黑龙江省松嫩平原南部土地质量地球化学评价*

张 慧，雷国平，张 莹

(东北农业大学)

黑龙江省松嫩平原南部土地质量地球化学评价*

张 慧，雷国平，张 莹

(东北农业大学)

以黑龙江省松嫩平原南部8.15万km2范围表层土壤为研究对象，利用层次分析法、地统计学和模糊评价法从土地的肥力质量和环境质量进行评价，并利用地理信息系统(GIS)技术进一步分析研究区内地球化学质量的空间分布规律和变异性.研究结果表明，黑龙江省松嫩平原南部综合地球化学质量较好，土地的环境质量很高，土质非常清洁、安全.同时，土地质量具有明显的空间分布规律性，呈现高低质量区间隔、南北纵向分布特征.

地球化学;土地质量;空间分布;松嫩平原

0 引言

松嫩平原是中国著名的黑土之乡，其黑土带有机质含量高，黑土层厚，是中国重要的商品粮生产基地.然而，在长期的开发和利用过程中，松嫩平原的土地也出现了水土流失、土壤结构破坏、肥力下降等现象.对松嫩平原南部区域进行土地质量评价可以准确评价该区域土地地球化学质量，为开展黑土保护和合理粮食生产提供依据.

随着城市化、工业化及农业集约化的发展，人类社会面临着日益严重的环境问题.1992年在巴西里约热内卢召开的“环境与发展”大会上通过的宣言中阐述了国家稳定发展的概念，提出要采用综合途径解决自然资源利用的社会—生态—经济任务的总体问题，在此指导思想下，世界各国广泛开展了区域地球化学的调查与研究［1］.2002年本国提出了一项新的地质调查计划——多目标地球化学调查(农业地质调查、生态环境地球化学调查).多目标地球化学调查对于我国应用地球化学的研究，当前农业地质环境监测有重大意义，也极大地推动了全国应用地球化学的研究［2－10］.

土地质量地球化学评价是依据土地中有益营养元素、有毒有害元素(包含有机污染物)等指标的含量水平，而进行的对土地功能影响程度所做的土地质量评价和级别划分，可以提高对土地生产能力和土地质量的认识，提升土地集约利用水平，推动土地使用的有序开发，促进土地质量和开发利用的可持续发展，为区域土地资源的持续开发利用和规划提供最基本的数据.目前，对于土地质量的研究侧重于土地质量肥力评价和环境评价，而将土地质量与地球化学特征相结合进行评价的实例不多.为此，选取黑龙江省松嫩平原南部地区表层土壤为研究对象，综合土地质量环境评价和肥力评价对土地质量地球化学特征进行评估，并利用GIS空间分析功能分析其空间变异性及空间分布规律.

1 研究区概况

研究区为黑龙江省松嫩平原南部.西起东经122°25'，西至东经 127°45'，东西长约 460 km;南起北纬 45°35'，北至北纬 48°00'，南北宽约320 km，总面积为8.15万km2.松嫩平原处于大兴安岭山脉和小兴安岭山脉之间，是由松花江和嫩江两大水系冲积作用形成的近南北向平原，松嫩平原区西部以嫩江为界与内蒙古自治区毗邻，南部以松花江为界与吉林省相接.

黑龙江省松嫩平原是全国粮食的主产区，也是黑龙江省经济较发达，工业和农牧业生产相对集中的地区.年平均气温在1.7～4.0℃，年平均降水量370～670 mm。其土壤类型有暗棕壤、白浆土、黑土、黑钙土、草甸土、沼泽土、碱土、风砂土、水稻土等，其中以黑土、黑钙土和草甸土为主，这三类土壤约占松嫩平原区面积的90%以上.盛产大豆、小麦、玉米、甜菜、亚麻、马铃薯等，是重要的商品粮基地.松嫩平原区是全国三大草场之一，草质优良、质量高，是重要天然割草场和放牧场.

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集

黑龙江省松嫩平原南部土地质量地球化学评估范围隶属于哈尔滨市、大庆市、齐齐哈尔市、绥化市四个行政区域，共涉及28个县市.按1个点/km2的密度系统采集测区耕作层土壤样品，土壤样品的采样深度为0～20 cm，将4个土壤样品混合成一个样品，共20701个样品，涉及30种元素(见表1).

表1 黑龙江省松嫩平原南部土地质量地球化学评价采样指标

2.2 评价方法

2.2.1 层次分析法

层次分析法(AHP)是将系统因素按支配关系分组以形成有序的递阶层次结构，通过两两比较判断的方式确定每一层次中因素的相对重要性，然后在递阶层次结构内进行合成以得到决策因素相对于目标的重要性的总顺序，从而为决策提供确定性的判据.是一种定性与分析相结合的多因素决策分析方法，其步骤为:建立问题的递阶层次结构－构造两两比较判断矩阵－由判断矩阵计算被比较元素单层次权重－计算各层次元素的组合权重.

2.2.2 地统计学

地统计学(Geostatistics)是法国著名统计学家G.Matheron在大量理论研究的基础上逐渐形成的一门新的统计学分支，以区域化变量(regionalized variable)理论为基础，以变异函数(variograms)为主要工具，研究空间分布上既有随机性又有结构性，或空间相关性和依赖性的自然现象的科学.

2.2.3 模糊评价法

模糊综合评价是对受多种因素影响的事物做出全面评价的一种十分有效的多因素决策方法，其特点是评价结果不是绝对地肯定或否定，而是以一个模糊集合来表示.隶属度属于模糊评价函数里概念之一，指若对论域(研究的范围)U中的任一元素x，都有一个数A(x)∈0，1与之对应，则称A为U上的模糊集，A(x)称为x对A的隶属度.当x在U中变动时，A(x)就是一个函数，称为A的隶属函数.隶属度A(x)越接近于1，表示x属于A的程度越高，A(x)越接近于0表示x属于A的程度越低.用取值于区间0，1的隶属函数A(x)表征x属于A的程度高低.

3 土地质量地球化学评价

3.1 土壤元素地球化学特征分析

3.1.1 土壤元素指标分级特征

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养分分级标准进行分级.其他元素根据全国土壤背景值(A层)顺序统计量的25%、50%、75%和90%作为分级标准，将研究区土壤中元素含量划分为五级.依据统计数据可知:大量元素 N、P、K、Corg缺乏面积占评价区总面积分别为 18.4%、94.8%、0.02% 和 75.7%，P、Corg 为严重缺乏;中量元素Ca、Mg、S各元素缺乏面积占评价区总面积分别为2.5%、8.8%、57.4%，硫元素相对较为缺乏;必需微量元素 Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Cl缺乏区占评价区总面积分别为19.1%、33.8%、82.3%、58.5%、96%、96.4%、30.4%，其中 Zn、Cu、B、Mo缺乏区面积占到了50%以上，为严重缺乏;有益元素中Si含量丰富，一级达99%以上，而Co、Ni、Na缺乏区面积分别占评价区总面积的 56.8%、50.3%、0.82%，相对而言，只有 Co和Ni较为缺乏.

土壤环境因素包括表层土壤pH、表层土壤重金属元素、健康元素.重金属元素按照国家土壤环境质量标准(表)进行分级，对于不同pH的标准则按照最大限制原则确定.健康元素的F、I根据全国土壤背景值(A层)顺序统计量的25%、50%、75%和90%作为分级标准，将研究区土壤中元素含量划分为五级.元素硒根据谭见安(1996)从我国克山病带和低硒环境的研究出发，划分的我国硒元素生态景观的界限值进行分级.统计结果可以看出，黑龙江省松嫩平原南部八项重金属元素达到国家土壤环境质量一级标准以上的土壤占工作区总面积都达到了98%以上.其中 Cr、Pb、Hg、Cu、Zn、Ni达到一级的面积占99%以上;同时，三种健康元素均表现一定的缺乏，其中硒元素无超标面积.

3.1.2 土壤元素空间变异特征

土壤的空间变异是指土壤作为历史自然体，受气候、生物、母质、地形、成土时间等成土因素的影响，具有复杂性和时空变异性，其随空间位置发生的变化［11］.

基于 GIS软件中的空间分析功能，应用Kriging插值方法分别为各元素全量选择拟合状况最好的变异函数模型对其进行空间统计分析，变异函数模型包括球形、高斯和指数等模型.其中，块金值Co通常反映由实验误差和小于取样尺度的施肥、作物种植、管理水平等随机性因素引起的变异，结构方差C是由土壤母质、地形、气候等区域性因素引起的变异，变程a反映了变量空间自相关的尺度，块基比Co/(Co+C)则反映变量的空间自相关程度，块基比越小，说明元素具有越显著的空间自相关性.即利用该元素的原始数据和半方差函数的结构性，对未采样点区域化变量的取值进行线性无偏估值的效果越理想［12］.

研究结果表明，黑龙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与Corg的Co/(Co+C)比值均为30%左右，具有中等空间自相关性.必需中量元素Ca、Mg的Co/(Co+C)比值小于25%，二者具有强烈的空间自相关性，硫元素的Co/(Co+C)比值均为30%左右.必需微量元素 Fe、Mn、Zn、Cu、Cl的Co/(Co+C)比值小于25%，说明各元素间具有强烈的空间自相关性，B、Mo两元素则具有中等空间自相关性.有益元素中的各元素Co/(Co+C)均低于25%，各元素间具有强烈的空间自相关性.重金属元素 As、Cr、Cu、Zn、Ni的Co/(Co+C)比值小于25%，元素间具有强烈的空间自相关性，其余三种元素则具有中等空间自相关性.健康元素中除氟元素的Co/(Co+C)比值为44.7%，其余两元素均低于25%，具有强烈的空间自相关性.

3.2 评价指标确定

依据土壤元素指标分级结果，及“土壤元素指标重点选择相对低异常(缺乏)元素和指标”的原则，确定初选指标.初选指标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，以及环境因素中的重金属元素 As、Cd、Hg，健康元素 F、I、Se和 pH.

同时，依据土壤元素空间变异分析得到的元素空间自相关性，及“选择a相对小的，Co/(Co+C)相对大的指标参与土地质量评价”的元，确定初选指标.初选指标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，以及环境因素中的重金属元素 As、Cd、Hg，健康元素 F、I、Se和pH.

最后，综合考虑以上两种指标初选结果，并根据“在进行多元统计分析时，彼此之间无显著关联性的初选指标可选作土地质量评价因子(参评指标)”的方法，最终确定参评指标，分别为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，以及环境因素中重金属元素 As、Cd、Hg，健康元素 F、I、Se和 pH.

3.3 评价指标权重确定

考虑研究区黑龙江省松嫩平原南部表层土壤元素的地球化学指标特征及空间变异性，采用经验法和层次分析法对各指标进行权重赋值.结合研究区土壤元素的丰缺情况，对土地质量具有相同重要性的评价指标进行影响程度的两两比较，最终获得权重值(见表3).

3.4 评价指标隶属度函数值计算

隶属函数模型共有戒上型、戒下型和峰值型三种［1］(图 1).研究区 L、U、O1、O2阈值的确定采用背景值法，以累积频率值20%，40%，60%，80%的样本值即为L、O1、O2和U值.该文中不同元素指标隶属度函数的选择为:土壤肥力指标(包括必需大量元素、必需中量元素、必需微量元素，有益元素)和环境指标中的健康元素选择戒上型，而环境指标中的重金属元素和pH分别选择戒下型和峰值型.三种隶属度函数模型如图1.

表3 土地质量地球化学评价不同层次指标权重

图1 隶属度函数模型曲线图及函数

3.5 综合指数计算

依据前述指标确定、隶属度函数值计算模型和权重阈值结果，采用加法模型计算土地质量综合指数，其计算公式如下:

式中:P为综合指数;fi为第i个评估指标的隶属函数值;Ci为第i个评估指标的权重，评估指标为表征土地环境的各类指标.

3.6 评价结果

综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标，对黑龙江省松嫩平原南部土地肥力进行分等.总面积比例分别为:一等6.15%、二等 35.67%、三等 31.61%、四等16.07%、五等10.48%.综合土壤环境质量、土壤健康质量和pH指数，对黑龙江省松嫩平原南部土地环境质量进行分等.分别为:一等14.99%、二等 22.56%、三等 12.39%、四等 31.96% 、五等18.08%.

在土地肥力分级和土壤环境质量分级的基础上，进行更高层次的土地质量地球化学综合评价，将评价区土壤分为优质、优良、良好、中等、差等五个等级.优质土壤占总面积比为10.23%，优良土壤占总面积的 46.4%，良好土壤占9.2%，中等土壤占总面积的25.2%，差等土壤占 8.96%.

4 土地质量空间分布特征

4.1 土壤肥力质量空间分布特征

研究表明，土壤肥力质量的高地球化学场主要集中分布在富裕县乌裕尔河流域区及北部引嫩总干渠流经的林甸县、安达市，以及通肯河流域的扎龙湿地自然保护区、林甸县、拜泉县、明水县、青冈县、及兰西县和肇东县的东北部地区;研究区得东部除河流沿岸地球化学质量较差，其他地区土地肥力质量处于中等，优良等级;而研究区内土地肥力质量最差地区分布主要集中在东部的齐齐哈尔市、泰来县、杜蒙县和肇源县，以及南部的哈尔滨市、双城县;总体上，松嫩平原南部土地肥力地球化学质量呈现西北部地区优于东北地区的特点(如图2所示).

图2 土壤肥力综合分等图

4.2 土壤环境质量空间分布特征

研究表明，土壤环境质量空间分布较为分散，高地球化学场大体分布在三个地区，其一为富裕县、林甸县、拜泉县和明水县北部等地区，这一区域中优质土壤占区域总面积比例较大，且集中连片，土壤环境质量为三个地区中质量最优的;其二，为望奎县、兰西县、绥化市和肇州县等部分地区，以及肇东市的南部、东部地区，但优质土壤空间分布分散;其三为研究区西部的龙江县中南部及甘南县和齐齐哈尔市的部分地区.而低地球化学场大体呈现南北带状分布;其分别为研究区东部的庆安县、巴彦县、宾县、哈尔滨市的阿城区、五常市和双城市南部等地区;研究区中部的杜蒙县、安达市、大庆市、肇源县和明水县南部等等地区;研究区最西部的龙江县北部和甘南县的大部分地区.土壤环境质量空间分布受土壤pH影响很大，其空间分布规律与土壤pH指标空间分布尤为相似(如图3所示).

图3 土壤环境综合分等图

5 结论

从土地的地球化学质量角度，从土壤肥力质量、土壤环境质量两方面展开，建立一套适合黑龙江省的评价指标体系，并对研究区内的土地地球化学质量进行综合评价.同时，利用GIS空间分析功能，对土壤元素空间变异特征及土壤综合质量空间分布规律进行研究.通过研究可以得到以下结论:

(1)黑龙江省松嫩平原南部土壤单元素地球化学特征呈现 P、Corg、Zn、Cu、B、Mo 严重缺乏，S、Co 和Ni元素相对较为缺乏，F、I、硒三种健康元素均表现一定的缺乏，其中硒元素无超标面积;有益元素中Si含量丰富，一级达99%以上，同时八项重金属元素均达到清洁标准.

(2)土壤地球化学综合质量受必需大量元素P、Co及土壤酸碱度影响较大，高质量区主要分布在依安县、拜泉县、林甸县、望奎县、绥化县、兰西县和肇州县，以及明水县和青冈县的部分地区;而杜蒙县和肇州县土壤质量较差;但总体来说，黑龙江省松嫩平原南部地区优良土壤占总面积比例最大，其次为良好土壤，评价结果较好.

(3)土地质量空间分布表现为较强的规律性.总体上呈现南北纵向分布，三个地球化学中低质量区分布位于研究区的最东部，最西部及中部地区，而中部的中低质量区又将高质量区大体划分出三个区域，其中，以富裕县东部、林甸县、拜泉县和明水县北部等地区的土地质量最优，优质土壤占研究区总面积比例较大，且集中连片.

［1］杨忠芳，陈岳龙，汪明启.地球化学填图的国际研究现状及建议［J］.地球科学进展。2002，17(6):826－832.

［2］蔡春楠.基于GIS的河南省黄河流域土地质量地球化学评价［J］.安徽农业科学，2009，37(11):5283 －5285.

［3］奚小环.生态地球化学:从调查实践到应用理论的系统工程［J］.北京:地学前缘，2008，15(5):1 －8.

［4］庞金华，汪稚各，查健生，等.上海土壤的Cu Zn Mn CoAs Fe Mo和总稀土元素背景值及影响因素［J］.上海农业学报，1992，8(2):65－68.

［5］李先琨，苏宗明.桂西南不同地层土壤的元素地球化学特征［J］.广西科学，2001，8(4):301 －307.

［6］何中发，孙彦伟，方正，等.生态地球化学成果应用于农业地分等及质量动态监测初步构想［J］.上海地质，2009(3):35 －38，43.

［7］代杰瑞，庞绪贵，宮玉新，等.山东威海农业生态地球化学调查与评价［J］.地质通报，2010，29(9):1391 －1398.

［8］刘应平，何政伟，阚泽忠，等.土地质量地球化学分等定级方法技术探讨［J］.成都理工大学学报:自然科学版，2010，37(3):308－314.

［9］刘军保，黄春雷，岑静，张志芳.土地质量地球化学评估方法研究——以慈溪市为例［J］.资源调查与环境，2010，31(1):50－58.

［10］师刚强.彭山县土地整理土地质量地球化学评价［J］.成都理工大学，2009(2):1－78.

［11］李亮亮，依艳丽，凌国鑫，等.地统计学在土壤空间变异研究中的应用［J］.土壤通报，2005，36(2):265 －268.

［12］徐晓嘉，雷国平，张慧，等.黑龙江省松嫩平原南部表层土壤肥力质量评价研究［J］.水土保持研究，2010，17(5):268－272.

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

*国土资源部地质大调查项目(1212010511217－04)

(责任编辑:季春阳)