基于GIS包鋼尾礦庫(kù)附近土壤肥力及鹽堿度相關(guān)性評(píng)價(jià)

呂保義+鄭春麗+劉徽

摘要：建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型，確定包鋼尾礦庫(kù)各理化性質(zhì)的隸屬函數(shù)進(jìn)而計(jì)算閾值，采用層次分析法確定各因子的權(quán)重值，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的加成法原則計(jì)算采樣點(diǎn)的土壤肥力指數(shù)，并對(duì)包鋼尾礦庫(kù)區(qū)域堿化度進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件繪制土壤肥力值和堿化度評(píng)價(jià)圖。結(jié)果表明，堿化度和土壤肥力的相關(guān)系數(shù)為0.977，鹽堿化直接影響土壤肥力值。

關(guān)鍵詞：包鋼尾礦庫(kù)；土壤肥力；堿化度；地理信息系統(tǒng)（GIS）

中圖分類號(hào)：S158 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）14-2644-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.14.011

Abstract： Seting up the fuzzy comprehensive evaluation model，the membership function of the physical and chemical properties of Baotou tailings area were determined. And the threshold value was calculated. Using the hierarchical analysis method，the weight value of each factor was determined. The sample point index of soil fertility were calculated by the addition method in fuzzy mathematics principle. The alkalization degree of Baotou tailings area was evaluated. And using geographic information system（GIS） software，the value evaluation of soil fertility and the alkalization degree were mapped. The results showed that the correlation coefficient about the soil fertility and the alkalization degree was 0.977. The soil fertility value was directly affected by salinity.

Key words： Baotou tailings； soil fertility； alkalization degree； geographic information system（GIS）

包鋼尾礦庫(kù)用于堆放礦區(qū)的尾礦，尾礦庫(kù)經(jīng)過(guò)了40多年的沉積，水分蒸發(fā)后，部分尾礦暴露于空氣中，在強(qiáng)勁的風(fēng)力作用下擴(kuò)散到周邊的土壤，在土壤中的滲透對(duì)地下水造成了污染，從而引發(fā)了尾礦庫(kù)附近一系列環(huán)境問(wèn)題。而植物修復(fù)具有成本低、范圍廣、效果顯著的特點(diǎn)。目前生物修復(fù)技術(shù)逐漸成熟，技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)市場(chǎng)化，目前該地區(qū)已經(jīng)使用植物修復(fù)技術(shù)修復(fù)土壤污染，效果顯著。植物生長(zhǎng)需要土壤肥力，如何在污染區(qū)域內(nèi)進(jìn)行土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)，進(jìn)而確定作物種植的適宜程度，是利用植物修復(fù)技術(shù)治理土壤污染的關(guān)鍵。定性、定量和定位地評(píng)價(jià)該區(qū)域的肥力等級(jí)，既能充分合理利用附近區(qū)域的土壤，又可以擴(kuò)大種植范圍，使土壤污染治理的區(qū)域更廣。

目前常用的土壤肥力的評(píng)價(jià)方法有很多，王軍艷等[1]用指數(shù)和法計(jì)算土壤肥力評(píng)價(jià)值，可以綜合直觀的體現(xiàn)土壤肥力情況；潘發(fā)明[2]用標(biāo)準(zhǔn)綜合級(jí)別法評(píng)價(jià)森林土壤的肥力值；肖慈英等[3]用灰色關(guān)聯(lián)分析法來(lái)分析森林土壤肥力的情況；李方敏等[4]運(yùn)用主成分分析法對(duì)漬害的土壤肥力進(jìn)行評(píng)價(jià)。本研究建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型，確定土壤肥力各理化性質(zhì)的隸屬函數(shù)進(jìn)而計(jì)算評(píng)價(jià)因子的閾值，采用層次分析法確定各個(gè)因子的權(quán)重值，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的加成法原則計(jì)算采樣點(diǎn)的土壤肥力指數(shù)，并對(duì)該區(qū)域的鹽堿度進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用GIS軟件繪制土壤肥力值和堿化度評(píng)價(jià)圖。

1 研究區(qū)域概況

包鋼稀土金屬冶選尾礦庫(kù)位于包頭市西南3 km處。研究區(qū)圍繞尾礦場(chǎng)北起包銀公路，南至黃河，共計(jì)面積約200 km2。尾礦庫(kù)即位于哈德門和昆都侖河沖洪積扇前緣交匯處，黃河平原分布于尾礦場(chǎng)南500～1 000 m，被夷平的黃河二級(jí)階地至黃河之間，地勢(shì)北高南低，平均坡降約0.4%。

當(dāng)?shù)貧夂钐卣鳛槎L(zhǎng)夏短，1月最冷，平均氣溫-12.3 ℃，夏季炎熱，平均氣溫22.8 ℃，年平均降水量308.9 mm，多集中于7～9月，年蒸發(fā)量3 242 mm，為降水量的7.6倍，干燥度為1.8～20.0。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

根據(jù)包鋼尾礦庫(kù)的實(shí)際地形和實(shí)際污染特征，共設(shè)置18個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)附近隨機(jī)采3個(gè)土壤樣品，共54個(gè)樣品，在采集樣品的同時(shí)也詳細(xì)記錄樣品的地理位置等信息，具體的采樣點(diǎn)見(jiàn)圖1。尾礦庫(kù)地下水流向（圖1）分為3大方向，GW-06、GW-09、GW-12、GW16為S1方向，GW-07、GW-10、GW-13、GW-15和GW-17為S2方向，GW-08、GW-11、GW-14和GW18為S3方向。

2.2 樣品分析

樣品分析項(xiàng)目主要是土壤理化指標(biāo)，土壤樣品分析均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法。速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定；氨態(tài)氮采用納氏色劑-比色法測(cè)定；速效鉀采用火焰光度法測(cè)定；pH采用電極法測(cè)定；Cl-和SO42-采用離子色譜法測(cè)定。

2.3 評(píng)價(jià)因子的選取

評(píng)價(jià)因子的選取有以下原則：①穩(wěn)定性原則，盡量選取長(zhǎng)期穩(wěn)定影響本區(qū)域農(nóng)作物適宜性的因子；②主導(dǎo)性原則，選取對(duì)農(nóng)作物起主導(dǎo)性作用的因子；③差異性原則，選取評(píng)價(jià)區(qū)域范圍內(nèi)差異比較大的因子；④定量性原則，最大程度選擇可量化的因素，這樣可以減少主觀因素的影響[5]。根據(jù)該尾礦庫(kù)的實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)室的條件，本研究選取的指標(biāo)是有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效氮、速效鉀、土壤pH等理化性狀。

3 尾礦庫(kù)附近土壤肥力的評(píng)價(jià)

3.1 模糊綜合評(píng)價(jià)模型的建立

3.1.1 土壤肥力各理化性質(zhì)的隸屬函數(shù)的確定 隸屬度函數(shù)是體現(xiàn)評(píng)價(jià)因子的觀測(cè)值和隸屬度的解析函數(shù)。一般把隸屬度函數(shù)分為2類，分別是拋物線型隸屬度函數(shù)和S型隸屬度函數(shù)[6-8]，具體如下。

1）拋物線隸屬度函數(shù)

f（x）=0.1；{X≤M，X≥N}0.1+0.9（X-M）/（X1-M）；{M

2）S型隸屬度函數(shù)

f（x）=0.1；{X≥N}0.1+0.9（X-M）/（N-M）；{M

其中屬于拋物線型函數(shù)的因子對(duì)農(nóng)作物的效應(yīng)是在一定范圍內(nèi)農(nóng)作物的生長(zhǎng)效果最好，但是超出這個(gè)范圍農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境則變差，本研究中pH屬于這類因子。對(duì)應(yīng)拋物線隸屬度函數(shù)的是S型隸屬度函數(shù)，屬于這類函數(shù)的因子表現(xiàn)為指標(biāo)值越高其農(nóng)作物成長(zhǎng)越好，但達(dá)到一定的值時(shí)，農(nóng)作物生長(zhǎng)需求達(dá)到一定的飽和期，生長(zhǎng)趨于穩(wěn)定。本研究中有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、速效鉀和速效磷屬于S型隸屬度函數(shù)[9-11]。

3.1.2 評(píng)價(jià)因子閾值的確定 根據(jù)該區(qū)域的實(shí)際情況并聽(tīng)取有關(guān)專家的意見(jiàn)，本研究中各評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值見(jiàn)表1。

3.1.3 評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定 由于各個(gè)評(píng)價(jià)因子在土壤肥力評(píng)價(jià)中的重要性不同，所以在評(píng)價(jià)前要確定其權(quán)重，避免均衡評(píng)判產(chǎn)生誤差[12]。根據(jù)對(duì)包鋼尾礦庫(kù)附近土壤的實(shí)際情況，結(jié)合專家意見(jiàn)，得出判斷矩陣，見(jiàn)表2。

建立判斷矩陣的方法，行的評(píng)價(jià)因子為X，列的評(píng)價(jià)因子為Y。K=X/Y，K為行的因素對(duì)列的因素的相對(duì)重要性。K的一般值是1、3、5、7……，相對(duì)重要性越大，K就越大。由表2可知，列對(duì)行中pH相對(duì)有機(jī)質(zhì)稍微重要，K=X/Y=3，1/K=Y/X=1/3，同理，氨態(tài)氮對(duì)有機(jī)質(zhì)明顯重要，K=5，速效磷比有機(jī)質(zhì)強(qiáng)烈重要，K=7，速效鉀比有機(jī)質(zhì)十分重要，K=9；反之行對(duì)列則是列對(duì)行的重要性K的倒數(shù)。

運(yùn)用方根法計(jì)算，各個(gè)因子的權(quán)重值如下，有機(jī)質(zhì)=0.510，速效氮=0.130，速效鉀=0.033，速效磷=0.064，pH=0.264。

計(jì)算該矩陣的最大特征根，進(jìn)行一致性校驗(yàn)CR為0.053。

3.1.4 綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算 根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的加成法原則，采用公式IFI=∑wi·Ni計(jì)算綜合指標(biāo)值，其中，Wi表示第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，Ni表示第i個(gè)隸屬度值。綜合肥力指數(shù)IFI取值范圍在0.1～1.0，該值越漸近1，土壤適宜度越高，其肥力越好[13-15]。計(jì)算得出IFI的范圍在0.116～1.000，對(duì)應(yīng)每個(gè)采樣點(diǎn)的土壤肥力評(píng)價(jià)得分（表3）。

根據(jù)表3中的土壤肥力值，將包鋼尾礦庫(kù)附近的土壤肥力劃分為4個(gè)等級(jí)，IFI>0.850為最適宜程度，0.650

4 土壤類型及堿化度

尾礦庫(kù)周邊18個(gè)采樣點(diǎn)，土壤鹽分類型的確定參照Cl-/SO42+的摩爾比>4.0（氯化物型）、4.0～1.0（硫酸鹽-氯化物型）、1.0～0.5（氯化物-硫酸鹽型）和<0.5（硫酸鹽型）。土壤堿化度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)程心俊等[17]、趙瑞[18]的分級(jí)方案，可得出尾礦庫(kù)18個(gè)采樣點(diǎn)的土壤類型及堿化程度，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，GW-16的土壤堿化度最高（37.781%），屬于重堿化土，堿化度最嚴(yán)重；GW-02的土壤堿化度最低（16.141%），屬于輕堿化土，堿化程度最輕。18個(gè)采樣點(diǎn)土壤堿化程度表現(xiàn)為GW-16>GW-17>GW-13>GW-01>GW-14>GW-15>GW-04>GW-07>GW-03>GW-09>GW-11>GW-06>GW-18>GW-10>GW-12>GW-05>GW-08>GW-02。結(jié)果表明，該地區(qū)土壤均是鹽堿土，且均屬于中、重度鹽堿土，土壤鹽堿化嚴(yán)重。

5 基于GIS土壤肥力及鹽堿度的相關(guān)性分析

利用Arc GIS中的地統(tǒng)計(jì)模塊和空間分析功能繪制土壤肥力和鹽堿度空間分布（圖2），并對(duì)土壤肥力和鹽堿度進(jìn)行相關(guān)性分析（圖3）。

由圖2、圖3可知，土壤肥力隨著堿化度的提高而提高，其相關(guān)性為0.977。由于因素氨態(tài)氮（NH4+）對(duì)土壤肥力具有重要貢獻(xiàn)，且土壤鹽堿指標(biāo)（因子載荷皆為正）是影響NH4+的主要因素，因此土壤的鹽堿程度越重，土壤肥力質(zhì)量的得分就越高。其中，GW-02和GW-05為工業(yè)用地，且不在尾礦庫(kù)地下水流向范圍內(nèi)，堿化度低，NH4+含量低，土壤其他理化指標(biāo)相對(duì)也較低，所以土壤肥力在所有采樣點(diǎn)中為最低等級(jí)。GW-18為農(nóng)田，常年灌溉，鹽堿化度為24.740%，土壤其他理化指標(biāo)相對(duì)其他采樣點(diǎn)較高，但土壤肥力綜合評(píng)價(jià)值仍在次適宜程度范圍內(nèi)。

6 小結(jié)

1）利用GIS對(duì)土壤肥力和堿化度進(jìn)行評(píng)價(jià)，與傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法相比，結(jié)果更加簡(jiǎn)潔明了，物力和人力更加節(jié)約。

2）該區(qū)域土壤肥力和鹽堿化度有密切的聯(lián)系，如何降低鹽堿度成為對(duì)該尾礦庫(kù)環(huán)境修復(fù)的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王軍艷，張鳳榮，王 茹.應(yīng)用指數(shù)和法對(duì)潮土農(nóng)田土壤肥力變化的評(píng)價(jià)研究[J].農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，2001，17（3）：13-16，20.

[2] 潘發(fā)明.森林土壤肥力的綜合分析評(píng)價(jià)[J].四川林勘設(shè)計(jì)，1997（1）：33-39，32.

[3] 肖慈英，阮宏華，屠六邦.下蜀主要森林土壤肥力的灰色關(guān)聯(lián)分析與評(píng)價(jià)[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，24（3）：59-63.

[4] 李方敏，周治安，艾天成，等.漬害土壤肥力綜合評(píng)價(jià)研究[J].資源科學(xué)，2002，24（1）：25-29.

[5] 陳海生，吳玲洪，王 磊.基于GIS的許昌市烤煙種植區(qū)土壤肥力適宜性評(píng)價(jià)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].河南大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，39（1）：51-56.

[6] 駱東奇，白 潔，謝德體.論土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法[J].土壤與環(huán)境，2002，11（2）：202-205.

[7] 蔡曉布，張永青，邵 偉.不同退化程度高寒草原土壤肥力變化特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（3）：1034-1044.

[8] 李 梅，張學(xué)雷.基于GIS的農(nóng)田土壤肥力評(píng)價(jià)及其與土體構(gòu)型的關(guān)系[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，22（1）：129-136.

[9] 臘貴曉，劉國(guó)順，曹 杰，等.基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS的喀斯特?zé)熖锿寥婪柿C合評(píng)價(jià)——以貴州省畢節(jié)地區(qū)為例[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，41（4）：63-68.

[10] 杜 峰，梁宗鎖，徐學(xué)選，等.陜北黃土丘陵區(qū)撂荒群落土壤養(yǎng)分與地上生物量空間異質(zhì)性[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（1）：13-22.

[11] 王子龍，付 強(qiáng)，姜秋香.基于GIS與屬性識(shí)別模型的土壤肥力綜合評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（6）：76-80.

[12] 鄭立臣，宇萬(wàn)太，馬 強(qiáng)，等.農(nóng)田土壤肥力綜合評(píng)價(jià)研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)雜志，2004，23（5）：156-161.

[13] 史志華，蔡崇法，丁樹(shù)文，等.GIS在三峽庫(kù)區(qū)土壤肥力綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1999，5（1）：74-78，96.

[14] 孫 波，張?zhí)伊?，趙其國(guó).我國(guó)東南丘陵山區(qū)土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)[J].土壤學(xué)報(bào)，1995，32（4）：362-369.

[15] 丁美花，楊星衛(wèi)，李湘閣，等.基于GIS技術(shù)的上海精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)水稻生產(chǎn)潛力估算模型——考慮土壤肥力空間差異的影響[J].土壤通報(bào)，2006，37（1）：56-60.

[16] 宋 晶，陳海生，劉國(guó)順，等.GIS支持下的河南省洛陽(yáng)植煙田土壤肥力適宜性評(píng)價(jià)及施肥推薦支持決策系統(tǒng)研究[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010，22（5）：68-72.

[17] 程心俊，李述剛，王周瓊.中國(guó)正常干旱土亞綱的系統(tǒng)分類[J].土壤，1996（5）：6-9.

[18] 趙 瑞.煤煙脫硫副產(chǎn)物改良?jí)A化土壤研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2000.