大兴区特色农业产区土壤养分评价及空间特征

    哈雪姣

    

    

    

    摘 要：基于北京大兴区耕地质量等级调查评价成果，按《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295—2016）補充采样调查测试，开展研究区特色农业产区土地质量地球化学评价。结果表明，研究区特色农业产区土壤养分综合等级主要以二等为主，面积为10266.18hm2，占特色农业产区总面积的53.67%;土壤环境质量总体优良，土地质量状况整体良好。特色农业产区土地质量地球化学评价结果可揭示特色农业产地土地质量等级以及重要土地问题，为区域特色农产品与生态农业开发等提供依据。

    关键词：土壤养分;地球化学评价;特色农业;空间分布

    中图分类号 S158.2 文献标识码 A文章编号 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

    随着社会经济的快速发展，土地质量问题已成为各国政府和民众关注的焦点[1]。合理开发利用土地资源，发挥有限土地的最大生产潜力，对社会经济持续发展具有重要意义[2]。近年来，随着人民生活质量的提高，人们对耕地的保护意识越来越淡薄，可用作耕种的土地被建筑物所占用或因地质灾害损坏，正在逐年减少。正因如此，而清楚了解土地的地球化学属性，做到因地制宜[3]。中国地质调查局于1999年开始实施多目标区域地球化学调查计划，又称农业地质调查计划或土地质量地球化学调查计划[4]。该计划实施20年来，在支撑服务农业发展、土壤环境污染防控、土地资源管理、国家重大立法、帮助贫困地区实施精准扶贫等方面做出了重大贡献[5-7]。

    本研究以特色农业土地为对象，在多目标区域地球化学调查的基础上开展特色农业土地质量地球化学评估，并利用GIS空间分析功能分析其空间分布特征，通过GS+软件模型拟合空间变异性，为区域土地利用规划调整、农业种植结构调整、特色优质农产品开发、区域生态环境保护等提供依据[8-10]。

    1 研究区概况

    1.1 自然地理概况 研究区属永定河洪积一冲积平原的一部分，总的地貌特征是地势平坦，呈西北高东南低的微倾状，适宜农耕。研究项目区土壤分为风砂土、褐土、潮土、沼泽土4个土类，细分7个亚类，主要为普通潮土、湿潮土、盐化潮土、草甸沼泽土、草甸风砂土、褐土性土和褐潮土。潮土为主要土壤类型，其次是风砂土。土壤母质主要以冲积物为主，其次是风砂冲积物，洪冲积物最少;质地构型以海绵型为主，夹层型最少。按成因和形态分类，全区可分为6种地貌类型：老洪—冲积平原、近代洪冲—积平原、近代风积—洪冲积平原、带状低平地、现代河漫滩、洼地。其地处燕山与太行山交汇处东南侧的北东向构造带，西北部有南苑—通县北东向断裂，东南部有礼贤—牛堡屯北东向断裂，构成地垒式构造。

    1.2 区域地质概况 研究区轴部地层主要由寒武系竹叶状灰岩、馒头页岩与豹皮灰岩组成，其产状较为平缓，且不同程度发育有裂隙和岩溶溶洞。隆起的东北端在瀛海庄以南，以寒武系紫红色页岩为主：隆起的西南端在北臧村附近，以竹叶状灰岩为主，且发育有较大的溶洞。研究区的东南侧，芦垡一带分布有石炭系的砂岩、页岩，其埋深也逐渐加深，约为150～200m之间;由此再往东南到石佛寺-礼贤镇-朱脑村一带为震旦系白云质灰岩、页岩，此地层中发育有一条区域性的大断裂，即礼贤-牛堡屯断裂。

    2 样品采集与分析方法

    2.1 样品采集 依据《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295-2016），在耕地质量等级调查评价基础上，实施加密采样，考虑项目区地势平坦，且土地利用相对单一，人为潜在污染小，适当放宽土壤采样密度，采样密度为1.7个/km2，确定334个土壤采样点。

    样品布设、样品编号、采样介质、采样位置、采样方法、定点与标绘、采样记录、重复样采集、样品交接、样 品加工与送样等均按照相关标准进行。分析方法优先选择国家标准、行业标准（农业、林业和环境）或其它等同推荐方法。本次研究检测有机质、全氮、速效钾、有效磷、全铜、有效锌、有效铜等土壤养分和环境测试指标。

    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）又稱空间局部插值法，是以变异函数理论和结构分析为基础。在有限区域内对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法，是地统计学的主要内容之一。普通克里金插值方法的适用范围为区域化变量存在空间相关性，即如果变异函数和结构分析的结果表明区域化变量存在空间相关性，则可以利用克里金方法进行内插或外推;否则，是不可行的。其实质是利用区域化变量的原始数据和变异函数的结构特点，对未知样点进行线性无偏、最优估计。

    普通克里格法是地统计学中最主要的方法之一。该法要求区域化变量z（x）是二阶平稳，或是准平稳的，即至少在估计邻域内有E[z（x）]=m（m为常数）成立。假定土壤变量z在空间位置x上的取值为z（x），利用n个已知采样点数据对未采样点的土壤变量进行估值，普通克里格法的估计公式为：

    式中z*OK（x0）是在x0位置的估计值，z（xi）是位置的测量值，λi是分配给z（xi）的权重，n是用于估计的测量值个数。确保无偏估值和估计方差最小。

    式中γ（xi-xj）是距离为xi和xj之间的变异函数值，μ为拉格朗日乘数，通过解上述线性方程组，即可得到所有的权重λi和拉格朗日乘数μ。

    利用计算所得的权重，我们就可以通过公式（1）求得估计值。另外，利用上述权重和拉格朗日乘数，可通过公式（3）计算克里格估计方差：

    2.2.2 半变异函数分析 土壤质量关键要素空间变异性包括确定性和随机性两部分。确定性又称作为组织性，可表示为土壤属性分布图或是土壤属性与空间数据的关系式。组织性是研究空间分布规律及其控制因子的关键;随机性包括空间依赖性与空间独立性2个亚组分。地统计学以区域化变量理论为基础，以变异函数为主要工具，研究那些在空间分布上既有随机性又有结构性，或者空间相关和依赖性的自然现象的科学。描述的变异函数（半方差模型）计算公式如下：

    式中Z（xi）表示着在xi位置土壤质量关键要素的测量值，（h）表示分离距离为h观测值Z（xi）和Z（xi+h）的变异函数，然后N（h）表示为采样点对数（图1）。

    球状、指数和高斯模型是3种常见变异函数类型。

    球状模型：

    由地统计学理论奠基者法国学者马特隆（G.matheron）提出，故称马特隆模型。在实际中，95%以上的实验变异函数散点图都可用该模型拟合。

    指数模型：

    高斯模型：

    式中：C0为块金值（nugget），表示因测量误差、微尺度过程等随机部分带来的空间变异性;C1为结构方差，亦称偏基台值（partial sill），表示由空间相关性带来的空间结构性。C0+C1为基台值（sill），也可记作C。

    2.2.3 土壤养分指标评价标准与方法 土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾、有效铜、有效锌等分级标准划分见表1。

    土壤全铜的分级标准是在参照全国A层土壤元素含量基础上，依据多目标区域地球化学调查获得的表层土壤分析数据统计给出，分级标准值见表2。

    在土壤养分指标等级划分基础上，按照以下公式计算土壤养分地球化学综合得分f养综。

    式中，f养综为土壤N、P、K评价总得分，1≤f养综≤5;ki为N、P、K权重系数，分别为0.4、0.4和0.2;fi分别为土壤N、P、K的单元素等级得分。单指标评价结果5级、4级、3级、2级、1级所对应的fi得分分别为1、2、3、4、5分。土壤养分地球级化学综合等级划分见表4。

    根据各评价单元的养分元素地球化学综合得分，按表4所示的分级标准确定其养分级别。

    3 结果与分析

    3.1 土壤养分指标描述性统计分析 对研究区土壤养分指标样点数据进行描述性统计（表5），并利用单样本K-S法进行正态分布检验，结果均服从正态分布。研究区土壤有机质含量介于2.99～34.25g·kg-1之间，其算术平均值为14.28g·kg-1;全氮含量介于0.77～1.96g·kg-1之间，其算术平均值为1.27g·kg-1;有效铜含量介于1.02～2.22mg·kg-1之间，其算术平均值为1.44mg·kg-1;有效锌含量介于0.52～39.00mg·kg-1之间，其算术平均值为4.29mg·kg-1;速效钾含量介于39.86～508.96mg·kg-1之间，其算术平均值为187.57mg·kg-1;有效磷含量介于7.21～159.47mg·kg-1之间，其算术平均值为38.05mg·kg-1;全铜含量介于22.71～37.62mg·kg-1之间，其算术平均值为28.23mg·kg-1。

    变异系数用来揭示区域化变量的离散程度，CV100%为强变异性。研究区土壤全铜为弱变异性（CV=9.92%）;土壤有机质、全氮、有效铜、有效锌、速效钾、有效磷均为中等变异性（CV=20.87%、15.75%、15.28%、67.13%、41.76%、65.99%）这可能与研究区内各采样小区上所从事的不同农业活动以及区域自然环境因素差异有关[11]。

    对研究区不同土类指标样点数据进行描述性统计（表6），并利用单样本K-S法进行正态分布检验，结果均服从正态分布。只有沼泽土和褐土的有机质为弱变异性（CV=3.46%、4.92%）;其他土类的各指标均为中等变异性。这可能与研究区的自然环境因素的差异有关。

    对研究区不同种植制度土壤养分指标样点数据进行描述性统计（表7），并利用单样本K-S法进行正态分布检验，结果均服从正态分布。只有耕地和果园的有效磷为强变异性（CV=171.25%、106.65%）;其他不同种植制度下的各指标均为中等变异性，这可能人为活动有关。

    3.2 土壤养分指标半方差分析 使用GS+软件拟合土壤养分指标的半变异函数，半变异函数是描述土壤空间变异性的有效方法。利用决定系数R2进行模型筛选，R2越大，表示拟合模型效果最好，选择出不同指标的最优模型。对各元素变量进行半方差模型拟合，拟合结果显示：4种指标拟合系数均大于0.80，因此4种土壤养分指标所选拟合模型均符合地統计要求。块基比能够反映随机因素导致的空间变异占总体变异的比例，当块基比值0.75，表示变量自相关程度不强。

    表8显示，全氮和速效钾的块基比位于0.25～0.75范围中，属于中等程度空间相关，空间变异受区域结构性因素和随机因素共同影响。，其中全氮块基比达到0.523，样点间表现出较强的独立性和随机性，说明受更多的随机性因素（人为因素）影响。有机质和有效磷的块基比均小于0.25，为显著的空间相关，说明有机质和有效磷受结构性因素（自然因素）的影响为主。

    3.3 土壤养分指标地球化学等级划分及空间分布 根据特色农业产地土壤养分综合分级评价图（图2），特色农业产地土壤养分综合等级主要以二等为主，面积为10266.18hm2，占特色农业产地总面积的53.67%，其次是三等，占特色农业产地总面积的40.12%。

    土壤类型为草甸风砂土的土壤养分综合等级以二等为主，面积为329.57hm2，占特色农业产地总面积的1.72%;土壤类型为草甸沼泽土的土壤养分综合等级以三等为主，面积为123.32hm2，占特色农业产地总面积的0.64%;土壤类型为褐潮土的土壤养分综合等级以二等为主，面积121.01hm2，占特色农业产地总面积的0.63%;土壤类型为普通潮土的土壤养分综合等级以二等为主，面积为9169.73hm2，占特色农业产地总面积的47.94%，其次为三等，占特色农业产地总面积的32.94%，四等面积占比最少，占特色农业产地总面积的0.38%;土壤类型为盐化潮土的土壤养分综合等级以三等为主，占特色农业产地总面积的4.71%，面积为900.14hm2（表9）。

    3.4 改良提升措施 研究区土壤养分综合等级为一等的区域土壤全氮、速效钾以及有效磷含量较研究区其他区域丰富，可以大力发展特色农产品，如西甜瓜等。研究区存在大量的二等地和三等地，主要原因是由于部分特色农业产地土壤速效钾含量出现适中和稍缺情况，针对这种状况，可以在研究区土壤养分二等、三等地多施用高钾复合肥，提高土壤钾含量。研究区存在的少量四等地，土壤各养分指标均偏低，应合理施肥，提高土壤N、P、K等元素含量，根据实际情况改良土地质量。

    4 结论与建议

    （1）研究区特色农业产地土壤质量总体优质，土壤养分综合等级主要以二等为主，面积为10266.18hm2，占特色农业产地总面积的53.67%，较适合农作物种植。对于在研究区中部零星分布土地质量差等的地区，建议在加强对周边工农业污染控制的情况下耕种时予以改良，适当补充氮、磷、钾等养分元素 [12]。

    （2）为了更全面地评估影响土地质量的各种因素，建议将土地质量地球化学评价相关成果与农用地分等定级有机的结合，从而更好地指导土地资源的开发利用[13]。

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    （责编：王慧晴）