基于主成分分析的土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)探討

三明市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢驗(yàn)檢測中心 福建 三明 365000

引言：土壤養(yǎng)分是對(duì)土壤肥力進(jìn)行評(píng)價(jià)的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，是供應(yīng)和協(xié)調(diào)植物生長的一個(gè)關(guān)鍵和前提，對(duì)土地的持續(xù)性利用起著決定性的作用。土壤養(yǎng)分是土壤肥力中的一個(gè)不穩(wěn)定性因素，受到人和自然界的雙重影響，一直都是處在動(dòng)態(tài)平衡的過程之中。土壤養(yǎng)分對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)性的影響是非常直接和深遠(yuǎn)的，綜合指標(biāo)對(duì)土壤養(yǎng)分含量的多少，土壤肥沃以及評(píng)價(jià)在農(nóng)業(yè)科學(xué)工作過程中都占據(jù)著關(guān)鍵性的位置，同時(shí)這也是科學(xué)，精細(xì)化耕地的前提和保障。在現(xiàn)在這一個(gè)階段，主成分分析在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)過程中的應(yīng)用范圍較為廣泛一些，一般都是認(rèn)為主成分分析能夠弱化變量之間的自相關(guān)性所導(dǎo)致的誤差，形成一種不相干的主成分，進(jìn)而取得各自的成分得分。與此同時(shí)通過對(duì)綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行計(jì)算工作，進(jìn)而取得土壤養(yǎng)分質(zhì)量的精準(zhǔn)評(píng)價(jià)。綜合研究方法在一定程度上評(píng)價(jià)了土壤養(yǎng)分的空間分布基本形式，對(duì)土壤展開綜合性的評(píng)價(jià)埋下了伏筆。有關(guān)于土壤養(yǎng)分空間分布特征的研究以及新聞從單一的土壤養(yǎng)分元素空間這一個(gè)層面進(jìn)行出發(fā)，對(duì)土壤養(yǎng)分的空間分布情況展開分析，或者是就是從不同的研究手法對(duì)土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的精度進(jìn)行分析。

一、研究的區(qū)域

三明市是在福建省，地處北緯25°30'～27°07'、東經(jīng)116°22'～118°39'總面積23191 平方公里，三明市是福建省區(qū)域性中心城市，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。

二、研究的具體方法

1.評(píng)價(jià)范圍的確定。三明年平均氣溫19.4℃，屬中亞熱帶氣候，雨量充沛，氣溫適宜，無霜期長，四季分明，夏長冬短，一年四季均宜旅游福建省中部偏西，沙溪中部沿岸，閩西北戴云山和武夷山脈之中，是具有中國南方典型特色的內(nèi)陸山區(qū)城市。東西寬230 多千米，南北長180 多千米，面積22928.8 平方千米。山地占總面積82%，耕地占8.3%，水域及其他占9.7%，有“八山一水一分田”之稱。地形以山地丘陵為主，中部為河谷盆地。

2.樣品采集以及制備。為了有效提升土壤養(yǎng)分預(yù)測的準(zhǔn)確性，可以運(yùn)用點(diǎn)力求均勻。充分結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥李愋秃偷匦蔚榷鄠€(gè)方面的因素。采取樣本的時(shí)候，通過定位系統(tǒng)，記錄采取時(shí)候的具體位置。全部的樣點(diǎn)遵循“等量，隨機(jī)，多點(diǎn)混合”基本原則，每一個(gè)點(diǎn)間隔20m，充分混合以后四分法取土1kg，一共采集了924 份進(jìn)行研究。樣品必須要在自然風(fēng)下風(fēng)干，通過篩選后測定各種養(yǎng)分指標(biāo)。采用重鉻酸鉀容量法，對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行測定。堿解擴(kuò)散法測定堿解氮0.5mol.L-1 碳酸氫鈉浸題一鉬銻抗比色法測定有效磷，火焰光度計(jì)法測定速效鉀。

3.數(shù)據(jù)和處理分析。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，所有的數(shù)據(jù)都參與分析。此次研究運(yùn)用因子分析提取主成分分析法（PCA），綜合各個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)對(duì)樣區(qū)的土壤養(yǎng)分展開一定的評(píng)價(jià)工作，然后通過COK 插值法對(duì)土壤綜合得分進(jìn)行一定的評(píng)價(jià)工作。PCA 方法通過因子分析確定土壤指標(biāo)主成分的特征值和特征向量，根據(jù)主成分的累積貢獻(xiàn)率選擇關(guān)鍵主成分，計(jì)算各主成分的得分，然后采用綜合得分公式計(jì)算各點(diǎn)土壤養(yǎng)分的綜合得分（IFI）；PCA 的基本思想是根據(jù)相關(guān)性對(duì)變量進(jìn)行分組，以使同一組中的變量之間的相關(guān)性較高，而不同組中的變量之間的相關(guān)性較低，并嘗試使用相對(duì)較少的個(gè)數(shù)公共因子線性函數(shù)以及特定的因子之和去對(duì)原來觀測的每一個(gè)變量進(jìn)行表達(dá)。合理地解釋原始變量之間的相關(guān)性并簡化變量的維數(shù)。運(yùn)用COK 插值方法對(duì)樣區(qū)土壤的養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)預(yù)測圖進(jìn)行有效繪制，把土壤樣本規(guī)劃到訓(xùn)練子集和檢驗(yàn)子集，通過訓(xùn)練子集與檢驗(yàn)子集之間的交叉比對(duì)系數(shù)對(duì)預(yù)測模型展開相關(guān)評(píng)價(jià)工作，選擇最優(yōu)理論模型對(duì)土壤的養(yǎng)分綜合得分（IFI）進(jìn)行空間上的預(yù)測。

三、結(jié)果與分析

1.土壤養(yǎng)分指標(biāo)一般性描述

根據(jù)對(duì)924 種土壤養(yǎng)分的描述（表1），樣本區(qū)土壤養(yǎng)分的空間分布是不均勻的。其中，最顯著的分布指標(biāo)為堿解氮，含量變化范圍為30-274 mg·kg-1，差值為244 mg·kg-1；其他營養(yǎng)指標(biāo)的分布差異為：速效鉀＞速效磷＞有機(jī)質(zhì)，差異為：速效鉀235 mg·kg-1，速效磷83.3 mg·kg-1，有機(jī)物19.2 g·kg-1；各指標(biāo)養(yǎng)分含量的變化系數(shù)為：有效磷結(jié)果表明：1.堿解氮＞有效鉀＞有機(jī)質(zhì)，均在10%-100%范圍內(nèi)，變化中等。

表1：土壤養(yǎng)分含量一般描述

2.土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)

指標(biāo)之間的相關(guān)性是進(jìn)行PCA 分析的必要先決條件。因此，在進(jìn)行主成分分析之前，應(yīng)對(duì)每種土壤養(yǎng)分指數(shù)進(jìn)行相關(guān)測試，結(jié)果列于表2。從土壤養(yǎng)分的相關(guān)系數(shù)矩陣可以看出，有機(jī)質(zhì)，堿解氮，有效磷和有效鉀在0.01 的置信水平下具有極顯著的正相關(guān)性，并且所有指標(biāo)尚未消除，符合因子分析的前提。相關(guān)系數(shù)為0.316，這可能是由于該地區(qū)的土壤管理方法主要是谷物和棉花施肥，水稻灌溉施肥以及更多的短期施肥，導(dǎo)致二者之間的相似性異常偏高。

表2：土壤養(yǎng)分相關(guān)系數(shù)矩陣

結(jié)束語：本篇文章主要就是以三明市農(nóng)耕區(qū)924 份土壤樣本數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。運(yùn)用PCA 這一分析方法把多種養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一，這樣更能夠體現(xiàn)出樣點(diǎn)土壤中養(yǎng)分相對(duì)多少的綜合得分（IFI）的值。在這一個(gè)基礎(chǔ)之上，通過COK 插值法對(duì)土壤養(yǎng)分IFI 值空間的具體分布結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究。