灰色關聯度法在農業非點源污染土壤影響因子分析中的應用

林紹霞，林昌虎，何騰兵，張清海

(1.貴州省理化測試分析研究中心，貴州貴陽550001;2.貴州大學 生命科學學院，貴州貴陽 550025;3.貴州科學院，貴州貴陽550001.)

土壤既是自然資源的構成要素，又是農業生產的重要自然資源[1]，是農業生產的主要載體。隨著農業技術水平的提高和農業生產向集約型的轉變，農業生產在接受現代科技成果過程中，大量農藥、化肥、生長素的使用，造成農業土壤中營養元素的富集以及有毒有害物質的積累[2]。土壤環境質量逐漸惡化，進而對水環境構成潛在危害[3]。污染物在土壤中的環境行為受多種因素的影響，這些因素對土壤污染程度的貢獻率存在一定的差異，采用數學方法對污染因子研究，識別農業非點源污染因子對土壤環境惡化的關聯程度及潛在危害性，對農業非點源污染的防治和農田土壤環境維護具有重要的指導作用。用數學方法定量研究環境問題已經非常普遍[4]，尤其是利用多元統計和模糊數學對事前不存在分類關系的情況下，對于邊界模糊的問題進行數據結構的定量分析，最終給予定量化的評判標準。因子分析普遍采用統計學的回歸分析法，它一般具有較高的精度和置信度，但是這種方法一是需要完備連續的信息資料;二是要求數據分析是線性的或者是典型的;三是計算方法工作量大，且相關系數對數據變化的靈敏度高，有可能出現異常結論。而灰色系統理論可在信息不是很完備或缺損的情況下，對系統進行量化處理，彌補信息不足，以得到較精確的分析結果[5-6]。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集與分析

利用GPS定位并采集土壤耕作層或表層的混合樣。采集土樣的土地利用類型包括:旱地、水田、菜園、林地(表1)，其中林地土壤作為對照樣品。考慮與農村居民點距離不同，土壤受人類農業生產及生活活動干擾程度不同，分別采集距居民點不同距離土壤做對比分析，同種土地利用方式下的土壤，由于種植作物不同，作物對培肥及田間管理要求不同，土壤受污染程度亦各異，因此在相同地類下采集不同種植制度的土壤進行對比研究。土壤樣品于3月中、下旬采集，此間秋播農作物將近成熟期，作物所需養分也達飽和，土壤中營養元素作為過剩物料，會對環境造成污染。同時春播作物未下種，避免由于剛施下肥料，作物未充分利用而暫貯存于土壤中。耕作土樣品采集布點于典型耕作田土塊內，采集多點混合耕作層土壤1 kg。

1.2 樣品處理與分析

樣品自然風干后，按四分法分別制成粒徑2，1，0.25 mm的待測樣品。樣品測試指標及相應方法分別為:土壤質地采用比重計法;pH值(H2O 1∶2.5)采用 pHS-5型酸度計法;有機質采用 K2CrO7—H2SO4外加熱法;全氮采用開氏定氮法;堿解氮采用堿解擴散法;全磷采用 H2SO4—HClO4消解，鉬銻抗比色法;有效氮采用堿解擴散法;速效磷的測定采用:pH≥6.5用NaHCO3浸提，pH＜6.5用 NH4F—HCl浸提，鉬銻抗比色法[7];供試樣品指標測試結果見表2。

表1 供試土樣信息

表2 供試樣品指標測定結果

2 土壤污染因子灰色關聯度分析

運用農業面源污染模型定量化地對農業土壤污染影響因子進行分析，污染指數與影響因子之間有很清楚的界線，但影響因子信息具有不完備、不連續的特征，且因子交叉影響，對土壤污染指數作用的關系直觀上不清楚，因此試圖用灰色關聯分析方法進行因子分析。

2.1 原始數據無量綱處理

數據無量綱處理是將供試樣品所測定的各項指標含量進行統一變換處理，使各指標數量級基本相同，以消除不同指標量綱及數值標準相差過分懸殊帶來的影響，避免造成非等“權”狀況[9]。本研究對測定的各污染因子原始數據作區間化處理，使各項指標的值保持在0～1之間，得到 xi(k)矩陣(表 3)。即利用計算式

對表2中的原始數據進行無量綱處理，i為供試土壤樣品序列(1≤i≤13，i∈N)，n為與土壤污染相關的因子(1≤k≤73，k∈N)。

表3 土壤污染相關因子無量綱化

2.2 關聯系數計算

依據Δi(k)=│x0(k)-xi(k)│，計算比較數列在第k個因子在第i個樣品的絕對差，進一步計算出Xi與X0在k點的關聯系數:

本研究以林地各污染因子作為參照序列，ρ取0.5，經矩陣絕對差變換得

由此求得關聯系數如表4。

2.3 供試樣品測試指標關聯度計算

用K個指標關聯系數的平均值作為比較因素與分析因素整個關聯程度的量度，即，計算結果見表5。

3 分析與討論

現代農業產值大幅度增長的過程中，化肥、農藥在農業生產中的廣泛應用，提高了農作物產量。另一方面也產生了有毒有害物質在農作物中富集危害人體健康等，農田土壤氮、磷因地表徑流進入水體而產生富營養化等非點源問題。

本研究以林地土壤的各項測定指標為參照序列，視林地土壤中指標含量為區域環境容量本底值，在其它樣品與之進行關聯度分析時，關聯度越大，說明樣點土壤環境潔凈度與林地相似性越大，土壤環境受人為干擾污染程度越輕，反之關聯度越小，土壤受人類生產生活污染越嚴重，土壤中氮、磷對環境的潛在危害越突出。

3.1 土地利用類型影響

根據表1和表5可以看出，3種不同利用類型的農耕地中，與土壤污染相關指標均值關聯度關系順序為:水田(0.601)＜菜地(0.684)＜旱地(0.735)，表明水田在接受農業生產過程中，土壤污染發生的機率要大于其它農耕地，因為污染物在水田中徑流流失量較小，污染物在土壤中積累超過作物需求量。菜地由于耕種頻繁，且蔬菜種植密度大，單位面積外加化肥量多于旱地，土壤污染嚴重程度大于旱地。

表4 供試樣品污染相關因子關聯系數

表5 關聯度計算結果

3.2 種植制度影響

同種利用類型的土壤，不同種植制度水田樣品中，關聯度順序為:水稻—油菜(0.592)＜水稻(0.631)，說明種植制度不一樣，污染程度不同，單季耕作土壤受污染的程度小于兩季輪作。

3.3 與居民點距離影響

在土地類型一樣，耕作制度相同的情況下，土壤污染與居民點的距離也存在相關性，通過分析種植作物均是玉米—油菜輪作，與居民點的距離大于1 km和200 m的旱地土壤，發現距離越近，其關聯度越高，表明距住所越近，人們進行田間管理較方便，土壤接受外加肥源的機率越大，土壤污染發生的可能性越大。

用灰色關聯度法對農業非點源污染對土壤危害的影響因素進行研究，可以將非點源污染冗雜的影響指標歸一化，最終得到一個反映污染關系的關聯度，減少在數據分析過程中由于數據多而雜給分析帶來不便，同時可以避免因子之間相互影響對分析結果的混淆。灰色關聯度法能夠完整地反映土壤污染發生相關因素的關系，分析方法更客觀，是農業非點源污染復雜體系研究中值得推廣的有效方法。

[1] 陳滿懷.環境土壤學[M].北京:科學出版社，2005:216-217.

[2] 呂曉男，孟賜福，麻萬諸，等.農用化學品及廢棄物對土壤環境與食物安全的影響[J].中國農業生態學報，2005，13(4):150-153.

[3] 唐蓮，白丹.農業活動非點源污染與水環境惡化[J].環境保護，2003(3):18-20.

[4] 安中華，安瓊.農田土壤環境質量的最有模糊聚類及其分級[J].統計與決策，2008(1):39-42.

[5] 鄧聚龍.灰色系統基本方法[M].武漢:華中理工學院出版社，1987.

[6] 王治禎.灰色系統及模糊數學在環境保護中的應用[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2007.

[7] 杜森，高祥照.土壤分析技術規范[M].北京:中國農業出版社，2006.

[8] 吳新民，潘根興.影響城市土壤重金屬污染因子的關聯度分析[J].土壤學報，2003，40(6):921-928.

[9] 李月芬，湯潔，李艷梅.用主成分分析和灰色關聯度分析評價草原土壤質量[J].世界地質，2004，23(2):169-174.