基于最小數(shù)據(jù)集的寧夏耕地土壤質(zhì)量評價

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象，選取15項土壤質(zhì)量指標，運用主成分分析結(jié)合Norm值構(gòu)建評價指標最小數(shù)據(jù)集（MDS），通過灰色關(guān)聯(lián)度和非線性模型（non-linear model，簡稱NL）進行土壤質(zhì)量評價。研究表明，寧夏耕地土壤質(zhì)量評價指標MDS包括全氮、全磷、胡敏酸碳量、交換性鈣、交換性鎂含量;2 種評價方法結(jié)果具有高度的正相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)為0.88，相互驗證了評價結(jié)果的準確性，非線性評分模型方法計算更加簡便。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)量評價

中圖分類號：S151.9 ?文獻標志碼： A ?文章編號：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，可衡量土壤對作物生長所需的各種養(yǎng)分的供給能力，也是土壤物理、化學和生物學性質(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，因此科學而準確地對土壤性質(zhì)進行評價尤為重要[1-2]。隨著數(shù)理統(tǒng)計軟件的廣泛應(yīng)用，土壤質(zhì)量構(gòu)成因素研究不斷深入，評價方法越來越側(cè)重多因素的綜合評價。土壤質(zhì)量評價涉及多方面指標，而大量指標的分析測定是比較繁瑣的，因此，須要建立最小數(shù)據(jù)（minimum data set，簡稱MDS）對土壤質(zhì)量因素之間存在關(guān)聯(lián)性進行評價。目前多數(shù)學者將灰色關(guān)聯(lián)度分析法、聚類分析法、主成分分析法、隸屬函數(shù)法的綜合評價方法[3-7]，以及降維思想和模糊數(shù)學理論等方法逐步應(yīng)用到土壤學研究中，國內(nèi)外專家學者常將多個土壤結(jié)構(gòu)屬性和理化性質(zhì)指標綜合為土壤質(zhì)量指數(shù)，以此來評價土壤生產(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，簡稱NL）方法分析篩選土壤質(zhì)量評價指標，建立寧夏回族自治區(qū)土壤質(zhì)量評價指標體系，并通過土壤質(zhì)量指數(shù)法驗證最小數(shù)據(jù)集指標的有效性。本研究以寧夏回族自治區(qū)耕地為研究對象，在充分考慮常規(guī)養(yǎng)分指標的基礎(chǔ)上，引入腐殖質(zhì)組分指標，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權(quán)重，運用灰色關(guān)聯(lián)度和非線性評分模型構(gòu)建土壤質(zhì)量評價體系。土壤質(zhì)量評價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)量評價方法。

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，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個市內(nèi)選取43個玉米田塊，于2018年10—11月采集土壤樣品，采集方法：以“S”形布點法采集深度為0～30 cm的8～10個樣點，將土壤樣品混合均勻，用四分法取樣 1 kg/份左右，共43份，做好標記，帶回實驗室，采樣情況見表1。

pH值測定采用電位法，電導(dǎo)率測定采用電極法，全氮含量測定采用半微量凱氏定氮法，全磷含量測定采用高氯酸-硫酸法，全鉀含量測定采用原子吸收法，速效磷含量測定采用鉬銻抗比色法，腐殖質(zhì)碳量組成測定采用腐殖質(zhì)組成修改法[10]，交換性鈣離子、鎂離子、鉀離子、鈉離子含量測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

運用Excel 2010進行原始數(shù)據(jù)的簡單處理，采用SPSS 20.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析。土壤質(zhì)量評價的最小數(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)量綜合評價指數(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)量指標統(tǒng)計描述

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（0.5 mS/cm）[15]，電導(dǎo)率最大值為3.49 mS/cm，大于臨界值，應(yīng)對進行相應(yīng)的區(qū)域進行土壤改良。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)全國第2次土壤普查分級標準[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)是土壤有機質(zhì)的主體，一般占土壤有機質(zhì)含量的60%～90%[17]。腐殖質(zhì)是由胡敏酸、富啡酸以及存在殘渣中的胡敏素等組成，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。在土壤學研究中通常進行如下定義：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)集是一種對土壤質(zhì)量評價的方法，其重要作用在于可以通過測定比較少的數(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，使各指標間具有相互獨立性，是確定MDS最常用的方法[3]。由表3可知，對15項土壤屬性指標做主成分分析，提取到特征值大于1的3個主成分，其特征值分別為5.168、3.229、2.327，累計貢獻率達到71.495%，由此可知這3個主成分可以表達原始數(shù)據(jù)的大部分信息。主成分1的貢獻率達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值有較高的負載荷值;主成分2的貢獻率為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載荷值。不同土壤質(zhì)量指標公因子方差不同，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，將每個特征值≥1的主成分中因子荷載絕對值≥0.5土壤參數(shù)選出分為一組[19]，結(jié)果如表3所示。若某個指標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度，Norm值越大，長度越長，則表明該變量對所有主成分的綜合載荷越大[20-21]，該指標所包含的土壤質(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指標有5個：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)參評的MDS指標和灰色系統(tǒng)理論要求，將43份土樣的5個指標視為一個整體。選擇5項指標的最大值為最優(yōu)指標集，即X0（j）={2.41，0.76，4.99，10.40，3.93}，進行無量綱化處理，將其轉(zhuǎn)化為 0～1間的標準化數(shù)據(jù)。根據(jù)公式Δi（j）=︱X0（j）-Xi（j）︱計算絕對差值，其中i表示0～43號樣品，j表示0～5號樣品，二級最小差miniminj︱X0（j）-Xi（j）︱為0，二級最大差maximaxj︱X0（j）-Xi（j）︱為0.991 2。

利用公式（1）分別計算關(guān)聯(lián)度（表5）。采用熵權(quán)法確定果實品質(zhì)指標的權(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)重后進行加權(quán)，計算各地加權(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值轉(zhuǎn)換為0～1之間適當?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是土壤實測指標值;x為相應(yīng)的指標平均值，b為方程斜率，表示類型指標值。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個指標與土壤質(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品質(zhì)指標的權(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)重后進行加權(quán)，計算各地綜合評價值。

2.5 土壤質(zhì)量結(jié)果評價

將2種土壤質(zhì)量評價方法的結(jié)果進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，2種方法的評價結(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 種評價方法的結(jié)果具有很好的一致性，相互驗證了準確性。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大體一致，灰色關(guān)聯(lián)度的土壤質(zhì)量綜合評分為0.35～0.68，平均值為0.44，變異系數(shù)為17.96%;非線性評分模型方法的土壤質(zhì)量綜合評分為 0.06～0.87，平均值為0.41，變異系數(shù)為48.67%，其中非線性評分模型綜合評價變異程度較大。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[22]。目前并沒有統(tǒng)一的土壤質(zhì)量評價標準和評價方法，評價指標有所差異[23]。最小數(shù)據(jù)集是評價土壤質(zhì)量的最少指標集，且本研究利用主成分分析結(jié)合Norm值進行最小數(shù)據(jù)集的篩選，考慮指標在所有主成分上的載荷[24]，科學地簡化了指標數(shù)據(jù)集[24-26]。劉引等采用主成分Norm值方法，建立了有機質(zhì)、全磷、速效磷、有效鎂以及有效鐵含量5個指標組成的MDS[27]。杜發(fā)興等運用主成分分析結(jié)合Norm值構(gòu)建以土壤容重、黏粒有機質(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)集評價石漠化地區(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個指標組成的MDS，與上述研究的土壤MDS指標存在相同之處，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，其含量和分布對植物的生長發(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MDS指標對于寧夏耕地土壤質(zhì)量評價具有一定的實際意義。

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)集評價寧夏部分區(qū)域土壤質(zhì)量的方法。評價結(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、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)量評價比較缺乏，本研究采用土壤質(zhì)量評價MDS對于今后的研究和實踐依然具有重要參考意義，為更精準地評價土壤質(zhì)量應(yīng)結(jié)合種植作物生長因素，這樣評價結(jié)果會更加精準。

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