礦區(qū)耕地健康狀況評(píng)價(jià)研究

南錫康，張紅麗，時(shí) 晨

(中國自然資源經(jīng)濟(jì)研究院，北京 101149)

經(jīng)濟(jì)發(fā)展離不開礦產(chǎn)資源供給，但礦產(chǎn)資源開采往往會(huì)給當(dāng)?shù)刈匀毁Y源環(huán)境造成土地破壞、動(dòng)植物減少、生態(tài)失衡等多種不良影響，特別是開采過程中工礦用地和廢棄地增加，農(nóng)用地減少，影響當(dāng)?shù)赝恋乩妙愋徒Y(jié)構(gòu)。耕地作為糧食生產(chǎn)和蔬菜供給的重要基礎(chǔ)資源，關(guān)乎食品安全和人民健康，礦區(qū)耕地極易受到采礦活動(dòng)的破壞和污染，其物理化學(xué)性質(zhì)和清潔程度影響其產(chǎn)出的農(nóng)作物是否可食用和交易，礦區(qū)耕地健康狀況評(píng)價(jià)對(duì)于當(dāng)?shù)刭Y源合理利用和食物安全供給具有重要意義。

1 礦區(qū)耕地特征分析

礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)改變地質(zhì)結(jié)構(gòu)，往往破壞礦區(qū)耕地的土體構(gòu)型，增加土壤污染物含量，改變土壤微生物的種類和數(shù)量，影響農(nóng)田動(dòng)物的活動(dòng)軌跡，給耕地的農(nóng)作物生產(chǎn)功能和生態(tài)服務(wù)功能的正常運(yùn)行帶來一系列負(fù)面效應(yīng)，主要體現(xiàn)在土壤質(zhì)量、利用條件和土壤生態(tài)狀況三方面。

1.1 土壤質(zhì)量

1) 剖面構(gòu)型。礦產(chǎn)開采造成的地表塌陷、裂縫改變礦區(qū)耕地土壤的正常發(fā)育過程[1]，地表塌陷直接破壞土壤自然構(gòu)造，塌陷過程中夾雜的碎石等障礙物易使土體構(gòu)型由易于耕作的均質(zhì)質(zhì)地剖面轉(zhuǎn)變?yōu)殡y以利用的復(fù)雜構(gòu)型，地表裂縫易使得土壤粉黏粒在徑流攜帶下沿著縫隙流失，形成不良剖面[2]。

2) 表土質(zhì)地。王健等[3]研究發(fā)現(xiàn)塌陷區(qū)地表10 cm土層物理性黏粒含量明顯減少。地表塌陷和裂縫在改變土體構(gòu)型的過程中，造成土壤表層和底層的不同變化，表層土壤往往表現(xiàn)為細(xì)小顆粒流失，砂粒含量增加，表土質(zhì)地往往從壤土變?yōu)樯巴痢?/p>

表1 礦區(qū)耕地健康狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)遴選結(jié)果Table 1 Selection results of evaluation indexes forcultivated land health status in mining area

3) 土壤容重。土壤容重影響土壤營養(yǎng)物質(zhì)交換運(yùn)輸能力和透水透氣能力，受坡度、徑流等綜合作用影響，塌陷區(qū)土壤中的黏粒物質(zhì)通常向下流動(dòng)，土壤容重自上坡到塌陷中心逐漸加大，土壤孔隙度也相應(yīng)變化[4]。

4) 土壤含水率。嚴(yán)重的地表沉陷造成的積水使耕地喪失原有的生產(chǎn)力，一般性地表塌陷影響土壤水分垂直運(yùn)動(dòng)，整體上破壞了小區(qū)域土壤持水能力，上坡土壤含水率較低而沉陷中心含水率較高[4]，但季節(jié)性變化較小[5]。

5) 土壤pH值。采礦活動(dòng)會(huì)引起礦區(qū)土壤中重金屬陽離子和氫離子在不同層次呈不均勻分布，進(jìn)而影響土壤pH值的大小。郭巍等[6]研究發(fā)展撫順西露天煤礦采場土壤pH值不穩(wěn)定，且對(duì)外來酸堿沖擊的適應(yīng)能力較差；谷雨等[7]通過采樣測度發(fā)現(xiàn)錫盟鐵鋅礦區(qū)土壤pH值和重金屬含量在縱向上呈低-高-低規(guī)律分布。

1.2 利用條件

1) 灌排條件。礦產(chǎn)資源開采時(shí)地表和巖層的移動(dòng)與變形極易破壞耕地的灌溉和排水渠道，開采引起的地表坡度和地下水位變化往往干擾耕地原有灌溉和排水設(shè)施的正常使用，且開采活動(dòng)產(chǎn)生的廢水、廢渣易導(dǎo)致當(dāng)?shù)毓喔人|(zhì)量下降，礦區(qū)耕地的灌溉保證率通常較低，排水條件也往往不佳。

2) 坡度。大范圍的地表下沉形成坡地景觀，下沉盆地邊緣土地存在一定坡度。在下沉作用尚未完成、最大下沉量尚未達(dá)到時(shí)，所有下沉區(qū)域均為坡地，極易發(fā)生土壤養(yǎng)分流失[4]。

3) 田塊規(guī)整度。下沉盆地外邊緣區(qū)形成的裂縫破壞了耕地的平整性和原有地塊形狀，裂縫的動(dòng)態(tài)變化引起地表變形，影響地表的耕作利用活動(dòng)，較大裂縫使耕地難以進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)，影響耕作穩(wěn)定性。

1.3 土壤生態(tài)狀況

1) 土壤微生物量和土壤酶活性。有學(xué)者[8-9]研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物和土壤酶活性對(duì)其生態(tài)服務(wù)功能的顯化具有重要作用，適宜溫度下土壤微生物群落對(duì)有機(jī)碳分解的轉(zhuǎn)化具有較強(qiáng)促進(jìn)作用。采礦區(qū)土層破壞擾亂土壤微生物群落的正常運(yùn)作，采礦帶來的土地覆被類型變化、地縫、土壤pH值變化等影響土壤酶活性的大小。張振佳等[10]研究發(fā)現(xiàn)礦區(qū)土壤微生物及酶活性可良好反映土地復(fù)墾后土壤生態(tài)狀況。

2) 土壤重金屬污染程度。重金屬污染脅迫是影響土壤健康狀況的主要因素之一，關(guān)乎耕地健康產(chǎn)能。含鎘、鋅、鉛的硫化物礦床在開發(fā)過程中產(chǎn)生富含有害重金屬元素的酸性廢水，危害土壤環(huán)境和水環(huán)境[11]，礦山固體廢棄物若未能得到及時(shí)妥善處理，經(jīng)雨水沖刷作用，重金屬元素常以水為介質(zhì)進(jìn)入采礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 指標(biāo)遴選

礦區(qū)耕地健康狀況評(píng)價(jià)需參考已有耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和自然資源部分別對(duì)此發(fā)布了多項(xiàng)規(guī)程，針對(duì)不同管理需求分別有不同側(cè)重(圖1)?！掇r(nóng)用地分等規(guī)程》從光溫氣候、自然質(zhì)量、成本與產(chǎn)出等方面評(píng)價(jià)農(nóng)用地等別，評(píng)價(jià)時(shí)選取的參評(píng)因素較為簡潔，評(píng)價(jià)結(jié)果全國可比；《農(nóng)用地定級(jí)規(guī)程》考慮的參評(píng)因素較為全面，評(píng)價(jià)指標(biāo)多，評(píng)價(jià)過程復(fù)雜，實(shí)用性不佳；《全國耕地類型區(qū)、耕地地力等級(jí)劃分》和《耕地質(zhì)量等級(jí)》側(cè)重土地的自然本底質(zhì)量和土壤肥力保育，服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》評(píng)價(jià)因素側(cè)重元素分析，主要考慮土壤養(yǎng)分和清潔程度指標(biāo)，以地球化學(xué)成分的定量化評(píng)價(jià)為主；《第三次全國國土調(diào)查耕地資源質(zhì)量分類工作方案》以耕地資源分類保護(hù)為目的，側(cè)重不同耕地資源條件及其組合，為耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”提供支撐。

圖1 耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)因素Fig.1 Relevant standards and evaluation factors of cultivated land quality evaluation

綜合考慮礦區(qū)耕地特征和現(xiàn)有評(píng)價(jià)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)，綜合分析耕地健康狀況參評(píng)因素的重要性和可替代性，建議礦區(qū)耕地健康狀況評(píng)價(jià)從土壤質(zhì)量、利用條件和土壤生態(tài)狀況三方面進(jìn)行。土壤質(zhì)量方面，須在考慮礦區(qū)耕地易發(fā)生改變的剖面構(gòu)型、表土質(zhì)地、土壤容重、土壤含水率、土壤pH值等指標(biāo)的基礎(chǔ)上，選取土壤有機(jī)質(zhì)含量、有效土層厚度等指標(biāo)綜合反映耕地自然本底狀況；利用條件方面，建議選取灌排條件、坡度、田塊規(guī)整度等指標(biāo)；土壤生態(tài)狀況方面，建議選取土壤微生物量、土壤酶活性、土壤重金屬污染程度等指標(biāo)[12-15]。由于土壤容重與土壤孔隙度、土壤有機(jī)質(zhì)含量與全氮、土體構(gòu)型與有效土層厚度、表土質(zhì)地與土壤保水能力具有較強(qiáng)相關(guān)性，暫不重復(fù)選取；土壤養(yǎng)分含量指標(biāo)在采礦過程中雖有變化，但對(duì)耕地健康狀況影響不大，障礙層距地表深度在剖面構(gòu)型指標(biāo)中已有體現(xiàn)，暫不建議選取。

2.2 指標(biāo)分級(jí)

土壤質(zhì)量方面，各項(xiàng)指標(biāo)可參考已有規(guī)程按常規(guī)方法進(jìn)行分級(jí)賦分，指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參考值見表2。利用條件方面，灌排條件需根據(jù)當(dāng)?shù)毓嗯旁O(shè)施完備度和使用成效進(jìn)行定性評(píng)價(jià)；田塊規(guī)整度需計(jì)算形狀指數(shù)，分別取田塊四分之一周長和田塊面積的對(duì)數(shù)，其比值的兩倍為田塊規(guī)整度。土壤生態(tài)方面，土壤微生物量和土壤酶活性需與原地貌土壤樣品進(jìn)行對(duì)比，不同土層通常顯示不同的分布特征，土壤微生物量可用各類微生物數(shù)量均值進(jìn)行比較，土壤酶活性可選取蔗糖酶、脲酶和磷酸酶進(jìn)行比較[10]，明顯高于原地貌的地塊土壤生態(tài)狀況良好，明顯低于原地貌的地塊土壤生態(tài)狀況不佳；土壤重金屬污染程度一般實(shí)地采樣化驗(yàn)后插值，根據(jù)土壤中汞、鎘、鉛、鉻、類金屬砷五項(xiàng)重金屬含量確定污染等級(jí)。

表2 指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參考值Table 2 Reference value of index classification standard

3 評(píng)價(jià)方法與步驟

3.1 評(píng)價(jià)方法

常見的土地評(píng)價(jià)方法主要為歸類法和參數(shù)法。歸類法通過定性評(píng)價(jià)將評(píng)價(jià)單元?dú)w納為幾個(gè)不同的類別，如美國土地潛力分類、FAO的土地適宜性分類，評(píng)價(jià)結(jié)果可良好體現(xiàn)限制因素和優(yōu)勢條件，易于理解，但評(píng)價(jià)過程中主觀性強(qiáng)，適于大尺度評(píng)價(jià)；參數(shù)法通過加和、乘積等數(shù)學(xué)運(yùn)算開展定量評(píng)價(jià)，如我國農(nóng)用地分等，評(píng)價(jià)結(jié)果較為客觀，適于小尺度評(píng)價(jià)。礦區(qū)耕地健康狀況評(píng)價(jià)通常針對(duì)某一礦區(qū)進(jìn)行小尺度評(píng)價(jià)，參數(shù)法實(shí)用性強(qiáng)。

3.2 評(píng)價(jià)步驟

數(shù)據(jù)收集完備后，主要評(píng)價(jià)步驟如下所述。第一，確定評(píng)價(jià)單元。根據(jù)獲取數(shù)據(jù)情況確定評(píng)價(jià)單元，已收集“第二次全國國土調(diào)查”“第三次全國國土調(diào)查”數(shù)據(jù)的情況下一般采用地塊法，此外還有網(wǎng)格法、多邊形法等。第二，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和權(quán)重。指標(biāo)體系須呼應(yīng)礦區(qū)耕地健康狀況評(píng)價(jià)目標(biāo)和原則，指標(biāo)盡可能簡潔，指標(biāo)數(shù)據(jù)盡可能易獲取、易量化，權(quán)重的確定通常采用專家打分法和層次分析法。第三，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。一般采用百分制對(duì)指標(biāo)不同級(jí)別賦分，分?jǐn)?shù)越高對(duì)應(yīng)屬性越好。第四，選取部分評(píng)價(jià)單元開展試評(píng)價(jià)。計(jì)算耕地健康狀況綜合指數(shù)，綜合指數(shù)分級(jí)通常采用自然斷點(diǎn)法、等間距法、分位數(shù)法、標(biāo)準(zhǔn)差法等方法進(jìn)行分級(jí)。土壤質(zhì)量、利用條件、土壤生態(tài)單項(xiàng)分析更有利于問題識(shí)別，可應(yīng)用自然斷點(diǎn)法做單項(xiàng)分級(jí)和綜合指數(shù)分級(jí)。試評(píng)價(jià)時(shí)結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)、實(shí)地走訪調(diào)研情況判斷試評(píng)價(jià)單元評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性，必要時(shí)可分析試評(píng)價(jià)與原有其他評(píng)價(jià)的差異。最后，科學(xué)論證試評(píng)價(jià)結(jié)果后，開展整體評(píng)價(jià)。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果應(yīng)用方向

4.1 明確地塊利用條件

礦區(qū)耕地健康狀況評(píng)價(jià)結(jié)果可量化識(shí)別礦產(chǎn)資源開發(fā)對(duì)耕地生產(chǎn)功能、生態(tài)功能的影響。生產(chǎn)功能方面，可分析土壤質(zhì)量、耕作利用條件對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的支撐力度，摸清耕地質(zhì)量等級(jí)變化情況，為配方施肥、土壤保良提供參考。生態(tài)功能方面，可辨別礦山開采引發(fā)的土壤重金屬污染、小區(qū)域土壤侵蝕對(duì)耕作活動(dòng)的物理化學(xué)障礙，根據(jù)污染、侵蝕等脅迫作用的大小判定地塊是否具有可持續(xù)利用價(jià)值，是否可經(jīng)過土地復(fù)墾實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)，以及選擇何種土地管理和整治改良方案。

4.2 明確地塊利用方式

礦區(qū)耕地受礦山開采活動(dòng)影響，其生態(tài)適宜性發(fā)生改變，可依據(jù)其健康狀況評(píng)價(jià)結(jié)果制定安全利用方案。如在相同的酸堿度環(huán)境中，鎘、鉛、鉻元素在水田中的污染篩選值大于其他土地利用類型污染篩選值，汞、砷元素在水田中的污染篩選值則小于其他土地利用類型，銅元素在果園中的污染篩選值大于其他土地利用類型污染篩選值。在對(duì)礦區(qū)耕地健康狀況評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，結(jié)合農(nóng)用地安全利用標(biāo)準(zhǔn)，可部署受污染旱地與水田、受污染耕地與園地、受污染農(nóng)用地與非農(nóng)用地之間的地類轉(zhuǎn)換[16]。此外，還可根據(jù)不同作物生長過程中對(duì)污染元素的富集程度，確定作物種植類型。

4.3 制定土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)方案

通過礦區(qū)耕地健康狀況評(píng)價(jià)，可明晰土壤退化類型和利用條件短板，明確整治修復(fù)的空間范圍與工程內(nèi)容。根據(jù)評(píng)價(jià)單元的各項(xiàng)指標(biāo)分值及耕地健康狀況等級(jí)，明確評(píng)價(jià)單元存在的問題，整合形成土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)工作區(qū)。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果中土壤化學(xué)退化情況，設(shè)置養(yǎng)分與有機(jī)質(zhì)補(bǔ)充、土壤重金屬污染治理方案；根據(jù)土壤物理退化情況，部署表土回填、地面平整、灌排設(shè)施修繕等應(yīng)對(duì)方案；根據(jù)土壤生物活動(dòng)退化類型，結(jié)合微生物生長繁殖所需的物理化學(xué)環(huán)境，制定當(dāng)?shù)匚⑸锶郝浠謴?fù)方案。

5 討 論

較一般耕地而言，礦區(qū)耕地在土體構(gòu)型、表土質(zhì)地、土壤容重、土壤含水率、土壤pH值、灌排條件、坡度、田塊規(guī)整度、土壤微生物量和土壤酶活性、土壤重金屬污染程度等方面受礦山開采影響較大。礦區(qū)耕地健康狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)可從土壤質(zhì)量、利用條件和土壤生態(tài)狀況等方面選取，評(píng)價(jià)方法上，參數(shù)法適用性強(qiáng)，可采用百分制對(duì)指標(biāo)不同級(jí)別賦分，選取部分評(píng)價(jià)單元開展試評(píng)價(jià)，科學(xué)論證試評(píng)價(jià)結(jié)果后開展整體評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果應(yīng)用方向包括明確地塊利用條件及利用方式，制定土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)方案等。由于礦山耕地健康狀況評(píng)價(jià)多為項(xiàng)目尺度，評(píng)價(jià)范圍較小，建議選取可定量化的土壤微生物量和土壤酶活性來表征耕地生物狀況，未采用生物多樣性這一指標(biāo)。生物多樣性可反映農(nóng)田動(dòng)植物種類豐度，但精確測度較難，定性評(píng)價(jià)又容易出現(xiàn)誤差，反映農(nóng)田生態(tài)環(huán)境狀況的綜合性指標(biāo)有待進(jìn)一步探索。此外，礦區(qū)耕地的自然本底、利用方式和生態(tài)狀況復(fù)雜多樣，以上研究內(nèi)容僅作為基礎(chǔ)性理論研究，可作為礦區(qū)耕地健康狀況評(píng)價(jià)的總體思路參考，在針對(duì)某類礦區(qū)或某一礦區(qū)的耕地健康狀況進(jìn)行具體評(píng)價(jià)時(shí)，需在此基礎(chǔ)上添加其他指標(biāo)作具體分析，部分指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)或需作相應(yīng)調(diào)整。