黏粒陽離子交換量估測(cè)模型的優(yōu)化研究*

楊家偉，王天巍?，包瑩瑩，羅夢(mèng)雨，李德成

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢430070；2. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所），南京210008）

黏粒陽離子交換量指在pH 為7 的條件下測(cè)定的每千克黏粒中可吸附的全部交換性陽離子量，也稱為黏粒CEC7，是《中國(guó)土壤系統(tǒng)分類（第三版）》和《美國(guó)土壤系統(tǒng)分類》中確定診斷層、診斷特性的重要指標(biāo)，例如低活性富鐵層要求其部分亞層黏粒CEC7＜24 cmol·kg–1。但由于土壤黏粒的提取較為耗時(shí)費(fèi)力，在系統(tǒng)分類檢索過程中使用的黏粒CEC7通常并非實(shí)測(cè)結(jié)果，而是將黏粒視為細(xì)土CEC7的主要貢獻(xiàn)因子，通過模型1 由細(xì)土CEC7換算得到（以下稱為現(xiàn)行模型）[1]。

式中，CEC7（c）為黏粒陽離子量，cmol·kg–1；CEC7為細(xì)土陽離子交換量，cmol·kg–1；Cc為每千克細(xì)土中黏粒的含量，g·kg–1。

現(xiàn)行模型在我國(guó)土壤系統(tǒng)分類檢索過程中被廣泛使用。但有研究表明，由該模型得到的黏粒CEC7估測(cè)值通常高于實(shí)測(cè)值，造成對(duì)高級(jí)分類單元的誤判[2-3]，特別是在南方紅壤地區(qū)，由于黏粒CEC7估測(cè)值大于等于24 cmol·kg–1，可能將富鐵土劃歸為淋溶土或雛形土。現(xiàn)行模型僅考慮了黏粒對(duì)細(xì)土CEC7的貢獻(xiàn)，但目前很多研究表明有機(jī)質(zhì)、粉粒、游離氧化鐵等土壤屬性均對(duì)細(xì)土CEC7有貢獻(xiàn)[4-9]，導(dǎo)致單位質(zhì)量的黏粒吸附的交換性陽離子量被高估。

本研究以江西省地帶性土壤為主要對(duì)象，同時(shí)搜集相同氣候帶的其他南方地區(qū)土壤數(shù)據(jù)，將上述土壤屬性視為誤差因子，探究其對(duì)現(xiàn)行模型誤差的影響。在此基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化模型將誤差因子的影響削弱，建立基于主要誤差因子的黏粒CEC7估測(cè)新模型，提升模型估測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性，為系統(tǒng)分類檢索提供可靠數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域以江西省為主，屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均溫約16.3～19.5 ℃，年降水量約1 341～1 943 mm，降水集中于7—8 月份。地形復(fù)雜多樣，東、西、南三面環(huán)山，北面瀕臨長(zhǎng)江和鄱陽湖，成土母質(zhì)以泥質(zhì)巖類風(fēng)化物、酸性結(jié)晶巖類風(fēng)化物、紅砂巖類風(fēng)化物為主，全省特殊的氣候條件使脫硅富鐵鋁化和生物富集現(xiàn)象強(qiáng)烈，黏粒和次生黏土礦物含量相對(duì)豐富，土壤以紅壤、黃壤和黃棕壤為主[10-11]。

1.2 樣品采集和數(shù)據(jù)測(cè)定

結(jié)合江西省地帶性土壤分布范圍，綜合考慮氣溫、降水、母質(zhì)、海拔、坡度等因子，進(jìn)行模糊C均值聚類后確定28 個(gè)典型采樣點(diǎn)（樣點(diǎn)編號(hào)1～28），結(jié)合野外實(shí)際情況，最終挖掘28 個(gè)代表性土壤剖面，均采自林、草地。按照中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所主編的《野外土壤描述與采樣手冊(cè)》[12]要求進(jìn)行剖面分層觀測(cè)，并自上而下采集土樣，待室內(nèi)基本理化分析結(jié)束后，結(jié)合顏色、黏粒膠膜等野外觀測(cè)數(shù)據(jù)和顆粒組成、有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量、游離鐵等室內(nèi)分析數(shù)據(jù)，每個(gè)樣點(diǎn)選取代表性B 亞層樣品進(jìn)一步提取粉粒和黏粒，測(cè)定其陽離子交換量。本文使用此B 亞層數(shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)。同時(shí)，引用相同氣候帶的18 個(gè)代表性土層數(shù)據(jù)[4]，以豐富數(shù)據(jù)來源（樣點(diǎn)編號(hào)29～46），樣點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 Soil sampling sites

土壤樣品經(jīng)過自然風(fēng)干、挑出雜物后研磨過篩，以備理化性質(zhì)分析。土壤pH 采用電位法（液土比2.5∶1）測(cè)定；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；游離氧化鐵采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-碳酸氫鈉提取，鄰菲羅啉比色法測(cè)定；土壤機(jī)械組成采用吸管法測(cè)定，并根據(jù)目前廣泛使用的美國(guó)農(nóng)業(yè)部制分級(jí)，土壤粉粒和黏粒提取采用虹吸法測(cè)定，陽離子交換量采用乙酸銨（NH4OAc）pH 7.0 交換法測(cè)定[13-14]。引用文獻(xiàn)中的粉粒數(shù)據(jù)通過模型2 從國(guó)際制分級(jí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為美國(guó)農(nóng)業(yè)部制分級(jí)數(shù)據(jù)[15]，對(duì)比轉(zhuǎn)換前后的粉粒含量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)差異較小，南方紅壤區(qū)今后開展此類研究可以考慮忽略二者差異。各樣點(diǎn)理化性質(zhì)如表1 所示。

式中，P2–50為美國(guó)農(nóng)業(yè)部制土壤顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的粉粒含量，g·kg–1；P2–20為國(guó)際制土壤顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的粉粒含量，g·kg–1；P20–2000為國(guó)際制土壤顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的砂粒含量，g·kg–1。

1.3 誤差規(guī)律確定方法及優(yōu)化模型形式確定

現(xiàn)行模型估測(cè)值高于實(shí)測(cè)值主要是因?yàn)閮H考慮了黏粒對(duì)細(xì)土CEC7的貢獻(xiàn)，而忽略了其他因子對(duì)細(xì)土CEC7的貢獻(xiàn)。因此，本研究將其他因子（以下稱誤差因子）對(duì)細(xì)土CEC7的貢獻(xiàn)視為現(xiàn)行模型的誤差d′。

誤差d′計(jì)算公式為：

式中，CEC7為細(xì)土的陽離子交換量，cmol·kg–1；y為實(shí)測(cè)黏粒陽離子交換量，cmol·kg–1；Cc為每千克細(xì)土中的黏粒含量，g·kg–1。

本研究通過消除誤差因子對(duì)結(jié)果的影響來對(duì)現(xiàn)行模型進(jìn)行優(yōu)化。通過選取適合建模的誤差因子，將其與誤差d′做線性回歸分析得到誤差規(guī)律D′（形式為yi=a+bxi），代入模型4 得出新的黏粒CEC7估測(cè)模型（以下稱優(yōu)化模型）：

式中，CEC7（c）為優(yōu)化后的每千克黏粒CEC7估測(cè)值，cmol·kg–1；CEC7為細(xì)土陽離子交換量，cmol·kg–1；Cc為每千克細(xì)土中黏粒含量，g·kg–1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table1 Physiochemical properties of the test soil

續(xù)表

1.4 模型精度驗(yàn)證方法

模型精度由決定系數(shù)（R2）、平均絕對(duì)誤差（MAE）、均方誤差（MSE）、均方根誤差（RMSE）四個(gè)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，模型的決定系數(shù)（R2）越大，模型越穩(wěn)定，平均絕對(duì)誤差（MAE）、均方誤差（MSE）、均方根誤差（RMSE）越小，表明模擬值與實(shí)測(cè)值之間的偏差越小，即模型的模擬結(jié)果越準(zhǔn)確、可靠[16]。

2 結(jié) 果

2.1 現(xiàn)行模型誤差分析及誤差因子選取

圖2 現(xiàn)行模型估測(cè)值和實(shí)測(cè)值散點(diǎn)圖Fig. 2 Scatter plot of measured values and values predicted with the current model

倍。實(shí)測(cè)值范圍在5.73～60.12 cmol·kg–1之間，估測(cè)值范圍在17.10～230.4 cmol·kg–1之間，分布較為分散，估測(cè)值分布范圍為實(shí)測(cè)值2.98 倍～3.83 倍。

現(xiàn)行模型估測(cè)值普遍高于實(shí)測(cè)值的主要原因是其認(rèn)為在熱帶和亞熱帶地區(qū)，B 層土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，從而僅考慮黏粒對(duì)土壤風(fēng)化B 層細(xì)土CEC 的貢獻(xiàn)。但研究表明，雖然B 層土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)A 層有所減少，但并未達(dá)到可忽略的程度。以江西省為例，第二次土壤普查數(shù)據(jù)表明，紅壤B 層有機(jī)質(zhì)含量較A 層平均減少62.7%，但仍有約10 g·kg–1；黃壤B 層較A 層平均減少75.0%，但仍有約17.6 g·kg–1[11]，而有機(jī)質(zhì)在以1∶1 型黏土礦物和鐵、鋁氧化物為主的土壤膠體中可以增加其比表面積，提升土壤CEC，且隨著采集深度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤CEC 之間的相關(guān)性逐漸增強(qiáng)[17]。此外，有機(jī)質(zhì)不僅直接對(duì)土壤CEC 產(chǎn)生貢獻(xiàn)，也可通過與黏粒復(fù)合，降低黏粒對(duì)土壤陽離子交換量的貢獻(xiàn)程度，有機(jī)質(zhì)含量越高，黏粒CEC7的貢獻(xiàn)程度越低[6，17]。由圖3a）可知，全體樣本中有機(jī)質(zhì)與誤差呈顯著正相關(guān)（R2=0.527**，n=46），隨著有機(jī)質(zhì)增加，誤差值逐漸增大，離散程度逐漸增加，表明有機(jī)質(zhì)含量高低對(duì)現(xiàn)行模型估測(cè)值誤差的影響程度不同。除有機(jī)質(zhì)對(duì)現(xiàn)行模型誤差的影響之外，粉粒是影響該模型估測(cè)準(zhǔn)確度的重要因素[3]，粉粒中由于含有高嶺石、伊利石等黏土礦物，對(duì)細(xì)土CEC 具有一定的貢獻(xiàn)[5]。由圖3b）可知，隨著粉粒CEC7的增加，誤差值有逐漸降低的趨勢(shì)，但二者相關(guān)關(guān)系不顯著（R2=0.025，n=46）。土壤pH 的變化會(huì)直接影響離子吸附作用，也可通過改變土壤表面電荷產(chǎn)生間接影響[18]，從而會(huì)影響現(xiàn)行模型的精確度。 由圖3c）可知，隨著土壤pH 的增加，誤差值有逐漸降低的趨勢(shì)，但二者相關(guān)關(guān)系不顯著（R2=0.032，n=46）。此外，土壤pH 對(duì)CEC 的影響機(jī)理不確切[7]，本研究不將其作為主要誤差因子參與建模。由圖3d）可知，土壤游離氧化鐵與誤差相關(guān)關(guān)系不顯著（R2=0.085，n=46），且已有研究表明游離氧化鐵對(duì)土壤CEC7的影響機(jī)理較為復(fù)雜，在去除游離氧化鐵前后，土壤CEC7大小變化不明顯[5]，因此本研究不將其作為主要誤差因子參與建模。表2 為土壤有機(jī)質(zhì)、粉粒CEC7、pH、游離氧化鐵分別進(jìn)行相關(guān)性分析的結(jié)果，可知不同誤差因子之間相關(guān)關(guān)系均不顯著（n=46），其相互關(guān)系不會(huì)對(duì)優(yōu)化后模型產(chǎn)生影響。

圖3 現(xiàn)行模型誤差因子與誤差相關(guān)性Fig. 3 Correlation analysis between error factor and error in the current model

表2 不同誤差因子之間相關(guān)系數(shù)Table2 Correlation coefficients between different error factors（n=46）

在全部樣品中，有機(jī)質(zhì)與誤差極顯著相關(guān)，粉粒CEC7與誤差相關(guān)關(guān)系不顯著。但通過觀察發(fā)現(xiàn)，在有機(jī)質(zhì)為6 g·kg–1前后離散程度有所不同，數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，隨著有機(jī)質(zhì)含量增加，誤差離散程度也逐漸增加，當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量小于6 g·kg–1時(shí)，誤差平均值為2.3 cmol·kg–1，標(biāo)準(zhǔn)差為1.12 cmol·kg–1，當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量大于6 g·kg–1時(shí)，誤差平均值為7.45 cmol·kg–1，標(biāo)準(zhǔn)差為6 cmol·kg–1。因此本研究將全部樣本按高、低有機(jī)質(zhì)兩類建模。將有機(jī)質(zhì)含量大于6 g·kg–1的樣本稱作高有機(jī)質(zhì)樣本，數(shù)量為23 個(gè)，包含黏土類9個(gè)、黏壤土類8 個(gè)、壤土類6 個(gè)三種質(zhì)地；將有機(jī)質(zhì)含量小于6 g·kg–1的樣本稱作低有機(jī)質(zhì)樣本，數(shù)量為23 個(gè)，包含黏土類12 個(gè)、黏壤土類11 個(gè)兩種質(zhì)地。

分別在高低有機(jī)質(zhì)樣品中將現(xiàn)行模型誤差與有機(jī)質(zhì)和粉粒CEC7做灰色關(guān)聯(lián)性分析和線性回歸分析，結(jié)果如表3 所示：在高有機(jī)質(zhì)樣本中，現(xiàn)行模型誤差與有機(jī)質(zhì)和粉粒CEC7的關(guān)聯(lián)度ri 為0.834和0.562，決定系數(shù)R2分別為0.402 和0.038，表明高有機(jī)質(zhì)樣本中，有機(jī)質(zhì)與誤差關(guān)聯(lián)度和相關(guān)性更強(qiáng)，可忽略粉粒CEC7對(duì)誤差的影響。同時(shí)根據(jù)有機(jī)質(zhì)與黏粒的復(fù)合作用，將高有機(jī)質(zhì)樣本按照質(zhì)地進(jìn)行細(xì)分，以提升建模效果。在低有機(jī)質(zhì)樣本中，現(xiàn)行模型誤差與有機(jī)質(zhì)和粉粒CEC7的關(guān)聯(lián)度ri 為0.663 和0.922，決定系數(shù)R2分別為0.019 和0.675，表明低有機(jī)質(zhì)樣本中，粉粒CEC7與誤差關(guān)聯(lián)性和相關(guān)性更強(qiáng)。值得指出的是，粉粒的提取較黏粒更為復(fù)雜，因此，本研究在實(shí)測(cè)粉粒CEC7的同時(shí)建立關(guān)于環(huán)境因子的粉粒CEC7估測(cè)模型，從而提升模型適用性。

表3 不同樣本中誤差與有機(jī)質(zhì)、粉粒CEC7 的關(guān)聯(lián)性Table3 Correlations of errors with organic matter and silt CEC7 relative to type of soil samples

2.2 高有機(jī)質(zhì)樣本建模

將高有機(jī)質(zhì)樣本按照土壤質(zhì)地類型分為三類，即“黏土類樣本”、“黏壤土類樣本”和“壤土類樣本”，分別進(jìn)行建模。通過式（3）建立高有機(jī)質(zhì)各樣本中有機(jī)質(zhì)和誤差的線性方程分別為Y1=0.510X–0.899（R2=0.827，n=9），Y2=0.817X–1.316（R2=0.527，n=8），Y3=2.492X–15.67（R2=0.963，n=6）。將各線性方程分別代入模型4，即可得到黏土類、黏壤土類、壤土類質(zhì)地類型高有機(jī)質(zhì)樣本的黏粒CEC7多元分段估測(cè)模型：

式中，CEC7（c）為優(yōu)化后的每千克黏粒CEC7估測(cè)值，cmol·kg–1；OM 為有機(jī)質(zhì)含量，g·kg–1；Cc為黏粒含量，g·kg–1；CEC7為細(xì)土 CEC7實(shí)測(cè)值，cmol·kg–1。

適用范圍分別為：黏土類，即350 ＜ C（clay）＜ 1 000且0＜ C（silt）＜ 600 且0 ＜ C（sand）＜ 650；黏壤土類，即200 ＜ C（clay）＜ 400 且0 ＜ C（silt）＜ 730 且0 ＜ C（sand）＜ 800；壤土類，即0 ＜ C（clay）＜ 270 且0 ＜ C（silt）＜ 800且0 ＜ C（sand）＜ 850。

2.3 低有機(jī)質(zhì)樣本建模

2.3.1 通過實(shí)測(cè)粉粒CEC7 直接建模 由圖4 可知，建立的低有機(jī)質(zhì)粉粒CEC7和誤差的線性方程為Y=0.853X+0.899（R2=0.685，n=23），代入模型4可得低有機(jī)質(zhì)黏粒CEC7估測(cè)模型（下稱“低有機(jī)質(zhì)模型”）。

圖4 低有機(jī)質(zhì)樣本粉粒CEC7 與誤差相關(guān)性分析Fig. 4 Correlation analysis of silt CEC7 and errors in models for low OM samples

式中，CEC7（c）為優(yōu)化后的每千克黏粒CEC7估測(cè)值，cmol·kg–1；CEC7（s）為粉粒陽離子交換量，cmol·kg–1；Cc為黏粒含量，g·kg–1；CEC7為細(xì)土CEC7實(shí)測(cè)值，cmol·kg–1。

2.3.2 通過環(huán)境因子估測(cè)粉粒CEC7間接建模

粉粒CEC7大小與黏土礦物組成和種類有關(guān)，黏土礦物的組成與種類一般與土壤pH、降水量、氣溫等理化、環(huán)境因子有關(guān)，其具有緯度地帶性規(guī)律[19-20]。

據(jù)此，本研究選擇土壤pH、年均氣溫（T）、年均降水量（R）、緯度（L）進(jìn)行粉粒CEC7的估測(cè)建模，將該類因子進(jìn)行多元逐步回歸分析。其中，年均氣溫和年均降水量均從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲?。╤ttp://data.cma.cn/），引用文獻(xiàn)中采樣點(diǎn)緯度數(shù)據(jù)采用行政區(qū)域中心點(diǎn)緯度數(shù)據(jù)替代。做回歸分析時(shí)，依次運(yùn)用五種自變量進(jìn)入方法：輸入法、逐步法、刪除法、后退法及前進(jìn)法做模型估測(cè)。變量的選入標(biāo)準(zhǔn)是F 值的概率P≤0.05，剔除標(biāo)準(zhǔn)是P≥0.10。

多元逐步回歸的方程式如下所示：

式中，CEC7（s）為粉粒CEC7大小；n 為參與回歸的環(huán)境因子個(gè)數(shù)；a0、ai為回歸系數(shù)；λi為第i 個(gè)環(huán)境因子的大小。

得到的基于環(huán)境因子的粉粒CEC7的估測(cè)最佳模型結(jié)果如模型8 所示，其R2=0.606，n=23。

CEC7（s）=1.501×L+1.693×T+1.775×pH-79.99（8）

式中，L 為緯度（度數(shù)表示法）；T 為年均氣溫，℃。

代入模型 6 得到低有機(jī)質(zhì)樣本間接估測(cè)模型為：

式中，CEC7（C）為優(yōu)化后的每千克黏粒CEC7估測(cè)值，cmol·kg–1；L 為緯度（度數(shù)表示法）；T 為年均氣溫，℃；Cc為黏粒含量，g·kg–1。

3 討 論

3.1 按照有機(jī)質(zhì)含量高低分類建模的合理性

有機(jī)質(zhì)被視為現(xiàn)行模型的誤差因子主要是有機(jī)質(zhì)削弱了黏粒對(duì)細(xì)土CEC7的貢獻(xiàn)程度。一方面，有機(jī)質(zhì)會(huì)直接貢獻(xiàn)陽離子交換量，導(dǎo)致黏粒對(duì)細(xì)土CEC7的貢獻(xiàn)程度減小，從而根據(jù)現(xiàn)行模型計(jì)算出的黏粒CEC7會(huì)高于實(shí)測(cè)值；另一方面，有機(jī)質(zhì)會(huì)與黏粒的礦質(zhì)部分復(fù)合，復(fù)合后陽離子交換量總是小于二組分單獨(dú)存在的交換量之和[6]，從而削弱黏粒對(duì)細(xì)土CEC7的貢獻(xiàn)程度。因此，高低有機(jī)質(zhì)對(duì)于現(xiàn)行模型精度的影響程度是不同的。如圖3a）所示，在一定程度上隨著有機(jī)質(zhì)含量增加，誤差會(huì)增大，同時(shí)由于有機(jī)質(zhì)與黏粒的復(fù)合作用增強(qiáng)，誤差離散程度也會(huì)增加，整體上雖達(dá)到極顯著相關(guān)，但高有機(jī)質(zhì)部分精度較差。此外，考慮分類建模的另一個(gè)原因是高低有機(jī)質(zhì)中主要誤差因子不同。由相關(guān)性分析和灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果可知，高有機(jī)質(zhì)樣本中有機(jī)質(zhì)含量較高，粉粒CEC7對(duì)誤差的貢獻(xiàn)較低，而低有機(jī)質(zhì)樣本的中粉粒CEC7與誤差具有極顯著相關(guān)關(guān)系（圖4）。因此，結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，本研究以有機(jī)質(zhì)含量為6 g·kg–1作為分界線，將全部樣本分為了高、低有機(jī)質(zhì)樣本分別進(jìn)行建模。值得指出的是，此處的有機(jī)質(zhì)“高、低”僅為相對(duì)性描述。

3.2 各分類模型精度評(píng)價(jià)

圖5 為優(yōu)化前后模型估測(cè)值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比散點(diǎn)圖，整體而言優(yōu)化后模型的估測(cè)值更加接近實(shí)測(cè)值，且無異常點(diǎn)，表明經(jīng)過誤差優(yōu)化后的模型相對(duì)于優(yōu)化前更加穩(wěn)定，估測(cè)效果更好。分別對(duì)各分類樣本模型進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，結(jié)果如表4 所示?？傮w而言，各分類樣本模型精度評(píng)價(jià)結(jié)果良好，符合使用要求，但不同樣本模型之間精度有所不同。低有機(jī)質(zhì)樣本直接模型的R2最大，為0.959，平均絕對(duì)誤差（MAE）、均方誤差（MSE）、均方根誤差（RMSE）最小，表明其建模效果最好，也說明在低有機(jī)質(zhì)樣本中，粉粒CEC7是主要的誤差因子，同時(shí)低有機(jī)質(zhì)間接模型的R2、MAE、MSE、RMSE 與直接模型相近，表明選取pH、年均氣溫（T）、緯度（L）得到的間接模型是可取的，在使用過程中，如果方便獲取粉粒CEC7，推薦使用直接模型，若粉粒CEC7不方便獲取，則推薦使用間接模型。而在高有機(jī)質(zhì)樣本中精度評(píng)價(jià)結(jié)果由大到小依次為黏土類、黏壤土類、壤土類，主要原因是三類樣本中粉粒的含量由大到小依次為壤土類、黏壤土類、黏土類，隨著粉粒的增加，有機(jī)質(zhì)對(duì)誤差的貢獻(xiàn)程度會(huì)相對(duì)降低，從而導(dǎo)致將有機(jī)質(zhì)視為唯一誤差因子的高有機(jī)質(zhì)優(yōu)化模型精度逐漸下降。

3.3 黏粒CEC7 估測(cè)模型優(yōu)化前后對(duì)土綱劃分的影響

本研究對(duì)現(xiàn)行模型優(yōu)化的目的是為了提升黏粒CEC7的估測(cè)準(zhǔn)確性，從而為系統(tǒng)分類檢索的準(zhǔn)確性提供保障。對(duì)江西省28 個(gè)代表性剖面顏色、質(zhì)地、黏粒含量、游離氧化鐵含量等數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并按照《中國(guó)土壤系統(tǒng)分類（第三版）》[1]要求檢索土綱，由圖6 可知，使用實(shí)測(cè)黏粒CEC7值檢索后，28 個(gè)土壤剖面中有15 個(gè)劃為富鐵土，而使用現(xiàn)行模型估測(cè)值檢索僅有3 個(gè)土壤剖面可劃為富鐵土，準(zhǔn)確率僅20%；優(yōu)化后的分類模型共有14 個(gè)土壤剖面可劃為富鐵土，準(zhǔn)確率提升至93.3%。通過對(duì)比可以看出，優(yōu)化后的模型由于消除了有機(jī)質(zhì)和粉粒CEC7的干擾，估測(cè)值更接近實(shí)測(cè)值。

3.4 優(yōu)化后模型的普適性

富鐵土主要形成于溫?zé)釟夂驐l件下，廣泛分布于我國(guó)南方諸省[21-25]。本研究樣點(diǎn)選取以江西省為主，加以浙江、湖南、湖北等省份，主要集中于我國(guó)東南部地區(qū)，地形以山地丘陵為主。陳志誠(chéng)等[3]曾分別于?？?、廣州、南昌挖掘三個(gè)土壤斷面開展研究，結(jié)果表明江西斷面丘陵和山地的土壤B 層細(xì)粉粒/黏粒比相較海南和廣東斷面有逐漸增大趨勢(shì)，海南和廣東斷面的黏粒 CEC7計(jì)算值主要集中于16～24 cmol·kg–1，江西斷面丘陵區(qū)域部分?jǐn)嗝娲笥?4 cmol·kg–1，山地上則均大于40 cmol·kg–1，計(jì)算數(shù)值高于實(shí)測(cè)值。以上研究表明，江西省及其周邊區(qū)域現(xiàn)行模型計(jì)算結(jié)果相較于其他區(qū)域誤差更大，針對(duì)該區(qū)域開展的模型優(yōu)化研究更加符合區(qū)域特性，對(duì)于其他區(qū)域的適用性尚有待驗(yàn)證和提升。值得指出的是，砂土質(zhì)地不是富鐵土的典型質(zhì)地類型，同時(shí)由于采樣限制，在此未做深入研究。此外，各類質(zhì)地樣品量較小，今后研究中可注重提升各類樣品數(shù)量，進(jìn)一步提升優(yōu)化模型估測(cè)精度。

圖 5 估測(cè)模型優(yōu)化前后與實(shí)測(cè)值散點(diǎn)圖Fig. 5 Scatter plots predicted values and measured values before and after optimization of the prediction model

表4 各分類樣本模型精度評(píng)價(jià)結(jié)果Table4 Accuracy evaluation of the models based on classification of soil samples

圖6 不同黏粒CEC7 數(shù)據(jù)來源對(duì)應(yīng)富鐵土綱檢索數(shù)目Fig. 6 Sources of clay CEC7 data corresponding to number of Ferrosols

4 結(jié) 論

通過分析現(xiàn)行模型誤差的來源，基于優(yōu)化公式，探究了按照有機(jī)質(zhì)含量高低分類建模的合理性，得到了黏粒CEC7分類優(yōu)化估測(cè)模型，提升了模型預(yù)測(cè)精度，為土壤系統(tǒng)分類檢索提供了可靠數(shù)據(jù)支持。