基于GIS技术的耕地有效磷富集与生态风险评价_以福建省泰宁县为例_张瑜

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2015，34:326-336（2）农业环境科学学报JournalofAgro-EnvironmentScience2015年2月

基于GIS技术的耕地有效磷富集与生态风险评价

———以福建省泰宁县为例

张222*瑜1，张黎明1，，周碧青1，，沈金泉3，徐福祥1，邢世和1，

2.土壤生态系统健康与调控福建省高校重点实验室，3.福建省农（1.福建农林大学资源与环境学院，福州350002；福州350002；

田建设与土壤肥料技术总站，福州350003）

摘要：为了探讨丘陵山地区耕地土壤有效磷的富集特征及其生态风险，利用南方丘陵山地区———福建省泰宁县1982年6069个和2008年2221个样点实测数据建立的1∶5万耕地利用-土壤类型及属性数据库，借助GIS与数学模型集成技术，研究分析了区域

26年来泰宁县耕地土壤有效磷富集耕地不同土壤类型和利用类型有效磷富集状况、生态风险及其空间分异特征。研究结果表明，

kg-1，作用明显，有效磷含量平均提高24.32mg·含量中等及以下的面积大幅下有效磷含量极丰富、丰富等级的耕地面积显著增加，

降。水稻土土类、潜育水稻土亚类的有效磷富集最明显，紫色土土类、酸性紫色土亚类有效磷富集作用较弱；望天田有效磷富集率最大，菜地有效磷富集率最小。泰宁县存在磷素富集生态风险的耕地面积占全县耕地总面积的31.89%，以中风险区面积最大；水稻土土类、渗育水稻土亚类存在磷素富集生态风险的面积最大。

关键词：丘陵山地；耕地；有效磷；富集作用；生态风险

S158.5中图分类号：A文献标志码：1672-204302-0326-11文章编号：（2015）doi:10.11654/jaes.2015.02.017

EnrichmentandEcologicalRiskAssessmentofAvailablePhosphorusinFarmlandSoilsbyGISTechnology——ACaseStudyofTainingCountyinFujian—

ZHANGYu1,ZHANGLi-ming1,2,ZHOUBi-qing1,2,SHENJin-quan3,XUFu-xiang1,XINGShi-he1,2*

（1.CollegeofResourceandEnvironment,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China;2.UniversityKeyLabofSoilE－cosystemHealthandRegulationinFujian,Fuzhou350002,China;3.FujianCroplandConstructionandSoilFertilizerStation,Fuzhou350003,China）

Abstract：Assessingenrichmentcharacteristicsandecologicalriskofavailablephosphorusinfarmlandsoilsisofgreatsignificanceforratio－nalfertilizationandenvironmentalprotection.HereacasestudywasconductedinTainingCounty,amountain-hillyregioninNorthwestFujianProvince,toinvestigatetheenrichmentlevel,ecologicalriskandspatialdistributionofavailablephosphorusindifferenttypesofsoilunderdifferentlandutilizationsbyusing1∶50000landuse-soiltypedatabasebasedonthefieldinvestigationdataat6069samplingsitesin1982and2221samplingsitesin2008,andbycombininggeographicalinformationsystemwithmathematicmodels.AvailablephosphorusoffarmlandsoilswasenrichedsignificantlyinTainingfrom1982to2008,withtheaveragevaluebeingincreasedby24.32mg·kg-1andthemeanannualgrowthrateof0.87mgkg-1.Ingeneral,theenrichmentofavailablephosphorusinpaddysoilswashighest,withanaverageen－·

richmentrateof1.93,whilethatinpurplishsoilswaslowest,withanaverageenrichmentrateof1.14.However,thegreatestenrichmentrateofavailablephosphoruswasfoundinrainfedpaddyfield,withtheenrichmentrateof2.08,whereasthelowestenrichmentrateinvegetableland,withtheenrichmentrateof0.69.The31.89%ofthecounty′stotalfarmlandsoilshadtheecologicalriskofphosphorus.Theseresultsindicatethenecessitytodrawupproperfertilizationregimeaccordingtotheenrichmentlevelandecologicalriskofsoilavailablephospho－rusindifferentsoiltypesanddifferentlandutilizations.

Keywords：mountain-hillyregion;farmland;availablephosphorus;enrichment;ecologicalrisk

2014－10－31收稿日期：

基金项目：国家自然科学基金（41001126）；福建省高校杰出青年科研人才计划基金（JA13093）；福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划项目

（JA14097）

tysyzhangyu@http://wendang.chazidian.com作者简介：张瑜（1990—），女，黑龙江尚志人，硕士研究生，从事土壤氮磷环境效应研究。E-mail：

*通信作者：fafuxsh@http://wendang.chazidian.com邢世和E-mail：

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卷第第2015期年2月张瑜，等：—以福建省泰宁县为例基于GIS技术的耕地有效磷富集与生态风险评价——

N

327

磷是植物生长发育不可缺少的营养元素之一，植

然而土壤中总磷含量只物吸收的磷素主要来自土壤，

有0.02%~0.2%，与其他大量营养元素相比较低。有效磷是土壤磷贮库中对作物最为有效的部分，能供作物直接吸收利用，可作为评价土壤供磷能力的一项重要指标。随着土地利用强度的提高，为保证农产品的品

农业生产中广泛施用磷肥，但磷肥的当季质和产量，

利用率低，且磷素在土壤中的移动性相对较弱，长期

施肥导致磷在土壤中大量积累，也会加大土壤磷素向水体流失的风险，产生潜在的环境问题[2]。因此，开展区域耕地土壤有效磷富集特征及其生态风险评价研究，可为合理施肥和防控环境风险提供科学依据。

国内外对土壤磷素富集的研究主要集中在不同土地利用方式、田间管理、养分不同形态和颗粒组成等情况下土壤磷素富集率的差异及其原因[3-7]，以及富集率估算方法的优化[8]方面，较少采用GIS与数学模型集成技术从不同时期耕地土壤有效磷富集变化角度研究区域土壤磷素富集状况及其生态风险。我国南方丘陵山地区地形复杂，坡度较大，降雨量大且集中，长期持续大量施用磷肥可能导致耕地土壤磷素大量富集，磷素淋失风险增大，从而引起流域水体富营养化等环境问题。本研究以福建省西北部的丘陵山地区泰宁县为研究区，基于GIS与数学模型集成技术，利用1982年6069个和2008年2221个调查样点数据建立的1∶50000耕地利用-土壤类型及属性数据库，探讨近30年来该县域耕地土壤有效磷的富集特征，评价研究区耕地磷素富集的生态风险，为丘陵山地区耕地土壤科学施用磷肥和环境风险防控提供科学依据。

[1]

南平市NanpingCity

泰宁

TainingCounty

三明市SanmingCity

龙岩市LongyanCity

宁德市NingdeCity

福州市FuzhouCity

莆田市PutianCity泉州市QuanzhouCity

漳州市厦门市ZhangzhouCityXiamenCity

070140km

图1泰宁县地理位置图

Figure1GeographicallocationofTainingCounty

N

1材料与方法

1.1研究区概况

泰宁县位于福建省西北部，东经116°53′~117°24′，北纬26°34′~27°08′，土地总面积1528.81km2，属

年均降水量1775中亚热带季风气候，年均气温17℃，

mm，无霜期255d，年均日照时数1805h。地貌类型主要有山地（>500m）和丘陵（200~500m）。研究区耕地总面积12855.43hm2，耕地土壤类型主要有红壤、占耕黄壤、水稻土和紫色土，其中以水稻土面积最大，

地总面积的82.77%，成土母质一般为坡积物、残积物和冲积物母质，其地理位置和地貌类型分布见图1和图2。

1.2基础资料收集

1∶50000土地利用现状泰宁县1∶50000土壤图、

丘陵Hill

山地Mountain816km

图2泰宁县地貌类型分布图Figure2LandformmapofTainingCounty

1982年土图数据库来自农业部测土配方施肥项目；

壤调查样点分析数据来自于泰宁县第二次土壤普查

2008年土壤调查样点分样品分析的纸质记录资料；

析数据来自农业部测土配方施肥项目样点分析资料；磷肥施用量等基础数据资料来自泰宁县历年统计年鉴。

1.3耕地土地利用方式-土壤类型数据库的建立

借助ArcGIS9.3软件，从2008年1∶50000土地利用现状图数据库中提取耕地图斑矢量图层，将福建省第二次土壤普查1∶50000土壤类型矢量图层与耕

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328农业环境科学学报第34卷第2期

地利用现状矢量图层进行局部配准，转绘耕地图斑的土壤类型信息，建立泰宁县耕地1∶50000土地利用-土壤类型空间数据库，全县耕地土壤类型归属5个土

8个亚类、23个土属和28个土种。属性数据库包类、

括1982年和2008年耕地土壤调查样点数据，其中：1982年耕地土壤调查样点数据库是利用第二次土壤普查样点分布图以及样点相关属性分析数据建立，样

2008年耕地土壤样点数据库是直接点数为6069个；

利用调查样点的GPS经纬度坐标以及样点相关属性分析数据建立，样点数为2221个。土壤属性主要包括有机质、氮、磷、钾、机械组成等理化性质指标（图3）。1.4耕地土壤有效磷富集程度及生态风险评价为比较两期耕地土壤有效磷富集的差异，本研究采用富集率（ER）来衡量不同土壤类型和土地利用方式下磷素富集水平的高低，公式如下[5]：

/X0ER=）（XS-X0

XS为2008年某土壤类型或土地利用类型有效式中：mgkg-1；X0为1982年某土壤类型或土地利·磷含量，

mgkg-1。用类型有效磷含量，·本研究采用相对风险系数评价耕地土壤磷素富

集生态风险程度的高低：

相对风险系数=（有效磷实测值-有效磷生态风

/有效磷生态风险临界值险临界值）

由于泰宁县属于亚热带湿润季风气候带的南方红壤区，且福建省至今有关水田、旱地土壤有效磷

生态风险临界值研究尚少见报道，仅见章明清等[9]研

究认为福建省菜地土壤有效磷的临界值为42.8mg·kg-1[9]，故上式中土壤有效磷生态风险临界值参考鲁如坤等[10]在相同气候带的我国南方红壤区土壤磷素

其中旱地土壤有效磷生积累状况的较全面研究结果，kg-1，态风险临界值为60mg·（灌溉水田、望天水田kg-1。田、菜地）土壤有效磷生态风险临界值为40mg·

借助GIS软件计算各耕地图斑2008年土壤磷素富集相对风险系数，并运用SPSS软件中的动态聚类分析模型对相对风险系数的大小及其差异规律进行自动分区，根据相对风险系数自动分区值的范围大小将泰宁县耕地土壤磷素富集生态风险划分为生态高风险区（相对风险系数为0.489~1.150）、中风险区（相对风险系数为0.150~0.125）和低风险区（相对风险系数为0.125~0）。1.5数据统计分析

采用统计分析软件SPSS19.0进行数据常规统计分析、相关性分析和t检验分析。

2结果与讨论

2.1耕地土壤有效磷空间变异性分析

利用GS+9.0软件对土壤有效磷进行半方差分析

经对数转换后，数据符合正态分和插值模型的选择，

布，半方差分析结果见表1和图4。泰宁县不同时期耕地土壤有效磷含量均符合指数模型，各模型决定系

N

1982年采样点（a）

1982samplingpoints2008年采样点（b）

2008samplingpoints

采样点Samplingpoints0816km

图3不同时期耕地土壤样点分布图

Figure3Distributionofsamplingpointsinfarmlandsoilduringdifferentperiods

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卷第第2015期年2月张瑜，等：—以福建省泰宁县为例基于GIS技术的耕地有效磷富集与生态风险评价——329

），实验半方差函数的F检验均为极显著水平（P<0.01数与理论模型的拟合程度较好，且两期有效磷的块金

[C0/C0+C]<25%，系数（说明它们在变程内具有强烈）的空间相关性[11]，模型能较好地反应土壤有效磷的空间结构。变异函数满足内蕴平稳假设，利用ArcGIS软件GeostatisticalAnalyst模块的普通克里格插值模型分别对1982年和2008年耕地土壤有效磷进行Kring插值，建立耕地土壤有效磷空间分布图。2.2耕地土壤有效磷富集的总体特征分析

1982年泰宁县耕地由表2分析结果可以看出，kg-1，土壤调查样点有效磷含量均值为13.22mg·而

2008年有效磷含量均值较1982年平均增加23.28mgkg-1，·表明26年来全县耕地土壤调查样点有效磷含量显著提高。1982年耕地土壤调查样点有效磷变异系数为135.24%，属强烈变异，而2008年有效磷变异系数仅为87.60%，比1982年降低了47.63%，表明2008年泰宁县耕地土壤有效磷的空间差异性显著下降。

耕地土壤有效磷含量空间插值结果表明（表3），

26年来泰宁县近99%的耕地土壤有效磷含量不同程

度增加，呈现较明显的富集趋势。1982年全县耕地土kg-1，2008年为37.20壤有效磷含量均值为12.88mg·mgkg-1，kg-1，··比1982年增加了24.32mg平均富集率达1.89。按全国第二次土壤普查有效磷含量的分级标2008年泰宁县耕地土壤有效磷含量分级面准统计[12]，

（表3和图5），其中2008积较1982年发生明显变化

年耕地土壤有效磷含量极丰富和丰富等级的面积显

著增加，分别比1982年增加36.30%和45.53%；中上和中下等级的面积则大幅下降，分别比1982年减少43.77%和35.28%。耕地土壤有效磷含量增幅较大，主要有新桥、开善、下渠和杉城等乡镇，这些乡镇均以农业为主产业。区域耕地土壤有效磷含量及其空间差异性的变化主要与磷肥投入量以及影响磷素有效性因

1982素的变化密切相关。根据泰宁县统计年鉴资料，年前，由于磷肥资源较为短缺，泰宁县磷肥施用量相

1971—1982年磷肥施用量均值仅为240t·对较低，

a-1，故该时期全县多数耕地土壤有效磷含量普遍较低，有效磷中上和中下等级面积所占比例较高，且由

表1不同时期耕地土壤有效磷半方差函数模型及参数

Table1Semivariancemodelanditsparametersofavailablephosphorusinfarmlandsoilsindifferentyears

年份Year19822008

最优模型Optimalmodel指数模型Exponentialmodel指数模型Exponentialmodel

块金值C0

0.160.08

基台值C0+C

1.160.67

变程Range/m2340.002160.00

决定系数r2

0.36**0.51**

残差RSS0.050.01

/C0+C基台效应C0（）

13.41%11.43%

Note：**P<0.01.

表2不同时期泰宁县耕地土壤样点有效磷的统计特征

Table2Statisticalcharacteristicsofavailablephosphorusinfarmlandsoilindifferentyears

年份Year19822008

样点数/个

Numberofsample

60692221

耕地土壤有效磷Soilavailablephosphorus

kg-1极小值Min/mg·

0.401.40

kg-1极大值Max/mg·

325.00254.78

0.698半方差Semivariance

0.5230.3490.174

2008年（b）

1110722213

步长Distance/m

33320

kg-1均值Mean/mg·

13.2236.50

kg-1标准差SD/mg·

17.8831.98

变异系数CV/%

135.2487.60

1.246半方差Semivariance

0.9340.6230.311

（a）1982年

741814836

步长Distance/m

22254

图41982年和2008年耕地土壤有效磷含量的半方差图Figure4Semivariogramsofsoilavailablephosphorusin1982and2008

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330

表3不同时期耕地土壤有效磷丰缺等级面积

农业环境科学学报

Table3Areaofenrichmentlevelsofavailablephosphorusinfarmlandsoilindifferentyears

第34卷第2期

丰缺状况Enrichmentlevel

极丰富丰富中上中下缺乏极缺乏

N

kg有效磷分级标准/mg·

Gradingcriteriaofavailablephosphorus

-1

kg-1有效磷均值/mg·

Meanofavailablephosphorus198245.1025.2513.967.694.48—

200849.3630.8517.86———

占耕地面积/%

Percentofthetotalarablearea19821.1113.0947.7435.282.78—

200837.4158.623.97———

>4020~4010~205~103~5<3

新桥乡上青乡

朱口镇

朱口镇

新桥乡上青乡

朱口镇

大田乡梅口乡

杉城镇

杉城镇

大田乡梅口乡

杉城镇

下渠乡下渠乡开善乡

下渠乡开善乡

开善乡1982AP/mgkg-1·

>40大龙乡

20~4010~205~103~5<3

1982年（a）

Year1982

大龙乡

2008年（b）

Year2008

2008AP/mgkg-1·

>4020~4010~20

大龙乡

AP差值/mgkg-1·

76.84

（c）差值图APdifference

-23.77816km

图5不同时期耕地土壤有效磷空间分布图及有效磷含量差值图

Figure5Spatialdistributionanddifferencemapofavailablephosphorusinfarmlandsoilindifferentyears

于区域母质等差异的影响致使耕地土壤有效磷的空

改革开放以来，随着农业生产的发间差异较为显著；

2003—2008年磷肥展，泰宁县磷肥施用量明显提高，

a-1，是1971—1982年年均施用量均值高达738.83t·

1971—磷肥施用量的3倍（据泰宁县统计年鉴，

2008），长期持续大量施用磷肥导致全县耕地土壤磷素含量普遍提升，耕地土壤有效磷含量趋于均一，有效磷的空间差异性显著减小。土壤磷素有效性受土壤pH、有机质、铁铝氧化物、质地、干湿交替状况和微生物活性等因素的影响[13]，国内外研究表明施用有机肥既可以活化土壤本身的无效磷，又可以促进磷的解吸，提高土壤磷的有效性[14-15]，土壤中有机质一般与有效磷含量呈显著正相关。这是由于腐植酸及其矿化过程产生的有机酸络合和酸溶作用，减少了土壤矿物质对磷的固定作用，并促进土壤磷素的活化[16]。

利用2008年泰宁县有机质含量与有效磷含量进行相关性分析，结果表明泰宁县耕地土壤有效磷与有

1982年泰宁县耕机质含量呈极显著正相关（P<0.01），

kg-1，2008年则达地土壤有机质含量均值为25.02g·

kg-1，30.68g·有机质含量整体有所提升。因此，农业生（尤其是磷肥）投入的显著增加以及土壤有产上肥料

机质含量提高促进磷素的有效化是导致泰宁县耕地土壤有效磷明显富集、有效磷含量空间差异性减少的主要因素。

不同海拔耕地土壤有效磷含量方差分析表明（图6a），泰宁县不同海拔间耕地有效磷含量存在显著差异。1982年和2008年耕地土壤有效磷含量均随海拔升高而增加，有效磷含量与海拔呈极显著正相关

r2008=0.324**（r1982=0.265**，）。这与龙胜碧等[17]的研究土结果一致，其原因主要是由于海拔升高气温下降，

壤微生物活性减弱，致使有机质分解缓慢，有利于有机质的积累，而土壤有机质含量与有效磷含量呈显著正相关[18]。从不同海拔耕地土壤有效磷富集率的方差

200~500m与800m海拔间耕），分析结果来看（图6b