农用地土壤重金属超标评价与安全利用分区|研究

导   读

开展区域农用地土壤重金属超标评价与安全利用分区、分类利用管控，促进区域土地资源合理、高效利用是新常态下耕地保护的基本要求。

文/刘霈珈1,3，吴克宁1,3，罗明2，李晨曦1,3，祝培甜1,3，张倩1,3，许伟伟4（1. 中国地质大学(北京)土地科学技术学院；2. 国土资源部土地整治中心；3. 国土资源部土地整治重点实验室；4. 江苏省地质调查研究院土地质量评价与污染防治应用研究中心）

来源：《农业工程学报》（2016 年第 23 期）

引   言

自“镉大米”、“重金属污染蔬菜”等一系列事件的不断曝光，区域农用地的安全利用问题被推至风口浪尖，引发社会各界的广泛关注。土壤是保障农产品安全的第一道防线，也是筑牢健康人居环境的首要基础，其质量状况直接关系到经济发展、生态安全和百姓民生福祉。2015 年“国际土壤年”大会主题为“健康土壤服务于健康生命”，只有良好的土壤，才能真正保障粮食安全。国家层面也在《十三五规划纲要》中明确提出要以污染防治行动计划为纲实施土壤污染分类分级防治，优先保护农用地土壤环境质量安全，切实加强建设用地土壤环境监管。在“创新、协调、绿色、开放、共享”新的发展理念下，要求国土资源管理一方面必须围绕最严格的耕地保护制度，特殊保护优质耕地，重在保障粮食安全；另一方面也要围绕最严格的节约集约用地制度，合理利用土地，促进城市转型发展；还要在区域土地利用上切实考虑各相关主体的利益，做到管控结合。

目前，国内外专家学者在相关领域均取得了很大进展。土壤环境评价方面，国外有美国的超级基金制度、荷兰的土壤污染物目标值和调解值、英国的土壤指导值等；国内有农用地分等成果、耕地地力调查与评价成果、土地质量地球化学评估成果、土壤环境质量评价成果等。评价方法多种多样，有单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、模糊数学法、地统计学评价法、地累积指数法、污染负荷指数法、潜在生态危害指数法、沉积物富集系数法等。近几年中国很多专家对现行《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）进行了研究，认为现行标准适用范围小，污染物项目少，指标限值急需完善。

中国土地生态安全研究源于国内外兴起的“生态安全”研究，由最初的定性评价逐渐引入了熵权模糊物元模型、模糊分析、主成分分析、层次分析及神经网络法等高级数据学方法对区域土地生态安全进行评价。污染土地修复治理则主要侧重在污染土地的修复技术、管理政策与措施等。污染土地的再利用研究也特别在适应性评价等有所进展。土壤环境质量区划方面主要遵循“从源”的原则，旨在揭示土壤环境质量的空间格局及形成机制。土壤环境功能区划在《全国主体功能区划》中就有体现，是在主体功能区划的基础上进行的区划，是对主体功能区划中土壤环境方面的管理区划。不同的土地利用方式或条件影响着土壤环境质量的变化，评价方法的内涵也从单一向综合过渡。但始终缺乏一整套对区域农用地安全利用评价与分区、分类、分级利用管控的思路，才使得区域农用地利用潜藏隐患。

该文在分析中国现有土壤环境质量评价和食品安全评价众多标准的基础上，分不同pH 值区间，集成了8 种不同地类的评价标准。以江苏省某市为典型研究区，对区域土壤重金属污染采用单因子指数评价法、内梅罗综合指数评价法和潜在生态风险评价法评价，探讨了县级尺度安全利用等级划分方案，定性描述了不同安全利用分区的主要特征。针对不同分区的不同内涵、不同利用要求，探讨分类利用与管理的管控策略，为区域土地资源的安全、合理、高效利用提供一定的科学依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1研究区概况

研究区位于江苏省南部，长江三角洲经济开发区，依山傍水，地势南高北低，总面积19.97万hm2，人口约108万，其中农用地面积11.85万hm2，建设用地面积3.23万hm2，其他土地面积4.89万 hm2，是名副其实的人口大市。

该市位于亚热带季风气候区，温暖湿润，年均温15.6 ℃，年降水1200 mm，日照百分率为45%，相对湿度80%。气候温和、四季分明、日照充足、热量条件好、降水丰沛、境内河网发达，农作物一年可2～3 熟。境内地貌形态多样，其中山地岗丘、平原与水域分别占市域面积的22.4%、60.9%、及16.7%。土壤类型多样，共7 个土类：即黄棕壤土类、红壤土类、石灰岩土土类、紫色土土类、水稻土土类、潮土土类、沼泽土土类。常绿阔叶林是主要的植被类型。

境内工业企业发达，农业集约化程度较高，已形成了陶瓷、纺织、机电、化工、轻工、建材、工艺品等富有地方特色、门类齐全的工业体系。但同时也给环境带了超负荷的压力，对土壤环境的破坏日趋显著。当地冶炼厂、蓄电池厂生产过程中的废气任意排放、固废肆意堆放、污水灌溉农田都对周边农用地土壤造成了严重的重金属污染。

该市既是长江三角洲商品粮基地，又是典型经济开发区，因此选择该市进行农用地土壤重金属污染评价和安全利用分区研究，能为区域土地资源的合理、高效安全利用提供积极的实践指导意义。

1.2样品采集与处理

采样区域为江苏省某市全域。根据《土地质量地球化学评估技术要求（试行）》（DD2008-06），土壤采样点按照网格化布置，全域共布设1139个点，采样精度约2 个/km2。其中农用地布设884个点，图斑涉及水田、旱地、水浇地、果园、茶园、林地、草地等多种农用地利用类型，可控土地面积约465km2（图略）。

用GPS精确定位，现场记录“野外样点信息表”。采样过程中，土壤采样深度为0~20cm，避开外来土和新近扰动过的土层，并去掉表面杂物和土壤中的砾石等五点采样法取土，四分法保留1 kg 土样装聚乙烯自封袋采集样品。样品于实验室自然风干，拣出石块等杂物后送检土壤pH 值，重金属Cd、Hg、As、Pb、Cu、Zn。

1.3数据来源

耕地质量成果主要来源于《江苏省某市耕地质量等级成果补充完善工作和技术报告》（2013 年）；土壤中各种重金属含量及部分理化性质主要来源于《江苏省某市耕地质量生态地球化学调查与等级评价报告》（2011 年）；相关规划数据主要来源于《某市二调现状成果》（2013年）、《某市土地利用总体规划》（2006-2020 年）；农田基础设施条件、外部水源保证率、各乡镇村农业经济报表数据主要参考《某市统计年鉴》（2003-2014 年）。

2 研究思路与方法

2.1研究思路

（1）基于现有相关土壤环境质量评价标准研究集成该文的评价标准。

（2）分别选用单因子指数法、内梅罗综合指数法、潜在生态危害指数法进行农用地土壤重金属超标评价。

（3）依据3 种指数评价结果提出安全利用等级划分方案。

（4）描述不同安全利用综合分区特征，探讨不同安全利用分区的分类利用与管控策略。

2.2评价标准

中国现行的1995 年颁布的《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）已无法满足当前土壤环境保护与质量安全管理的需求，环保部对该标准进行了修订并形成了《农用地土壤环境质量标准》（三次征求意见稿），修订后的标准在污染物种类及标准限值的确定上都有一定程度改进和完善。《土壤污染防治行动计划》（以下简称“土十条”）中多次强调要“实施农地分类管理，保障农业环境安全”。但国内鲜有涉及众多地类的评价标准，因此，该文尝试以不同地类为评价对象，评价标准值涉及水田、水浇地、旱地、果园、茶园、其他园地、林地和草地这8种地类制定，涉及到的重金属有镉、汞、砷、铅、铜、锌6种。

以集成应用为指导原则，参照2016年环保部将《农用地土壤环境质量标准》进行第三次征求意见稿中的格式，分4段不同pH 值区间辅以《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）确定水田、水浇地、旱地、其他园地、草地和林地的土壤重金属限量标准值，辅以《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ/T 332-2006）确定果园的土壤重金属限量标准值，《茶叶产地环境技术条件》（NY/T853-2004）确定茶园的土壤重金属限量标准值（表略）。

2.3土壤重金属超标评价

2.3.1 评价方法

目前，常用的土壤重金属超标评价方法中：单因子指数法是最常用的一种土壤环境现状评价方法，其计算过程简便，可直观反映土壤中每种重金属的污染情况，但不能反映土壤综合污染情况。内梅罗综合指数是一种兼顾极值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数，其在加权过程中避免了人为主观因素的影响，因此评价结果比较客观，能够全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，强调主导因子的影响作用，但在求均值过程中弱化或强化一些因素的作用。

模糊综合评价法和层次分析法考虑了土壤环境质量的模糊性及各污染因素的权重，评价比较科学，但权重的确定对评价结果影响太大，如果权重不合理容易造成评价结果偏差较大。地累积指数法不仅考虑了沉积成岩作用等自然地质过程造成的背景值的影响，同时充分注意了人为活动对重金属的影响，但该方法只能给出各采样点单一重金属的超标指数，没有考虑生物有效性、各因子的不同污染贡献比及地理空间差异，无法对元素间或区域间环境质量进行比较分析。污染负荷指数法不仅考虑到单因子、多因子综合污染，而且还考虑了大区域综合污染，但该方法没有考虑不同污染物源所引起的背景差异。潜在生态危害指数法引入毒性响应系数，将重金属的环境生态效应、环境效应与毒理学联系起来，使评价侧重于重金属毒性在土壤和沉积物中的普遍迁移转化规律和评价区域对重金属污染的敏感性，以及重金属区域背景值的差异，消除了区域差异影响，划分出重金属潜在危害的程度，体现了生物有效性和相对贡献及地理空间差异等特点，是综合反映重金属对生态环境影响潜力的指标，适合于大区域范围对土壤潜在的生态危害进行评价，不仅可以为环境的改善提供依据，还能够为人们的健康生活提供科学参照。

该文试图通过土壤重金属超标评价结果来综合考虑农用地的安全利用问题，“土十条”的颁布也再一次强调了土地安全利用重在风险管控。综上所述，选取单因子指数法（见式（1））、内梅罗综合指数法（见式（2）略）、潜在生态危害指数法（见式（3）～（6）略）作为土壤重金属超标评价方法。

2.3.2 评价结果表达

依据上述方法得到3 种无量纲化的环境质量指数，按照《全国土壤污染状况评价技术规定》（环发[2008]39号）将单因子污染指数Pi划分为Di单共5个等级。按照《土壤环境监测技术规范（HJ/T166-2004）》将内梅罗综合污染指数P综划分为D内共5 个等级。依据1980 年Hakanson 提出潜在生态危害指数法时的分类依据将潜在生态危害指数 RI 划分为DRI共4个等级，评价结果及其表达方式如下（见表2，略）。

2.4安全利用等级划分方案

上述三种指数评价法得到的无量纲化的环境质量指数划分等级Di 单、D内、DRI各自表征不同的内涵，而农用地安全利用旨在掌握农田土壤环境质量现状的基础上，要保证其存在的潜在生态风险不会影响农作物生长且产出的农产品可食部分不威胁人体健康。既要强调风险控制，又要避免传统的取最大值“一刀切”的偏激做法，最大限度减少人为因素的影响。因此，基于三种指数评价法结果，运用统计学原理对理论上的5×5×4=100 种现状评价排列组合模式进行总结（见表3，略），将农用地安全利用分为5 个等级，依据等级划分安全利用区，定性的阐述分区内涵、主要特征、安全水平、主要利用对策：

（1）I级，安全利用区。该区主要特征是：土壤及其周边环境污染物含量较低，且均符合相关限量标准要求。区域土壤环境质量处于无风险安全水平，采取优先保护策略。

（2）II级，基本安全利用区。该区主要特征是：土壤及其周边环境污染物含量有轻微积累，稍微偏高于相关限量标准，但尚未对农作物生长和人体健康构成威胁。区域土壤环境质量处于轻微风险基本安全水平，采取优先保护策略。

（3）III级，低风险监控区。该区主要特征是：土壤及其周边环境污染物含量有一定积累，稍超标于相关限量标准，已对农作物生长和人体健康构成威胁。区域土壤环境质量处于低风险水平，采取综合监控策略。

（4）IV级，中风险预警区。该区主要特征是：土壤及其周边环境污染物含量较高，明显超标于相关限量指标，已对农作物生长和人体健康构成明显威胁。区域土壤环境质量处于中风险水平，采取预警防控策略。

（5）V级，高风险限制区。该区主要特征是：土壤及其周边环境污染物含量高，严重高于相关限量指标，已对农作物生长和人体健康构成严重威胁。区域土壤环境质量处于高风险水平，采取限制利用策略。

3 实证分析

3.1插值方法优选

要进行区域农用地的安全利用就要将采样点位信息通过空间插值法获得面状信息。空间插值方法多种多样，其中常用的：克里格插值法以元素空间结构特征为基础确定采样点对估值点的影响权重，通过低通滤波效应，插值过程中会丢失局部极大值和极小值；局部多项式插值法则主要利用最小二乘法多项式拟合土壤重金属的局部空间分布趋势，插值结果对局部细节信息存在较大的平滑作用，是一种非精确性插值方法；反距离加权插值和径向基函数插值法都属于精确性插值法，均保留了土壤重金属空间分布的局部波峰或波谷信息，径向基函数插值是根据局部的光滑趋势确定权重，但反距离加权插值法是根据距离影响确定其权重。

该文利用SPSS20对研究区6种重金属进行描述性统计，但通过Kolmogorov-Smirnov 法进行正态检验，原始数据不符合正态分布，进行对数变换得到偏度和峰值，总体符合正态分布满足地学统计分析的条件。样本的变异系数均大于100%，属强变异，说明社会经济等人为因素对土壤重金属污染指数影响较大。

该文研究的核心在于土壤重金属的超标（极大值）情况，克里格插值法和局部多项式插值法显然不适用。考虑土壤重金属含量空间分布特征与距离有关，因此，选用反距离加权插值法作为最适宜的插值方法。

反距离加权插值法是基于相近相似原理，对样点分布均匀且布满整个插值区域的插值精度较高。以Cd为例，反距离加权插值法的内插交叉验证方程为Y=0.667X+2.025（R2=0.702），说明内插效果良好。通过反距离加权插值法获得面状信息并对数据进行处理后，再利用单因子指数法、内梅罗综合指数法和潜在生态危害指数法进行土壤重金属超标评价。

3.2土壤重金属超标评价结果

3.2.1 6种重金属超标空间分布

根据单因子指数评价结果可知，研究区884个土壤样品11.85万 hm2农用地中：

（1）仅有3个点位、165.90hm2农用地Cd重度污染，4个点位、225.15hm2农用地Cd中度污染和4个点位、711hm2 农用地Cd 轻度污染，分别位于Q镇中部、F镇南部、B镇中部、D镇西北部（见表4，图2a，图3a，表图略）。

（2）仅有1个点位、11.85hm2 农用地Hg 轻度污染，位于L镇西部（见表4，图2b，图3b，图表略）。

（3）仅有1个点位、11.85hm2农用地As 轻微污染，位于B 镇中部（见表4，图2c，图3c）。

（4）仅1个点位、11.85hm2 农用地Pb 重度污染，11.85hm2 农用地Pb中度污染、23.7 hm2农用地Pb 轻度污染，8个点位、379.2hm2Pb 轻微污染，位于B镇中部、F镇北部、K镇西北部、E镇东北部、R镇中东部、Q镇中东部（见表4，图2d，图3d，表图略）。

（5）仅2个点位、23.70hm2 农用地Cu重度污染，1个点位、47.40hm2 农用地Cu 中度污染和1个点位、260.70hm2 农用地Cu 轻度污染，分别位于P镇东南部、Q镇中部、R镇中部、F镇的南部和北部、G镇东北部（见表4，图2e，图3e）。

（6）仅1个点位、11.85hm2 农用地Zn重度污染，35.55hm2Zn 中度污染，1个点位71.1hm2 农用地Zn轻度污染，分别位于B镇西南部、R镇中部（见表4，图2f，图3f，表图略）。

3.2.2 土壤综合污染程度空间分布

根据内梅罗综合指数评价结果可知，研究区884个土壤样品11.85 万hm2农用地中：仅7个点位、272.55hm2农用地内梅罗综合污染程度为重度污染，位于Q镇东部、R镇中部、B镇西南部、D镇西北部、E镇东北部、F镇北部和南部；仅4个点位、628.05 hm2农用地内梅罗综合污染程度为中度污染，位于Q镇中东部、P镇东南部、F镇南部；31个点位、4337.1hm2农用地内梅罗综合污染程度为轻度污染，零散的分布于除X 镇、D 镇、P 镇、U镇、S 镇等以外的其他乡镇（见表4，图2g、图3g，表图略）。

3.2.3 土壤潜在生态风险空间分布

根据潜在生态危害指数评价结果可知，研究区884个土壤样品11.85万hm2 农用地中：仅2个点位、59.25hm2 农用地存在高潜在生态危害，分别位于B镇中部、Q镇东部；仅有3个点位、237.00hm2 农用地存在较高潜在生态危害，分别位于F镇南部、E 镇东北部、D镇西北部（见表4，图2h、图3h，表图略）。

通过表4各重金属元素点位和面积比例可以看出，研究区Cd超标较其他各元素显著。通过对比图2 和图3 各重金属元素超标的分布情况具有良好的空间一致性，也得到与统计分析相一致的Cd 超标较显著的结论。3种土壤重金属超标评价结果及其空间分布特征为后续农用地安全利用策略提供了重要的管控方向。

3.3安全利用综合分区

根据前述定性的安全利用等级划分方案，将研究区农用地划分为安全利用区、基本安全利用区、低风险监控区、中风险预警区和高风险限制区这5种综合分区（图4）。

（1）I级，安全利用区。该区94238.89hm2，占总农用地面积的79.52%，均匀分布在除D 镇和R 镇等其他乡镇的大部分区域。

（2）II级，基本安全利用区。该区18227.78hm2，占总农用地面积的15.38%，集中分布于D镇和R镇的中西南大部分地区、E镇的东部和北部地区、P镇、N镇和F镇的东部地区，零散的分布在E 镇、J镇和K镇的西南部地区。

（4）III级，低风险监控区。该区5125.47hm2，占总农用地面积的4.33%，集中分布于Q 镇和R 镇的东部和南部地区、B 镇和D 镇的西南部地区、N 镇和R 镇的东南部地区、E 镇东部地区和F 镇的北部地区，零星分布于J 镇、L 镇、M 镇。

（4）IV级，中风险预警区。该区605.97 hm2，占总农用地面积的0.51%，集中分布于Q 镇中东部地区、B镇中西南部地区和D 镇的西部地区、E 镇东部地区、F 镇北部和南部部分地区。

（5）V级，高风险限制区。该区301.89hm2，占总农用地面积的0.25%，集中分布于Q镇东部地区、B镇中部地区、D镇西北部地区、E镇和F镇交界处、F镇的北部和南部地区。

从图4可以看出，高风险限制区都集中在中心城区和镇中心区的边缘区域；中风险预警区都分布在高风险限制区的外围；低风险监控区分布相对离散，一部分集中分布于中风险预警区的外围，一部分反而距离中心城区和镇中心区较远并零星分布于交通便利地区；基本安全利用区集中分布于南部丘陵山区，还有部分集中分布于低风险监控区外围。

3.4分区合理性分析

5 级安全利用综合分区的污染程度和风险等级呈现由中心向四周逐渐减弱的趋势（见图4，图略）。经分区统计分析，结合该市1999～2015 年的统计年鉴和实地调研，对高风险限制区、中风险预警区和低风险监控区进行了重点分析发现：Q镇东部有省级特色陶瓷产业园，B镇中部有电子制造金色工业园，D镇西北部有化工绢染工业集中区，E镇西南部有电线电缆产业园区，F 镇与E 镇交界处有稀土合金厂和氧化铜厂，F镇北部有较大规模的畜禽养殖场、塑机厂和电缆厂，N镇零星分布有小规模化工厂，P镇东南部有电光源和五金灯具制造厂。

该市属于典型的点源污染，这些主要工业企业集中分布在某乡镇中心的边缘区域或交通便利的区域，释放的废水、废弃物中的重金属含量正以这些企业为中心逐渐由内向外扩散，其空间变异原理与安全利用综合分区空间分布规律一致，这充分证明了这种区域农用地安全利用分区思路与方法的科学性、合理性。

3.5安全利用策略

因这种由中心向四周逐渐减弱的典型点源污染空间分布特征，依据不同安全利用综合分区的不同特征和要求，因地制宜提出同一污染源不同管控内容、不同管控级别的分类差别化管控策略。

（1）I级，安全利用区，实施优先重点保护策略。严防新增污染，维护安全状态。

（2）II级，基本安全利用区，实施优先保护策略。控制污染输入，监控污染动态。优化农艺生产措施以确保农用地安全利用。

（3）III级，低风险监控区，实施综合监控策略。对土壤、灌溉水、大气环境实施动态监测，建议以经济可行性为前提进行完整的土壤修复与治理，严格管控污染输入，以彻底控制污染、消除风险。

（4）IV 级，中风险预警区，实施预警防控策略。监测农作物、土壤、灌溉水、大气的环境质量，预警污染范围，采取以下防控措施：①强制其进行经济可行的土壤修复与治理，例如植物修复、土壤淋洗等；②筛选种植低富集农作物种类，持续监测预警；③优化农艺措施，例如适时的水分管理方法、硅肥或硒肥来降低重金属元素有效性。

（5）V 级，高风险限制区，实施限制利用策略。结合单因子指数评价结果，深入调查明晰污染主体，实施源头控制，严格管控治理污染源。开展风险评估，采取以下防控措施：①强制其进行积极有限、经济可行的土壤修复与治理，并连续监测农作物、土壤、灌溉水、大气的环境质量，预警污染范围。若食用农产品质量确无法达标的区域，限制其种植食用农产品，改种非食用农产品，退耕还林、还草；②严重超越经济可行性原则的高风险农用地必须进行一定程度的修复治理，再次监测其土壤环境质量，达标后可转为非农用地。

4 结论与讨论

（1）关于农用地安全利用的内涵，众多专家学者提到既要关注土壤环境质量，更要考虑农产品安全，注重风险管控。基于当前土壤环境质量如此严峻的形势下，该文分地类集成评价标准，选用单因子指数法、内梅罗综合指数法和潜在生态危害指数法进行土壤重金属超标评价，提出了安全、基本安全、低风险、中风险和高风险的5 种农用地安全利用综合分区方案，定性描述了不同安全利用分区的主要特征，分别采取优先保护、综合监控、预警防控和限制利用的措施，相应地从源头控制、农艺措施调控、种植作物调整、地类转换以及土壤修复、综合整治等不同层级的安全利用管控策略。其中，通过3 种评价结果及其空间分布，为研究区后续调查污染源，监控污染动态，明晰污染主体，实施源头控制，降低综合污染及其风险提供了方向，同时也为环保部制定《农用地土壤环境质量标准》、《土壤环境质量评价技术规范》和“土十条”分类利用、实施风险管控提供了可参考的思路。

（2）因该文没有大量化验数据支撑，仅能依靠正在执行或部委部分征求意见稿来尝试分地类集成评价标准，后续还是要以国家标准执行评价；仅对单因子指数法、内梅罗综合指数法和潜在生态危害指数法评价结果进行统计分析后定性的提出了安全利用等级划分方案，应继续深入基于大数据下土壤安全利用定量划分方案的研究。在管控策略上，仅提出了深入调查、实施源头控制、调控农艺措施、调整种植作物、开展地类转换以及针对不同重金属污染类型的土壤修复等综合整治措施的方向，但后续应有针对性的开展各方向上的研究，提出更有实践意义的措施。

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