基于GIS的崇明土壤養(yǎng)分空間變異及肥力綜合評價研究.pdf

1、隨著人類社會的進(jìn)步和經(jīng)濟的發(fā)展,生態(tài)環(huán)境及其安全問題愈來愈受到重視,生態(tài)安全的預(yù)測研究以及在預(yù)測研究基礎(chǔ)上建立生態(tài)安全預(yù)警決策成為了人們關(guān)注的焦點。位于西太平洋沿岸中國海岸線中部、地處中國最大河流長江入?？诘某缑鲘u,被稱為“上海最后一塊真正的生態(tài)凈土”。依據(jù)最新規(guī)劃和崇明的發(fā)展定位,崇明島將“留足自然生態(tài)涵養(yǎng)空間”和“留足未來國際級項目的規(guī)劃選址空間”,真正成為“21世紀(jì)生態(tài)島”。因此,與生態(tài)安全問題緊密相關(guān)的土壤環(huán)境污染監(jiān)測、安全監(jiān)控

2、以及肥力綜合評價就成為了崇明生態(tài)安全預(yù)測預(yù)警研究的重要組成部分。土壤是一形態(tài)和演化過程都十分復(fù)雜的自然綜合體,開展土壤養(yǎng)分空間變異性研究對于科學(xué)合理地制定農(nóng)田施肥方案,提高養(yǎng)分資源利用率,減少由于過量施肥造成環(huán)境污染,實現(xiàn)精確施肥具有重要意義。本文根據(jù)崇明島的土壤發(fā)育狀況、土地利用特征,借助地統(tǒng)計空間變異分析和GIS技術(shù)在進(jìn)行詳細(xì)的土壤養(yǎng)分變異特征分析的基礎(chǔ)上,探討分析了土壤污染監(jiān)測的采樣點優(yōu)化布局布設(shè)方案；并依據(jù)研究區(qū)成土過程的化學(xué)分

3、類區(qū)域和近年的土地利用情況,采用隸屬度函數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)結(jié)合的方法對崇明土壤進(jìn)行了綜合肥力評價,期望在分析了解崇明土壤養(yǎng)分空間分布情況和土壤肥力總體水平的基礎(chǔ)上,為科學(xué)、合理施肥,保護環(huán)境及崇明生態(tài)建設(shè)提供依據(jù)。研究采用GIS與地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方法,首先,分析崇明土壤重金屬的空間變異特征、結(jié)合反距離加權(quán)插值和克里金插值,對崇明土壤進(jìn)行空間變異分析,分別獲得其預(yù)插值污染范圍和估計的重金屬分布特征。通過研究發(fā)現(xiàn),Zn、Hg無變異角度,其變程分

4、別為2000m、2500m；As、Cu、Pb變異角度在50度左右,變程分別是55000m、35000m、5000m；而Cr、Cd、Ni變異角度在300度左右,變程是7500m、40000m、16000m。變程和變異角度將作為最基本的參數(shù),在滿足精度的條件下對崇明土壤做地形分析并針對不同區(qū)域進(jìn)行采樣布局設(shè)計,在初步采樣的基礎(chǔ)上,獲得土壤二次采樣的最優(yōu)化布局,為進(jìn)一步更準(zhǔn)確地獲取研究區(qū)土壤養(yǎng)分的空間變異特征奠定基礎(chǔ)。其次,本文研究了上海崇明

5、島表層土壤有效銅、有效硼、有效鐵、有效鉬、有效錳、有效鋅等微量元素的空間變異特征及分布規(guī)律。針對每個指標(biāo)分別進(jìn)行詳細(xì)的試驗分析,取得空間相關(guān)性最強的步長和分析尺度,并由此選擇不同的擬合模型對各因子進(jìn)行泛克里格插值。從而保證了進(jìn)行篩選試驗時理論插值模型的穩(wěn)定性及其精度的可比性,同時獲得相關(guān)微量元素的空間變異分布圖。結(jié)果表明：6個指標(biāo)均表現(xiàn)出強變異性。再次,本文基于對崇明土壤18項化學(xué)指標(biāo)的精確的空間變異特征的研究,借助遙感圖像處理軟件ER

6、DAS中對2002年的崇明ETM圖像進(jìn)行監(jiān)督分類；利用主成分分析和因子轉(zhuǎn)軸選擇出6個主成分因子,在ERDAS中將6個主成分因子的柵格圖進(jìn)行波段融合獲得組合后的三波段圖,在ArcGIS中對融合后的圖像進(jìn)行重分類獲得：鈣質(zhì)濱海鹽漬土帶,圍墾沖擊土帶,高鐵有機人為土帶,半水成半人為土帶,有機新成土帶,有機人為土帶,淤積新成土帶等七個化學(xué)分類土帶。導(dǎo)入選擇成土過程中土壤發(fā)育的限制因子,以限制因子為評價對象,結(jié)合隸屬度函數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)法對崇明土壤

7、進(jìn)行綜合肥力評價,將土壤肥力分為五個等級,每個區(qū)都分別進(jìn)行評價。根據(jù)以上研究,本文得到以下結(jié)論：(一)土壤具有高度的空間變異性,不同尺度下土壤養(yǎng)分及重金屬均適宜采用地統(tǒng)計學(xué)模型進(jìn)行空間分析與估測。結(jié)合GIS的地統(tǒng)計學(xué)技術(shù)作為研究土壤空間變異的重要工具,不同變量在不同取樣尺度下插值分析空間估測結(jié)果是不一致的。本文基于原有S型采樣分析數(shù)據(jù),詳細(xì)研究分析了土壤的空間變異特性,特別是土壤不同元素的變異角度和變程,并根據(jù)地形及土地利用情況進(jìn)行了相

8、應(yīng)的坡度分析,在此基礎(chǔ)上分析設(shè)計了二次采樣方案。研究表明,依據(jù)二次采樣分析數(shù)據(jù)的土壤空間變異特征更能反映研究區(qū)的土壤空間變異狀況。因此,基于初步采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的空間分析再進(jìn)行二次采樣方案的設(shè)計,為最終選取適合的尺度和插值方法進(jìn)行相應(yīng)的區(qū)域土壤空間變異的分析是必要的,也是可行的。(二)土壤養(yǎng)分空間變異研究中,最核心的問題是尺度和插值模型及其參數(shù)的選擇。在ArcGIS中自動計算選取的插值模型和參數(shù)不一定能最好地反應(yīng)土壤數(shù)據(jù)的空間變異分布特

9、征。本文通過不同的步長嘗試,依據(jù)塊金效應(yīng)的原則來選擇合適的模型參數(shù)。在模型的選擇上考慮了多尺度的模型,引入雙模型插值。結(jié)果表明,雙尺度的模型提高了插值的精度,能更加準(zhǔn)確的反應(yīng)出土壤養(yǎng)分的空間變異特征。(三)崇明島是一個沖擊而成的島,其發(fā)育過程相當(dāng)復(fù)雜,每年都會發(fā)生不同程度的變化。依據(jù)成土過程進(jìn)行分區(qū),并結(jié)合土地利用類型進(jìn)行肥力分區(qū)綜合評價是一種新的思路,對了解崇明土壤肥力狀況有十分重要的意義。通過研究每一類土壤發(fā)育限制因子,及其對崇明1