徐曉嘉,雷國(guó)平,張 慧,王元輝

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,哈爾濱 150030）

土壤肥力質(zhì)量是土壤提供植物養(yǎng)分和生產(chǎn)生物物質(zhì)的能力,是保障糧食生產(chǎn)的根本[1]。土壤肥力質(zhì)量主要取決于土壤的自然組成部分,同時(shí)也受到來(lái)自利用管理等人類行為的影響。作為一個(gè)復(fù)雜的功能實(shí)體,土壤肥力質(zhì)量不能夠直接測(cè)定,而是主要取決于其地理位置、土壤類型以及土壤本身各種元素間的相互作用,因此,對(duì)影響土壤肥力質(zhì)量的各種元素進(jìn)行空間變異特征分析后,通過(guò)定量的土壤肥力質(zhì)量指標(biāo)來(lái)計(jì)算得到土壤肥力質(zhì)量等級(jí),能夠更加直觀地揭示土壤養(yǎng)分含量及肥力質(zhì)量分布狀況。近年來(lái)采用數(shù)學(xué)的方法對(duì)土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行數(shù)量化評(píng)價(jià),取得了一定的效果,Fuzzy綜合評(píng)判法、指數(shù)和法、聚類分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法等方法的研究與應(yīng)用,使土壤肥力質(zhì)量的研究取得了顯著進(jìn)展[2]。同時(shí),土壤空間變異性研究越來(lái)越受到人們的重視,特別是在土壤養(yǎng)分的管理上,以精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)為中心的養(yǎng)分管理正成為土壤養(yǎng)分管理研究的重點(diǎn)[3]。

松嫩平原位于東北平原的中部,是我國(guó)最好的一熟制作物種植區(qū)和國(guó)家最為重要的商品農(nóng)業(yè)基地之一,該地區(qū)的糧食生產(chǎn)對(duì)于保障國(guó)家糧食安全具有舉足輕重的地位[4]。本文選取黑龍江省松嫩平原南部地區(qū)表層土壤作為研究對(duì)象應(yīng)用地理信息系統(tǒng)軟件對(duì)研究區(qū)內(nèi)土壤肥力元素全量進(jìn)行空間變異特征分析,利用隸屬度函數(shù)模型和加法模型對(duì)研究區(qū)表層土壤進(jìn)行肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià),以期能夠?yàn)檠芯繀^(qū)土地合理施肥、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)以及進(jìn)行區(qū)域內(nèi)縣級(jí)土地質(zhì)量評(píng)價(jià)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省松嫩平原南部,地理坐標(biāo)為東經(jīng) 122°25′-127°45′,北緯 45°35′-48°00′,總面積為8.15萬(wàn)km2。該區(qū)地處中緯度亞洲大陸東岸,屬于中溫帶。冬季在極地大陸氣團(tuán)控制下,氣候嚴(yán)寒干燥;夏季受副熱帶海洋氣團(tuán)的影響,降水集中,氣候溫暖濕潤(rùn),具有明顯的大陸性季風(fēng)氣候特征,因而一年中的太陽(yáng)高度角變化及各季節(jié)間的太陽(yáng)輻射量的變化均較大,致使氣候年變化大,四季分明,冬季漫長(zhǎng)而嚴(yán)寒,夏季短促而炎熱。研究區(qū)內(nèi)共有土壤類型9種,分別是暗棕壤、白漿土、黑土、黑鈣土、草甸土、沼澤土、堿土、風(fēng)砂土、水稻土,其中以黑土、黑鈣土和草甸土為主,這三類土壤約占松嫩平原區(qū)面積的90%以上。

2 土壤樣品采集及數(shù)據(jù)分析

2.1 土壤樣品采集

土壤樣品采集的工作比例尺為1∶250 000,采樣點(diǎn)以1個(gè)點(diǎn)/km2的密度按照網(wǎng)格化布置,按0-20 cm的采樣深度采集表層土壤樣本20 929件。采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 樣點(diǎn)分布圖

土壤樣品的編號(hào)、采樣深度、采樣方法、定點(diǎn)與標(biāo)繪、采樣記錄、重復(fù)樣采集、樣品重量、樣品加工、樣品分析及質(zhì)量監(jiān)控等各項(xiàng)內(nèi)容均按照中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》DD2005-01[5]中土壤表層樣品規(guī)范的要求進(jìn)行。應(yīng)用X射線熒光光譜法等方法對(duì)18種土壤肥力元素全量進(jìn)行分析。

2.2 土壤元素空間變異特征分析

土壤作為歷史自然體,受氣候、生物、母質(zhì)、地形、成土?xí)r間等成土因素的影響,具有復(fù)雜性和時(shí)空變異性,其隨空間位置發(fā)生的變化,被稱為土壤的空間變異[6]。

應(yīng)用Kriging插值方法,分別為各元素全量選擇擬合狀況最好的變異函數(shù)模型對(duì)其進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析。模型選擇合適與否的判斷標(biāo)準(zhǔn)為:預(yù)測(cè)誤差的均值越接近于0,標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測(cè)誤差越接近于1,其他值越小時(shí),其模型擬合狀況越好[7]。

表1為應(yīng)用球形、高斯和指數(shù)等模型,對(duì)研究區(qū)內(nèi)表層土壤元素全量進(jìn)行模型擬合所得到的相應(yīng)參數(shù)。其中塊金值C0通常反映由實(shí)驗(yàn)誤差和小于取樣尺度的施肥、作物種植、管理水平等隨機(jī)性因素引起的變異,結(jié)構(gòu)方差C是由土壤母質(zhì)、地形、氣候等區(qū)域性因素引起的變異,變程a反映了變量空間自相關(guān)的尺度,塊基比C0/C0+C則反映變量的空間自相關(guān)程度,塊基比越小,說(shuō)明元素具有越顯著的空間自相關(guān)性。即利用該元素的原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)性,對(duì)未采樣點(diǎn)區(qū)域化變量的取值進(jìn)行線性無(wú)偏估值的效果越理想。

由表1可看出松嫩平原南部表層土壤絕大部分元素全量的變異受人為因素干擾情況較少,而主要是受其土壤母質(zhì)、地形、氣候等自然因素的影響。

3 土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

研究區(qū)表層土壤肥力指標(biāo)的篩選、指標(biāo)權(quán)重的賦值、隸屬度函數(shù)的選擇計(jì)算以及肥力等別的劃分,均參照中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)技術(shù)要求(試行)》DD2007-XX[8]的標(biāo)準(zhǔn),按照植物生長(zhǎng)對(duì)土壤元素的不同需求,將所有元素分為必需大量、必需中量、必需微量和有益元素4個(gè)指標(biāo)層。同時(shí),考慮到研究區(qū)內(nèi)表層土壤pH值偏高,土壤鹽堿化嚴(yán)重,在評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選過(guò)程中,將pH值對(duì)元素有效量的干擾列為篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)的另一要因,對(duì)各元素全量進(jìn)行綜合分析。

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選

按照第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將N,P,K,Corg4種元素全量劃分為六級(jí);采用全國(guó)土壤背景值(A層)順序統(tǒng)計(jì)量的25%,50%,75%,90%作為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),將 Ca,Mg,S,Fe,Mn,Zn,Cu,B,Mo,Cl,Si,Co,Ni,Na共14種元素全量劃分為五級(jí)。按照以上分級(jí)統(tǒng)計(jì)判斷各元素含量豐缺度,結(jié)合pH值對(duì)肥力元素有效性的影響,綜合考慮各元素空間自相關(guān)性以及元素間相關(guān)性選取評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表1 黑龍江省松嫩平原南部表層土壤指標(biāo)空間變異特征統(tǒng)計(jì)

必需大量元素中P元素全量為嚴(yán)重缺乏,Corg次之;P元素全量具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性;P元素全量在6≤pH≤7時(shí)其有效量最高,最易被植物所吸收,而當(dāng)pH值低于或高于此閾值范圍時(shí),P元素有效量開(kāi)始不斷降低,不易被植物吸收。研究區(qū)內(nèi)僅有19.61%的P元素處于有效量最佳,即從植物營(yíng)養(yǎng)供給的角度分析,P元素處于嚴(yán)重缺乏狀態(tài);最后參考各必需大量元素間的相關(guān)關(guān)系,最終確定必需大量元素中P和Corg為參評(píng)指標(biāo)。

必需中量元素中S元素全量相對(duì)缺乏;Ca,Mg元素全量具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性,S元素全量具有中等空間自相關(guān)性;僅有不到50%的Ca,Mg元素全量處在6.5≤pH≤8.5的有效量最佳狀態(tài),而S元素有效量則受pH值干擾較小;最后考慮到S與Ca之間相關(guān)性十分低,S與Mg之間相關(guān)性較高,因此,確定S和Ca為參評(píng)指標(biāo)。

必需微量元素中Zn,Cu,B,Mo等元素全量缺乏區(qū)面積占到了50%以上,為較嚴(yán)重缺乏;Fe,Mn,Zn,Cu,Cl等元素全量均具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性,全量B,Mo兩元素則具有中等空間自相關(guān)性;全量的Fe,Mn,Zn,Cu四種元素,只有 19.61%的樣本處于6≤pH≤7的有效量最佳閾值范圍內(nèi),在極強(qiáng)酸的土壤中,其可溶性變大,而使植物受到毒害,在石灰性和堿性土壤中植物又往往發(fā)生缺乏現(xiàn)象,全量的B元素只有不到25%的樣本處于5＜pH≤7的有效量最佳閾值范圍,而全量的Mo元素受pH值影響則較小;處于有效量最大狀態(tài);最后考慮到以上各必需微量元素間相相關(guān)關(guān)系,最終確定參評(píng)指標(biāo)為Mo,B,Fe,Cl。

有益元素中只有Co和Ni相對(duì)較為缺乏;各元素均具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性;參考各有益元素間相關(guān)關(guān)系,可知Co,Ni相關(guān)性極高;Si和Na,Co為一般相關(guān),Si與Ni相關(guān)性稍高;Na與Ni,Co的相關(guān)性均較高。最終確定Co,Na為參評(píng)指標(biāo)。

通過(guò)以上綜合分析,最終選取對(duì)研究區(qū)土壤肥力質(zhì)量影響至關(guān)重要的元素作為評(píng)價(jià)指標(biāo),分別是必需大量元素中P與Corg;必需中量元素中的S與Ca;必需微量元素中的Mo,B,Fe和Cl;有益元素中的Co與Na,共10種元素。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

結(jié)合研究區(qū)表層土壤元素的豐缺度分布特征及空間變異性,采用經(jīng)驗(yàn)法和層次分析法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值。將選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu),參考相關(guān)研究中的指標(biāo)權(quán)重值,由下及上對(duì)各判斷矩陣中的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行影響程度的兩兩比較,由判斷矩陣計(jì)算得到所比較元素的單層次權(quán)重,并由準(zhǔn)則層權(quán)重和指標(biāo)層權(quán)重計(jì)算得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終組合權(quán)重值,結(jié)果如表2。

表2 土地地球化學(xué)評(píng)價(jià)不同層次指標(biāo)權(quán)重

經(jīng)檢驗(yàn),中間層要素判斷矩陣的一致性比例CI=0.0123＜0.1;必需大量元素判斷矩陣的一致性比例CI=0.0000＜0.1;必需中量元素判斷矩陣的一致性比例CI=0.0000＜0.1;必需微量元素判斷矩陣的一致性比例CI=0.0226＜0.1;有益元素判斷矩陣的一致性比例CI=0.0000＜0.1。各判斷矩陣均符合一致性檢驗(yàn)。

3.3 隸屬度函數(shù)計(jì)算

首先進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理,為使評(píng)價(jià)的因子具有可比性,需要對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行無(wú)量綱的標(biāo)準(zhǔn)化處理[9]。根據(jù)參評(píng)元素與土壤肥力質(zhì)量成正相關(guān)關(guān)系,選擇戒上型隸屬度模型對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,隸屬度函數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 松嫩平原南部表層土壤肥力指標(biāo)的隸屬度函數(shù)曲線

相應(yīng)的隸屬度函數(shù)為

式中:U——評(píng)估指標(biāo)的上限值;L——評(píng)估指標(biāo)的下限值;x——評(píng)估指標(biāo)的測(cè)定值。

當(dāng)規(guī)定測(cè)定值高于U時(shí)f(x)=1.0,表明該評(píng)價(jià)指標(biāo)值能完全滿足植物生長(zhǎng)所需肥力;當(dāng)規(guī)定測(cè)定值低于L時(shí)f(x)=0.1,表明該評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)植物生長(zhǎng)已表現(xiàn)不出肥力。

對(duì)各元素全量進(jìn)行異常剔除后,應(yīng)用累計(jì)頻率曲線法按照20%,40%,60%,80%的累積頻率值進(jìn)行指標(biāo)分級(jí),分別確定20%和80%的累積頻率值為界限值L和U。

3.4 土壤肥力質(zhì)量綜合指數(shù)確定

應(yīng)用隸屬度函數(shù)模型計(jì)算結(jié)果和各元素權(quán)重閾值,采用加法模型,對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行權(quán)重

式中:P——表層土壤肥力質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)的綜合指數(shù);fi——第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值;Ci——第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

為實(shí)現(xiàn)土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的全國(guó)可比,參照中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)技術(shù)要求(試行)》DD2007-XX[8]中對(duì)土壤肥力質(zhì)量等的劃分標(biāo)準(zhǔn),以0.3和0.7為等別分界值,將表層土壤肥力質(zhì)量分為三等。并與黑龍江省行政區(qū)劃圖疊加,生成1∶200萬(wàn)的表層土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)等別分布圖,如圖3所示。和隸屬度計(jì)算,獲得最終的表層土壤肥力質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)綜合指數(shù)。

圖3 松嫩平原南部表層土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)等別分布圖

其中,肥力質(zhì)量為豐富等的土壤占研究區(qū)總面積的19.19%,適量等占64.56%,缺乏等占16.25%。從表層土壤肥力質(zhì)量的分布中可以看出,表層土壤肥力豐富等主要集中在研究區(qū)中部,其他區(qū)域也有零星分布,肥力適量等主要圍繞肥力豐富等分布,集中于研究區(qū)東部區(qū)域內(nèi),肥力缺乏等則較零散地分布于研究區(qū)西側(cè),其中以肇源縣西側(cè)和杜蒙縣分布較為集中。

4 結(jié)論

應(yīng)用地理信息系統(tǒng)軟件的統(tǒng)計(jì)分析和空間Kriging插值功能,對(duì)研究區(qū)表層土壤元素地球化學(xué)特征進(jìn)行了分析,了解各元素的含量豐缺度和空間變異性特征,研究表明,P,Corg,Zn,B,Mo等元素為嚴(yán)重缺乏,Si元素含量豐富,其他元素含量較為適中;研究區(qū)內(nèi)各元素均具有自相關(guān)性,其中Mo元素塊基比最大為40.5%,仍具有中等自相關(guān)性,說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)各養(yǎng)分元素的變異受自然因素的影響較大。

將pH值對(duì)各元素有效性的影響,一同作為指標(biāo)篩選的判斷依據(jù),避免了只考慮元素全量豐缺度造成的指標(biāo)選擇偏差。同時(shí)應(yīng)用地理信息系統(tǒng)與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法,對(duì)表層土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),使得定量化的評(píng)價(jià)過(guò)程更加直觀,評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀和具有參考價(jià)值。

將松嫩平原南部表層土壤肥力質(zhì)量劃分為3個(gè)等別,肥力豐富等占研究區(qū)面積的19.19%,肥力適量等占64.56%,肥力缺乏等占16.25%。

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