以地理信息系統為基礎的農業地質環境研究

胡品

摘要：根據地理信息系統（GIS）制圖方法對四川省內江市雙橋鄉農業地質環境進行分析。結果表明，雙橋鄉土壤Cr、Cu、Hg、Pb、As元素含量較低，大部分符合地質環境一級標準；Zn、Ni、Cd元素含量較高，但也符合地質環境質量二級標準。通過疊加法將8種重金屬元素綜合考慮得到雙橋鄉絕大部分土壤區域為Ⅱ類土壤，所占比例在97%左右。對土壤肥力分析可知，雙橋鄉土壤全鉀含量富足，有機質碳與全氮含量水平一般，土壤全磷含量整體水平偏低，在種植水稻過程中需多施加含磷化肥。

關鍵詞：地理信息系統；農業地質環境；重金屬元素

中圖分類號：X141 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）07-1245-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.07.012

Agricultural Geological Environment Monitoring Based on

Geographic Information System

HU Pin

（Faculty of Geomatics， East China Institute of Technology， Nanchang 330000， China）

Abstract： The agricultural geological environment of Shuangqiao township， Neijiang city， Sichuan province was analyzed by the geographic information system（GIS） mapping method. The results showed that the content of Cr， Cu， Hg， Pb， As in study area was low， and the most soil belonged to the first standards of geological enviromental quality； the contents of Zn， Ni and Cd was relative high， but kept within the secondary standards. The results of comprehensive assessment on soil heavy metal by the superposition of 8 heavy metals showed that the most soil area of Shuangqiao township belonged to grade II soil， the proportion was about 97%. The analysis results of soil fertility indicated that soil total potassium content was rich， organic carbon and total nitrogen content was normal level， and total phosphorus content was low， so phosphorus fertilizer should be applied more during rice cultivation.

Key words： geographic information system； agricultural geological environment； heavy metal elements

隨著計算機軟件技術發展，地理信息系統（GIS）已經越來越多地被運用到農業地質數據處理之中。GIS在進行環境治理與監測、制定應急預案以及防止自然災害方面發揮了日益重要的作用。農業地質數據分析主要包括定量分析與定性分析。定性分析是運用歸納演繹法對數據進行抽象概括與總結，對獲取的材料進行思維加工，進而去粗取精、去偽存真、由表及里揭示數據內在規律[1]。定量分析則是建立數學模型，通過法則計算分析對象的各個指標，定量分析是將研究對象內部關系以及外部環境以數字或公式表達出來，對研究對象得到一個精確的理性結果。在農業地質環境數據分析中，各重金屬元素間存在相互關聯，難以得到所需要的各種標準數據，導致結果誤差[2，3]。本研究將定量分析與定性分析結合起來，根據規范標準將地質環境分為3類，采用地理信息系統（GIS）制圖方法對四川省內江市雙橋鄉農業地質環境進行分析，首先結合GIS原理給出了制圖基本方法，然后根據樣本數據繪制得到二維直觀評價圖，旨在為農業地質環境評價提供參考。

1 材料與方法

1.1 區域概況

四川省內江市雙橋鄉轄區地質結構簡單，為第四系河流松散堆積層。地勢東北高西南低，海拔330～473 m，地貌以中、低丘陵為主，多為階梯狀與饅頭狀，谷寬100～200 m，平地少，坡地多。區域內富含鈣、鎂鹽質物質，土壤pH中性，通透性好，適宜多種經濟作物生長，但由于土壤坡度較大導致水土流失嚴重，肥力降低，土層變薄。由于發展水稻基礎條件較好，故目前多以種植冬水稻為主，年種植一季水稻。本研究農業地質環境以水稻為基礎。參照地質環境質量評價二級標準（GB 15618-95），將水田地質環境質量分為3個等級，如表1所示。

1.2 數據采集

采集雙橋鄉區域內294組水稻根系土樣品，測定各樣品根系土元素含量。

1.3 基于GIS的制圖方法

以水稻根系元素含量為指導，結合數據的空間統計方法及繪圖矢量軟件展開農業地質環境分析。空間統計分析核心為認識地理位置與數據之間的空間依賴性，或自相關程度，涉及空間權重構建、空間自相關性與檢驗相關性分析?？臻g自相關反映一個區域單元某一屬性與鄰近區域單元同一屬性值的相關程度，也反映某一屬性觀測數據間的潛在依賴性，是一種有效的分析技術[4]。自相關分為正相關與負相關，正相關指位置緊密的觀測單元傾向于相似，負相關指的是位置緊密的觀測單元傾向于相反，本研究運用數據空間統計方法的正相關性。

由于全局統計不易發現位于不同區域的空間關聯模式，必須運用局部自相關系數，通常采用局部Moran指數計算局部空間相關系數[5]。局部相關指數LISA是能夠滿足以下兩種要求的統計量：①每個區域單元LISA是描述周圍顯著相似值的空間集聚程度指標；②所有觀測值LISA之和與全局空間聯系指標成正比。一個LISA對應的局部統計關系表達式為：

■Li=？姿？撰 （1）

式中，Li 為空間相關局部指標，？撰為空間相關全局指標，？姿為比例因子。

局部Moran指數Ii是局部LISA的一個特例，具備公式（2）中的含義。

Ii=■ （2）

式中，Xi為區域i的觀測值，Xj為區域j的觀測值，■為樣本均值，Wij為空間權重矩陣。檢驗統計量可對有意義的局部空間關聯進行顯著性檢驗，局部Moran指數檢驗公式為：

Z（Ii）=■ （3）

式中，Z（Ii）為檢驗值，E（Ii）為樣本數據期望值，VAR（Ii）為樣本方差。

E（Ii）=W/（n-1） （4）

VAR（Ii）=■-E（Ii）2 （5）

其中，Wi=■Wij，Wi（2）=■Wij2，

b2=n■。

通過局部Moran指數檢驗公式做出散點圖研究局部空間不穩定性，散點圖用于數據的二維可視化，形成初步可觀察示圖，然后結合MapGIS軟件以及模糊綜合評價進行下一步的圖像數據處理[6-8]。

2 結果與分析

2.1 土壤各重金屬元素含量

參照地質環境質量標準（GB 15618-1995）以及樣本數據對測試區土壤元素含量進行分析，首先根據國標（GB 15618-1995）將土壤分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類。Ⅰ類土壤重金屬元素含量值接近背景值未受后期污染，是最接近原始自然環境的土壤[9]；Ⅱ類土壤重金屬存在積累狀況，但不對植物與環境造成污染傷害；Ⅲ類土壤重金屬積累已超過臨界值，此類土壤種植的作物危害人體健康。根據表層土壤樣品數據，得到區域內As、Hg元素含量所受污染情況最小，幾乎全部為Ⅰ類土，其余6種重金屬分別受到不同程度的污染，基于GIS重金屬評價獲取各元素分級面積及所占比例，具體見表2。

由表2可知，土壤As元素含量范圍為2.2～8.3 mg/kg，平均含量5.0 mg/kg，全區含量低，為Ⅰ類土壤區；Cr、Cu、Hg、Pb含量較低，Ⅰ類土壤面積所占比例均在94%以上；土壤Cd元素含量較高，均為Ⅱ類；土壤Zn和Ni元素Ⅱ類土壤所占比例較大。其中，Zn含量范圍在64.5～123.6 mg/kg，平均為91.0 mg/kg，Ⅰ類土壤區面積為783.9 hm2，Ⅱ類土壤區面積為438.9 hm2，分別占總面積的59.0%與41.0%，具體分布情況如圖1所示。土壤元素Ni含量較高，范圍在23.6～52.6 mg/kg，均值為38.2 mg/kg，觀測區域內主要為Ⅱ類土壤，占總面積的73.8%，存在少量Ⅲ類土壤，面積2.4 hm2，占總面積的0.2%，Ⅲ類土壤區域集中分布于馬龍村附近，其余區域為Ⅰ類土壤，占總面積的26.0%，具體分布情況如圖2所示。從總體上來說，雙橋鄉As、Cr、Cu、Hg、Pb 5種金屬元素含量較低，大部分符合地質環境質量一級標準，Zn、Ni、Cd含量相對較高，但也符合地質環境質量二級標準。

2.2 土壤重金屬綜合評價

綜合評價是將As、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn、Ni、Cd 8種元素含量進行標準化處理后采取數據空間疊加方式編制重金屬綜合評價空間信息圖像[10]。疊合原則為量變引起質變，8種元素分別單獨考慮時為Ⅰ類土壤，當8種元素疊合考慮時，區域可能由Ⅰ類土壤變換為Ⅱ類土壤甚至Ⅲ類土壤?？紤]樣本數據Cd元素的異常分布特征，在進行疊合考慮綜合評價時分為剔除與不剔除Cd元素兩種情況，通過MapGIS軟件進行數據處理得到土壤重金屬評價情況，見表3、圖3、圖4。

綜合評價結果顯示，在剔除Cd元素情況下， Ⅰ類土壤區域所占比例僅為0.2%，絕大部分土壤區域為Ⅱ類土壤，所占比例高達98.1%，存在少量Ⅲ類土壤區域，所占比例為1.3%，Ⅲ類土壤區域主要分布于馬龍村附近（圖3）；在加入Cd元素情況下，Ⅰ類土壤區域完全消失，Ⅲ類土壤區域所占比例增大為3.5%，其余區域為Ⅱ類土壤，所占比例為96.5%（圖4）。

2.3 土壤肥力評價

土壤肥力是土壤生物性質的綜合反映，土壤中有機質碳、全氮、全磷、全鉀含量是評價土壤肥力的重要性指標[11]，根據四川省項目“金土地工程”中農業地質調查成果確定分級評價標準，具體見表4。

通過GIS數據處理得到各元素分級面積及所占比例，具體見表5，分布情況見圖5～圖8。雙橋鄉土壤有機質碳含量主要在四級水平，占55.8%，五級水平占38.1%，有小部分二級、三級和六級區域，說明有機質碳含量在整體區域內跨度較大，但分布較為均勻，主要在四級、五級水平；土壤全氮含量主要分布在三級、四級水平，分別占51.3%與42.3%，由此可見土壤全氮含量中等肥力區占到了93.6%。土壤全磷含量主要分布在四級水平，所占比例為76.4%，五級區域所占比例為23.3%，說明土壤全磷含量整體水平偏低，在種植水稻過程中可適當施加含磷化肥，提高土壤肥力。土壤全鉀含量主要分布在二級水平，所占比例高達85.3%，說明雙橋鄉土壤鉀含量均衡，且為高水平，利于農作物生長。

3 結論

以四川省內江市雙橋鄉為研究對象，對采集的樣本數據結合地理信息系統進行分析，得出以下幾點結論。

1）根據GIS原理以及樣本數據給出了數據處理方法，并根據樣本數據得到了各元素二維直觀評價圖，為觀察數據規律做出了貢獻。

2）土壤單項重金屬含量評價結果表明，Cr、Cu、Hg、Pb、As含量較低，在整個雙橋鄉大部分為Ⅰ類土壤區；Zn、Ni、Cd元素含量相對較高，但也符合地質環境質量二級標準。

3）將8種重金屬元素綜合考慮，進行土壤重金屬綜合評價得到雙橋鄉絕大部分土壤區域為Ⅱ類土壤，在剔除Cd元素情況下，Ⅱ類土壤所占比例高達98.1%；在不剔除Cd元素情況下，Ⅱ類土壤所占比例為96.5%。

4）根據土壤肥力評價得出，雙橋鄉土壤有機質碳與全氮含量水平一般，土壤全鉀含量富足，土壤全磷含量整體水平偏低，全磷含量主要分布在四、五級水平，所占比例高達99.7%，在種植水稻過程中需多施加含磷化肥。

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