杨亚芳，何 杰，杨昊鑫，刘振沧

（1.宁夏大学 资源环境学院，宁夏 银川 750001；2.中宁县农业农村局，宁夏 中卫 755000）

0 引 言

土壤是一种非再生资源，是人类生存和发展的物质基础[1⁃2]。土壤质量一直是影响我国生态安全、关乎国家持续、健康发展的重大问题[3]。随着社会经济的发展，对土壤质量缺乏了解会导致农作物品质和产量下降，出现土壤退化及污染等严重现象[4]。因此，亟需对土壤质量进行整体性调研和评价，并采取适宜的调控措施，了解土壤质量现状、改善土壤质量及保护土壤环境已迫在眉睫。近年来，GIS技术、模糊数学、地统计学等数理统计方法在土壤质量评价中的应用广泛，并且取得了显著成果[5⁃6]。胡 锋 等 采 用Microsoft Visual Studio.Net 2008（.NET）为平台，ArcGIS Engine 9.3为开发工具，设计和开发了土壤污染评价管理信息系统，提高了土壤污染评价与管理的质量和效率[7]。兰红等基于.NET平台，通过Python构建BP神经网络回归模型，实现了土壤中氮元素含量预测，并使用反距离加权插值算法和趋势面插值算法生成氮肥空间分布图[8]。李笑诺等提出基于评价指标的安全系数核算方法，并以北京市建设用地为例对土壤重金属环境承载力定量评价进行测试，验证评价指标体系与方法的科学可行性[9]。苗德强通过GIS嵌入式二次开发，设计并实现了基于.NET平台和ArcGIS Engine的土壤污染预警系统，提高我国在土壤数据处理的综合分析及利用等方面的能力[10]。

鉴于现有对土壤质量评价的研究大部分都在土壤重金属的预测预警方向，对肥力指数和重金属含量综合评价的系统较少，且系统中评价方法模型选择的是单因子指标评价法或内梅罗指数法。因此，本文以土壤指标因子为研究对象，基于.NET平台，使用C#语言，将ArcGIS Engine组件与基于内梅罗综合污染指数的加权综合污染指数法（N⁃PI）相结合，利用克里金插值法进行因子空间分布趋势分析，并对图层进行制图输出。通过系统能够对土壤资源进行高效的宏观调节，及时处理更新土壤资源信息，并对区域土壤资源进行综合评价，为土壤资源的可持续利用及精准管理提供一定理论及技术支撑。

1 模型设计

1.1 空间分布模型

克里金插值（Kriging）是一种典型的地统计学算法，被广泛应用于地理科学、环境科学、大气科学等领域[11⁃12]。普通克里金法是克里金方法中最常用的方法之一，该方法假设条件较少，参数计算比较简单，计算公式为：

式中：Z*(X0)为估算样点土壤质量的预测值；λi为参与插值的样点对估算点土壤质量的权重；Xi为实测样点位置；Z(xi)表示采样点的实测值。

1.2 质量评价模型

在文献[13⁃14]人对内梅罗污染指数研究的基础上进行改进，得到基于内梅罗综合污染指数的加权综合污染指数法（N⁃PI），评价模型中分别计算对土壤有正效应的土壤指标（土壤肥力指标）的综合质量指数及对土壤有负效应的土壤指标（土壤污染物）的综合质量指数，采用加权求和的方法最终求得土壤质量综合指数，计算公式为：

式中SFI及PI的计算公式如下：

式中：SFI为土壤肥力指数；Si为第i个因子的土壤肥力实测值；S1为指标因子的土壤环境标准；PI为重金属等质量指数；Ci为第i个因子的土壤污染物实测值；C1为国家土壤环境质量标准中指标因子的标准值；SFIMin为SFI最小值，SFIAve为SFI均值，n为被综合的因子个数。

N⁃PI评价法的结果评价标准指标参照土壤综合污染指数的评价指标制定，如表1所示。

表1 N⁃PI结果评价指标

2 系统设计

2.1 系统概要设计

土壤空间分布及质量评价系统采用Client/Server架构，如图1所示，大部分工作在客户端处理后再被提交给服务器，充分发挥客户端PC的处理能力优势，减轻应用服务器运行数据负荷，加快客户端响应速度，使数据的储存管理功能较为透明。

图1 系统架构设计

桌面GIS客户端运用ArcGIS Engine组件及C#语言实现系统功能模块，客户端后台以空间数据库和属性数据库为支撑，完成数据的更新与存储。

2.2 主要功能模块设计

1）空间分析模块：主要对土壤采样指标因子的分布趋势进行分析及可视化表达，调用IRasterAnalysisEnvironment、 IFeatureClassDescriptor、IInterpolationOp3、IExtractionOp等接口中定义的方法，利用克里金插值法将区域内土壤采样离散点的数据算法转换为连续的数据曲面，并对结果进行渲染，直观形象地表示区域内采样因子的分布状况。

2）土壤质量评价模块：评价功能是该系统的核心功能之一，该模块中调用IFeature、IFields、IFieldEdit、IDataStatistics及IClassBreaksRendere等接口构建N⁃PI评价模型，用户在使用时只需选择要评价的土壤数据图层及字段，系统即可执行操作并完成评价，极大地简化了操作步骤，为用户提供了便利。

3 软件系统实现

3.1 研究区概况及数据处理

3.1.1 研究区概况

系统中所选取的研究区是宁夏地区（35°14′~39°23′N，104°17′~107°39′E），处于中国西北部的黄河中上游地区，属温带大陆性干旱、半干旱气候，海拔1 100～1 200 m，年均降水量为150～600 mm，年均水面蒸发量为1 250 mm，变幅在800～1 600 mm，全年日照时数为3 000 h，无霜期150天左右，日照和太阳辐射较为充足[15]。本文中的土壤数据采自宁夏区域内14个市县，涉及31个乡镇，共142个土壤采样点。

3.1.2 数据处理

将土壤样品过筛，测定pH、EC、有机质、速效钾、速效磷、速效氮、全氮等土壤肥力指标含量，以及Cu、Cr、Zn、Pb等重金属含量。录入土壤指标含量及GPS数据，并生成Excel文档，将数据提取生成样点shape图层。

3.2 空间分析

用户选择并单击“克里金插值法”按钮，系统自动执行，对生成的图层分级渲染，渲染后的图层可将区域内土壤因子的分布状况可视化。本次测试中选择对采样点的土壤综合肥力值进行插值，测试结果如图2所示。

图2 克里金插值法结果分布图

从插值结果可看出，宁夏土壤综合肥力分布不均，中部地区综合肥力指数≤1.0，综合肥力较低；北部地区及盐池县综合肥力指数介于1.0~1.5，综合肥力较高。宁夏土壤质量总体处于中等水平。

3.3 土壤质量评价

土壤质量评价模块是系统的核心功能之一，测试中选取“zhongjinshu”图层，拉框选取所要进行评价的字段，如“铜a”。系统根据编写的算法调用数据库中储存的数据信息执行操作，计算该土壤因子的内梅罗指数，将计算出来的数值与国家土壤环境质量标准分级指标进行对比，判断所选土壤因子的质量等级，如计算铜a的内梅罗指数为0.37，在分级指标中<0.7，即质量等级为清洁，如图3所示。

图3 土壤重金属质量评价

单击菜单栏中土壤质量评价按钮，系统运行计算模型得出N⁃PI指标，根据N⁃PI评价法的结果评价标准评定质量等级。如图4所示，宁夏土壤N⁃PI计算结果指标为0.41，土地质量为优。

图4 N⁃PI土壤质量评价窗体

4 结 语

本文设计实现了集插值分析与土壤质量评价等功能于一体的土壤空间分布及质量评价系统。运用宁夏区域土壤采样数据进行系统测试，系统各功能工作状态及运行结果良好。运用克里金插值法生成的土壤因子插值分布图将因子分布状况可视化，为用户及相关工作部门的决策提供了参考与借鉴。

系统中土壤质量评价采用的模型是基于内梅罗综合污染指数的加权综合污染指数法，由于区域之间存在的差异性，以及土壤类型、采样范围以及数据采集持续时间的不同，通过不同评价方法所计算出的结果存在很大差异。今后将对算法模型做进一步研究，尝试利用多种不同的评价方法进行计算，以便提高结果精度。