礦區耕地健康狀況評價研究

南錫康，張紅麗，時 晨

(中國自然資源經濟研究院，北京 101149)

經濟發展離不開礦產資源供給，但礦產資源開采往往會給當地自然資源環境造成土地破壞、動植物減少、生態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，農用地減少，影響當地土地利用類型結構。耕地作為糧食生產和蔬菜供給的重要基礎資源，關乎食品安全和人民健康，礦區耕地極易受到采礦活動的破壞和污染，其物理化學性質和清潔程度影響其產出的農作物是否可食用和交易，礦區耕地健康狀況評價對于當地資源合理利用和食物安全供給具有重要意義。

1 礦區耕地特征分析

礦產資源開采活動改變地質結構，往往破壞礦區耕地的土體構型，增加土壤污染物含量，改變土壤微生物的種類和數量，影響農田動物的活動軌跡，給耕地的農作物生產功能和生態服務功能的正常運行帶來一系列負面效應，主要體現在土壤質量、利用條件和土壤生態狀況三方面。

1.1 土壤質量

1) 剖面構型。礦產開采造成的地表塌陷、裂縫改變礦區耕地土壤的正常發育過程[1]，地表塌陷直接破壞土壤自然構造，塌陷過程中夾雜的碎石等障礙物易使土體構型由易于耕作的均質質地剖面轉變為難以利用的復雜構型，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) 表土質地。王健等[3]研究發現塌陷區地表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，表層土壤往往表現為細小顆粒流失，砂粒含量增加，表土質地往往從壤土變為砂土。

表1 礦區耕地健康狀況評價指標遴選結果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物質交換運輸能力和透水透氣能力，受坡度、徑流等綜合作用影響，塌陷區土壤中的黏粒物質通常向下流動，土壤容重自上坡到塌陷中心逐漸加大，土壤孔隙度也相應變化[4]。

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

5) 土壤pH值。采礦活動會引起礦區土壤中重金屬陽離子和氫離子在不同層次呈不均勻分布，進而影響土壤pH值的大小。郭巍等[6]研究發展撫順西露天煤礦采場土壤pH值不穩定，且對外來酸堿沖擊的適應能力較差；谷雨等[7]通過采樣測度發現錫盟鐵鋅礦區土壤pH值和重金屬含量在縱向上呈低-高-低規律分布。

1.2 利用條件

1) 灌排條件。礦產資源開采時地表和巖層的移動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施的正常使用，且開采活動產生的廢水、廢渣易導致當地灌溉水質量下降，礦區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、最大下沉量尚未達到時，所有下沉區域均為坡地，極易發生土壤養分流失[4]。

3) 田塊規整度。下沉盆地外邊緣區形成的裂縫破壞了耕地的平整性和原有地塊形狀，裂縫的動態變化引起地表變形，影響地表的耕作利用活動，較大裂縫使耕地難以進行機械化作業，影響耕作穩定性。

1.3 土壤生態狀況

1) 土壤微生物量和土壤酶活性。有學者[8-9]研究發現土壤微生物和土壤酶活性對其生態服務功能的顯化具有重要作用，適宜溫度下土壤微生物群落對有機碳分解的轉化具有較強促進作用。采礦區土層破壞擾亂土壤微生物群落的正常運作，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]研究發現礦區土壤微生物及酶活性可良好反映土地復墾后土壤生態狀況。

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，關乎耕地健康產能。含鎘、鋅、鉛的硫化物礦床在開發過程中產生富含有害重金屬元素的酸性廢水，危害土壤環境和水環境[11]，礦山固體廢棄物若未能得到及時妥善處理，經雨水沖刷作用，重金屬元素常以水為介質進入采礦區周邊農田土壤。

2 評價指標體系構建

2.1 指標遴選

礦區耕地健康狀況評價需參考已有耕地質量評價標準與規范，農業農村部和自然資源部分別對此發布了多項規程，針對不同管理需求分別有不同側重(圖1)。《農用地分等規程》從光溫氣候、自然質量、成本與產出等方面評價農用地等別，評價時選取的參評因素較為簡潔，評價結果全國可比；《農用地定級規程》考慮的參評因素較為全面，評價指標多，評價過程復雜，實用性不佳；《全國耕地類型區、耕地地力等級劃分》和《耕地質量等級》側重土地的自然本底質量和土壤肥力保育，服務農業生產；《土地質量地球化學評價規范》評價因素側重元素分析，主要考慮土壤養分和清潔程度指標，以地球化學成分的定量化評價為主；《第三次全國國土調查耕地資源質量分類工作方案》以耕地資源分類保護為目的，側重不同耕地資源條件及其組合，為耕地數量、質量、生態“三位一體”提供支撐。

圖1 耕地質量評價相關標準及評價因素Fig.1 Relevant standards and evaluation factors of cultivated land quality evaluation

綜合考慮礦區耕地特征和現有評價規程標準，綜合分析耕地健康狀況參評因素的重要性和可替代性，建議礦區耕地健康狀況評價從土壤質量、利用條件和土壤生態狀況三方面進行。土壤質量方面，須在考慮礦區耕地易發生改變的剖面構型、表土質地、土壤容重、土壤含水率、土壤pH值等指標的基礎上，選取土壤有機質含量、有效土層厚度等指標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、田塊規整度等指標；土壤生態狀況方面，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[12-15]。由于土壤容重與土壤孔隙度、土壤有機質含量與全氮、土體構型與有效土層厚度、表土質地與土壤保水能力具有較強相關性，暫不重復選取；土壤養分含量指標在采礦過程中雖有變化，但對耕地健康狀況影響不大，障礙層距地表深度在剖面構型指標中已有體現，暫不建議選取。

2.2 指標分級

土壤質量方面，各項指標可參考已有規程按常規方法進行分級賦分，指標分級標準參考值見表2。利用條件方面，灌排條件需根據當地灌排設施完備度和使用成效進行定性評價；田塊規整度需計算形狀指數，分別取田塊四分之一周長和田塊面積的對數，其比值的兩倍為田塊規整度。土壤生態方面，土壤微生物量和土壤酶活性需與原地貌土壤樣品進行對比，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量均值進行比較，土壤酶活性可選取蔗糖酶、脲酶和磷酸酶進行比較[10]，明顯高于原地貌的地塊土壤生態狀況良好，明顯低于原地貌的地塊土壤生態狀況不佳；土壤重金屬污染程度一般實地采樣化驗后插值，根據土壤中汞、鎘、鉛、鉻、類金屬砷五項重金屬含量確定污染等級。

表2 指標分級標準參考值Table 2 Reference value of index classification standard

3 評價方法與步驟

3.1 評價方法

常見的土地評價方法主要為歸類法和參數法。歸類法通過定性評價將評價單元歸納為幾個不同的類別，如美國土地潛力分類、FAO的土地適宜性分類，評價結果可良好體現限制因素和優勢條件，易于理解，但評價過程中主觀性強，適于大尺度評價；參數法通過加和、乘積等數學運算開展定量評價，如我國農用地分等，評價結果較為客觀，適于小尺度評價。礦區耕地健康狀況評價通常針對某一礦區進行小尺度評價，參數法實用性強。

3.2 評價步驟

數據收集完備后，主要評價步驟如下所述。第一，確定評價單元。根據獲取數據情況確定評價單元，已收集“第二次全國國土調查”“第三次全國國土調查”數據的情況下一般采用地塊法，此外還有網格法、多邊形法等。第二，確定評價指標體系和權重。指標體系須呼應礦區耕地健康狀況評價目標和原則，指標盡可能簡潔，指標數據盡可能易獲取、易量化，權重的確定通常采用專家打分法和層次分析法。第三，確定評價指標分級標準。一般采用百分制對指標不同級別賦分，分數越高對應屬性越好。第四，選取部分評價單元開展試評價。計算耕地健康狀況綜合指數，綜合指數分級通常采用自然斷點法、等間距法、分位數法、標準差法等方法進行分級。土壤質量、利用條件、土壤生態單項分析更有利于問題識別，可應用自然斷點法做單項分級和綜合指數分級。試評價時結合專家經驗、實地走訪調研情況判斷試評價單元評價結果的科學性，必要時可分析試評價與原有其他評價的差異。最后，科學論證試評價結果后，開展整體評價。

4 評價結果應用方向

4.1 明確地塊利用條件

礦區耕地健康狀況評價結果可量化識別礦產資源開發對耕地生產功能、生態功能的影響。生產功能方面，可分析土壤質量、耕作利用條件對農業生產活動的支撐力度，摸清耕地質量等級變化情況，為配方施肥、土壤保良提供參考。生態功能方面，可辨別礦山開采引發的土壤重金屬污染、小區域土壤侵蝕對耕作活動的物理化學障礙，根據污染、侵蝕等脅迫作用的大小判定地塊是否具有可持續利用價值，是否可經過土地復墾實現生態修復，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

礦區耕地受礦山開采活動影響，其生態適宜性發生改變，可依據其健康狀況評價結果制定安全利用方案。如在相同的酸堿度環境中，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。在對礦區耕地健康狀況評價基礎上，結合農用地安全利用標準，可部署受污染旱地與水田、受污染耕地與園地、受污染農用地與非農用地之間的地類轉換[16]。此外，還可根據不同作物生長過程中對污染元素的富集程度，確定作物種植類型。

4.3 制定土地復墾與生態修復方案

通過礦區耕地健康狀況評價，可明晰土壤退化類型和利用條件短板，明確整治修復的空間范圍與工程內容。根據評價單元的各項指標分值及耕地健康狀況等級，明確評價單元存在的問題，整合形成土地復墾與生態修復工作區。根據評價結果中土壤化學退化情況，設置養分與有機質補充、土壤重金屬污染治理方案；根據土壤物理退化情況，部署表土回填、地面平整、灌排設施修繕等應對方案；根據土壤生物活動退化類型，結合微生物生長繁殖所需的物理化學環境，制定當地微生物群落恢復方案。

5 討 論

較一般耕地而言，礦區耕地在土體構型、表土質地、土壤容重、土壤含水率、土壤pH值、灌排條件、坡度、田塊規整度、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。礦區耕地健康狀況評價指標可從土壤質量、利用條件和土壤生態狀況等方面選取，評價方法上，參數法適用性強，可采用百分制對指標不同級別賦分，選取部分評價單元開展試評價，科學論證試評價結果后開展整體評價。評價結果應用方向包括明確地塊利用條件及利用方式，制定土地復墾與生態修復方案等。由于礦山耕地健康狀況評價多為項目尺度，評價范圍較小，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。生物多樣性可反映農田動植物種類豐度，但精確測度較難，定性評價又容易出現誤差，反映農田生態環境狀況的綜合性指標有待進一步探索。此外，礦區耕地的自然本底、利用方式和生態狀況復雜多樣，以上研究內容僅作為基礎性理論研究，可作為礦區耕地健康狀況評價的總體思路參考，在針對某類礦區或某一礦區的耕地健康狀況進行具體評價時，需在此基礎上添加其他指標作具體分析，部分指標分級標準或需作相應調整。