黑龍江省松嫩平原南部表層土壤肥力質量評價研究

徐曉嘉,雷國平,張 慧,王元輝

（東北農業(yè)大學資源與環(huán)境學院,哈爾濱 150030）

土壤肥力質量是土壤提供植物養(yǎng)分和生產生物物質的能力,是保障糧食生產的根本[1]。土壤肥力質量主要取決于土壤的自然組成部分,同時也受到來自利用管理等人類行為的影響。作為一個復雜的功能實體,土壤肥力質量不能夠直接測定,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,對影響土壤肥力質量的各種元素進行空間變異特征分析后,通過定量的土壤肥力質量指標來計算得到土壤肥力質量等級,能夠更加直觀地揭示土壤養(yǎng)分含量及肥力質量分布狀況。近年來采用數(shù)學的方法對土壤肥力質量進行數(shù)量化評價,取得了一定的效果,Fuzzy綜合評判法、指數(shù)和法、聚類分析法、灰色關聯(lián)分析法等方法的研究與應用,使土壤肥力質量的研究取得了顯著進展[2]。同時,土壤空間變異性研究越來越受到人們的重視,特別是在土壤養(yǎng)分的管理上,以精準農業(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[3]。

松嫩平原位于東北平原的中部,是我國最好的一熟制作物種植區(qū)和國家最為重要的商品農業(yè)基地之一,該地區(qū)的糧食生產對于保障國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象應用地理信息系統(tǒng)軟件對研究區(qū)內土壤肥力元素全量進行空間變異特征分析,利用隸屬度函數(shù)模型和加法模型對研究區(qū)表層土壤進行肥力質量綜合評價,以期能夠為研究區(qū)土地合理施肥、實現(xiàn)精準農業(yè)以及進行區(qū)域內縣級土地質量評價提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省松嫩平原南部,地理坐標為東經 122°25′-127°45′,北緯 45°35′-48°00′,總面積為8.15萬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控制下,氣候嚴寒干燥;夏季受副熱帶海洋氣團的影響,降水集中,氣候溫暖濕潤,具有明顯的大陸性季風氣候特征,因而一年中的太陽高度角變化及各季節(jié)間的太陽輻射量的變化均較大,致使氣候年變化大,四季分明,冬季漫長而嚴寒,夏季短促而炎熱。研究區(qū)內共有土壤類型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,采樣點以1個點/km2的密度按照網格化布置,按0-20 cm的采樣深度采集表層土壤樣本20 929件。采樣點分布如圖1所示。

圖1 樣點分布圖

土壤樣品的編號、采樣深度、采樣方法、定點與標繪、采樣記錄、重復樣采集、樣品重量、樣品加工、樣品分析及質量監(jiān)控等各項內容均按照中國地質調查局《多目標區(qū)域地球化學調查規(guī)范(1∶250 000)》DD2005-01[5]中土壤表層樣品規(guī)范的要求進行。應用X射線熒光光譜法等方法對18種土壤肥力元素全量進行分析。

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、地形、成土時間等成土因素的影響,具有復雜性和時空變異性,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)模型對其進行空間統(tǒng)計分析。模型選擇合適與否的判斷標準為:預測誤差的均值越接近于0,標準均方根預測誤差越接近于1,其他值越小時,其模型擬合狀況越好[7]。

表1為應用球形、高斯和指數(shù)等模型,對研究區(qū)內表層土壤元素全量進行模型擬合所得到的相應參數(shù)。其中塊金值C0通常反映由實驗誤差和小于取樣尺度的施肥、作物種植、管理水平等隨機性因素引起的變異,結構方差C是由土壤母質、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的尺度,塊基比C0/C0+C則反映變量的空間自相關程度,塊基比越小,說明元素具有越顯著的空間自相關性。即利用該元素的原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結構性,對未采樣點區(qū)域化變量的取值進行線性無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、地形、氣候等自然因素的影響。

3 土壤肥力質量評價指標體系構建

研究區(qū)表層土壤肥力指標的篩選、指標權重的賦值、隸屬度函數(shù)的選擇計算以及肥力等別的劃分,均參照中國地質調查局《土地質量地球化學評價技術要求(試行)》DD2007-XX[8]的標準,按照植物生長對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個指標層。同時,考慮到研究區(qū)內表層土壤pH值偏高,土壤鹽堿化嚴重,在評價指標的篩選過程中,將pH值對元素有效量的干擾列為篩選評價指標的另一要因,對各元素全量進行綜合分析。

3.1 評價指標的篩選

按照第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準將N,P,K,Corg4種元素全量劃分為六級;采用全國土壤背景值(A層)順序統(tǒng)計量的25%,50%,75%,90%作為分級標準,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。按照以上分級統(tǒng)計判斷各元素含量豐缺度,結合pH值對肥力元素有效性的影響,綜合考慮各元素空間自相關性以及元素間相關性選取評價指標。

表1 黑龍江省松嫩平原南部表層土壤指標空間變異特征統(tǒng)計

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

必需中量元素中S元素全量相對缺乏;Ca,Mg元素全量具有強烈的空間自相關性,S元素全量具有中等空間自相關性;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之間相關性十分低,S與Mg之間相關性較高,因此,確定S和Ca為參評指標。

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,為較嚴重缺乏;Fe,Mn,Zn,Cu,Cl等元素全量均具有強烈的空間自相關性,全量B,Mo兩元素則具有中等空間自相關性;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,在極強酸的土壤中,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關系,最終確定參評指標為Mo,B,Fe,Cl。

有益元素中只有Co和Ni相對較為缺乏;各元素均具有強烈的空間自相關性;參考各有益元素間相關關系,可知Co,Ni相關性極高;Si和Na,Co為一般相關,Si與Ni相關性稍高;Na與Ni,Co的相關性均較高。最終確定Co,Na為參評指標。

通過以上綜合分析,最終選取對研究區(qū)土壤肥力質量影響至關重要的元素作為評價指標,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 評價指標權重的確定

結合研究區(qū)表層土壤元素的豐缺度分布特征及空間變異性,采用經驗法和層次分析法對各指標進行權重賦值。將選取的評價指標構建遞階層次結構,參考相關研究中的指標權重值,由下及上對各判斷矩陣中的評價指標進行影響程度的兩兩比較,由判斷矩陣計算得到所比較元素的單層次權重,并由準則層權重和指標層權重計算得到評價指標的最終組合權重值,結果如表2。

表2 土地地球化學評價不同層次指標權重

經檢驗,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。

3.3 隸屬度函數(shù)計算

首先進行評價指標的標準化處理,為使評價的因子具有可比性,需要對評價因子進行無量綱的標準化處理[9]。根據(jù)參評元素與土壤肥力質量成正相關關系,選擇戒上型隸屬度模型對各評價指標值進行標準化,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的隸屬度函數(shù)曲線

相應的隸屬度函數(shù)為

式中:U——評估指標的上限值;L——評估指標的下限值;x——評估指標的測定值。

當規(guī)定測定值高于U時f(x)=1.0,表明該評價指標值能完全滿足植物生長所需肥力;當規(guī)定測定值低于L時f(x)=0.1,表明該評價指標對植物生長已表現(xiàn)不出肥力。

對各元素全量進行異常剔除后,應用累計頻率曲線法按照20%,40%,60%,80%的累積頻率值進行指標分級,分別確定20%和80%的累積頻率值為界限值L和U。

3.4 土壤肥力質量綜合指數(shù)確定

應用隸屬度函數(shù)模型計算結果和各元素權重閾值,采用加法模型,對各評價指標的實測值進行權重

式中:P——表層土壤肥力質量地球化學評價的綜合指數(shù);fi——第i個評價指標的隸屬函數(shù)值;Ci——第i個評價指標的權重。

為實現(xiàn)土壤肥力質量評價結果的全國可比,參照中國地質調查局《土地質量地球化學評價技術要求(試行)》DD2007-XX[8]中對土壤肥力質量等的劃分標準,以0.3和0.7為等別分界值,將表層土壤肥力質量分為三等。并與黑龍江省行政區(qū)劃圖疊加,生成1∶200萬的表層土壤肥力質量評價等別分布圖,如圖3所示。和隸屬度計算,獲得最終的表層土壤肥力質量地球化學評價綜合指數(shù)。

圖3 松嫩平原南部表層土壤肥力質量評價等別分布圖

其中,肥力質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,肥力缺乏等則較零散地分布于研究區(qū)西側,其中以肇源縣西側和杜蒙縣分布較為集中。

4 結論

應用地理信息系統(tǒng)軟件的統(tǒng)計分析和空間Kriging插值功能,對研究區(qū)表層土壤元素地球化學特征進行了分析,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)內各元素均具有自相關性,其中Mo元素塊基比最大為40.5%,仍具有中等自相關性,說明研究區(qū)內各養(yǎng)分元素的變異受自然因素的影響較大。

將pH值對各元素有效性的影響,一同作為指標篩選的判斷依據(jù),避免了只考慮元素全量豐缺度造成的指標選擇偏差。同時應用地理信息系統(tǒng)與數(shù)學模型相結合的方法,對表層土壤肥力質量進行評價,使得定量化的評價過程更加直觀,評價結果更加客觀和具有參考價值。

將松嫩平原南部表層土壤肥力質量劃分為3個等別,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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