基于突变理论的土地质量地球化学评价方法研究

土地质量地球化学评价通过定量描述土壤化学指标与土壤质量的关系,为土地利用、农业生产和管理提供依据和支撑[1],全面、精确地评价土地质量具有重要的现实意义。国内外对土地质量评价进行了深入研究,建立了土壤质量指数法、土壤质量模型法、多元线性回归法、多变量指标克立格法、层次分析法、模糊神经网络模型等方法,目前仍没有统一的评价方法,此外,评价方法中常忽略如重金属污染等环境问题,以致不能全面地反映土地质量[2-4],土壤肥力质量、土壤环境质量和土壤健康质量评价的综合是现代土地质量评价中必须考虑的因素[5-6],张汪寿等[7]综合土壤肥力和土壤环境质量建立了针对农业生产需求的土壤质量指数法,进行了土壤质量综合评价,余慧敏等[8]综合土壤健康的有益与不利因素,运用累加法进行了稻田土壤健康评价, 李颖慧等[9]采用逼近理想解排序法、李玉峰等[10]采用分段函数法开展了基于土壤肥力和重金属污染风险的土壤质量综合评价;中国地质调查局在2008—2017年开始部署1∶50 000土地质量地球化学调查,已取得高精度海量数据成果,广泛应用在农田划定、土地规划等土地管理中,在土地质量、生态综合管护和国家脱贫攻坚方面起到了重要作用[11],赣州市6县在开展土地质量地球化学评估中划定了无公害、特色农业区域[12-13],土地质量地球化学评价多以DZ/T 0295—2016《土地质量地球化学评价规范》为评价依据,评价结果为描述性的等级,而非量化表达,总体上,将土壤肥力和土壤环境质量结合的综合土地质量评价量化研究仍较少。在评价结果运用上缺乏数据化、精细化,不便于土地质量地球化学的综合评价。RENE提出的突变理论是研究自然界中突变现象的一种非线性数学方法[14],以此为基础建立的突变级数法结合了层次分析法、模糊分析法的优点,弱化了确定权重困难的弊端,为综合评价提供一种新思路和方法[15-16],并应用在生态系统健康[17]、耕地复垦适宜性[18]、土壤生态安全[19]、水环境承载力[20-21]等方面的评价和研究中。

本文以赣州市南康区土壤为研究对象,紧密围绕民生工程与生态文明建设,开展土地质量地球化学调查与综合研究,形成适合土地肥力和土壤环境质量结合的综合土地质量评价方法,全面推进土地质量地球化学调查,提高土地质量综合评价研究水平。将土壤肥力和重金属污染结合,采用基于突变理论的土地地球化学评价方法进行土地质量地球化学综合评价与探究,以期使评价结果更加数值化、精细化,评价过程更简便,为该区土地利用和农业生产、土地管理提供依据和指导。

1 数据获取与评价方法

1.1 研究区概况

研究区位于赣州市西南部,总面积1 049 km2,属典型的亚热带湿润季风气候,年平均气温19.3℃,年平均降水量1 443 mm。地貌类型以山地、丘陵、盆地为主,平均海拔300～500 m,地势大体呈南北高,中东低,地表水系发育,受地势控制,地表水向中东部汇集。土壤类型以水稻土和红壤为主,此外还有分布在河流两岸阶地的潮土、中低丘陵地区的紫色土和少量山地黄壤。研究区内地层发育较全,第四系地层主要分布在河流两岸,砂页岩、砂砾岩、泥岩等交互分布在低山丘陵,下伏于第四系地层,板岩、页岩等分布在中高丘陵区,在低山区开始有大面积花岗岩出露(图1)。

1.2 样品采集与分析

采用“网格+图斑”方式,农田优先的原则布设采样点,用GPS定位中心,在20～30 m范围内采集4～6个0～20 cm的表层土壤子样品,等份混合为1组混合样品,去除根系、碎石等杂物后自然阴干、破碎,过20目尼龙筛后送样测试,混合样品最终质量不低于1 kg,共采集表层土壤样品6 266组。X射线荧光光谱法测定P、Pb、Cr、Zn、N、S、Co、Cu、Mn、K、Ni含量,石墨炉原子吸收法测定Cd含量,发生光谱法测定B含量,原子荧光法测定Hg、As、Se含量,极谱法测定Mo含量,氧化还原容量法测定有机质(SOM)含量,样品测试按DZ/T 0258—2014《多目标区域地球化学调查规范(1∶25万)》和DD 2005—03《生态地球化学评价样品分析方法和技术要求》进行测试分析和质量控制,分析结果的准确性和精密度以及方法灵敏度均满足以上规范要求。

1.3 评价过程与方法

为了定量表达土壤肥力和土壤环境质量,参考NY/T 1749—2009《南方地区耕地土壤肥力诊断与评价》[22]进行土壤肥力单项指数和土壤肥力综合指数计算,评价标准值为有机质(SOM)含量1.25%、氮(N)含量1 000 mg/kg、磷(P)含量590 mg/kg、钾(K)含量1.6%、硼(B)含量64 mg/kg、钼(Mo)含量1.0 mg/kg、铜(Cu)含量36 mg/kg、锌(Zn)含量 80 mg/kg、锰(Mn)含量530 mg/kg;参考HJ/T 166—2004《土壤环境监测技术规范》[23]进行土壤单项重金属污染指数和内梅罗指数计算,评价标准值依据土壤pH值采用GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》表1中较严格风险筛选值[24]。各指标转换计算公式为

式中 Pi——指标i转换值

Ci——指标i测试结果

Si——指标i评价标准值

土壤综合肥力指数Pf和内梅罗指数Pn计算公式分别为

式中

指标i转换值均值

CRITIC赋权法是一种优于熵权法的客观赋权法,其兼顾指标间的变异性和相关性,更有利于与土地质量评价指标的多维性、非线性[25-26],故采用CRITIC赋权法确定评价体系中指标的重要程度次序。权重计算公式为

式中 Pj——指标j信息量

Sj——指标j标准差

rij——指标i和指标j相关系数

1.3.3 指标标准化

由于不同指标间经常存在量级或趋势性差异,导致不同标准化方法的评价结果不同,甚至出现显著差异,适当的标准化方法是综合评价的关键[27-28]。极差正规化法可以实现正/逆向指标的正向转化[29],并很好地保留指标内部特征信息,可适用于正态或非正态数据[30],能够满足土壤中组分含量常为非正态分布的特性要求[31]。在基于突变理论的地下水环境风险评价[32-33]、河流健康评价[34]、区域生态风险评价[35]、土壤肥力恢复评价[16]等研究中采用该方法进行指标标准化,本研究采用极差正规化法进行指标标准化,其计算公式为

式中 X——指标标准化值

x——指标值 xmin——指标最小值

xmax——指标最大值

1.3.4 突变评价模型构建

由于一般突变理论系统中控制变量数量的制约,结合评价目的,将底层指标分解为2组,即代表土壤环境质量的内梅罗指数和代表土壤肥力的土壤综合肥力指数,通过CRITIC赋权法计算内梅罗指数和综合肥力指数权重为0.514、0.486,结合实际需要确定内梅罗指数为主要因素。依据指标相对重要程度进行排序,最终建立的评价指标体系见图2, 指标重要性从左到右依次减小,采用的突变函数[33]为

式中 xa、xb——指标a、b的归一化值

式(6)中尖点突变(Cusp)函数的控制变量为2个。

由于控制变量间无互补性,采用依照“大中取小”的原则进行递归。

2 结果与分析

2.1 肥力指数统计分析与空间分布

参考NY/T 1749—2009《南方地区耕地土壤肥力诊断与评价》[22]对土壤肥力指数进行计算和分级[22]。综合肥力指数均值为0.75,Ⅰ～Ⅲ等比例分别为0、19.3%、80.7%,整体土壤肥力低,农作物处于缺肥状态,大部分肥力缺乏甚至严重缺乏。SOM肥力较高,Ⅰ等和Ⅱ等肥力比例超过70%,N、K、B肥力一般,Ⅰ等和Ⅱ等肥力比例为50%～60%,其他包括P和微量元素的肥力较差,Ⅰ等和Ⅱ等肥力比例不足50%(表1)。研究区主要为土壤养分含量较低的红层地区,加以长期耕作等人类活动导致P损失,这可能是P肥力较差的重要原因[12]。80%的样品综合肥力指数低于0.9,综合肥力为Ⅲ等,这与江西省耕地等级比例[36-37]近似。各指标肥力指数的变异系数为0.33～0.76,均值为0.51,均为中等变异程度,综合肥力指标变异系数为0.23,为中等变异程度。Ⅱ等肥力区域主要分布在研究区东南边缘和散片状分布在中-中北部,Ⅲ等区域在该区广泛分布。

2.2 内梅罗指数统计分析与空间分布

依据土壤pH值采用GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[24]中含量限值标准,参考HJ/T 166—2004《土壤环境监测技术规范》[23]将污染指数分为5级。各指标污染指数的变异系数为0.47～1.42,均值为0.83,为中等～强变异程度,其中As、Hg变异系数为1.43、1.03,达到强变异程度,其他指标变异系数为 0.47～0.75,为中等变异程度。各指标污染指数均值为0.20～0.54,属于清洁等级,清洁和尚清洁的比例为93%～100%,除Cd为93%外,其他元素清洁和尚清洁的比例超过95%。Cd为主要的污染因子,其次为Pb,其他元素清洁比例均超过90%,这与周墨等[36]研究结果类似。综合内梅罗指数均值为0.59,污染等级为尚清洁,Ⅰ～Ⅴ级比例依次为83.0%、10.0%、5.3%、1.4%和0.3%,内梅罗指数变异系数为0.63,为中等变异程度(表2)。小面积中度及以上污染程度区域主要分布在西南部和中东部一带,清洁区域在该区广泛分布。

2.3 土壤综合质量指数结果分析与空间分布

将各组样品中内梅罗指数超过3.0的修订替换为3.1,突变级数法计算的土地综合质量指数均值为 0.714,依据内梅罗指数将土壤综合质量指数分为5个等级,分级区间如表3表示。1级～5级点位比例依次为0.5%、5.7%、79.8%、13.85%、0.3%,按面积统计,3级、4级面积占比为94.11%、5.30%,3级区域在该区广泛分布,4级区域呈分散在朱坊-太窝以及龙华一带,均为农业活动强烈地区,综合评价结果为3级(图3)。

3 讨论

研究区内土壤综合肥力指数均值为0.75,80%的样品综合肥力指数低于0.9,总体综合肥力为Ⅲ等,土壤肥力较低,施肥增产显著,建议增强P和微量元素的肥力,促进肥力平衡,增产增效。土壤综合内梅罗指数均值为0.59,总体尚清洁,Ⅰ～Ⅴ级比例依次为83.0%、10.0%、5.3%、1.4%和0.3%,需关注Cd、Pb元素对土壤环境的不利影响。

与DZ/T 0295—2016《土地质量地球化学评价规范》评价结果比较,83.57%的结果等级未发生变化,近16%的等级结果增加1个等级,主要为1级和2级升为3级和4级,未出现2个或以上等级的变化,本文方法可用于土地质量地球化学综合等级评价。

HJ/T 166—2004《土壤环境监测技术规范》[23]中内梅罗指数评价上限值为3.0,DZ/T 0295—2016《土地质量地球化学评价规范》中将污染指数大于3的统一划分为5 等(劣等),因此只有污染指数不超过3的样品才具有进一步细化的意义。本研究中,共计19组样品的内梅罗指数超过3.0,其范围为3.14～5.18。由突变理论中数据标准化和归一化过程可知,因素中最大值的改变会影响最终评价值,将内梅罗指数最大值修订下限依次设定为4.0、3.5、3.1、3.05、3.02、3.01进行突变理论评价并与DZ/T 0295—2016《土地质量地球化学评价规范》比较,结果发现:评价等级差为-3～3之间,当将内梅罗指数修订值为3.1和更小值时,评价等级差为-2～2之间,评价结果更加稳定和一致 (图3), 因此本方法将内梅罗指数大于3.0的样品修订为3.1。按表3分级结果,1～4级对应各级的肥力指数中位值依次为1.18、1.04、0.76、0.49,基本上按等级等间距划分。

原始和修订内梅罗指数的评价结果比较表明: 3.6%样品评价值由综合肥力指数归一化值改为内梅罗指数归一化值,这些样品的内梅罗指数均值为1.26,评价主控因素改为内梅罗指数更加合理,96.4%样品评价值归一化因素未改变。修订内梅罗指数评价结果中有97.1%样品由综合肥力指数归一化值控制,即该区域土壤综合质量的主要控制因素为土壤肥力,这与该区清洁区域广泛分布结果相符合。6.49%样品修订内梅罗指数评价结果数值降低,并随着内梅罗指数的增加降低程度增大,扩大了1级、2级土地质量的区间范围。18.32%样品综合质量评价等级未改变,修订后有72.65%样品升高1个等级,分别由原始的2～5级升级为1～4级;9.03%样品升高2个等级,分别由原始的2、4级升级为1、3级。当内梅罗指数小于2时,2级和3级的比例更大,并且内梅罗指数越小,综合质量等级提升越明显,这更加符合实际情况。

DZ/T 0295—2016《土地质量地球化学评价规范》中土地质量地球化学综合等级评价结果与修订内梅罗指数的突变理论评价结果比较表明: 83.56%等级未发生变化,0.40%等级由2级升为1级,8.60%等级由2级降为3级,0.10%等级由3级升为2级,7.10%等级由3级降为4级,0.10%等级由4级升为3级,0.30%等级由4级降为5级。最终本文方法和规范方法确定的1～5级比例为0.50%和0.10%、6.40%和15.40%、80.60%和79.10%、12.20%和5.10%、0.30%和0.30%。近16%等级降低1个等级,主要为1级和2级降为3级和4级,未出现2个或以上等级的变化,两种方法评价等级的斯皮尔曼双尾检验相关性系数为0.825,相关性显著,这证明本文方法可用于土地质量地球化学综合等级评价,评价结果更加数值化、精细化。

依据突变理论的平衡曲面方程计算判别式[37-38]Δ值,当Δ>0时,系统状态稳定,当Δ<0时,系统状态失稳。经计算统计有7.95%点位Δ<0,即土地质量处于不稳定状态。从图4可知,Δ<0的点位主要集中在较高的肥力指数和较低的内梅罗指数区域,即土地质量地球化学等级优良的土壤具有不稳定特征,空间分布基本与1级和2级较吻合(图5),同时不稳定区域集中在人口密度较大地区,与人为耕作方式、施肥结构等改变导致有机质(SOM)、总氮(TN)、总磷(TP)等含量增加有关[39],由此推测,研究区质量等级较高的区域具有不稳定性,应关注其肥力对等级影响,保持足够肥力,防止土地质量退化。

4 结束语

本文土地质量地球化学评价方法可用于土地质量地球化学综合等级评价,评价结果更加数值化、精细化,评价过程更简便。对于研究区质量等级较高的区域具有不稳定性,应关注其肥力对等级的影响,防止土地质量退化。受土壤指标数据限制,此方法对不同的污染指数和综合肥力指数的适用性未能检验。

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