影响土壤肥力的基本要素之一，而SiO2在砂粒、粉粒、粘粒中所占比例依次递减［13］，SiO2含量在不同质地土壤差异明显，对土壤质地有很好的指示作用，故将SiO2筛选为土壤理化性质指标之一，并赋予了比较高的权重;另外，土壤中作物必需的大量元素N对作物生长影响较大，但因为全N与Corg呈极显著正相关关系，因此，仅将Corg作为评价因子，而将全N因子筛除。

③权重的确定。利用层次分析法，通过建立层次结构，构造判断矩阵，层次单排序和一致性检验及层次总排序和一致性检验，最终确定各因子的权重(表2)。

表2 开封市土壤肥力与健康质量评价指标权重Tab.2 The index weight of soil fertility and health quality evaluation in Kaifeng City

④隶属度的确定。根据开封市各评价因子指标值取值变化范围及其与作物生产、土壤肥力与健康质量的影响，并参照当前研究成果及专家经验构建隶属函数［14-18］。选用指标的隶属函数可分为抛物线型和“S”型两类，隶属度值越大，表示土壤质量越好。

抛物线型:

式中:I为隶属度;x为指标实际值;x1，x2，x3，x4分别为指标取值的上限、下限、最优值1、最优值2。

抛物线型隶属函数的指标包括 pH、SiO2、S、F、I。对于指标pH，土壤酸碱度为中性时质量最好，当土壤变酸或碱时质量逐渐变差;对于表征土壤质地的指标SiO2，在一定取值范围内土壤质地为中壤，质量最好，随着SiO2含量变多(变少)，土壤质地逐渐偏砂(粘)，质量逐渐变差;对于指标F、I，在一定取值范围内，不会引起区域内人群身体疾病，认定土壤质量健康，超过这个取值范围，指标值偏大或偏小都易引发人类地方病(如过低的F引发的龋齿、老年骨质疏松症，过高的F引发的地方性氟中毒［19］，过低的I引发的地方性甲状腺肿、地方性克汀病，过高的I引发的高碘型甲状腺肿［20］等)，认定土壤质量变差;对于S，在一定取值范围内，土壤质量最好，但当指标低于或高于取值范围时，土壤质量变差。

“S”型隶属函数的指标包括指标 Corg、P、K2O、B。对于这4项指标在一定取值范围内，指标值越大，土壤肥力质量越好，达到某一临界值之后，随着指标值的变大土壤质量基本不再变化。通过综合分析，最终确定了各评价因子隶属函数阈值(表3)。

表3 土壤肥力与健康质量指标的隶属函数及其阈值Tab.3 The index subordinate function and threshold of soil fertility and health quality evaluation index and its threshold

3 结果与分析

3.1 土壤环境质量评价

为了反映研究区内任意一点的土壤环境质量状况，首先运用ArcGIS中的克里金插值方法对样点数据进行空间插值，生成一个覆盖整个研究区的面状的土壤重金属含量分布图，然后通过软件中栅格计算工具求取任一点的污染指数，通过重分类工具进行土壤污染分级，最后统计不同土壤污染等级的面积比例。

从土壤环境质量单因子评价结果(表4)看，开封市Hg、Cu、Pb、Cr、Ni土壤环境质量全部为 1 级;Cd、As、Zn土壤环境质量以1级为主，局部区域呈现不同程度的污染。其中Cd、As、Zn的2级土壤环境质量面积占土地总面积的比例分别为 0.25%，17.88%，0.04%;Cd、As、Zn的3级土壤环境质量面积占土地总面积的比例分别为0.33%，0.07%，0.01%;此外还有 0.07%，0.05% 的土壤分别为Cd 4级、Cd 5级环境质量。从土壤环境质量综合评价结果看，开封市99.13%的土壤为1级，土壤环境质量清洁、安全;0.39%的土壤为2级，土壤环境质量在警戒线附近;0.37%的土壤为3级，土壤环境质量受轻度污染;0.05%的土壤为4级，土壤环境质量受中度污染;0.05%的土壤为5级，土壤环境质量受重度污染。

表4 开封市土壤环境质量等级 %Tab.4 Grade of soil enviromental quality in Kaifeng City

从土壤环境质量的空间分布(图2)看，开封市土壤整体上质量状况良好，Cd、As、Zn污染集中在市区南部的东郊乡、南郊乡、土柏岗乡和尉氏东北部水坡镇的海青郭、金针、牛集、杨店、盆刘等村，且Cd污染最为明显。

图2 开封市土壤环境质量空间分布Fig.2 The spatial variation of the soil environmental quality in Kaifeng City

3.2 土壤肥力与健康质量评价

根据土壤肥力与健康质量评价方法模型，首先求出各土壤样点的土壤肥力与健康质量综合指数，然后对样点土壤肥力与健康质量综合指数进行克里金插值(Y)，并根据该指数频率分布直方图的自然裂点划分5个等级(表5)。开封市1级土壤面积占0.35%，质量为优质;2级土壤面积占26.65%，质量良好;3级土壤面积占46.27%，质量中等;4级土壤面积占17.20%，质量差;5级土壤面积占9.53%，质量极差。

表5 土壤肥力与健康质量分级标准及结果Tab.5 Soil fertility and health quality grading standards and results

土壤肥力与健康质量综合指数分级(图3)与开封市土壤图对比分析表明，1级土壤主要分布在南部郊区，土壤类型为壤质或砂质潮土;2级土壤主要分布在杞县的中、西部，尉氏县、兰考县的东部以及开封市南部，土壤以壤质潮土为主，其次是粘质潮土、砂质潮土;3级土壤在各个县域均有分布，土壤仍以壤质潮土为主，此外还有部分为砂质潮土、壤质脱潮土、粘质脱潮土、冲积湿潮土、粘质灌淤潮土;4级土壤主要分布在市域的东北部块区和西部块区。东北部块区在兰考县与开封县的交界处，土壤以氯化物碱化潮土、氯化物盐化潮土、硫酸盐碱化潮土为主，西部块区在尉氏县、开封县的西部，土壤以砂质潮土为主，并有少量固定草甸风沙土;5级土壤主要分布在开封县东北部，少部分在尉氏西部，土壤主要为砂质潮土、砂质脱潮土、固定及半固定草甸风沙土。从土壤类型的生产性能上看，前3级土壤对应的土壤类型生产性能相对较好，4级土壤对应的土壤类型常由于土壤盐分过量或过碱造成生产性能较差，5级土壤对应的土壤类型多由于土质较粗易漏水漏肥，生产性能较差。

图3 土壤肥力与健康质量综合指数空间分布Fig.3 The spatial variation of soil fertility and health quality comprehensive index

对不同土壤肥力与健康质量等级的土壤属性(平均值)进行统计分析(表6)。从1级到5级，土壤pH值升高，碱性越来越强，作物所需养分 Corg、P、S、I含量逐渐减少;从2级到5级土壤，土壤中SiO2含量递增，土壤质地整体上由粘质、壤质过渡到砂质，作物生长必需微量元素B和人体健康元素F呈递减趋势;而K2O在各级别土壤中的含量差别不大，与1990年公布的中国土壤(A层)元素背景值75%的统计量2.16 mg/kg相比，开封市土壤K2O含量很丰富。其中1级土壤Corg含量明显较高，主要是因为其对应区域位于城市近郊，有机肥来源丰富，农村经济水平相对较高，农业有机肥投入量相对较大;2级土壤的F平均含量为560 mg/kg，相对较高，应进一步研究F的存在形态和迁移途径，预防食物型地氟病;4级土壤 I含量为1.35 mg/kg，5级土壤 I含量为0.96 mg/kg，I含量偏低，应注意预防缺碘性地方病。

表6 土壤肥力与健康质量等级属性统计Tab.6 Statistics of soil fertility and health quality grade properties

3.3 土壤综合质量结果

在具体的土地利用过程中，应全面考虑土壤环境质量评价结果以及土壤肥力与健康质量的评价结果。以灰度表达土壤环境综合污染类别，以图案表达土壤肥力与健康质量等级，图形叠加最终得到研究区土壤综合质量评价图(图4)。叠加法简单易行，保持了2项评价结果的相互独立性。

图形叠加的同时将土壤质量属性叠加统计分析，结果表明，开封市4，5级肥力与健康质量等级土壤的环境质量综合污染类别全部为安全，而质量相对较好的1，2，3级肥力与健康质量的土壤分别有90%，0.55%，0.03%受到了不同程度的污染。其中1级肥力与健康质量土壤中污染土壤分轻度、中度、重度污染，依次为62.24%，13.30%，13.46%;2级肥力与健康质量土壤中污染分轻度、中度污染，分别为0.54%，0.01%;3级肥力与健康质量土壤中污染土壤全部为轻度污染。

图4 开封市土壤综合质量空间分布Fig.4 The spatial variation of soil comprehensive quality evaluation in Kaifeng City

将中度、重度污染土壤的肥力与健康质量等级降为5级，将轻度污染土壤的肥力与健康质量等级降为2级［21］，则土壤肥力与健康质量1级面积比例减少0.31%，2级面积比例减少0.15%，3级面积比例增加0.20%，4级面积比例增加0.14%，5级面积比例增加0.12%。将降级后的土壤肥力与健康质量等级作为土壤综合质量级别，则最终土壤综合质量级别从1级到5级的面积比例依次为0.04%，26.50% ，46.47% ，17.34% ，9.65%。

4 结论

单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法相结合的评价方法可以更好地反映区域土壤单因素环境质量和综合环境质量。开封市土壤重金属Hg、Cu、Pb、Cr、Ni含量均低于土壤环境质量二级标准。从土壤综合污染程度看，0.23%的土壤重金属含量在安全警戒线附近，0.22%的土壤受轻度污染，0.03%的土壤受中度污染，0.03%的土壤受重度污染。99.13%的土壤清洁、安全，适合作物生长，土壤存在Cd、As、Zn点状污染，主要分布在城市郊区附近，应注意对Cd的监测和风险防控。

在应用综合质量指数法评价土壤肥力与健康质量时，采用层次法确定权重、构建隶属函数赋值减少了评价的主观性，提高了评价结果的科学性。开封市土壤肥力与健康质量1级至5级的面积比例分别为0.35%，26.65%，46.27%，17.20%，9.53%;肥力与健康质量较低的4级、5级土壤主要分布在砂质、pH值较高、养分含量较低、I及F的含量过高或过低区域，应注意区域I及F存在形态和迁移途径。

对土壤环境质量和肥力与健康质量评价结果进行叠加整合，形成土壤质量综合评价结果。具有生产意义的土壤肥力与健康质量级别转化为具有食品安全意义的土壤综合级别后，1级到5级面积比例依次变为0.04%，26.50%，46.47%，17.34%，9.65%。研究结果可对开封市的粮食安全、绿色产能评价、作物种植区划、污染防控及土地可持续利用等具有指导作用。

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