三江平原典型农垦区水土质量综合评价体系研究

何锦，马雪梅，庞雅婕，牛雪

（中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定070151）

水、土资源是农业生产不可或缺的核心要素，二者在空间上的匹配程度直接影响着区域农业的可持续发展与资源的可持续利用[1-5]。三江平原是我国重要的商品粮基地，也是我国主要的高标准基本农田建设区，其水土资源总体上表现出土地资源丰富，水资源欠缺的态势，而并非惯称的“水土资源丰富”[6-9]。尤其是近几十年来，人类大规模的开垦农田，导致湿地退化严重、水土流失加剧；灌区大规模开采地下水，导致地下水位迅速下降、空间上水土资源匹配失衡加剧。因此开展该地区的水土质量综合评价显得十分必要。

一些学者对于该区域水土资源评价方面开展了一些研究。如马晓洪等[10]人研究了小三江平原地区水土资源综合承载力，发现该地区水土资源承载力处于较弱水平。任守德等[11]利用投影寻踪主成分分析模型进行了三江平原农垦建三江分局农业水土资源承载力评价，评价效果较好。韩丽伟等[12]、刘建英等[13]对三江平原地下水承载力进行评价，但没有考虑地表水资源的利用以及和土地资源的开发利用之间的关系。前人研究多集中在区域尺度评价指标选择及评价方法研究等方面[14-20]，针对地块尺度下水土质量综合评价研究较少。

本文在借鉴区域土地质量地球化学评价方法的基础上，选择与三江平原农业生产密切相关水土评价指标因子，利用AHP法建立水土质量综合评价体系，并以蛤蟆通河流域为例，采用土地利用现状图斑为评价单元，对其农田土壤及地下水进行综合评价，其评价结果对当地土地资源开发利用、农业种植结构调整以及地下水资源合理利用都具有重要的意义。

1 水土质量评价指标体系及分级标准

1.1 水土质量的影响因素

本文所指的水土质量是与农业生产相关的土地地球化学元素以及相关水环境条件相互组合、彼此作用所形成的综合效应。从本质上来说，影响水土质量的主要因素是土壤系统及灌溉水系统。

（1）土壤系统：土壤系统所涉及的影响因素很多。其物理、化学属性是从事农业生产的基础，但其属性多达几十项，彼此之间影响关系复杂。在充分考虑前人开展的土地质量地球化学评价基础上，选择国内土地质量评价较为常用的大量养分元素及重金属元素指标，以增强土地质量评价的科学性和通用性。

（2）灌溉水系统：由于灌溉水源的多样化，既有地表水又有地下水，制约其质量的因素也有很多。本文针对采用井灌地区，主要考虑的是地下水水质及水量等方面的指标。

1.2 水土质量综合评价指标选定

1.2.1 灌溉水质量评价指标体系及分级标准

水土质量综合评价指标的选定对于评价结果有着重要的影响。基于三江平原耕地大地块、土壤污染较少、农田灌溉多利用地下水等特点，综合分析影响土地质量的水土指标，确定水土质量综合评价体系中准则层为地下水质量系统和土地质量系统（图1）。其中地下水质量系统包括地下水资源保障程度、地下水水质等级、水温、主要含水层富水性和主要含水层水位埋深等五项指标。每一个指标分为5个级别并给出每一级别的指数，建立地下水质量指标体系（表1）。

图1 水土质量综合评价指标体系Fig.1 Comprehensive assessment indicators system for water and soil quality

地下水资源保障程度方面：主要反映的是地下水资源对于农业用水的供应程度。在参考已有研究成果[14]的基础上，将其划分为＞95%、75%～95%、50%～75%、25%～50%、＜25%五个级别进行分级评价。

地下水质方面：主要反映地下水质量是否满足灌溉用水要求。因《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2005）中未对适合农田灌溉水质的各个指标进行具体分级。本次参照《地下水水质标准》（DZ/T 0290—2015）对灌溉水进行分级评价。

灌溉水温方面：根据前人研究成果[21]，农业灌溉水的水温应大于15 ℃，但不宜高于35 ℃，最适宜农作物生长的水温为26～30℃。按照等距原则将地下水温划分为26～30℃、21～25℃或31～35℃、16～21℃、10～15℃、＜10℃或＞35℃五个级别进行评价。

主要含水层富水性和含水层水位埋深方面：参考前人调查成果[22]，区内主要开采含水层为向阳川组和浓江组潜水含水层，含水层厚度较大，富水性较好，水位埋深为5～30 m；将区内富水性及地下水位埋深划分为＞5 000 m3·d-1和＜10 m、3 000～5 000 m3·d-1和10～20 m、1 000～3 000 m3· d-1和20～50 m、500～1 000 m3·d-1和50～100 m、＜500 m3·d-1和＞100 m五个级别进行评价。

式中：F 水文为评价单元水土质量地下水属性分值；n为评价因子的总数，Fi为第i个评价指标的给定指数；Ki为第i个评价指标的权重。

表2 灌溉水质量等级指数表Tab.2 The class index of irrigation water quality

1.2.2 土地质量评价指标体系及分级标准

土地质量系统主要评价指标包括土壤养分元素指标（氮、磷、钾）和土壤环境元素指标（砷、镉、汞、铅、铬、镍、铜、锌等有毒有害元素）。其中土壤养分地球化学评价在参照国内相应研究成果给出评价标准[23-25]，在氮、磷、钾等土壤单指标养分地球化学等级划分基础上（表3），按照公式（2）计算土壤养分地球化学综合得分F养综，根据计算所得的土壤养分地球化学综合得分（表4），来判别土壤养分地球化学等级。

表3 土壤养分地球化学评价指标（据参考文献[24]）Tab.3 The geochemical assessment indicators of soil nutrients

表4 土壤养分地球化学等级（据参考文献[24]）Tab.4 Geochemical classification for soil nutrients

式中：F 养综为评价单元土壤养分地球化学分值；n为评价因子的总数；Fi为第i个评价指标的给定养综指数；Ai为第i个评价指标的权重。

同时，土壤环境地球化学评价指标依据土壤单项污染指数，其等级为单指标划分出的环境等级最差的等级（表5）。按照公式3计算土壤污染物i单项指标污染指数为Pi。

式中，Ci为土壤中i指标的实测浓度；Si为污染物i在GB15618中土壤污染物二级标准值。

表5 土壤环境地球化学评价等级（据参考文献[25]）Tab.5 Standard value for soil environmental geochemistry classification

1.2.3 层次分析法确定指标权重

本文采用层次分析法[26-27]（AHP）计算各指标权重，具体流程不在赘述，对所筛选出的评价指标进行两两判断比较，计算各层权重；然后分别对每一层的评价指标建立判断矩阵，进行一致性检验，并计算得出各指标在该层中的权重；最后对总体进行一致性检验并获得每一项指标的综合权重，建立了表6所示的水土质量综合评价指标体系，包括2项准则层（分别为地下水质量系统、土壤质量系统）和16项评价指标。若评价指标为“+”，则代表该指标为正向指标，表示该指标值越大，水土质量越高；若评价指标为“-”，则代表该指标为负向指标，表示该指标值越大，水土质量越低。

1.3 数据处理及分析

本次利用“二调”图斑（自然地块）作为评价单元进行评价。所谓地块就是土地自然性状相对一致的独立土地单位，是土地质量评价和级别划分的最小空间单位，在图上表现为一定大小的图斑。采用图斑作为评价单元，能够增加评价的实际应用性。

表6 水土质量综合评价指标权重表Tab.6 Water-soil quality comprehensive assessment indicator weights

若同一个评价单元中有多个数据则求其平均值作为评价值，当评价单元中没有评价数据时，采用插值方法赋值[28-29]。然后根据公式1－3计算求得的地下水质系统指标、土壤养分地球化学指标和土壤环境地球化学指标的分值，按照公式4计算水土质量综合评价的分值，根据表7确定水土质量分级结果，并对评价图斑进行渲染，从而生成水土质量综合评价图件。

F为水土质量综合评价得分；F 水、F 养、F 环分别为水文地质属性评价、土壤养分地球化学评价和土壤环境地球化学评价分值；K 水、K 养、K 环分别为水文地质属性评价、土壤养分地球化学评价和土壤环境地球化学评价权重。

本次将三江平原农垦区水土质量综合评价等级划分为5级（表7）：Ⅰ级表示水土综合质量较高，区内农业土地质量优良，地下水资源保障能力高，有很大的开发潜力；Ⅱ级区表示水土质量良好，仍有一定的开发潜力；Ⅲ级表示土地质量中等或地下水开发利用水平已经很高，进一步开发的潜力很小，Ⅳ级表示农业土地质量很差，地下水资源已接近或达到临界值，农业水土地资源已基本开发殆尽；Ⅴ级表示土地质量及地下水资源已经无法支撑当地农业继续开发。

表7 水土质量综合评价等级划分及图示表Tab.7 The classification and graphic representation of water-soil quality comprehensive assessment

2 实例分析

2.1 研究区概况

三江平原位于黑龙江省东北部，是由松花江、黑龙江和乌苏里江汇流冲积而成的沼泽化低平原。区内耕地面积为383.24 万hm2，占三江平原总面积的35.08%，年产粮食130亿kg，是我国北方主要商品粮基地。研究区选择三江平原核心农业种植区-宝清县蛤蟆通河灌区，隶属于农垦红兴隆分局八五二农场，灌区始建于1979 年，总面积2.96万hm2。区内土地肥力充足，土地环境质量清洁，主要农作物为玉米、水稻、大豆。由于近些年来规模化水稻种植面积的逐年扩大，一些地区的地下水处于超采状态，水土资源存在不合理现象，严重制约了当地农业的快速发展[30-31]。

2.2 数据来源及评价方法

评价区主要位于宝清县蛤蟆通河灌区，地理坐标132°18'E—133°3'E，46°4'N—46°50'N。评价单元为区域内第二次土地调查所形成的土地利用现状图斑。包括基本农田图斑数5 281块，面积1 099 km2，其中旱田843.78 km2，水田256.12 km2。地下水资源保障程度根据《双鸭山市2016年国民经济和社会发展统计公报》①双鸭山市统计局.双鸭山市2016年国民经济和社会发展统计公报[M]，2017.和《黑龙江农垦统计年鉴—2016》②黑龙江省农垦总局统计局.黑龙江农垦统计年鉴-2016[M]，中国统计出版社，2017.中地下水开采资料和地下水资源量分区计算获得，土壤地球化学数据来自前人工作成果③张立，刘国栋，崔玉军，等.黑龙江省“两大平原”示范区综合改革试验区寒地富硒土地环境调查评价报告[R].黑龙江省地质调查研究总院，2017.，含水层富水性、地下水水质、地下水位数据来自本次工作获得资料。评价指标划分和权重计算方法按照上文所述进行。

2.3 水文地质条件简述

评价区位于完达山南麓与挠力河冲积平原交界地带。在地貌上可以分为南部的构造剥蚀丘陵区和北部山前台地与平原区。丘陵区为本区的补给区，降水量大，植被发育，切割较深，主要赋存基岩裂隙水。山前台地和平原区地形开阔，上层均有厚度不等的亚粘土覆盖，补给、径流条件较差，主要赋存第四系松散岩类孔隙水和新近系碎屑岩裂隙孔隙水（图2、图3）。

基岩裂隙水含水层为华力西期花岗岩、侏罗系砂岩和白垩系火山岩。水力特征为承压，含水层厚度20～30 m，水位埋深5～31 m，单井涌水量48～120 m3/d。基岩裂隙水接受大气降水补给后，绝大部分经短途向研究区北部流动，以泉的形式排出地表流入河流，同时又有一部分潜流至沟谷第四系松散砂砾石含水层中，补给低平原地下水。

图2 蛤蟆通河流域基本农田水文地质简图Fig.2 The hydrogeological map of the Hamatong river basin

图3 研究区不同类型地下水分布示意剖面图Fig.3 The groundwater distribution schematic diagram of the Hamatong river basin

第四系孔隙水主要分布于低平原区，含水岩组由中更新统至全新统冲积、冲湖积、冲洪积砂、砂砾石组成。地下水类型大多属微承压水，承压水头5～50 m。地下水埋深变化较大，从山前向平原中部埋藏变浅。含水层厚度从山前向低平原中部方向由薄变厚，最厚达68.65 m。富水性从弱到强，单井涌水量从100 m3/d到3 000 m3/d。

新近裂隙孔隙水主要埋藏于第四系之下，埋藏较深，地表未有出露，含水层岩性为泥质粉细砂岩、含砾砂岩，胶结较差。同时，砂砾岩含水层上部覆盖一层稳定的泥岩隔水层，因此该含水层垂向排泄微弱，主要以侧向径流补给为主，水位埋深一般在15～40 m左右，径流方向与第四系孔隙水流方向一致，即由东南向西北流动，最终排出区外。

2.4 评价结果

2.4.1 地下水资源保障程度

地下水资源量采用水量均衡法计算，本次地下水资源评价的水量均衡期为2000—2013年，经过计算研究区内农田灌溉需水量82.1×104t/km2～109.7×104t/km2，按照地块地下水资源量和地表水量分区进行评价。评价结果显示，剥蚀堆积台由于地下水资源量较少，多种植旱田，需水量也相对较少，地下水资源保障程度45%～82%（II－IV），一级阶地地下水资源较丰富，多种植水田，地下水资源保障程度非常高（I），甚至低洼区仍为常年积水的洼地。

2.4.2 地下水水质等级

研究区内共采集水样111组，机民井点调查285个，按照评价规范对水样进行评价，因为地区地下水为原生铁锰超标，而《农田灌溉水质标准》并未对适合农田灌溉水的铁锰值进行限定，故参照三江平原原生铁锰的平均背景值5.48 mg/l进行评价。具体评价结果地下水等级为Ⅰ级的77组，结果地下水等级为Ⅱ级的34组。总体评价结果，该区域内地下水适合或者较适合农田灌溉水水质要求，个别地区除外。

2.4.3 地下水水温分级评价

参照农田灌溉水质标准，农灌水的水温应小于35℃，最适宜植物生长的水温为27℃，评价区内地下水水温6～10℃，比较低。但是通过改进渠道结构、晒水池等方式普遍可以将水温提高至20～25℃，故将研究区内水温全部按第III级别进行评价。

2.4.4 主要开采含水层富水性及埋深

研究区内主要开采含水层为第四系含水层，含水层岩性为砂、含砾砂和砂砾石，地层富水性较好，北部挠力河和第四系地层厚度大的蛤蟆通河中下游两岸，地层单井涌水量大于3 000 m3/d。八五三农场四分场、五分场和六分场大面积水稻种植，属于地下水强开采区，多年无限制的开采地下水已出现降落漏斗，单井涌水量多为1 000～3 000 m3/d，比如八五三农场六分场附近区域。在南部剥蚀台地等地势较高地带，由于含水层厚度较薄，地层单井涌水量一般为500～1 000 m3/d，部分地区小于500 m3/d。

在第四系孔隙水系统中，地下水总体流向为自东南向西北，最终排泄于挠力河，在八五三农场一带由于大量开采地下水用于农业灌溉，造成地下水埋深增大，水位埋深10～20 m，水位埋深按Ⅱ级进行评价，漏斗区外平原区地下水位埋深在1～5 m之间，水位埋深按Ⅱ级进行评价。

2.4.5 水文地质属性综合评价结果

运用前文所述水土质量综合评价方法，以“二调”图斑作为评价单元，利用ArgGIS中的空间分析功能进行水土质量综合评价。结果显示：评价区基本农田水土质量整体级别较高（图4）。其中I类（优良）耕地面积为538.7 km2，占比49.1%；主要分布在河流的河漫滩、一级阶地、部分二级阶地和河道两侧附近区域，该地区地下水资源保障程度高，含水层厚度大，水位埋深较浅；II类（良好）耕地面积为406.9 km2，占比37.1%，主要分布在河流的二级阶地、少部分一级阶地和水库周边及水库排水沟渠两侧；III 类（中等）地区面积为153.4 km2，占比13.9%，主要分布在山前或者隆起区周围剥蚀堆积台地，第四系厚度较小、基岩裂隙水富水性差或无地表水使用区域。

图4 蛤蟆通河流域基本农田水土质量综合评价图Fig.4 Comprehensive evaluation of water and soil quality of basic farmland in Humatong river basin

通过与传统土地质量地球化学综合评价图（图5）进行对比可以发现：新的水土评价指标体系图件表现出了蛤蟆通河流域土地养分充足、重金属污染相对较低的总体农业生产特征，但部分地区地下水富水性较差，地下水资源保障能力较弱，加之长时间无序开采，已出现一定规模的地下水位降落漏斗，含水层供水能力下降，因此此类地段的水土综合质量已经下降至中等程度，表现出一定程度上的退化趋势。

因此，在保证现有农业生产格局条件下，如何合理调配地表水和地下水资源是保障粮食安全生产的首要问题。应该合理布置开采井、提高地表水用水规模和农田灌溉效率，推广节水农业，从而保证当地水土质量不下降，防止水资源枯竭等问题的扩大。

图5 蛤蟆通河流域基本农田土地质量综合评价图Fig.5 Comprehensive evaluation of basic farmland soil quality in the Humatong river basin

3 结论

（1）基于对三江平原水土开发现状的基本分析，确定了影响当地水土质量的主要因素，划分了地下水质量、土地质量两个二级指标和16个三级指标（地下水资源保障程度、地下水水质等级、含水层富水性及埋深、土壤中氮、磷、钾、砷等），同时利用层次分析法计算了各指标的综合权重，以蛤蟆通流域为例构建了三江平原水土质量综合评价指标体系。

（2）评价结果表明蛤蟆通河灌区有86.2%的耕地水土质量属于良好级别以上，只有在部分地下水质量较差地区，水土质量处于中等水平；与传统的土地质量调查评价相比，区内三等土地有明显的增加，显示出地下水质量已经对当地农业生产有一定的制约性。

目前，水土质量综合评价体系的理论研究和实践尚处于探索阶段，对于各个指标的选取也存在一定争议。本文中对于地下水质量系统的评价指标选取及等级标准的划分，还需要根据具体的评价地段作进一步的研究。