基于GIS寧夏引黃灌區農地土壤綜合養分狀況評價

肖連剛,張建明

（蘭州大學資源環境學院,蘭州 730000）

為了高效地利用農業資源,實現優化經營的目標,必須查清土地內部的土壤性狀與生產力空間變異,并對這些結果進行綜合分析和評價[1]。目前國內外土壤質量等級評價基本方法主要包括聚類分析法、因子分析法、內梅羅指數法、判別分析法、模糊數學法、因子加權綜合法等。土壤肥力評價方法直接影響著評價結果的正確性、客觀性和指導性。因此,在進行土壤肥力評價時,選擇的評價方法應最大地減少人為的主觀性[2]。Fuzzy綜合評判法,首先是建立隸屬度函數,其次是確定每個評價單元的隸屬度值,然后建立權重矩陣,最后計算評價矩陣。Fuzzy綜合評判法,雖然計算繁瑣,但借助于計算機處理,可操作性強。評價時只需要將數量化值(標準值和實測值)輸入計算機,便可快速得到準確的土壤肥力綜合評價結果,有較強的應用價值[3-4],并且有許多學者將這一方法應用到了不同的區域,取得了較好的效果[5-8]。寧夏平原作為西北地區一個重要的農業基地,自古以來都有著重要地位。研究其土壤養分狀況并對其進行土壤養分狀況綜合評價對于指導當地科學合理施肥乃至今后精準農業的發展都具有重要的理論意義和實際意義。以寧夏靈武農場的一塊試驗田為研究對象,利用280多個采樣點數據,運用模糊數學評價方法,考慮了多個養分指標對田塊尺度的養分狀況進行綜合評價,并且利用GIS技術繪制綜合肥力評價圖。

1 研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區銀川平原靈武農場的一塊試驗田。靈武農場位于寧夏回族自治區靈武市靈武優良品種繁育場,地處東經 106°11′-106°51′、北緯 37°30′-38°38′,海拔 1 120 m 。靈武灌區年平均降水量213 mm,其中7-9月三個月的降水量占全年降水量的63%,年蒸發量2 005 mm,年平均氣溫8.8℃,≥10℃有效積溫3 351℃,無霜期145 d。這里灌排便利,稻麥輪作,農業生產發展水平較高,水稻單產750 kg左右,為寧夏引黃灌區較具代表性的高產地區。寧夏平原南起青銅峽,北止石嘴山,西依賀蘭山,東臨鄂爾多斯臺地,南北長約160 km,東西寬40～50 km,面積 7 998 km2,海拔 1 100～1 200 m,是寧夏地勢最低之處。在氣候方面,灌區地處歐亞大陸內陸,我國東部季風區的西緣,冬季受蒙古高壓控制,為寒冷氣流南下之要沖,夏季處在東南季風西行的末梢,形成了較典型的中溫帶干旱大陸性氣候。平均年降水200 mm,降水量集中在7-9月,占全年降水量的70%～80%,蒸發量為1 776 mm,無霜期大約170 d,風向以偏北風為主。

2 樣品采集及分析方法

在作物播種前對研究區土壤進行網格不規則取樣。在1∶10 000的地形圖上選4～5個控制點,在田間利用GPS確定控制點位置,選其中2個定位控制點作為基準點,采用不規則采樣法,采集10鉆耕層土壤(0-20 cm)樣品,混合均勻后風干送往北京中國農科院植物營養實驗室。靈武農場取土樣286個,見圖1。

樣品分析采用土壤養分狀況系統研究法(ASI)。該方法由美國國際農化服務公司Dr.Hunter提出,通過中國-加拿大鉀肥合作項目引進我國,該方法在對土壤養分狀況作出評價時全面考慮了作物必需的大量、中量和微量元素,本次測定指標主要包括速效N 、速效 P、速效 K 、有效 Fe、有效 Mn、有效 Zn、有效Cu。

圖1 采樣點示意圖

3 土壤肥力的綜合評價方法

在研究土壤肥力時,利用多元統計分析原理,建立了一個綜合評價土壤肥力的方法。利用該方法求出土壤肥力綜合評價指標值,并對各種單項的肥力現狀及總體綜合肥力進行評價。

3.1 單項指標評價值建立土壤養分隸屬度函數

(1)土壤營養元素如N,P,K,其指標越高,表明評價對象質量越好,但到一定臨界值之后,其效用也趨于恒定。該類指標的作物效應曲線為S型,所以隸屬度函數也采用S型,并把曲線型函數轉化為相應的折線型函數,以利于計算。相應的隸屬度函數折線如圖2所示,隸屬度函數為

圖2 S型隸屬度函數曲線

(2)拋物線型(梯型)隸屬度函數(圖3)。屬于這種類型的因子,其指標在一定范圍內,評價對象質量最好,高于或低于該范圍則變差,如土壤微量元素屬于這種類型的因子其隸屬度函數為

圖3 拋物線型隸屬度函數曲線

根據已有的研究資料[5,9]以及本區土壤在水旱輪作不同利用方式下的肥力特征,并主要根據參考文獻確定曲線中轉折點的相應取值(表1)。

表1 土壤養分臨界值表 mg/kg

3.2 綜合評價指標值

多因子綜合研究利用多元統計分析中的因子分析法確定權重,采用統計軟件(SPSS 17.0)進行分析,求出反映肥力狀況和各因子主成分的特征值和貢獻率如表2。通過相應的載荷矩陣求出各肥力指標的公因子方差,其大小表示了該項肥力指標對總體肥力狀況變異的貢獻,最終由方差值計算各項肥力指標的權重如表3,再將不同養分的權重與隸屬度值乘積相加,所求的和就是綜合評價指標值。綜合性指標值INDI(Integrated Nutrient Depletion Index),其公式如下:

式中:Ni——表示第i種肥力狀況指標的隸屬度值;Wi——表示第i種肥力狀況指標的權重。綜合評價指標標準,綜合評價指標值0～60較差、60～75中等、75～85良好,85～100優等。

表2 肥力因子主成分的特征值和貢獻率

表3 各項肥力指標的公因子方差和權重值

按照上述步驟本文對靈武農場的土壤養分狀況進行綜合評價,根據評價計算結果利用ArcGIS軟件對其進行克里格插值,所得結果如圖4所示。

圖4 土壤肥力綜合評價圖

4 結論與討論

通過對研究區土壤綜合養分狀況水平的計算,研究區土壤綜合養分水平較高,大部分為優良狀況。其中,綜合評價指標值為優等狀態的采樣點數量占35.54%,良好狀態的樣點數占46.69%,中等狀態的樣點數占17.42%,較差狀態為0。可以看出,研究區土壤綜合養分狀況水平較高的優良樣點總數達到總采樣點的82.58%。

從養分綜合狀況等級分布情況來看,研究小區的四個角為養分狀況的極端區域。其中北角和西角為土壤綜合水平較高的區域,南角和東角為養分水平狀況較低的區域,而中間則為養分狀況水平較為平均的區域,而且土壤綜合養分狀況水平由西北側向東南側遞減的趨勢。

綜上,不論是極端值還是趨勢值,土壤養分狀況都是西北側高于東南側的原因可能有以下幾個方面:第一,地形因素的影響。地形對土壤養分的遷移具有重要的影響作用,研究區地勢西北部略高于東南部,造成了土壤養分由西北向東南部的遞減,雖然人為施肥因素可能抵消掉一部分地形因素所造成的差異,但是人工施肥主要是氮肥和鉀肥,很少使用磷肥與微量元素,因此在進行土壤綜合養分狀況評價時,人為施肥因素并不足以完全覆蓋掉土壤養分的自然差異。第二,土壤綜合養分狀況較高的研究區西北邊是引黃灌渠經過的地方,水量較為充沛可能是土壤養分狀況較好的另一個原因。

(1)從評價結果來看,樣區土壤養分狀況水平處于優良二級的占82.58%,普遍水平較高,這與該地為黃河灌淤土壤類型以及農業集約化水平較高等因素有密切聯系。

(2)土壤綜合養分狀況由西北向東南降低的趨勢明顯。西角北角為兩個極端高值區域,東角南角為兩個極端低值區域。

(3)應用主成分分析、模糊數學分析等方法,并與GIS技術相結合開展土壤肥力評價的優點是:能綜合影響肥力的各類因素與因子,可降低評價過程中的人為干預;評價結果更準確且形象直觀,易于理解,可直接作為土壤改良和農業結構布局調整的依據。

(4)當然,計算出的土壤養分狀況水平主要是由土壤主要養分和微量養分所構成的指標體系得出的結果,并未考慮到土壤質量等物理性狀指標,由于土壤綜合肥力是由水肥氣熱四大指標所形成的綜合體系,因此該結果僅僅反映了研究區的土壤養分綜合狀況。因此,土壤肥力水平與其養分狀況水平之間往往存在差距,這也是下一步工作需要補充完善的地方。

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