不同玉米種植土屬養(yǎng)分的模糊聚類評(píng)價(jià)

摘要：為玉米種植土壤養(yǎng)分管理提供科學(xué)的理論依據(jù)，以山西省晉中市和順縣玉米種植土壤為研究對(duì)象，基于對(duì)其不同土屬耕層土壤（0～20 cm）有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量的分析數(shù)據(jù)，利用模糊聚類法對(duì)其養(yǎng)分適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，明確不同玉米種植土屬養(yǎng)分的限制性因素。結(jié)果表明，基于模糊聚類理論的不同玉米種植土屬土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)方法獲得了較好的評(píng)價(jià)結(jié)果，評(píng)價(jià)對(duì)象的最佳分類數(shù)為4，地理空間上土壤隸屬關(guān)系相對(duì)明確，可用于實(shí)施平衡施肥推薦。

關(guān)鍵詞：玉米種植土壤；土屬；模糊聚類評(píng)價(jià)；山西省晉中市和順縣

中圖分類號(hào)：S159.2，S11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）03-0621-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.03.018

Abstract：In order to provide theoretical basis for nutrient management of corn planting soil， taking the corn planting soil of Heshun county in Jinzhong of Shanxi as the research object，and based on the data analysis for content of organic matter，total nitrogen，rapidly available phosphorus and rapidly available potassium of different soil genus topsoil （0～20 cm），the suitability of corn planting soil was evaluated by using the fuzzy clustering method to define the factors limiting the nutrient of different corn planting soil genus. The Results showed that the fuzzy clustering method-based evaluation on nutrient of different corn planting soil genus obtained a better outcome，the optimal class number of its evaluation object was 4，and the soil subordinate relations in geography space were relatively clear，which can be usable for the recommendation of balanced fertilizer application.

Key words：corn planting soil； soil genus；the fuzzy clustering evaluation；Heshun county in Jinzhong of Shanxi

種植、養(yǎng)殖業(yè)是山西省晉中市和順縣農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，玉米種植既是種植業(yè)的主要品種，又是養(yǎng)殖業(yè)飼草料的重要來源。根據(jù)山西省第二次土壤普查，和順縣玉米種植土壤為鈣質(zhì)粗骨土、黃土質(zhì)褐土性土和砂泥質(zhì)褐土性土等15類土屬[1]，不同土屬養(yǎng)分含量差異很大。傳統(tǒng)的施肥策略往往是不加區(qū)分統(tǒng)一施肥，易造成資源浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境破壞。對(duì)不同土屬進(jìn)行土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)，可為該區(qū)域玉米種植的土壤適宜性做出定性、定量和定位的分析[2]，為有效施肥提供依據(jù)，對(duì)進(jìn)一步開發(fā)土地潛力、節(jié)約種植成本、提高玉米的產(chǎn)量和質(zhì)量有重要意義，對(duì)充分利用自然資源、促進(jìn)農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 土樣獲取

采樣區(qū)域?yàn)楹晚樋h縣域，全縣共有玉米種植土壤1.71萬hm2，根據(jù)和順縣土壤圖，結(jié)合山西省第二次土壤普查土種歸屬表，確定采樣點(diǎn)位，具體見表1。

采樣采用“S”形取樣方法，取樣深度為0～20 cm耕作層土壤，均勻隨機(jī)采樣，將同種土屬各樣品充分混合后四分法留取1 kg為1個(gè)土壤樣品，并裝到已標(biāo)識(shí)好樣本號(hào)的袋中。

1.2 聚類因子選取

影響玉米生長的土壤要素主要有大量元素、中量元素、微量元素及有機(jī)質(zhì)等，其中影響最顯著的為大量元素氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量[3]，土壤養(yǎng)分的調(diào)查分析針對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀等含量，選擇聚類因子來進(jìn)行相關(guān)的模糊聚類分析和評(píng)價(jià)。選取有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀4個(gè)土壤養(yǎng)分適宜性評(píng)價(jià)聚類因子。

1.3 土壤養(yǎng)分測(cè)定

對(duì)各樣本的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀進(jìn)行測(cè)定，有機(jī)質(zhì)采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法；全氮采用凱式蒸餾法；速效磷采用碳酸氫鈉或氟化銨-鹽酸浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀采用乙酸銨浸提-原子吸收分光光度計(jì)法。

1.4 模糊聚類分析

運(yùn)用模糊聚類分析方法，對(duì)采集土樣的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀等養(yǎng)分含量進(jìn)行分析。

1.4.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化[4]

1）原始數(shù)據(jù)矩陣。設(shè)論域U={xi1，xi2，…，xim}為被分類對(duì)象，每個(gè)對(duì)象有m個(gè)指標(biāo)表示其性狀，即xi={xi1，xi2，…，xim}，（i=1，2，…，n），于是，得到原始數(shù)據(jù)矩陣為x11 x12 … r1mr21 r22 … r2m■ ■ ？塤 ■rn1 rn2 … rnm，

式中xnm表示第n個(gè)分類對(duì)象的第m個(gè)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。為了使不同的量綱進(jìn)行比較，需要對(duì)數(shù)據(jù)做適當(dāng)?shù)淖儞Q。本研究的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，就是根據(jù)模糊矩陣的要求，將數(shù)據(jù)壓縮到區(qū)間[0，1]上。采用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化法：

1.4.3 建立模糊等價(jià)矩陣 用二次方法求R的傳遞閉包，即t（R）=R*。是將R自乘，得R2，再自乘，得R4，然后再自乘，如此下去，直至某一步出現(xiàn)Rn=R2n，得到一個(gè)模糊等價(jià)關(guān)系矩陣R#[6]。

1.4.4 聚類分析 就該模糊等價(jià)矩陣R#進(jìn)行聚類，置信度由大變小逐漸歸類，形成系統(tǒng)聚類樹，選擇最恰當(dāng)?shù)闹眯哦葮颖具M(jìn)行分類，并分析不同土壤的施肥原則。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣本土壤養(yǎng)分含量值

所測(cè)得各樣本土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀情況見表2。

2.2 樣本土壤養(yǎng)分含量聚類評(píng)價(jià)分析

對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變得標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，具體情況見表3。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，按計(jì)算得相關(guān)系數(shù)矩陣，具體見圖1。

該模糊相似矩陣R并不能滿足傳遞性，對(duì)其進(jìn)行改造。用傳遞閉包法改造后所得模糊等價(jià)矩陣見圖2。

取置信度0.68，得最終分類結(jié)果：{砂泥質(zhì)淋溶褐土}，{沖積潮土，鈣質(zhì)粗骨土，湖積潮土，黃土質(zhì)淋溶褐土，黃土狀石灰性褐土，灰泥質(zhì)褐土性土，砂泥質(zhì)褐土性土，砂泥質(zhì)中性粗骨土}，{溝淤褐土性土，紅黃土質(zhì)褐土性土，黃土質(zhì)褐土性土}， {黑壚土質(zhì)褐土性土，硫酸鹽鹽化潮土，麻砂質(zhì)褐土性土}。

2.3 聚類評(píng)價(jià)和建議

按照土壤養(yǎng)分豐缺將土壤分為6級(jí)，具體見表4。

對(duì)照表4，和順縣玉米種植土壤可聚類為4類，不同聚類土屬的具體情況和施肥管理分析如下：

1）高產(chǎn)田：砂泥質(zhì)淋溶褐土屬于玉米種植高產(chǎn)田，土壤各養(yǎng)分含量高，滿足玉米生長所需，在后續(xù)種植過程中只需依據(jù)玉米產(chǎn)量及其生長各階段所需養(yǎng)分需求合理均衡施肥即可，可適當(dāng)加施氮肥。

2）中產(chǎn)田一：沖積潮土、鈣質(zhì)粗骨土、湖積潮土、黃土質(zhì)淋溶褐土、黃土狀石灰性褐土、灰泥質(zhì)褐土性土、砂泥質(zhì)褐土性土、砂泥質(zhì)中性粗骨土8類土屬為一大類，該類土壤養(yǎng)分含量較高、速效磷和速效鉀存在不同程度的缺乏，屬玉米種植中產(chǎn)田，注意在種植玉米的過程中根據(jù)玉米產(chǎn)量及各生長期所需元素的量合理補(bǔ)充磷肥和鉀肥。

3）中產(chǎn)田二：溝淤褐土性土、紅黃土質(zhì)褐土性土、黃土質(zhì)褐土性土屬于玉米種植中產(chǎn)田。土壤中有機(jī)質(zhì)和氮元素含量偏少，施肥工作中需選用氮磷鉀比例適中的化肥，在合理施用磷肥和農(nóng)家肥的基礎(chǔ)上，注意補(bǔ)充含氮肥料。

（4）低產(chǎn)田：黑壚土質(zhì)褐土性土、硫酸鹽鹽化潮土、麻砂質(zhì)褐土性土屬于玉米種植低產(chǎn)田，該類土屬土壤4種養(yǎng)分均不同程度缺乏，且缺口數(shù)量較大，在施肥工作中，需大量補(bǔ)充氮肥、磷肥及鉀肥，加大各種肥料的施用量。

3 小結(jié)和討論

以玉米種植不同土屬土壤為研究對(duì)象，應(yīng)用模糊聚類評(píng)價(jià)方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)，構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)各土屬土壤進(jìn)行分類，得出各土屬養(yǎng)分對(duì)于玉米種植的適宜性。

通過評(píng)價(jià)將和順縣玉米種植土地分為4類，分別為1類高產(chǎn)田、2類中產(chǎn)田和1類低產(chǎn)田，結(jié)合所收集到的原始數(shù)據(jù)對(duì)各土屬養(yǎng)分進(jìn)行具體分析，以評(píng)價(jià)結(jié)果為依據(jù)提出合理的平衡施肥建議。受模型限制，只能得出各類土屬土壤養(yǎng)分的大概分類情況，無法定量地提出精確施肥建議，在以后的研究中應(yīng)著重于這一方面，更好地為農(nóng)民種植工作提供科學(xué)施肥依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭國宏.晉中市土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化長期定位研究[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（7）：66-69.

[2] 于 勇，周大邁，王 紅，等.土地資源評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)因素權(quán)重的確定探析[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2006，14（2）：213-215.

[3] 楊奇勇，楊勁松，姚榮江，等.基于GIS的耕地土壤養(yǎng)分貧瘠化評(píng)價(jià)及其障礙因子分析[J].自然資源學(xué)報(bào)，2010，25（8）：1375-1383.

[4] 謝季堅(jiān)，劉承平.模糊數(shù)學(xué)方法及其應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001

[5] 張永利.基于貼近度的農(nóng)用地定級(jí)模糊聚類分析[J].廣東土地科學(xué)，2006，5（1）：42-45.

[6] 周德新，許國景，劉 濤.基于動(dòng)態(tài)模糊聚類分析的模糊集劃分新方法[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，5（1）：18-25.