基于土壤地球化学特征的土地利用结构优化研究

戴云哲 项剑桥

摘要：以柴湖镇主要的18 575.94 hm2土地为研究区进行农业地质调查，对硒含量、土壤环境质量和pH等相关数据进行分析。结果表明，该镇土壤为中性至弱碱性，土壤环境质量达到GB15618-1995二级标准的土地面积为16 292.11 hm2，经尼梅罗综合污染指数评价，1 328.85 hm2的土壤为无公害富硒土壤。结合土地利用现状数据分析发现，当前柴湖镇的土地利用结构和农作物种植结构不够科学合理，在镇域西北部存在城乡建设用地大面积占用无公害富硒土壤的问题，在镇域南部存在土壤环境质量为三级的区域种植小麦等直接影响人体健康的食用类作物的问题。鉴于此，提出柴湖镇土地利用结构调整和农作物种植结构调整的方案。

关键词：柴湖镇；地球化学特征；富硒；土地利用结构优化

中图分类号：S151.9+3；F303.4；F323.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）04-0844-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.04.008

Research on Land Use Structure Optimization Based on Soil Geochemical Characteristics

——Illustrated by the Case of Chaihu Town，Zhongxiang，Hubei

DAI Yun-zhe1，XIANG Jian-qiao2

（1.Department of Land Resource Management，China University of Geosciences （Wuhan），Wuhan 430074，China；

2.Hubei Institute of Selenium Industry，Wuhan 430034，China）

Abstract： As agricultural geological survey was accomplished in the main area of Chaihu town （18 575.94 hm2）， researchers did relevant analysis on selenium content， soil environmental quality and pH-value. The results showed that pH range was from neutral to weak alkaline. Based on the National Standard GB15618-1995， there was approximately 16 292.11 hm2 of land reached Class 2 of soil environmental quality， and the Nemerow Synthetical Pollution Index showed that soil on 1 328.85 hm2 of land was pollution-free and selenium-enriched. Cross-examination between soil geochemical data and land use data indicateed that current land use structure and crop planting structure in Chaihu were not quite scientific and reasonable. Urban and rural construction land occupied enormous area of pollution-free and selenium-enriched land in northwestern area， and edible plants that directly affected human body health， such as wheat， were cultivated on Class 3 of soil environmental quality in the south of town and near the central town. In view of this， a scheme on adjustment of land use structure and crop planting structure in the Chaihu town was proposed.

Key words： Chaihu town； geochemical characteristics； selenium enrichment； land use structure optimization

土壤是构成农业生态系统的基本要素之一，是国家最重要的自然资源之一，也是人类赖以生存的物质基础。土壤环境质量状况不仅直接影响到国民经济发展，而且直接关系到农产品质量安全和人体健康。从目前耕地的空间布局和种植结构来看，尚未很好地将土壤环境质量因素纳入当地土地利用规划的研究范围，科学评价和利用土地资源存在重要环节的缺失，国内相关领域的研究也相对较少[1]。本研究将以土壤地球化学特征为基础，结合钟祥市柴湖镇拥有大面积富硒土地这一独特资源禀赋的背景，探讨土地利用结构优化的思路与方法，从而使土地利用规划科学更好地为土地资源的合理使用服务。

1 研究区概况和基础数据情况

1.1 柴湖镇概况

柴湖镇地处江汉平原，位于湖北省钟祥市西北部汉江边，成立于1968年，系全国最大的水库外迁移民成建制集中安置区，被称为“中国第一移民大镇”。柴湖镇地理位置优越，东接武汉，西临汉水，南望荆州，北交钟祥。现辖54个行政村（其中移民村38个），人口10.5万人，总面积225 km2，耕地面积7 134 hm2（其中水田667 hm2，旱地6 467 hm2）。

柴湖镇农业资源丰富，年产粮17 500 t，棉花 2 500吨，油料10 000 t以上。常年种植花生2 667 hm2以上，麦冬种植面积1 000 hm2，棉花种植面积2 667 hm2以上。以花生、大蒜、麦冬为主的多种经营生产已成规模，是远近闻名的大蒜之乡，年产鲜蒜10 000 t以上，麦冬250万kg，拥有中南地区最大的花生营销集散地。该镇先后获得荆门市、钟祥市“棉花生产十强乡镇”、“生猪生产十强乡镇”、“农业经济十强乡镇”[2]。柴湖镇域横跨汉水两岸，研究区选取位于汉水以西主要的生产生活区域，面积为18 575.94 hm2。

1.2 数据来源

硒元素、重金属元素丰度和pH数据来源于柴湖镇农业地质调查采集的1 244个表层土壤采样点的丰度数据。土样采集时间为秋收后秋冬播作物播种或移栽前（秋冬播作物底肥施用前），根据预定采样点的位置，实地选择有代表性取样地块，利用GPS确定地理坐标。在确定的地块采用S法均匀随机采集15～20个采样点，充分混合后，四分法留取1 kg[3]。根据上述采样原则，本研究于2014年在柴湖镇共采集土样1 244份，土壤采样点位分布见图1。

土地利用现状资料为1∶50 000柴湖镇土地利用现状图。

1.3 土壤地球化学参数统计特征

对土壤样品数据进行测试统计，统计结果如表1。表格从硒含量和土壤环境质量指标[镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铜（Cu）、铅（Pb）、铬（Cr）、锌（Zn）、镍（Ni）共8个重金属污染指标]、pH等几个方面与1990年全國土壤背景值[9]分别进行对比分析。

1）硒含量大于0.4 mg/kg的样品数量为616个（共1 244个），最大值为0.770 mg/kg，最小值为0.170 mg/kg， 平均值为0.389 mg/kg，明显高于全国背景值[4]，变异系数为19.36%，属于低等变异。含量大于0.400 mg/kg的样品平均值为0.450 mg/kg，变异系数仅为9.51%，属于弱变异。

2）依据GB15618-1995《土壤环境质量标准》，对柴湖镇1 244个土样的Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni进行测试，结果表明，全镇耕地土壤Hg、As和Pb含量处于低水平，土壤含Cd、Cr处于中等偏低水平，Cu、Zn处于中等水平，Ni处于中等偏高水平（表1）。由表1可知，土壤中Hg变异最大，变异系数达54.91%，Cr变异最小，变异系数只有14.73%，其他各重金属元素变异系数均在二者之间，各重金属元素含量变异系数排序依次为Hg>As>Cu>Cd>Ni>Zn>Pb>Cr。在柴湖镇域内，只有Hg为中等变异（54.91%）， As、Cu、Cd、Ni、Zn、Pb、Cr都属于低等变异，变异系数分别为26.16%、20.16%、19.48%、18.90%、17.75%、16.50%、14.73%。结果表明土壤重金属含量总体比1990年全国背景值略高，土壤环境质量达到GB15618-1995《土壤环境质量标准》二级标准，可作为一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染[5]。

3）土壤pH平均值为7.913，为中性至弱碱性土壤，变异系数为2.61%，属于弱变异，最大值为8.700，最小值为5.990，平均值比全国背景值高出15.33%（1.21）。土壤pH在很大程度上决定了硒存在的化学形态，因此影响了硒的有效性，当土壤溶液呈酸性至中性时，土壤中硒的有效性较低，随着pH升高至弱碱性，硒的有效性也相应提高[6]。

2 土壤硒含量及环境质量评价

常规的农用地质量综合评价主要从高程、坡度和坡向、土壤、气候、水文、植被、灾害、基础设施条件等方面进行评价，且土壤方面的评价主要着眼于肥力[7-10]，肥力因子对应的是农产品的产量。从提升农产品安全质量的角度出发，需要对土壤环境要素进行评价。以ArcGIS10为技术平台，依据土壤采样的数据进行克里金最优内插处理，生成单个指标的丰度图，得到各指标不同含量区间的统计数据，从而确定柴湖镇土壤环境质量和硒含量的空间分布情况。

2.1 评价指标选取

2.1.1 硒元素 李家熙等[11]将土壤硒含量分为低硒土壤（0.1～0.2 mg/kg）、中硒土壤（0.2～0.4 mg/kg）和富硒土壤（0.4～3.0 mg/kg），并认为土壤硒含量低于0.05 mg/kg，植物性饲料硒含量低于0.05 mg/kg，即可引发动物缺硒症。弱碱性土壤环境中，硒的有效性更高[5]。依据此标准进而将柴湖镇土壤富硒指标分为以下3级（表2）。

2.1.2 土壤环境质量 依据GB 15618-1995《土壤环境质量标准》，结合现有资料选出镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铜（Cu）、铅（Pb）、铬（Cr）、锌（Zn）、镍（Ni）共8个重金属污染指标（表3）。

2.2 评价结果与分析

2.2.1 硒含量 由克里金插值分析产生的硒含量分布图（图2）统计得出，硒元素含量高于0.40 mg/kg的土壤占研究区面积的37.60%，主要分布在柴湖镇的中部和南部。柴湖镇富硒区土壤含硒量平均为0.45 mg/kg，与国内其他富硒地区对比，属于足硒或中等富硒的水平[12]，富硒区总面积达到6 984.05 hm2，具备富硒农业产业园区的建设条件。

2.2.2 土壤环境质量 选取镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铜（Cu）、铅（Pb）、铬（Cr）、锌（Zn）、镍（Ni）8个重金属元素为评价因子，运用尼梅罗综合污染指数法[13]，以GB15618-1995为评价依据，对柴湖镇土壤环境质量进行综合评价。

单因子污染指数Pi计算公式为：

Pi=Ci/Si

式中，Pi为土壤污染元素i的污染指数；Ci为污染元素i的实测值（mg/kg）；Si为污染元素i的评价限量值（mg/kg）。

尼梅罗综合污染指数P综计算公式：

P综=■

式中，P综为土壤综合污染指数；Pmax为污染物中最大污染指数； Pi为土壤各污染指数平均值。

由克里金插值分析产生的尼梅罗综合污染指数分级图（图3）统计得出，研究区P综≤0.7的Ⅰ级区域面积为10 032.93 hm2，属无公害土壤，其中的耕地可作为无公害农产品产区；0.7

3 土地利用结构优化

在遵守上级土地利用总体规划下达给村域的建设用地不超标，基本农田、耕地总量不减少原则和节约集约用地原则[14]的情况下，土地利用结构优化的工作在将优质土壤资源释放给农业生产的同时为城镇建设日益紧张的用地需求提供补给。突破传统农业发展模式，引导柴湖镇农业向高品质特色农业方向发展。

3.1 土地利用现状及优质土壤资源的空间分布

柴湖镇是典型的江汉平原农业强镇，研究区总面积为18 575.94 hm2，其中耕地面积为12 284.13 hm2，占研究区土地总面积的66.13%。耕地的93.66%（11 505.19 hm2）为旱地，这决定了柴湖镇的种植产业在作物品种的选择上应该以旱作品种为主。当前柴湖镇拥有规模可观的优质农用土地资源，主要包括：①无公害富硒耕地（综合污染指数P综≤0.7且土壤硒含量≥0.4 mg/kg的耕地，是柴湖镇最优质、最稀缺的农用土地资源）1 328.85 hm2；②无公害耕地（综合污染指数P综≤0.7的耕地）5 834.56 hm2；③国标二级富硒耕地（土壤硒含量≥0.4 mg/kg且全部土壤环境质量指标达到GB15618-1995《土壤环境质量标准》二级以上的耕地） 3 898.87 hm2（表5）。

这3类区域是稀缺的优质土地资源，从规划的角度应该限制或禁止这些区域改变土地利用方式，从而持续地产出高品质、高附加值的农产品。

与此同时也应该看到仍有大量的优质土壤资源被城乡建设用地占用，在土地利用适宜性的条件适配过程中，建设用地的适宜性对于土壤质量的要求很低，这种土地利用方式是对稀缺优质土地资源的浪费。被城乡建设用地占用的优质土壤资源包括：①无公害富硒土壤320.02 hm2；②无公害土壤1 355.70 hm2；③国标二级富硒土壤683.67 hm2。

对于占用无公害富硒土地的城乡建设用地，建议尽量进行分批拆除，将其土地利用方式改变为耕地，补充优质农用地资源。对于非富硒无公害土壤和综合污染程度为警戒限（0.7

出于社会经济稳定和生态环境保护层面的考虑，对耕地和城乡建设用地以外的地类应尽量维持其原状。土壤采样数据到空间统计分析的结果表明，研究区全域没有严重污染的土地，全部土地都能够保证农林业生产和植物正常生长，但考虑到柴湖镇发展高品质农业产业示范区的定位且柴湖镇土壤污染背景值偏低，不建议在镇区附近Ni含量为国标三级的2 283.84 hm2土地上种植食用类作物，应当在土地利用方式或种植结构上予以调整；研究区被城乡建设用地占用的无公害富硒土壤地块也应尽快将土地利用方式变更为耕地，从而释放优质土地资源，创造更大的价值。

3.2 土地利用结构调整

土壤环境质量评价结果表明目前土地利用结构存在进一步优化的空间，在未来的城镇化建设中，应该同时考虑城乡建设用地集约布局和土壤质量两方面因素，在实现城乡一体化的同时提高耕地质量，助推柴湖镇农业产业向高品质方向发展。土壤质量相对更好的地块理论上应该将城乡建设用地变更为农用地，质量相对较差的地块则可作为城乡建设用地后备资源，更大程度地优化土地利用结构，更好地发挥土地作为稀缺生产资料的功能。通过对不同地块土地利用方式的调整，从土地利用适宜性的角度使土地利用结构更合理，从而为柴湖镇建设富硒产业示范区打下坚实的资源基础。根据上述分析，可在一些问题突出且释放生产力效果明显的位置做试验性改造和调整，包括无公害富硒土壤和镇区附近Ni含量为国家标准三级的土壤。

3.2.1 建设用地调整为耕地 建设用地的调出以集中连片占用无公害富硒土壤的城乡建设用地为主要调整区域（分布于西北部的新联村和许庙村；西部的中心集村、黎明村、黄岔堤村和大同村；东部的芦席场村、郑家集村、鱼池村和武洲村）（图4），共计496.95 hm2，结合未来城乡建设将土地利用方式规划为耕地，逐步拆除地上附着物并复垦为耕地，为硒产业基地提供和扩大无公害富硒的耕地来源。

3.2.2 耕地调整为建设用地 在倡导土地集约利用的背景下，零散的农村居民点向镇区归并是趋势所在，并且柴湖镇镇区及周边区域是研究区土壤环境质量相对较差的区域，主要涉及魏家榨村、凌楼村、李官桥村、王营村、前营村和陈营村，共计496.95 hm2，与调出面积平衡。这片区域作为农用地使用土壤质量相对较差，而且由于紧邻镇区，实际上是周边零散村寨向镇中心聚集，发挥镇区“集聚效应”并推进城乡一体化的理想落点，发展富硒农业产业需要的仓储用地，加工厂房用地亦可布局于此。位于王营村和前营村被多组连片城乡建设用地包围的耕地适合将土地利用方式变更为建设用地，将镇区附近原本零散的农村居民点和和镇区连接起来，围绕分布在其间的林地和水域可以建设广场、公园等绿色公共空间，提升居民的居住生活体验。通过合理的城镇规划，使之形成一个更集约、更便捷、更舒适、功能分区更合理的新柴湖。暂不改变土地利用方式的耕地可在完成收割后调整种植结构，种植棉花等非食用类作物。

土地利用结构调整完成后，优质耕地的面积和比例将显著提高（图5），耕地集中连片的程度增大，这将有助于高品质和富硒农产品产量的提升，从而使柴湖镇出产的农产品具有更高附加值和市场竞争力。

3.3 农作物种植结构调整

据对全国2 939个土样的分析，我国土壤硒含量平均值为0.296 g/kg。我国约有三分之二的地区缺硒，其中三分之一的地区严重缺硒[15]。富硒农产品一般情况下较常规农产品价格至少高出1倍[16]，结合柴湖镇目前的农作物种植情况，着力发展富硒水稻、小麦、大蒜、花生和麦冬生产基地。其中大蒜具有比其他绝大部分作物更强的聚硒能力[17]，而且柴湖镇本来就是远近闻名的大蒜之乡[2]，应考虑成为重点发展对象。

以往在选择作物种类时对土壤地球化学特征方面因素的考虑往往有所欠缺，导致耕地资源的利用不够科学。在土地利用结构调整的基础上，为了进一步合理高效地利用优质耕地资源，需要对目前的农作物种植结构进行调整。

结合当地自然条件和农户种植习惯，无公害耕地和富硒耕地上宜种植水稻、小麦、大蒜、花生和麦冬等聚硒能力较强的作物并申报地理标志产品[2]，作为食用类作物产区，建立柴湖镇优质富硒农产品基地的品牌形象；南部面积为1 041.80 hm2的Ni含量为国标三级的耕地宜调整为棉花等非食用类作物产区（图6）。另外，调整后土地利用方式为建设用地的现状耕地在工程项目落地之前，可种植棉花等非食用类经济作物。

4 小结

柴湖镇土壤质量大部分区域符合GB15618-1995的二级标准，综合污染指数在研究区范围内低于1.0，土壤肥力高于全国背景值，适宜进行农业生产。土壤环境质量相对较高且富硒的土地主要位于镇域北部，南部有一定面积的土地土壤Ni含量处于保障农林业生产和植物正常生长的临界值，在柴湖镇已经拥有大规模优质耕地的前提下宜改种非食用类经济作物。

集中连片占用无公害富硒土壤的城乡建设用地为主要的建设用地调出区域，以镇区周边土壤环境质量相对较差的区域为主要的建设用地调入区域，对柴湖镇土地利用结构进行优化调整，达到增加高质量耕地的面积和比例，扩大无公害和富硒农产品生产来源以及助力城乡一体化建设的目的。

完成土地利用结构调整后可进一步对种植结构进行优化，在富硒耕地上种植聚硒能力强的食用类作物，在土壤环境质量相对较差的耕地上种植非食用类经济作物，科学高效地使用珍贵的土地资源。

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