基于土壤重金属污染因素的耕地质量评价修正——以深圳市为例

■ 林勇军/罗罡辉/钱 竞

（深圳市规划国土发展研究中心，广东 深圳 518034）

0 引言

耕地是农业生产最重要的生产资料，约占全球陆地面积的10.2%，对保障粮食安全、生态安全以及可持续发展具有重要作用[1]。我国是一个人口多、耕地资源少的国家，耕地保护越来越受重视。2017年初，中共中央、国务院发布了《关于加强耕地保护和改进占补平衡的意见》，提出坚持最严格的耕地保护制度和最严格的节约用地制度，像保护大熊猫一样保护耕地，着力加强耕地数量、质量、生态“三位一体”保护。《意见》首次明确提出数量、质量和生态“三位一体”保护理念，不单是从传统数量上去保护，更关注耕地质量和生态[2]。目前全国各地都在开展耕地质量等级评价工作，耕地质量等级的评价是根据《农用地质量分等规程》国家标准进行评定，耕地质量等别评价是从耕地耕作条件和农作物产能上去考量，评价体系未考虑耕地土壤重金属的污染状况，然而耕地土壤重金属的污染却实实在在地影响着耕地的质量，同样也影响着耕地种植农作物产品的品质，因此把耕地土壤重金属污染因素纳入到耕地质量评价体系当中有现实需要。我国在土壤健康方面研究起步较晚[3]，加拿大农业部在土壤健康指标体系研究方面取得进展[4]。本文将探讨在现有耕地质量评价体系的基础上，增加耕地土壤重金属污染因素对耕地质量等级评价结果进行修正，兼顾农作物产品数量和质量，更能符合当下注重食品安全的绿色发展理念[5]。

重金属污染对人体健康造成重大影响[6]，历史上曾发生过多起重金属污染事故，应该引起重视[7]。如20世纪60年代日本著名的水俣病事件[8]和骨痛病事件[9]，经研究发现起因分别是重金属汞和镉污染导致的。因此把耕地土壤重金属污染状况加入到耕地质量评价体系当中具有现实意义。根据胡霓红等对珠三角主要工业区周边蔬菜产地土壤重金属污染调查分析[10]和吴开华等对深圳市城市化进程中蔬菜基地土壤重金属污染评价与成因分析[11]，深圳市主要重金属污染为镉（Cd）、镍（Ni）、汞（Hg）、砷（As）、铜（Cu）五种，为了对污染状况评价更加全面，本文除了采用了这五种重金属元素外，还增加了铅（Pb）、铬（Cr）、锌（Zn）三种元素[12]，总共对八种重金属污染元素进行监测，根据污染评价结果对耕地质量进行修正。

1 研究理论与方法

1.1 重金属污染评价模型

1.1.1 单项污染指数

单项污染指数计算公式如式(1)[13]：

公式(1)中，Pi为第m监测点土壤中重金属污染物i的单项污染指数；Ci为第m监测点土壤中重金属污染物i的实测浓度，单位mg/kg；CS为重金属污染物i土壤环境质量标准值，单位mg/kg。

土壤环境质量标准是国家为防止土壤污染、保护生态系统、维护人体健康所制订的土壤中污染物在一定的时间和空间范围内容许含量值，根据《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995），农用地土壤环境质量评价标准值见表1[15]。

单项指标污染等级划分为清洁、轻度污染、中度污染和重度污染四级，具体划分方法见表2。

1.1.2 内梅罗综合污染指数

内梅罗指数是一种兼顾极值和均值的加权型多因子环境质量指数[16]。其不仅考虑到各种影响参数的平均污染状况，而且特别强调了污染最严重的因子，同时在加权过程中避免了权系数中主观因素的影响，克服了平均值法各种污染物平均分担的缺陷，是应用较多的一种环境质量指数。研究选用内梅罗指数评价监测点重金属综合污染情况。对任一监测点，其计算如公式(2)所示[13]：

公式(2)中，Pi为第m监测点土壤中重金属污染物i的单项污染指数；P为第m监测点K种土壤重金属的综合污染指数；为第m监测点K种土壤重金属的平均综合污染指数；max(Pi)为第m监测点K种土壤重金属中最大综合污染指数。

内梅罗综合污染指数等级划分为清洁、尚清洁、轻度污染、中度污染和重污染五级，具体划分方法见表3。

表1 农用地土壤环境质量评价标准值参照表 （单位：mg/kg）

表2 土壤重金属单因子污染等级划分

1.2 耕地质量评价模型

耕地自然质量是指按照标准耕作制度，在一定的光温、气候资源条件和土地条件下，根据规定的方法和程序进行的耕地质量综合评定[14]。耕地自然质量等指数评价方法如公式(3)、公式(4)所示：

表3 内梅罗综合污染指数等级划分

公式(3)、公式(4)中，Rij为第i个分等单元第j种作物的自然等指数，αj为第j种作物的光温（气候）生产潜力指数，k为分等因素编号，m为分等因素的数目，Wk为第k个分等因素的权重，fijk为第i个分等单元内第j种指定作物第k个分等因素的指标分值，βj为第j种作物的产量比系数，Ri为第i个分等单元的耕地自然质量等指数。

根据广东省耕地质量等别评价技术规范，深圳的标准耕作制度是二年五熟制，评价种植的作物为早稻—晚稻—甘薯，分等单元的自然质量等指数=早稻自然质量等指数+晚稻自然质量等指数+甘薯自然质量等指数的一半。耕地质量除了自然质量等指数外，还有耕地利用等指数和耕地经济等指数，其中利用等指数为自然质量等指数与土地利用系数的乘积；经济等指数为利用等指数与土地经济系数的乘积，然后再根据不同的质量等指数区间划分耕地质量等别，依据现行国家农用地分等规范与标准，我国耕地质量等别共划分为1-15等，其中1等地质量最好，15等地质量最差。

1.3 耕地质量修正模型

耕地土壤重金属污染对耕地质量具有实际影响，需要把土壤重金属污染评价结果应用到耕地质量等指数的修正体系当中，本文结合土壤内梅罗综合污染指数制定耕地质量评价修正模型，模型依据不同的污染评价等级进行分段修正：①当重金属综合污染等级为清洁无污染时（P≤0.7），不对耕地质量等指数进行修正；②当重金属综合污染等级为尚清洁时（0.7＜P≤1），对耕地质量等指数进行线性衰减修正；③当重金属综合污染等级为污染时（P＞1），对耕地质量等指数进行指数性衰减修正。耕地质量等指数修正函数如公式(5)所示：

公式(5)中，R为耕地质量等指数，Ri为第i个分等单元修正前的耕地质量等指数，P为第i个分等单元土壤重金属的内梅罗综合污染指数。

2 研究区域与数据

2.1 研究区域

本文研究的区域主要为深圳市，研究对象为深圳市域范围内的所有耕地。深圳市是中国南部海滨城市，毗邻香港，位于北回归线以南，东经113°46′至114°37′，北纬22°27′至22°52′。地处广东省南部，珠江口东岸，东临大亚湾和大鹏湾；西濒珠江口和伶仃洋；南边深圳河与香港相连；北部与东莞、惠州两城市接壤，辽阔海域连接南海及太平洋。根据深圳市2016年度变更调查数据，2016年底深圳市耕地总面积为5.75万亩。

2.2 数据来源

本文采用的数据主要来源于深圳市耕地质量等级调查评价与监测项目课题，具体为：①耕地质量评价数据。以2017年深圳市耕地质量等别更新评价项目成果为主要数据源，数据来源于深圳市规划国土发展研究中心耕地质量项目课题。②土壤重金属检测数据。以2017年深圳市耕地污染状况监测评价项目中的污染监测样点为主要数据源，数据来源于深圳市规划国土发展研究中心耕地质量项目课题。③过程分析数据。通过本文研究方法对耕地质量评价数据和耕地污染状况监测数据进行分析处理，在分析过程中产生的过程数据。

3 数据分析

由于污染状况数据来源于耕地污染状况监测评价项目，因此分析所采用的耕地样点数据全部采用耕地污染状况监测评价的16个污染监测单元样点，以下所有的分析都是基于这16个耕地样点进行的。

3.1 耕地质量评价

根据深圳市2017年耕地质量等别更新评价结果，16个耕地样点的耕地国家质量等指数和国家等别评价结果见表4。

3.2 土壤重金属检测

通过对16个耕地样点的土壤进行现场采集土样，把土样送到具有土壤检测资质的专业机构进行土壤酸碱度和重金属含量检测，根据检测机构的检测报告，16个样点土壤酸碱度和重金属含量检测结果见表5。

表5 样点土壤重金属检测结果 单位：mg/kg

3.3 污染指数

根据16个样点的土壤酸碱度和重金属含量检测结果，利用单项污染指数和内梅罗综合污染指数评价方法进行污染指数计算，16个样点的污染指数计算结果见表6。

从表6中可以看出，镉、砷、铅、铬、锌五种重金属所有样点均未超标，铜、镍和汞部分样点超标。其中5个样点的内梅罗综合污染指数为清洁，6个样点内梅罗综合污染指数为尚清洁，5个样点的内梅罗综合污染指数出现污染现象。

4 研究结果

我国当前耕地质量评价更多是从农作物耕作条件和产能方面考量，耕地在一定时间内产出越多，耕地质量越高，本文在当前耕地质量评价体系上基础上，结合耕地土壤重金属污染情况对耕地质量进行修正，综合考虑耕地产能和耕地土壤污染因素，践行了绿色发展理念。根据耕地质量修正模型对深圳市16个样点的耕地质量评价结果进行修正，修正后的耕地质量结果见表7。

修正后的耕地质量评价结果与修正前的耕地质量评价结果进行差值对比，两者之间的差值对比情况见表8。

从表8中可看出，样点DY44030001、DY44030013、DY44030015、DY44030024和DY44030030的耕地质量评价结果保持不变，未进行修正，根据表6污染指数计算结果，该五个样点对应的综合内梅罗污染指数均小于0.7，属于清洁水平，所以不予修正；样点DY44030017、DY44030018、DY44030038、DY44030009和DY44030049的耕地质量评价结果得到了较小幅度的修正，根据表6污染指数计算结果，该五个样点对应的内梅罗综合污染指数介于0.7和1之间，属于尚清洁水平，仅对其耕地质量评价结果进行了线性衰减修正，幅度较小；样点DY44030006、DY44030008、DY44030023、DY44030029、DY44030031和DY44030033耕地质量评价结果得到了较大幅度的修正，根据表6污染指数计算结果，该五个样点对应的综合内梅罗污染指数均大于1，属于污染水平，根据分段修正模型的假设，需要对污染级别的耕地质量评价结果进行指数衰减修正，其修正幅度较大。其中DY44030031号样点修正幅度最大，国家自然质量等指数、利用等指数和经济等指数分别降低了2837、1272和1170，其对应的国家自然质量等、利用等和经济等分别降低了7等、7等和6等，而DY44030031样点的土壤内梅罗综合污染指数也是16个样点中最大的，达到2.34，中度污染级别。

表6 样点土壤污染指数计算结果

表7 样点修正后的耕地质量评价结果

从修正结果与土壤污染综合情况来看，样点的修正结果符合耕地质量分段修正模型的假设，综合污染程度不同，对其耕地质量结果的修正程度不同，清洁级别不予以修正，尚清洁级别给予线性衰减修正，污染级别给予指数衰减修正。修正后的样点耕地质量评价结果，是在原有耕地质量评价的基础上，追加了土壤重金属污染因素的影响，能综合反映耕地的量和质，既体现了原有的耕地产能，也体现出了耕地土壤污染程度，达到了较好的预期效果。

表8 样点修正后与修正前的耕地质量评价结果差值对比

5 结束语

本文对耕地质量评价修正进行了初步探讨，综合来看，在耕地质量评价体系当中加入土壤污染因素，更能符合当代食品安全、绿色发展的理念，对耕地产能和土壤污染进行综合考虑，能促进评价从数量到质量的转变，修正后的耕地质量更能反映出耕地的质和量。但需要注意的是，由于土壤重金属检测结果受采集土样影响，其准确度受土壤采样方式、采样位置、人工误差等重多因素影响，同一块耕地不同位置的土壤重金属含量都可能出现比较大的差异，这也是在后继研究和应用当中需要考虑的，需要多年连续采样和同一地块多点采集样本来减少误差量。由于我国地域辽阔，每个区域的地域性特征差异较大，关于土壤污染对耕地质量评价的修正模型是否适用于所有区域，有待进一步探讨和研究，如果能制定因地制宜的修正模型或参数，修正结果将更能符合区域特色和当地实际。