镉超标耕地的安全利用评价与优化配置方案*
2017-08-28刘霈珈王龙凤吴克宁赵华甫
刘霈珈，王龙凤，吴克宁※,赵华甫
(1.中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京 100083； 2.国土资源部土地整治重点实验室,北京 100035)
·问题研究·
镉超标耕地的安全利用评价与优化配置方案*
刘霈珈1， 2，王龙凤1， 2，吴克宁1， 2※,赵华甫1， 2
(1.中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京 100083； 2.国土资源部土地整治重点实验室,北京 100035)
[目的]提出分不同pH、不同地类对重金属超标耕地安全利用评价思路，并以A镇为例探讨了以地类转换、作物调整、园艺措施或其他适当的修复措施以及农用地转为非农用地等措施为途径的优化配置方案。[方法]文章选用单因子污染指数评价法，分不同pH值、水田、旱地、菜地对重金属镉超标耕地进行安全利用评价，采用反距离加权插值法得到整个研究区镉含量空间分布图。基于安全利用评价结果及其空间分布特征，分不同pH值探讨了以地类转换、作物调整、园艺措施或其他适当的修复措施以及农用地转为非农用地等措施为途径的优化配置方案。[结果]通过进一步分析评价结果空间分布特征发现A镇土壤大部分无污染，其中镉严重污染的水田土壤面积大于旱地土壤面积，空间分布主要受当地人为活动影响。[结论]优化配置方案有效降低了镉超标耕地的相对污染程度和重金属对农产品安全的影响程度。
土地管理 镉 耕地 重金属 安全利用 优化方案
0 引言
“万物土中生，有土斯有粮”。土壤是孕育万物的摇篮，人类文明的基石。2015年7月在中国科技会堂联合举办了“土壤与生态环境安全——国际土壤年在中国”高层论坛上赵其国院士、沈仁芳所长等众多专家学者提出土壤安全问题已经严重制约着国家粮食安全、食品安全、水安全和生态环境安全。土壤重金属污染是当今环境污染中污染面积最广、危害最大的环境问题之一，这种污染具有隐蔽性、潜伏性、不易降解、不可逆性、长期性、恢复性且其污染后果相当严重。
随着“镉”大米等一系列事件的爆发，土壤重金属污染问题不仅引起普通群众的关注，国内外专家学者也提出了如：单因子质量指数法、内梅洛综合污染指数、几何均值综合评价模式[1]、污染负荷指数法[2]、地积累指数法[3]、沉积物富集系数法[4]、潜在生态危害指数法[5]，模糊数学法[6]、灰色聚类法[7]、地统计学评价法[8]、健康风险评价方法[9-10]、环境风险指数法[1-12]等众多的重金属污染评价方法。国内在土地质量评价领域开展了农用地分等、土地质量地球化学评估、土壤环境质量评价等重要工作，并取得了丰硕的成果。其中，农用地分等成果在土地利用规划[13]、基本农田建设[14]、耕地质量[15]、耕地产能核算[16]等方面已取得成功应用，土地质量地球化学评估成果也在土壤环境污染程度评定[17]、生态风险评估[18]、矿床地质学研究[9-20]等方面得到广泛应用。土壤环境质量评价工作也为土壤环境质量分区提供了依据。但目前关于空间配置的研究多数集中在城市土地，缺少针对农用地的优化利用。开展重金属超标耕地的安全利用评价，探讨安全利用优化配置方案，落实质量监测，保障生态安全，促进耕地保护向保数量、保质量和保生态“三位一体”的方向过渡已迫在眉睫。
1 研究区概况
A镇，地处D市最南端，交通便利，是D市的人口大镇、工业重镇、历史文化特色镇和市区的重要组成部分。其地势南高北低； 属亚热带季风气候，全年温暖湿润，热量条件好，年平均气温15.7℃，夏季最热月平均气温28.3℃； 地面水、地下水丰富，蕴藏有丰富的野生植物资源。镇域平原地区多为水稻土，是重要的商品粮生产基地之一，山地岗丘多为棕壤，红黄壤和黄棕壤； 常绿阔叶林构成主要植被类型，全市植被覆盖绿较高。2005年A镇土地总面积为1.566 314万hm2，其中，农用地面积为1.018 580万hm2，其中耕地面积为3622.10hm2。建设用地面积为3577.35hm2，其他土地面积为1900.04hm2，土地利用率87.87%。
根据A镇1∶10 000土地质量地球化学调查可知：A镇土壤养分总体较缺乏，其中养分缺乏、较缺乏的面积比例高达70%，养分缺乏的土壤主要分布在丘陵山区； 养分丰富、较丰富的土壤面积比例不足10%，呈小片状零星分布，中等土壤面积比例为23.61%，呈块状分布。A镇75%的土壤处于清洁—尚清洁等级， 25%的土壤发生不同程度的污染，轻度污染面积比例为19.23%，中度、重度污染土壤面积比例分别为1.56%、3.36%。根据D市耕地质量等级成果可知：A镇水田、水浇地和旱地的自然质量等等别为3～5等，利用质量等别以4等为主，其次为3等和5等，6等最少，经济质量等别为4～7等。
2 研究方法与数据来源
2.1 研究方法
耕地安全利用是指对重金属超标耕地通过污染等级评定以及采取一系列措施，进而保障农作物生长良好，产出的农产品不危害人类的身体健康。针对此，文章采用单因子污染指数评价法来评定现实的土壤环境质量对人类社会发展需要的满足程度。这种方法通过环境质量指数的无量纲化，可以充分表征各环境因子对污染贡献率。该文以重金属镉，依据《全国土壤污染状况评价技术规定》(环发[2008]39号)，将镉超标耕地划分为5个污染等级(表1)，探讨镉超标耕地的安全利用优化配置方案。单因子污染指数评价法公式如下：
Pi=Ci/Si
(1)
式中，Pi：污染物i的单项污染指数；Ci：污染物i的实测值；Si：污染物i的单项评价标准值。
它直接反映超标倍数和污染程度，是确定土壤环境管理时的重要依据。Pi≤1时，表示土壤未受污染，Pi>1时，表示土壤受到污染。Pi值越高，污染越严重。
表1 土壤环境质量评价分级
等级Pi值大小污染评价IPi≤1无污染Ⅱ1
通过分析比较不同插值模型(反距离加权(IDW)、局部多项式(LP)、普通克里格(OK)和径向基函数(RBF))[21]，从土壤重金属镉污染区面积估算和空间分布预测精度来看，RBF方法和IDW方法要优于OK方法和LP方法。因此，该文采取反距离加权法对重金属镉进行空间插值，以更加准确的得到整个研究区的镉含量分布图，并据此作进一步的空间分析。
2.2 数据来源
数据主要来源于D市二调现状成果(2013年)，D市土地利用总体规划(2006～2020年)，A镇土地利用总体规划(2006～2020)C省D市耕地质量等级成果(2011年)，B市耕地质量生态地球化学调查与等级评价报告(2011年)，D市综合农业区划(1983年)，D市统计年鉴(2003～2014年)。
3 实证分析
3.1 安全利用评价
根据《土地质量地球化学评估要求(DD 2008-06)》的布点与分析化验要求，在A镇按照16个/km2的采样密度共布设2457个样点(图1)，控制可采样土地约143 km2。通过反距离加权法得到A镇镉含量分布图(图2)。
图1 采样点分布 图2 镉含量空间分布
图3 镉超标状况空间分布(旱地、水田、菜地) 图4 镉超标状况三维空间(旱地、水田、菜地)
表2 镉污染耕地安全利用评价标准 mg/kg
该文以《土壤环境质量标准》(GB 15618-2008)为评价标准，根据同一种元素在相同pH值状态下，不同地类不同的安全利用要求分地类进行评价，并据此为后面的优化配置方案提供基础。但二调现状成果(2013年)地类中没有菜地，而水浇地中包含菜地。在考虑实际情况后，该文将位于城镇周围的水浇地选取几块作为菜地的代表，按照对应pH值下的菜地污染标准值进行污染等级的评价。
根据《土壤环境质量标准》(GB 15618-2008)中的二级标准，在不同pH值、水田、旱地、菜地的评价标准不同(表2)，该文采用单因子指数评价法分地类对镉污染农用地的污染程度进行计算，得到每个采样点对应的单因子污染指数值。利用地统计分析模块中的反距离加权法对其进行空间插值得到整个菜地、旱地和水田的单因子污染指数，然后根据《全国土壤污染状况评价技术规定》(环发[2008]39号)中的土壤环境质量评价分级标准将其划分为无污染、轻微污染、轻度污染、中度污染、重度污染5个级别(图3)。为了空间可视化更清晰，采用ArcScene模块做出三维延伸立体图(图4)。
对于重金属镉，A镇菜地大部分为无污染、其次为轻微污染，再次为轻度污染，只有一块菜地属于重度污染且主要分布在i村、t村以及b村附近。旱地中绝大部分区域无污染，污染较重的区域面积非常小且分布区域非常集中，大都集中于城镇区东部h村与t村交界处，且h村东部是镉严重污染土壤分布最集中、范围最大的区域。水田中大部分无污染，但污染面积总体较旱地范围大，其中原因之一为A镇水田面积大于旱地面积，污染区域主要集中分布在h村的东部，z村东南部，t村的中西部地区以及b村、ak村以及i村交界处，这些地方都是受人类活动影响比较大的区域，与当地人们的生产生活活动密切相关。
3.2 优化方案
尽管土壤中重金属含量是一定的，但不同的地类安全利用评价标准不同。换言之，虽然土壤中的重金属含量达到或超过某种二级地类的安全利用标准，却未必达到另一种二级地类土壤中的重金属含量的安全利用标准。因此，该文试图探讨通过地类转换、作物调整或者其他园艺措施来降低相对土壤重金属超标程度，缩小相对污染面积。
(1)优化方案一：对于重金属镉而言，根据《土壤环境质量标准》(GB 15618-2008)中的规定，在pH≤5.5与5.5 通过实地调研和研究区近10年统计年鉴分析得出：首先考虑的是农用地内部用途的转换，研究区南部丘陵区还可种植茶叶、板栗等； 东部滩涂还可种植百合、芦苇等经济作物； 同时部分村庄还种植油菜、大豆等粮油作物。但对于污染十分严重的农用地，因修复成本高昂，修复效果不显著，根据经济可行性原则将其转为非农用地。 (2)优化方案二： 6.5 该文提出了分不同pH、不同地类对重金属超标耕地安全利用评价的思路，并以A镇为例探讨了以地类转换、作物调整、园艺措施或其他适当的修复措施以及农用地转为非农用地等措施为途径的优化配置方案来降低超标重金属对农产品安全的危害程度，进而保证人体健康。 但该文在探讨调整地类或将农作物改种非粮食作物等方式时不够深入，优化方案的设计方法不够细致，虽然提出了具体到农作物之间的调整方案，但缺乏具体农作物安全利用指标标准值，在今后的研究中可以精细到根据每种作物对重金属的安全利用标准，有利于将对某些重金属安全利用标准值低的改为种植对重金属安全利用标准值较高的作物。 [1] T.Pardo，R.Clemente，L.Epelde，et al.Evaluation of the phytostabilisation efficiency in a trace elements contaminated soil using soil health indicators.Polish Journal of Environmental Studies， 2013, 22(2): 487～493 [2] Xianfang Zhu，Hongbing Ji，Yan Chen，et al.Assessment and sources of heavy metals in surface sediments of Miyun Reservoir，Beijing.Environmental Monitoring and Assessment， 2013, 185(7): 6049～6062 [3] Benhaddya M L，Hadjel M.Spatial distribution and contamination assessment of heavy metals in surface soils of Hassi Messaoud，Algeria.Environmental Earth Sciences， 2014, 71(3): 1473～1486 [4] 徐庆， 钱瑾，张毓祥，等．上海市黄浦江表层沉积物重金属污染评价．中国环境监测， 2011, 27(3): 89～92 [5] Ogunkunle Clement Oluseye，Fatoba，Paul Ojo.Pollution loads and the ecological risk assessment of soil heavy metals around a mega cement factory in Southwest Nigeria.Journal of Hazardous Materials， 2014， 268： 68～76 [6] 秦丽娟， 王万雄，张伯尧．基于模糊数学的设施菜地土壤重金属含量动态分析．生物数学学报， 2014, 29(3): 559～565 [7] 孙维萍， 于培松，潘建明．灰色聚类法评价长江口、杭州湾海域表层海水中的重金属污染程度．海洋学报， 2009, 31(1): 79～84 [8] 李凤全， 叶玮，程雁．基于地统计学方法的城市灰尘重金属污染的空间变异特征度．浙江师范大学学报(自然科学版)， 2008, 31(4): 367～372 [9] Khan K，Lu Y，Khan H，et al.Heavy metals in agricultural soils and crops and their health risks in Swat District，northern Pakistan.Food Chem Toxicol， 2013， 58： 449～458 [10]Al-Farraj Abdullah S，Usman Adel R.A.，Al Otaibi Saad H.M.Assessment of heavy metals contamination in soils surrounding a gold mine：comparison of two digestion methods.Chemistry and Ecology， 2013, 29(4): 329～339 [11]马婷婷， 王军，刘耀龙．上海市宝山区城镇化对农业用地环境质量的影响．生态与农村环境学报,2010, 26(5): 413～418 [12]Judith H.Rodriguez，María J.Salazar，Lydia Steffan i，et al.Assessment of Pb and Zn contents in agricultural soils and soybean crops near to a former battery recycling plant in Córdoba，Argentina.Journal of Geochemical Exploration， 2014， 145： 129～134 [13]彭茹燕， 张蕾娜，程锋，等．农用地分等成果在土地利用总体规划中的应用探讨．资源与产业， 2006, 8(5): 20～23 [14]刘霈珈， 吴克宁，赵华甫.河南省温县吨粮田高标准基本农田选址研究.中国农业资源与区划， 2015, 36(3): 10～16 [15]吕慧敏， 吴克宁，周勇，等．基于农用地分等的耕地质量主导限制型研究．中国农业资源与区划， 2015, 36(7): 11～18 [16]吴克宁， 程先军，黄勤，等．基于分等成果的农用地综合生产能力．农业工程学报， 2008, 24(11): 51～56 [17]高宇， 杨忠芳，张玲燕，等．运用地球化学调查数据研究银川盆地土壤环境污染程度．现代地质， 2012, 26(5): 972～974 [18]魏敏， 冯海艳，杨忠芳．北京市大气颗粒物中镉的地球化学分布特征及其生态风险评估．现代地质， 2012, 26(5): 983～988 [19]高军波， 杨瑞东，陶平，等．贵州镇宁泥盆系大型重晶石矿床地球化学特征及其成因研究．现代地质， 2013, 27(1): 46～55 [20]马婷婷， 王军，刘耀龙．上海市宝山区城镇化对农业用地环境质量的影响．生态与农村环境学报,2010, 26(5): 413～418 [21]谢云峰， 陈同斌，雷梅，等．空间插值模型对土壤镉污染评价结果的影响.环境科学学报， 2010, 30(4): 847～854 THE SAFETY UTILIZATION EVALUATION AND OPTIMIZATION SCHEME OF HEAVY METAL Cd OVER STANDARD CULTIVATED LAND Liu Peijia1,2, Wang Longfeng1,2, Wu Kening1,2※, Zhao Huafu1,2 (1.School of Land Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing100083,China; 2. Key Laboratory of Land Regulation Ministry of Land and Resources, Beijing100035, China) Evaluating and optimizing heavy metal over standard cultivated land are the basic requirements to protect cultivated land in new development period of China. This paper used single factor pollution index evaluation method to evaluate the heavy metal over standard cultivated land of paddy, dryland and vegetable field on the basis of different pH. Then it analyzed the space distribution characters with inverse distance weighted interpolation method. The evaluation results indicated that most of soilswere clean and the severe contaminated areas inpaddy soils were larger than that in dryland. The contaminated areas were affected by local human activities. Finally, it put forward some countermeasures to reduce the relative contaminated degree of Cd over standard in cultivated land and the heavy metal contaminated degree to the safety of agricultural products, such as changing land use types andcrops, transforming agricultural land into non-agricultural land. land management; Cd; cultivated land; heavy metal; safety utilization; optimization scheme 10.7621/cjarrp.1005-9121.20170512 2016-04-06 刘霈珈(1989—)，女，甘肃庆阳人，博士。研究方向：土地资源评价与利用规划。※通信作者：吴克宁(1963—)，男，北京人，教授、博士生导师。研究方向：土地评价与土地规划。Email：wukening@cugb.edu.cn *资助项目：国土资源部公益性行业科研专项课题“重金属超标农用地安全利用管控技术研究”(201511082-2) F301.2; X53 A 1005-9121[2017]05081-054 结论与讨论
