基于GWRK的富硒區(qū)表層土壤鎘含量預(yù)測(cè)及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃研究

基于GWRK的富硒區(qū)表層土壤鎘含量預(yù)測(cè)及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃研究基于GWRK的富硒區(qū)表層土壤鎘含量預(yù)測(cè)及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃研究

中圖分類號(hào)：S153.6+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0439-8114〔2022〕10-1832-07

DOI：10.14088/jki.issn0439-8114.2022.10.009

PredictionforCadmiuminSurfaceSoilandAgriculturalIndustrialPlanninginSeleniumEnrichedAreaBasedonGWRK

XIANGJian-qiao1，DAIYun-zhe2

〔1.HubeiSeleniumIndustrialResearchInstitute，Wuhan430034，China；

2.CollegeofPublicAdministration，ChinaUniversityofGeosciences〔Wuhan〕，Wuhan430074，China〕

Abstract：GeographicallyweightedregressionKriging〔GWRK〕modelandregressionKriging〔RK〕modelwereemployed.Onthebasisofsoilseleniumcontent，themodeltopredictthesoilcadmiumcontentwasconstructed，whichwasexploredthesoilcadmiumcontentpredictionmethodundertheconditionofonlyhavingsoilseleniumcontentdata.Andcadmiumpollutionpreventionandcontrolofriskassessmentandselenium-richagriculturalplanningwereexplored.Theresultsindicatedthat①Chaihuisqualifiedforestablishingseleniumindustryastheareaofselenium-richcultivatedlandreached5316.57hm2.②ThecadmiumbackgroundvalueinsoilfitstheclassⅡstandardofSoilEnvironmentalQualityStandardofChina，whichissafeforplantsandtheenvironment.③Thereexistssignificantpositivecorrelationbetweenseleniumcontentandcadmiumcontentinsoil.④GWRKmodelisqualifiedforpredictingcadmiumcontentinsoilbasedonthedataofseleniumcontentinsoil，andwhichismuchbetterthanRKdoes.⑤BothRKandGWRKmodelhaveasimilarissueofvaluerangeshrinkage，whichleadsthedeclineinsimulationaccuracy，andtheaccuracyofpredictionissignificantlyhigherinthevicinityofthemedian.Overall，GWRKmodelcouldbeusedforpredictingcadmiumcontentbasedonseleniumcontent，anddifferentplatingplansshouldbecarriedoutforcultivatedlandaccordingtothedifferentiationofseleniumcontentandcadmiumcontentinsoil.

Keywords：geographicallyweightedregressionKriging〔GWRK〕model；seleniumenrichment；cadmium；agriculturalindustrialplanning硒是人體和動(dòng)物必需的微量元素之一，而中國(guó)72%的地區(qū)屬于缺硒或低硒地區(qū)，2/3的人口存在不同程度的硒攝入缺乏，普遍存在潛在的健康危機(jī)[1]。富硒食品具有提高人體免疫力、預(yù)防各種疾病的作用，而富硒土壤是開(kāi)發(fā)富硒農(nóng)產(chǎn)品的天然載體[2]，因此，科學(xué)合理利用富硒土壤資源，是提高富硒農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的主要途徑。鎘是一種非必需且生物毒性極強(qiáng)的重金屬元素[3]，土壤中自然存在的鎘一般不會(huì)對(duì)人類造成危害，但長(zhǎng)期大量攝入鎘會(huì)影響鈣和磷的代謝，誘發(fā)骨質(zhì)疏松等疾病[4]。

富硒土壤往往伴生重金屬[5]，而硒對(duì)金屬元素具有較強(qiáng)的親和能力，可能會(huì)影響到重金屬在土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)中的分布和富集轉(zhuǎn)移性[6]，富硒區(qū)農(nóng)業(yè)規(guī)劃中應(yīng)當(dāng)高度關(guān)注重金屬污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)。土壤樣品多因子的檢測(cè)工作會(huì)大量增加財(cái)力、人力和時(shí)間上的耗費(fèi)。在完成土樣硒含量的測(cè)定之后，如果能夠利用硒含量的檢測(cè)結(jié)果直接對(duì)土壤鎘含量進(jìn)行到達(dá)一定精度的預(yù)測(cè)，將能在不增加財(cái)力、人力和時(shí)間本錢的情況下完成富硒地區(qū)鎘含量評(píng)估以及響應(yīng)農(nóng)業(yè)規(guī)劃策略的研究工作。因此，本研究基于回歸克里格〔RK〕和地理加權(quán)回歸克里格〔GWRK〕兩種辦法，分別以土壤硒含量為根底，對(duì)土壤鎘含量進(jìn)行預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建，探索在只具備土壤硒含量數(shù)據(jù)的條件下進(jìn)行土壤鎘含量預(yù)測(cè)的辦法，以及鎘污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估防治和富硒農(nóng)業(yè)規(guī)劃等。

1研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1研究區(qū)概況

柴湖鎮(zhèn)位于湖北省鐘祥市南20km，地處江漢平原，漢江由北繞西南環(huán)抱柴湖。研究區(qū)位于漢水以西主要的生產(chǎn)生活區(qū)域，面積為18575.94hm2。柴湖鎮(zhèn)地質(zhì)分布屬江漢平原一級(jí)沉降區(qū)晚近期構(gòu)造帶。由于受漢江上游的砂巖、頁(yè)巖、片麻巖等風(fēng)化物的影響，地層上部有灰青、灰黑色的亞黏土；下部為砂和砂礫石層，并夾有淤泥質(zhì)粉細(xì)沙和淤泥層。地貌為北高南低，海拔高程多在38～46m。柴湖《氣候?yàn)楸眮啛釒Ъ撅L(fēng)尚候，四季清楚，寒暖干濕較為明顯，雨量在時(shí)空分布上變差較大，并從南向北遞增。年平均氣溫16℃，年平均降雨量811.2mm。根據(jù)柴湖鎮(zhèn)第二次全國(guó)土地調(diào)查變更成果〔2022〕統(tǒng)計(jì)得出，區(qū)內(nèi)耕地面積為12284.13hm2，占全區(qū)總面積的66.13%，其中旱地11505.19hm2，水澆地6.83hm2，水田772.11hm2。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

依托湖北省“金土地〞項(xiàng)目――高規(guī)范根本農(nóng)田地球化學(xué)調(diào)查工程〔JTD20220101〕，于2022年5月在柴湖鎮(zhèn)采集表層土壤土樣共計(jì)1244份。在《樣的同時(shí)，以1980西安坐標(biāo)系〔西安大地原點(diǎn)〕作為記錄樣點(diǎn)的實(shí)際大地坐標(biāo)。土壤樣品采集完成后，送至土壤重構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，由專業(yè)檢測(cè)人員對(duì)土壤樣品進(jìn)行測(cè)試分析，得出土壤中各元素的化驗(yàn)數(shù)據(jù)，作為土壤硒含量和鎘含量評(píng)價(jià)及后續(xù)農(nóng)業(yè)規(guī)劃研究的根底數(shù)據(jù)。

對(duì)土壤樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。將有效土樣的土壤硒含量和土壤鎘含量與1990年全國(guó)土壤背景值[7]進(jìn)行比照，硒含量大于0.4mg/kg的樣品數(shù)量為616個(gè)，最大值為0.600mg/kg，最小值為0.170mg/kg，平均值為0.389mg/kg，明顯高于全國(guó)背景值，變異系數(shù)為19.36%，屬于低變異。鎘含量大于0.4mg/kg的樣品平均值為0.405mg/kg，變異系數(shù)為19.48%，屬于低變異。此外，硒和鎘樣品的峰度分別為2.742和3.172，表明察看量較為集中；兩者的偏度都較低，因此數(shù)據(jù)在后續(xù)的計(jì)算和應(yīng)用中無(wú)需進(jìn)行指數(shù)變換或Box-Cox變換。

依據(jù)GB15618-1995[8]，對(duì)柴湖鎮(zhèn)1244個(gè)土樣的鎘含量進(jìn)行測(cè)試，從表1可以看出，土壤鎘含量總體比1990年全國(guó)背景值略高，處在?土壤環(huán)境質(zhì)量規(guī)范》二級(jí)規(guī)范的范圍內(nèi)，可作為一般農(nóng)田、蔬菜地、茶園、果園、牧場(chǎng)等土壤，根本上對(duì)植物和環(huán)境不造成危害和污染。

2辦法

2.1回歸克里格〔RK〕

當(dāng)目標(biāo)變量與輔助變量有相關(guān)關(guān)系時(shí)，先建立目標(biāo)變量與環(huán)境變量的多元〔或一元〕回歸關(guān)系，并根據(jù)無(wú)數(shù)據(jù)位置0處環(huán)境變量的值和回歸關(guān)系推算x0處目標(biāo)變量確實(shí)定性趨勢(shì)項(xiàng)m〔x0〕和殘差e〔x0〕；最后由式〔1〕得到x0處的估計(jì)值z(mì)〔x0〕，計(jì)算公式如式〔1〕所示。

z〔x0〕=m〔x0〕+e〔x0〕〔1〕

2.2地理加權(quán)回歸克里格〔GWRK〕

回歸克里格〔RK〕使用的線性回歸辦法是基于普通最小二乘法〔Ordinaryleastsquares，OLS〕的全局回歸技術(shù)，沒(méi)有考慮到回歸關(guān)系的空間非平穩(wěn)性。而GWR是一種空間部分回歸辦法，可以用來(lái)探測(cè)和建?？臻g關(guān)系的非平穩(wěn)性[9]。地理加權(quán)回歸克里格〔GWRK〕那么是用GWR的部分回歸局部代替回歸克里格中的全局回歸局部，而殘差仍然采用克里格插值的一種混合插值辦法[10]，它將確定性和不確定性的兩個(gè)局部分開(kāi)進(jìn)行模擬，并且相較于回歸克里格辦法更加準(zhǔn)確高效[11]。它在普通線性回歸模型中增加了一個(gè)權(quán)函數(shù)。該函數(shù)僅考慮在特定空間鄰域范圍內(nèi)的樣點(diǎn)，待測(cè)點(diǎn)離樣點(diǎn)越近將被賦予更高的權(quán)重，反之權(quán)重較小[12]。GWR模型為：

式中，yi是因變量，xij是因子變量，？著i為誤差項(xiàng)；〔μi，vi〕為第i個(gè)樣點(diǎn)的坐標(biāo)；？茁k〔μi，vi〕是第i個(gè)樣點(diǎn)上的第k個(gè)回歸系數(shù)，是地理空間位置函數(shù)。

2.3半方差函數(shù)分析

半方差函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)解釋土壤理化性質(zhì)空間變異結(jié)構(gòu)的重要理論根底，包含3個(gè)主要參數(shù)：塊金值〔Nugget〕、變程〔Majorrange〕和基臺(tái)值〔Sill〕，其中變程反映土壤性質(zhì)的空間變異特性，在變程范圍外土壤性質(zhì)表現(xiàn)為空間不相關(guān)，在變程范圍內(nèi)表現(xiàn)為空間相關(guān)。塊金值是由測(cè)量誤差和最小取樣間距內(nèi)土壤性質(zhì)的隨機(jī)性因子〔耕作條件、施肥劑量與頻率、作物布局等〕引起?；_(tái)值反映因子區(qū)域化變量受結(jié)構(gòu)性因子〔地形、氣候、成土母質(zhì)、植被等〕影響的程度。土壤性質(zhì)的空間相關(guān)性可根據(jù)塊金值與基臺(tái)值之比C0/C進(jìn)行劃分[13]，C0/C值越低，那么表明因子的空間相關(guān)性越強(qiáng)烈[14]：①當(dāng)C0/C≤25%時(shí)，因子在其最大變程范圍內(nèi)具有十分強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，結(jié)構(gòu)性因素是主導(dǎo)空間變異大小程度的主要因素；②當(dāng)25%2.4模型擬合精度評(píng)價(jià)

對(duì)模型預(yù)測(cè)精度的評(píng)價(jià)一般有R2、MEE、MAEE、RMSE、RPD等指標(biāo)[10，16，17]，計(jì)算公式見(jiàn)式〔3〕至式〔7〕。

從表3中MEE、MAEE和RMSE這幾個(gè)指標(biāo)來(lái)看，RK和GWRK的預(yù)測(cè)結(jié)果都有一定的偏差。就MEE而言，RK小于GWRK，表明檢測(cè)值在RK擬合模型的兩側(cè)分布更為均勻，而在GWRK模型的一側(cè)分布更多。GWRK的MAEE和RMSE都比RK小，說(shuō)明檢測(cè)值更加接近GWRK模型。RK模型的R2為0.56，在模型質(zhì)量中等的范疇中精度相對(duì)較差，而GWRK模型的R2為0.76，雖然質(zhì)量也是中等水平，但明顯高于RK模型，已經(jīng)接近高質(zhì)量模型R2≥0.80的規(guī)范。另外，RK模型的RPD低于1.4，擬合精度較差，GWRK模型的RPD=1.717，處于中高水平。綜上所述，GWRK辦法明顯優(yōu)于RK辦法，且預(yù)測(cè)的結(jié)果是有效而可靠的。

3結(jié)果與分析

3.1土壤硒分布情況及評(píng)價(jià)

李家熙等[18]將土壤硒含量分為缺硒土壤〔3.0mg/kg〕，并以土壤硒含量低于0.05mg/kg為臨界值，表示《《植物性飼料硒含量低于0.05mg/kg時(shí)，可引動(dòng)員物缺硒的相關(guān)病癥。依據(jù)此規(guī)范對(duì)柴湖鎮(zhèn)土壤富硒研究的指標(biāo)同樣分為5級(jí)。土壤硒含量分布如圖1所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，硒含量為0.4～3.0mg/kg的比例到達(dá)樣品總量的49.60%；含量在0.2～0.4mg/kg之間的樣品所占比例最大，占樣品總量的50.40%。說(shuō)明柴湖鎮(zhèn)土壤硒含量以中硒為主，同時(shí)具有規(guī)?？捎^的富硒土壤。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)不同硒含量的土地面積可得出，富硒區(qū)總面積到達(dá)6869.90hm2，占研究區(qū)土地面積的36.98%，其中耕地面積為5316.57hm2。主要分布在柴湖鎮(zhèn)的中北部和南部。柴湖鎮(zhèn)富硒區(qū)土壤含硒量平均為0.45mg/kg，與國(guó)內(nèi)其他富硒地區(qū)相比，屬于足硒或中等富硒的水平[1]，具備富硒農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)建設(shè)的條件。

3.2土壤鎘分布預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)

參照國(guó)家環(huán)境愛(ài)護(hù)局1995年公布的國(guó)家規(guī)范?土壤環(huán)境質(zhì)量規(guī)范》，將土壤鎘含量分為Ⅰ類〔0～0.2mg/kg〕、Ⅱ類〔0.2～1.0mg/kg〕、Ⅲ類〔1.0～1.5mg/kg〕三個(gè)類別[8]。Ⅰ類主要適用于國(guó)家規(guī)定的自然愛(ài)護(hù)區(qū)〔原有背景重金屬含量高的除外〕、集中式生活飲用水源地、茶園、牧場(chǎng)和其他愛(ài)護(hù)地區(qū)的土壤，土壤質(zhì)量根本保持自然背景水平。Ⅱ類主要適用于一般農(nóng)田、蔬菜地、茶園、果園、牧場(chǎng)等土壤，土壤質(zhì)量根本對(duì)植物和環(huán)境不造成危害和污染。Ⅲ類主要適用于林地土壤及污染物容量較大的高背景值土壤和礦產(chǎn)附近等地的農(nóng)田土壤〔蔬菜地除外〕，土壤質(zhì)量根本對(duì)植物和環(huán)境不造成危害和污染。土壤鎘含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，土壤鎘含量為Ⅰ類的樣品僅有11個(gè)，比例為樣品總量的0.884%；絕大局部樣品〔1233個(gè)〕的鎘含量在0.2～1.0mg/kg之間，等級(jí)為Ⅱ類，平均值為0.405mg/kg，占樣品總量的99.116%。研究區(qū)全部表層土壤的鎘元素含量均為0.2～1.0mg/kg，柴湖鎮(zhèn)土壤鎘含量根本為Ⅱ類，合乎農(nóng)作物種植和供應(yīng)畜牧養(yǎng)殖的牧草生長(zhǎng)的土壤條件，對(duì)植物和環(huán)境不會(huì)造成污染和危害。

根據(jù)RK和GWRK的預(yù)測(cè)值進(jìn)行克里格插值得到的土壤鎘含量分布見(jiàn)圖2。圖2顯示的值域均存在縮短的現(xiàn)象，RK的預(yù)測(cè)結(jié)果相較于檢測(cè)值而言值域明顯縮短，從[0.248，0.588]縮短到[0.280，0.502]，相比而言，GWRK預(yù)測(cè)結(jié)果的值域那么沒(méi)有明顯變化，僅縮短為[0.244，0.540]。按每隔0.1mg/kg為一個(gè)區(qū)間統(tǒng)計(jì)，RK對(duì)土壤鎘含量面積分布的預(yù)測(cè)正確率為75%。其中，利用檢測(cè)值對(duì)土壤鎘含量0.5mg/kg的區(qū)域面積為534.24hm2，RK的預(yù)測(cè)結(jié)果中那么沒(méi)有面積分布，預(yù)測(cè)正確率為0〔表6〕。

相比RK，GWRK的預(yù)測(cè)精度要高出很多，合計(jì)預(yù)測(cè)正確率到達(dá)89%。其中，土壤鎘含量0.5mg/kg的區(qū)域預(yù)測(cè)面積為329.99hm2，重合區(qū)域面積為301.36hm2，預(yù)測(cè)正確率為56%〔表7〕。

總體來(lái)說(shuō)，無(wú)論是采用RK辦法還是GWRK辦法，都表現(xiàn)出在檢測(cè)值域中部預(yù)測(cè)精度較高，而在檢測(cè)值域兩側(cè)預(yù)測(cè)精度較低的趨勢(shì)，這是由于處于正態(tài)分布兩側(cè)的樣點(diǎn)距離擬合的函數(shù)較遠(yuǎn)造成的。各含量梯度的面積分布預(yù)測(cè)結(jié)果也顯示出GWRK優(yōu)于RK，這與之前兩種辦法的評(píng)價(jià)結(jié)果是一致的。3.3耕地利用分區(qū)

由于GWRK辦法的精度高于RK辦法，且本研究的重點(diǎn)是在有土壤硒含量數(shù)據(jù)而短少鎘含量數(shù)據(jù)的情況下的農(nóng)業(yè)規(guī)劃，因此，耕地等別的區(qū)劃基于GWRK辦法獲得的土壤鎘含量分布情況見(jiàn)圖3。

耕地資源利用的合理性是由多方面因素共同決定的，針對(duì)不同區(qū)域土壤硒和鎘的含量，需要采取不同的耕地利用策略。低于0.4mg/kg的土壤鎘含量的耕地在?土壤環(huán)境質(zhì)量規(guī)范》中屬于Ⅱ類規(guī)范下含量偏低的區(qū)域，通過(guò)合理的農(nóng)業(yè)項(xiàng)目措施可以在一定程度上降低土壤鎘含量，甚至有可能使局部耕地的鎘含量降低到0.2mg/kg下列，從而成為合乎Ⅰ規(guī)范的高質(zhì)量耕地。結(jié)合柴湖鎮(zhèn)種植小麥、油菜、麥冬、花生、棉花、大蒜等作物的《r業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和土壤硒、鎘的分布情況，將耕地劃分為三類：鎘含量較低且非富硒的耕地、富硒耕地、其他耕地，結(jié)果見(jiàn)表8，分別采取不同的規(guī)劃管理方式。

1〕鎘含量較低〔2〕富硒〔>0.4mg/kg〕耕地面積到達(dá)5316.57hm2，是開(kāi)展富硒農(nóng)業(yè)的根基所在。有研究說(shuō)明，鄂西南高鎘環(huán)境同時(shí)又高硒，使得鎘的毒性大為減小，至今未見(jiàn)鎘中毒的報(bào)道[20]。這是由于硒具有一定的解毒作用，硒拮抗鎘毒性的作用可能與形成Se-Cd復(fù)合物有關(guān)[21]。研究區(qū)土壤硒和鎘的含量都遠(yuǎn)低于鄂西南地區(qū)，Ⅱ類的土壤鎘含量使生產(chǎn)出的農(nóng)作物導(dǎo)致食用者發(fā)生鎘中毒的概率幾乎可忽略不計(jì)，因此，可以平安地開(kāi)展富硒農(nóng)業(yè)。一般情況下，富硒農(nóng)產(chǎn)品較常規(guī)農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格至少高出1倍[22]，結(jié)合柴湖鎮(zhèn)目前的農(nóng)作物種植情況，著力開(kāi)展富硒水稻、小麥、大蒜、花生和麥冬生產(chǎn)基地。其中，大蒜具有比其他絕大局部作物更強(qiáng)的聚硒