土地環境質量綜合評價模型的建立
——以山東半島藍色經濟區為例

代杰瑞，曾憲東，寧振國，祝德成，王紅晉，龐緒貴，喻超

(山東省地質調查院，山東 濟南 250013)

0 引言

土地環境質量綜合評價的目的是反映現今農業地質環境質量的總體狀況及其區域分布，為省市各級土地宏觀管理和規劃提供地球化學依據，為土地可持續利用服務[1]；同時，在調整農業種植結構、發展特色優質農產品、科學合理施肥及土壤污染治理等方面發揮指導作用[2]。因此，評價需綜合考慮農業地質環境的各種要素，包括地質背景、土壤地質、土壤地球化學、水地球化學、農產品安全適宜性以及氣候環境等等，通過多要素資料整合、信息挖掘與提取，揭示影響農業地質環境質量和農業生產的關鍵要素和指標因子。

根據國家《農用地分等規程》《農用地定級規程》和《農用地估價規程》等相關技術規程，縣市級農業和土地部門在土地質量評價方面做了許多工作，甚至進行過系統的等級劃分，但這些工作均沒有或很少考慮土地地球化學環境質量，未把反映土地內在質量的土壤地球化學指標和反映土地外在質量的水、農產品和大氣質量等列入評價體系。多目標區域地球化學調查取得的土壤、地下水、農產品等多介質、高質量基礎地球化學數據，使多要素結合進行的土地環境質量綜合評價得以實現。該文以山東半島藍色經濟區為例，提出土地環境質量綜合評價是土壤內部指標分等、外部指標定級，整合全部評價要素的新觀點；建立了土地環境質量綜合評價模型，評價方法及模型的建立對山東其他地區基本農田保護和土地質量等級劃分具有一定借鑒意義。

1 研究區概況

研究區位于山東省東部地區，涉及陸地面積近7.25×104km2，包括青島、東營、煙臺、濰坊、威海、日照、濱州等7市以及德州樂陵和慶云、淄博高青、臨沂莒南4縣。該區地勢為東部、南部地勢高，中部、北部地勢低，地貌以低山丘陵和微傾斜低平原為主，另有少部分中山和山前傾斜平原。低山丘陵標高200～400m，山前傾斜平原標高50～200m，全區最高峰嶗山標高1133m。研究區水系發育，河網縱橫，水庫星羅棋布，交通便利。

該區地處華北板塊和秦嶺-大別山板塊結合帶，山地丘陵區約占全區總面積的45%，廣泛發育有中元古代、新元古代和中新生代侵入巖，巖性主要為二長花崗巖、石英二長巖和花崗閃長巖,巖石風化殘積物多形成棕壤性土、酸性石質土和酸性粗骨土，局部地段發育有元古宙、中生代地層，巖性主要為砂巖和碎屑巖[3]。第四系覆蓋區約占全區總面積的55%，其最大覆蓋厚度達150m。第四系成因類型多種多樣，更新統以風成為主、殘坡—坡洪積次之，全新統則以沖積為主，風成、海相沉積次之，土壤主要為潮土、褐土和濱海鹽土[4，5]。

2 評價模型的建立

通過山東半島多目標區域地球化學調查，在了解土壤元素地球化學分布、分配情況的基礎上，進行評價指標的篩選，并利用層次分析法對指標權重賦值，對不同類型的指標建立隸屬函數模型并計算函數值，最后通過綜合參數計算實現土地環境質量的綜合評價。

2.1 評價指標的確定

2.2.1 土壤肥力指標的確定

土壤養分元素按含量高低可劃分為3類：①必需大量元素：N，P，K，有機質，S，Ca，Mg。②必需微量元素：Fe，Mn，Zn，Cu，B，Mo，Cl。③有益元素：Si，Co，Ni，Na。按第二次土壤普查標準和全國土壤背景值順序統計量的25%，50%，75%和90%的分級標準，單指標評價結果適宜區和豐富區占總評價區面積80%～90%的指標不參與評價，多元統計元素間相關系數較差的參與評價，以及利用半方差函數值，選擇相關距離(a)相對小的，C0/(C0+C)相對大的指標參與評價。最終確定參與綜合肥力評價的指標為：必需大量元素N，P，K，Ca，有機質；必需微量元素Mo，B，Mn，Zn；有益元素Co，Si。

2.2.2 土壤環境健康指標的確定

土壤環境健康指標主要是指對植物的生長發育和人體健康直接或間接有害的元素或指標，可分為：①pH。②環境指標：Cu，Zn，Cd，Hg，Pb，As，Cr，Ni。③健康指標：F，I，Se。④有機污染物指標：有機氯農藥類等。根據調查測試指標范圍，土壤環境健康指標將從前三項中進行篩選。健康指標對于作物生長具有雙閾值，因此，健康指標選擇土壤中Se，I和F含量異常(過高或過低)程度較大的元素；根據《土壤環境質量標準》(GB15618-1995)Cu和Zn在評價區90%的土壤屬一類土，故Cu，Zn歸并在肥力指標進行討論。確定土壤環境健康指標為：有害元素Cd，Hg，Ni；健康元素F，I，Se和pH。

2.2 層次分析與權重賦值

層次分析法是運用兩兩比較判斷的方式確定每一層次中因素的相對重要性，然后再遞階層次結構內進行合成以取得決策因素相對于目標的重要性的總順序，可以相對客觀的確定各指標的權重。運用yaahp4.01軟件對參評指標進行權重附值(表1)。

表1 綜合肥力指標權重賦值(Ci)結果

2.3 隸屬函數模型的建立

隸屬函數是用于表征模糊集合的數學工具，主要包括線性模型和非線性模型。根據評價工作的實用性和簡潔性原則，該研究以線性模型為基礎，采用峰值型、戒上型、戒下型模型(圖1)。

圖1 各種隸屬函數模型及隸屬值計算公式

圖1中U為評估指標的上限值；L為評估指標的下限值；O1和O2為評估指標的最優值，x為評估指標的測定值。

各類地球化學評估指標采用隸屬函數模型的原則為：①土壤pH、質地和土壤健康指標采用峰值型隸屬度函數模型。②土壤N,P,K,B,Mo,Mn等有益元素采用戒上型隸屬度函數模型。③土壤As,Cd,Hg,Pb等有害元素采用戒下型隸屬度函數模型。

利用SPSS軟件進行統計各參評指標，對于不服從正態或對數正態分布的數據，進行平均值±3倍離差剔除異常數據，直至服從正態分布或對數正態分布。對服從正態分布或對數正態分布的數據，按照20%(L)，40%(O1)，60%(O2)，80%(U)的累積頻率值將各評估指標進行分級，各隸屬函數的界限值，隸屬函數界限值與分級標準對應關系見表2。

表2 分級與隸屬函數界限值對應表

2.4 等級劃分

依據前述指標篩選、權重閾值結果和隸屬度函數值計算模型，采用加法模型，對各評價指標的實測值進行權重和隸屬度計算，獲得土壤肥力綜合指數。

P=∑fi×Ci(i=1，2，3，4……n)

式中：P為綜合指數；fi為第i個評價指標的隸屬函數值；Ci為第i個評價指標的權重。

土地環境質量綜合分區按“等”和“級”劃分。分等是在土壤環境健康質量與肥力質量綜合劃分的結果。采用表3所示的分等疊加方案，共分為5等，即優質、優良、良好、中等和差等，評價圖斑用不同顏色色塊表示。在土地環境質量分等的基礎上，疊加區域水環境質量和植物(重點采樣作物為小麥)生態效應指數，建立土地環境質量綜合分等定級體系。

每個評估單元環境質量綜合等級用3位數字表示。農業地質環境質量分等按從優質到差等分別以數字1，2，3，4，5表示，放在評價指標代碼的第一位。將水質量評價指標放在評價指標代碼的第二位，“不超標”用數字“1”表示，有一項“超標”用數字“2”表示。植物(小麥)生態效應評價指數放在第三位，“不超標”用數字“1”表示，“超標”則用數字“2”表示。這樣就可將土地環境質量分為5等20級(表4)。通過這樣的方式對土地環境質量分等定級，可以直觀地反映土地內部和外部環境質量狀況以及產生的生態效應。評價結果建立數據庫和信息系統后，能夠方地進行查詢，對于土地規劃利用、土地生態管護具有較強的實用性。

表3 土地環境質量分等疊加方案

表4 土地環境質量綜合等級定級方案及代碼(5等20級)

3 土地環境質量綜合評價結果

根據上述土地質量綜合評價方法及模型，山東半島土地質量綜合評價結果見表5和圖2。

表5 山東半島土地環境質量綜合評價結果

圖2 山東半島藍色經濟區土地質量綜合評價圖

從表1中可以看出，可作綠色食品生產基地的111級和121級土地面積共1938.69km2，占3.65%，分布在莒縣—昌邑、萊西—即墨以及臨朐和煙臺北部。因土壤酸化、灌溉水超標造成植物超標的112級土地面積34.90km2，僅占0.07%，分布在煙臺市區，加強管護也可作綠色食品生產基地。

可作無公害食品生產基地的211級和221級土地分布面積最大，達31255.72km2，占58.95%，主要分布在膠萊盆地和各市局部地段；212和222級土地面積1620.75km2，占3.06%，主要分布在安丘西南和沂水，這部分土地加強管護也可作無公害食品生產基地。

目前尚可作為耕地使用的311和321級土地，面積8084.38km2，占15.24%，分布在昌邑市北部、青島市西南、平度以及牟平—乳山一帶；312和322級土地面積162.85km2，占0.31%，分布在昌邑、乳山北部及煙臺市，這部分土地加強管護也可作耕地使用。

411和421級土地面積5300.41km2，占10%，目前種植的農產品尚不超標；412，422級土地面積3136.82km2，占5.92%。四等土地土壤顯酸性、土壤重金屬及灌溉水局部超標，局部農產品重金屬超標，主要分布在煙臺市、威海市東部、臨朐—沂水以及日照市局部。

511和521級土地面積1217.50km2，占2.30%，目前種植的農產品尚不超標；512，522級土地面積267.54km2，占0.50%，多位于各類礦區(金礦、石墨礦、銅鐵礦)周邊或緊鄰城鎮地帶，土壤顯酸性、重金屬嚴重超標，農產品超標可能性極大；昌邑北部5等土地土壤為強堿性，灌溉水嚴重超標，營養元素含量極低，不宜種植農作物。

4 結語

(1)做好土地環境質量綜合評價是土地分等定級的基礎，只有在系統查明與土地質量有關的所有影響因素前提下，整合全部環境要素，合理篩選評價因子，正確賦權評價，建立評價指標體系，才能客觀真實地反映土地的內在質量和利用價值。

(2)該文首次采用相關系數、半方差函數、層次分析和隸屬度函數建立了土地質量綜合評價模型，用該模型對山東半島藍色經濟區土地環境質量進行綜合評價，結果表明：區內土地大部分面積為優良等級以上，土地質量總體較好，其中可作綠色及無公害食品生產基地的土地占62.60%；需農業種植結構調整的土地面積267.54km2。該項成果為經濟區土地利用規劃、科學施肥及土地污染治理等方面提供了科學依據。

(3)土地環境質量綜合評價除了考慮土地內在的土壤因素外，還需考慮研究大氣、水、農作物等外在影響因素。該次建立的土地綜合環境質量評價模型可以克服以往評價中存在的“評價要素難以整合和評價結果不理想”的兩大難題，使評價更符合實際和更具應用價值。未來還將繼續開展有大氣參與的土地質量綜合評價的研究，完善相關成果。

致謝：土地環境質量綜合評價方法及模型的建立是“山東省東部地區農業生態地球化學調查” (2006709)的主要研究內容之一，是項目成員集體智慧的結晶，直接參加該項目具體工作的還有王增輝、趙西強、王存龍、季順樂、張華平、戰金成等同志，在此一并表示感謝！

參考文獻:

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