农村闲置宅基地复垦土壤重金属溯源与利用分区

夏沙沙，夏 可，杨 帆，尹 炳，邹宏光，张世文*

(1. 安徽理工大学地球与环境学院, 安徽 淮南 232000; 2. 河海大学地球科学与工程学院, 江苏 南京 210000;3. 农业农村部耕地质量监测保护中心, 北京 100125)

我国作为世界上第一人口大国，随着经济的快速发展，人地矛盾日益加剧，建设用地的需求量逐年增加。如何协调耕地的利用与基础设施建设用地的需求，是摆在当前的一大难题，国土资发〔2014〕18号文件指出，要充分认识耕地保护的重要性，毫不动摇地坚守18亿亩耕地的保护红线[1]。农民异地或搬迁致使很多农村宅基地被闲置，导致土地资源的浪费。国土资源部出台的“城乡建设用地增减挂钩”就明确指出农村宅基地可作为解决建设用地紧张的重要途径。据统计，我国目前宅基地共有2亿亩，不同地区闲置的比例也有所差异[2]；文献[3-4]通过全国多地实地调研与资料分析发现，全国闲置宅基地比率在10%～15%左右。我国农村宅基地复垦始于20世纪50年代，众多学者专家在此方面进行了大量研究，文献[5]探讨了农村闲置宅基地与农房收储的制度构建，认为其制度构建应解决好制度规定、收储机构、收储资金、收储补偿、收储程序、监督检查等环节，尤其是注重收储后的再利用，才能推进闲置宅基地与农房收储的顺利进行；文献[6]利用文献研究法，检索了在中国学术期刊网络出版总库1990～2019a之间有关宅基地复垦发表的文献，结果表明我国村庄复垦研究主要分为村庄复垦过程与技术、村庄复垦评价和村庄复垦公共社会问题，认为未来农村复垦不仅需要开展基础理论和技术工艺研究，还要准确认识不同区域农村复垦土地的生产力差异机制及培肥措施；文献[7]以福建省晋江市为研究对象，探讨了经济发达地区宅基地有偿退出的运行机制、模式比较与路径优化，发现该处农村宅基地有偿退出模式主要包括资产置换、指标置换和货币补偿，并且针对当前工作面临的困境主要包括农户退出意愿低、基层治理体制效能较为不足、宅基地盘活利用难度大等，提出了以乡村振兴战略目标为导向，从功能拓展、乡村规划、分类推进、文化彰显、基层治理五个维度设计出宅基地退出的优化路径方法。

土壤耕性评价是土壤质量评价的重要指标，近年来在土地整理、复垦方面的研究也颇多，文献[8]以成都平原宅基地复垦土壤为研究对象，设置了8个处理对照组，选择了10个指标作为综合评价，研究表明秸秆、菌渣、猪粪3种农业废弃物与化肥配施处理下宅基地复垦土壤的物理性状得到改善，并且推荐高量菌渣还田为最优培肥方案;文献[9]探究了废弃宅基地复垦为杨树林地在不同管理措施下的土壤粒径分布，认为灌溉和施肥灌溉模式可使宅基地复垦为杨树林地的土壤质地得到较好的改善，并且土壤体积分形维数可作为土壤质地量变化的衡量指标。宅基地复垦虽说盘活了存量，增加了耕地面积，促进了土地资源的利用率，但受人类生活影响及闲置宅基地复垦方式的影响，宅基地部分复垦土壤中重金属存在超标现象，无法作为高标准或者正常耕地来使用。

目前我国在宅基地复垦方面的研究处于起步阶段，相关研究较少，且大多集中于复垦政策、管理模式和土地整治等方面，而在农村闲置宅基地复垦土壤重金属污染来源和安全利用分区考虑较少。对农村闲置宅基地复垦土壤重金属污染来源和安全利用分区进行研究，能够对复垦土壤重金属污染问题有一个综合的了解，对闲置宅基地复垦的合理利用、作物增产等研究有着重要的意义。综上，为促进我国农村闲置宅基地复垦工作精准实施，实现耕地占补平衡，拓展农业发展空间，加快新农村建设步伐，本试验以安徽省山区、山区-平原过渡带和平原地区典型农村闲置宅基地复垦土壤为研究对象，采用内梅罗综合污染指数法、潜在生态风险指数法以及多元统计分析法，分析不同地形地貌农村闲置宅基地复垦土壤重金属现状、污染来源，并提出土壤安全利用分区与管控策略，以期为科学指导农村闲置宅基地复垦工作提供技术支撑和实践参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于安徽省境内，属暖温带与亚热带过渡地区，四季分明，区内地形种类较多，涵盖平原、台地、丘陵和山地等。考虑不同地形地貌的农村闲置宅基地存在差异，为此本研究分别选取山区、山区-平原过渡带和平原3类不同的农村闲置宅基地复垦区域(见图1)。其中山区截至2019a 4月，全县自愿退出宅基地4万余户，腾退复垦宅基地4.7万亩，新增耕地面积3.8万亩。山区-平原过渡带城乡建设用地增减挂钩项目实施规模1.23万亩，其中已有24个批次验收，新增耕地0.86万亩。平原研究区截至2019a 4月，共验收了28个项目批次，新增耕地面积1.05万亩。

图1 研究区概况图

1.2 样品采集及数据获取

土壤样品主要来源于野外采集，不同区域其土壤类型有所不同，山区以壤土为主，平原区以砂土为主，山区-平原过度带以粘土为主。考虑到复垦闲置宅基地分布零散、单宗面积较小的特征，根据其地形地貌差异，及其复垦方向、工程措施不同，利用遥感，结合实地调研，遴选复垦技术较成熟，且复垦时长不低于1a的复垦地块，由南向北共布设10个点，其中山区3个、山区-平原4个、平原3个。土壤采集深度为0～20cm，为使所采集土壤样本能够充分代表所采邻近区域，采用5点采样法，以布设点为中心向周围再辐射4个分样点后进行混合然后将其均匀划分为4份，随机选取其中1份为最终的样本集。由于所采土壤样本要进行重金属含量测试，故在采样过程中均使用不锈钢制品，并且挑除石块、根茎等较大杂物。同时利用手持GPS设备精确获取采样点位置信息，并在标签上注明采样编号、地点、采样人员等详细信息。野外样本采集完成后将其带回室内，选择通风且无阳光直射的实验室，将样本均匀平铺在牛皮纸上以进行自然风干。

待土壤样品完全风干后，将其研磨并过2mm孔径尼龙网，按四分法随机选取其中1份作为最终测试样本。土壤pH值测定采用电位法，重金属Cd、Pb、Cr含量测定采用电感耦合等离子质谱法(XSeriesII、赛默飞世尔科技公司，德国)，Hg、As采用原子荧光光谱法(AFS-8220、北京吉天仪器有限公司、中国)，Ni、Zn采用火焰原子吸收分光光度法(PE900H、珀金埃尔默仪器有限公司、美国)。样本测试过程中严格按照国家相关标准和测试流程进行，减少误差，确保实验数据的准确性。

1.3 研究方法

1)内梅罗综合污染指数法 单因子污染指数法是通过评价标准对某一项指标进行单项评价的方法，其计算简便，可以清晰地判断出被评价指标与评价标准之间的比值关系，判断出主要污染因子及污染现状公式(1)。而公式(2)(内梅罗综合污染指数)集合了单因子污染指数法的优点，能够从整体角度评判研究区内土壤重金属的污染状况，并能够突出高含量污染元素对环境的影响[10]，其评价更加全面。

(1)

(2)

式中：Pi为复垦土壤中污染物i的环境质量指数；Ci为污染物i的实测浓度，Si为污染物i的评价标准，Piave和Pimax分别是平均单项污染指数和最大单项污染指数。

本文参照前人研究结果并结合研究区的实际情况[11]，将内梅罗综合污染指数划分为5个等级，依次为清洁(Pn≤0.7)、尚清洁(0.73)。

(3)

(4)

2 重金属污染评价与来源分析

2.1 闲置宅基地复垦土壤重金属含量特征

为获悉土壤样本的描述性统计特征，利用SPSS软件作如下分析(见表1)。

表1 土壤重金属描述性统计 mg·kg-1

从表1可以看出， 不同地形的农村闲置宅基地复垦土壤的重金属元素含量存在差异， 山区总体略高于山区-平原过渡带和平原， 以Zn、 Cr和Pb最为明显，其平均值分别为116、91.0和42.0mg/kg；山区-平原过渡带和平原区除Hg外，其他重金属元素平均值都较为接近，表明这两种地形其重金属分布具有一定相似性。不同地形复垦土壤中的大部分重金属均超出安徽省背景值，尤其山区更为明显，表明山区复垦土壤较其他两种地形来说重金属更易出现富集情况；此外Hg和As两种重金属，在3种地形中均超出当地背景值数倍，说明在宅基地复垦中以这两种重金属最为突出；以土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准作为参考值，除As外，不同地形复垦土壤中重金属元素浓度均未超过其参考值，均处于国家标准范围之内。变异系数(Coefficient of Variation，CV)反映出了数据的离散程度，一般认为CV在0%～15%内属于低变异，16%～35%内属于中变异，大于36%属于高变异[17]；山区、山区-平原过渡带和平原区其变异系数分别处于2.16%～52.4%，7.71%～31.9%和1.01%～21.7%，整体来说以低变异和中变异为主；其次山区变异系数要高于山区-平原过渡带和平原区，且Hg、Cr和Cd在不同地形中较其他重金属元素来说其变异系数程度高，表明在空间上分布不均，易受外界因素干扰。研究区复垦土壤为已种植农作物区域，为保护人体健康，应对Hg和As高富集情况进一步探究。

2.2 闲置宅基地复垦土壤重金属污染评价

为探究不同地形闲置宅基地复垦土壤中重金属的污染情况，采用内梅罗综合污染指数法和潜在生态风险指数法对复垦区土壤重金属进行综合评判，如图2所示。

图2 土壤重金属污染评价

从内梅罗综合污染指数法划分结果来看(见图2a)，除As元素外，其他重金属元素Pn值均小于1，属于清洁状态。As在3种地形中的Pn值分别为1.1、1.39和1.59，越往平原地带其Pn值越高，均属于轻度污染。这应当引起相关部门的重视并及时追溯问题来源，采取管控措施，避免后期对人体健康产生影响。

图2(b)为潜在生态风险指数法的划分结果，可以发现不同地形的潜在生态风险系数分布存在相似性。山区复垦土壤重金属元素的潜在生态风险系数由高到低依次为Hg>Cd>As>Pb>Ni>Cr>Zn，Hg处于极强生态风险水平，其余重金属元素均为轻微生态风险水平。山区-平原过渡带与平原区复垦土壤重金属潜在生态风险系数分布趋势相同，由高到低依次为Hg>As>Cd>Ni>Pb>Cr>Zn，Hg处于很强生态风险水平，As处于中等生态风险水平外，其余重金属元素均处于轻微生态风险水平。 从RI分级来看， 不同地形的RI指数系数均大于260，且山区>山区-平原>平原，处于很强生态危害水平，这是由于Hg的单项潜在生态风险系数较高所导致。若不考虑Hg元素，3种地形的RI值分别为18.96、15.74和14.99，数值远远小于轻微生态危害级别的最大极限。此外不同地形Hg元素的平均浓度与当地背景值的比例平均值约为6.42，表明Hg元素是研究区潜在生态风险因素的主要因子，是综合潜在生态风险系数的主导者。

2.3 闲置宅基地复垦土壤重金属溯源分析

土壤重金属来源的有效解析是重金属污染控制的基础，由于重金属在土壤系统中迁移转化过程复杂多样，且不同重金属传输路径不一，导致定量分析土壤中重金属来源存在较大困难。目前相关分析和主成分分析等方法能有效辨识土壤重金属自然和人为来源[18-19]，也可反映数据之间的关联，其带有的相互验证能提高源解析的客观性[20]。

1)复垦土壤重金属相关性分析 相关性分析指对多个变量元素进行分析，用来衡量变量因素之间的相关程度[21]。不同种类土壤重金属之间的相关性可以作为判别重金属是否具有共同来源的依据，通常认为有显著正相关关系的重金属具有相似的来源。为了解宅基地复垦土壤重金属源特征，利用R语言编程平台进行土壤重金属含量间的相关性分析并绘制相关系数图(见图3)。

图3显示研究区土壤重金属Pb-Zn、 Cr-Zn和Cr-Cd呈极显著正相关， 且相关系数分别达到0.92、 0.97和0.98；Cd-Zn和Cr-Pb为显著正相关，相关系数为0.91和0.83，表明Pb、Zn、Cr与Cd之间可能有相似的来源。As与其他几种金属元素之间相关性均不明显，推测As相比于其他元素来源或有不同。研究区为人类活动频繁的农村居民区，人类各项活动均会影响表层土壤重金属含量，各成分之间的关联及来源需进一步验证。

注：*表示0.05水平上显著相关；**表示0.01水平上极显著相关

2)复垦土壤重金属主成分分析 土壤重金属主要来源于成土母质和人为污染等因素[22]，其中人为污染输入主要通过大气沉降、污水灌溉等路径进入土壤，进而对土壤环境产生较大影响。主成分分析可有效判别土壤中重金属元素的来源[23]，为进一步探究农村闲置宅基地复垦土壤重金属来源，故对其开展主成分分析，结果如表2所示。

表2 土壤重金属元素主成分载荷

从表2中可知，当提取到2个主成分后，其累积贡献率为92.3%，表明这两个成分就可以有效解释7种重金属的信息。PC1主要反映了Zn、Cr、Pb和Cd的成分信息，载荷系数分别为0.99、0.97、0.88和0.94。相关研究表明汽车尾气排放、橡胶轮胎磨损、沥青或水泥路面磨损等是产生Cd的主要原因[24]，山区临近高铁连接线、新江路快速通道和东环路改造项目，受交通运输影响较大，因此认为Cd主要来源于交通运输排放；相关性分析结果显示Pb-Zn、Cr-Zn和Cr-Cd呈极显著正相关，表明Pb、Zn、Cr与Cd之间可能有相似的来源，因此认为Pb、Zn、Cr与交通运输排放有极大关系。PC2中Hg的载荷系数为0.96，表明PC2主要解释Hg的成分信息；上述潜在生态风险指数指出Hg处于极强生态风险水平，并且处于中等变异程度；山区-平原过渡带采集样点原先为农场，有研究表明Hg是饲料中的常用添加剂，家禽和牲畜的粪便以及人类生活产生的垃圾、污水、污泥中可能含有较高的重金属淋溶下渗至土壤中造成土壤Hg含量值较高[25]，研究区为农村宅基地复垦地块，长期受到人为活动影响，因此认为这是导致Hg含量较高的主要原因，同时也给Cr、Pb、Zn带来了一定的影响。As在PC1中的荷载系数为-0.83，这与上述重金属相关性分析结果类似，判断As与它们的来源可能不同。砷及其化合物具有毒性，常用于制作杀虫剂、消毒液、杀菌剂[26]，随着这些物品的使用，砷可以通过溶质运移及排水等途径流入到土壤中，另外有些砷化合物被用来制造油漆、墙纸和陶瓷等，尤其在这种宅基地特殊背景下，这些都是造成砷含量较高的主要原因。

3 复垦土壤安全利用分区

对复垦土壤进行安全利用分区能够有效示例预警程度，促进土壤改良和整治的步伐，对保护土地资源和确定土地利用方向有着重要意义。综合上述分析，结合内梅罗综合污染指数法和潜在生态风险指数法的评价标准，并参考前人研究[27-28]，制定本研究区闲置宅基地复垦土壤安全利用分区，如表3所示。

表3 安全利用分区划分标准

根据表3的划分方案，结合内梅罗综合污染指数和潜在生态风险指数评价结果，将研究区进行安全利用分区，如表4所示。从划分结果来看，研究区复垦土壤主要为低风险区(III级)和中风险区(IV级)；低风险区主要分布在山区以及临近山区的山区-平原过渡带，中风险区主要分布在平原以及临近平原的山区-平原过渡带。研究区安全利用分区的污染程度和风险等级呈现“两极分化”的状态。经分区统计分析和实地走访调研，对低风险区和中风险区进行了重点分析，发现研究区主要富集元素为重金属As、Hg和Cd，有研究显示As和Hg除了与上述分析的原因相关外，还与研究区域地形地貌、水文环境等自然背景有关[29]。

表4 闲置宅基地复垦安全利用分区与管控对策

研究区不同地形复垦土壤安全分区等级均较低，根据研究区安全利用分区等级的特征，结合不同分区内主要土壤重金属富集元素，因地制宜提出土地分区利用及合理化管控策略。对于山区中风险区应首先调节土壤pH值，及时进行土壤有效修复，关注交通干线运输产生的重金属污染， 加强管理与执法力度，防止汽车尾气乱排滥放造成污染加剧。平原低风险区复垦区域面积较广，且集中连片，应进行长期综合监控，包括监测农田灌溉用水质量、大气环境等； 推广先进的种植工艺、并严格把控化肥农药的投入使用，适度优化使该区域土地状态缓慢过渡至安全状态[30]。 山区-平原地形条件复杂不一， 对于靠近山区的中风险区应加强预警提示，及时采取措施， 进行土壤修复，靠近平原的低风险区应长期进行环境监测；复垦方向为水田的应尽量减少污水灌溉， 控制As集聚，并且关注农场禽畜粪便堆积产生的重金属Hg集聚情况， 防止风险升级。

4 结论

分析典型农村闲置宅基地不同地形复垦土壤重金属(Hg、Zn、As、Cr、Pb、Cd、Ni)的含量特征，采用内梅罗综合污染指数法、潜在生态风险指数法以及多元统计分析方法对土壤重金属元素进行了污染评价和溯源解析，并提出了安全利用分区和管控策略，得出如下主要结论：

(1)不同地形闲置宅基地复垦土壤重金属含量存在差异，其重金属含量与地势成正比，地势越高其重金属含量也相应较高。以研究区所在省份重金属背景值为标准值，大部分重金属均超过背景值，尤其是Hg和As两种重金属，在不同地形中均超过背景值数倍；以土壤环境质量农用地土壤污染风险筛选值为标准，不同地形复垦土壤中除As外，其他重金属元素均在国家标准范围之内；

(2)内梅罗综合污染指数结果显示，不同地形复垦土壤中As元素的Pn值均>1，存在轻微污染， 其污染指数从高到低依次为平原(Pn=1.59)>山区-平原(Pn=1.39)>山区(Pn=1.1)。潜在生态风险指数结果显示：首先，不同地形的潜在生态风险系数分布存在相似性，Hg均处于很强生态风险水平以上，山区-平原过渡带中As处于中等生态风险水平，其余重金属均处于轻微生态风险水平；其次，不同地形中RI值均在260以上，若不考虑Hg元素，3种地形RI值远远小于轻微生态危害级别的最大极限，表明Hg元素是综合潜在生态风险系数的主导因子；

(3)在研究区调研资料基础上，综合多元统计分析结果，研究区Zn、Cr、Pb和Cd含量受交通运输影响较大；Hg和As受人为活动影响较大，可能来源于人类活动产生的废水、废渣，以及禽畜产生的粪便堆积，渗至土壤中造成土壤污染；

(4)安全利用分析结果显示，研究区整体处于III级低风险区和IV级中风险区，应分别采取综合监控和预警防控措施，进行明晰污染主体、减少源头污染影响、优化农艺措施、进行土壤修复等不同层级的安全利用管控策略。

综上所述，本文所开展的研究可为农村闲置宅基地复垦技术提供理论依据和实践参考。但要指出的是，本文采用了多元统计方法并结合相关文献对重金属溯源进行了分析，由于受到相关条件限制还存在着一些不足之处，在下一步工作和未来的研究中将针对此问题进行更详细的剖析。