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.華北水利水電大學外國語學院，河南鄭州 450046；3.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學院，河南鄭州 451150；4.河南省煤田地質(zhì)局物探測量隊，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.華北水利水電大學外國語學院，河南鄭州 450046；3.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學院，河南鄭州 451150；4.河南省煤田地質(zhì)局物探測量隊，河南鄭州 450000)

[目的]運用地理信息系統(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；土壤有機質(zhì)；農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境

地理信息系統(tǒng)(GIS)是一門綜合性學科，涉及內(nèi)容廣泛，是在計算機軟件、硬件支持下對空間地理分布數(shù)據(jù)進行采集、存儲、分析、運算、顯示描述的技術(shù)系統(tǒng)[1]。GIS技術(shù)可借助于計算機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)測模擬計算、可視化技術(shù)[4]?，F(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)、精細農(nóng)業(yè)、有機農(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)域地球化學勘查技術(shù)為主要手段，對地質(zhì)條件進行監(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)土壤進行樣本采集化驗。表層土壤樣品采集密度為每4 km2(0～20 cm)采集1個點，深層土壤采集密度為每16 km2(150～200 cm)采集1個點，共采集得到表層和深層土壤樣品752件。土壤化學樣品分析指標包括As、Cd、Cr 、Cu、Hg、N、Ni、P、Pb、S、Zn、MgO、CaO、K2O與pH，通過化學方法測得各樣本土壤中的元素含量。表1 為各元素化學特性參照標準。

表1　各元素參照標準值

1.2數(shù)據(jù)的空間統(tǒng)計方法空間統(tǒng)計方法適合處理地理區(qū)域及離散化的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，空間統(tǒng)計核心技術(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[6]。通過空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法，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)，負空間自相關(guān)是指位置相近的觀測單元與位置較遠觀測單元進行比較(圖1b)。

注：a為正空間自相關(guān)；b為負空間自相關(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)生成的拓撲關(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準或距離標準，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)

定義二進制空間權(quán)重矩陣如下：

(2)

空間權(quán)重矩陣選取二進制空間權(quán)重矩陣，以實際空間鄰接關(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為標準值(表1)；ut為標準下限值。在模糊綜合評價方法中，一般包涵多個評價指標，筆者選取4個評價指標，分別為土壤有機質(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，計算公式如下：

(4)

式中，W為綜合評價值；ai為評價指標權(quán)重；pi為評價指標隸屬度。根據(jù)GIS空間統(tǒng)計方法，對不同評價指標進行圖層疊加，進而形成一個綜合評價指標。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤化學特性

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?，F(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，標準離差為282，表層土壤背景含量為1 369.6 mg/kg，標準離差為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)了強烈的富集現(xiàn)象，這是由于人類補給造成的結(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)量標準》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，對表層土壤環(huán)境進行綜合評價，運用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價法[8]，計算土壤污染指數(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)量標準》中規(guī)定P<1，為未受污染；13，為重度污染。根據(jù)該標準并結(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。

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

由表2和圖8～11可知土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量及區(qū)域分布情況。①有機質(zhì)。余干縣區(qū)內(nèi)土壤有機質(zhì)含量總體較高，88.18%的土壤為適度-富足有機質(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%。對土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量以及區(qū)域分布情況進行了研究，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