安徽省石台县土地质量地球化学评价及应用

汤 明，吴海东，姜明亮，韩慧杰

(1.安徽金联地矿科技有限公司，安徽 合肥 230001；2.澳门科技大学，澳门 999078)

土地质量评价是土地利用总体规划的重要组成部分，是土地利用分区的主要技术依据和决策因素(奚仲伟，2016；黄勇等，2008；邹勇军等，2019；董旭等，2021)。其用量化指标确定土地质量等级，对协调人地关系和实现土地可持续利用具有重要的现实意义。目前，中国已经建立和完善了区域地球化学调查和土地质量地球化学调查与评价技术方法体系(奚小环等，2013，2017；路婕等，2011；弓秋丽等，2013)；我国学者研究了特色土地资源开发和利用、土壤中重金属污染变化监测的样品采集数量和采集时间间隔、土壤中重金属元素的成因来源、迁移途径和生态效应以及土壤的物化性质对元素分配系数造成的影响，为区域性土壤重金属污染变化监测、生态地球化学评价和土地安全永续利用等提供了重要的研究思路和方法(杨忠芳等，2017；Xia et al.,2017；侯青叶等，2008；杨晓燕等，2013；吕凯等，2017；王升堂，1999；胡茂泳，2011，陈红翔，2008)。目前国际土壤质量研究热点是将土壤质量应用于农业生产、环境保护以及土壤质量研究由农业生产向环境方向渗透(Zhuang et al.，2015；李彬彬等，2017)。中国土地资源管理总体上还处在数量管护、管理粗放的初级阶段，与工业化、城镇化和农业现代化的要求不相适应(刘国栋等，2017；Padilla-Bernal et al.，2015)。因此科学量化土地质量，做好数量管控的同时，还应加强质量管理和生态保护(刘霈珈等，2015；郭旭东，2014)。

本次以《安徽省石台县1∶5万土地质量地球化学调查评价成果报告》(1)汤明，吴海东，2019.安徽省石台县土地质量地球化学调查评价成果报告[R].合肥：安徽省公益性地质调查管理工作中心.数据为基础，依据《土地质量地球化学评价规范》(国家国土资源部，2016)对研究区土壤养分元素、土壤环境元素、大气干湿沉降物、灌溉水和农作物等地球化学指标进行综合分析，并完成土地质量地球化学评价，为大比例尺地形地貌复杂的县域内开展土地质量地球化学评价工作提供示范。同时，以地球化学数据为基础，结合地质和遥感资料，提取数字高程模型(DEM)数据，进行海拔和坡度坡向计算，开展水稻种植适宜性评价。根据评价结果对水稻种植做出部分区划调整，改善农业种植结构，提升土地质量地球化学调查成果在农业生产中的应用价值。

1 研究区概况

石台县隶属于安徽省池州市，皖南山区西部，东与黄山区交界，南与黟县、祁门县相连，西与东至县接壤，北与贵池区、青阳县为邻。境内地形复杂，地势南北高，东西低，山脉逶迤，沟壑纵横，海拔高度为50～1 000 m，地貌以低山、高丘分布最广。属中亚热带湿润气候区，春季温凉多雨，夏季炎热湿润，秋季先干后湿，冬季寒冷少雨。

1.1 区域地质背景

研究区内以七都断裂为界，东南是江南地层分区，西北是下扬子地层分区。地层发育较齐全，除侏罗系、第三系缺失外，元古界-古生界-新生界都有出露。区内地层主要有第四系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系、奥陶系、寒武系、震旦系、青白口系及蓟县-长城系等，岩性复杂，以沉积岩为主，局部出露侵入岩。前第四纪地层分布区土地利用类型以林地和园地为主。区内第四纪地层主要分布在小河镇、丁香镇等地，出露中、晚更新世和全新世地层，缺失早更新世地层，成因类型以冲洪积为主。沿河谷分布的第四纪芜湖组地层区为研究区内主要的水稻种植区。

1.2 土壤母质与土壤类型

研究区内地貌类型复杂多样，在中亚热带湿润气候条件作用下，土壤形成具有强烈的地质风化、淋滤作用和旺盛的生物循环等特点，受气候生物带影响，山地土壤又呈垂直分布，同时还受不同的中小地形、水文地质条件、成土母质及人为因素影响(姚飞，2006)，形成区域性或土壤类型组合型分布。区内成土母质以碳酸盐岩、泥质岩、碳质岩、花岗岩、砂质岩、硅质岩、浅变质岩、钙质泥页岩等为主，岩性跨度较大，土壤类型分为5个土纲，6个亚纲，7个土类，14个亚类。在7个土类中以红壤和石灰岩土分布面积最广(图1)。本次研究区为石台县全域(扣除部分特殊用地)，其中林地约占90%，其次为园地和耕地。

图1 石台县土壤类型图Fig.1 Soil type map of Shitai county

2 材料与方法

2.1 样品采集与测试

土壤样品点布置采用1 km×1 km网格叠加土地利用现状图斑的方式，在网格内以耕地优先的原则，结合地形地貌和地质背景进行布设。本次调查以耕地和园地为主，林地及其他地类为辅，共采集表层土壤样品7 736件，采样深度为0～20 cm，耕地、园地、林地的采样密度分别为43.19个/km2、46.36个/km2、2.06个/km2。此外，还采集了82件土壤垂向剖面样品、193件农作物(其中水稻样81件)、97件灌溉水及11件大气干湿沉降物样品。

采集的土壤样品经自然风干，用木锤加工后过10目筛，除去其他非土壤杂质(植物根系、石块等)，副样装瓶装箱保存，正样包装后送至安徽省地质实验研究所进行测试。本次测试的元素和指标有As、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn、K2O、Se、N、P、B、Mn、V、Mo、Ni、速效钾、有效磷、碱解氮、pH、有机质等22项。

2.2 分析质量控制

样品测试由安徽省地质实验研究所完成，样品分析的准确度和精密度控制采用国家一级标准物质来校核。分析过程中共插入920件国家一级标准物质，一次合格率均为100%，测试数据质量可靠。其他土壤元素有效态、农作物、灌溉水和大气干湿沉降物的质量监控均合格。

2.3 数据分析与制图

按照《土地质量地球化学评价规范》(国家国土资源部，2016)统一元素单位，并对数据进行了正态分布检验和极值处理。采用Microsoft Office 2013和IBM SPSS Statistics 22等统计软件，统计了极大值、极小值、算术平均值、标准离差、变异系数、中位值等参数。采用幂指数反距离加权平均法作为本次数据插值方法，图斑赋值严格按照评价规范中规定的原则执行，最后根据各图斑元素含量及规范规定的等级评价标准及方法完成土地质量地球化学评价和图件制作。

3 结果和讨论

3.1 土地质量地球化学等级

3.1.1 土壤养分地球化学等级评价结果

土壤养分地球化学等级评价结果见表1。研究区表层土壤养分地球化学综合等级以二等和三等为主，两者面积之和为1 144.39 km2，占评价区总面积的93.48%，其次是一等，其面积为45.14 km2，面积占比为3.68%，四等和五等最少，面积之和为37.25 km2，面积占比为3.04%。总体上，整个研究区表层土壤中氮、磷、钾组成的土壤养分综合含量适宜，土壤肥力状况良好，同时整个研究区表层土壤磷含量普遍较低。因此，特定地区应适量增加磷肥施用量，同时应重视施用有机肥，长期施用有机肥能明显提高土壤磷的有效性，以改善这些地区表层土壤磷缺乏状况(杨丽娟等，2009)。

表1 土壤养分地球化学等级划分结果Table 1 Statistical results of the classification of soil nutrients geochemical grades

3.1.2 土壤环境地球化学等级评价结果

土壤环境地球化学等级评价结果见表2。研究区的表层土壤环境地球化学综合等级以一等和二等为主，两者面积占比分别为35.65%和51.67%，总和达87.32%。存在少量的三等、四等和五等(轻度污染、中度污染和重度污染)土壤，面积约占12.68%，整体上土壤环境质量状况尚好。

表2 土壤环境地球化学等级划分统计结果Table 2 Statistical results of soil environmental geochemical grades

八大重金属(除镉元素外)土壤环境地球化学等级以一等(清洁)为主，部分地区存在镉、砷轻度-重度污染，零星出现其他轻微-中度污染。镉和砷元素污染土壤的土地利用类型以林地为主，主要分布于西南及西北部的中低山区，污染源与地层背景关系密切，属于自然高背景。另外，污染区附近土壤垂向剖面镉元素的含量随深度增加呈增加趋势，说明表层土壤镉、砷等重金属元素主要来源于富含重金属元素的炭质岩及硅质岩。

3.1.3 土地质量地球化学等级评价结果

图2为土地质量地球化学等级评价结果。研究区的土地质量地球化学等级以二等和三等为主，面积占比分别为26.65%和53.95%，其次为一等和四等，面积占比分别为6.64%和9.34%，存在少量五等土地，面积为3.42%。从空间分布来看，五等土地零星分布于仙寓镇、小河镇和七都镇的部分地区。整体上，区内东部及西北部土地质量地球化学等级要优于西南部。

图2 土地质量地球化学等级Fig.2 Geochemical grade of land quality

3.2 水稻种植适宜性评价

水稻种植适宜性的评价庞大而复杂，空间尺度大，影响因素多。因此在选择评价指标时，既要综合权衡指标的全面性、突出主导因素，又要尽量遵循简单方便、有效实用原则。

本次选取立地条件、养分状况、环境状况以及理化性质等4大类共6个因子作为水稻种植适宜性评价指标体系，重点对成土母质、地形部位、地形坡度、土壤养分综合、土壤环境综合、pH值等与水稻种植有密切联系的因子进行综合评价。基于石台县土地质量地球化学数据，结合地质和遥感资料，利用ArcGIS 10.2软件提取数字高程模型(DEM)数据，对海拔和坡度坡向进行计算，并对研究区耕地图斑进行赋值。以地球化学数据为基础，综合地质和遥感数据以及上述指标选定评价因子，对该地区的水稻种植做适宜性评价。

3.2.1 建立评价指标层次模型

层次分析法(AHP)是将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，进行定性和定量分析的决策方法(郭金玉等，2008；聂文芳，2010；叶延琼等，2013)。本次研究把水稻种植适宜性评价作为目标层(A)，影响目标层的立地条件、养分状况、环境状况、理化性质作为准则层(B)，影响准则层中各因素的项目作为指标层(C)，依次划分出这三个层次，构建研究区水稻种植适宜性评价层次模型。采用文特尔菲法(Delphi)辅以文献研究法(李文西等，2013)，邀请农业领域专家学者和当地有经验的农林技术人员讨论、打分，确定水稻种植适宜性评价中立地条件、养分状况、环境状况、理化性质四大类的判断矩阵，并计算出相应的权重，以及确定每一类指标的判别矩阵，并计算出相应的权重，最后统计、计算出石台县6个指标在水稻适宜性评价中的组合权重(表3)。

表3 水稻种植适宜性评价层次分析模型中各指标的组合权重Table 3 Combination weight of indexes in analytical hierarchy process model of rice planting suitability evaluation

3.2.2 确定指标隶属度

根据专家意见和《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)，结合相关适宜性评价成果的隶属度划分指导(国家国土资源部，2016；国家农业部，2008；国家生态环境部，2019)，对各评价指标进行隶属度计算。对于成土母质、地形部位等定性指标，根据当地实际情况结合专家打分给出隶属度(表4)。

表4 水稻种植适宜性评价指标隶属度划分Table 4 Division of membership degree of rice planting suitability evaluation index

3.2.3 评价方法

本研究适宜性评价工作采用综合指数评价法。该方法将选取的各评价因子隶属度与相应的准则层权重相乘，得出各评价因子的得分，再计算每一评价单元内所有参评因子的总分，采用累加法计算每个评价单元的水稻种植适宜性综合指数(IRS)，最后依据分数高低来确定适宜性等级。

IRS=∑(Fi×Wi)；(i=1，2，3，4，……n)

式中，IRS为水稻适宜性综合指数；Fi为第i个评价因子的隶属度；Wi为第i个评价因子的组合权重。

根据计算出的适宜性指数分布的规律，参照自然间断点分级法，进行适当调整，将研究区范围内的水稻种植适宜性分为四类：IRS≥ 0.89(高度适宜)、0.84 ≤IRS< 0.89(适宜)、0.75 ≤IRS< 0.84(勉强适宜)、IRS< 0.75(不适宜)。

3.2.4 评价结果

研究区水稻种植适宜性评价结果见表5，空间分布见图3。研究区内“高度适宜”区面积为7.88 km2，占耕地面积的14.40%，主要分布于小河镇中部、丁香镇西南部、七都镇的中部及横渡镇部分地区；“适宜”区和“勉强适宜”区面积分别为10.68 km2和19.16 km2，分别占19.51%和35.01%，主要分布于小河镇西部、七都镇北部及仁里镇北部等地区；“不适宜”区面积为17.01 km2，占比为31.08%，主要分布于小河镇北部、丁香镇南部、仁里镇西部、大演乡北部及仙寓镇的大部地区。

图3 水稻种植适宜性评价图Fig.3 Map of rice planting suitability evaluation

表5 水稻种植适宜性评价分级Table 5 Classification of rice planting suitability evaluation

根据评价结果空间分布图可以看出，研究区西北部小河镇、丁香镇冲积平原区及东部七都镇面积较大的山间盆地区地形条件、耕作条件较好，但土壤养分条件一般、部分土壤环境质量较差及土壤pH值不适宜等因素，致使部分地区水稻种植适宜性较差。因此，当地应通过改良土壤、调节土壤pH值，增施有机肥和磷肥等手段，提高土壤养分含量，保障水稻产量及质量。研究区西南地区土壤环境质量较差，水稻样品镉超标比例较高，但此区亦为主要的富硒土壤分布区。因此，建议种植超低镉吸收的水稻品种，对于部分严重“不适宜”区可改种茶叶、药材等当地适宜的作物，形成种植规模，建立品牌，保障农民收入。研究区东部地形及耕作条件变化较大，部分地区存在土壤环境质量较差和养分缺乏问题，耕地相对较分散，不便于统一管理，可根据当地实际情况，改良耕作条件、控制土壤污染、提高土壤养分，推广种植适宜性较好的水稻品种或者改种其他适宜当地种植的作物。

3.2.5 评价方法验证

将本次调查采集的81件水稻样品点位与水稻种植适宜性评价图进行叠加统计发现，位于“高度适宜”区的13件样品中有12件达标，位于“适宜”区的25件样品中有21件达标，位于“勉强适宜”区的28件样品中有15件达标，位于“不适宜”区的15件样品中有6件达标，“高度适宜”及“适宜”区水稻质量达标率远高于“勉强适宜”和“不适宜”区。由此可见水稻种植适宜性评价结果与当地实际情况基本相符，评价方法可行。

4 结论

(1)研究区土壤养分含量相对适宜，总体上土壤中氮含量较高，钾含量适中，磷含量则普遍较低，且以中部和西北部地区最为明显。这些地区应适量增加磷肥施用量，同时应重视施用有机肥，提高土壤磷的有效性，以改善这些地区表层土壤磷缺乏状况。

(2)研究区土壤环境状况尚好，存在少量的三等、四等及五等土壤，面积约占12.68%。主要风险元素为镉和砷，高风险区主要位于仙寓镇大部分地区，小河镇的东部及仁里镇的中东部地区，原因主要为地质高背景引起。

(3)研究区土地质量地球化学等级以二等和三等为主，面积占比分别为26.65%和53.95%，其次为一等和四等，存在少量五等土地。整体上，区内东部及西北部土地质量地球化学等级要优于西南部。

(4)研究区内水稻种植“高度适宜”区面积为7.88 km2，占耕地面积的14.40%，主要分布于研究区的中东部和西北部地区；“适宜”区和“勉强适宜”区面积分别为10.68 km2和19.16 km2，分别占19.51%和35.01%，主要分布于研究区的西北部及北部地区；“不适宜”区面积17.01 km2，占比31.08%，主要分布于研究区的西南部，原因主要是受土壤环境质量条件限制。