基于GIS的南京市溧水區富硒土地資源開發利用研究

鄭先迪， 劉友兆

(南京農業大學 公共管理學院， 江蘇 南京 210095)

隨著國家經濟的發展和科學水平的提高，人們對于自身健康水平也越來越重視，近年來市面上出現了大量補充各類營養元素的食品和保健品。硒作為人體必需微量元素之一，醫學方面的相關研究已經證實其對人體具有免疫調節、抗病毒、化學防癌等作用[1]，癌癥、心腦血管疾病、兒童智力低下、老年癡呆等42種疾病與缺硒有關[2]。常見硒的形態包括無機硒和植物活性硒，無機硒一般指亞硒酸鈉和硒酸鈉，不僅不易被人體和動物吸收，而且具有較大毒性。植物活性硒則是人體和動物允許使用的硒源，一般以硒蛋氨酸的形式存在，攝取高效且安全。由于地殼中硒的分布不均，目前國內外許多地區都屬于缺硒或低硒地區，中國有72%的地區缺硒[3]。新西蘭、芬蘭等國已經通過種植富硒作物和向動物飼料中添加硒來增加人體硒的攝入量，中國也于20世紀80年代開始關于富硒農產品的研究，富硒茶、富硒水、富硒谷物等產品在我國缺硒地區已經投入市場。通過日常食用富硒農產品提高硒的攝入量，對提高缺硒地區人民群眾的健康水平意義重大。茶樹作為天然集硒水平較高的植物，茶葉中80%以上的硒以有機硒的形式存在[4]，更易被人體吸收，研究表明長期飲用富硒茶是補充人體有機硒的有效途徑。而水稻是大部分人的日常主食，富硒水稻除了具有普通水稻的營養成分外，還具有抗癌防癌、延緩衰老、提高人體免疫力等多種功效，是提高人體硒攝取的又一有效途徑。由于國家對開發綠色無公害、有益人體健康的功能性農產品的鼓勵支持，富硒農產品的發展前景廣闊。對江蘇省南京市溧水區富硒土地資源進行科學合理的開發利用，生產并推廣富硒茶、富硒米等產品，有助于幫助改善中國部分地區人民日常飲食中缺硒的現狀。溧水區作為國家重要農業科技基地之一，擁有富硒土地資源，為了能夠有效利用這些資源，本文結合溧水區土壤采樣檢測數據和GIS的空間分析與制圖功能，對溧水的富硒土地資源開發利用進行研究，依據土壤含硒量以及對應土壤pH值劃分出富硒茶、富硒水稻等富硒農產品的適宜種植區，并提出富硒土地資源開發利用建議，為發展當地特色富硒農產品產業提供科學參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

溧水區位于江蘇省南京市南部，地處東經118°53′—119°13′，北緯31°24′—31°48′之間，主要地質地貌為丘陵，是南京的重要副城。全區約43.91萬人，2017年的生產總值達到700億元。溧水管轄區域內有8個鎮，分別為永陽鎮、白馬鎮、東屏鎮、石湫鎮、洪藍鎮、晶橋鎮、和鳳鎮以及開發區，土地總面積為1 067.4 km2。其中位于和鳳鎮的石臼湖水面90.4 km2，中部和東部為丘陵地區，西北和西南為圩區，區內低山丘陵面積占全區土地總面積的76.2%，圩區面積占全區土地總面積的23.8%[5]。溧水區位于長江下游南岸，地處北亞熱帶，因海拔不高，氣候無明顯地域差異，且氣候宜人，溫和濕潤。雨量豐沛，無霜期長，年平均氣溫15.6 ℃、年降水總量1 168.1 mm、年日照時數2 077.4 h，無霜期237 d，適宜糧食蔬果的種植。4.24×104hm2的耕地面積，盛產水稻、小麥、棉花及油類等農作物，山林面積1.47×104hm2，遍布林、桑、茶、果、麻等，有蒼術、沙參、明黨參等500余種中藥材，還有2.76×104hm2的水域面積，魚、蟹、藕等水生動植物資源豐富。溧水區有各類農用地，面積充足，適宜的氣候和地形分布使得溧水區成為優質的農業發展基地，但對于富硒農產品的發展尚沒有形成完整的產業鏈，市場有待開發與完善。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 對溧水研究區的表層土壤進行采樣，取理化性質最為明顯的耕作層土壤作為樣品，深度為0—20 cm，土壤樣品采集位置均選擇在采樣地塊的中間部位，避開溝渠、林帶、路邊、舊房基、糞堆等無代表性地帶[6]，采樣點均勻分布于研究區，根據所屬行政區及順序編號，并利用手持GPS記錄對應采樣點坐標，在研究區范圍內共采集有效土壤樣本5 445個。

1.2.2 樣品處理與檢測 對采集的樣品進行風干，并將大土塊碾碎以加速干燥，同時去除土壤中石子、草根等雜物，風干后用木棍將土壤樣品壓碎，并過2 mm(10目)的尼龍篩。樣品全部過篩混合均勻后，稱取50 g樣品置于干凈的自封袋中，用于后續檢測。

土壤樣品分析測試了As，Cd，Cu，Hg，Pb，Zn，K2O，Se，Ge，N，P，Ph，有機質等多種元素含量和數據，其中土壤樣品中Se含量依據NY1104-2006選取原子熒光光譜法(AFS)測得。該方法作為原子光譜中一種高效分離富集技術，具有靈敏度高、干擾少、速度快等特點，儀器裝置也簡單便捷，易于實現自動化。

1.2.3 特異值處理 為避免測量數據中出現存在較大誤差的數據而影響后期地統計分析的結果，可以采用GS+判斷并剔除不在研究區范圍內的特異值。然后將有效樣點的土壤屬性對應點坐標輸入，在ArcGIS中經過坐標轉換和投影顯示在地圖上，便于后續的空間分析。

1.2.4 地統計與插值分析 采用Excel，SPSS軟件分析采樣點數據的統計學特征，并在ArcGIS地統計學模塊進行土壤硒元素數據的正態分布檢驗，再對溧水土壤含硒量數據進行探索性的空間分析，通過克里金(Kriging)表面預測和結果評估、檢驗其正態分布情況、選取插值方法和理論模型，最后進行空間插值分析。在克里金內插方法中采用高斯、指數和球面模型分別對半方差函數進行擬合，使用交叉驗證統計數據，根據標準平均值越接近于0越好、最小的均方根預測誤差、最接近該誤差的平均標準誤差，以及最接近于1的標準均方根預測誤差的標準選取最合適的模型[7]。

2 結果與分析

2.1 土壤硒元素含量統計分析

利用Excel，SPSS等數據分析處理軟件統計5 445個樣點表層土壤硒元素含量數據。統計結果如表1所示。5 445個樣品中，含硒量最小的僅有0.005 mg/kg，最大值則達到8.572 mg/kg，均值為0.246 mg/kg，整體數據分布呈右偏態。

表1 表層土壤硒含量描述統計

2.2 土壤硒元素空間分析

2.2.1 土壤硒含量正態分布檢驗 在ArcGIS的地統計模塊中對土壤的硒含量進行正態分布檢驗，根據檢驗結果發現，溧水區土壤硒含量在經過對數轉換后基本符合正態分布，符合克里金插值的使用條件，轉換前后分布如圖1—2所示。

圖1 土壤硒含量分布直方圖

圖2 對數轉換后土壤硒含量分布直方圖

2.2.2 土壤硒含量的空間插值 ArcGIS地統計分析模塊中提供空間估值方法，在大量樣本的基礎上，通過分析探索樣本間分布規律，并進行預測。其中克里金插值相較于其他幾種插值方法多考慮了已知樣本點的空間分布與未知樣點的空間方位關系，是以空間自相關性為基礎，在有限區域內對區域化變量進行無偏最優估計的一種方法[8]。

依據分析結果，選取普通克里金插值作為土壤富硒空間內插的模型，預測圖的Transformation Type選擇對數變換。由于標準平均值越接近0越好、均方根預測誤差越小越好、平均標準誤差越接近均方根預測誤差越好、標準均方根預測誤差越接近1越好等因素，根據預測標準化誤差結果選擇高斯模型作為半變異函數模型(表2)，通過空間插值將測量的離散樣點數據轉換為連續的曲面數據，便于觀察土壤富硒空間現象的分布模式(分布、變異及相關特征)。

表2 幾種模型類型預測結果比較

生成溧水研究區土壤含硒空間插值如圖3所示。通過ArcGIS的空間分析功能，從空間上把握溧水區表層土壤硒元素的分布趨勢，研究富硒特色土地資源的分布情況，更加清楚的認識特色土地資源的開發利用價值。對生成的溧水研究區土壤含硒空間插值圖進行分析發現，溧水總體看來土壤硒元素分布較均衡，有局部區域的硒含量較突出。其中土壤富含硒元素的區塊主要呈塊狀聚集分布,少數呈斑點狀分布，主要聚集于：開發區景山村、愛景村、聯民村，東屏鎮長樂村，永陽鎮十里牌村、東廬村，石湫鎮社東村，洪藍鎮傅家邊村，晶橋鎮笪村、楓香嶺村；其次較高的地塊主要位于：石湫鎮橫山村，永陽鎮石巷村，洪藍鎮天生橋村、無想寺村、三里亭村，東屏鎮方山村，晶橋鎮芝山村，白馬鎮石頭寨村。高硒含量地塊整體上聚集于溧水研究區北部偏東地區、中部偏西南地區以及南部偏西地區。

圖3 溧水區土壤含硒空間插值

2.3 土地富硒級別劃分

隨著土地資源管理的人性化、高科技、精細化要求越來越高，特色土地資源的開發可以健全耕地功能，提高農用地利用價值。目前，我國對于富硒土壤還沒有統一的地球化學評價標準，國內外文獻資料中對于富硒土地分級的研究也較少。從文獻中看，國內對土壤硒含量劃分的相關研究主要有：賈十軍[9]依據安徽省調查分析數據，結合地球化學統計和生態效應提出的安徽省富硒土壤界定標準，劃分安徽省硒元素的界限值，其中小于0.2 mg/kg為缺硒土壤、0.2～0.29 mg/kg為少硒土壤、0.29～0.35 mg/kg為足鍺土壤、0.35～3.0 mg/kg為富硒土壤、大于3.0 mg/kg為過硒土壤；酈逸根、董巖翔等[10]把土壤分為低硒土壤(0.1～0.2 mg/kg)、中硒土壤(0.2～0.4 mg/kg)、富硒土壤(≥0.4 mg/kg)；申銳莉、楊軍、徐宏林等[11]將江漢平原土壤硒含量劃為低硒土壤(<0.2 mg/kg)、中硒土壤(0.2～0.4 mg/kg)、富硒土壤(0.4～3.0 mg/kg)和硒過量(≥3.0 mg/kg)4級。相關文獻中通常將土壤硒含量劃分為3—5級，不同地區的劃分依據與指標也不盡相同。現借鑒《土壤環境質量標準》、土壤評價標準、稀有元素評價標準及多篇文獻[12-15]，并根據溧水區表層土壤樣本硒含量空間插值圖，充分考慮溧水區土壤硒元素分布變異特征及其分布狀況，初步劃分出土壤硒元素等級(表3)，并對空間插值圖進行重分類，做出溧水區土壤硒含量級別圖(圖4)，為保護特色富硒土地資源，進一步提高富硒土壤的開發利用水平提供依據。

表3 溧水區土壤硒含量分級

將溧水區表層土壤硒含量劃分為3個等級，具體劃分為： ①1級區。土壤硒含量范圍大于≥0.4 mg/kg，為富硒土地，呈塊狀聚集的主要分布在溧水永陽鎮東廬村東南部、秋湖村西北部、石巷村南部，洪藍鎮傅家邊村中南部、無想寺村東北部、三里亭村東部，石湫鎮社東村東部、橫山村西部，晶橋鎮笪村中南部、楓香嶺村西北部，東屏鎮景山村、長樂村和愛景村交界處等，還有部分一級區呈點狀分布于村落中，約占總面積的4.25%。 ②2級區。土壤硒含量范圍為0.2～0.4 mg/kg，為含硒土地，含硒量不足以稱為富硒。2級區分布范圍和面積均大于Ⅰ級區，也主要呈塊狀聚集分布、少數成斑點狀分布，主要環繞Ⅰ級區周圍地塊分布，約占總面積的68.17%。 ③3級區。土壤硒含量小于0.2 mg/kg，屬于缺硒土壤，3級區的面積約占比27.58%，少于2級區，在研究區各個鄉鎮均有分布。

圖4 溧水區土壤硒含量級別圖

2.4 富硒土壤酸堿度

土壤酸堿度是影響植物生長的重要因素之一，由于在酸性環境下植物會更容易吸收陰離子，而在堿性環境中會更多的吸收陽離子，抑制陰離子交換，植物吸收物質和土壤肥力均受到土壤pH值的影響，因此各地會選擇種植和土壤酸堿度相適應的作物和植物[16]。中國西北及北方干旱地區土壤大多呈堿性，pH值大，南方土壤則多呈酸性或中性，可在南方種植喜酸的茶樹，如“十大名茶”多出自我國南方地區，而苜蓿的抗堿能力強。土壤酸堿度對養分的有效性影響也很大，如中性土壤中磷的有效性大；堿性土壤中微量元素有效性差等。在農業生產中應該注意土壤的酸堿度，積極采取措施，加以調節。通常，適宜茶樹生長的土壤pH值為5.0～6.0，土壤pH值在6.0～7.0之間則適合水稻、小麥、玉米等谷物的種植，以及西瓜、番茄等蔬果，還有部分植物如棉花、蘋果、南瓜、甜菜等適合在酸堿度為6.0～8.0的土壤條件下生長。實驗中依據國家標準NY/T1377-2007采用電位法對采樣區內土壤樣品的pH值進行測定，并運用ArcGIS 10.1的空間分析功能對樣點數據進行分析。通過柵格計算公式從富硒土地中提取出土壤酸堿度在5.0～6.0以及6.0～7.0的區域，可分別作為開發富硒茶葉和富硒水稻用地，具體劃分如圖5—6所示。

圖5 溧水區富硒茶開發區

圖6 溧水區富硒水稻開發區

3 富硒土地資源開發利用規劃

3.1 合理區劃，因地制宜，直接利用

富硒土壤是天然優質土地資源，富硒土地的直接利用最為簡單。目前，溧水區對于當地富硒土地資源還處于調查規劃的階段，需要根據本地資源環境的實際情況，結合市場需求和經濟效益，做到因地制宜，合理規劃種植區域，提高生產效率，直接在已知的富硒耕地上發展適合土壤環境和地理條件的優勢農產品產業。對于大面積的塊狀土地可以開發為茶葉或大豆、水稻、小麥等谷物種植基地，較分散的點狀富硒土地則可以開發為富硒蔬菜種植基地，提升蔬菜品質，使溧水的富硒農產品市場逐步向地質環境適宜、生產技術優勢和市場優勢靠攏。

3.2 科學開發，改善富硒土地環境

由于溧水富硒土地環境狀況參差不齊，在進行開發利用前需要充分了解土壤環境，做到科學開發，對于土壤酸堿度不適合或土壤受到污染的富硒土地資源，堅持先治理后開發的原則。通過施入草木灰可中和土壤酸性，對于堿性土壤，可以用石膏作為基肥進行改良，或加入硫酸鋁稀釋水等化學物質降低土壤pH值[17]，使土壤更適合對應的作物生長。而對于環境質量不達標的土地，應當先治理污染，待質量檢驗達標后再進行農作物的開發種植。由相關單位牽頭，組織開展富硒農產品種植田間試驗，適當施加富硒肥，通過改變土壤的理化性質[18]，提高土壤中硒元素的可溶性和水溶硒含量，改良土壤質量，以達到提高作物中硒含量和提升農產品質量的目的。

3.3 富硒非農用地耕作土層轉移

對于已經規劃批準農用地轉為建設用地的富硒耕地，雖然富硒土層的異地利用操作復雜且要考慮諸多因素，但是富硒耕作土壤是寶貴的土地資源，對此類土地，經過評估后若確定含硒量很高，符合轉移條件的，應采取表土剝離、異地培肥等工程手段，快速改善新開發耕地的質量。還可以結合高標準農田建設和中低產田改造項目，充分發揮農業部門對農田土壤性狀了解和把握的優勢，使富硒土層異地利用帶來的效益更為顯著。

3.4 建設富硒特色農作物種植園，發展綠色農業

對于溧水富硒土地資源的開發利用，當地已有企業開始生產富硒茶、富硒米等產品，但是在相關政策上和制度規范上還沒有跟上，需要政府盡快通過政策對相關行業加以引導和扶持，大力推進規模化、規范化的富硒特色農作物產業，將傳統農業與現代化發展相結合，組織農民正確利用富硒土地資源建設富硒特色農作物種植園，這些種植園區域可分為種植區，采摘區和觀賞區，與當下流行了農家樂結合。

加強市場規范化管理，開發富硒農產品要先培訓后實施，并且要按專家制定的技術規程進行，進一步提高蔬菜以及其他經濟作物的產品質量安全水平，提升農作物的產業競爭力。出臺相應的富硒肥、富硒農產品標準，對市場進行嚴格管控，避免出現食品安全問題。

改良技術，要求開發企業與農產品檢驗、農業科研單位合作，不要盲目生產，全面了解土壤質量，科學規劃，建立天然富硒優勢發展區，可以建設蔬菜園或將茶與果樹如枇杷，楊梅，橘子等間作的茶園，選取一些優良的蔬菜品種，結合科學種植技術，基本上保證全年有果，采用種植茶樹、對茶園進行作物或果樹等間作的方式，既能保證對土地的充分利用同時還能增加收入，減輕人力壓力。根據實際需求以及田間的管理保證提高生態自我調控和作物保護能力，另外種植園區還需要保證養分的封閉性循環建設，種植園的產品為無公害農產品，進行標準化管理，采用大量施用有機肥、種植園種草覆草、實行輪作或間作等生態措施來管理增強種植園區肥力，減少農藥的用量，實現綠色無污染農業，提高特色農作物的品質和產量，通過人民的日常飲食提升總體健康水平。

4 討論與結論

4.1 結 論

(1) 溧水區土壤樣點數據空間插值選用普通克里金方法中高斯模型預測結果最佳，可以很好的擬合出研究區土壤富硒情況。

(2) 溧水區不同地理位置的土壤含硒量存在差異，跨度為0.005 ～8.572 mg/kg，均值超過國際公布的正常臨界值0.1 mg/kg ，達到0.246 mg/kg。存在富硒(≥0.4 mg/kg)土地資源，呈塊狀聚集的主要分布在溧水永陽鎮、洪藍鎮、石湫鎮、晶橋鎮、東屏鎮均有分布，還有部分呈點狀分布，約占總面積的4.25%。綜合溧水區土壤樣本含硒量和pH值的空間插值情況，通過柵格計算和不同作物適宜的土壤酸堿度范圍，劃分了富硒茶葉開發區和富硒水稻開發區。

(3) 溧水富硒土地資源具有極大的開發空間和價值，需要進行合理規劃，為更好地開發區域特色農產品市場提供依據。

4.2 討 論

(1) 植物本身對于硒的富集能力存在差異，不同種類作物以及不同品種的同一種作物富硒能力均有不同，需要對多種植物的多個品種進行培育和對比試驗，挑選出富硒能力強，市場前景廣闊的植物，用做大面積種植開發。

(2) 農產品富硒不僅僅與土壤含硒量有關，還與土壤中硒的存在形態、土壤pH值、土壤質地和有機質等因素有關[19]，具體的相關性和影響程度還需要進一步研究。