安徽省石臺(tái)縣土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)及應(yīng)用

湯 明，吳海東，姜明亮，韓慧杰

(1.安徽金聯(lián)地礦科技有限公司，安徽 合肥 230001；2.澳門科技大學(xué)，澳門 999078)

土地質(zhì)量評價(jià)是土地利用總體規(guī)劃的重要組成部分，是土地利用分區(qū)的主要技術(shù)依據(jù)和決策因素(奚仲偉，2016；黃勇等，2008；鄒勇軍等，2019；董旭等，2021)。其用量化指標(biāo)確定土地質(zhì)量等級(jí)，對協(xié)調(diào)人地關(guān)系和實(shí)現(xiàn)土地可持續(xù)利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，中國已經(jīng)建立和完善了區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查和土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評價(jià)技術(shù)方法體系(奚小環(huán)等，2013，2017；路婕等，2011；弓秋麗等，2013)；我國學(xué)者研究了特色土地資源開發(fā)和利用、土壤中重金屬污染變化監(jiān)測的樣品采集數(shù)量和采集時(shí)間間隔、土壤中重金屬元素的成因來源、遷移途徑和生態(tài)效應(yīng)以及土壤的物化性質(zhì)對元素分配系數(shù)造成的影響，為區(qū)域性土壤重金屬污染變化監(jiān)測、生態(tài)地球化學(xué)評價(jià)和土地安全永續(xù)利用等提供了重要的研究思路和方法(楊忠芳等，2017；Xia et al.,2017；侯青葉等，2008；楊曉燕等，2013；呂凱等，2017；王升堂，1999；胡茂泳，2011，陳紅翔，2008)。目前國際土壤質(zhì)量研究熱點(diǎn)是將土壤質(zhì)量應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)以及土壤質(zhì)量研究由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向環(huán)境方向滲透(Zhuang et al.，2015；李彬彬等，2017)。中國土地資源管理總體上還處在數(shù)量管護(hù)、管理粗放的初級(jí)階段，與工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的要求不相適應(yīng)(劉國棟等，2017；Padilla-Bernal et al.，2015)。因此科學(xué)量化土地質(zhì)量，做好數(shù)量管控的同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量管理和生態(tài)保護(hù)(劉霈珈等，2015；郭旭東，2014)。

本次以《安徽省石臺(tái)縣1∶5萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價(jià)成果報(bào)告》(1)湯明，吳海東，2019.安徽省石臺(tái)縣土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價(jià)成果報(bào)告[R].合肥：安徽省公益性地質(zhì)調(diào)查管理工作中心.數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)規(guī)范》(國家國土資源部，2016)對研究區(qū)土壤養(yǎng)分元素、土壤環(huán)境元素、大氣干濕沉降物、灌溉水和農(nóng)作物等地球化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，并完成土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)，為大比例尺地形地貌復(fù)雜的縣域內(nèi)開展土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)工作提供示范。同時(shí)，以地球化學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合地質(zhì)和遙感資料，提取數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，進(jìn)行海拔和坡度坡向計(jì)算，開展水稻種植適宜性評價(jià)。根據(jù)評價(jià)結(jié)果對水稻種植做出部分區(qū)劃調(diào)整，改善農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，提升土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查成果在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

石臺(tái)縣隸屬于安徽省池州市，皖南山區(qū)西部，東與黃山區(qū)交界，南與黟縣、祁門縣相連，西與東至縣接壤，北與貴池區(qū)、青陽縣為鄰。境內(nèi)地形復(fù)雜，地勢南北高，東西低，山脈逶迤，溝壑縱橫，海拔高度為50～1 000 m，地貌以低山、高丘分布最廣。屬中亞熱帶濕潤氣候區(qū)，春季溫涼多雨，夏季炎熱濕潤，秋季先干后濕，冬季寒冷少雨。

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)內(nèi)以七都斷裂為界，東南是江南地層分區(qū)，西北是下?lián)P子地層分區(qū)。地層發(fā)育較齊全，除侏羅系、第三系缺失外，元古界-古生界-新生界都有出露。區(qū)內(nèi)地層主要有第四系、三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系、奧陶系、寒武系、震旦系、青白口系及薊縣-長城系等，巖性復(fù)雜，以沉積巖為主，局部出露侵入巖。前第四紀(jì)地層分布區(qū)土地利用類型以林地和園地為主。區(qū)內(nèi)第四紀(jì)地層主要分布在小河鎮(zhèn)、丁香鎮(zhèn)等地，出露中、晚更新世和全新世地層，缺失早更新世地層，成因類型以沖洪積為主。沿河谷分布的第四紀(jì)蕪湖組地層區(qū)為研究區(qū)內(nèi)主要的水稻種植區(qū)。

1.2 土壤母質(zhì)與土壤類型

研究區(qū)內(nèi)地貌類型復(fù)雜多樣，在中亞熱帶濕潤氣候條件作用下，土壤形成具有強(qiáng)烈的地質(zhì)風(fēng)化、淋濾作用和旺盛的生物循環(huán)等特點(diǎn)，受氣候生物帶影響，山地土壤又呈垂直分布，同時(shí)還受不同的中小地形、水文地質(zhì)條件、成土母質(zhì)及人為因素影響(姚飛，2006)，形成區(qū)域性或土壤類型組合型分布。區(qū)內(nèi)成土母質(zhì)以碳酸鹽巖、泥質(zhì)巖、碳質(zhì)巖、花崗巖、砂質(zhì)巖、硅質(zhì)巖、淺變質(zhì)巖、鈣質(zhì)泥頁巖等為主，巖性跨度較大，土壤類型分為5個(gè)土綱，6個(gè)亞綱，7個(gè)土類，14個(gè)亞類。在7個(gè)土類中以紅壤和石灰?guī)r土分布面積最廣(圖1)。本次研究區(qū)為石臺(tái)縣全域(扣除部分特殊用地)，其中林地約占90%，其次為園地和耕地。

圖1 石臺(tái)縣土壤類型圖Fig.1 Soil type map of Shitai county

2 材料與方法

2.1 樣品采集與測試

土壤樣品點(diǎn)布置采用1 km×1 km網(wǎng)格疊加土地利用現(xiàn)狀圖斑的方式，在網(wǎng)格內(nèi)以耕地優(yōu)先的原則，結(jié)合地形地貌和地質(zhì)背景進(jìn)行布設(shè)。本次調(diào)查以耕地和園地為主，林地及其他地類為輔，共采集表層土壤樣品7 736件，采樣深度為0～20 cm，耕地、園地、林地的采樣密度分別為43.19個(gè)/km2、46.36個(gè)/km2、2.06個(gè)/km2。此外，還采集了82件土壤垂向剖面樣品、193件農(nóng)作物(其中水稻樣81件)、97件灌溉水及11件大氣干濕沉降物樣品。

采集的土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干，用木錘加工后過10目篩，除去其他非土壤雜質(zhì)(植物根系、石塊等)，副樣裝瓶裝箱保存，正樣包裝后送至安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所進(jìn)行測試。本次測試的元素和指標(biāo)有As、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn、K2O、Se、N、P、B、Mn、V、Mo、Ni、速效鉀、有效磷、堿解氮、pH、有機(jī)質(zhì)等22項(xiàng)。

2.2 分析質(zhì)量控制

樣品測試由安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所完成，樣品分析的準(zhǔn)確度和精密度控制采用國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來校核。分析過程中共插入920件國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，一次合格率均為100%，測試數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。其他土壤元素有效態(tài)、農(nóng)作物、灌溉水和大氣干濕沉降物的質(zhì)量監(jiān)控均合格。

2.3 數(shù)據(jù)分析與制圖

按照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)規(guī)范》(國家國土資源部，2016)統(tǒng)一元素單位，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了正態(tài)分布檢驗(yàn)和極值處理。采用Microsoft Office 2013和IBM SPSS Statistics 22等統(tǒng)計(jì)軟件，統(tǒng)計(jì)了極大值、極小值、算術(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)離差、變異系數(shù)、中位值等參數(shù)。采用冪指數(shù)反距離加權(quán)平均法作為本次數(shù)據(jù)插值方法，圖斑賦值嚴(yán)格按照評價(jià)規(guī)范中規(guī)定的原則執(zhí)行，最后根據(jù)各圖斑元素含量及規(guī)范規(guī)定的等級(jí)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法完成土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)和圖件制作。

3 結(jié)果和討論

3.1 土地質(zhì)量地球化學(xué)等級(jí)

3.1.1 土壤養(yǎng)分地球化學(xué)等級(jí)評價(jià)結(jié)果

土壤養(yǎng)分地球化學(xué)等級(jí)評價(jià)結(jié)果見表1。研究區(qū)表層土壤養(yǎng)分地球化學(xué)綜合等級(jí)以二等和三等為主，兩者面積之和為1 144.39 km2，占評價(jià)區(qū)總面積的93.48%，其次是一等，其面積為45.14 km2，面積占比為3.68%，四等和五等最少，面積之和為37.25 km2，面積占比為3.04%?？傮w上，整個(gè)研究區(qū)表層土壤中氮、磷、鉀組成的土壤養(yǎng)分綜合含量適宜，土壤肥力狀況良好，同時(shí)整個(gè)研究區(qū)表層土壤磷含量普遍較低。因此，特定地區(qū)應(yīng)適量增加磷肥施用量，同時(shí)應(yīng)重視施用有機(jī)肥，長期施用有機(jī)肥能明顯提高土壤磷的有效性，以改善這些地區(qū)表層土壤磷缺乏狀況(楊麗娟等，2009)。

表1 土壤養(yǎng)分地球化學(xué)等級(jí)劃分結(jié)果Table 1 Statistical results of the classification of soil nutrients geochemical grades

3.1.2 土壤環(huán)境地球化學(xué)等級(jí)評價(jià)結(jié)果

土壤環(huán)境地球化學(xué)等級(jí)評價(jià)結(jié)果見表2。研究區(qū)的表層土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級(jí)以一等和二等為主，兩者面積占比分別為35.65%和51.67%，總和達(dá)87.32%。存在少量的三等、四等和五等(輕度污染、中度污染和重度污染)土壤，面積約占12.68%，整體上土壤環(huán)境質(zhì)量狀況尚好。

表2 土壤環(huán)境地球化學(xué)等級(jí)劃分統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of soil environmental geochemical grades

八大重金屬(除鎘元素外)土壤環(huán)境地球化學(xué)等級(jí)以一等(清潔)為主，部分地區(qū)存在鎘、砷輕度-重度污染，零星出現(xiàn)其他輕微-中度污染。鎘和砷元素污染土壤的土地利用類型以林地為主，主要分布于西南及西北部的中低山區(qū)，污染源與地層背景關(guān)系密切，屬于自然高背景。另外，污染區(qū)附近土壤垂向剖面鎘元素的含量隨深度增加呈增加趨勢，說明表層土壤鎘、砷等重金屬元素主要來源于富含重金屬元素的炭質(zhì)巖及硅質(zhì)巖。

3.1.3 土地質(zhì)量地球化學(xué)等級(jí)評價(jià)結(jié)果

圖2為土地質(zhì)量地球化學(xué)等級(jí)評價(jià)結(jié)果。研究區(qū)的土地質(zhì)量地球化學(xué)等級(jí)以二等和三等為主，面積占比分別為26.65%和53.95%，其次為一等和四等，面積占比分別為6.64%和9.34%，存在少量五等土地，面積為3.42%。從空間分布來看，五等土地零星分布于仙寓鎮(zhèn)、小河鎮(zhèn)和七都鎮(zhèn)的部分地區(qū)。整體上，區(qū)內(nèi)東部及西北部土地質(zhì)量地球化學(xué)等級(jí)要優(yōu)于西南部。

圖2 土地質(zhì)量地球化學(xué)等級(jí)Fig.2 Geochemical grade of land quality

3.2 水稻種植適宜性評價(jià)

水稻種植適宜性的評價(jià)龐大而復(fù)雜，空間尺度大，影響因素多。因此在選擇評價(jià)指標(biāo)時(shí)，既要綜合權(quán)衡指標(biāo)的全面性、突出主導(dǎo)因素，又要盡量遵循簡單方便、有效實(shí)用原則。

本次選取立地條件、養(yǎng)分狀況、環(huán)境狀況以及理化性質(zhì)等4大類共6個(gè)因子作為水稻種植適宜性評價(jià)指標(biāo)體系，重點(diǎn)對成土母質(zhì)、地形部位、地形坡度、土壤養(yǎng)分綜合、土壤環(huán)境綜合、pH值等與水稻種植有密切聯(lián)系的因子進(jìn)行綜合評價(jià)?；谑_(tái)縣土地質(zhì)量地球化學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)合地質(zhì)和遙感資料，利用ArcGIS 10.2軟件提取數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，對海拔和坡度坡向進(jìn)行計(jì)算，并對研究區(qū)耕地圖斑進(jìn)行賦值。以地球化學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合地質(zhì)和遙感數(shù)據(jù)以及上述指標(biāo)選定評價(jià)因子，對該地區(qū)的水稻種植做適宜性評價(jià)。

3.2.1 建立評價(jià)指標(biāo)層次模型

層次分析法(AHP)是將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，進(jìn)行定性和定量分析的決策方法(郭金玉等，2008；聶文芳，2010；葉延瓊等，2013)。本次研究把水稻種植適宜性評價(jià)作為目標(biāo)層(A)，影響目標(biāo)層的立地條件、養(yǎng)分狀況、環(huán)境狀況、理化性質(zhì)作為準(zhǔn)則層(B)，影響準(zhǔn)則層中各因素的項(xiàng)目作為指標(biāo)層(C)，依次劃分出這三個(gè)層次，構(gòu)建研究區(qū)水稻種植適宜性評價(jià)層次模型。采用文特爾菲法(Delphi)輔以文獻(xiàn)研究法(李文西等，2013)，邀請農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者和當(dāng)?shù)赜薪?jīng)驗(yàn)的農(nóng)林技術(shù)人員討論、打分，確定水稻種植適宜性評價(jià)中立地條件、養(yǎng)分狀況、環(huán)境狀況、理化性質(zhì)四大類的判斷矩陣，并計(jì)算出相應(yīng)的權(quán)重，以及確定每一類指標(biāo)的判別矩陣，并計(jì)算出相應(yīng)的權(quán)重，最后統(tǒng)計(jì)、計(jì)算出石臺(tái)縣6個(gè)指標(biāo)在水稻適宜性評價(jià)中的組合權(quán)重(表3)。

表3 水稻種植適宜性評價(jià)層次分析模型中各指標(biāo)的組合權(quán)重Table 3 Combination weight of indexes in analytical hierarchy process model of rice planting suitability evaluation

3.2.2 確定指標(biāo)隸屬度

根據(jù)專家意見和《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)，結(jié)合相關(guān)適宜性評價(jià)成果的隸屬度劃分指導(dǎo)(國家國土資源部，2016；國家農(nóng)業(yè)部，2008；國家生態(tài)環(huán)境部，2019)，對各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行隸屬度計(jì)算。對于成土母質(zhì)、地形部位等定性指標(biāo)，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況結(jié)合專家打分給出隸屬度(表4)。

表4 水稻種植適宜性評價(jià)指標(biāo)隸屬度劃分Table 4 Division of membership degree of rice planting suitability evaluation index

3.2.3 評價(jià)方法

本研究適宜性評價(jià)工作采用綜合指數(shù)評價(jià)法。該方法將選取的各評價(jià)因子隸屬度與相應(yīng)的準(zhǔn)則層權(quán)重相乘，得出各評價(jià)因子的得分，再計(jì)算每一評價(jià)單元內(nèi)所有參評因子的總分，采用累加法計(jì)算每個(gè)評價(jià)單元的水稻種植適宜性綜合指數(shù)(IRS)，最后依據(jù)分?jǐn)?shù)高低來確定適宜性等級(jí)。

IRS=∑(Fi×Wi)；(i=1，2，3，4，……n)

式中，IRS為水稻適宜性綜合指數(shù)；Fi為第i個(gè)評價(jià)因子的隸屬度；Wi為第i個(gè)評價(jià)因子的組合權(quán)重。

根據(jù)計(jì)算出的適宜性指數(shù)分布的規(guī)律，參照自然間斷點(diǎn)分級(jí)法，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，將研究區(qū)范圍內(nèi)的水稻種植適宜性分為四類：IRS≥ 0.89(高度適宜)、0.84 ≤IRS< 0.89(適宜)、0.75 ≤IRS< 0.84(勉強(qiáng)適宜)、IRS< 0.75(不適宜)。

3.2.4 評價(jià)結(jié)果

研究區(qū)水稻種植適宜性評價(jià)結(jié)果見表5，空間分布見圖3。研究區(qū)內(nèi)“高度適宜”區(qū)面積為7.88 km2，占耕地面積的14.40%，主要分布于小河鎮(zhèn)中部、丁香鎮(zhèn)西南部、七都鎮(zhèn)的中部及橫渡鎮(zhèn)部分地區(qū)；“適宜”區(qū)和“勉強(qiáng)適宜”區(qū)面積分別為10.68 km2和19.16 km2，分別占19.51%和35.01%，主要分布于小河鎮(zhèn)西部、七都鎮(zhèn)北部及仁里鎮(zhèn)北部等地區(qū)；“不適宜”區(qū)面積為17.01 km2，占比為31.08%，主要分布于小河鎮(zhèn)北部、丁香鎮(zhèn)南部、仁里鎮(zhèn)西部、大演鄉(xiāng)北部及仙寓鎮(zhèn)的大部地區(qū)。

圖3 水稻種植適宜性評價(jià)圖Fig.3 Map of rice planting suitability evaluation

表5 水稻種植適宜性評價(jià)分級(jí)Table 5 Classification of rice planting suitability evaluation

根據(jù)評價(jià)結(jié)果空間分布圖可以看出，研究區(qū)西北部小河鎮(zhèn)、丁香鎮(zhèn)沖積平原區(qū)及東部七都鎮(zhèn)面積較大的山間盆地區(qū)地形條件、耕作條件較好，但土壤養(yǎng)分條件一般、部分土壤環(huán)境質(zhì)量較差及土壤pH值不適宜等因素，致使部分地區(qū)水稻種植適宜性較差。因此，當(dāng)?shù)貞?yīng)通過改良土壤、調(diào)節(jié)土壤pH值，增施有機(jī)肥和磷肥等手段，提高土壤養(yǎng)分含量，保障水稻產(chǎn)量及質(zhì)量。研究區(qū)西南地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量較差，水稻樣品鎘超標(biāo)比例較高，但此區(qū)亦為主要的富硒土壤分布區(qū)。因此，建議種植超低鎘吸收的水稻品種，對于部分嚴(yán)重“不適宜”區(qū)可改種茶葉、藥材等當(dāng)?shù)剡m宜的作物，形成種植規(guī)模，建立品牌，保障農(nóng)民收入。研究區(qū)東部地形及耕作條件變化較大，部分地區(qū)存在土壤環(huán)境質(zhì)量較差和養(yǎng)分缺乏問題，耕地相對較分散，不便于統(tǒng)一管理，可根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，改良耕作條件、控制土壤污染、提高土壤養(yǎng)分，推廣種植適宜性較好的水稻品種或者改種其他適宜當(dāng)?shù)胤N植的作物。

3.2.5 評價(jià)方法驗(yàn)證

將本次調(diào)查采集的81件水稻樣品點(diǎn)位與水稻種植適宜性評價(jià)圖進(jìn)行疊加統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，位于“高度適宜”區(qū)的13件樣品中有12件達(dá)標(biāo)，位于“適宜”區(qū)的25件樣品中有21件達(dá)標(biāo)，位于“勉強(qiáng)適宜”區(qū)的28件樣品中有15件達(dá)標(biāo)，位于“不適宜”區(qū)的15件樣品中有6件達(dá)標(biāo)，“高度適宜”及“適宜”區(qū)水稻質(zhì)量達(dá)標(biāo)率遠(yuǎn)高于“勉強(qiáng)適宜”和“不適宜”區(qū)。由此可見水稻種植適宜性評價(jià)結(jié)果與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況基本相符，評價(jià)方法可行。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量相對適宜，總體上土壤中氮含量較高，鉀含量適中，磷含量則普遍較低，且以中部和西北部地區(qū)最為明顯。這些地區(qū)應(yīng)適量增加磷肥施用量，同時(shí)應(yīng)重視施用有機(jī)肥，提高土壤磷的有效性，以改善這些地區(qū)表層土壤磷缺乏狀況。

(2)研究區(qū)土壤環(huán)境狀況尚好，存在少量的三等、四等及五等土壤，面積約占12.68%。主要風(fēng)險(xiǎn)元素為鎘和砷，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要位于仙寓鎮(zhèn)大部分地區(qū)，小河鎮(zhèn)的東部及仁里鎮(zhèn)的中東部地區(qū)，原因主要為地質(zhì)高背景引起。

(3)研究區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)等級(jí)以二等和三等為主，面積占比分別為26.65%和53.95%，其次為一等和四等，存在少量五等土地。整體上，區(qū)內(nèi)東部及西北部土地質(zhì)量地球化學(xué)等級(jí)要優(yōu)于西南部。

(4)研究區(qū)內(nèi)水稻種植“高度適宜”區(qū)面積為7.88 km2，占耕地面積的14.40%，主要分布于研究區(qū)的中東部和西北部地區(qū)；“適宜”區(qū)和“勉強(qiáng)適宜”區(qū)面積分別為10.68 km2和19.16 km2，分別占19.51%和35.01%，主要分布于研究區(qū)的西北部及北部地區(qū)；“不適宜”區(qū)面積17.01 km2，占比31.08%，主要分布于研究區(qū)的西南部，原因主要是受土壤環(huán)境質(zhì)量條件限制。