李百云 李慧 郭鑫年 孫嬌 梁錦秀 龍懷玉 周濤
摘要:以寧夏耕地土壤為研究對(duì)象,選取15項(xiàng)土壤質(zhì)量指標(biāo),運(yùn)用主成分分析結(jié)合Norm值構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集(MDS),通過灰色關(guān)聯(lián)度和非線性模型(non-linear model,簡(jiǎn)稱NL)進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)。研究表明,寧夏耕地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)MDS包括全氮、全磷、胡敏酸碳量、交換性鈣、交換性鎂含量;2 種評(píng)價(jià)方法結(jié)果具有高度的正相關(guān)性,相關(guān)性系數(shù)為0.88,相互驗(yàn)證了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性,非線性評(píng)分模型方法計(jì)算更加簡(jiǎn)便。研究區(qū)耕地土壤質(zhì)量處于中下等水平,各地土壤質(zhì)量依次為固原市>石嘴山市>銀川市>吳忠市>中衛(wèi)市。
關(guān)鍵詞:最小數(shù)據(jù)集;非線性模型;灰色關(guān)聯(lián)度;寧夏;土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)
中圖分類號(hào):S151.9 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A ?文章編號(hào):1002-1302(2021)09-0195-06
土壤是農(nóng)作物生產(chǎn)的基礎(chǔ),肥力是土壤的基本屬性和本質(zhì)特征,可衡量土壤對(duì)作物生長(zhǎng)所需的各種養(yǎng)分的供給能力,也是土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的綜合反映。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜、功能最為活躍的生命層,因此科學(xué)而準(zhǔn)確地對(duì)土壤性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)尤為重要[1-2]。隨著數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件的廣泛應(yīng)用,土壤質(zhì)量構(gòu)成因素研究不斷深入,評(píng)價(jià)方法越來越側(cè)重多因素的綜合評(píng)價(jià)。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)涉及多方面指標(biāo),而大量指標(biāo)的分析測(cè)定是比較繁瑣的,因此,須要建立最小數(shù)據(jù)(minimum data set,簡(jiǎn)稱MDS)對(duì)土壤質(zhì)量因素之間存在關(guān)聯(lián)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前多數(shù)學(xué)者將灰色關(guān)聯(lián)度分析法、聚類分析法、主成分分析法、隸屬函數(shù)法的綜合評(píng)價(jià)方法[3-7],以及降維思想和模糊數(shù)學(xué)理論等方法逐步應(yīng)用到土壤學(xué)研究中,國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者常將多個(gè)土壤結(jié)構(gòu)屬性和理化性質(zhì)指標(biāo)綜合為土壤質(zhì)量指數(shù),以此來評(píng)價(jià)土壤生產(chǎn)力持續(xù)性和抵抗力穩(wěn)定性。應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度和非線性模型(non-linear model,簡(jiǎn)稱NL)方法分析篩選土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),建立寧夏回族自治區(qū)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并通過土壤質(zhì)量指數(shù)法驗(yàn)證最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)的有效性。本研究以寧夏回族自治區(qū)耕地為研究對(duì)象,在充分考慮常規(guī)養(yǎng)分指標(biāo)的基礎(chǔ)上,引入腐殖質(zhì)組分指標(biāo),并結(jié)合交換性鈣、交換性鎂、交換性鉀、交換性鈉離子含量,通過主成分分析確定土壤指標(biāo)的最小數(shù)據(jù)集,結(jié)合熵權(quán)法和公因子方法確定指標(biāo)權(quán)重,運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度和非線性評(píng)分模型構(gòu)建土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)在利用主成分分析確定候選MDS過程中,本研究考慮了土壤因子在單個(gè)主成分上的載荷,以期全面了解寧夏耕地肥力狀況,提供適合的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
寧夏回族自治區(qū)位于我國(guó)西部的黃河上游地區(qū),地處35°14′~39°23′N、104°17′~107°39′E,海拔超過1 000 m,屬于溫帶大陸性氣候,年均氣溫5.3~9.9 ℃,年無霜期 105~163 d,全區(qū)總降水量分布不均,南多北少,為167~647 mm,該區(qū)域太陽輻射性強(qiáng),蒸發(fā)量大,晝夜溫度和年季溫差大,四季分明[8]。土壤類型主要有黃綿土、灰鈣土、灌淤土。
1.2 樣品采集和分析
寧夏回族自治區(qū)5市玉米總面積為 31.09萬hm2,占糧食作物面積的42.3%。其中,銀川市4.03萬hm2,石嘴山市3.48萬hm2,吳忠市8.53萬hm2,固原市8.85萬hm2,中衛(wèi)市 6.20萬hm2[9],在寧夏的5個(gè)市內(nèi)選取43個(gè)玉米田塊,于2018年10—11月采集土壤樣品,采集方法:以“S”形布點(diǎn)法采集深度為0~30 cm的8~10個(gè)樣點(diǎn),將土壤樣品混合均勻,用四分法取樣 1 kg/份左右,共43份,做好標(biāo)記,帶回實(shí)驗(yàn)室,采樣情況見表1。
pH值測(cè)定采用電位法,電導(dǎo)率測(cè)定采用電極法,全氮含量測(cè)定采用半微量凱氏定氮法,全磷含量測(cè)定采用高氯酸-硫酸法,全鉀含量測(cè)定采用原子吸收法,速效磷含量測(cè)定采用鉬銻抗比色法,腐殖質(zhì)碳量組成測(cè)定采用腐殖質(zhì)組成修改法[10],交換性鈣離子、鎂離子、鉀離子、鈉離子含量測(cè)定采用乙酸銨浸提-火焰光度法。
1.3 數(shù)據(jù)處理方法
運(yùn)用Excel 2010進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單處理,采用SPSS 20.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集(MDS)確定的方法參考吳玉紅等的研究,利用熵權(quán)法和公因子方差來確定指標(biāo)權(quán)重,綜合分析方法采用灰色關(guān)聯(lián)度[11-12]和非線性模型[13],通過土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)和權(quán)重加權(quán)求和,比較各地區(qū)耕地質(zhì)量。
2 結(jié)果與分析
2.1 寧夏耕地土壤質(zhì)量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)描述
表2表明,寧夏耕地土壤養(yǎng)分含量分布不均勻。土壤平均pH值為8.46,屬于微堿性土壤[14]。電導(dǎo)率平均值為0.39 mS/cm,小于作物生育障礙臨界點(diǎn)(0.5 mS/cm)[15],電導(dǎo)率最大值為3.49 mS/cm,大于臨界值,應(yīng)對(duì)進(jìn)行相應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行土壤改良。全氮、全磷、全鉀、速效磷含量平均值分別為0.61、0.36、14.12、6.75 mg/kg,根據(jù)全國(guó)第2次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[16],全氮、全磷含量為缺乏型,全鉀、速效磷含量適中。土壤腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的主體,一般占土壤有機(jī)質(zhì)含量的60%~90%[17]。腐殖質(zhì)是由胡敏酸、富啡酸以及存在殘?jiān)械暮羲氐冉M成,寧夏耕地腐殖質(zhì)含量、腐殖酸含量、胡敏酸含碳量、富啡酸含碳量、胡敏素含碳量平均值分別為7.02、2.72、0.77、1.95、4.30 g/kg。交換性鈣、 交換性鎂、交換性鉀、交換性鈉含量平均值分別為3.54、1.41、0.35、0.66 cmol/kg。土壤各養(yǎng)分含量最大值和最小值存在明顯差異,變異系數(shù)范圍在0.06~1.77。在土壤學(xué)研究中通常進(jìn)行如下定義:變異系數(shù)(CV)≤0.1為弱變異,0.1 2.2 土壤質(zhì)量最小數(shù)據(jù)集的確定
最小數(shù)據(jù)集是一種對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法,其重要作用在于可以通過測(cè)定比較少的數(shù)據(jù)了解土壤的變化情況[18]。主成分分析法能夠較好地處理變量間的多重相關(guān)性,使各指標(biāo)間具有相互獨(dú)立性,是確定MDS最常用的方法[3]。由表3可知,對(duì)15項(xiàng)土壤屬性指標(biāo)做主成分分析,提取到特征值大于1的3個(gè)主成分,其特征值分別為5.168、3.229、2.327,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到71.495%,由此可知這3個(gè)主成分可以表達(dá)原始數(shù)據(jù)的大部分信息。主成分1的貢獻(xiàn)率達(dá)34.454%,全氮含量、腐殖質(zhì)含量、腐殖酸含量、富啡酸含碳量有較高的正載荷值,pH值有較高的負(fù)載荷值;主成分2的貢獻(xiàn)率為21.528%,全磷含量、全鉀含量、交換性鈣含量、交換性鎂含量、交換性鈉含量有較高的正載荷值;主成分3的貢獻(xiàn)率為15.513%,反映了速效磷含量、交換性鉀含量有較高的正載荷值,胡敏酸含碳量有較高的負(fù)載荷值。不同土壤質(zhì)量指標(biāo)公因子方差不同,腐殖質(zhì)含量公因子方差最大,為0.930,速效磷含量公因子方差最小,為0.415。
通過主成分分析,將每個(gè)特征值≥1的主成分中因子荷載絕對(duì)值≥0.5土壤參數(shù)選出分為一組[19],結(jié)果如表3所示。若某個(gè)指標(biāo)在不同主成分中的載荷均大于0.5,則將其并入與其他指標(biāo)相關(guān)性較低的一組,其中電導(dǎo)率因在各主成分的荷載都小于0.5,排除在分組外。Norm值的幾何意義為該變量在由主成分組成的多維空間中的矢量模長(zhǎng)度,Norm值越大,長(zhǎng)度越長(zhǎng),則表明該變量對(duì)所有主成分的綜合載荷越大[20-21],該指標(biāo)所包含的土壤質(zhì)量信息就越多。根據(jù)每組中Norm值在最高總分值的10%范圍以內(nèi)、相關(guān)性系數(shù)(表4)低于0.5、變異系數(shù)不宜過高的原則[11-12],最終選定的MDS指標(biāo)有5個(gè):全氮含量、全磷含量、胡敏酸含碳量、交換性鈣含量、交換性鎂含量。
2.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析
根據(jù)參評(píng)的MDS指標(biāo)和灰色系統(tǒng)理論要求,將43份土樣的5個(gè)指標(biāo)視為一個(gè)整體。選擇5項(xiàng)指標(biāo)的最大值為最優(yōu)指標(biāo)集,即X0(j)={2.41,0.76,4.99,10.40,3.93},進(jìn)行無量綱化處理,將其轉(zhuǎn)化為 0~1間的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。根據(jù)公式Δi(j)=︱X0(j)-Xi(j)︱計(jì)算絕對(duì)差值,其中i表示0~43號(hào)樣品,j表示0~5號(hào)樣品,二級(jí)最小差miniminj︱X0(j)-Xi(j)︱?yàn)?,二級(jí)最大差maximaxj︱X0(j)-Xi(j)︱?yàn)?.991 2。
利用公式(1)分別計(jì)算關(guān)聯(lián)度(表5)。采用熵權(quán)法確定果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重,全氮含量、全磷含量、胡敏酸含碳量、交換性鈣含量、交換性鎂含量權(quán)重分別為0.195、0.173、0.318、0.178、0.136,其中全氮含量、胡敏酸含碳量權(quán)重較大。將關(guān)聯(lián)度乘以權(quán)重后進(jìn)行加權(quán),計(jì)算各地加權(quán)關(guān)聯(lián)度。
2.4 土壤質(zhì)量非線性模型分析
非線性模型是通過非線性模型將指標(biāo)值轉(zhuǎn)換為0~1之間適當(dāng)?shù)姆种?,模型公式為SNL=a/[1+(x/x)b]。其中:a為最大得分,被確定為1;x是土壤實(shí)測(cè)指標(biāo)值;x為相應(yīng)的指標(biāo)平均值,b為方程斜率,表示類型指標(biāo)值。其中,“越多越好”類型的b被確定為-2.5,“越少越好”類型的b被確定為2.5[13,19]。MDS的5個(gè)指標(biāo)與土壤質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系,b取值為-2.5,非線性模型值詳見表6。
采用公因子方差確定果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重,全氮含量、全磷含量、胡敏酸含碳量、交換性鈣含量、交換性鎂含量的權(quán)重分別為0.237、 0.226、 0.161、0.175、0.201,其中全氮、全磷含量的權(quán)重較大。將隸屬函數(shù)值乘以權(quán)重后進(jìn)行加權(quán),計(jì)算各地綜合評(píng)價(jià)值。
2.5 土壤質(zhì)量結(jié)果評(píng)價(jià)
將2種土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果表明,2種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)性系數(shù)為0.88,具有高度的正相關(guān)性,因此2 種評(píng)價(jià)方法的結(jié)果具有很好的一致性,相互驗(yàn)證了準(zhǔn)確性。從圖1可以看出,2 種方法下寧夏耕地土壤肥力曲線變化趨勢(shì)大體一致,灰色關(guān)聯(lián)度的土壤質(zhì)量綜合評(píng)分為0.35~0.68,平均值為0.44,變異系數(shù)為17.96%;非線性評(píng)分模型方法的土壤質(zhì)量綜合評(píng)分為 0.06~0.87,平均值為0.41,變異系數(shù)為48.67%,其中非線性評(píng)分模型綜合評(píng)價(jià)變異程度較大。2種方法中排序都在前10名的有1、3、5、6、12、14、15、16、26號(hào)土壤質(zhì)量較好;排序都在后10名的有11、13、23、24、25、34、35、42、43號(hào)土壤質(zhì)量較差。由表7可知,2種方法中土壤質(zhì)量依次為固原市>石嘴山市>銀川市>吳忠市>中衛(wèi)市。
3 討論與結(jié)論
在一定土壤-作物-氣候條件下,土壤質(zhì)量的是衡量土壤肥力、土壤環(huán)境及作物生產(chǎn)可持續(xù)性的重要指標(biāo)[22]。目前并沒有統(tǒng)一的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法,評(píng)價(jià)指標(biāo)有所差異[23]。最小數(shù)據(jù)集是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的最少指標(biāo)集,且本研究利用主成分分析結(jié)合Norm值進(jìn)行最小數(shù)據(jù)集的篩選,考慮指標(biāo)在所有主成分上的載荷[24],科學(xué)地簡(jiǎn)化了指標(biāo)數(shù)據(jù)集[24-26]。劉引等采用主成分Norm值方法,建立了有機(jī)質(zhì)、全磷、速效磷、有效鎂以及有效鐵含量5個(gè)指標(biāo)組成的MDS[27]。杜發(fā)興等運(yùn)用主成分分析結(jié)合Norm值構(gòu)建以土壤容重、黏粒有機(jī)質(zhì)含量、有效磷含量、陽離子交換量、pH值、微生物含碳含量和微生物氮的最小數(shù)據(jù)集評(píng)價(jià)石漠化地區(qū)土壤質(zhì)量[12]。本研究采用主成分Norm值方法建立了全氮含量、全磷含量、胡敏酸含碳量、交換性鈣含量、交換性鎂含量5個(gè)指標(biāo)組成的MDS,與上述研究的土壤MDS指標(biāo)存在相同之處,有較好的代表性。碳、氮、磷含量是影響土壤質(zhì)量水平的重要因子,其含量和分布對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起著非常重要的作用[28-29],土壤交換性鈣、交換性鎂含量是影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素[30]。因此,本研究選出的5個(gè)MDS指標(biāo)對(duì)于寧夏耕地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)具有一定的實(shí)際意義。
本研究采用熵權(quán)法和主成分公因子方差法來確定指標(biāo)權(quán)重,建立全氮、全磷、胡敏酸碳量、交換性鈣、交換性鎂含量土壤質(zhì)量最小數(shù)據(jù)集評(píng)價(jià)寧夏部分區(qū)域土壤質(zhì)量的方法。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,2種方法的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)平均值均小于0.5,說明寧夏耕地土壤質(zhì)量處于中下等水平,固原市耕地土壤質(zhì)量較佳。寧夏土壤偏堿性,交換性鈣、交換性鎂在偏堿的北方土壤中含量較豐富[31],但全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)含量較低,是造成土壤質(zhì)量處于中下等水平的主要原因。土壤質(zhì)量因子受不同作物生長(zhǎng)、樣地選擇等因素影響,往往表現(xiàn)出不同的結(jié)果,但鑒于目前寧夏土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)比較缺乏,本研究采用土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)MDS對(duì)于今后的研究和實(shí)踐依然具有重要參考意義,為更精準(zhǔn)地評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量應(yīng)結(jié)合種植作物生長(zhǎng)因素,這樣評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)更加精準(zhǔn)。
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