黑龍江省松嫩平原南部土地質量地球化學評價*

張 慧，雷國平，張 瑩

(東北農業(yè)大學)

黑龍江省松嫩平原南部土地質量地球化學評價*

張 慧，雷國平，張 瑩

(東北農業(yè)大學)

以黑龍江省松嫩平原南部8.15萬km2范圍表層土壤為研究對象，利用層次分析法、地統(tǒng)計學和模糊評價法從土地的肥力質量和環(huán)境質量進行評價，并利用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術進一步分析研究區(qū)內地球化學質量的空間分布規(guī)律和變異性.研究結果表明，黑龍江省松嫩平原南部綜合地球化學質量較好，土地的環(huán)境質量很高，土質非常清潔、安全.同時，土地質量具有明顯的空間分布規(guī)律性，呈現(xiàn)高低質量區(qū)間隔、南北縱向分布特征.

地球化學;土地質量;空間分布;松嫩平原

0 引言

松嫩平原是中國著名的黑土之鄉(xiāng)，其黑土帶有機質含量高，黑土層厚，是中國重要的商品糧生產基地.然而，在長期的開發(fā)和利用過程中，松嫩平原的土地也出現(xiàn)了水土流失、土壤結構破壞、肥力下降等現(xiàn)象.對松嫩平原南部區(qū)域進行土地質量評價可以準確評價該區(qū)域土地地球化學質量，為開展黑土保護和合理糧食生產提供依據(jù).

隨著城市化、工業(yè)化及農業(yè)集約化的發(fā)展，人類社會面臨著日益嚴重的環(huán)境問題.1992年在巴西里約熱內盧召開的“環(huán)境與發(fā)展”大會上通過的宣言中闡述了國家穩(wěn)定發(fā)展的概念，提出要采用綜合途徑解決自然資源利用的社會—生態(tài)—經(jīng)濟任務的總體問題，在此指導思想下，世界各國廣泛開展了區(qū)域地球化學的調查與研究［1］.2002年本國提出了一項新的地質調查計劃——多目標地球化學調查(農業(yè)地質調查、生態(tài)環(huán)境地球化學調查).多目標地球化學調查對于我國應用地球化學的研究，當前農業(yè)地質環(huán)境監(jiān)測有重大意義，也極大地推動了全國應用地球化學的研究［2－10］.

土地質量地球化學評價是依據(jù)土地中有益營養(yǎng)元素、有毒有害元素(包含有機污染物)等指標的含量水平，而進行的對土地功能影響程度所做的土地質量評價和級別劃分，可以提高對土地生產能力和土地質量的認識，提升土地集約利用水平，推動土地使用的有序開發(fā)，促進土地質量和開發(fā)利用的可持續(xù)發(fā)展，為區(qū)域土地資源的持續(xù)開發(fā)利用和規(guī)劃提供最基本的數(shù)據(jù).目前，對于土地質量的研究側重于土地質量肥力評價和環(huán)境評價，而將土地質量與地球化學特征相結合進行評價的實例不多.為此，選取黑龍江省松嫩平原南部地區(qū)表層土壤為研究對象，綜合土地質量環(huán)境評價和肥力評價對土地質量地球化學特征進行評估，并利用GIS空間分析功能分析其空間變異性及空間分布規(guī)律.

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為黑龍江省松嫩平原南部.西起東經(jīng)122°25'，西至東經(jīng) 127°45'，東西長約 460 km;南起北緯 45°35'，北至北緯 48°00'，南北寬約320 km，總面積為8.15萬km2.松嫩平原處于大興安嶺山脈和小興安嶺山脈之間，是由松花江和嫩江兩大水系沖積作用形成的近南北向平原，松嫩平原區(qū)西部以嫩江為界與內蒙古自治區(qū)毗鄰，南部以松花江為界與吉林省相接.

黑龍江省松嫩平原是全國糧食的主產區(qū)，也是黑龍江省經(jīng)濟較發(fā)達，工業(yè)和農牧業(yè)生產相對集中的地區(qū).年平均氣溫在1.7～4.0℃，年平均降水量370～670 mm。其土壤類型有暗棕壤、白漿土、黑土、黑鈣土、草甸土、沼澤土、堿土、風砂土、水稻土等，其中以黑土、黑鈣土和草甸土為主，這三類土壤約占松嫩平原區(qū)面積的90%以上.盛產大豆、小麥、玉米、甜菜、亞麻、馬鈴薯等，是重要的商品糧基地.松嫩平原區(qū)是全國三大草場之一，草質優(yōu)良、質量高，是重要天然割草場和放牧場.

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集

黑龍江省松嫩平原南部土地質量地球化學評估范圍隸屬于哈爾濱市、大慶市、齊齊哈爾市、綏化市四個行政區(qū)域，共涉及28個縣市.按1個點/km2的密度系統(tǒng)采集測區(qū)耕作層土壤樣品，土壤樣品的采樣深度為0～20 cm，將4個土壤樣品混合成一個樣品，共20701個樣品，涉及30種元素(見表1).

表1 黑龍江省松嫩平原南部土地質量地球化學評價采樣指標

2.2 評價方法

2.2.1 層次分析法

層次分析法(AHP)是將系統(tǒng)因素按支配關系分組以形成有序的遞階層次結構，通過兩兩比較判斷的方式確定每一層次中因素的相對重要性，然后在遞階層次結構內進行合成以得到?jīng)Q策因素相對于目標的重要性的總順序，從而為決策提供確定性的判據(jù).是一種定性與分析相結合的多因素決策分析方法，其步驟為:建立問題的遞階層次結構－構造兩兩比較判斷矩陣－由判斷矩陣計算被比較元素單層次權重－計算各層次元素的組合權重.

2.2.2 地統(tǒng)計學

地統(tǒng)計學(Geostatistics)是法國著名統(tǒng)計學家G.Matheron在大量理論研究的基礎上逐漸形成的一門新的統(tǒng)計學分支，以區(qū)域化變量(regionalized variable)理論為基礎，以變異函數(shù)(variograms)為主要工具，研究空間分布上既有隨機性又有結構性，或空間相關性和依賴性的自然現(xiàn)象的科學.

2.2.3 模糊評價法

模糊綜合評價是對受多種因素影響的事物做出全面評價的一種十分有效的多因素決策方法，其特點是評價結果不是絕對地肯定或否定，而是以一個模糊集合來表示.隸屬度屬于模糊評價函數(shù)里概念之一，指若對論域(研究的范圍)U中的任一元素x，都有一個數(shù)A(x)∈0，1與之對應，則稱A為U上的模糊集，A(x)稱為x對A的隸屬度.當x在U中變動時，A(x)就是一個函數(shù)，稱為A的隸屬函數(shù).隸屬度A(x)越接近于1，表示x屬于A的程度越高，A(x)越接近于0表示x屬于A的程度越低.用取值于區(qū)間0，1的隸屬函數(shù)A(x)表征x屬于A的程度高低.

3 土地質量地球化學評價

3.1 土壤元素地球化學特征分析

3.1.1 土壤元素指標分級特征

土壤肥力因素包括必需大量元素、必需中量元素、必需微量元素和有益元素.其中的N、P、K等必需大量元素按照第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準進行分級.其他元素根據(jù)全國土壤背景值(A層)順序統(tǒng)計量的25%、50%、75%和90%作為分級標準，將研究區(qū)土壤中元素含量劃分為五級.依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知:大量元素 N、P、K、Corg缺乏面積占評價區(qū)總面積分別為 18.4%、94.8%、0.02% 和 75.7%，P、Corg 為嚴重缺乏;中量元素Ca、Mg、S各元素缺乏面積占評價區(qū)總面積分別為2.5%、8.8%、57.4%，硫元素相對較為缺乏;必需微量元素 Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Cl缺乏區(qū)占評價區(qū)總面積分別為19.1%、33.8%、82.3%、58.5%、96%、96.4%、30.4%，其中 Zn、Cu、B、Mo缺乏區(qū)面積占到了50%以上，為嚴重缺乏;有益元素中Si含量豐富，一級達99%以上，而Co、Ni、Na缺乏區(qū)面積分別占評價區(qū)總面積的 56.8%、50.3%、0.82%，相對而言，只有 Co和Ni較為缺乏.

土壤環(huán)境因素包括表層土壤pH、表層土壤重金屬元素、健康元素.重金屬元素按照國家土壤環(huán)境質量標準(表)進行分級，對于不同pH的標準則按照最大限制原則確定.健康元素的F、I根據(jù)全國土壤背景值(A層)順序統(tǒng)計量的25%、50%、75%和90%作為分級標準，將研究區(qū)土壤中元素含量劃分為五級.元素硒根據(jù)譚見安(1996)從我國克山病帶和低硒環(huán)境的研究出發(fā)，劃分的我國硒元素生態(tài)景觀的界限值進行分級.統(tǒng)計結果可以看出，黑龍江省松嫩平原南部八項重金屬元素達到國家土壤環(huán)境質量一級標準以上的土壤占工作區(qū)總面積都達到了98%以上.其中 Cr、Pb、Hg、Cu、Zn、Ni達到一級的面積占99%以上;同時，三種健康元素均表現(xiàn)一定的缺乏，其中硒元素無超標面積.

3.1.2 土壤元素空間變異特征

土壤的空間變異是指土壤作為歷史自然體，受氣候、生物、母質、地形、成土時間等成土因素的影響，具有復雜性和時空變異性，其隨空間位置發(fā)生的變化［11］.

基于 GIS軟件中的空間分析功能，應用Kriging插值方法分別為各元素全量選擇擬合狀況最好的變異函數(shù)模型對其進行空間統(tǒng)計分析，變異函數(shù)模型包括球形、高斯和指數(shù)等模型.其中，塊金值Co通常反映由實驗誤差和小于取樣尺度的施肥、作物種植、管理水平等隨機性因素引起的變異，結構方差C是由土壤母質、地形、氣候等區(qū)域性因素引起的變異，變程a反映了變量空間自相關的尺度，塊基比Co/(Co+C)則反映變量的空間自相關程度，塊基比越小，說明元素具有越顯著的空間自相關性.即利用該元素的原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結構性，對未采樣點區(qū)域化變量的取值進行線性無偏估值的效果越理想［12］.

研究結果表明，黑龍江省松嫩平原南部土壤必需大量元素中P的Co/(Co+C)比值小于25%，N、K與Corg的Co/(Co+C)比值均為30%左右，具有中等空間自相關性.必需中量元素Ca、Mg的Co/(Co+C)比值小于25%，二者具有強烈的空間自相關性，硫元素的Co/(Co+C)比值均為30%左右.必需微量元素 Fe、Mn、Zn、Cu、Cl的Co/(Co+C)比值小于25%，說明各元素間具有強烈的空間自相關性，B、Mo兩元素則具有中等空間自相關性.有益元素中的各元素Co/(Co+C)均低于25%，各元素間具有強烈的空間自相關性.重金屬元素 As、Cr、Cu、Zn、Ni的Co/(Co+C)比值小于25%，元素間具有強烈的空間自相關性，其余三種元素則具有中等空間自相關性.健康元素中除氟元素的Co/(Co+C)比值為44.7%，其余兩元素均低于25%，具有強烈的空間自相關性.

3.2 評價指標確定

依據(jù)土壤元素指標分級結果，及“土壤元素指標重點選擇相對低異常(缺乏)元素和指標”的原則，確定初選指標.初選指標包括肥力因素中的必需大量元素P、Corg，必需中量元素S，必需微量元素 Mo、B、Zn、Cu、Mn、Cl，有益元素 Co、Ni，以及環(huán)境因素中的重金屬元素 As、Cd、Hg，健康元素 F、I、Se和 pH.

同時，依據(jù)土壤元素空間變異分析得到的元素空間自相關性，及“選擇a相對小的，Co/(Co+C)相對大的指標參與土地質量評價”的元，確定初選指標.初選指標包括肥力因素中的必需大量元素 P、Corg、N，必需中量元素 S、Mg、Ca，必需微量元素 Cu、Cl，有益元素 Si、Na、Ni、Co，以及環(huán)境因素中的重金屬元素 As、Cd、Hg，健康元素 F、I、Se和pH.

最后，綜合考慮以上兩種指標初選結果，并根據(jù)“在進行多元統(tǒng)計分析時，彼此之間無顯著關聯(lián)性的初選指標可選作土地質量評價因子(參評指標)”的方法，最終確定參評指標，分別為土壤肥力因素中必需大量元素P、Corg，必需中量元素 S、Ca，必需微量元素 Mo、B、Fe、Cl，有益元素Na、Co，以及環(huán)境因素中重金屬元素 As、Cd、Hg，健康元素 F、I、Se和 pH.

3.3 評價指標權重確定

考慮研究區(qū)黑龍江省松嫩平原南部表層土壤元素的地球化學指標特征及空間變異性，采用經(jīng)驗法和層次分析法對各指標進行權重賦值.結合研究區(qū)土壤元素的豐缺情況，對土地質量具有相同重要性的評價指標進行影響程度的兩兩比較，最終獲得權重值(見表3).

3.4 評價指標隸屬度函數(shù)值計算

隸屬函數(shù)模型共有戒上型、戒下型和峰值型三種［1］(圖 1).研究區(qū) L、U、O1、O2閾值的確定采用背景值法，以累積頻率值20%，40%，60%，80%的樣本值即為L、O1、O2和U值.該文中不同元素指標隸屬度函數(shù)的選擇為:土壤肥力指標(包括必需大量元素、必需中量元素、必需微量元素，有益元素)和環(huán)境指標中的健康元素選擇戒上型，而環(huán)境指標中的重金屬元素和pH分別選擇戒下型和峰值型.三種隸屬度函數(shù)模型如圖1.

表3 土地質量地球化學評價不同層次指標權重

圖1 隸屬度函數(shù)模型曲線圖及函數(shù)

3.5 綜合指數(shù)計算

依據(jù)前述指標確定、隸屬度函數(shù)值計算模型和權重閾值結果，采用加法模型計算土地質量綜合指數(shù)，其計算公式如下:

式中:P為綜合指數(shù);fi為第i個評估指標的隸屬函數(shù)值;Ci為第i個評估指標的權重，評估指標為表征土地環(huán)境的各類指標.

3.6 評價結果

綜合土壤必需大量元素、必需中量元素、必需微量元素和有益元素指標，對黑龍江省松嫩平原南部土地肥力進行分等.總面積比例分別為:一等6.15%、二等 35.67%、三等 31.61%、四等16.07%、五等10.48%.綜合土壤環(huán)境質量、土壤健康質量和pH指數(shù)，對黑龍江省松嫩平原南部土地環(huán)境質量進行分等.分別為:一等14.99%、二等 22.56%、三等 12.39%、四等 31.96% 、五等18.08%.

在土地肥力分級和土壤環(huán)境質量分級的基礎上，進行更高層次的土地質量地球化學綜合評價，將評價區(qū)土壤分為優(yōu)質、優(yōu)良、良好、中等、差等五個等級.優(yōu)質土壤占總面積比為10.23%，優(yōu)良土壤占總面積的 46.4%，良好土壤占9.2%，中等土壤占總面積的25.2%，差等土壤占 8.96%.

4 土地質量空間分布特征

4.1 土壤肥力質量空間分布特征

研究表明，土壤肥力質量的高地球化學場主要集中分布在富?？h烏裕爾河流域區(qū)及北部引嫩總干渠流經(jīng)的林甸縣、安達市，以及通肯河流域的扎龍濕地自然保護區(qū)、林甸縣、拜泉縣、明水縣、青岡縣、及蘭西縣和肇東縣的東北部地區(qū);研究區(qū)得東部除河流沿岸地球化學質量較差，其他地區(qū)土地肥力質量處于中等，優(yōu)良等級;而研究區(qū)內土地肥力質量最差地區(qū)分布主要集中在東部的齊齊哈爾市、泰來縣、杜蒙縣和肇源縣，以及南部的哈爾濱市、雙城縣;總體上，松嫩平原南部土地肥力地球化學質量呈現(xiàn)西北部地區(qū)優(yōu)于東北地區(qū)的特點(如圖2所示).

圖2 土壤肥力綜合分等圖

4.2 土壤環(huán)境質量空間分布特征

研究表明，土壤環(huán)境質量空間分布較為分散，高地球化學場大體分布在三個地區(qū)，其一為富裕縣、林甸縣、拜泉縣和明水縣北部等地區(qū)，這一區(qū)域中優(yōu)質土壤占區(qū)域總面積比例較大，且集中連片，土壤環(huán)境質量為三個地區(qū)中質量最優(yōu)的;其二，為望奎縣、蘭西縣、綏化市和肇州縣等部分地區(qū)，以及肇東市的南部、東部地區(qū)，但優(yōu)質土壤空間分布分散;其三為研究區(qū)西部的龍江縣中南部及甘南縣和齊齊哈爾市的部分地區(qū).而低地球化學場大體呈現(xiàn)南北帶狀分布;其分別為研究區(qū)東部的慶安縣、巴彥縣、賓縣、哈爾濱市的阿城區(qū)、五常市和雙城市南部等地區(qū);研究區(qū)中部的杜蒙縣、安達市、大慶市、肇源縣和明水縣南部等等地區(qū);研究區(qū)最西部的龍江縣北部和甘南縣的大部分地區(qū).土壤環(huán)境質量空間分布受土壤pH影響很大，其空間分布規(guī)律與土壤pH指標空間分布尤為相似(如圖3所示).

圖3 土壤環(huán)境綜合分等圖

5 結論

從土地的地球化學質量角度，從土壤肥力質量、土壤環(huán)境質量兩方面展開，建立一套適合黑龍江省的評價指標體系，并對研究區(qū)內的土地地球化學質量進行綜合評價.同時，利用GIS空間分析功能，對土壤元素空間變異特征及土壤綜合質量空間分布規(guī)律進行研究.通過研究可以得到以下結論:

(1)黑龍江省松嫩平原南部土壤單元素地球化學特征呈現(xiàn) P、Corg、Zn、Cu、B、Mo 嚴重缺乏，S、Co 和Ni元素相對較為缺乏，F(xiàn)、I、硒三種健康元素均表現(xiàn)一定的缺乏，其中硒元素無超標面積;有益元素中Si含量豐富，一級達99%以上，同時八項重金屬元素均達到清潔標準.

(2)土壤地球化學綜合質量受必需大量元素P、Co及土壤酸堿度影響較大，高質量區(qū)主要分布在依安縣、拜泉縣、林甸縣、望奎縣、綏化縣、蘭西縣和肇州縣，以及明水縣和青岡縣的部分地區(qū);而杜蒙縣和肇州縣土壤質量較差;但總體來說，黑龍江省松嫩平原南部地區(qū)優(yōu)良土壤占總面積比例最大，其次為良好土壤，評價結果較好.

(3)土地質量空間分布表現(xiàn)為較強的規(guī)律性.總體上呈現(xiàn)南北縱向分布，三個地球化學中低質量區(qū)分布位于研究區(qū)的最東部，最西部及中部地區(qū)，而中部的中低質量區(qū)又將高質量區(qū)大體劃分出三個區(qū)域，其中，以富?？h東部、林甸縣、拜泉縣和明水縣北部等地區(qū)的土地質量最優(yōu)，優(yōu)質土壤占研究區(qū)總面積比例較大，且集中連片.

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Geochemical Evaluation on Land Quality of the Southern Songnen Plain in Heilongjiang Province

Zhang Hui，Lei Guoping，Zhang Ying
(Northeast Agricultural University)

In this paper，81.5 thousands surface soil square of the southern Songnen Plain in Heilongjiang province are collected as the study area，land geochemical quality is evaluated from two aspect of soil fertility quality and environmental quality by using methods of Analytic Hierarchy Process(AHP)，Geo－statistics and Fuzzy Evaluation，and further the spatial distribution regularity of land geochemical quality in the study area is analysed by Global Information System.(GIS).The results show that land geochemical quality of the Southern Songnen Plain in Heilongjiang province is fairly good，land environmental quality is high，and soil is clean as well safe.At same time，land quality has special distribution regularity obviously，and takes on characteristics that one is high and low quality areas interval，the other is the longitudinal distribution from north to south.

Geochemistry;Land quality;Special distribution;Songnen Plain

2010－11－06

*國土資源部地質大調查項目(1212010511217－04)

(責任編輯:季春陽)