改革开放以来，中国工业化和城市化快速发展，对农村经济和社会发展产生深刻影响^[1]。随着农村人口非农转移与就业增多，农民收入持续增加，农村住房需求不断增长，在农村建设规划缺失、严格土地管理缺位的情况下，形成了新房建设村外扩张、村内闲置的农村空心化现象，造成土地资源的严重破坏和浪费^[2-3]。空心村是农村经济社会转型发展期出现的一种乡村地域系统退化性演变的结果，造成了农村土地资源的浪费和低效利用，严重阻碍了农村经济社会的可持续发展^[2]。开展“空心村”治理工作，不仅是实施城乡建设用地增减挂钩的有效手段，而且对增加耕地面积、改善农村布局、优化村民居住环境、提高土地节约集约利用水平和促进农村经济可持续发展更具有重要意义^[4-6]，也是美丽乡村建设的应有内涵^[7]。

工农业生产和城乡生活往往带来污染排放，污染物以直接或间接的方式进入土体，影响到土壤理化性质与清洁程度，进而影响食物安全和健康风险^[8]。土壤重金属含量作为土壤化学性质的一个重要指标，可有效地反映土壤污染状况。空心村土壤理化性质特别是清洁程度对新增耕地的生产能力和产品健康具有重要影响。对空心村土壤重金属污染损失现状进行合理的评价，可有效地指导空心村土壤重金属污染治理和复垦后耕地土壤改良与培肥，对于高标准基本农田建设及土地资源可持续利用具有重要意义。

农村环境污染、保护与治理特别是重金属污染问题已得到学界广泛关注^[9-11]，重点涉及污染时空分析、来源解析、污染评价、生态修复及相关法律和体制机制问题^[12-17]。从关注的区域来看，主要集中在近郊区、骨干交通沿线、集约化农区及养殖集中区等^{[11, 18-20]}，而对乡村聚落空间内的相关研究则相对较少^[11]。近年来有学者开始关注采煤塌陷地复垦中土壤重金属含量及环境风险分析，对复垦村庄土壤重金属污染潜在生态风险评价^[21-22]、污染损失评价^[23]等开展了先导研究。但是，关于以农业生产为主导的传统平原农区村庄内不同类型土壤的重金属含量分析的研究仍然薄弱，难以为空心村整治中的土壤综合利用与后续的清洁生产提供直接支撑。

鉴于此，本研究以位于黄淮海平原典型农区的山东省禹城市为例，对典型空心村的不同类型土体进行取样，测试分析其As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn含量，利用单项污染指数和综合污染指数，按照《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）和《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ 332—2006）对其重金属污染状况进行综合评价，以充分了解空心村整治中构建耕层土体所需土壤的重金属污染状况，进而更好地建设高标准、无污染的复垦农田，营造乡村生产、生活新空间。

禹城市位于山东省西北部黄河冲积平原，气候属暖温带季风气候区，四季分明，光照充足，年均气温13℃，年均降水610 mm，土壤类型以潮土和盐化潮土为主，是我国黄淮海传统农区的典型代表。伦镇地处禹城南部，同样为农业型乡镇，其村庄普遍以农业生产为主，主要种植玉米、小麦等农作物，灌溉主要为引黄灌溉及机井灌溉，乡村地区的非农企业较少，是传统农区没有明显外源性污染的典型乡村。20世纪八九十年代以来该地区的乡村聚落大多急速外扩，空心化问题突出^[2]。

根据利用现状和理化特性的可能差异，传统农区的空心村整治通常主要涉及表 1所示第1~7类土体，本研究还取了第8~10类土壤样品作为比较，基本涵盖了空心村整治中可能涉及的土体类型。2015年4月，选取牌子、杨桥、朱王3个典型空心村，在典型土体区域随机采集表 1所示相关土体的样本，取0~20cm表层土壤。每个样品由3~5个分样组成，各分样混合后用四分法取1.5 kg。经除杂、风干后研磨，过200目筛备用。10类土壤共采集样品70个，每类7个样品。

表 1　传统农区空心村整治涉及的典型土壤类型 Table 1　Types of soils may be involved in rural residential land consolidation of traditional agricultural areas

表选项

将土样混匀后抽取其中适量样品进行砷、镉、铬、铜、镍、铅、锌7项元素的测定。关于镉、铬、铜、镍、铅、锌的测定，首先各称取0.05 g样品，加入6 mL硝酸、3mL氰氟酸、2 mL盐酸，在微波炉消解后，2 mL高氯酸赶酸，定容25 mL；借助ICP-OES（电感耦合等离子体光谱仪，美国PE公司PerkinElmer，5300DV）测定分析铬、铜、镍、铅、锌含量；借助ICP-MS（电感耦合等离子体质谱仪，美国PE公司PerkinElmer，ELAN DRCe）测定分析镉含量。对于砷（As）元素则另行分析，前处理7 mL硝酸，1.2 mL高氯酸，120℃以下加热，定容75 mL，用氰化物发生法，借助原子荧光光度计（北京海光仪器公司，AFS-9780双道原子荧光光度计）进行测定。测试工作委托中国科学院地理科学与资源研究所理化分析中心完成。

本研究采用土壤重金属污染状况评价研究常用的对比分析法进行评价分析。先将污染负荷与区域背景值比较，分析其差异和变异特征；然后将污染负荷与国家土壤环境质量标准进行比较，计算单因子污染指数和综合指数，评判其污染程度。

通过单因子评价，可以确定主要的重金属污染物及其危害程度。一般以污染指数来表示，以重金属含量实测值和评价标准相比除去量纲来计算污染指数。计算方法如下：

(1)

式中：P_i为某污染物i的单项污染指数；C_i为污染物i的实测值；S_i为污染物 i的评价标准。若P_i>1表明土壤受到污染物i的污染；P_i ≤1则表示未受到污染物i的污染；P_i值越高则污染程度越高。

单因子指数只能反映各重金属元素各自的污染程度，不能全面地反映土壤的污染状况，综合污染指数兼顾了单因子污染指数平均值和最高值，可以突出污染较重的重金属污染物的作用。计算方法如下：

(2)

式中：P _综为土壤重金属综合污染指数；P_i平均为各土壤重金属单项污染指数的平均值；P_i最大为各土壤重金属单项污染指数中的最大值。

参照《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）和《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ 332—2006）设定评价标准值。根据《土壤环境质量标准》（GB15618—1995），土壤质量分3个等级：（1）一级标准，为保护区域自然生态、维持自然背景的土壤环境质量的限制值，以评价区域土壤诸元素背景值为基准；（2）二级标准，为保障农业生产、维护人体健康的土壤限制值。鉴于多数重金属元素即使在不影响植物生长的浓度下，也易被植物富集，进入食物链危及人类健康，二级主要针对几种毒性较大的元素（如汞、镉、铅等）制定诸元素土壤限制值，保证土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染，常被用于环境质量评价，以判别评价区域是否受污染；（3）三级标准，为保障农林生产和植物正常生长的土壤临界值。第三级标准依据生态与环境效应应试结果，制定出不至于明显产生毒害症状的土壤污染物限制浓度。本研究选用二级标准的“6.5≤pH≤7.5”段各污染物标准，该标准值与《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ 332—2006）基本衔接，Pb采用后者提供的更为严格的参数标准。标准值设定情况见表 2，污染指数的分级标准见表 3。

表 2　土壤环境质量评价标准（mg·kg^-1） Table 2　Soil environmental quality evaluation standard(mg·kg^-1)

表选项

表 3　土壤污染指数分级标准 Table 3　Soil pollution grading standard

表选项

由于土壤重金属污染的非均匀性，通过对70个样本的490个数据进行初步分析处理，得到7种重金属元素的极大值、极小值、均值、标准差和变异系数，见表 4。由表 4可见：（1）Ni的变异系数最大，Cr、Zn和Cu次之，说明此类重金属在样品间的差异性较高，而Pb、Cd和As的变异系数相对更小，说明其样品间的差异性更小；（2）从土壤重金属元素的含量与山东省土壤背景值的比值来看，除Pb外其余6种元素的比值均大于1，尤以Cd和Ni相对较高（>1.7），这表明当地空心村内的土壤中重金属特别是Cd、Ni的积累受外源因素的影响较大。

表 4　测试土样各类重金属含量及其与背景值的比较（mg·kg^-1） Table 4　Comparison of heavy metal content of testing soils and its background value(mg·kg^-1)

表选项

参照表 2的计算标准和表 3的分级标准，进行各类土壤样品的重金属含量评价（表 5）。就不同的重金属类型而言，受试土样仅Ni的污染指数略高于0.7，其他重金属的污染指数均小于0.7，表明总体而言重金属含量尚未达到污染的程度。

表 5　受试土样的重金属总体污染指数 Table 5　Overall heavy metal pollution index of all of the soilsimples

表选项

由图 1可见：（1）10种土壤样品的总体的重金属含量（总体平均值），除Ni为“较清洁”水平外，其余均达到“清洁”水平；（2）就不同类型重金属而言，仅蔬菜大棚和院落农地的Ni含量指数略大于1属“轻度污染”，村内道路和院落实土的Ni含量指数为0.85属“较清洁”；（3）整体而言，除院落农地的Ni含量指数略大于1，属“轻度污染”外，案例区在空心村整治中可能涉及到的村内道路、晾晒场院、坑塘底泥、林地表土、院落实土、土墙墙体等样品的重金属含量均未超标，风险较低。

图 1 不同类型土壤样品的各类重金属污染指数 Figure 1　Heavy metal pollution index of typical soil simples

图选项

从不同类型土壤样品的综合污染指数（表 6）来看：（1）蔬菜大棚土壤受Ni超标及单项污染指数的均值普遍较高的影响，综合污染指数为1.013，略大于1，属“轻度污染”；（2）院落农地和院落实土受Ni含量较高的影响，综合污染指数介于0.7和1之间，属“较清洁”；（3）其余受试样品的综合污染指数均小于0.7，属于“清洁”的安全等级。总体而言，空心村综合整治复垦还田及其高标准农田建设所需土体安全清洁。

表 6　不同类型土壤样品的重金属污染评价结果 Table 6　Heavy metal pollution index and grade of typical soil simples

表选项

本研究从土地资源的工程化、再利用视角，揭示了平原农区空心村整治时可能涉及的不同类型土壤样品的重金属污染程度。总的来看，受试样品污染程度低于国家标准，所涉土体均可用于耕层土体构建。进一步开展不同类型土壤污染程度、物理结构、养分含量的耦合研究，特别是级配和空间运筹，即可为空心村整治中的土体优化配置提供更为精准的科学参考。

空心化村庄的地域类型多样，土体特征也存在差异性，空心村整治工程需因地制宜。对于山地丘陵区、城市近郊区等类型区域的空心村整治而言，也可参照本类型划分和分析方法，必要时可结合本区域的村庄土地利用、土壤理化特性，提出更为科学合理的划分方案，进而开展污染程度评价、物理结构分析、养分含量测试和综合整治方案研制。

分析评价发现，蔬菜大棚土壤和院落农地存在轻度Ni污染，经调查了解，Ni污染很可能源于施肥不合理、废弃物堆积等不合理耕作习惯，使Ni及其化合物进入农业土壤并积累。事实上，土壤中Ni轻度污染的现象较为普遍，可能源于不合理的种植过程^[24-27]。应加强农田和村庄的污染监测，并着力引导农民在生产、生活中科学用地。

本研究的取样测试分析发现：

（1）研究区受试土样的Ni、Cr、Zn和Cu含量样品间差异相对较大，除Pb外，As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn含量均值都略高于山东省土壤背景值；

（2）10种受试土壤样品的总体的重金属含量，仅Ni的污染指数为0.85，其余重金属的综合污染指数均＜0.7，表明研究区受试土样的各类重金属含量尚未达到污染层级；

（3）除院落农地的Ni含量指数略大于1，属“轻度污染”外，案例区在空心村整治复垦还田与高标准农田建设中可能涉及到的村内道路、晾晒场院、坑塘底泥、林地表土、院落实土、土墙墙体等样品的重金属含量均未超标，重金属污染不明显；

（4）蔬菜大棚和院落农地的Ni含量为“轻度污染”，说明此类高强度耕作农田土壤存在重金属污染风险，应引起重视。