河南省東北部農(nóng)用地肥力分析

方相林，馮鳳英，于 斌，梁留科，王少華

（1.安陽(yáng)師范學(xué)院 資源環(huán)境與旅游學(xué)院，河南 安陽(yáng)455002；2.河南大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南 開封475004；3.福建省龍巖市國(guó)土資源局，福建 龍巖364000）

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的發(fā)展，土地污染問題越來(lái)越突出。土地污染物因極難被降解、不易移動(dòng)、不斷積累等特征給環(huán)境造成嚴(yán)重污染，并通過(guò)植物吸收進(jìn)入食物鏈，給農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全帶來(lái)隱患，危害人類健康。農(nóng)用地是直接生產(chǎn)糧食的土地，深刻影響著食品安全，關(guān)系著人類健康，因此農(nóng)用地健康狀況受到廣泛關(guān)注。1941年Aldo Leopold首次提出土地健康（Land Healt h）的概念，他提出健康的土地是指被人類占領(lǐng)而沒有使其功能受到破壞的狀況，把土地有機(jī)健康作為土地內(nèi)部本身的自我更新能力，認(rèn)為土地有機(jī)體健康應(yīng)當(dāng)與人們考慮個(gè)人有機(jī)體健康一樣［1］。20世紀(jì)80年代，隨著人地矛盾的日益突出，國(guó)際地圈—生物圈計(jì)劃（IGBP）和全球環(huán)境變化中的人文領(lǐng)域計(jì)劃（IHDP）提出“土地利用／土地覆蓋變化”研究的前沿和熱點(diǎn)問題［2］，生態(tài)系統(tǒng)健康成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的主要領(lǐng)域，其中土地健康是其重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容［3－11］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土地健康的研究大多數(shù)基于時(shí)間尺度和土地利用類型空間變化上的評(píng)價(jià)，對(duì)于土地本身的健康和直接作用于土地影響因素的健康評(píng)價(jià)較少；土地健康評(píng)價(jià)沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，且結(jié)合實(shí)踐進(jìn)行研究的較少；土地作為生態(tài)系統(tǒng)的承載體，其肥力影響著生物的生長(zhǎng)與繁殖［12－15］，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康有著極其重要的影響但卻沒有被引起足夠的重視。本文在前人研究的基礎(chǔ)上［16－17］，采用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法和現(xiàn)代方法相結(jié)合、定性與定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法，基于土壤樣點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)河南省東北部（濮陽(yáng)縣、范縣、臺(tái)前縣）農(nóng)用地的土壤肥力空間分布格局進(jìn)行分析，并對(duì)農(nóng)作物的適宜程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

本文選擇黃河與金堤河之間的濮陽(yáng)縣、范縣、臺(tái)前縣三個(gè)縣域作為研究區(qū)域（圖1）。研究區(qū)域位于河南省東北部，黃河下游冀、魯、豫三省交界處，北、東、南分別為與河北、山東兩省接壤，地處北緯35°20′00″—36°12′23″，東經(jīng)114°52′0″—116°5′4″，東西長(zhǎng)約152 k m，南北寬約100 k m。黃河、金堤河橫貫全境，將全區(qū)自然分割為黃河灘地和背河洼地兩大部分，形成“三堤兩河一灘”的地貌特征。地貌系中國(guó)第三階梯的中后部分，屬黃河沖積平原，地形由西南向東北自然傾斜，海拔均在48～58 m之間。氣候受東南季風(fēng)環(huán)流的控制，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)型大陸氣候。金堤河系黃河北側(cè)支流，源于新鄉(xiāng)縣司張排水溝，自安陽(yáng)市滑縣入濮陽(yáng)境，經(jīng)濮陽(yáng)縣、范縣、臺(tái)前3縣，于臺(tái)前縣吳壩鄉(xiāng)張莊村北匯入黃河。研究區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，土層深厚，墾殖率高，絕大部分已開辟為農(nóng)田。

圖1 研究區(qū)地理位置

2 資料與方法

于2010—2011年對(duì)河南省濮陽(yáng)市轄區(qū)內(nèi)金堤河和黃河之間的區(qū)域進(jìn)行全年觀測(cè)，為了反映研究區(qū)（濮陽(yáng)縣、范縣、臺(tái)前縣）土地生態(tài)健康，利用Arc GIS 9.3軟件在1∶25萬(wàn)河南省電子地圖上統(tǒng)一劃分網(wǎng)格，按國(guó)家土壤普查要求的耕地8 k m×8 k m、林地（原始林除外）和草地16 k m×16 k m、未利用土地40 k m×40 k m尺度劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格制成后利用GIS軟件在地圖上標(biāo)注網(wǎng)格中心點(diǎn)，網(wǎng)格中心點(diǎn)即為土壤調(diào)查點(diǎn)，并對(duì)網(wǎng)格中心點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查、定點(diǎn)、采取土樣，最終確定研究區(qū)域內(nèi)21個(gè)土壤調(diào)查監(jiān)測(cè)點(diǎn)，土壤樣品送河南省環(huán)境檢測(cè)中心站分析，檢測(cè)項(xiàng)目主要包括土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、p H、速效磷、速效鉀、砂粒等指標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 肥力空間分布

根據(jù)長(zhǎng)期施肥對(duì)作物產(chǎn)量及氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收的影響與土壤p H存在極顯著正相關(guān)性研究，p H降低是作物產(chǎn)量和氮磷鉀養(yǎng)分吸收降低的主要原因之一［18］，不同種類的肥料類型組合對(duì)作物產(chǎn)量極其顯著，有機(jī)肥效果優(yōu)于氮、磷、鉀肥，氮肥優(yōu)于磷肥［19］，參照魯西北地區(qū)土壤主要養(yǎng)分因子與濟(jì)麥22產(chǎn)量品質(zhì)的關(guān)系研究［20］，證實(shí)土壤肥力對(duì)作物產(chǎn)量及農(nóng)作物對(duì)土壤肥力需求具有不同的要求。本文的研究區(qū)域與魯西北相鄰且相距不遠(yuǎn)，對(duì)土壤采樣點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確空間插值分析，繪制土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、p H、砂粒的空間分布格局（圖2—9）。

3.2 肥力健康評(píng)價(jià)

根據(jù)土地肥力與農(nóng)作物產(chǎn)量之間的關(guān)系，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)與作物產(chǎn)量或作物效應(yīng)之間的關(guān)系曲線，這樣就可以把參評(píng)指標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)?～1之間的無(wú)量綱值（即隸屬度），分為戒上型、戒下型和正態(tài)分布型［9－10，21－23］。通過(guò)模糊分析與專家打分法計(jì)算每個(gè)評(píng)價(jià)單元的隸屬度，作為該評(píng)價(jià)單元的指標(biāo)分值，評(píng)價(jià)因子隸屬度函數(shù)通過(guò)下面三種隸屬函數(shù)計(jì)算得到：

（1）評(píng)價(jià)指標(biāo)與作物生長(zhǎng)呈“S”形曲線（戒上型），即在一定范圍內(nèi)該類指標(biāo)的增長(zhǎng)與作物反應(yīng)或作物產(chǎn)量呈現(xiàn)正相關(guān)，而低于或超過(guò)這個(gè)范圍其變化對(duì)土壤質(zhì)量影響比較小，則隸屬度函數(shù)為：

（2）評(píng)價(jià)指標(biāo)與作物生長(zhǎng)呈反“S”形曲線（戒下型），即在一定范圍內(nèi)該類指標(biāo)的增長(zhǎng)與作物反應(yīng)或作物產(chǎn)量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，而低于或超過(guò)這個(gè)范圍其變化對(duì)土壤質(zhì)量影響比較小，相應(yīng)的隸屬函數(shù)為：

（3）評(píng)價(jià)指標(biāo)與作物生長(zhǎng)呈拋物線形曲線關(guān)系，即正態(tài)分布型。這類指標(biāo)對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育有一個(gè)最適宜的生長(zhǎng)范圍，超出這個(gè)范圍隨偏離程度的增大對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響程度越不利，直至到某一個(gè)值時(shí)作物就不能生長(zhǎng)發(fā)育，其相應(yīng)的隸屬函數(shù)為：

圖2 土壤全氮空間分布格局

圖3 土壤全磷空間分布格局

圖4 土壤全鉀空間分布格局

圖5 土壤有機(jī)質(zhì)空間分布格局

圖7 土壤砂粒空間分布格局

圖6 土壤p H值空間分布格局

圖9 土壤速效鉀空間分布格局

圖8 土壤速效磷空間分布格局

式中：μA（xi）——評(píng)價(jià)因子的 隸屬度；αi——常數(shù)；xi——評(píng)價(jià)因子實(shí)測(cè)值；ci——評(píng)價(jià)因子的最優(yōu)值；li——評(píng)價(jià)因子的下限值；i——第i個(gè)評(píng)價(jià)因子；ui——評(píng)價(jià)因子的上限值；bi——評(píng)價(jià)因子的極值。

根據(jù)土壤肥力指標(biāo)與耕地產(chǎn)力之間的關(guān)系，即在一定范圍內(nèi)該類指標(biāo)的增長(zhǎng)與作物反應(yīng)或作物產(chǎn)量呈現(xiàn)出的相關(guān)性，進(jìn)一步確定各指標(biāo)的參數(shù)值、標(biāo)準(zhǔn)值、極限值、實(shí)測(cè)值，利用擬合隸屬度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算各指標(biāo)相應(yīng)的隸屬度值（表1）。為避免人為主觀因素對(duì)土壤肥力指標(biāo)權(quán)重的干擾，采用因子分析設(shè)置特征值＞1，K MO值＞0.5，累計(jì)貢獻(xiàn)率＞80%等條件，計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值（表2），運(yùn)用模糊數(shù)中加乘法原則，計(jì)算土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值IFI［20］，其計(jì)算公式如下：

式中：qi——第i項(xiàng)土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度值；wi——第i項(xiàng)土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。IFI取值為0～1，其值越高，表明土壤肥力質(zhì)量越好。

根據(jù)土壤調(diào)查樣點(diǎn)的有機(jī)質(zhì)、p H值、速效磷、速效鉀、砂粒的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，按式（4）要求計(jì)算土壤肥力質(zhì)量綜合指數(shù)IFI，利用地統(tǒng)計(jì)克里格方法對(duì)未采樣點(diǎn)區(qū)域化變量值進(jìn)行線性無(wú)偏差最優(yōu)估計(jì)，繪制出研究區(qū)土壤地表層肥力質(zhì)量綜合指數(shù)IFI空間分布格局（圖10）?；谕寥婪柿C合指數(shù)IFI值，結(jié)合專家意見和土壤肥力質(zhì)量分級(jí)建議方案及土壤養(yǎng)分綜合貧瘠化狀況，繪制土壤肥力質(zhì)量等級(jí)空間分布（圖11）。將土壤肥力質(zhì)量等距劃分為五級(jí)（表3），土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)綜合得分和等級(jí)劃分結(jié)果如表4所示。

表1 隸屬函數(shù)參數(shù)值

表2 土壤肥力指標(biāo)權(quán)重值

表3 土壤肥力綜合指數(shù)（IFI）等級(jí)劃分

4 結(jié)論與討論

本研究根據(jù)土壤肥力指標(biāo)與耕地產(chǎn)力之間的關(guān)系，即在一定范圍內(nèi)該類指標(biāo)的增長(zhǎng)與作物反應(yīng)或作物產(chǎn)量呈現(xiàn)出相關(guān)性，進(jìn)一步確定各指標(biāo)常數(shù)值、標(biāo)準(zhǔn)值、極限值和各指標(biāo)實(shí)測(cè)值空間分布。為避免人為主觀因素對(duì)土壤肥力指標(biāo)權(quán)重的干擾，采用因子分析法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值，利用擬合隸屬度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算研究區(qū)采樣點(diǎn)相應(yīng)肥力隸屬度值；再運(yùn)用模糊數(shù)中加乘法原則計(jì)算土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值IFI。根據(jù)土壤肥力綜合指數(shù)IFI值大小及專家意見，并參考水稻土、紅壤、潮土和黑土四大類土壤肥力質(zhì)量分級(jí)建議方案，和我國(guó)南方丘陵地區(qū)紅壤水田、旱地土壤養(yǎng)分的綜合貧瘠化狀況，將土壤肥力質(zhì)量等距劃分為五級(jí)，按照土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)公式，計(jì)算土壤肥力綜合得分并對(duì)其進(jìn)行等級(jí)劃分。研究表明，研究區(qū)土壤肥力綜合指數(shù)IFI均在6以下，多數(shù)土壤樣點(diǎn)處于中等級(jí)別與貧瘠之間，接近于土壤養(yǎng)分貧瘠或較貧瘠狀態(tài)。本研究揭示了土地表層營(yíng)養(yǎng)成分的空間分布格局，合理解釋了農(nóng)用地肥力健康狀態(tài)，利用肥力隸屬度函數(shù)闡明了土地肥力與農(nóng)作物之間的相互依賴，有利于全面了解土地肥力空間分布規(guī)律及其對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用。為避免人為主觀因素對(duì)土壤肥力指標(biāo)權(quán)重的干擾，采用因子分析計(jì)算了各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值，確保土地肥力因子的客觀評(píng)價(jià)。然而，土地肥力對(duì)農(nóng)作物影響程度的界限值與最適宜含量還有待進(jìn)一步研究，如土地肥力對(duì)農(nóng)作物影響的最低值、最大值、最優(yōu)值之間的測(cè)定，嘗試引入相關(guān)程度較高的環(huán)境變量作為輔助來(lái)提高土地肥力函數(shù)隸屬測(cè)算，為土地肥力研究提供有效途徑。

表4 土壤肥力質(zhì)量等級(jí)劃分

圖10 土壤肥力質(zhì)量綜合指數(shù)分布

圖11 土壤肥力質(zhì)量等級(jí)分布

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