矿区耕地健康状况评价研究

南锡康，张红丽，时 晨

(中国自然资源经济研究院，北京 101149)

经济发展离不开矿产资源供给，但矿产资源开采往往会给当地自然资源环境造成土地破坏、动植物减少、生态失衡等多种不良影响，特别是开采过程中工矿用地和废弃地增加，农用地减少，影响当地土地利用类型结构。耕地作为粮食生产和蔬菜供给的重要基础资源，关乎食品安全和人民健康，矿区耕地极易受到采矿活动的破坏和污染，其物理化学性质和清洁程度影响其产出的农作物是否可食用和交易，矿区耕地健康状况评价对于当地资源合理利用和食物安全供给具有重要意义。

1 矿区耕地特征分析

矿产资源开采活动改变地质结构，往往破坏矿区耕地的土体构型，增加土壤污染物含量，改变土壤微生物的种类和数量，影响农田动物的活动轨迹，给耕地的农作物生产功能和生态服务功能的正常运行带来一系列负面效应，主要体现在土壤质量、利用条件和土壤生态状况三方面。

1.1 土壤质量

1) 剖面构型。矿产开采造成的地表塌陷、裂缝改变矿区耕地土壤的正常发育过程[1]，地表塌陷直接破坏土壤自然构造，塌陷过程中夹杂的碎石等障碍物易使土体构型由易于耕作的均质质地剖面转变为难以利用的复杂构型，地表裂缝易使得土壤粉黏粒在径流携带下沿着缝隙流失，形成不良剖面[2]。

2) 表土质地。王健等[3]研究发现塌陷区地表10 cm土层物理性黏粒含量明显减少。地表塌陷和裂缝在改变土体构型的过程中，造成土壤表层和底层的不同变化，表层土壤往往表现为细小颗粒流失，砂粒含量增加，表土质地往往从壤土变为砂土。

表1 矿区耕地健康状况评价指标遴选结果Table 1 Selection results of evaluation indexes forcultivated land health status in mining area

3) 土壤容重。土壤容重影响土壤营养物质交换运输能力和透水透气能力，受坡度、径流等综合作用影响，塌陷区土壤中的黏粒物质通常向下流动，土壤容重自上坡到塌陷中心逐渐加大，土壤孔隙度也相应变化[4]。

4) 土壤含水率。严重的地表沉陷造成的积水使耕地丧失原有的生产力，一般性地表塌陷影响土壤水分垂直运动，整体上破坏了小区域土壤持水能力，上坡土壤含水率较低而沉陷中心含水率较高[4]，但季节性变化较小[5]。

5) 土壤pH值。采矿活动会引起矿区土壤中重金属阳离子和氢离子在不同层次呈不均匀分布，进而影响土壤pH值的大小。郭巍等[6]研究发展抚顺西露天煤矿采场土壤pH值不稳定，且对外来酸碱冲击的适应能力较差；谷雨等[7]通过采样测度发现锡盟铁锌矿区土壤pH值和重金属含量在纵向上呈低-高-低规律分布。

1.2 利用条件

1) 灌排条件。矿产资源开采时地表和岩层的移动与变形极易破坏耕地的灌溉和排水渠道，开采引起的地表坡度和地下水位变化往往干扰耕地原有灌溉和排水设施的正常使用，且开采活动产生的废水、废渣易导致当地灌溉水质量下降，矿区耕地的灌溉保证率通常较低，排水条件也往往不佳。

2) 坡度。大范围的地表下沉形成坡地景观，下沉盆地边缘土地存在一定坡度。在下沉作用尚未完成、最大下沉量尚未达到时，所有下沉区域均为坡地，极易发生土壤养分流失[4]。

3) 田块规整度。下沉盆地外边缘区形成的裂缝破坏了耕地的平整性和原有地块形状，裂缝的动态变化引起地表变形，影响地表的耕作利用活动，较大裂缝使耕地难以进行机械化作业，影响耕作稳定性。

1.3 土壤生态状况

1) 土壤微生物量和土壤酶活性。有学者[8-9]研究发现土壤微生物和土壤酶活性对其生态服务功能的显化具有重要作用，适宜温度下土壤微生物群落对有机碳分解的转化具有较强促进作用。采矿区土层破坏扰乱土壤微生物群落的正常运作，采矿带来的土地覆被类型变化、地缝、土壤pH值变化等影响土壤酶活性的大小。张振佳等[10]研究发现矿区土壤微生物及酶活性可良好反映土地复垦后土壤生态状况。

2) 土壤重金属污染程度。重金属污染胁迫是影响土壤健康状况的主要因素之一，关乎耕地健康产能。含镉、锌、铅的硫化物矿床在开发过程中产生富含有害重金属元素的酸性废水，危害土壤环境和水环境[11]，矿山固体废弃物若未能得到及时妥善处理，经雨水冲刷作用，重金属元素常以水为介质进入采矿区周边农田土壤。

2 评价指标体系构建

2.1 指标遴选

矿区耕地健康状况评价需参考已有耕地质量评价标准与规范，农业农村部和自然资源部分别对此发布了多项规程，针对不同管理需求分别有不同侧重(图1)。《农用地分等规程》从光温气候、自然质量、成本与产出等方面评价农用地等别，评价时选取的参评因素较为简洁，评价结果全国可比；《农用地定级规程》考虑的参评因素较为全面，评价指标多，评价过程复杂，实用性不佳；《全国耕地类型区、耕地地力等级划分》和《耕地质量等级》侧重土地的自然本底质量和土壤肥力保育，服务农业生产；《土地质量地球化学评价规范》评价因素侧重元素分析，主要考虑土壤养分和清洁程度指标，以地球化学成分的定量化评价为主；《第三次全国国土调查耕地资源质量分类工作方案》以耕地资源分类保护为目的，侧重不同耕地资源条件及其组合，为耕地数量、质量、生态“三位一体”提供支撑。

图1 耕地质量评价相关标准及评价因素Fig.1 Relevant standards and evaluation factors of cultivated land quality evaluation

综合考虑矿区耕地特征和现有评价规程标准，综合分析耕地健康状况参评因素的重要性和可替代性，建议矿区耕地健康状况评价从土壤质量、利用条件和土壤生态状况三方面进行。土壤质量方面，须在考虑矿区耕地易发生改变的剖面构型、表土质地、土壤容重、土壤含水率、土壤pH值等指标的基础上，选取土壤有机质含量、有效土层厚度等指标综合反映耕地自然本底状况；利用条件方面，建议选取灌排条件、坡度、田块规整度等指标；土壤生态状况方面，建议选取土壤微生物量、土壤酶活性、土壤重金属污染程度等指标[12-15]。由于土壤容重与土壤孔隙度、土壤有机质含量与全氮、土体构型与有效土层厚度、表土质地与土壤保水能力具有较强相关性，暂不重复选取；土壤养分含量指标在采矿过程中虽有变化，但对耕地健康状况影响不大，障碍层距地表深度在剖面构型指标中已有体现，暂不建议选取。

2.2 指标分级

土壤质量方面，各项指标可参考已有规程按常规方法进行分级赋分，指标分级标准参考值见表2。利用条件方面，灌排条件需根据当地灌排设施完备度和使用成效进行定性评价；田块规整度需计算形状指数，分别取田块四分之一周长和田块面积的对数，其比值的两倍为田块规整度。土壤生态方面，土壤微生物量和土壤酶活性需与原地貌土壤样品进行对比，不同土层通常显示不同的分布特征，土壤微生物量可用各类微生物数量均值进行比较，土壤酶活性可选取蔗糖酶、脲酶和磷酸酶进行比较[10]，明显高于原地貌的地块土壤生态状况良好，明显低于原地貌的地块土壤生态状况不佳；土壤重金属污染程度一般实地采样化验后插值，根据土壤中汞、镉、铅、铬、类金属砷五项重金属含量确定污染等级。

表2 指标分级标准参考值Table 2 Reference value of index classification standard

3 评价方法与步骤

3.1 评价方法

常见的土地评价方法主要为归类法和参数法。归类法通过定性评价将评价单元归纳为几个不同的类别，如美国土地潜力分类、FAO的土地适宜性分类，评价结果可良好体现限制因素和优势条件，易于理解，但评价过程中主观性强，适于大尺度评价；参数法通过加和、乘积等数学运算开展定量评价，如我国农用地分等，评价结果较为客观，适于小尺度评价。矿区耕地健康状况评价通常针对某一矿区进行小尺度评价，参数法实用性强。

3.2 评价步骤

数据收集完备后，主要评价步骤如下所述。第一，确定评价单元。根据获取数据情况确定评价单元，已收集“第二次全国国土调查”“第三次全国国土调查”数据的情况下一般采用地块法，此外还有网格法、多边形法等。第二，确定评价指标体系和权重。指标体系须呼应矿区耕地健康状况评价目标和原则，指标尽可能简洁，指标数据尽可能易获取、易量化，权重的确定通常采用专家打分法和层次分析法。第三，确定评价指标分级标准。一般采用百分制对指标不同级别赋分，分数越高对应属性越好。第四，选取部分评价单元开展试评价。计算耕地健康状况综合指数，综合指数分级通常采用自然断点法、等间距法、分位数法、标准差法等方法进行分级。土壤质量、利用条件、土壤生态单项分析更有利于问题识别，可应用自然断点法做单项分级和综合指数分级。试评价时结合专家经验、实地走访调研情况判断试评价单元评价结果的科学性，必要时可分析试评价与原有其他评价的差异。最后，科学论证试评价结果后，开展整体评价。

4 评价结果应用方向

4.1 明确地块利用条件

矿区耕地健康状况评价结果可量化识别矿产资源开发对耕地生产功能、生态功能的影响。生产功能方面，可分析土壤质量、耕作利用条件对农业生产活动的支撑力度，摸清耕地质量等级变化情况，为配方施肥、土壤保良提供参考。生态功能方面，可辨别矿山开采引发的土壤重金属污染、小区域土壤侵蚀对耕作活动的物理化学障碍，根据污染、侵蚀等胁迫作用的大小判定地块是否具有可持续利用价值，是否可经过土地复垦实现生态修复，以及选择何种土地管理和整治改良方案。

4.2 明确地块利用方式

矿区耕地受矿山开采活动影响，其生态适宜性发生改变，可依据其健康状况评价结果制定安全利用方案。如在相同的酸碱度环境中，镉、铅、铬元素在水田中的污染筛选值大于其他土地利用类型污染筛选值，汞、砷元素在水田中的污染筛选值则小于其他土地利用类型，铜元素在果园中的污染筛选值大于其他土地利用类型污染筛选值。在对矿区耕地健康状况评价基础上，结合农用地安全利用标准，可部署受污染旱地与水田、受污染耕地与园地、受污染农用地与非农用地之间的地类转换[16]。此外，还可根据不同作物生长过程中对污染元素的富集程度，确定作物种植类型。

4.3 制定土地复垦与生态修复方案

通过矿区耕地健康状况评价，可明晰土壤退化类型和利用条件短板，明确整治修复的空间范围与工程内容。根据评价单元的各项指标分值及耕地健康状况等级，明确评价单元存在的问题，整合形成土地复垦与生态修复工作区。根据评价结果中土壤化学退化情况，设置养分与有机质补充、土壤重金属污染治理方案；根据土壤物理退化情况，部署表土回填、地面平整、灌排设施修缮等应对方案；根据土壤生物活动退化类型，结合微生物生长繁殖所需的物理化学环境，制定当地微生物群落恢复方案。

5 讨 论

较一般耕地而言，矿区耕地在土体构型、表土质地、土壤容重、土壤含水率、土壤pH值、灌排条件、坡度、田块规整度、土壤微生物量和土壤酶活性、土壤重金属污染程度等方面受矿山开采影响较大。矿区耕地健康状况评价指标可从土壤质量、利用条件和土壤生态状况等方面选取，评价方法上，参数法适用性强，可采用百分制对指标不同级别赋分，选取部分评价单元开展试评价，科学论证试评价结果后开展整体评价。评价结果应用方向包括明确地块利用条件及利用方式，制定土地复垦与生态修复方案等。由于矿山耕地健康状况评价多为项目尺度，评价范围较小，建议选取可定量化的土壤微生物量和土壤酶活性来表征耕地生物状况，未采用生物多样性这一指标。生物多样性可反映农田动植物种类丰度，但精确测度较难，定性评价又容易出现误差，反映农田生态环境状况的综合性指标有待进一步探索。此外，矿区耕地的自然本底、利用方式和生态状况复杂多样，以上研究内容仅作为基础性理论研究，可作为矿区耕地健康状况评价的总体思路参考，在针对某类矿区或某一矿区的耕地健康状况进行具体评价时，需在此基础上添加其他指标作具体分析，部分指标分级标准或需作相应调整。