河南省東北部農用地肥力分析

方相林，馮鳳英，于 斌，梁留科，王少華

（1.安陽師范學院 資源環境與旅游學院，河南 安陽455002；2.河南大學 環境與規劃學院，河南 開封475004；3.福建省龍巖市國土資源局，福建 龍巖364000）

隨著工業化、城鎮化的發展，土地污染問題越來越突出。土地污染物因極難被降解、不易移動、不斷積累等特征給環境造成嚴重污染，并通過植物吸收進入食物鏈，給農產品質量安全帶來隱患，危害人類健康。農用地是直接生產糧食的土地，深刻影響著食品安全，關系著人類健康，因此農用地健康狀況受到廣泛關注。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而沒有使其功能受到破壞的狀況，把土地有機健康作為土地內部本身的自我更新能力，認為土地有機體健康應當與人們考慮個人有機體健康一樣［1］。20世紀80年代，隨著人地矛盾的日益突出，國際地圈—生物圈計劃（IGBP）和全球環境變化中的人文領域計劃（IHDP）提出“土地利用／土地覆蓋變化”研究的前沿和熱點問題［2］，生態系統健康成為國內外學者研究的主要領域，其中土地健康是其重點研究內容［3－11］。國內外學者對土地健康的研究大多數基于時間尺度和土地利用類型空間變化上的評價，對于土地本身的健康和直接作用于土地影響因素的健康評價較少；土地健康評價沒有形成統一標準規范，且結合實踐進行研究的較少；土地作為生態系統的承載體，其肥力影響著生物的生長與繁殖［12－15］，對生態系統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上［16－17］，采用傳統數學方法和現代方法相結合、定性與定量評價相結合的方法，基于土壤樣點實驗數據，對河南省東北部（濮陽縣、范縣、臺前縣）農用地的土壤肥力空間分布格局進行分析，并對農作物的適宜程度進行評價。

1 研究區概況

本文選擇黃河與金堤河之間的濮陽縣、范縣、臺前縣三個縣域作為研究區域（圖1）。研究區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114°52′0″—116°5′4″，東西長約152 k m，南北寬約100 k m。黃河、金堤河橫貫全境，將全區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。氣候受東南季風環流的控制，屬暖溫帶半濕潤季風型大陸氣候。金堤河系黃河北側支流，源于新鄉縣司張排水溝，自安陽市滑縣入濮陽境，經濮陽縣、范縣、臺前3縣，于臺前縣吳壩鄉張莊村北匯入黃河。研究區內地勢平坦，土層深厚，墾殖率高，絕大部分已開辟為農田。

圖1 研究區地理位置

2 資料與方法

于2010—2011年對河南省濮陽市轄區內金堤河和黃河之間的區域進行全年觀測，為了反映研究區（濮陽縣、范縣、臺前縣）土地生態健康，利用Arc GIS 9.3軟件在1∶25萬河南省電子地圖上統一劃分網格，按國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尺度劃分網格，網格制成后利用GIS軟件在地圖上標注網格中心點，網格中心點即為土壤調查點，并對網格中心點經緯度坐標進行現場勘查、定點、采取土樣，最終確定研究區域內21個土壤調查監測點，土壤樣品送河南省環境檢測中心站分析，檢測項目主要包括土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、p H、速效磷、速效鉀、砂粒等指標。

3 結果與分析

3.1 肥力空間分布

根據長期施肥對作物產量及氮、磷、鉀養分吸收的影響與土壤p H存在極顯著正相關性研究，p H降低是作物產量和氮磷鉀養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作物產量極其顯著，有機肥效果優于氮、磷、鉀肥，氮肥優于磷肥［19］，參照魯西北地區土壤主要養分因子與濟麥22產量品質的關系研究［20］，證實土壤肥力對作物產量及農作物對土壤肥力需求具有不同的要求。本文的研究區域與魯西北相鄰且相距不遠，對土壤采樣點檢測數據進行精確空間插值分析，繪制土壤有機質、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 肥力健康評價

根據土地肥力與農作物產量之間的關系，建立評價指標與作物產量或作物效應之間的關系曲線，這樣就可以把參評指標轉變為0～1之間的無量綱值（即隸屬度），分為戒上型、戒下型和正態分布型［9－10，21－23］。通過模糊分析與專家打分法計算每個評價單元的隸屬度，作為該評價單元的指標分值，評價因子隸屬度函數通過下面三種隸屬函數計算得到：

（1）評價指標與作物生長呈“S”形曲線（戒上型），即在一定范圍內該類指標的增長與作物反應或作物產量呈現正相關，而低于或超過這個范圍其變化對土壤質量影響比較小，則隸屬度函數為：

（2）評價指標與作物生長呈反“S”形曲線（戒下型），即在一定范圍內該類指標的增長與作物反應或作物產量呈現負相關，而低于或超過這個范圍其變化對土壤質量影響比較小，相應的隸屬函數為：

（3）評價指標與作物生長呈拋物線形曲線關系，即正態分布型。這類指標對作物生長發育有一個最適宜的生長范圍，超出這個范圍隨偏離程度的增大對作物生長發育的影響程度越不利，直至到某一個值時作物就不能生長發育，其相應的隸屬函數為：

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 土壤有機質空間分布格局

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）——評價因子的 隸屬度；αi——常數；xi——評價因子實測值；ci——評價因子的最優值；li——評價因子的下限值；i——第i個評價因子；ui——評價因子的上限值；bi——評價因子的極值。

根據土壤肥力指標與耕地產力之間的關系，即在一定范圍內該類指標的增長與作物反應或作物產量呈現出的相關性，進一步確定各指標的參數值、標準值、極限值、實測值，利用擬合隸屬度經驗公式計算各指標相應的隸屬度值（表1）。為避免人為主觀因素對土壤肥力指標權重的干擾，采用因子分析設置特征值＞1，K MO值＞0.5，累計貢獻率＞80%等條件，計算各評價指標權重值（表2），運用模糊數中加乘法原則，計算土壤肥力質量綜合評價指標值IFI［20］，其計算公式如下：

式中：qi——第i項土壤肥力評價指標隸屬度值；wi——第i項土壤肥力評價指標權重系數。IFI取值為0～1，其值越高，表明土壤肥力質量越好。

根據土壤調查樣點的有機質、p H值、速效磷、速效鉀、砂粒的標準化數據，按式（4）要求計算土壤肥力質量綜合指數IFI，利用地統計克里格方法對未采樣點區域化變量值進行線性無偏差最優估計，繪制出研究區土壤地表層肥力質量綜合指數IFI空間分布格局（圖10）。基于土壤肥力綜合指數IFI值，結合專家意見和土壤肥力質量分級建議方案及土壤養分綜合貧瘠化狀況，繪制土壤肥力質量等級空間分布（圖11）。將土壤肥力質量等距劃分為五級（表3），土壤肥力質量評價綜合得分和等級劃分結果如表4所示。

表1 隸屬函數參數值

表2 土壤肥力指標權重值

表3 土壤肥力綜合指數（IFI）等級劃分

4 結論與討論

本研究根據土壤肥力指標與耕地產力之間的關系，即在一定范圍內該類指標的增長與作物反應或作物產量呈現出相關性，進一步確定各指標常數值、標準值、極限值和各指標實測值空間分布。為避免人為主觀因素對土壤肥力指標權重的干擾，采用因子分析法計算各評價指標權重值，利用擬合隸屬度經驗公式計算研究區采樣點相應肥力隸屬度值；再運用模糊數中加乘法原則計算土壤肥力質量綜合評價指標值IFI。根據土壤肥力綜合指數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量分級建議方案，和我國南方丘陵地區紅壤水田、旱地土壤養分的綜合貧瘠化狀況，將土壤肥力質量等距劃分為五級，按照土壤肥力質量綜合評價公式，計算土壤肥力綜合得分并對其進行等級劃分。研究表明，研究區土壤肥力綜合指數IFI均在6以下，多數土壤樣點處于中等級別與貧瘠之間，接近于土壤養分貧瘠或較貧瘠狀態。本研究揭示了土地表層營養成分的空間分布格局，合理解釋了農用地肥力健康狀態，利用肥力隸屬度函數闡明了土地肥力與農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律及其對農作物生長的促進作用。為避免人為主觀因素對土壤肥力指標權重的干擾，采用因子分析計算了各評價指標權重值，確保土地肥力因子的客觀評價。然而，土地肥力對農作物影響程度的界限值與最適宜含量還有待進一步研究，如土地肥力對農作物影響的最低值、最大值、最優值之間的測定，嘗試引入相關程度較高的環境變量作為輔助來提高土地肥力函數隸屬測算，為土地肥力研究提供有效途徑。

表4 土壤肥力質量等級劃分

圖10 土壤肥力質量綜合指數分布

圖11 土壤肥力質量等級分布

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