大興區(qū)特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)及空間特征

哈雪姣

摘 要：基于北京大興區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)調(diào)查評(píng)價(jià)成果，按《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》（DZ/T 0295—2016）補(bǔ)充采樣調(diào)查測(cè)試，開(kāi)展研究區(qū)特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，研究區(qū)特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)土壤養(yǎng)分綜合等級(jí)主要以二等為主，面積為10266.18hm2，占特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)總面積的53.67%;土壤環(huán)境質(zhì)量總體優(yōu)良，土地質(zhì)量狀況整體良好。特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果可揭示特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)地土地質(zhì)量等級(jí)以及重要土地問(wèn)題，為區(qū)域特色農(nóng)產(chǎn)品與生態(tài)農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)等提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：土壤養(yǎng)分;地球化學(xué)評(píng)價(jià);特色農(nóng)業(yè);空間分布

中圖分類號(hào) S158.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2021）12-0090-05

Evaluation and Spatial Characteristics of Soil Nutrients in Characteristic Agricultural Producing Areas of Daxing District

HA Xuejiao

（Soil and Fertilizer Workstation of Daxing District， Beijing 1026000， China）

Abstract： Based on the results of the cultivated land quality grade investigation and evaluation in Daxing District， Beijing， the land quality geochemical evaluation in the featured agricultural producing areas of the study area was carried out according to the supplementary sampling survey and test in the "Land Quality Geochemical Evaluation Standard" （DZ/T02952016）.The results showed that the soil nutrient comprehensive grade in the featured agricultural production area of the study area was mainly second class， with an area of 10266.18hm2， accounting for 53.67% of the total area of the featured agricultural production area. The overall quality of soil environment was good， and the land quality was good.The geochemical evaluation results of land quality in characteristic agricultural producing areas can reveal the land quality grades and important land problems in characteristic agricultural producing areas， and provide the basis for the development of regional characteristic agricultural products and ecological agriculture.

Key words： Soil nutrient; Geochemical evaluation; Spatial distribution; Featured agriculture

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地質(zhì)量問(wèn)題已成為各國(guó)政府和民眾關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。合理開(kāi)發(fā)利用土地資源，發(fā)揮有限土地的最大生產(chǎn)潛力，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。近年來(lái)，隨著人民生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)耕地的保護(hù)意識(shí)越來(lái)越淡薄，可用作耕種的土地被建筑物所占用或因地質(zhì)災(zāi)害損壞，正在逐年減少。正因如此，而清楚了解土地的地球化學(xué)屬性，做到因地制宜[3]。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局于1999年開(kāi)始實(shí)施多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查計(jì)劃，又稱農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查計(jì)劃或土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查計(jì)劃[4]。該計(jì)劃實(shí)施20年來(lái)，在支撐服務(wù)農(nóng)業(yè)發(fā)展、土壤環(huán)境污染防控、土地資源管理、國(guó)家重大立法、幫助貧困地區(qū)實(shí)施精準(zhǔn)扶貧等方面做出了重大貢獻(xiàn)[5-7]。

本研究以特色農(nóng)業(yè)土地為對(duì)象，在多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查的基礎(chǔ)上開(kāi)展特色農(nóng)業(yè)土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)估，并利用GIS空間分析功能分析其空間分布特征，通過(guò)GS+軟件模型擬合空間變異性，為區(qū)域土地利用規(guī)劃調(diào)整、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、特色優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)等提供依據(jù)[8-10]。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況 研究區(qū)屬永定河洪積一沖積平原的一部分，總的地貌特征是地勢(shì)平坦，呈西北高東南低的微傾狀，適宜農(nóng)耕。研究項(xiàng)目區(qū)土壤分為風(fēng)砂土、褐土、潮土、沼澤土4個(gè)土類，細(xì)分7個(gè)亞類，主要為普通潮土、濕潮土、鹽化潮土、草甸沼澤土、草甸風(fēng)砂土、褐土性土和褐潮土。潮土為主要土壤類型，其次是風(fēng)砂土。土壤母質(zhì)主要以沖積物為主，其次是風(fēng)砂沖積物，洪沖積物最少;質(zhì)地構(gòu)型以海綿型為主，夾層型最少。按成因和形態(tài)分類，全區(qū)可分為6種地貌類型：老洪—沖積平原、近代洪沖—積平原、近代風(fēng)積—洪沖積平原、帶狀低平地、現(xiàn)代河漫灘、洼地。其地處燕山與太行山交匯處東南側(cè)的北東向構(gòu)造帶，西北部有南苑—通縣北東向斷裂，東南部有禮賢—牛堡屯北東向斷裂，構(gòu)成地壘式構(gòu)造。

1.2 區(qū)域地質(zhì)概況 研究區(qū)軸部地層主要由寒武系竹葉狀灰?guī)r、饅頭頁(yè)巖與豹皮灰?guī)r組成，其產(chǎn)狀較為平緩，且不同程度發(fā)育有裂隙和巖溶溶洞。隆起的東北端在瀛海莊以南，以寒武系紫紅色頁(yè)巖為主：隆起的西南端在北臧村附近，以竹葉狀灰?guī)r為主，且發(fā)育有較大的溶洞。研究區(qū)的東南側(cè)，蘆垡一帶分布有石炭系的砂巖、頁(yè)巖，其埋深也逐漸加深，約為150～200m之間;由此再往東南到石佛寺-禮賢鎮(zhèn)-朱腦村一帶為震旦系白云質(zhì)灰?guī)r、頁(yè)巖，此地層中發(fā)育有一條區(qū)域性的大斷裂，即禮賢-牛堡屯斷裂。

2 樣品采集與分析方法

2.1 樣品采集 依據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》（DZ/T 0295-2016），在耕地質(zhì)量等級(jí)調(diào)查評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，實(shí)施加密采樣，考慮項(xiàng)目區(qū)地勢(shì)平坦，且土地利用相對(duì)單一，人為潛在污染小，適當(dāng)放寬土壤采樣密度，采樣密度為1.7個(gè)/km2，確定334個(gè)土壤采樣點(diǎn)。

樣品布設(shè)、樣品編號(hào)、采樣介質(zhì)、采樣位置、采樣方法、定點(diǎn)與標(biāo)繪、采樣記錄、重復(fù)樣采集、樣品交接、樣 品加工與送樣等均按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。分析方法優(yōu)先選擇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（農(nóng)業(yè)、林業(yè)和環(huán)境）或其它等同推薦方法。本次研究檢測(cè)有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、有效磷、全銅、有效鋅、有效銅等土壤養(yǎng)分和環(huán)境測(cè)試指標(biāo)。

2.2 分析方法

2.2.1 普通克里金插值法 普通克里金插值方法（Kriging）又稱空間局部插值法，是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)。在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法，是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的主要內(nèi)容之一。普通克里金插值方法的適用范圍為區(qū)域化變量存在空間相關(guān)性，即如果變異函數(shù)和結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果表明區(qū)域化變量存在空間相關(guān)性，則可以利用克里金方法進(jìn)行內(nèi)插或外推;否則，是不可行的。其實(shí)質(zhì)是利用區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)未知樣點(diǎn)進(jìn)行線性無(wú)偏、最優(yōu)估計(jì)。

普通克里格法是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中最主要的方法之一。該法要求區(qū)域化變量z（x）是二階平穩(wěn)，或是準(zhǔn)平穩(wěn)的，即至少在估計(jì)鄰域內(nèi)有E[z（x）]=m（m為常數(shù)）成立。假定土壤變量z在空間位置x上的取值為z（x），利用n個(gè)已知采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)未采樣點(diǎn)的土壤變量進(jìn)行估值，普通克里格法的估計(jì)公式為：

式中z*OK（x0）是在x0位置的估計(jì)值，z（xi）是位置的測(cè)量值，λi是分配給z（xi）的權(quán)重，n是用于估計(jì)的測(cè)量值個(gè)數(shù)。確保無(wú)偏估值和估計(jì)方差最小。

式中γ（xi-xj）是距離為xi和xj之間的變異函數(shù)值，μ為拉格朗日乘數(shù)，通過(guò)解上述線性方程組，即可得到所有的權(quán)重λi和拉格朗日乘數(shù)μ。

利用計(jì)算所得的權(quán)重，我們就可以通過(guò)公式（1）求得估計(jì)值。另外，利用上述權(quán)重和拉格朗日乘數(shù)，可通過(guò)公式（3）計(jì)算克里格估計(jì)方差：

2.2.2 半變異函數(shù)分析 土壤質(zhì)量關(guān)鍵要素空間變異性包括確定性和隨機(jī)性兩部分。確定性又稱作為組織性，可表示為土壤屬性分布圖或是土壤屬性與空間數(shù)據(jù)的關(guān)系式。組織性是研究空間分布規(guī)律及其控制因子的關(guān)鍵;隨機(jī)性包括空間依賴性與空間獨(dú)立性2個(gè)亞組分。地統(tǒng)計(jì)學(xué)以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以變異函數(shù)為主要工具，研究那些在空間分布上既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性，或者空間相關(guān)和依賴性的自然現(xiàn)象的科學(xué)。描述的變異函數(shù)（半方差模型）計(jì)算公式如下：

式中Z（xi）表示著在xi位置土壤質(zhì)量關(guān)鍵要素的測(cè)量值，（h）表示分離距離為h觀測(cè)值Z（xi）和Z（xi+h）的變異函數(shù)，然后N（h）表示為采樣點(diǎn)對(duì)數(shù)（圖1）。

球狀、指數(shù)和高斯模型是3種常見(jiàn)變異函數(shù)類型。

球狀模型：

由地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論奠基者法國(guó)學(xué)者馬特?。℅.matheron）提出，故稱馬特隆模型。在實(shí)際中，95%以上的實(shí)驗(yàn)變異函數(shù)散點(diǎn)圖都可用該模型擬合。

指數(shù)模型：

高斯模型：

式中：C0為塊金值（nugget），表示因測(cè)量誤差、微尺度過(guò)程等隨機(jī)部分帶來(lái)的空間變異性;C1為結(jié)構(gòu)方差，亦稱偏基臺(tái)值（partial sill），表示由空間相關(guān)性帶來(lái)的空間結(jié)構(gòu)性。C0+C1為基臺(tái)值（sill），也可記作C。

2.2.3 土壤養(yǎng)分指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法 土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅等分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分見(jiàn)表1。

土壤全銅的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是在參照全國(guó)A層土壤元素含量基礎(chǔ)上，依據(jù)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查獲得的表層土壤分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)給出，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表2。

在土壤養(yǎng)分指標(biāo)等級(jí)劃分基礎(chǔ)上，按照以下公式計(jì)算土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合得分f養(yǎng)綜。

式中，f養(yǎng)綜為土壤N、P、K評(píng)價(jià)總得分，1≤f養(yǎng)綜≤5;ki為N、P、K權(quán)重系數(shù)，分別為0.4、0.4和0.2;fi分別為土壤N、P、K的單元素等級(jí)得分。單指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果5級(jí)、4級(jí)、3級(jí)、2級(jí)、1級(jí)所對(duì)應(yīng)的fi得分分別為1、2、3、4、5分。土壤養(yǎng)分地球級(jí)化學(xué)綜合等級(jí)劃分見(jiàn)表4。

根據(jù)各評(píng)價(jià)單元的養(yǎng)分元素地球化學(xué)綜合得分，按表4所示的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定其養(yǎng)分級(jí)別。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)分析 對(duì)研究區(qū)土壤養(yǎng)分指標(biāo)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)（表5），并利用單樣本K-S法進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，結(jié)果均服從正態(tài)分布。研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量介于2.99～34.25g·kg-1之間，其算術(shù)平均值為14.28g·kg-1;全氮含量介于0.77～1.96g·kg-1之間，其算術(shù)平均值為1.27g·kg-1;有效銅含量介于1.02～2.22mg·kg-1之間，其算術(shù)平均值為1.44mg·kg-1;有效鋅含量介于0.52～39.00mg·kg-1之間，其算術(shù)平均值為4.29mg·kg-1;速效鉀含量介于39.86～508.96mg·kg-1之間，其算術(shù)平均值為187.57mg·kg-1;有效磷含量介于7.21～159.47mg·kg-1之間，其算術(shù)平均值為38.05mg·kg-1;全銅含量介于22.71～37.62mg·kg-1之間，其算術(shù)平均值為28.23mg·kg-1。

變異系數(shù)用來(lái)揭示區(qū)域化變量的離散程度，CV<10%為弱變異性，10%≤CV≤100%為中等變異性，CV>100%為強(qiáng)變異性。研究區(qū)土壤全銅為弱變異性（CV=9.92%）;土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效銅、有效鋅、速效鉀、有效磷均為中等變異性（CV=20.87%、15.75%、15.28%、67.13%、41.76%、65.99%）這可能與研究區(qū)內(nèi)各采樣小區(qū)上所從事的不同農(nóng)業(yè)活動(dòng)以及區(qū)域自然環(huán)境因素差異有關(guān)[11]。

對(duì)研究區(qū)不同土類指標(biāo)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)（表6），并利用單樣本K-S法進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，結(jié)果均服從正態(tài)分布。只有沼澤土和褐土的有機(jī)質(zhì)為弱變異性（CV=3.46%、4.92%）;其他土類的各指標(biāo)均為中等變異性。這可能與研究區(qū)的自然環(huán)境因素的差異有關(guān)。

對(duì)研究區(qū)不同種植制度土壤養(yǎng)分指標(biāo)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)（表7），并利用單樣本K-S法進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，結(jié)果均服從正態(tài)分布。只有耕地和果園的有效磷為強(qiáng)變異性（CV=171.25%、106.65%）;其他不同種植制度下的各指標(biāo)均為中等變異性，這可能人為活動(dòng)有關(guān)。

3.2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)半方差分析 使用GS+軟件擬合土壤養(yǎng)分指標(biāo)的半變異函數(shù)，半變異函數(shù)是描述土壤空間變異性的有效方法。利用決定系數(shù)R2進(jìn)行模型篩選，R2越大，表示擬合模型效果最好，選擇出不同指標(biāo)的最優(yōu)模型。對(duì)各元素變量進(jìn)行半方差模型擬合，擬合結(jié)果顯示：4種指標(biāo)擬合系數(shù)均大于0.80，因此4種土壤養(yǎng)分指標(biāo)所選擬合模型均符合地統(tǒng)計(jì)要求。塊基比能夠反映隨機(jī)因素導(dǎo)致的空間變異占總體變異的比例，當(dāng)塊基比值<0.25時(shí)，表示變量具有顯著的空間自相關(guān)，當(dāng)塊基比介于0.25～0.75之間，表示變量具有中等自相關(guān)，當(dāng)塊基比>0.75，表示變量自相關(guān)程度不強(qiáng)。

表8顯示，全氮和速效鉀的塊基比位于0.25～0.75范圍中，屬于中等程度空間相關(guān)，空間變異受區(qū)域結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)因素共同影響。，其中全氮塊基比達(dá)到0.523，樣點(diǎn)間表現(xiàn)出較強(qiáng)的獨(dú)立性和隨機(jī)性，說(shuō)明受更多的隨機(jī)性因素（人為因素）影響。有機(jī)質(zhì)和有效磷的塊基比均小于0.25，為顯著的空間相關(guān)，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)和有效磷受結(jié)構(gòu)性因素（自然因素）的影響為主。

3.3 土壤養(yǎng)分指標(biāo)地球化學(xué)等級(jí)劃分及空間分布 根據(jù)特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)地土壤養(yǎng)分綜合分級(jí)評(píng)價(jià)圖（圖2），特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)地土壤養(yǎng)分綜合等級(jí)主要以二等為主，面積為10266.18hm2，占特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)地總面積的53.67%，其次是三等，占特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)地總面積的40.12%。

土壤類型為草甸風(fēng)砂土的土壤養(yǎng)分綜合等級(jí)以二等為主，面積為329.57hm2，占特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)地總面積的1.72%;土壤類型為草甸沼澤土的土壤養(yǎng)分綜合等級(jí)以三等為主，面積為123.32hm2，占特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)地總面積的0.64%;土壤類型為褐潮土的土壤養(yǎng)分綜合等級(jí)以二等為主，面積121.01hm2，占特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)地總面積的0.63%;土壤類型為普通潮土的土壤養(yǎng)分綜合等級(jí)以二等為主，面積為9169.73hm2，占特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)地總面積的47.94%，其次為三等，占特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)地總面積的32.94%，四等面積占比最少，占特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)地總面積的0.38%;土壤類型為鹽化潮土的土壤養(yǎng)分綜合等級(jí)以三等為主，占特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)地總面積的4.71%，面積為900.14hm2（表9）。

3.4 改良提升措施 研究區(qū)土壤養(yǎng)分綜合等級(jí)為一等的區(qū)域土壤全氮、速效鉀以及有效磷含量較研究區(qū)其他區(qū)域豐富，可以大力發(fā)展特色農(nóng)產(chǎn)品，如西甜瓜等。研究區(qū)存在大量的二等地和三等地，主要原因是由于部分特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)地土壤速效鉀含量出現(xiàn)適中和稍缺情況，針對(duì)這種狀況，可以在研究區(qū)土壤養(yǎng)分二等、三等地多施用高鉀復(fù)合肥，提高土壤鉀含量。研究區(qū)存在的少量四等地，土壤各養(yǎng)分指標(biāo)均偏低，應(yīng)合理施肥，提高土壤N、P、K等元素含量，根據(jù)實(shí)際情況改良土地質(zhì)量。

4 結(jié)論與建議

（1）研究區(qū)特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)地土壤質(zhì)量總體優(yōu)質(zhì)，土壤養(yǎng)分綜合等級(jí)主要以二等為主，面積為10266.18hm2，占特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)地總面積的53.67%，較適合農(nóng)作物種植。對(duì)于在研究區(qū)中部零星分布土地質(zhì)量差等的地區(qū)，建議在加強(qiáng)對(duì)周邊工農(nóng)業(yè)污染控制的情況下耕種時(shí)予以改良，適當(dāng)補(bǔ)充氮、磷、鉀等養(yǎng)分元素 [12]。

（2）為了更全面地評(píng)估影響土地質(zhì)量的各種因素，建議將土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)相關(guān)成果與農(nóng)用地分等定級(jí)有機(jī)的結(jié)合，從而更好地指導(dǎo)土地資源的開(kāi)發(fā)利用[13]。

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（責(zé)編：王慧晴）