基于地理信息系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測研究
——以江西省余干縣為例

劉德元，楊嘉琳，孫新華，岑世宏，張卓然

(1.河南省煤田地質(zhì)局資源環(huán)境調(diào)查中心，河南鄭州 450003；2.華北水利水電大學(xué)外國語學(xué)院，河南鄭州 450046；3.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 451150；4.河南省煤田地質(zhì)局物探測量隊(duì)，河南鄭州 450000)

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基于地理信息系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測研究
——以江西省余干縣為例

劉德元1，楊嘉琳2，孫新華1，岑世宏3，張卓然4

(1.河南省煤田地質(zhì)局資源環(huán)境調(diào)查中心，河南鄭州 450003；2.華北水利水電大學(xué)外國語學(xué)院，河南鄭州 450046；3.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 451150；4.河南省煤田地質(zhì)局物探測量隊(duì)，河南鄭州 450000)

[目的]運(yùn)用地理信息系統(tǒng)監(jiān)測與評價農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境狀況。[方法]以余干縣為例，將數(shù)據(jù)空間統(tǒng)計(jì)方法與模糊綜合評價法融入農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測方法中，運(yùn)用ArcGIS 10.2軟件分析了土壤養(yǎng)分分布情況。[結(jié)果]余干縣表層95.32%的面積土壤為一類土壤(未被污染土壤)，4.68%的面積為二類土壤(輕度污染土壤)，土壤整體上缺乏速效鉀。[結(jié)論]地理信息技術(shù)為農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測與評價提供了新方法。

地理信息系統(tǒng)；空間統(tǒng)計(jì)；土壤有機(jī)質(zhì)；農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境

地理信息系統(tǒng)(GIS)是一門綜合性學(xué)科，涉及內(nèi)容廣泛，是在計(jì)算機(jī)軟件、硬件支持下對空間地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、分析、運(yùn)算、顯示描述的技術(shù)系統(tǒng)[1]。GIS技術(shù)可借助于計(jì)算機(jī)工具將地理分析功能與地圖這種視覺化效果集成在一起，得到數(shù)據(jù)規(guī)律的直觀顯示[2]。地理信息作為一種特殊信息，源于地理數(shù)據(jù)，地理數(shù)據(jù)表征環(huán)境中的重要要素數(shù)量、質(zhì)量及分布規(guī)律。地理數(shù)據(jù)包括屬性特征數(shù)據(jù)、空間位置特征數(shù)據(jù)以及時域特征數(shù)據(jù)，這3種特征數(shù)據(jù)構(gòu)成了地理空間分析三大要素[3]。近年來，處理地理信息的技術(shù)日益完善，主要包括數(shù)字化技術(shù)、存儲技術(shù)、空間分析技術(shù)、環(huán)境預(yù)測模擬計(jì)算、可視化技術(shù)[4]。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展依賴于農(nóng)業(yè)地質(zhì)背景與土壤營養(yǎng)及生物工程技術(shù)。農(nóng)業(yè)地質(zhì)可通過優(yōu)化土壤常量組分與微量元素比例[5]，使其向綠色農(nóng)業(yè)、精細(xì)農(nóng)業(yè)、有機(jī)農(nóng)業(yè)發(fā)展。筆者結(jié)合GIS技術(shù)中的空間分析技術(shù)及可視化技術(shù)，以江西省余干縣土壤元素為調(diào)查對象，以區(qū)域地球化學(xué)勘查技術(shù)為主要手段，對地質(zhì)條件進(jìn)行監(jiān)測，旨在為農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1樣品采集對余干縣境內(nèi)土壤進(jìn)行樣本采集化驗(yàn)。表層土壤樣品采集密度為每4 km2(0～20 cm)采集1個點(diǎn)，深層土壤采集密度為每16 km2(150～200 cm)采集1個點(diǎn)，共采集得到表層和深層土壤樣品752件。土壤化學(xué)樣品分析指標(biāo)包括As、Cd、Cr 、Cu、Hg、N、Ni、P、Pb、S、Zn、MgO、CaO、K2O與pH，通過化學(xué)方法測得各樣本土壤中的元素含量。表1 為各元素化學(xué)特性參照標(biāo)準(zhǔn)。

表1　各元素參照標(biāo)準(zhǔn)值

1.2數(shù)據(jù)的空間統(tǒng)計(jì)方法空間統(tǒng)計(jì)方法適合處理地理區(qū)域及離散化的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，空間統(tǒng)計(jì)核心技術(shù)是空間數(shù)據(jù)分析，主要包括空間權(quán)重矩陣構(gòu)建、空間相關(guān)性分析及數(shù)據(jù)檢驗(yàn)[6]。通過空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法，研究余干縣土壤金屬含量情況，便于全面了解余干縣農(nóng)業(yè)地質(zhì)情況。空間自相關(guān)性反映區(qū)域單元與鄰近區(qū)域單元同一屬性值的相關(guān)程度，也反映2個觀測數(shù)據(jù)之間的潛在依賴性。在地理空間中，正空間自相關(guān)是指位置緊密連接的觀測單元傾向于相似(圖1a)，負(fù)空間自相關(guān)是指位置相近的觀測單元與位置較遠(yuǎn)觀測單元進(jìn)行比較(圖1b)。

注：a為正空間自相關(guān)；b為負(fù)空間自相關(guān)。Note: a was the positive spatial autocorrelation; and b was negative spatial autocorrelation. 圖1　空間自相關(guān)示意Fig.1　Spatial autocorrelation

GIS系統(tǒng)生成的拓?fù)潢P(guān)系提供了空間臨近關(guān)系度量，權(quán)重矩陣建立時采取鄰接標(biāo)準(zhǔn)或距離標(biāo)準(zhǔn)，如式(1)所示，n個位置空間鄰接關(guān)系通常用1個二元對稱空間矩陣Wn×n:

(1)

定義二進(jìn)制空間權(quán)重矩陣如下：

(2)

空間權(quán)重矩陣選取二進(jìn)制空間權(quán)重矩陣，以實(shí)際空間鄰接關(guān)系為例說明空間矩陣定義，圖2中空間排列情況為9個區(qū)域。

圖2　空間排列鄰接關(guān)系Fig.2　Diagram of spatial arrangement adjacency relation

1.3模糊綜合評價對于空間數(shù)據(jù)分析，采用模糊綜合評價法。模糊數(shù)學(xué)理論更具備優(yōu)勢，模糊集、隸屬度及隸屬函數(shù)是模糊數(shù)學(xué)三大概念[7]。模糊集是指邊界模糊的集合，其各元素關(guān)聯(lián)關(guān)系用隸屬度表示，隸屬度∈[0,1]，表示屬于該模糊集，隸屬度為1，表示完全不屬于該模糊集。隸屬函數(shù)表示元素與隸屬度之間的解析函數(shù)，針對不同模糊集建立不同隸屬函數(shù)。針對該研究的重金屬元素含量建立的隸屬函數(shù)如下式所示:

(3)

式中，yi為第i個因素隸屬度；ui為樣品i金屬含量觀測值；ci為標(biāo)準(zhǔn)值(表1)；ut為標(biāo)準(zhǔn)下限值。在模糊綜合評價方法中，一般包涵多個評價指標(biāo)，筆者選取4個評價指標(biāo)，分別為土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀。模糊評價模型有3種：加法模型、乘法模型以及綜合模型，筆者選取加法模型，計(jì)算公式如下：

(4)

式中，W為綜合評價值；ai為評價指標(biāo)權(quán)重；pi為評價指標(biāo)隸屬度。根據(jù)GIS空間統(tǒng)計(jì)方法，對不同評價指標(biāo)進(jìn)行圖層疊加，進(jìn)而形成一個綜合評價指標(biāo)。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤化學(xué)特性

2.1.1土壤pH。從圖3、4可以看出，深層土壤與表層土壤pH具有相似的分布規(guī)律，深層土壤呈弱酸性，表層土壤呈酸性，由表及深酸性逐步減弱，并沒有突變等異常現(xiàn)象，符合自然界規(guī)律，說明余干縣土壤pH整體穩(wěn)定，并未受人類活動影響。在區(qū)域分布上，余干縣北部深層土壤呈中性(pH6.4～7.5)，社庚—九龍—大溪—白馬橋—古掉—東塘—區(qū)域呈酸性(pH4.4～5.5)，其余地方呈弱酸性(pH5.4～6.5)。

圖3　表層土壤pH分布情況Fig.3　Distribution of pH in surface soil

圖4　深層土壤pH分布情況Fig.4　Distribution of pH in deep soil

2.1.2土壤全氮。查閱資料可知，余干縣深層土壤氮含量背景值為586.0 mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)離差為282，表層土壤背景含量為1 369.6 mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)離差為497.2。從圖5、6可以看出，余干縣表層至深層土壤全氮出現(xiàn)了強(qiáng)烈的富集現(xiàn)象，這是由于人類補(bǔ)給造成的結(jié)果。在空間分布上，表層與深層土壤全氮含量具備不同區(qū)域化學(xué)分布特性，這是由于深層土壤全氮含量受土母巖成巖環(huán)境制約，表層受到人為等外部干擾較大。從地域來看，余干縣深層土壤全氮含量最高值出現(xiàn)在康山墾殖場與黃金埠，表層土壤全氮含量最高值出現(xiàn)在古埠鎮(zhèn)，向外全氮含量逐步降低。

圖5　表層土壤全氮分布情況Fig.5　Distribution of total nitrogen in surface soil

圖6　深層土壤全氮分布情況Fig.6　Distribution of total nitrogen in deep soil

2.2土壤環(huán)境質(zhì)量評價該研究根據(jù)相關(guān)規(guī)范《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》選取表層土壤中的Cd、Re、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni微量元素作為評價指標(biāo)，對表層土壤環(huán)境進(jìn)行綜合評價，運(yùn)用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價法[8]，計(jì)算土壤污染指數(shù)：

(5)

式中，P為土壤污染綜合指數(shù)；Pi為土壤i元素污染指數(shù)；n為土壤參與評價的污染元素種類；(Pi,max)2為元素污染指數(shù)最大值的平方。

《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定P<1，為未受污染；13，為重度污染。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合圖7可知，余干縣表層土壤總體環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良，一類土壤(未污染土壤)分布面積為2 227.82km2，占總面積的95.32%，二類土壤(輕度污染土壤)分布面積為109.28km2，占總面積的4.68%。輕度污染主要分布在信豐墾殖場、東塘鄉(xiāng)，主要原因是As、Cd超標(biāo)。

圖7　余干縣表層土壤環(huán)境質(zhì)量Fig.7　Comprehensive evaluation of surface soil environmental quality in Yugan County

根據(jù)表層土壤有機(jī)質(zhì)、N、P、K數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用ArcGIS中的Summrize功能統(tǒng)計(jì)分析土壤養(yǎng)分豐缺情況。

由表2和圖8～11可知土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量及區(qū)域分布情況。①有機(jī)質(zhì)。余干縣區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量總體較高，88.18%的土壤為適度-富足有機(jī)質(zhì)土壤，主要分布在古埠鎮(zhèn)、玉亭鎮(zhèn)、瑞洪鎮(zhèn)、三塘鄉(xiāng)等地區(qū)，鴛鴦港鄉(xiāng)土壤有機(jī)質(zhì)相對缺乏。②堿解氮。區(qū)域總面積的 97.28%為適度-富足堿解氮地區(qū)，主要分布在玉亭鎮(zhèn)、瑞洪鎮(zhèn)地區(qū)，堿解氮缺乏地區(qū)為鴛鴦港鄉(xiāng)。③有效磷。區(qū)域總面積的 87.84%為適度-富足有效磷地區(qū)，主要分布在康山鄉(xiāng)、瑞洪鎮(zhèn)、信豐墾殖場，洪家嘴鄉(xiāng)土壤有效磷含量偏低。④速效鉀。僅區(qū)域總面積的 25.87%為適度-富足速效鉀地區(qū)，主要分布在瑞洪鎮(zhèn)地區(qū)，大多數(shù)地區(qū)表現(xiàn)為缺乏現(xiàn)狀，楊掉鄉(xiāng)土壤速效鉀含量最低，占區(qū)域總面積的2.85%。

表2　余干縣土壤養(yǎng)分豐缺狀況

圖8　土壤有機(jī)質(zhì)含量分布情況Fig.8　Distribution of organic matter content in soil

圖9　土壤堿解氮含量分布情況Fig.9　Distribution of the content of alkali-hydrolyzable nitrogen in soil

圖10　土壤有效磷含量分布情況Fig.10　Distribution of available phosphorus content in soil

圖11　土壤速效鉀含量分布情況Fig.11　Distribution of the content of rapidly available potassium in soil

3　結(jié)論

(1)將數(shù)據(jù)空間統(tǒng)計(jì)方法與模糊綜合評價引入農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測方法中，結(jié)合ArcGIS10.2軟件得出了各土壤養(yǎng)分分布情況，為農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測提供了新方法。

(2)監(jiān)測結(jié)果表明，余干縣表層土壤總體環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良，一類土壤(未污染土壤)分布面積為2 227.82 km2，占總面積的95.32%，二類土壤(輕度污染土壤)分布面積為109.28 km2，占總面積的4.68%。對土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量以及區(qū)域分布情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明余干縣農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境整體上缺乏速效鉀。

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Agricultural Geological Environment Monitoring Based on Geographic Information System—A Case of Yugan County in Jiangxi Province

LIU De-yuan1,YANG Jia-lin2, SUN Xin-hua1et al

(1.Resources and Environment Investigation center of Henan Provincial Coalfield Geology Bureau，Zhengzhou，Henan 450003; 2.School of Foreign Studies,North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou, Henan 450046)

[Objective] To monitor and evaluate the agricultural soil environment status by Geographic Information System. [Method] With Yugan County as a case, spatial statistic method and fuzzy comprehensive evaluation method were integrated into the agricultural geological environment monitoring method. ArcGIS10.2 software was used to analyze the nutrient distribution in soil. [Result] 95.32% surface area of soil in Yugan County belonged to first-grade soil (not polluted); 4.68% area was second-grade soil (slightly polluted). Soil was lack of rapidly available potassium in Yugan County. [Conclusion] Geographic Information System provides new method for the monitoring and evaluation of agricultural geological environment.

Geographic Information System; Spatial statistics; Soil organic matter; Agricultural geological environment

劉德元(1964- )，男，河北魏縣人，高級工程師，從事地質(zhì)工程研究。

2016-06-08

S 181.3

A

0517-6611(2016)20-056-04