生态视角下南方典型丘陵区耕地健康诊断——以江西省奉新县为例

余慧敏，郭 熙

（江西农业大学国土资源与环境学院/江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西 南昌 330045）

1 引言

耕地作为人类生命过程中根本性的物质基础，是国家粮食安全的重要资源保障[1]，耕地健康关系农产品质量安全与农业可持续发展，成为人类健康的基础。在人多地少的中国，伴随着城镇化、工业化高速推进，出现了耕地生产功能下降、耕地生态环境污染等问题，耕地健康状况不断恶化[2]，由此产生的农产品品质下降、农作物减产等现象也日益受到人们的关注。在新时代“创新、协调、绿色、开放、共享”的理念下，耕地保护进入新时期，有必要开展耕地健康研究，诊断耕地健康状况，以期为促进耕地资源高效可持续利用、保障国家粮食安全、推进耕地数量—质量—生态三位一体的保护目标提供参考。

健康概念最初用于表征人类生命体的状况，随着科学的发展被应用于不同领域，耕地健康概念也由耕地质量逐渐衍生而来。20世纪40年代ALDO LEOPOLD[3]首先提出了土地健康概念，20世纪80年代以来，加拿大农业部[4]、美国农业部自然资源保护局[5]、美国康内尔大学[6]、ROPER[7]、ESHEL[8]等分别开展了土壤健康相关的研究。国内，陈美球[9]等综述了国际土地健康研究的进展并总结出适合中国实际的国内研究的方向与内容。单美[10]、李强[11]等从耕地资源与土壤环境相结合的角度进行了平原区耕地健康的评价研究。唐丽静[12]从土地肥力、土地环境质量等方面选取指标对黑土区土地健康进行评价。高涵[13]等定义了一个大尺度、宽范围、广视角的耕地健康概念，分析了中国耕地健康发展态势并提出了耕地健康管理的建议。目前，国内针对南方丘陵区的耕地健康研究较少，南方丘陵区是中国重要的粮食生产基地，其地形特征与环境条件较为复杂，耕地状况可能受到多种因素的影响。当前自然资源部门[14]和农业部门[15-16]的耕地质量相关评价规范中未选取耕地土壤环境相关的生态性指标，从2018年8月1日起实施了生态环境部印发的《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》，但在实际的耕地质量相关研究中鲜有采用相关标准。在新时代背景下，耕地生态安全愈发受到人类的关注与重视，现有的指标体系难以满足国家对耕地数量、质量、生态“三位一体”精准管理的需求[17]。基于此，本文在参考已有研究的基础上，将土壤肥力指标、耕地土壤环境污染性指标及有益性指标均纳入到耕地健康诊断的指标体系中，构建生态视角下的未污染区耕地健康评价、污染区耕地病态诊断的耕地健康诊断模式，以期为南方典型丘陵区耕地资源的分类管护与合理利用提供参考。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

奉新县位于赣西北部，距省会南昌市65 km，地处北纬28°34′～28°52′、东经114°45′～115°33′之间，属中亚热带气候，四季分明，降雨充沛，地形以丘陵山地为主，地势西高东低，自西北向东南逐渐倾斜，大小丘陵岗地分布其间，全境为东西长、南北窄的长条形地域。全县2015年土地总面积为160 306.86 hm2，其中耕地为39 355.38 hm2，占比24.55%。

2.2 数据来源

本文运用地块法，将奉新县2015年耕地质量等别更新数据中的20 603个耕地图斑作为评价单元，面积共计39 355.38 hm2。灌溉水环境质量数据来源于土地质量地球化学评价数据、奉新县灌溉规划，选取《农田灌溉水质标准》作为评价的标准值。土壤肥力数据来源于奉新县测土配方施肥数据、179个土壤实际采样点数据。土壤重金属数据来源于74个土壤实际采样数据样点，参照《土壤环境质量标准》作为污染评价标准值。有益微量元素基于179个土壤采样点，其中有效钼数据来自奉新县测土配方施肥数据。有益微量元素、有效钼与土壤重金属采样点分布见图1。

2.3 耕地健康诊断体系

2.3.1 指标体系的构建

健康土壤首先表现为土壤有活力，能够供植物生长，土壤活力的核心是土壤肥力[18]，因此，土壤肥力是耕地健康的基础。土壤重金属、灌溉水环境质量中产生的污染物含量过高则会影响耕地健康，而土壤有益微量元素的作用在一定的范围内则有益于耕地健康[10]。耕地健康是一个综合概念，结合奉新县实际情况，本文基于生态视角，选取影响耕地土壤环境的土壤重金属、灌溉水环境质量两个生态指示性指标作为指标体系的重要组成部分以代表和反映研究区生态状况；用土壤肥力指标表征耕地的自然本底状况，土壤肥力指标则是众多耕地评价的基础性指标；本文也将有益微量元素纳入到指标体系中，现有的耕地评价相关研究中鲜有涉及有益微量元素，有益微量元素在调节植物生长、提高农作物产量[19]以及影响人类及动植物健康方面有着不可忽视的作用[20]。

图1 奉新县耕地健康诊断采样点分布图Fig.1 The sampling points distribution map of farmland health diagnosis in Fengxin County

表1 土壤肥力、灌溉水环境质量与土壤重金属分级标准Tab.1 The classification standards of soil fertility, environmental quality of irrigated water and soil heavy metals

土壤肥力是作物生长的营养源泉，主要包括有机质含量和土壤养分元素，其中有机质含量是影响土壤性质的主导性因素之一，而土壤养分元素则为作物生长所必需，本文的土壤肥力指标包括有机质、有效磷、速效钾、有效硅、有效钙及有效镁。耕地土壤环境指标包括了土壤重金属、有益微量元素以及灌溉水环境质量等，对环境有主要危害的重金属“五毒”元素为汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）和类金属砷（As）, 其中以汞毒性最大，其次为镉、铅、铬、砷[21]，本文的土壤重金属指标选取上述5种元素。灌溉水环境质量反映灌溉水质量是否能够达到灌溉水质要求，本文灌溉水环境质量指标包括水质pH、水质化学需氧量、水质总汞、水质总砷、水质总铬、水质氟化物。有益微量元素指对人体健康有益的而摄入量较小的元素，包括有效铁、有效硼、有效铜、有效锌、有效锰、有效钼。

2.3.2 单一指标评价方法

（1）土壤肥力评价方法。耕地健康诊断在土壤肥力评价的基础上进行，首先对土壤肥力指标采用多指标加权求和法求取土壤肥力分值（F），权重确定采用层次分析法[22]，对肥力分值采取自然断点法进行分级，得出土壤肥力分值分级标准。

（2）土壤重金属、灌溉水环境质量评价方法。两指标值均采取内梅罗综合污染指数法，当前水质评价[23]、重金属评价[24-25]中应用此方法较多，该方法在多因子加权过程中能够兼顾极值，全面反映耕地受到污染的水平，突出主要污染物的危害[26-27]，计算公式如下：

式（2）—式（3）中：P综为内梅罗综合污染指数为各项污染物的污染指数平均值；Pi,max为各污染物的污染指数最大值；Pi为污染物i的污染指数；Ci为污染物i的实测含量；Si为污染物评价标准值。得出的综合指数依据分级标准进行分级、赋分。土壤肥力、灌溉水环境质量与土壤重金属指标的分级标准见表1。

（3）有益微量元素评价方法。该指标评价根据木桶原理，采用最小因子法计算有益系数，评价单元的得分受最低分值因子的限制作用，将多个评价因子得分中的最小值作为评价单元的土壤有益系数（B）[28-29]。有益微量元素分值依据峰型隶属度函数进行计算，计算公式如下：

式（3）中：yi为评价因子的隶属度；ui为评价因子的值；ai为常数；uti，ut2分别为指标上、下限值。分级标准见表2。

表2 有益微量元素分级标准Tab.2 The classification standards of beneficial trace elements (mg/kg)

2.3.3 耕地健康诊断体系

当前《农用地定级规程》中因素法的应用较多[30-31]，该方法在实际应用中对所有评价指标赋权重求取综合分值，弱化了各分项指标对耕地评价级别的影响，修正法则是通过乘法运算求取结果，更能凸显某单项指标分值的变化对耕地评价级别的影响[1]。本研究的评价指标中，灌溉水环境质量、土壤重金属表征耕地的污染状况，一旦耕地受到污染，耕地则变为不健康，任何其他指标都无法改变耕地受到污染的状态，净土才能洁食，只有无污染、肥力充足、能促进人类和动植物健康的耕地才是健康的。

耕地健康诊断应该表征污染区耕地的污染状态以及未污染区耕地的健康状态两种情况。为此，本文的耕地健康诊断在单一指标评价的基础上，根据土壤重金属、灌溉水环境质量评价结果，评价单元分为受污染区和未污染区两类。

对污染区的评价单元，从灌溉水环境质量、土壤重金属两个污染性指标分类诊断耕地污染状态。对未污染区的评价单元，利用有益系数（B）对土壤肥力分值（F）进行修正，得出未污染区评价单元的耕地健康指数（H），修正公式见式（4）：

3 结果与分析

3.1 单一指标评价结果

利用ArcGIS软件对各评价指标样点进行普通克里金（Kriging）插值，将其插值结果赋到研究区所有评价单元上，得出奉新县所有单元的各指标数据，利用单一指标评价方法对应求出各指标分值，依据相应分级标准制作出土壤肥力级别图、灌溉水环境质量级别图、土壤重金属级别图及有益系数图（图2）。

由图2（a）可以发现，奉新县耕地土壤肥力级别总体较高，肥力级别最高的耕地分布在中东部居多。经统计，全县仅7.13%的耕地为最低4级，2级最多占42.57%，其次为1级占32.85%，17.44%为3级，表明全县耕地自然本底较好，耕地土壤基础肥力水平中等偏上。查阅奉新县地形图与《奉新县土壤志》发现，中部往东相对西部地区的地势更为平坦，因而耕地集中在中东部地区；中东部地区处于丘陵低阶地与河湖冲、沉积平原交接地区，土壤质地以壤土为主，易于田间耕作管理，因而该区土壤肥力级别相对更高；同时，中东部地区相对西部的耕地肥力级别更为分散，各个级别的肥力水平均有分布，肥力级别低的耕地主要集中在中东部，人类耕种、施肥、田间管理等外来因素的影响可能导致耕地肥力水平差异较大，而西部地区为低山地区，耕地分布较为分散，交通较为不便，农户耕种行为相对困难，耕地受到外来影响相对较少，因而肥力水平差异较小。

由图2（b）可以发现，全县耕地灌溉水水质总体良好，水质受污染的区域主要分布在冯川镇及其周边地区。经统计，水质级别为1级的耕地占95.62%，2级占3.52%，仅0.86%为3级，可见，全县耕地灌溉水水质大部分处于清洁状态；仅靠近冯川镇为主的4.38%的耕地灌溉水受到污染，其中3.52%的灌溉水为轻微污染；0.86%的水质不清洁，冯川镇为县城所在地，县城人口较为集中、社会发展相对较快，由人类活动产生的生活污水、工业废弃物以及汽车尾气等因素的影响，导致县城周边耕地灌溉水质受到污染，且最靠近县城的灌溉水质受污染最严重。

由图2（c）发现，全县耕地土壤重金属污染很少，仅位于石溪乡少量为轻微污染。统计发现，土壤重金属级别1级占99.4%，2级为0.6%，表明全县耕地土壤重金属污染很少。土壤重金属来源受到自然因素与人为因素共同影响，农业施肥会对土壤中重金属累积量产生直接影响，而根据实地走访调查与相关统计资料，奉新县土壤自然本底较好、土壤中重金属含量不高，县域内工业发展程度不高；此外该县较为注重生态农业，因而全县稻田土壤重金属污染很少，少量重金属超标的耕地可能是由于母质类型所导致，也有可能与采样、检验误差等的影响有关。

由图2（d）发现，全县耕地有益微量元素含量总体中等偏低，以县域中东部地区有益微量元素含量相对丰富，宋埠镇、澡下镇的少数耕地有益系数为0，统计发现全县耕地有益系数以0.4居多，占73.47%，系数为0.6的占25.68%，系数为0的占0.85%。土壤微量元素的含量及其分布受到土壤类型、地形、人类活动等多种因素的影响[32]，中东部地区为低山丘陵向低丘平原的过渡地区，受海拔、土壤、人类耕作行为等的影响可能导致该区有益微量元素的积累。

3.2 耕地健康诊断结果

对未污染耕地计算健康指数，得出未污染区评价单元的健康指数在34.00～73.60，利用自然断点法形成健康指数分级标准（表3），依据该分级标准，得出各评价单元的耕地健康级别，并统计出各级别下的评价单元图斑面积、数量及比例分布状况；综合土壤重金属、灌溉水环境质量评价结果，对受污染耕地进行分类，统计出各污染状态下的评价单元面积、数量及比例分布状况。综合上述评价结果，得出奉新县耕地健康诊断结果见表4，奉新县耕地健康诊断状态见图3。

据表4可知， 全县未受污染的耕地共有37 396.03 hm2，占总耕地面积的95.02%。其中健康耕地面积为35 269.23 hm2，占89.62%；一般健康耕地面积为16 021.86 hm2，占40.7%；因肥力缺乏而处于亚健康状态耕地面积为2 126.80 hm2，占5.40%；因受到污染因而不健康耕地面积为1 959.34 hm2，占耕地总面积的4.98%。由图3可以看出，全县大部分耕地处于健康状态，健康级别最高的耕地位于中东部地区，西部地区的耕地健康级别相对较低，受到污染的耕地集中在以冯川镇为中心的县城周边地区和西北区的石溪乡等，其中，中东部地区受污染的耕地为灌溉水质污染，西北部少数受污染耕地为土壤重金属轻微污染。

表3 奉新县未污染耕地健康指数分级标准Tab.3 The classification standards of unpolluted farmland health index in Fengxin County

表4 奉新县耕地健康诊断结果Tab.4 The results of farmland health diagnosis in Fengxin County

图3 奉新县耕地健康诊断图Fig.3 The health diagnosis map of farmland in Fengxin County

4 结论与讨论

（1）本文选取有机质含量、有效磷、速效钾、有效硅、有效硫、有效钙、有效镁7个因子进行土壤肥力水平评价；选取铬、铅、镉、砷、汞5种土壤重金属元素和灌溉水环境质量指标进行耕地污染评价，选取有效铁、有效硼、有效铜、有效锌、有效锰、有效钼6种有益微量元素进行耕地有益系数评价，并在此基础上，将未污染耕地与污染区耕地分开，构建了未污染区耕地健康评价、污染区耕地病态诊断的耕地健康诊断模式，该诊断模式创新了已有耕地质量、耕地健康相关的评价模型，避免了传统多因素综合下对耕地受污染状况掩盖的弊端，根据诊断结果能更好的开展耕地资源的分类治理，促进耕地资源的高效利用与合理保护，促进农业的绿色和可持续化发展。结果表明，全县耕地总体健康状况良好，健康耕地占89.62%，5.4%的耕地因缺肥处于亚健康，4.98%的耕地因受到污染因而不健康。

（2）健康的耕地带来健康的产能，应以第三次国土调查为契机，从本体健康、母体健康、受体健康和系统健康4个方面同步开展耕地健康诊断工作，并且在今后的耕地质量评价中结合健康诊断的指标体系和方法开展耕地健康的长期监测工作。

南方丘陵区地形复杂，耕地土壤属性以及环境污染空间异质性较强，必须设计合理的采样数量和间距，才能更加快速高效地诊断南方丘陵区耕地健康状态；同时针对灌溉水质污染源以及重金属污染主要来源于城镇和工业园区的特点，重点研发和推广以污水处理、生态沟渠、河岸植被缓冲带、景观型多级阶梯人工湿地护坡等技术综合一体的城市近郊河道小流域分散面源污染防控技术，保护城镇周边的优质生态良田。各级政府和有关部门应深入推进涉镉等重金属重点行业企业排查整治，打击非法排污，切断镉等重金属污染物进入农田的途径，并切实防止边治理边污染的现象。

南方丘陵区耕地分布零散、破碎，农田水利设施同时也具有小、散、难以管理的特点，不同健康状态的耕地呈现出交叉分布的形态。必须以高标准农田建设为契机，大力开展高标准生态良田建设的工作。对于高等级、无污染的永久基本农田实施优先保护；对中低等级、有轻度污染存在的永久基本农田，要安全利用，同时要加强在安全利用过程中的自然恢复和耕地健康建设，使有效耕作层变厚、使土壤有机质增加、使农田健康防护体系完善，减少农业生产过程中对耕地健康的损耗，逐步提高耕地健康水平；对有中重度污染的永久基本农田要严格管控，直至退出农业生产。

（3）耕地健康涉及土壤学、环境科学、植物营养学等众多领域，其评价指标的选取是耕地健康研究中的重点与难点问题。耕地健康受耕地自然本底、土壤环境以及耕地生态状况共同影响，其中耕地环境不仅受到重金属污染与灌溉水质污染，大气污染、土壤有机物污染同样对耕地土壤环境造成威胁，而耕地生态状况则与土壤生物息息相关。在实际的研究过程中，由于资料数据收集的有限性，本文未将土壤有机物污染、大气污染以及土壤生物指标纳入到耕地健康诊断的指标体系中，耕地健康诊断的指标体系有待于日后的细化与完善。耕地健康的最终目的与作用是维持人类生命体的健康，耕地健康等级划分的阈值与人体健康有着密切的联系，本文由于现实因素的限制，未开展耕地健康对人体健康影响的研究，难以反映耕地健康评价的真正价值，因此在今后的研究中还需把耕地健康与人体健康关联起来，探索更为科学、合理的耕地健康分级的阈值，实现耕地健康对人体健康的影响研究。