基于灰色關(guān)聯(lián)度的石漠化地區(qū)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

杜發(fā)興，吳登峰，吳厚發(fā)，姚 斌

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

【研究意義】石漠化是指在脆弱的生態(tài)環(huán)境下，由于人類(lèi)不合理的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)造成植被破壞、水土流失、土地生產(chǎn)能力衰退、地表呈現(xiàn)類(lèi)似荒漠化的過(guò)程。通過(guò)對(duì)石漠化地區(qū)的土壤進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，能夠快速的反映當(dāng)前的土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力狀況，達(dá)到預(yù)防土壤退化和提高土地生產(chǎn)力水平的目的。然而土壤質(zhì)量作為土壤動(dòng)態(tài)變化最為敏感的指標(biāo)，不同的利用方式和管理措施都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生巨大的影響?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】針對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)尚沒(méi)有一套具體的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)[1]，目前，大量學(xué)者針對(duì)石漠化地區(qū)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方面做了大量研究工作：鐘杰[2]以湘中石漠化地區(qū)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，按景觀(guān)現(xiàn)狀對(duì)研究區(qū)石漠化等級(jí)進(jìn)行分類(lèi)，采用模糊數(shù)學(xué)和主成分分析的方法對(duì)湘中石漠化地區(qū)的土壤進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)；田漣祎[3]針對(duì)貴州喀斯特石漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，運(yùn)用因子分析法分析了該地區(qū)的土壤質(zhì)量和理化性質(zhì)，為貴州喀斯特石漠化地區(qū)的旅游開(kāi)發(fā)和環(huán)境保護(hù)提供理論指導(dǎo)；鄭茂[4]運(yùn)用主成分分析、最小數(shù)據(jù)集和模糊數(shù)學(xué)建立了石漠化地區(qū)的土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，并采用土壤質(zhì)量指數(shù)法評(píng)價(jià)了研究區(qū)的土壤質(zhì)量等等。目前的研究多集中在首先對(duì)石漠化地區(qū)進(jìn)行等級(jí)分類(lèi)的基礎(chǔ)之上，再進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。而石漠化等級(jí)劃分尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同的石漠化等級(jí)對(duì)土壤質(zhì)量有不同的分布差異[5]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】為了更加準(zhǔn)確、客觀(guān)的對(duì)石漠化地區(qū)進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)，本文以湖北鶴峰縣石漠化地區(qū)為研究對(duì)象，直接根據(jù)研究區(qū)所采集的土壤樣品分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用主成分分析法確定土壤屬性指標(biāo)的最小數(shù)據(jù)集，結(jié)合熵權(quán)法確定參評(píng)指標(biāo)權(quán)重，并采用灰色關(guān)聯(lián)分析構(gòu)建研究區(qū)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以期正確、客觀(guān)的評(píng)價(jià)研究區(qū)的土壤質(zhì)量，對(duì)研究區(qū)的土壤質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行評(píng)判，為加快促進(jìn)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展提供理論支撐，同時(shí)為石漠化地區(qū)預(yù)防土壤退化和提高土壤質(zhì)量提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省西南部的鶴峰縣石漠化地區(qū)，區(qū)域地理位置大致范圍為地處東經(jīng)109°45′～110°38′、北緯29°38′～30°14′之間，地處亞熱帶，大陸性季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，雨熱同季，時(shí)空分布不均勻。海拔194.6 m，高差達(dá)1901 m，地表高差懸殊，切割深、立體氣候顯著，低山溫潤(rùn)，中高山溫和，高山溫涼。近年來(lái)，由于受到人口的增長(zhǎng)、工農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展和歷史氣候等因素的影響，過(guò)度開(kāi)發(fā)荒山坡地，導(dǎo)致該地區(qū)水土流失嚴(yán)重，植被覆蓋率較低，現(xiàn)有植被長(zhǎng)勢(shì)緩慢、生態(tài)環(huán)境日漸惡劣，土壤質(zhì)量退化，土地呈現(xiàn)荒漠化趨勢(shì)，因此對(duì)該地區(qū)進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)以改善該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、預(yù)防土壤退化迫在眉睫。

1.2 土壤樣品的采集與分析

在對(duì)研究區(qū)進(jìn)行詳細(xì)踏勘之后，選取研究區(qū)5個(gè)較為典型的石漠化鄉(xiāng)鎮(zhèn)為研究對(duì)象，分別針對(duì)每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)設(shè)立面積為500 m×500 m的重復(fù)樣地4個(gè)，采取“S”形線(xiàn)路混合多點(diǎn)采樣，采集0～20 cm深度的土壤樣品，每個(gè)樣品大約1 kg，裝入密封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室分析。共測(cè)定理、化、生等18項(xiàng)土壤屬性指標(biāo)，各屬性指標(biāo)具體的測(cè)定方法詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[6-7]，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次，取平均值。最后利用SPSS24軟件的因子分析模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理。

1.3 土壤質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的確定

研究土壤質(zhì)量的目的是為了探索石漠化地區(qū)土壤退化的程度，而影響土壤質(zhì)量的因素較多，因此在對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)判時(shí)指標(biāo)的選取應(yīng)該公正靈敏。本文根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合此次土壤樣本的測(cè)定情況，選取土壤容重(BD)、黏粒(Clay)、有機(jī)質(zhì)(SOM)、有效磷(AP)、陽(yáng)離子交換量(CEC)、PH、微生物碳(MBC)和微生物氮(MBN)這8個(gè)指標(biāo)，并進(jìn)行加權(quán)關(guān)聯(lián)度計(jì)算，得出各等級(jí)的臨界值見(jiàn)表1。

2 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法的構(gòu)建

2.1 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集的確定[8]

最小數(shù)據(jù)集(Minimum Data Set, MDS)是在1991年由Larson和Pierce提出的一種對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法，其重要作用在于可以通過(guò)測(cè)定比較少的數(shù)據(jù)了解土壤的變化情況[9]。本研究采用軟件SPSS24進(jìn)行主成分分析和指標(biāo)相關(guān)性的分析方法來(lái)選擇和確定最小數(shù)據(jù)集的評(píng)價(jià)指標(biāo)。最小數(shù)據(jù)集建立的步驟如下：

(1)運(yùn)用主成分分析計(jì)算各土壤指標(biāo)在所有特征值≥1的主成分(PC)并根據(jù)式(1)計(jì)算每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的Norm值：

(1)

式中：Nik式第i個(gè)變量；Nik為第i個(gè)變量在特征值>1的前k個(gè)主成分上的綜合載荷；Uik為第i個(gè)變量在前k個(gè)主成分上的載荷；λk為第i個(gè)變量在前k個(gè)主成分上的特征值。

(2)依據(jù)荷載矩陣，將每個(gè)主成分下的因子荷載≥0.5的評(píng)價(jià)指標(biāo)分成一組，若某項(xiàng)土壤指標(biāo)參數(shù)在2個(gè)主成分下的因子荷載值大于0.5，則該參數(shù)應(yīng)歸于其他參數(shù)相關(guān)性較低的那一組，并且計(jì)算每一組的Norm值，選取每組中Norm值在最高總分值的10 %范圍以?xún)?nèi)作為其候選指標(biāo)。

表1 土壤質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

(3)對(duì)得到的MDS作進(jìn)一步的相關(guān)性分析，如果相關(guān)性(r>0.5)高度相關(guān)，則確定分值最高的指標(biāo)進(jìn)入到MDS，從而得到最終的MDS。

2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

在對(duì)土壤進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，因?yàn)槊總€(gè)指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量的影響不同，因此必須根據(jù)每個(gè)指標(biāo)的影響力程度對(duì)每個(gè)指標(biāo)合理的賦予不同的權(quán)重。根據(jù)前人的大量研究表明，熵權(quán)法作為一種客觀(guān)的賦權(quán)法，其計(jì)算簡(jiǎn)單、排除了主觀(guān)因素的影響且能夠真實(shí)的表征各種指標(biāo)的影響力[10-12]。熵權(quán)法的計(jì)算步驟如下：

近紅外技術(shù)具有其背景干擾小、快速、穿透力強(qiáng)、無(wú)污染、無(wú)破壞等突出的優(yōu)點(diǎn)，將近紅外技術(shù)與現(xiàn)有的沙門(mén)氏菌檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)沙門(mén)氏菌的靈敏快速檢測(cè)。張捷等(2017)[36]研究用免疫層析試紙條結(jié)合近紅外熒光染料方法檢測(cè)沙門(mén)氏菌，其最低檢出限為0.5×103CFU/mL，且可在45min內(nèi)完成整個(gè)檢測(cè)過(guò)程，提高了沙門(mén)氏菌的檢測(cè)速率，適用于快速、實(shí)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，為食源性致病菌的檢測(cè)提供了一種新思路。

(1)假設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)m個(gè)樣地組成的評(píng)價(jià)矩陣，A=(aij)m×n(i=1、2……n；j=1、2……m),即：

(2)

對(duì)A進(jìn)行歸一化處理得到：

(3)

式中：bij為原始指標(biāo)歸一化后的值，對(duì)于是數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，以消除量綱之間的差異。

(2)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值ej:

(4)

(5)

2.3 灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算

灰色關(guān)聯(lián)分析實(shí)質(zhì)上是幾個(gè)曲線(xiàn)間的幾何形狀的比較分析，幾何形狀越接近，發(fā)展的變化趨勢(shì)也越接近，則關(guān)聯(lián)度越大，反之，則關(guān)聯(lián)度越小[13-14]。在對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，因指標(biāo)選取方法尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，采用灰色關(guān)聯(lián)分析可以使得評(píng)價(jià)結(jié)果表現(xiàn)的更加準(zhǔn)確、客觀(guān)?；疑P(guān)聯(lián)分析步驟：

(1)參考數(shù)列的選取。

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)的無(wú)量綱化處理。

由于所測(cè)樣品指標(biāo)數(shù)據(jù)量綱單位的不同，必須在關(guān)聯(lián)分析之前進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理。目前，正向指標(biāo)處理如式(6)所示，逆向指標(biāo)處理如式(7)所示，通過(guò)無(wú)量綱化處理使得所有數(shù)據(jù)在0～1的區(qū)間以?xún)?nèi)。

(6)

(7)

(3)關(guān)聯(lián)度系數(shù)的求解。

(8)

(4)求解加權(quán)關(guān)聯(lián)度。

(9)

式中：為被評(píng)指標(biāo)與參考數(shù)列的加權(quán)關(guān)聯(lián)度。由灰色關(guān)聯(lián)分析理論可知，參考數(shù)列是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中最優(yōu)的，因此當(dāng)被評(píng)指標(biāo)與參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)度越大則反映土壤質(zhì)量越優(yōu)。

3 實(shí)例分析

3.1 最小數(shù)據(jù)集的確定

對(duì)所測(cè)定的18項(xiàng)土壤屬性指標(biāo)做主成分分析，結(jié)果顯示，特征值大于1的主成分有6個(gè)，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到87.033 %，由此可知這6個(gè)主成分可以表達(dá)原始數(shù)據(jù)的大部分信息。根據(jù)前述方法，將各指標(biāo)劃分為6組(表2)，并由公式(1)計(jì)算比較Norm值得大小，以此來(lái)篩選指標(biāo)。根據(jù)每組待選指標(biāo)的Norm值得大小和相關(guān)性的高低來(lái)確定最終的MDS。在第1組中，Norm值最高的是微生物碳，其次是陽(yáng)離子交換量，但是微生物碳和陽(yáng)離子交換量的相關(guān)性較低，因此第1組中的微生物碳和陽(yáng)離子交換量均進(jìn)入最終的MDS；第2組中Norm值最大的是有機(jī)質(zhì)，其次是有土壤容重，由于有機(jī)質(zhì)和土壤容重之間的相關(guān)性小于0.5(表3)，故保留有機(jī)質(zhì)和土壤容重進(jìn)入最終的MDS；同理，第3組選取Norm值較高的黏粒進(jìn)入最終的MDS；第4組選取有效磷；第5和6組均只有1個(gè)參選指標(biāo)，因此全部選取進(jìn)入最終的MDS。綜上所述。進(jìn)入到最終的最小數(shù)據(jù)集的指標(biāo)參數(shù)是土壤容重(BD)、黏粒(Clay)、有機(jī)質(zhì)(SOM)、有效磷(AP)、陽(yáng)離子交換量(CEC)、PH、微生物碳(MBC)和微生物氮(MBN)這8個(gè)指標(biāo)。

表2 土壤指標(biāo)因子荷載矩陣、貢獻(xiàn)率及Norm值

表3 參評(píng)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

3.2 數(shù)據(jù)集指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)熵權(quán)法確定最終的最小數(shù)據(jù)集的指標(biāo)權(quán)重，由式(3)構(gòu)造無(wú)量綱歸一化的判斷矩陣B。

表4 指標(biāo)權(quán)重?cái)?shù)據(jù)

利用公式(4)求得評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值ej=(0.9652，0.9622，0.9399，0.9701，0.9370，0.9334，0.9243，0.9670)，再根據(jù)公式(5)可以計(jì)算出所求指標(biāo)的權(quán)重(表4)。

3.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

根據(jù)前述熵權(quán)法確定了指標(biāo)的權(quán)重(表4)，由于關(guān)聯(lián)度系數(shù)較多，不方便數(shù)據(jù)處理，因此文中將各指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)集中為一個(gè)值即加權(quán)關(guān)聯(lián)度值，根據(jù)公式(9)，可以計(jì)算出各樣地的加權(quán)關(guān)聯(lián)度值(表6)。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果顯示：①5塊樣地的加權(quán)關(guān)聯(lián)度的平均值排序依次為：下坪>中營(yíng)>燕子>五里>走馬，并結(jié)合土壤質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)表可得，下坪的土壤質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)，中營(yíng)為Ⅲ級(jí)，燕子和五里均為Ⅳ級(jí)，走馬為Ⅴ級(jí)，下坪因地勢(shì)較平坦且靠近下月河，林地農(nóng)田保護(hù)澆灌良好，因此土壤質(zhì)量等級(jí)最高；而走馬靠近湖南西北部石漠化地區(qū)，氣候干燥且過(guò)度開(kāi)發(fā)，水土流失嚴(yán)重，故土壤質(zhì)量等級(jí)排名最后，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相符合；②研究區(qū)整體的土壤質(zhì)量屬于中等偏下的水平，為促進(jìn)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展，低值區(qū)域的土地利用方式可以借鑒和參考高值區(qū)域的利用和管理方式以此來(lái)提高土壤的整體質(zhì)量。

4 結(jié) 論

根據(jù)湖北省鶴峰縣石漠化地區(qū)的實(shí)際情況，利用主成分分析法建立了該地區(qū)的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的最小數(shù)據(jù)集，結(jié)合熵權(quán)法確定參評(píng)指標(biāo)的權(quán)重，并運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法綜合分析評(píng)判了鶴峰縣石漠化地區(qū)的土壤質(zhì)量，避免了以往眾多的土壤屬性指標(biāo)難以選擇的困境，同時(shí)采取熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，避免了因主觀(guān)思想的干擾，影響最后的土壤質(zhì)量評(píng)判等級(jí)，最終結(jié)果也顯示本文的評(píng)價(jià)模型與研究區(qū)實(shí)際情況相一致。因此本文基于最小數(shù)據(jù)集和灰色關(guān)聯(lián)分析可以客觀(guān)公正的評(píng)價(jià)石漠化地區(qū)的土壤質(zhì)量，該方法計(jì)算簡(jiǎn)便、思路清晰，為我國(guó)其他石漠化地區(qū)預(yù)防土壤退化和改善土壤質(zhì)量提供參考，同時(shí)也為石漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展提供一定的指導(dǎo)和幫助。

表5 關(guān)聯(lián)度系數(shù)值

表6 樣地加權(quán)關(guān)聯(lián)度值