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基于GIS的唐山地区土壤肥力现状调查与分析

2020-07-27 发布
首页 / 毕业论文 454 0 0

chenxueze123

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0引言
土壤肥力是指土壤中的养分对特定植物的供应能力,以及供应植物环境条件的综合体[1]。土壤肥力是衡量土壤对农作物各种养分供应能力的重要数据,也是土壤肥沃程度的重要指标。土壤肥沃程度直接影响农作物的生长状况及其产量的高低,进而影响到我国农业的可持续发展[2]。通过对土壤肥力现状的研究对科学指导施肥,提高土壤环境质量具有重要的指导意义。当前的研究中主要是对土壤肥力的现状[3-5]、土壤施肥建议[6]、土壤肥力综合评价[7-9]、土壤肥力与农作物产量之间的关系[10,11]等方面进行研究,对土壤肥力的空间分布情况,对土壤肥力进行分等定级的研究相对较少。地理信息系统(Geographic Information System,GIS)是集属性信息和空间信息编辑、存储、分析、处理与一体技术系统。强大的空间数据处理功能,独特的地图视觉化效果和地理分析功能,结合计算机软件和硬件的支持,使得GIS技术被广泛应用与各个领域。近年来,随着GIS技术的不断发展,将GIS技术应用到土壤肥力的监测过程中,通过GIS技术强大的空间数据分析、处理及可视化功能,对土壤肥力信息进行储存和编辑,同时还可以通过其强大的空间数据信息分析功能直观地展示研究区土壤肥力的时空动态变化,从而为土壤肥力进行实时监控,也为科学施肥、农业可持续发展提供重要依据。
1研究区域概况与数据源
1.1研究区域概况
唐山位于河北省东部,属暖温带半湿润季风型大陆性气候。唐山市土地总面积约142.86万公顷。农用地约88.73万公顷,其中耕地57.05万公顷,约占64.30%,所占比重最大,园地12.78万公顷,约占14.40%,牧草地7.49万公顷,约占8.44%,林地11.41万公顷,约占12.86%,森林覆盖率31.75%。 2016年,我市粮食亩产425.3公斤,增长2.3%。蔬菜播种面积19.0万公顷,产量1466.9万吨,增长1.0%。肉类产量75.8万吨包括猪、牛、羊,比2015年增长2.3%。禽蛋产量38.1万吨,增长2.3%。种植业和畜牧业的迅速发展与增长,导致我市的农药化肥以及畜禽粪便等污染问题也越来越严重。
1.2数据来源
本文的研究数据主要来自唐山市11个区县共计152个采样点的土壤。利用专家咨询法,选择了测定土壤中的有机质、碱解氮、速效磷、速效钾,以及土壤PH值对唐山地区农业面源污染进行分析。采用0.5M碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定土壤中速效磷,利用重铬酸钾法测定土壤中有机质含量,采用扩散法测定土壤中氮的含量,采用火焰光度计测定土壤中速效钾含量。运用ArcGIS10.4软件进行空间数据表达与专题图绘制,同时进行空间数据处理与存储。
2土壤肥力分等定级方法
2.1指标体系及权重的确定
选择土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾四个指标建立土壤肥力综合指标体系,采用主客观综合赋权法,确定评价指标的权重如表1所示:
表1土壤肥力综合指标体系
指标体系
权重
有机质
0.3
碱解氮
0.25
速效磷
0.25
速效钾
0.2
2.2评价指标分值的计算及标准化
由于土壤肥力指标不同,取值范围相差很大,量纲也不一致,不可以直接进行比较。因此要进行数据的标准化。数据的标准化是为了使各指标原始数据具有可比性,消除量纲差别,使得各指标值取值范围标准化为01[12]。对各个指标的标准化处理主要有极差标准化,百分比标准化,以及分级给分法[13]。碱解氮、速效磷采用分级给分法。土壤有机质含量、土壤速效钾含量采用极差标准化,以土壤速效磷含量、碱解氮含量为例:
土壤有机质含量
土壤有机质是土壤肥力的标志性物质,不但含有植物生长所需要的各种营养物质,还可以调节土壤。
file:///C:\Users\ying\AppData\Local\Temp\ksohtml588\wps1.png          1
式中的file:///C:\Users\ying\AppData\Local\Temp\ksohtml588\wps2.png为土壤有机质含量分值,file:///C:\Users\ying\AppData\Local\Temp\ksohtml588\wps3.png为土壤中有机质含量,单位为g/kg
土壤碱解氮含量
土壤中碱解氮的含量能反映出土壤近期内氮素供应情况,对了解土壤的供氮能力,科学指导合理施肥具有重要意义。
项目
单位
评分标准
养分指标
评分
极高
极低
碱解氮
N
mg/kg
120
120-90
90-60
60-45
45
分值
1
0.8
0.6
0.4
0.2
速效磷
P
mg/kg
90
90-60
60-30
30-15
15
分值
1
0.8
0.6
0.4
0.2
指标数值分级区间的分界点包含关系均为下(限)含上(限)不含,例如碱解氮“高”等级中,“120-90”表示“大于或等于90,且小于120的区间值”,其他类同。
唐山市各个区县土壤肥力指标分值计算结果如下:
区县
碱解氮
速效磷
速效钾
有机质
迁西县
0.2
0.6
0.57
0.47
遵化市
0.2
0.8
0.67
0.44
迁安市
0.2
1
1.00
0.42
丰润区
0.2
0.8
0.27
0.16
滦县
0.2
0.4
0.30
0.00
玉田县
0.6
0.6
0.45
0.69
市区
0.2
0.4
0.35
0.61
滦南县
0.2
0.2
0.00
0.25
丰南区
0.2
0.4
0.56
1.00
曹妃甸区
0.2
1
0.90
0.39
乐亭县
0.2
0.8
0.79
0.35
从表中数据可以看出来,唐山市各个区县土壤肥力中碱解氮、速效磷、速效钾、以及有机质含量的分值。碱解氮含量各区县相差不大,只有玉田的碱解氮分值最高,说明玉田县土壤中氮素的供应能力较好,土地较为肥沃。而土壤中速效磷的含量分值在曹妃甸区以及迁安市都达到了1,说明这个两个区县土壤中磷的含量较高,通过土壤中速效磷的含量可以间接指导科学施肥。
2.3唐山市土壤综合养分指数计算
   本次研究以唐山为例,计算每个土壤采样点地块的养分综合指数,采用加法模型:
  file:///C:\Users\ying\AppData\Local\Temp\ksohtml588\wps4.png  
式中:file:///C:\Users\ying\AppData\Local\Temp\ksohtml588\wps5.png表示土壤养分综合指数,file:///C:\Users\ying\AppData\Local\Temp\ksohtml588\wps6.png为土壤的第file:///C:\Users\ying\AppData\Local\Temp\ksohtml588\wps7.png个指标分值,file:///C:\Users\ying\AppData\Local\Temp\ksohtml588\wps8.png为第file:///C:\Users\ying\AppData\Local\Temp\ksohtml588\wps9.png个指标的权重值。
按着上述公式进行计算,可以得到唐山市土壤肥力综合值,如图1所示,从图中可以看出在唐山市11个区县中,土壤肥力综合值最高的为迁安市,达到0.62,而土壤肥力最低的区县为滦南县,土壤肥力综合值为0.18,滦南县虽然属于平原地貌,但是其平原地貌主要有洪冲击地貌、冲击平原,这两种地貌导致滦南县土壤成为多为细砂、中砂;同时还是海积平原,土壤为粘土质砂和砂质粘土,另外还有一大部分为地震地貌,这些地貌影响了土壤的肥力水平。
file:///C:\Users\ying\AppData\Local\Temp\ksohtml588\wps10.jpg
图1 唐山市土壤肥力综合值
3唐山地区土壤肥力分级
利用ArcGIS10中的专题图制作功能,将唐山市各区县的土壤中的碱解氮、速效磷、速效钾以及有机质分值进行空间展示与表达。从唐山市各区县土壤各指标分值比例专题图中,可以看出土壤有机质在唐山的西南部地区分值较高,主要原因为唐山全境主要地貌为山地、平原。大致以玉田、丰润、滦县3县县城连线为界,以北为山地、丘陵区,面积约占全市总面积的35%,以南为平原区,面积约占全市总面积的65%。从实验结果中可以看出,唐山北部地区土壤中速效磷的分值并不低,有些地区土壤中速效磷的含量较南部地区还高,其主要是由于土壤中速效磷的含量受肥料影响较大,过度施用磷肥导致土壤中速效磷含量较高,要科学合理对土壤进行施肥,过量过度施用肥料,不但不会使土壤的综合肥力上升,反而造成土壤的面源污染情况加剧。
从唐山市各区县土壤综合指数分值专题图中可以看出,唐山市中部、东部地区土壤综合指数分值较低,而南部、西部土壤综合指数分值较高。土壤中综合指数分值越高,其土壤肥力越好,土壤肥沃,能够为各种农作物提供足够的养料。近年来,由于各种工矿企业的增加,城市用地、城市人口的增加,导致唐山市耕地面积逐年的减少,城市生活垃圾的不断增加,对畜禽蛋的需求加剧,刺激畜禽养殖场的增多,同时也带来了畜禽粪便等土壤污染物对土壤的污染,以及农民过度对粮食产量的追求,盲目施肥,也是导致土壤综合指数分值降低,土壤肥力降低的又一原因。
  file:///C:\Users\ying\AppData\Local\Temp\ksohtml588\wps11.pngfile:///C:\Users\ying\AppData\Local\Temp\ksohtml588\wps12.png
4结论与讨论
土壤是农业可持续发展的物质基础,是农业发展的最基本的生产资料,而土壤肥力能够直接影响土壤对农作供给能力。因此对土壤综合肥力的研究,不仅有利于提高农作物单位面积产量,同时也有利于科学合理施肥。因此本文通过对唐山地区11个区县的152个土壤采样点进行采样,对土壤中有机质、速效磷、速效钾、碱解氮的含量进行测定,通过专家对各个土壤肥力因子进行赋权,对土壤个因子通过分级给分以及极差标准化消除各土壤因子进行归一化处理,同时计算土壤综合养分指数,利用ArcGIS10将土壤各肥力指标分值以及土壤综合养分分值进行专题图制作,将土壤肥力指标分值以及土壤综合养分分值进行空间表达。通过研究可以得出,唐山地区西南部、西北部各区县,主要包括迁西县、遵化市、丰南区、玉田县、曹妃甸地区的土壤肥力值较高,土壤综合养分分值较高,而中东部地区土壤综合养分分值较低。

5参考文献
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