基于灰色關聯(lián)度的石漠化地區(qū)土壤質量評價

杜發(fā)興，吳登峰，吳厚發(fā)，姚 斌

(三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002)

【研究意義】石漠化是指在脆弱的生態(tài)環(huán)境下，由于人類不合理的社會經濟活動造成植被破壞、水土流失、土地生產能力衰退、地表呈現(xiàn)類似荒漠化的過程。通過對石漠化地區(qū)的土壤進行質量評價，能夠快速的反映當前的土壤質量和生產力狀況，達到預防土壤退化和提高土地生產力水平的目的。然而土壤質量作為土壤動態(tài)變化最為敏感的指標，不同的利用方式和管理措施都會對其產生巨大的影響。【前人研究進展】針對土壤質量評價尚沒有一套具體的評價方法和指標[1]，目前，大量學者針對石漠化地區(qū)土壤質量評價方面做了大量研究工作：鐘杰[2]以湘中石漠化地區(qū)為實驗對象，按景觀現(xiàn)狀對研究區(qū)石漠化等級進行分類，采用模糊數學和主成分分析的方法對湘中石漠化地區(qū)的土壤進行質量評價；田漣祎[3]針對貴州喀斯特石漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題，運用因子分析法分析了該地區(qū)的土壤質量和理化性質，為貴州喀斯特石漠化地區(qū)的旅游開發(fā)和環(huán)境保護提供理論指導；鄭茂[4]運用主成分分析、最小數據集和模糊數學建立了石漠化地區(qū)的土壤肥力質量評價體系，并采用土壤質量指數法評價了研究區(qū)的土壤質量等等。目前的研究多集中在首先對石漠化地區(qū)進行等級分類的基礎之上，再進行質量評價。而石漠化等級劃分尚無統(tǒng)一標準，不同的石漠化等級對土壤質量有不同的分布差異[5]。【本研究切入點】為了更加準確、客觀的對石漠化地區(qū)進行土壤質量評價，本文以湖北鶴峰縣石漠化地區(qū)為研究對象，直接根據研究區(qū)所采集的土壤樣品分析的基礎上，運用主成分分析法確定土壤屬性指標的最小數據集，結合熵權法確定參評指標權重，并采用灰色關聯(lián)分析構建研究區(qū)土壤質量評價體系，【擬解決的關鍵問題】以期正確、客觀的評價研究區(qū)的土壤質量，對研究區(qū)的土壤質量等級進行評判，為加快促進研究區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展提供理論支撐，同時為石漠化地區(qū)預防土壤退化和提高土壤質量提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省西南部的鶴峰縣石漠化地區(qū)，區(qū)域地理位置大致范圍為地處東經109°45′～110°38′、北緯29°38′～30°14′之間，地處亞熱帶，大陸性季風濕潤氣候，雨熱同季，時空分布不均勻。海拔194.6 m，高差達1901 m，地表高差懸殊，切割深、立體氣候顯著，低山溫潤，中高山溫和，高山溫涼。近年來，由于受到人口的增長、工農業(yè)的大力發(fā)展和歷史氣候等因素的影響，過度開發(fā)荒山坡地，導致該地區(qū)水土流失嚴重，植被覆蓋率較低，現(xiàn)有植被長勢緩慢、生態(tài)環(huán)境日漸惡劣，土壤質量退化，土地呈現(xiàn)荒漠化趨勢，因此對該地區(qū)進行土壤質量評價以改善該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、預防土壤退化迫在眉睫。

1.2 土壤樣品的采集與分析

在對研究區(qū)進行詳細踏勘之后，選取研究區(qū)5個較為典型的石漠化鄉(xiāng)鎮(zhèn)為研究對象，分別針對每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)設立面積為500 m×500 m的重復樣地4個，采取“S”形線路混合多點采樣，采集0～20 cm深度的土壤樣品，每個樣品大約1 kg，裝入密封袋中帶回實驗室分析。共測定理、化、生等18項土壤屬性指標，各屬性指標具體的測定方法詳見參考文獻[6-7]，每個樣品重復測定3次，取平均值。最后利用SPSS24軟件的因子分析模塊對實驗數據進行統(tǒng)計整理。

1.3 土壤質量評判標準的確定

研究土壤質量的目的是為了探索石漠化地區(qū)土壤退化的程度，而影響土壤質量的因素較多，因此在對土壤質量進行評判時指標的選取應該公正靈敏。本文根據全國第二次土壤普查質量評價指標體系，結合此次土壤樣本的測定情況，選取土壤容重(BD)、黏粒(Clay)、有機質(SOM)、有效磷(AP)、陽離子交換量(CEC)、PH、微生物碳(MBC)和微生物氮(MBN)這8個指標，并進行加權關聯(lián)度計算，得出各等級的臨界值見表1。

2 土壤質量綜合評價方法的構建

2.1 土壤質量評價最小數據集的確定[8]

最小數據集(Minimum Data Set, MDS)是在1991年由Larson和Pierce提出的一種對土壤質量進行評價的方法，其重要作用在于可以通過測定比較少的數據了解土壤的變化情況[9]。本研究采用軟件SPSS24進行主成分分析和指標相關性的分析方法來選擇和確定最小數據集的評價指標。最小數據集建立的步驟如下：

(1)運用主成分分析計算各土壤指標在所有特征值≥1的主成分(PC)并根據式(1)計算每個評價指標的Norm值：

(1)

式中：Nik式第i個變量；Nik為第i個變量在特征值>1的前k個主成分上的綜合載荷；Uik為第i個變量在前k個主成分上的載荷；λk為第i個變量在前k個主成分上的特征值。

(2)依據荷載矩陣，將每個主成分下的因子荷載≥0.5的評價指標分成一組，若某項土壤指標參數在2個主成分下的因子荷載值大于0.5，則該參數應歸于其他參數相關性較低的那一組，并且計算每一組的Norm值，選取每組中Norm值在最高總分值的10 %范圍以內作為其候選指標。

表1 土壤質量評判標準

(3)對得到的MDS作進一步的相關性分析，如果相關性(r>0.5)高度相關，則確定分值最高的指標進入到MDS，從而得到最終的MDS。

2.2 指標權重的確定

在對土壤進行質量評價時，因為每個指標對土壤質量的影響不同，因此必須根據每個指標的影響力程度對每個指標合理的賦予不同的權重。根據前人的大量研究表明，熵權法作為一種客觀的賦權法，其計算簡單、排除了主觀因素的影響且能夠真實的表征各種指標的影響力[10-12]。熵權法的計算步驟如下：

近紅外技術具有其背景干擾小、快速、穿透力強、無污染、無破壞等突出的優(yōu)點，將近紅外技術與現(xiàn)有的沙門氏菌檢測技術相結合，可實現(xiàn)對沙門氏菌的靈敏快速檢測。張捷等(2017)[36]研究用免疫層析試紙條結合近紅外熒光染料方法檢測沙門氏菌，其最低檢出限為0.5×103CFU/mL，且可在45min內完成整個檢測過程，提高了沙門氏菌的檢測速率，適用于快速、實時、現(xiàn)場檢測，為食源性致病菌的檢測提供了一種新思路。

(1)假設有n個評價指標m個樣地組成的評價矩陣，A=(aij)m×n(i=1、2……n；j=1、2……m),即：

(2)

對A進行歸一化處理得到：

(3)

式中：bij為原始指標歸一化后的值，對于是數據進行歸一化處理，以消除量綱之間的差異。

(2)計算第j項指標的熵值ej:

(4)

(5)

2.3 灰色關聯(lián)度的計算

灰色關聯(lián)分析實質上是幾個曲線間的幾何形狀的比較分析，幾何形狀越接近，發(fā)展的變化趨勢也越接近，則關聯(lián)度越大，反之，則關聯(lián)度越小[13-14]。在對土壤質量進行評價時，因指標選取方法尚無統(tǒng)一標準，采用灰色關聯(lián)分析可以使得評價結果表現(xiàn)的更加準確、客觀。灰色關聯(lián)分析步驟：

(1)參考數列的選取。

(2)評價指標的無量綱化處理。

由于所測樣品指標數據量綱單位的不同，必須在關聯(lián)分析之前進行數據的無量綱化處理。目前，正向指標處理如式(6)所示，逆向指標處理如式(7)所示，通過無量綱化處理使得所有數據在0～1的區(qū)間以內。

(6)

(7)

(3)關聯(lián)度系數的求解。

(8)

(4)求解加權關聯(lián)度。

(9)

式中：為被評指標與參考數列的加權關聯(lián)度。由灰色關聯(lián)分析理論可知，參考數列是土壤質量評價中最優(yōu)的，因此當被評指標與參考數列的關聯(lián)度越大則反映土壤質量越優(yōu)。

3 實例分析

3.1 最小數據集的確定

對所測定的18項土壤屬性指標做主成分分析，結果顯示，特征值大于1的主成分有6個，累計貢獻率達到87.033 %，由此可知這6個主成分可以表達原始數據的大部分信息。根據前述方法，將各指標劃分為6組(表2)，并由公式(1)計算比較Norm值得大小，以此來篩選指標。根據每組待選指標的Norm值得大小和相關性的高低來確定最終的MDS。在第1組中，Norm值最高的是微生物碳，其次是陽離子交換量，但是微生物碳和陽離子交換量的相關性較低，因此第1組中的微生物碳和陽離子交換量均進入最終的MDS；第2組中Norm值最大的是有機質，其次是有土壤容重，由于有機質和土壤容重之間的相關性小于0.5(表3)，故保留有機質和土壤容重進入最終的MDS；同理，第3組選取Norm值較高的黏粒進入最終的MDS；第4組選取有效磷；第5和6組均只有1個參選指標，因此全部選取進入最終的MDS。綜上所述。進入到最終的最小數據集的指標參數是土壤容重(BD)、黏粒(Clay)、有機質(SOM)、有效磷(AP)、陽離子交換量(CEC)、PH、微生物碳(MBC)和微生物氮(MBN)這8個指標。

表2 土壤指標因子荷載矩陣、貢獻率及Norm值

表3 參評指標相關系數矩陣

3.2 數據集指標權重的確定

根據熵權法確定最終的最小數據集的指標權重，由式(3)構造無量綱歸一化的判斷矩陣B。

表4 指標權重數據

利用公式(4)求得評價指標的熵值ej=(0.9652，0.9622，0.9399，0.9701，0.9370，0.9334，0.9243，0.9670)，再根據公式(5)可以計算出所求指標的權重(表4)。

3.3 灰色關聯(lián)度分析

根據前述熵權法確定了指標的權重(表4)，由于關聯(lián)度系數較多，不方便數據處理，因此文中將各指標關聯(lián)系數集中為一個值即加權關聯(lián)度值，根據公式(9)，可以計算出各樣地的加權關聯(lián)度值(表6)。

根據以上計算結果顯示：①5塊樣地的加權關聯(lián)度的平均值排序依次為：下坪>中營>燕子>五里>走馬，并結合土壤質量評判標準表可得，下坪的土壤質量等級為Ⅱ級，中營為Ⅲ級，燕子和五里均為Ⅳ級，走馬為Ⅴ級，下坪因地勢較平坦且靠近下月河，林地農田保護澆灌良好，因此土壤質量等級最高；而走馬靠近湖南西北部石漠化地區(qū)，氣候干燥且過度開發(fā)，水土流失嚴重，故土壤質量等級排名最后，評價結果與實際情況相符合；②研究區(qū)整體的土壤質量屬于中等偏下的水平，為促進研究區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展，低值區(qū)域的土地利用方式可以借鑒和參考高值區(qū)域的利用和管理方式以此來提高土壤的整體質量。

4 結 論

根據湖北省鶴峰縣石漠化地區(qū)的實際情況，利用主成分分析法建立了該地區(qū)的土壤質量評價體系的最小數據集，結合熵權法確定參評指標的權重，并運用灰色關聯(lián)分析法綜合分析評判了鶴峰縣石漠化地區(qū)的土壤質量，避免了以往眾多的土壤屬性指標難以選擇的困境，同時采取熵權法確定指標權重，避免了因主觀思想的干擾，影響最后的土壤質量評判等級，最終結果也顯示本文的評價模型與研究區(qū)實際情況相一致。因此本文基于最小數據集和灰色關聯(lián)分析可以客觀公正的評價石漠化地區(qū)的土壤質量，該方法計算簡便、思路清晰，為我國其他石漠化地區(qū)預防土壤退化和改善土壤質量提供參考，同時也為石漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展提供一定的指導和幫助。

表5 關聯(lián)度系數值

表6 樣地加權關聯(lián)度值