溫曉華
(1. 國土資源部上海資源環(huán)境監(jiān)督檢測中心,上海 200072;2. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院,上海 200072)
省級、市縣級、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級土地質(zhì)量地球化學(xué)評估方法及典型地區(qū)成果分析
溫曉華1,2
(1. 國土資源部上海資源環(huán)境監(jiān)督檢測中心,上海 200072;2. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院,上海 200072)
土地質(zhì)量是土地管理、農(nóng)業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護的前提,土地質(zhì)量評估是打造現(xiàn)代農(nóng)業(yè),保護生態(tài)環(huán)境,實現(xiàn)土地“質(zhì)量型、生態(tài)型”管理的一項基礎(chǔ)性地質(zhì)調(diào)查工作。本文根據(jù)上海地區(qū)現(xiàn)有工作程度,詳細介紹了全市、典型縣區(qū)土地質(zhì)量評估工作,結(jié)合正在開展的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級土地質(zhì)量評估工作,分析了不同工作比例尺土地質(zhì)量地球化學(xué)評估工作中評估單元、評估指標、評估標準等的異同,為進一步開展相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)。
土地質(zhì)量;地球化學(xué);生態(tài)環(huán)境;國土資源
截至2010年底,全國已經(jīng)完成了30個省區(qū)165萬km2的多目標區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查工作,基本查明了這些區(qū)域的土地質(zhì)量現(xiàn)狀,掌握了農(nóng)耕區(qū)土壤肥力、酸化、污染、質(zhì)量、碳儲量等現(xiàn)狀。在多目標調(diào)查工作積累的豐富數(shù)據(jù)資料基礎(chǔ)上,現(xiàn)階段正在開展調(diào)查成果的應(yīng)用工作[1~3],土地質(zhì)量地球化學(xué)評估工作就是其中很重要的一項內(nèi)容,在多個地區(qū)已經(jīng)開展了相關(guān)研究工作[4~7]。此項工作是依據(jù)土壤中有益元素、有毒有害元素和有機污染物含量水平,對土地基本功能進行的土地質(zhì)量級別評定。土地質(zhì)量地球化學(xué)評估工作主要按照中國地質(zhì)調(diào)查局制定的《土地質(zhì)量地球化學(xué)評估技術(shù)要求(試行)》[8](以下簡稱《技術(shù)要求》),是以生態(tài)地球化學(xué)理論為指導(dǎo),以合理利用土地資源為目的開展的基礎(chǔ)性地質(zhì)工作,可服務(wù)于土地資源生態(tài)管護、合理利用及規(guī)劃等工作?!都夹g(shù)要求》中土地質(zhì)量評估分為四級,即國家—省級評估(1:250000)、市—縣級評估(1:50000)、鄉(xiāng)—鎮(zhèn)級評估(1:10000)、村—組級評估(1:5000),分別為國家、省市縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村組提供土壤地球化學(xué)依據(jù),為農(nóng)業(yè)種植區(qū)域調(diào)整、土地資源優(yōu)化、名特優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品種植、土壤污染治理和配方施肥等提供基礎(chǔ)。土地質(zhì)量評估成果可以廣泛應(yīng)用于土地管理、發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和區(qū)域環(huán)境保護等各領(lǐng)域,是合理利用土地、提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和糧食綜合生產(chǎn)能力、改善生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)。
該工作已經(jīng)在全國部分地區(qū)開展了一些試點,包括省級、市縣級、以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)級等不同級別的土地質(zhì)量地球化學(xué)評估工作。上海地區(qū)開展了大量的土地調(diào)查及研究工作[9~13],在2009年和2010年先后完成了全市及典型縣區(qū)(金山區(qū))的土地質(zhì)量地球化學(xué)評估工作,目前正在開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)級的土地質(zhì)量評估。通過開展不同級別(工作比例尺不同)的土地質(zhì)量評估工作,掌握了不同工作比例尺下土地質(zhì)量評估工作的重點和方法,為土地資源的利用與管理提供了技術(shù)支撐,也為類似地區(qū)全面開展土地質(zhì)量評估工作積累了豐富經(jīng)驗。
土地質(zhì)量地球化學(xué)評估工作分為國家—省級、市—縣級、鄉(xiāng)—鎮(zhèn)級、村—組級。不同級別的評估,方法技術(shù)相同,但是由于其工作目的和服務(wù)對象不同,因此評價單元、評價指標、指標權(quán)重以及隸屬函數(shù)界限值等有差異。評價結(jié)果在同一級別內(nèi)可比,不同級別之間不可比。
根據(jù)《技術(shù)要求》,土地質(zhì)量地球化學(xué)評估工作主要包括劃分評估單元、篩選評估指標、指標權(quán)重賦值、計算隸屬函數(shù)、土地質(zhì)量綜合評估等幾個工作步驟。
1.1 評估單元
評估單元是土地質(zhì)量地球化學(xué)評估的最小空間單位,不同尺度的土地質(zhì)量地球化學(xué)評估單元同采樣單元。
1.2 單指標評價標準
不同級別的評估工作,根據(jù)其工作目的和服務(wù)對象的不同,評估指標的評價標準也有所不同。國家—省級評估工作中,評估指標主要按照國家標準進行評價。有害金屬元素按照《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB15618-95),養(yǎng)分元素按照《第二次全國土壤普查技術(shù)規(guī)程》進行評估,該規(guī)程中沒有明確其分級標準的元素,按照全國土壤背景(A層)值的25%、50%、75%和90%劃分評價分級標準;市—縣級評估工作中,評估指標是將上海市多目標區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查成果數(shù)據(jù)(符合正態(tài)分布或者對數(shù)正態(tài)分布)按照累積頻率的25%、50%、75%、90%作為分級評價標準;鄉(xiāng)—鎮(zhèn)級評估工作,主要服務(wù)于地方經(jīng)濟建設(shè),原則上推薦按照地方標準,或者統(tǒng)計對應(yīng)區(qū)縣級的土壤地球化學(xué)調(diào)查成果數(shù)據(jù),進行分級評價。
1.3 評估指標篩選
土地質(zhì)量地球化學(xué)評估指標以土壤中化學(xué)元素、化合物含量和理化性質(zhì)為主,以大氣和水體環(huán)境質(zhì)量指標為輔,同時考慮有害元素在土壤農(nóng)作物中的遷移轉(zhuǎn)化等。本文以土壤為主,暫不考慮大氣和水體等輔助指標。
土壤的指標包括農(nóng)作物生長的肥力因素,主要指必需的大量元素、微量元素和有益元素;還有影響農(nóng)作物的環(huán)境因素,主要指有害元素、健康元素、pH、有機氯農(nóng)藥等。指標篩選的具體范圍見表1所示。
表1 土地質(zhì)量地球化學(xué)評估指標篩選范圍Table 1 The index selection range of land quality of geochemical assessment
按照主導(dǎo)性、系統(tǒng)性、獨立性、生產(chǎn)性等原則,篩選評估指標。在指標的篩選過程中,根據(jù)指標分級評估的結(jié)果,土壤肥力指標重點選擇相對低異常(缺乏)元素和指標;土壤環(huán)境指標重點選擇相對高異常(超標)元素;土壤健康指標選擇土壤中F、Se、I含量異常(過高或過低)程度較大的元素;對于彼此之間無顯著關(guān)聯(lián)性的初選指標可選作評估指標;空間變異相對較大的元素選作評估指標。
1.4 指標權(quán)重賦值
采用層次分析法進行評價指標權(quán)重賦值,每個評估層同一類指標的權(quán)重之和為1。
利用層次分析法工作軟件YAAHP3.0計算各個指標的權(quán)重值,實質(zhì)上是通過有益元素的豐缺程度,有害元素超標情況和健康元素最佳分布狀態(tài),通過兩兩比較判斷的方式確定每一層次中因素的相對重要性(表2),然后在遞階層次結(jié)構(gòu)內(nèi)進行合成以得到?jīng)Q策因素相對于目標的重要性的總順序,從而為決策提供確定性的判據(jù)。1.5 隸屬函數(shù)及指標界限值計算
表2 規(guī)定性標度設(shè)計及意義Table 2 Prescriptive scale and significance of design
(1)隸屬函數(shù)模型
由于各評估指標含量有所差異,因此利用隸屬函數(shù)將各指標納入同一評估體系。在土地質(zhì)量地球化學(xué)評估工作中,有些指標含量越低越好,如As、Hg;有些指標含量越高越好,如有機質(zhì)、K、B、Mo等,有些元素含量是太低或太高都不好,適中才是最佳的,如Se、I等。因此此次評估工作中采用的隸屬函數(shù)模型主要有峰值型、戒上型和戒下型3種類型,具體見圖1。圖中,f(X)為評估指標的隸屬函數(shù)值;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(yōu)值;X為評估指標的實際測定值。根據(jù)元素對土壤質(zhì)量影響不同,選擇相應(yīng)的隸屬函數(shù)模型。
一般的,肥力元素選擇戒上型隸屬函數(shù)模型,該類型參評指標的隸屬函數(shù)值一般是越高越好,其指標值越高,表明評估對象質(zhì)量越好,但到一定臨界值之后,其有效作用也趨于穩(wěn)定。有害元素選擇戒下型隸屬函數(shù)模型,該類型參評指標的隸屬函數(shù)值越低越好,其指標值越低,表明評估對象危害性越小,但到一定臨界值之后,危害作用也趨于恒定;pH、F、Se、I等元素采用峰值型隸屬函數(shù)模型,該類型參評指標的隸屬函數(shù)值在某一水平段時,參評指標對評估結(jié)果的貢獻達到最大,而低于或高于該水平段時,其有效作用會趨于減小,但到一定臨界值后其有效作用也將趨于恒定,達到最小。
(2)指標界限值
隸屬函數(shù)的界限值是利用SPSS軟件進行統(tǒng)計各參評指標。對于不服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布的數(shù)據(jù),進行平均值±3倍離差剔除異常數(shù)據(jù),直至樣本數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布,然后按照20%、40%、60%、80%的累積頻率值進行5級劃分,pH值則按照酸堿性土壤的分類標準進行5級劃分,從而確定各參評指標的L、O1、O2、U等界限值。L、O1、O2、U是分別對應(yīng)于累積相對頻率20%、40%、60%、80%的界限值。
圖 1 土地質(zhì)量地球化學(xué)評估隸屬函數(shù)模型圖Fig.1 Membership function model of land quality geochemical assessment
1.6 土地質(zhì)量地球化學(xué)綜合評估
通過采用加法模型對各參評指標的實測值進行權(quán)重和隸屬度計算,獲得每個評估單元內(nèi)土壤肥力綜合參數(shù)(P肥力)和土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合參數(shù)(P環(huán)綜),依據(jù)其參數(shù)分別進行土地肥力和土地環(huán)境健康等級劃分,每等對應(yīng)的綜合參數(shù)值具體見表3。
式中:P為綜合指數(shù);fi為第i個評估指標的隸屬函數(shù)值;Ci為第i個評估指標的權(quán)重,評估指標為表征土地肥力和土地環(huán)境健康的各類指標。
表3 土地肥力分等和土地環(huán)境健康分等與綜合參數(shù)對應(yīng)表Table 3 Soil fertility classification and land environment grading corresponding to synthesis parameters
根據(jù)《技術(shù)要求》,將土地肥力質(zhì)量分等與土地環(huán)境健康質(zhì)量分等疊置,將土地的地球化學(xué)質(zhì)量劃分為5個等別,具體劃分方法見表4。
表4 土地質(zhì)量地球化學(xué)分等Table 4 Land quality geochemical classification
上海地區(qū)先后完成了全市和典型縣區(qū)的土地質(zhì)量地球化學(xué)評估工作,目前正在進行典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)級的評估工作。通過開展相關(guān)工作,掌握了工作區(qū)的土地地球化學(xué)質(zhì)量等級,為土地資源管理、規(guī)劃利用等工作提供了數(shù)據(jù)資料支撐。
2.1 上海市土地質(zhì)量地球化學(xué)評估
上海市的土地質(zhì)量地球化學(xué)評估工作屬于國家—省級評估,工作比例尺為1:250000,是利用上海市多目標區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查工作的數(shù)據(jù)資料,開展評估工作。
評估單元是樣品的采樣調(diào)查單元,為4km2網(wǎng)格。按照國家—省級土地質(zhì)量地球化學(xué)評估的指標評價以及篩選方法,確定了評估指標;利用層次分析法,進行了指標權(quán)重賦值,具體見表5。
按照《技術(shù)要求》中的相關(guān)方法,進行了全市土地質(zhì)量地球化學(xué)評估。評估結(jié)果顯示,全市土地質(zhì)量總體優(yōu)良,其中優(yōu)質(zhì)土壤占1.72%、優(yōu)良土壤占85.79%、良好占11.55%、中等占0.94%,沒有差等土壤(圖2)。
表5 上海市土地質(zhì)量地球化學(xué)評估指標及權(quán)重Table 5 The land quality geochemical evaluation indicators and weights of Shanghai city
2.2 典型縣區(qū)(金山區(qū))土地質(zhì)量地球化學(xué)評估
金山區(qū)位于東經(jīng)1 2 0°0 0'~1 2 1°2 5',北緯30°40'~30°58',地處上海西南,杭州灣北岸,處在滬、杭、甬及舟山群島經(jīng)濟區(qū)域中心,是長三角聯(lián)動發(fā)展的重要區(qū)域。全區(qū)東西跨度44km、南北跨度26km,總面積611.55km2,其中農(nóng)用地約366km2,土壤類型主要為水稻土與濱海鹽土。
圖 2 上海市土地質(zhì)量地球化學(xué)評估結(jié)果Fig.2 The result of soil quality geochemical assessment in Shanghai city
金山區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)評估屬于市—縣級評估,工作比例尺為1:50000,按照4個點/km2的采樣密度進行了野外調(diào)查和室內(nèi)樣品的分析測試工作。調(diào)查樣點主要分布在農(nóng)用地地區(qū),評估單元為1km2的調(diào)查采樣網(wǎng)格。按照市—縣級土地質(zhì)量評估的指標評價以及篩選方法,確定了評估指標;利用層次分析法,進行了指標權(quán)重賦值(表6)。
表6 金山區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)評估指標及權(quán)重賦值Table 6 The land quality geochemical evaluation indicators and weights of Jinshan county
按照《技術(shù)要求》,進行金山區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)評估。全區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)等級主要以優(yōu)良和中等為主,分別占67.86%、31.02%,其它質(zhì)量等級的土地所占比例很少,其中還出現(xiàn)了4.75km2的差等土地,占評估區(qū)面積1.12%(圖3)。
圖 3 金山區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)評估結(jié)果Fig.3 The result of soil quality geochemical assessment in Jinshan county
目前上海正在開展的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級土地質(zhì)量地球化學(xué)評估工作區(qū)為金山區(qū)廊下鎮(zhèn)。該鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)用地比重高,生產(chǎn)類型豐富,農(nóng)用地面積約36.6km2。
開展大比例尺的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級土地質(zhì)量評估工作,主要是結(jié)合地方實際需求,為土地資源管理利用、生態(tài)環(huán)境保護等工作提供依據(jù)。
將土地調(diào)查圖斑進行適當合并,形成調(diào)查單元,每個調(diào)查單元至少有一個樣點,評估單元同調(diào)查單元。調(diào)查單元劃分工作中,主要包括以下幾個方面:
3.1 調(diào)查單元劃分的因素
調(diào)查單元是開展土地質(zhì)量地球化學(xué)評估的基礎(chǔ),也是土地質(zhì)量的評估單元,劃分并確定調(diào)查單元是土地質(zhì)量地球化學(xué)評估的關(guān)鍵技術(shù)之一。鄉(xiāng)鎮(zhèn)級的土地質(zhì)量調(diào)查單元劃分,用土地二次調(diào)查圖斑作為基本單元。主要基于兩方面考慮:
(1)土地質(zhì)量評價成果與農(nóng)用地分等成果對接。上海在2012年已經(jīng)完成了農(nóng)用地分等更新工作,新的農(nóng)用地分等工作是按照二次調(diào)查圖斑作為評估單元,劃分農(nóng)用地等別。
(2)該鎮(zhèn)開展農(nóng)用地等別更新的圖斑大約有5000多個,土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作無法在每個圖斑上進行樣品調(diào)查評估。為了能夠與農(nóng)用地分等工作實現(xiàn)無縫對接,應(yīng)用于土地資源管護工作中,土地質(zhì)量調(diào)查工作在充分考慮地形地貌、地質(zhì)環(huán)境條件、土壤類型以及農(nóng)用地等別的基礎(chǔ)上,將5000多個二調(diào)圖斑進行適當?shù)暮喜?,形成調(diào)查單元,也即土地評估單元。
3.2 調(diào)查單元劃分原則
調(diào)查單元的劃分,主要遵循以下原則:
(1)綜合考慮農(nóng)用地等別、土壤類型、土地利用類型、土壤元素地球化學(xué)特征、土地質(zhì)量地球化學(xué)評估結(jié)果等因素;
(2)在土地二調(diào)圖斑基礎(chǔ)上,以土地利用現(xiàn)狀差異和河流、公路為界,淡化權(quán)屬,適當合并圖斑;
(3)將圖斑與農(nóng)用地等別相結(jié)合,充分考慮農(nóng)用地等別的空間分布;
(4)綜合考慮各種因素的基礎(chǔ)上,對于以往小比例尺土地評估結(jié)果中,工作區(qū)范圍內(nèi)土壤質(zhì)量等較差的區(qū)域適當加密劃分調(diào)查單元;環(huán)境質(zhì)量較好、土地利用類型單一、種植作物單一的大片農(nóng)田,可以適當放稀劃分調(diào)查單元;
(5)結(jié)合金山區(qū)的鎮(zhèn)級土地利用總體規(guī)劃(2010~2020年),在土地整治規(guī)劃區(qū)內(nèi),根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量狀況和整治目標,適當加密劃分調(diào)查單元。
目前廊下鎮(zhèn)的土地評估工作只進行了野外采樣工作,相關(guān)成果將在后續(xù)文章中進行闡述。
目前,土地質(zhì)量地球化學(xué)評估工作處于初步階段,各個地區(qū)開展的相關(guān)工作還屬于試點,評估的方法體系也在不斷的修訂完善中。結(jié)合上海地區(qū)已經(jīng)開展的相關(guān)工作,對不同比例尺所對應(yīng)的方法體系中的部分工作進行探討分析。
4.1 評估單元
評估單元均為調(diào)查單元。小比例尺(1:250000、1:50000)的評估工作主要為區(qū)域上宏觀了解和掌握土地質(zhì)量地球化學(xué)等別,評估單元為采樣的公里網(wǎng)格;大比例尺(1:10000以及更大)的評估工作主要服務(wù)于土地資源管理、保護、利用等工作。因此,評估單元是綜合各種因素,劃分形成的圖斑,即調(diào)查單元。
4.2 評估指標
小比例尺的評估工作,是進行區(qū)域上整體情況的了解和掌握,因此評估指標應(yīng)具有區(qū)域可比性,一般主要就土壤重金屬元素、氮、磷、鉀等肥力指標進行評估;而大比例尺的評估工作,主要服務(wù)于地方土地資源管理工作,因此在評估指標的選擇上,除了重金屬元素、氮、磷、鉀等肥力指標外,還應(yīng)該根據(jù)地方的具體情況,選擇特色指標,比如對人體健康有利的氟、硒、碘等元素,以及金屬元素的形態(tài),或者養(yǎng)分元素的有效態(tài)等,進行比較詳細的評估。
4.3 評估標準
根據(jù)評估目的,不同工作比例尺土地評估的標準稍有差異。小比例尺的土地評估工作是為了區(qū)域上的對比,因此選擇國家、行業(yè)等標準;大比例尺的土地評估工作主要是服務(wù)于地方土地資源管理,因此,評估標準可選國家、行業(yè)等標準,也可以根據(jù)地方標準進行評估。
4.4 評估結(jié)果
根據(jù)已經(jīng)完成的上海全市和典型縣區(qū)的土地質(zhì)量地球化學(xué)評估工作,不同的工作比例尺,其評估結(jié)果有所差異。主要是因為不同比例尺的評估工作,對應(yīng)的評估目的、評估指標、評估標準、指標權(quán)重以及采樣精度有所差異。因此,同一級別的評價結(jié)果可比,不同級別的評價結(jié)果不可比。
5.1 結(jié)論
(1)土地質(zhì)量地球化學(xué)評估工作是結(jié)合土壤環(huán)境質(zhì)量以及肥力等因素,對土地進行的綜合質(zhì)量評估,能夠比較全面地反映土地質(zhì)量等別,為土地資源管理以及合理利用提供資料信息。
(2)不同工作比例尺的土地質(zhì)量地球化學(xué)評估目的不同,評估的方法體系有所差異,評價結(jié)果不可比。評估工作根據(jù)實際情況確定工作比例尺、評估單元、評估指標以及評估標準等,才能體現(xiàn)土地質(zhì)量評估的意義,更好地服務(wù)于土地資源利用和管理工作。
5.2 建議
(1)不斷完善評估的方法體系,尤其是大比例尺的評估工作中,需要根據(jù)實際情況選擇評估指標,能夠更好地服務(wù)于地方經(jīng)濟建設(shè)和發(fā)展。
(2)目前開展的土地質(zhì)量評估工作,主要以農(nóng)用地為主,但隨著土壤污染問題的逐漸凸顯,人體健康的不斷需求,土地質(zhì)量評估工作需要逐漸擴大工作對象,增加對建設(shè)用地的評估[14],方法體系也需要更新完善。
(3)土地質(zhì)量地球化學(xué)評估工作的最終目的是服務(wù)于土地資源的管理和利用,實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)發(fā)展[15],因此需要加強土地評估工作的應(yīng)用研究。
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Analysis of the contrasts in geochemical methods used to assess land quality among different land use classes (province, county, and town) in a typical region
WEN Xiao-Hua1,2
(1. Shanghai Center for Intendance and Testing of Resources and Environment, Ministry of Land and Resources of China, Shanghai 200072, China; 2. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China)
Land quality is the starting point for all land management, agricultural development, and environmental protection activities. Land quality assessment requires basic geological survey work to facilitate modern agricultural development, as well as ecological and environmental protection. Based on the extent of the existing work in Shanghai, classified introducing the city, the typical county land quality assessment. By considering the ongoing work of township-level land quality assessment, the paper analyzes the similarities and differences among evaluation units, evaluation indicators, and evaluation standards at the different working scales of geochemical assessment, and lays the foundation for further related work.
land quality; geochemistry; ecological environment; land resources
X142; P595
A
2095-1329(2013)04-0071-06
10.3969/j.issn.2095-1329.2013.04.016
2013-09-03
2013-10-16
溫曉華(1980-),女,碩士,工程師,主要從事環(huán)境地球化學(xué)工作.
電子郵箱:xhwen1980@163.com
聯(lián)系電話:021-56613081
中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“上海市典型土地質(zhì)量地球化學(xué)評價示范項目”(12120113001900)