不同玉米種植土屬養分的模糊聚類評價

摘要：為玉米種植土壤養分管理提供科學的理論依據，以山西省晉中市和順縣玉米種植土壤為研究對象，基于對其不同土屬耕層土壤（0～20 cm）有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量的分析數據，利用模糊聚類法對其養分適宜性進行評價，明確不同玉米種植土屬養分的限制性因素。結果表明，基于模糊聚類理論的不同玉米種植土屬土壤養分評價方法獲得了較好的評價結果，評價對象的最佳分類數為4，地理空間上土壤隸屬關系相對明確，可用于實施平衡施肥推薦。

關鍵詞：玉米種植土壤；土屬；模糊聚類評價；山西省晉中市和順縣

中圖分類號：S159.2，S11 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）03-0621-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.03.018

Abstract：In order to provide theoretical basis for nutrient management of corn planting soil， taking the corn planting soil of Heshun county in Jinzhong of Shanxi as the research object，and based on the data analysis for content of organic matter，total nitrogen，rapidly available phosphorus and rapidly available potassium of different soil genus topsoil （0～20 cm），the suitability of corn planting soil was evaluated by using the fuzzy clustering method to define the factors limiting the nutrient of different corn planting soil genus. The Results showed that the fuzzy clustering method-based evaluation on nutrient of different corn planting soil genus obtained a better outcome，the optimal class number of its evaluation object was 4，and the soil subordinate relations in geography space were relatively clear，which can be usable for the recommendation of balanced fertilizer application.

Key words：corn planting soil； soil genus；the fuzzy clustering evaluation；Heshun county in Jinzhong of Shanxi

種植、養殖業是山西省晉中市和順縣農業經濟的重要組成部分，玉米種植既是種植業的主要品種，又是養殖業飼草料的重要來源。根據山西省第二次土壤普查，和順縣玉米種植土壤為鈣質粗骨土、黃土質褐土性土和砂泥質褐土性土等15類土屬[1]，不同土屬養分含量差異很大。傳統的施肥策略往往是不加區分統一施肥，易造成資源浪費和生態環境破壞。對不同土屬進行土壤養分評價，可為該區域玉米種植的土壤適宜性做出定性、定量和定位的分析[2]，為有效施肥提供依據，對進一步開發土地潛力、節約種植成本、提高玉米的產量和質量有重要意義，對充分利用自然資源、促進農村社會經濟可持續發展具有現實意義。

1 材料與方法

1.1 土樣獲取

采樣區域為和順縣縣域，全縣共有玉米種植土壤1.71萬hm2，根據和順縣土壤圖，結合山西省第二次土壤普查土種歸屬表，確定采樣點位，具體見表1。

采樣采用“S”形取樣方法，取樣深度為0～20 cm耕作層土壤，均勻隨機采樣，將同種土屬各樣品充分混合后四分法留取1 kg為1個土壤樣品，并裝到已標識好樣本號的袋中。

1.2 聚類因子選取

影響玉米生長的土壤要素主要有大量元素、中量元素、微量元素及有機質等，其中影響最顯著的為大量元素氮、磷、鉀和有機質含量[3]，土壤養分的調查分析針對土壤中有機質、全氮、速效磷和速效鉀等含量，選擇聚類因子來進行相關的模糊聚類分析和評價。選取有機質、全氮、速效磷、速效鉀4個土壤養分適宜性評價聚類因子。

1.3 土壤養分測定

對各樣本的有機質、全氮、速效磷和速效鉀進行測定，有機質采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法；全氮采用凱式蒸餾法；速效磷采用碳酸氫鈉或氟化銨-鹽酸浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀采用乙酸銨浸提-原子吸收分光光度計法。

1.4 模糊聚類分析

運用模糊聚類分析方法，對采集土樣的有機質、全氮、速效磷和速效鉀等養分含量進行分析。

1.4.1 數據標準化[4]

1）原始數據矩陣。設論域U={xi1，xi2，…，xim}為被分類對象，每個對象有m個指標表示其性狀，即xi={xi1，xi2，…，xim}，（i=1，2，…，n），于是，得到原始數據矩陣為x11 x12 … r1mr21 r22 … r2m■ ■ ？塤 ■rn1 rn2 … rnm，

式中xnm表示第n個分類對象的第m個指標的原始數據。

2）數據標準化。為了使不同的量綱進行比較，需要對數據做適當的變換。本研究的數據標準化，就是根據模糊矩陣的要求，將數據壓縮到區間[0，1]上。采用標準差標準化法：

1.4.3 建立模糊等價矩陣 用二次方法求R的傳遞閉包，即t（R）=R*。是將R自乘，得R2，再自乘，得R4，然后再自乘，如此下去，直至某一步出現Rn=R2n，得到一個模糊等價關系矩陣R#[6]。

1.4.4 聚類分析 就該模糊等價矩陣R#進行聚類，置信度由大變小逐漸歸類，形成系統聚類樹，選擇最恰當的置信度樣本進行分類，并分析不同土壤的施肥原則。

2 結果與分析

2.1 樣本土壤養分含量值

所測得各樣本土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀情況見表2。

2.2 樣本土壤養分含量聚類評價分析

對表1中的數據進行標準化轉變得標準化數據，具體情況見表3。

根據表3的數據，按計算得相關系數矩陣，具體見圖1。

該模糊相似矩陣R并不能滿足傳遞性，對其進行改造。用傳遞閉包法改造后所得模糊等價矩陣見圖2。

取置信度0.68，得最終分類結果：{砂泥質淋溶褐土}，{沖積潮土，鈣質粗骨土，湖積潮土，黃土質淋溶褐土，黃土狀石灰性褐土，灰泥質褐土性土，砂泥質褐土性土，砂泥質中性粗骨土}，{溝淤褐土性土，紅黃土質褐土性土，黃土質褐土性土}， {黑壚土質褐土性土，硫酸鹽鹽化潮土，麻砂質褐土性土}。

2.3 聚類評價和建議

按照土壤養分豐缺將土壤分為6級，具體見表4。

對照表4，和順縣玉米種植土壤可聚類為4類，不同聚類土屬的具體情況和施肥管理分析如下：

1）高產田：砂泥質淋溶褐土屬于玉米種植高產田，土壤各養分含量高，滿足玉米生長所需，在后續種植過程中只需依據玉米產量及其生長各階段所需養分需求合理均衡施肥即可，可適當加施氮肥。

2）中產田一：沖積潮土、鈣質粗骨土、湖積潮土、黃土質淋溶褐土、黃土狀石灰性褐土、灰泥質褐土性土、砂泥質褐土性土、砂泥質中性粗骨土8類土屬為一大類，該類土壤養分含量較高、速效磷和速效鉀存在不同程度的缺乏，屬玉米種植中產田，注意在種植玉米的過程中根據玉米產量及各生長期所需元素的量合理補充磷肥和鉀肥。

3）中產田二：溝淤褐土性土、紅黃土質褐土性土、黃土質褐土性土屬于玉米種植中產田。土壤中有機質和氮元素含量偏少，施肥工作中需選用氮磷鉀比例適中的化肥，在合理施用磷肥和農家肥的基礎上，注意補充含氮肥料。

（4）低產田：黑壚土質褐土性土、硫酸鹽鹽化潮土、麻砂質褐土性土屬于玉米種植低產田，該類土屬土壤4種養分均不同程度缺乏，且缺口數量較大，在施肥工作中，需大量補充氮肥、磷肥及鉀肥，加大各種肥料的施用量。

3 小結和討論

以玉米種植不同土屬土壤為研究對象，應用模糊聚類評價方法，結合實驗室分析數據，構建了評價指標體系，對各土屬土壤進行分類，得出各土屬養分對于玉米種植的適宜性。

通過評價將和順縣玉米種植土地分為4類，分別為1類高產田、2類中產田和1類低產田，結合所收集到的原始數據對各土屬養分進行具體分析，以評價結果為依據提出合理的平衡施肥建議。受模型限制，只能得出各類土屬土壤養分的大概分類情況，無法定量地提出精確施肥建議，在以后的研究中應著重于這一方面，更好地為農民種植工作提供科學施肥依據。

參考文獻：

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[4] 謝季堅，劉承平.模糊數學方法及其應用[M].武漢：華中科技大學出版社，2001

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