集對分析法在貴州麻尾土壤養(yǎng)分評價中的應(yīng)用

趙松炎，胥思勤，彭剛毅

(貴州大學(xué) 國土資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

土壤是非常重要的自然資源，它包含植物生長所需的多種營養(yǎng)元素，土壤中營養(yǎng)元素的豐缺程度和賦存形態(tài)會直接影響農(nóng)作物的生長與產(chǎn)量[1]。有機質(zhì)、N、P、K等營養(yǎng)元素理化性質(zhì)是評價土壤營養(yǎng)狀況的幾個重要指標(biāo)。有機質(zhì)為植物生長全過程提供營養(yǎng)，其內(nèi)的酸性物質(zhì)還能影響土壤的透水性,促進農(nóng)作物吸收土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)；N、P、K元素對植物正常生長起著決定性作用，N和K元素對植物生長存在顯著影響，同時P元素對植物的抗性具有很大的增強作用[2-5]。

集對分析法由趙克勤在1989年在全國系統(tǒng)理論會議上提出的處理不確定系統(tǒng)及系統(tǒng)內(nèi)集合之間的相互作用的一種分析方法，該方法能夠?qū)?fù)雜的信息轉(zhuǎn)化成較為簡單、直觀的數(shù)字關(guān)系。目前該方法主要用于水質(zhì)評價以及工程安全評價。拜亞麗用該方法對涼市主要河段8個監(jiān)測斷面5項水質(zhì)指標(biāo)進行評價，得出的評價結(jié)果客觀、合理, 符合平?jīng)鍪袑嶋H情況[6]；潘爭偉等人對安徽省水資源環(huán)境系統(tǒng)脆弱性狀況進行了分析，結(jié)果表明安徽省水資源環(huán)境系統(tǒng)脆性在2001-2007年間屬中度脆弱，2008-2015年間屬輕脆弱，整體狀況趨于改善[7]；汪勁希等人也通過實例分析，驗證了集對分析法能夠準(zhǔn)確地評價空氣質(zhì)量[8]；對于評價土壤養(yǎng)分含量高低，近些年也出現(xiàn)應(yīng)用集對分析法的實例，對用材林土壤以及濕地土壤中的養(yǎng)分進行評價，并且所得出的結(jié)論與實際情況基本相符[9, 10]。集對分析法以及基于集對分析法的改進方法不僅被運用到質(zhì)量模型，用于評價模型的安全狀況，近些年更多的地被應(yīng)用于評價水和土壤環(huán)境質(zhì)量安全及水平，使環(huán)境評價日趨科學(xué)化。

本文利用集對分析法對麻尾工業(yè)園區(qū)周邊土壤營養(yǎng)元素含量的等級進行判斷，再通過對土壤營養(yǎng)元素的統(tǒng)計分析和空間分析加以輔助，進而對該地區(qū)的土壤營養(yǎng)狀況進行評估，為其土壤養(yǎng)分的量化分析提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省屬于典型的喀斯特山區(qū)農(nóng)業(yè)省，土壤質(zhì)量差，資源較為匱乏，土壤肥力不高。其中的黔東、黔南地區(qū)在貴州省內(nèi)海拔最低，地貌以低山丘陵為主,雨水豐沛，熱量充足，適合種植水稻類糧食作物[11]。麻尾工業(yè)園區(qū)位于貴州省獨山縣最南端，黔桂兩省(區(qū))交界處，是大西南進入兩廣、西南出海的重要門戶，素有“貴州南大門”、“西南門戶”之稱，是貴州省承接?xùn)|部地區(qū)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和發(fā)展開放型經(jīng)濟的重要區(qū)域。本文以麻尾鎮(zhèn)為評估的中心區(qū)域，該地區(qū)耕地資源豐富，且多為水田，旱地零星分布。該地水田多為水旱輪作，以水稻和油菜為主要農(nóng)作物。

樣品采集以麻尾工業(yè)園區(qū)所處的然戎為中心，并向北、西北、南以及東南方向輻射，屬于典型的喀斯特農(nóng)耕區(qū)。采集土壤類型以水稻田為主，只有少量旱地。本次土壤樣品采集為0～20 cm的非耕作期的水稻田表土，其采樣點位置圖(圖1)，采樣點土壤養(yǎng)分含量表(表1)如下。采樣過程嚴(yán)格按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(HJT166-2004)》相關(guān)規(guī)范進行。土壤樣品經(jīng)過風(fēng)干、研磨處理后，應(yīng)用火焰原子吸收光譜法測定全鉀；應(yīng)用可見風(fēng)光光度計測定全磷、有效磷；應(yīng)用滴定管測定有機質(zhì)、硫酸根、全氮、堿解氮含量。

1.2 研究方法

本文采用集對分析法對麻尾鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)周邊土壤營養(yǎng)元素含量進行綜合評價。集對分析法評價兩個集合有“同一”“對立” “差異”三種隸屬關(guān)系，“同一”和 “對立”這兩種關(guān)系是確定的，“差異”是不確定的關(guān)系，這三者之間互相影響、互相制約、互相聯(lián)系，又在一定的條件下相互轉(zhuǎn)化。集對分析法所需評價的兩個集合在本文中即為采集的土樣與土壤養(yǎng)分。

圖1 采樣點位置圖Fig.1 Location map of sampling points

表1 采樣點土壤元素含量表Tab.1 Table of soil element contents at sampling points

續(xù)表1

集對分析法評價土壤營養(yǎng)元素含量步驟如下：

(1)對某一或正向指標(biāo)k的聯(lián)系度μk

(1)

式中：xkM為第k項營養(yǎng)元素指標(biāo)的第M級營養(yǎng)元素含量的標(biāo)準(zhǔn)值，xki為第k項營養(yǎng)元素指標(biāo)的實測含量值，k=1，2…N，N為營養(yǎng)元素指標(biāo)的總項數(shù)，i=1，2…M。

(2)各評價因子權(quán)重

進行因子權(quán)重衡量是因為土壤中各元素含量差值很大，而且在對土壤各單項元素評價的標(biāo)準(zhǔn)值也不同，對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理后再進行歸一化，就得到各單項營養(yǎng)元素在進行土壤評價時所占的權(quán)重。

(2)

歸一化：

(3)

(3)樣本的綜合聯(lián)系度

(4)

其中：μi是第i個樣本的綜合聯(lián)系度。

最后通過評價級別特征值對土壤的養(yǎng)分進行綜合評價。級別特征值和土壤養(yǎng)分含量呈負相關(guān)關(guān)系，級別特征值越小，養(yǎng)分含量越高[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤營養(yǎng)元素統(tǒng)計分析

采樣區(qū)土壤的有機質(zhì)、全磷、全鉀平均值均低于全國平均值，而且TP和TK的最大值都低于全國平均值；SOM、TN、TP、TK、堿解氮變異系數(shù)均大于0.3，屬中等變異性，有效磷差異較大，如表2所示。

2.2 土壤營養(yǎng)元素空間分析

在ARCGIS和地統(tǒng)計學(xué)的克里金插值法支持下，完成各營養(yǎng)元素的空間分布圖，如圖2所示。

表2 土壤營養(yǎng)元素統(tǒng)計表Tab.2 Table of soil nutrient elements g·kg-1

土壤TN、堿解氮和有機質(zhì)含量分布相似，在評價區(qū)正北部、西北部以及正南地區(qū)含量較高，在評價區(qū)西南部尤其是工業(yè)園區(qū)附近含量分布低，呈現(xiàn)出由工業(yè)園區(qū)周圍向四周發(fā)散遞增的趨勢。有研究表明，SOM和TN有很強的正相關(guān)性，并能在一定程度上減緩?fù)寥赖販p少[12]，本文的空間分布圖也滿足此規(guī)律。不同土地利用方式會導(dǎo)致氮素空間分布有差異：荒地<旱地<菜地<林地<水田，在工業(yè)園區(qū)周邊地區(qū)土壤較少有耕種的土地，因此有其周邊全氮與堿解氮含量是評價區(qū)內(nèi)最低的結(jié)果[13]。

TK含量在評價區(qū)正北部地區(qū)含量相對較高，在評價區(qū)正南部地區(qū)含量較低，呈現(xiàn)出從北到南含量逐漸減少的趨勢。資料顯示[14]，自1998年起，西北、西南地區(qū)土壤速效鉀總量基本保持穩(wěn)定，大體呈現(xiàn)南低北高趨勢；緩效鉀是土壤供鉀潛力的指標(biāo)，其在土壤中能不斷補充消耗的速效鉀，全國耕層土壤緩效鉀含量南部地區(qū)最低，普遍低于全國平均水平。緩效鉀與速效鉀空間分布趨勢與全鉀評價區(qū)的空間分布趨勢基本相符。

TP和有效磷在評價區(qū)正北、正南以及西南地區(qū)含量低，在評價區(qū)東部地區(qū)含量較高，但含量高的地區(qū)與含量低的地區(qū)數(shù)值相差不大，總體上呈現(xiàn)出由東向西含量遞減的趨勢?？λ固氐貐^(qū)土壤磷主要以有機態(tài)存在， TP和有效磷與土壤中的大團聚體成正比，大團聚體與有機質(zhì)含量成正相關(guān)[15]，土壤TP和有效磷和壤有機質(zhì)空間分布類似。不同在于評價區(qū)北部的P含量相對較低，有機質(zhì)北部含量相對較高，這可能與施肥方式和施肥量以及不同的土地利用方式有關(guān)，趙宇光[16]等人研究表明，長期定位施用有機肥料對比未施用有機肥料的土壤總磷增幅為16%～33%，本研究區(qū)北部地區(qū)土壤有機質(zhì)含量高，養(yǎng)分較為充足，所以施肥較其他地區(qū)少；對宜興耕地土壤磷含量進行研究，發(fā)現(xiàn)不同土地利用方式土壤磷含量大小為：菜園>稻田>果園>茶園[17]，唐成[18]等利用地統(tǒng)計方法研究喀斯特地區(qū)，在不同土地利用方式下相同養(yǎng)分存在差異，土壤有效磷含量為火燒跡地、封育地>刈割地>草地，火燒跡地和封育地差異不顯著，其他地區(qū)差異顯著或極顯著。導(dǎo)致土壤磷元素含量不同的原因很多。

2.3 集對分析法結(jié)果討論

利用該方法對研究區(qū)進行土壤元素含量評價，以全國第二次土壤普查土壤元素含量分級表(表3)為評價標(biāo)準(zhǔn)，將營養(yǎng)含量分為六級，將第六級上限設(shè)置為第五級下限。一級指的是集對分析法中的“同一”，六級指的是“對立”，中間等級的部分則指的是研究的“差異”。

表3 全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Nutrient grading standard for the second national soil survey g·kg-1

本次對采樣區(qū)土壤養(yǎng)分進行評價主要以有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷為指標(biāo)。因此可知上述式(2)中所提及的營養(yǎng)元素含量分級標(biāo)準(zhǔn)的總級數(shù)M=6，評價的營養(yǎng)元素指標(biāo)的總項數(shù)N=6。

計算過程以一號樣品為例：

μ有機質(zhì)=0+0i1+0.3i2+0.7i3+0i4+0j

μ全氮=0+1i1+0i2+0i3+0i4+0j

μ全磷=0+0i1+0i2+0i3+0i4+1j

μ全鉀=0+0i1+0i2+0i3+0i4+1j

μ有效磷=0+0.82i1+0.18i2+0i3+0i4+0j

μ堿解氮=0.208+0.792i1+0i2+0i3+0i4+0j

各項指標(biāo)所占權(quán)重：

有機質(zhì)：ω有機質(zhì)=0.120；

全氮：ω全氮=0.073；

全磷：ω全磷=0.331；

全鉀：ω全鉀=0.289；

有效磷：ω有效磷=0.127；

堿解氮：ω堿解氮=0.060。

可得1號樣品的聯(lián)系度表達式為：

μ1=ω有機質(zhì)μ有機質(zhì)+ω全氮μ全氮+ω全磷μ全磷+ω全鉀μ全鉀+ω有效磷μ有效磷+ω堿解氮μ堿解氮

同理，求出其他樣品的聯(lián)系度，列出評價矩陣如下：

令G為代表土壤養(yǎng)肥等級標(biāo)準(zhǔn)的向量，則GT=(1，2，3，4，5，6)

求得各樣點級別特征值為：

將所得的特征值定義為土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)，該值越小，說明土壤養(yǎng)分含量越高。

計算結(jié)果表明，14號采樣點處土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)為4.073 53，土壤營養(yǎng)元素含量最高；22號、64號、16號采樣點處土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)分別為4.218 94、4.259 99、4.275 96，土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)僅高于14號采樣點，含量很高；1號采樣點處土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)為6.283 6，土壤營養(yǎng)元素含量最低。

從土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)分布圖(圖3)可以看出，評價區(qū)東北、正南方向以及工業(yè)園區(qū)周邊的土壤綜合養(yǎng)分指數(shù)值較高，說明這幾處的土壤養(yǎng)分含量較低；評價區(qū)東北以及正東方向土壤綜合養(yǎng)分指數(shù)值較低，說明這幾處的土壤養(yǎng)分含量較高。

討論出現(xiàn)這種空間分布差異的原因主要有以下兩點：一是有研究表明，某些金屬如Ag、Cd、Hg等在其濃度很低時即有高毒性[19]，而且由于鐵錳礦對重金屬元素有較強的吸附能力[20]，在生產(chǎn)加工過程中重金屬污染物會擴散到外界，這些有害元素會對土壤微生物的生存造成不利影響，因為菌體表面會對金屬元素有較強吸附沉淀能力，這些重金屬在菌體表面富集后，會對菌體的生存造成嚴(yán)重危害，對周邊土壤中的微生物種群和數(shù)量造成有害影響，對土壤養(yǎng)分循環(huán)造成破壞，從而對土壤養(yǎng)分含量造成影響[21]，工業(yè)園區(qū)內(nèi)存在有色金屬銀加工企業(yè)、以冶煉合金為主要業(yè)務(wù)的企業(yè)和工業(yè)廢渣回收公司，這些企業(yè)在產(chǎn)生過程中產(chǎn)生的污染物造成工業(yè)園區(qū)周邊土壤養(yǎng)分較低的現(xiàn)象；二是貴州的喀斯特地勢地貌復(fù)雜, 成土母質(zhì)類型多樣，不同地區(qū)土壤的起源不同, 熟化程度以及施肥情況不同，尤其是貴州地區(qū)廣泛分布著紅黏土，使得水土流失嚴(yán)重，土壤肥力低，導(dǎo)致不同地區(qū)土壤養(yǎng)分含量存在差異[22-24]。整個評價區(qū)的土壤屬于峰叢洼地土壤組合，屬于沙質(zhì)土普遍的地區(qū)，土壤保水能力極差，易滲漏，區(qū)內(nèi)廣泛分布硅質(zhì)、硅鋁質(zhì)黃壤、黃砂泥田土和灰砂泥田土的土屬。麻尾工業(yè)園區(qū)及周邊地區(qū)主要為砂質(zhì)黃壤和砂泥質(zhì)黃色石灰土，土壤中含有大量巖石碎屑，土層較薄，厚度在 0.2～0.5 m之間，土壤質(zhì)地差，肥力低，這與評價區(qū)其他地方土地利用類型有較大差別。

通過集對分析法與營養(yǎng)元素空間特征對比分析發(fā)現(xiàn)，集對分析法能很好的反映評價區(qū)內(nèi)土壤TP、有效磷的空間分布；能較好的反映土壤TK和堿解氮的空間分布；能在一定程度上反映SOM和TN的空間分布。SOM和TN元素指標(biāo)的空間分布與集對分析法結(jié)果有差異是因為這兩種元素在計算土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)中所占的權(quán)重比較低?？傮w來說，集對分析法的分析結(jié)果可以較準(zhǔn)確地反映評價區(qū)內(nèi)由人為污染引起的土壤養(yǎng)分含量低的地區(qū)，對其他無污染或污染較小的地區(qū)，集對分析法得出的結(jié)果和實際情況會有一定的差異。因此想要廣泛的運用集對分析法，還需對評價因子的權(quán)重系數(shù)進行進一步優(yōu)化，不應(yīng)僅僅考慮土壤中各元素含量差值的差別，還需要綜合考慮到每種營養(yǎng)元素對作物生長影響的大小，使得到的結(jié)果更加科學(xué)、有說服力，集對分析法評價土壤養(yǎng)分才會有更好的前景。

圖3 土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)分布圖Fig.3 Soil nutrient comprehensive index distribution map

3 結(jié)論

(1)評價區(qū)有機質(zhì)、全磷、全鉀三項評價指標(biāo)含量均低于國家平均水平，六項評價指標(biāo)的的變異系數(shù)大，評價區(qū)土壤養(yǎng)分水平為極不均勻狀態(tài)，表現(xiàn)出富氮素和缺磷素、鉀素的特點。

(2)元素空間分析顯示，土壤TN、堿解氮和有機質(zhì)含量空間分布相似，呈現(xiàn)出由工業(yè)園區(qū)周圍向四周發(fā)散遞增的趨勢；TK含量呈現(xiàn)出從北到南含量逐漸減少的趨勢；TP和有效磷呈現(xiàn)出由東向西含量遞減的趨勢，出現(xiàn)空間分布差異的原因與耕田的耕種方式和施肥量以及土地利用方式和當(dāng)?shù)赝寥赖某赏聊纲|(zhì)有關(guān)。

(3)集對分析法計算結(jié)果顯示土壤養(yǎng)分含量在西北方向以及正南北方向相對較低，在東北以及正東方向含量相對較高，這與工業(yè)園區(qū)的設(shè)立以及土地的利用類型有關(guān)。

(4)本研究表明，運用集對分析法評價土壤養(yǎng)分時，個別元素因為在權(quán)重，在以后的實際應(yīng)用中可以適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化因子權(quán)重，在計算權(quán)重時，考慮當(dāng)?shù)赝寥滥纲|(zhì)以及耕種、施肥狀況，更合理的確定評價權(quán)重因子，使得到的結(jié)果更符合實際。