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土地质量地球化学评估方法研究——以慈溪市为例

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资源调查与环境 第31卷第1期 RESOURCES SURVEY&ENVIRONMENT Vo1.31 NO.1 文章编号:1671—4814(2010)01—50—10 土地质量地球化学评估方法研究 ——以慈溪市为例 静,张志芳 刘军保,黄春雷,岑(浙江省地质调查院,杭州311203) 摘要:以地球化学方法对慈溪市土地质量进行评估,通过层次分析法、因子分析法和专家经 验法三种评估方法的对比研究,认为层次分析法、因子分析法比较适合一般土地质量评估,而专 家经验法更适合污染土地质量地球化学评估。本文探索了适合土地质量评估的优选方案,为土 地质量生态管理和土地合理规划、利用提供依据。 关键词:慈溪市;土地质量;地球化学评估;层次分析法;因子分析法;专家打分法 中图分类号:P59 文献标识码:A 土地是指地球陆地表面和近地面层包括气候、土壤、水文、植被以及过去和现在人类活 动影响在内的自然历史综合体[1]。土地质量地球化学评估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。评估以土壤地球化学指标为主要依据,对土地质量、价值和风险等进 行评估,为已开展的“浙江省基本农田质量调查试点”探索合理的评估方法,也为土地质量生 态管理和合理利用规划提供依据。 慈溪市作为2002年至2005年开展的“浙江省农业地质环境调查”的示范区项目,进行了 慈溪全境1/5万精度的农业地质环境调查,积累了丰富的资料L2]。其中表层土壤地球化学调 查1 100 km ,完成1件/km 密度采样993件样品和5万个分析测试数据(54项)。评价方案 按照划分评估单元一筛选评估指标一建立评估体系一隶属模型建立和计算一综合评价和分级等 步骤进行,关键技术是单元的划分、评价指标的筛选和指标的权重赋值。 1 评估单元 评价单元:目前有关评价单元的建立方法有两种,其一就是土壤类型(或地貌类型、或土 地利用或自然田斑)+行政界线形成的图斑(简称图斑法),该方法在区域土地规划分等中和 区域评价中应用较多。另外就是中国地质大学扬忠芳教授提出的“评价单元就是调查采样单 收稿日期:2009—08—17 基金项目:浙江省国土资源厅一浙江省基本农田质量试点项目 第一作者简介:刘军保(1966 ̄),男,高级工程师,从事区域地球化学调查研究工作。 第31卷第1期 刘军保等:土地质量地球化学评估方法研究 元”法(简称格子法),应用在土地质量地球化学评估中。两种方法各有优点和不足,广义的图 斑法对区域掌握和控制土地质量宏观性较好,但不够精确和精细;格子法比较精细即时性 好,但宏观性差且应用性不强。 应用单元:针对以上情况,我们就评价成果的应用性问题提出“应用单元”,但应用单元 的建立目前还在积极探索中。慈溪市土地质量地球化学评估方法研究单元按应用单元进行。 单元划分主要依据: (1)地形地貌:按丘陵~河网平原一滨海平原三分考虑; (2)土壤类型;按土壤类型亚类划分红壤一水稻土一潮土一盐土; (3)行政权属:以乡镇(街道)为单位; (4)主要围垦线:慈溪历史上有围垦记录10个,但对土地利用有显著影响的主要有2 个,一塘线和七塘线,依次为单元划分的重要参照线。 (5)主要的道路、沟渠:主要考虑对土地利用类型有影响的道路、主干河流,本次主要以 329国道线为划分依据。 依上述原则共戈 分单元48个(图1)。 图1慈溪市土地质量评估单元图 Fig.1 Plan of land quality assessment units of Cixi City 2指标的筛选 2.1指标筛选原则 (1)主导性原则 选择的评价指标应是最能反映和揭示土地质量特征的指标,也是影 响土地质量最敏感的因子。在影响土地质量的众多因素中选取主导作用的因子参与评价,以 增加评价的简洁性和科学性。 (2)性原则尽量反映土地全部属性,避免重复和有因果关系的因子同时参评。 (3)稳定性原则 选取的指标在一定时间范围和区域内具有稳定的性质,指标数据重 现性好,指标不会因时间、测试单位不同而出现不同结果,数据可为大多数客户接受。 (4)系统性原则 土地是自然和人类耕作共同影响下的系统,综合评价选取指标应包 资源调查与环境 括土地自然指标和影响指标,另外还可选取其他可量化指标以体现评价的系统性。 (5)区域性原则选取区域范围内重要的、突出的和具有特征性的指标。 (6)生产性原则 指标应选取那些影响土壤生产性能的主要指标。 (7)空间变异性原则 必须是在空间上有明显变化,存在着突变阀值的指标。 2.2筛选指标和依据 根据上述原则,再根据慈溪地方实际情况,初步选取:有机质、S、pH、有效Zn、有效Mo、 有效B、有效Cu和Cd、Hg、Pb、DDT、Se及含盐量十三项指标。 其中根据慈溪市土壤环境质量现状评价结果显示[3],II[级、超Ⅲ级土壤主要出现在天 元、宗汉、呜鹤、匡堰东及横河东南等地以及鸣鹤一带。影响土地环境质量的因素主要为Hg、 Cd、Pb,个别地区有DDTL3]。依据主导性原则,选择该四项指标。 慈溪地处滨海平原区,潮土和盐土所占面积大于5O ,土壤中的含盐量已经成为影响土 地质量的主要因素,根据生产性原则,选择含盐量。 另外,南部丘陵区土壤pH值呈现酸性,至七塘至十塘滨海盐土区,土壤呈强碱性,pH 值3.96~8.8O之间变化;土壤有机质处于中等一缺乏之间,含量在0.18%~8.35 之间变 化;铜有效态平均含量为2.82 mg/kg,属正常一丰富级水平;有效锌含量在0.34 ̄110.4 mg/ kg之间,平均含量为1.51 mg/kg,区域变异性较大,水稻土和红壤中处于正常一极丰富的水 平,滨海盐土、北部潮土处于缺乏状态;有效钼平均含量为0.08 mg/kg,含量区间为0.O4~ 3.09 mg/kg,水稻土及南部丘陵区属钼含量丰富——极丰富区,东部潮土及盐土区主要为 正常区;硼有效态平均含量为0.57 mg/kg,含量区间为0.10~2.13 mg/kg。依据空间变异性 原则、生产性原则和系统性原则,选择上述指标。 由于全氮属中等一丰富水平,铁有效态平均值为99.36 mg/kg,含量丰富;锰有效态平均 含量为134.24 mg/kg,属丰富级含量水平;全K、P无分级标准,暂不列入评价指标L4]。 3隶属函数计算 3.1隶属函数模型 隶属函数模型共有戒上型、戒下型和峰值型三种L1](图2)。 OrgC、S、有效zn、有效Cu、有效B、有效Mo等肥力指标采用戒上型。由于研究区硒元素 较为缺乏,因此也采用戒上型模型。 镉、汞、铅、DDT采用戒下型,含盐量考虑到本地区靠近海域,含盐量普遍较高,已普遍 构成影响慈溪土地质量的重要因素,采用戒下型模型。pH采用峰型模型。 3.2隶属函数计算 应用研究区L、U、0 、O。阈值确定采用背景值法[1]。对于各评价指标统计检验是否服从 正态分布,不服从正态分布或对数正态分布的数据,进行平均值±3倍离差剔除异常数据, 直至服从正态分布或对数正态分布。以累积频率值2O%,4O ,6O ,8O%的样本值即为L、 0 、O2和U值(表1)。 第3l卷第1期 刘军保等:土地质量地球化学评估方法研究 ≤L. ≥U L≤ ≤0. 0 J≤ ≤O2 L≤X≤0. {o.1 1.0 , ≥U L U 戒上型隶属度函数曲线 肛 H {1.0-0.9(x-0L .1) /(U—u ≥U ,戒下型隶属度函数曲线 ~ L U 图2隶属函数模型图 Fig.2 Membership function models 表1 土地质量评估参评指标隶属函数模型值 Table 1 Membership function model values of participating indexes for land quality assessment 单位:OrgC ;DDT、Cd、Hg ̄tg/kg;其他mg/kg。 4评价方法研究 土地质量评价的方法较多,评价模型有经验评分法(专家打分法)、回归分析法、层次分 析法、主因子分析法和模糊数学法等。尝试用经验评分法,层次分析法和因子分析法三种方 法对慈溪市土地质量进行对比评价研究,探索适合慈溪市土地质量评价和浙江省基本农田 质量评价的比较优秀合适的评价模型和方法。 4.1层次分析法评估 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 资源调查与环境 定量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一构造两两比 较判断矩阵一由判断矩阵计算被比较元素单层次权重一计算各层次元素的组合权重。 在层次比较和组合权重中我们根据参评指标在评估区的含量分布状况及空间变异度, 结合不同元素对农作物的重要性程度,根据多年经验再结合有关专家意见,按照层次分析法 的定义,对同层次的指标建立两两比较矩阵及求得相对权重如下,见表2至表6。 表2肥力微量元素比较矩阵 Table 2 Comparison matrix of fertility trace elements pH 有害元素 含盐量 有机污染物 权重 健康 1 0.8000 Se 1/4 0.2000 依据前述指标筛选、隶属函数值计算模型和权重阈值结果,采用加法模型,对各评估指 标的实测值进行权重和隶属度计算,获得土壤肥力和土壤环境地球化学综合指数。 P:互 X Ci( 一1,2,3,4,…, ) 式中:P为综合指数; 为第 个评估指标的隶属函数值;Ci为第 个评估指标的权重,评估 指标为表征土地肥力和土地环境健康的各类指标。 依据上述公式计算各综合参数计算结果,并对其进行等级划分,一般分为3级。分级利 第31卷第1期 刘军保等:土地质量地球化学评估方法研究 用SPSS软件进行累计频率统计,按1O 、5O 划分等级。 每级对应的综合参数值见表7。 表7土地肥力分级和土地环境分级与综合参数对应表 Table 7 Soil fertility classification and land environment grading c0rrespOnding to synthesis parameters 依据土地肥力质量等级和土地环境质量等级划分结果,采用表8所示的分等方案,对研 究区进行土地质量地球化学分级。 表8土地质量地球化学分级表 Table 8 Soil quality geochemical classification 从图3中可以看出,慈溪市土地质量从南往北依次降低,质量最好的地区为南部的山 区。而中西部地区,由于受到DDT等有害物质的影响,质量下降,沿海滩涂地区的质量最低, 估计是由于含盐量及pH的影响所造成的结果。但是总体来说,慈溪市的土地质量较好,第 五级地没有,一级地占了全区的41.35%,二级地占34.58%,超过全区总面积的75%以上。 图3慈溪市土地质量地球化学评估图(层次分析法) Fig.3 Soil quality geochemical assessment plan(AHP)of Cixi City 4.2专家经验法 经验评分法是根据调查资料,采用相关专家、技术人员的意见对各因素或指标给出的评 分确定权重。指标体系的构建:肥力指标层中,必需大量元素主导着土壤的肥力丰缺状况,其 次为必须的微量元素,比例越小,缺乏越严重,权重越大。在环境健康指标层中,污染越严重, 资源调查与环境 权重越大,反之则越小。各指标层的权重之和为1。 本次选取的5名专家在充分研究评价区实际情况基础上,对选择的指标进行打分,再按 各专家打分平均值计算权重,结果如表9。 表9专家评分法平均权重值 Table 9 Expert scoring average weights 肥力指标 环境健康指标 指标 环境指标 健康指标 大量元素中量元素 微量元素 有害元素 含盐量pH值有机污染物 Se Org.C S 有效Zn有效Cu有效B有效Mo Cd Pb Hg DDT 采用加法模型,对评价单元各指标进行权重赋值和隶属度计算后,进行累加,分别得到 肥力和环境健康评价指数。 P一三fi×ci 式中 为第i个评价指标的隶属度函数值 为第i个评价指标的权重 分别做出肥力指标和环境健康指标综合指数P的累计频率曲线,分别按累积频率的 1O 、4O%和50%将综合参数P肥和P环分成3段,土地肥力和土地环境健康等级相应分成 3级,如表1O所示。 表10土地肥力和环境分级与综合参数对应表 Table 10 Soil fertility classification and land environment grading cOrrespOnding to synthesis parameters 依据土地质量等级和土地环境健康质量划分结果,采用《土地质量地球化学评估技术要 求》中表3所示方案进行土地质量地球化学分等,结果见图4。 4.3因子分析法 因子分析法口 是把众多复杂的因子归结为较少的几个综合因子的多元统计方法,可以 看成是主成分分析的一种推广。具体就是将观测变量分类,将相关性较高即联系比较紧密的 变量分在同一类中,而不同类的变量之间的相关性则较低。那么每一类的变量实际上就代表 了一个本质因子,或一个基本结构。因子分析就是寻找这种类型的结构或模型。 土地质量地球化学评估中,一般能反映数据信息8o%以上的因子,即可确定为主因子, 主因子确定后,根据特征值的累积贡献率可确定其权重。 因子分析:利用SPSS软件将指标筛选后的各单元平均数据进行因子分析。采用主成分 法(Principal Component Analysis)提取主要因子(本次分析要求累积贡献率大于9O ),并 第31卷第1期 刘军保等:土地质量地球化学评估方法研究 图4慈溪市土地质量地球化学评估(专家经验法) Fig.4 Land quality geochemical assessment of Cixi City(experience of law experts) 用最大方差旋转法求解负荷矩阵,按累计贡献率的9O 选择前6个主因子作为主因子,并记 录每个因子的贡献率。 确定进入各主因子的元素(指标):选择载荷数大于0.5的指标进入各主因子,B、Mo、 pH、Se进入F1,有机碳、S、Pb进入F2,Cd、Zn、Cu进入F3,含盐量进入F4,DDT进入F5,Hg 进入F6。 权重计算 ai—X×Y, 式中a 为指标权重; x为校正后因子贡献率,Xi:Fi/ ̄.Fi,F为贡献率; y为校正后载荷对因子的贡献率,Yi—P /三P ,P为载荷数。 各指标权重见表1l。 表11各指标最终权重 Table 11 Final weights of various indexes 采用加法模型,对评价单元各指标进行权重赋值和隶属度计算后,进行累加,获得评价 指数。 Xi:Nai×fi 式中 为第i个评价指标的隶属度函数值; n 为第i个评价指标的权重。 58 资源调查与环境 图5慈溪市土地质量地球化学评估(因子分析法) Fig.5 Land quality geochemical assessment of Cixi City(factor analysis) 按照最终得分累积频率分布情况,将各评价单元分成4级。其中,分值X<O.43的为4 级,0.43<X<0.48的为3级,0.48<X<O.62的为2级,X>O.62的为一级。并按分级结果 成图(图5),各类土地所占面积分别为:一级地占6.8%,二级地占55.2 ,三级地占11.8%, 四级地占26.2 。 4.4评估结果对比讨论 采用的三种评价方法都是目前国内土地质量评价中普遍应用较广的评价方法。对比三 种评价模型(表12)所反映的慈溪市土地质量基本良好,地球化学质量都以一、二级为主,未 出现较差的五级土类。 表12 慈溪市土地质量评价不同方法比较表 Table 12 Comparison of different methods of land quality evaluation of Cixi City 但对比表12和图3、4、5发现三种评价结果还存在许多差异,其中层次分析法和因子分 析法在递阶层和两两比较法上由于主观原因和层次结构计算中突出了pH和含盐量的重要 性,权重赋值由于因子的变异大等因素造成权重赋值偏重,没有体现出人们所关心的环境危 害因素的重要性,使受工业污染明显的地区土地质量级上升,而使新围垦土地质量级下降, 经与慈溪国土资源局有关专家讨论和实地验证,层次分析法和因子分析法的评价成果不太 符合实际情况。经验打分评价方法客观易掌握,操作简便易行,评价结果能充分反映出调查 区的实际情况,所反映的较差土地集中体现在工业发达和人口密集区,评价结果易被接受。 第31卷第1期 刘军保等:土地质量地球化学评估方法研究 59 5 结语 慈溪市土地质量地球化学评估应用研究依据土地利用、土壤类型、行政区划和自然地理 特征所划分的应用单元客观实际,可为基本农田质量评价提供基础评价依据。按规范原则筛 选的指标类型和数量恰当,建立了指标函数模型。因此选用的三种评价方法(层次分析法、专 家经验法和因子分析法)结果都体现出慈溪土地质量良好,但专家经验法评价结果更能体现 工业污染对土地质量的影响,也符合当地实际情况。 参考文献 [13土地质量地球化学评估技术要求(试行)Es].中国地质调查局,2007. [2]慈溪市农业地质环境调查与绿色农产品基地评价[R].浙江省国土资源厅,2004. -I3] 浙江省农业地质环境调查报告[R].浙江省国土资源厅,2005. [4]刘英俊,等.地球化学[M].北京:科学出版社,1976:78—102. [5]扬忠芳,朱立,陈岳龙.现代环境地球化学[M].北京:地质出版社(北京),1999:181—185. [6] 丁桑岚.环境评价概论[M].北京:化学工业出版社,2001:98—101. Study on land quality geochemical assessment methods: Taking Cixi City as an example LIU Jun—bao,HUANG Chun—lei,CEN Jing,ZHANG Zhi—fang (Zh#iang institute of geological survey,Hangzhou,311203,China) Abstract The study on geochemical methods to assess the land quality of Cixi City by using of level analysis,factor analysis and expert scoring and the comparison of the three methods show that the level analysis and factor analysis are more suitable for the general assess— ment of land quality,while expert scoring is more suitable for the geochemical assessment of polluted land quality.The approach of preferable program suitable for land quality as— sessment may provide a scientific basis for ecological management of land quality and ratio— nal planning of land use. Key words:Cixi City;land quality;geochemical assessment;AHP;factor analysis; expert scoring 

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