富硒耕地质量综合评价及利用分区研究
——以宜春市袁州区为例

杨晓帆，蔡海生，张学玲，何庆港，陈理庭

（江西农业大学 江西省自然资源利用科技与管理创新研究基地/江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室/南昌市鄱阳湖生态重点实验室/富硒农业产业发展研究中心，江西 南昌 330045）

【研究意义】随着社会的不断进步与发展，人们越来越重视健康问题。硒作为人体必需的微量营养元素之一，具有抗氧化，提高人体免疫力等诸多功能[1-2]。人体主要通过饮食获取所需硒元素，而食物中的硒元素主要来源于土壤。因此，开展富硒耕地土壤相关研究，合理利用耕地土壤硒资源，是对人类健康安全的重要保障，对我国发展富硒特色农业和促进食品安全事业具有重要意义[3-4]；富硒耕地利用分区可以为指导农业生产布局和富硒产业发展提供依据，促进富硒土壤资源优势转化为资本优势与产业优势。【前人研究进展】近年来，国内外学者关于富硒耕地开发利用的研究主要集中在富硒耕地质量提升[5]；富硒耕地土壤特征及成因分析[6]；耕地硒资源的调查与特征分析[7]；耕地土壤中硒含量特点及农作物对硒的吸收富集特点的研究[8-9]；根据耕地利用条件、土壤肥力和土壤硒元素对富硒耕地质量进行评价[10]等方面。主要运用经验判断法、模糊数学法、层次分析法、特尔斐法和空间自相关等方法[11-12]，从土壤自身条件、地形因素、耕地生产条件和土壤硒元素等方面选取指标构建富硒耕地质量评价体系,但土壤环境质量对耕地及农作物的影响也至关重要，高效安全发展富硒农业产业仍是需要探讨的问题。【本研究切入点】基于此，本文选取袁州区为研究区域，袁州区拥有丰富的天然富硒土壤资源，发展富硒产业优势明显，富硒区域气候温和，光、热、水资源丰富，土壤质地较好，适种性广。在对袁州区富硒耕地质量评价的基础上，基于内梅罗综合污染指数法，对其富硒耕地土壤环境质量进行评价，并进一步开展利用分区研究。【拟解决的关键问题】在对耕地资源全面评估的基础上，明确研究区清洁富硒耕地土壤范围，因地制宜探讨袁州区如何合理利用富硒耕地资源，最大限度发挥其价值，实现耕地富硒土壤资源的高效安全利用。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

袁州区隶属江西省宜春市，地处江西省西部，袁河上游，袁河自西向东穿城而过。经纬度范围27°33′～28°05′N，113°54′～114°37′E，属亚热带季风性湿润气候，年平均气温18.1 ℃，无霜期272 d，年降水量1 545 mm。境内地势西高东低，南北高，中间低，由西向东、由南北边缘向中间依次为山地、丘陵、平原，属典型的江南丘陵地貌。截至2017 年末，袁州区土地总面积为253 751.96 hm²。其中：耕地面积为62 511.78 hm²，占土地总面积的24.63%。

根据江西省地质调查研究院开展的多目标区域地球化学调查，以及本课题组的土壤调查分析，全区富硒土壤总面积达191 241 hm²。其中：富硒耕地面积51 159.26 hm²，约占富硒土壤总面积的26.75%；富硒园地面积807.52 hm²，约占富硒土壤总面积的0.42%；富硒耕地、园地面积总计51 966.78 hm²，占富硒土壤总面积的27.17%。袁州区富硒土壤分布集中、规模可观，具有发展富硒农业所必备的资源禀赋优势，应根据区域耕地土壤特点，因地制宜发展特色富硒农业。

1.2 数据来源及预处理

本研究涉及到的数据有三类：矢量数据、栅格数据和统计数据。矢量数据包括由袁州区自然资源局提供的2017年土地利用现状图和村级行政区划图；栅格数据包括在地理空间数据云获取的30 m 分辨率的DEM 数据和袁州区农业农村局提供的袁州区富硒土壤资源分布图；统计数据主要是袁州区土壤样本点重金属含量，2019 年通过在袁州区各乡镇进行实地踏勘，根据研究区地形地貌和采样区面积大小，采用对角线布点法，获取162 个土壤采样点（图1），使用土钻、铁锹等土壤取样器取0～20 cm 的表层土壤500 g，用木棒碾碎，过2 mm尼龙筛去除沙子石块，干燥后加密送至江西省地质调查研究院检测得到袁州区土壤样点pH值及重金属含量数据。

图1 袁州区地理位置Fig.1 Geographical location of Yuanzhou District

2 研究思路与方法

2.1 研究思路

从自然条件、经济发展、生态保护等多个维度对富硒耕地质量进行综合评价和利用分区研究，是将区域富硒耕地土壤资源优势最大化的有效方法，能够进一步提高富硒农业生产的绿色高效性。本研究的研究思路如下（图2）：①从立地条件、理化性质、土壤养分和土壤硒元素等方面选取评价指标，构建研究区富硒耕地质量评价体系；②基于ArcGIS软件计算富硒耕地质量综合指数，根据自然断点法得到富硒耕地质量等级图，进而分析研究区富硒耕地质量评价结果；③采用内梅罗综合污染指数法对袁州区富硒耕地重金属综合污染程度进行分级，进而分析研究区富硒耕地土壤环境质量；④综合富硒耕地质量评价结果和土壤环境质量分析结果开展富硒耕地利用分区研究。将研究区划分为富硒耕地发展区、富硒耕地提升区和富硒耕地治理区，并在分析各类型区问题的基础上，提出针对性措施提高富硒耕地质量，以实现富硒耕地土壤资源的高效安全利用，提高富硒农业产业布局的合理性。

图2 技术路线Fig.2 Technical roadmap

2.2 富硒耕地质量综合评价指标体系构建

2.2.1 评价指标选取 在全面分析袁州区地形地貌、土壤特征、经济发展等因素后，从立地条件和理化性质、土壤养分、土壤硒含量3个角度综合考虑，结合数据的可获取性与指标的可靠性，最终选择坡度、高程、耕层厚度、土壤质地、pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾、土壤硒元素10 个指标构建富硒耕地质量评价体系，灌溉条件和排水条件属于土地管理因素，通过分析袁州区83个耕地地力评价样点的灌排情况，发现灌溉条件和排水条件为基本满足的占比分别达95%和87%，这说明袁州区灌排条件基本一致，不存在空间差异，因此在本文中不予考虑。构建富硒耕地质量评价体系的相关指标如下：

（1）高程、坡度：高程影响温度变化，低温不利于作物的生长，坡度主要影响水分持有量。

（2）耕层厚度：耕层的养分含量很高，因而作物根系密集，耕作层越厚越有利于农业生产。

（3）土壤质地：土壤质地与土壤的保水保肥等特征关系密切，能够反映出土壤发育的特点[13]。

（4）pH值：土壤pH值会直接影响土壤微生物及土壤养分状况。

（5）土壤养分：有机质、全氮、有效磷和速效钾是影响土壤肥力和硒生物有效性的关键指标。

（6）土壤硒元素：土壤中的硒不仅可以促进作物生长，而且在富硒土壤上生产出的富硒农产品具有更高的安全性。

2.2.2 评价指标数据处理与分级 各评价指标对于富硒耕地土壤资源开发利用产生的影响具有差异性，因此需要对评价指标进行分级处理[14-15]。参考《耕地质量等级（GB/T 33469—2016）》、《农用地质量分等规程（GB/T 28407—2012）》和“全国第二次土壤普查养分分级标准”，并结合相关文献[16-18]，在对各指标数据进行预处理的基础上，确定各评价指标分级标准，如表1所示。

表1 耕地质量评价指标分级标准Tab.1 Classification standard of cultivated land quality evaluation index

2.2.3 评价指标权重确定 综合分析相关研究成果，并结合本文研究重点确定采用层次分析法确定各评价指标的权重值，经一致性检验后计算得到每一个评价指标的组合评价权重（表2）。层次分析法判别矩阵的构建，充分结合了专家的建议。

表2 耕地质量评价指标权重分布Tab.2 Weight distribution of cultivated land quality evaluation indicators

2.2.4 综合指数确定 富硒耕地质量综合指数通过将评价单元中各评价指标因子的得分值与其对应权重的积累加求和计算得到[10]，公式如下：

式中，IFI为富硒耕地质量综合指数，Qi是第i个指标的权重，Fi是第i个指标的得分值，n为评价指标个数。

2.3 内梅罗综合污染指数法

本研究选用土壤Pb、Cr、Cd、As、Hg 5 种重金属元素对其富硒耕地土壤环境质量进行评价。土壤重金属污染采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法计算，可以综合地反映出不同污染物在土壤中的污染程度，评价重金属污染程度可为提高土壤环境质量提供依据[19]。计算公式如下：

式中，P综为内梅罗综合污染指数，Pi为土壤重金属元素i的单因子污染指数；Ci表示土壤重金属元素i的实测含量，单位mg/kg；Si为元素i计算时的评价标准值，文中Si采用《GB15618-2018 土壤环境质量标准 农用地土壤污染风险管控标准》中的农用地土壤污染风险筛选值；i为土壤重金属元素，n为土壤重金属元素的个数。当Pi≤1 时，未污染；当1＜Pi≤2 时，轻度污染；当2＜Pi≤3 时，中度污染；当Pi＞3 时，重度污染。土壤综合污染指数污染程度判断标准为：P综≤0.7，清洁；0.7＜P综≤1.0，尚清洁；1.0＜P综≤2.0，轻度污染；2.0＜P综≤3.0，中度污染；P综＞3，重度污染。

3 结果与分析

3.1 富硒耕地质量评价结果

根据式（1）计算富硒耕地质量综合指数，在ArcGIS 中采用自然断点法，将袁州区富硒耕地质量等级分为5级（图3），并统计各级耕地的面积及占比情况（表3）。

表3 富硒耕地质量综合指数评价结果Tab.3 Evaluation results of comprehensive index of selenium rich cultivated land quality

图3 袁州区富硒耕地质量等级分布Fig.3 Quality grade distribution of selenium rich cultivated land in Yuanzhou District

袁州区富硒耕地质量整体较好，综合指数53.48～98.13，平均值为75.81，以二级耕地为主，面积23 218.30 hm²，占耕地总面积的37.14%；五级耕地面积占比相对较小，面积2 172.90 hm²，仅占一级耕地面积的11.98%。从空间分布来看，袁州区富硒耕地质量存在较强的空间分异性，其中一级耕地主要分布在地势平坦、pH 含量适中、全氮、有效磷、速效钾含量较高、养分条件较好、土壤富硒（Se≥0.4 mg/kg）的西村镇、金瑞镇和洪塘镇；二级耕地和三级耕地主要分布在袁州区西北部和东部地区；四级和五级耕地主要分布在袁州区南部，这是由于袁州区南部多为山地，地形坡度较大，土壤有效磷含量较低，土壤硒含量大多呈潜在富硒（0.3 mg/kg≤Se＜0.4 mg/kg）和足硒状态（0.175 mg/kg≤Se＜0.3 mg/kg），因此富硒耕地质量相对较低。

通过对比各评价指标得分发现，袁州区耕地土壤硒元素的平均得分排在第二位，为92.46，远高于富硒耕地质量综合指数的平均值75.81，对富硒耕地质量的总体贡献为正效应。纳入土壤硒元素指标，根据富硒耕地质量评价，对于土壤硒含量较高的耕地，其富硒耕地质量等级也会发生变化。

3.2 富硒耕地土壤环境质量评价

根据式（3）计算各采样点内梅罗综合污染指数，利用ArcGIS 中的地统计分析模块进行插值分析，得到富硒耕地重金属综合污染等级分布图（图4）。参照《GB15618—2018 土壤环境质量标准 农用地土壤污染风险管控标准》，采用农用地土壤污染风险筛选值作为土壤重金属安全阈值和评价标准（表4），根据筛选值对袁州区土壤采样点重金属含量进行统计（表5）。

表4 农用地土壤污染风险筛选值Tab.4 Screening value of soil pollution risk of agricultural land

图4 袁州区富硒耕地重金属综合污染等级分布Fig.4 Distribution of comprehensive pollution levels of heavy metals in selenium rich cultivated land in Yuanzhou District

图4表明，袁州区富硒耕地土壤重金属综合污染等级分清洁、尚清洁和轻度污染三级，从空间分布来看，综合污染等级以尚清洁（0.7＜P综≤1.0）为主，主要分布在袁州区中部的金瑞镇、西北部的飞剑潭乡和楠木乡、东北部的芦村镇以及南部的新坊镇，面积为38 053.29 hm²，占比60.87%；清洁区主要分布在袁州区西北部的慈化镇，面积为8 019.85 hm²，占比12.83%；袁州区北部的洪塘镇和三阳镇、东部的彬江镇和中部地区的西村镇和新田镇存在较为集中的重金属轻度污染，面积16 438.64 hm²，占比26.30%。

袁州区富硒耕地土壤中Cr 和Hg 元素含量均低于《GB15618—2018 土壤环境质量标准农用地土壤污染风险管控标准》中的风险筛选值，Pb、As 两种元素有极少超标样点数，占比分别为1.85%和3.09%，但也对慈化镇西部、水江镇北部和天台镇土壤环境造成了较大影响，袁州区东部、东北部和中部地区富硒耕地综合污染等级以尚清洁和轻度污染为主，主要受到土壤Cd 元素的影响。根据表5可知，袁州区土壤中Cd 元素超标样点数为74 个，占比达到45.68%，但土壤中Cr、Hg、Pb、As、Cd 5 种重金属元素含量均未超过《GB15618—2018 土壤环境质量标准 农用地土壤污染风险管控标准》中的农用地风险污染管制值，说明土壤中可能存在一定的污染风险，但能够采取相应的安全利用措施加以管控。这一现象与富硒区的土壤中常常出现重金属镉的伴生现象，导致土壤富硒的同时出现重金属镉超标现象密切相关。

表5 土壤重金属含量统计结果Tab.5 Statistical results of heavy metal content in soil

3.3 富硒耕地利用分区

针对研究区开发利用实际需求，综合统筹考虑当地资源禀赋、土壤环境质量状况和生态环境保护建设，从而制定科学合理的富硒耕地利用与保护政策。本研究参考侯现慧等[10]和蔡海生等[3]的研究，从高效安全利用和保护耕地资源的角度出发，明确安全发展富硒农业的范围，确定富硒耕地利用分区类型，采用叠图法，具体步骤是将富硒耕地质量评价结果和土壤环境质量评价结果进行叠加分析，得到综合利用分区（表6，图5），并对区域特点进行整合，进而提出不同类型区富硒耕地的发展方向和耕地质量提升的对策建议。

图5 袁州区富硒耕地利用分区Fig.5 Zoning map of selenium rich cultivated land in Yuanzhou DistrictW

表6 富硒耕地质量综合评价分区统计结果Tab.6 Statistical results of comprehensive evaluation zoning of selenium rich cultivated land quality hm²

（1）富硒耕地发展区。富硒耕地是发展富硒农业的前提，清洁的土壤环境对高效安全发展富硒农业意义重大。该区域耕地均达到富硒标准，且无重金属污染，袁州区清洁富硒土壤主要分布在金瑞镇、飞剑潭乡、天台镇和竹亭镇，区域内富硒耕地质量等级以一级和二级为主，质量良好，地势相对平坦、土壤有机质、有效磷和全氮含量较高。富硒耕地发展区内耕地面积36 797.33 hm²，占耕地总面积的58.86%。此区域可作为重点发展安全富硒农业的核心区域，且该区内富硒相关农业产业发展和企业建设比较成熟，建议袁州区政府在政策和资金上给予扶持，摸清农产品富硒能力，筛选出富硒能力强、市场前景好的农产品，同时该区域面积较大，富硒农产品较为集中，适合发展富硒种养业，有较好的产业发展空间，建议该区域以袁州区现代农业示范园区为龙头，建造 “一主多辅，三产融合”的富硒产业示范区，以现代农业+富硒产业的模式促进袁州区富硒水稻、富硒蔬菜、富硒林果业等特色主导产业发展；建议该区择地建造富硒种养业基地，并建设富硒产品标准化示范基地，加强富硒农业品牌化建设。

（2）富硒耕地提升区。该区域分布在袁州区西北部，主要包括慈化镇、楠木乡和水江镇等地，区内富硒耕地质量等级以三级和四级为主，其主要影响因素为土壤有效磷含量较低。区内土壤硒含量以潜在富硒和足硒为主，总面积9 275.81 hm²，占耕地总面积的14.84%，该区域土壤环境质量较好，富硒耕地质量提升有一定的潜力，具有相应的富硒农业生产条件且该区域已存在含硒农产品。但该区域农作物富硒率相对较低，不适宜进行富硒农产品种植活动，建议将该区域作为重点区域，通过土地整治等工程提升耕地质量，对区域富硒耕地利用加强保护，由于该区域距主城区较近，应以节约集约用地、保证生态环境质量为原则，进行袁州粮仓等基地建设，提升富硒耕地生产力，完善耕地质量的监测体系和监管手段，完善农业产业链。

（3）富硒耕地治理区。该区域的农业环境质量相对较弱，需加大环境保护力度。区内耕地土壤重金属Cd 含量出现超标现象，但在重金属污染区依然存在5 889.53hm²的富硒耕地，因此对该区域的重金属污染修复尤为重要。研究发现，目前发展起来的土壤重金属污染修复技术大致可以分为工程修复、物理修复、化学修复和生物修复4 种类型[20]，通过相应的重金属污染修复技术抑制重金属活性，提升硒的活性，从而达到减轻污染高效安全利用富硒土壤的目的。该区域三阳镇和西村镇内已拥有以江西星火农林发展有限公司为首的多家龙头企业，并建造了酌江风景区等旅游景区。同时，此区域在南庙镇、温汤镇、洪江镇和新坊镇也有所分布，该区文化、旅游、温泉资源十分丰富，且温汤镇是我国著名的温泉度假镇，经相关部门检测，该地区泉水、地下水和地表水的硒含量都比其他地方高，旅游资源开发相对比较成熟。建议该区域融合旅游健康文化等元素，依托富硒土壤、富硒温泉等资源优势和区位优势，发展服务旅游业，依托旅游文化和富硒产业的互动，相互引领、相互支撑，走“富硒康养旅游”现代农业经济的发展模式。

4 结论和讨论

4.1 结论

本研究以袁州区为例，从耕地立地条件和理化性质、土壤养分和土壤硒元素三方面构建评价指标体系，结合土壤环境质量开展富硒耕地质量综合评价及利用分区研究，一定程度上丰富了富硒区耕地质量评价研究。得出的主要结论如下：

（1）袁州区富硒耕地质量总体来说较好，空间分布差异性较大，富硒耕地质量北部高于南部，西部高于东部；质量等级以一级和二级耕地为主，二级耕地占比最高，一级和二级耕地主要集中分布在袁州区中部，南部区域地形坡度高、地势复杂多样，耕地等级不高。

（2）整体而言袁州区富硒耕地土壤环境质量较好。富硒耕地土壤重金属综合污染等级以尚清洁为主，占比60.87%，主要分布在袁州区西北部，Cd 元素和As 元素存在局部污染现象，袁州区土壤环境质量较差的区域主要分布在洪塘镇、三阳镇和彬江镇。

（3）将袁州区富硒耕地土壤划分为富硒耕地发展区、富硒耕地提升区和富硒耕地治理区，富硒耕地发展区内耕地面积最大，占耕地总面积的58.86%，对富硒耕地治理区内的耕地要采取相应的富硒降镉技术，提高耕地土壤硒资源的高效安全利用。

4.2 讨论

富硒耕地质量综合评价和利用分区可以加快农业结构调整和产业升级，对富硒土地资源合理利用以及富硒农业产业规划具有重大指导价值。

（1）袁州区作为赣西地区富硒产业发展重点县区，拥有丰富的富硒土壤资源以及优质的富硒大米等特色主导产业，本文立足袁州区富硒耕地土壤资源禀赋和区位优势，从立地条件和理化性质、土壤养分和土壤硒元素3 个方面构建的评价指标体系可为富硒区耕地质量评价研究提供参考。同时研究综合考虑土壤环境质量，可以确定清洁富硒土壤范围，因地制宜制定发展策略，发展富硒农业、生产富硒农产品，保障人民生活健康水平。

（2）研究发现，袁州区富硒耕地质量空间差异显著，这种空间分布格局与地区复杂多样的自然条件基本吻合；通过定性分析与定量分析相结合，丰富了富硒耕地土壤资源评价的研究方法；根据江西省1∶25万多目标区域地球化学调查结果，袁州区不仅有丰富的富硒耕地土壤资源，同时也发现稻米、稻谷等多种农产品达到国家或地方的富硒标准，富硒耕地资源评价服务于富硒农业发展，将微观分析与宏观管理相结合，能够更快更好地推动富硒资源优势转化为经济发展优势。

（3）硒元素的地球化学特征以及富硒土壤成因决定了硒镉共生是较为普遍的自然现象，本研究在富硒耕地质量综合评价的基础上开展利用分区，确定了清洁富硒耕地土壤资源的范围，结合《袁州区富硒产业规划（2019—2030）》，因地制宜探讨其开发利用适宜性的目标和方向，发展富硒绿色农业产业，带动富硒产业高质量跨越式发展。

富硒耕地质量及其利用方式和利用价值受到耕地立地条件、土壤肥力、土壤环境、土壤硒元素等多重因素的影响和制约，通过识别富硒耕地利用的主要制约因素并提出差异化的利用对策，能够更有效的指导农业生产实践过程。但是论文仍存在需要进一步改善的地方：1）本文构建的指标体系是基于农业总体布局目标的富硒耕地质量评价，受限于现有数据技术等限制，指标体系建立仍有较大空间，笔者将在下一步的研究中继续深入改进；2）在数据处理过程中运用层次分析法确定评价指标权重，具有一定的主观性，今后的研究应更为科学客观；3）耕地资源的合理利用是为了更好地适应农作物需求，对于不同等级耕地种植不同种类农作物的适宜程度还需进一步研究。

致谢：宜春市袁州区富硒产业发展规划项目（9131207247）同时对本研究给予了资助，谨致谢意！