投影尋蹤模型在耕地土壤肥力分級評價中的應(yīng)用

蘭代萍 謝賢健

（內(nèi)江師范學(xué)院，四川 內(nèi)江 641000）

前言

土壤肥力是土壤各方面性質(zhì)的綜合反映，一般常用N、P、K和有機(jī)質(zhì)等來衡量土壤肥力的高低，是土壤綜合肥力評價的根本。對于土壤肥力評價的研究，國內(nèi)外已在評價指標(biāo)體系和評價方法方面開展了大量的研究工作。本研究選擇內(nèi)江市市中區(qū)耕地土壤作為研究對象，通過野外采樣和室內(nèi)測定分析獲得的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，應(yīng)用投影尋蹤評價模型將每個樣本的多個評價指標(biāo)綜合成一個綜合指標(biāo)，建立投影尋蹤土壤肥力綜合評價模型，構(gòu)建耕地土壤肥力等級分級方法，給出土壤肥力評價的分析結(jié)果，以期為土壤肥力評價提供依據(jù)。

1.研究方法

1.1 投影尋蹤等級評價模型

投影尋蹤是處理多指標(biāo)問題的統(tǒng)計(jì)方法。其思路是將影響問題的多因素指標(biāo)通過投影尋蹤分析得到最優(yōu)投影特征值，然后建立投影特征值與因變量的一一對應(yīng)關(guān)系，從而通過分析做出更加合理的分級和評價。

2.樣品采集與測定

研究區(qū)位于四川盆地川中丘陵地帶中南部，沱江中下游右岸，面積386.11km2，是典型的切割形地形地貌特征。氣候?qū)僦衼啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，春早，夏長，秋短，冬暖。土壤類型為紫色土。本實(shí)驗(yàn)采用蛇形布點(diǎn)法，每區(qū)域設(shè)3～5個采樣點(diǎn)，棄去表層雜質(zhì)，取0-20 cm土層土壤。把采集到的土壤充分混勻后，用四分法取1 kg左右土壤，用干潔塑料袋帶回室內(nèi)自然風(fēng)干。研究區(qū)共采集2531個土壤樣品。采樣點(diǎn)分布圖見圖1。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖

3.土壤養(yǎng)分含量投影尋蹤模型的構(gòu)建

3.1 土壤肥力分級表

本研究選擇有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀5個指標(biāo)來綜合評價土壤的肥力水平。根據(jù)全國第二次土壤普查土壤養(yǎng)分的分級標(biāo)準(zhǔn)為評價標(biāo)準(zhǔn)建立土壤肥力分級表，測定方法具體參見參考文獻(xiàn)。

表1 土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)

＜6 ＜ 0.5 ＜30 ＜3 ＜30 Ⅵ

3.2 模型計(jì)算

首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，因?yàn)?個指標(biāo)都與肥力等級成正相關(guān)，所以利用式（1）進(jìn)行歸一化。然后利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)DPS9.5軟件，計(jì)算最優(yōu)投影方向，求得近似最優(yōu)一維投影方向?yàn)?a=(0.4833，0.4541，0.4430，0.5388，0.4943)，根據(jù)該投影方向利用式（3）計(jì)算各樣本觀測值的投影特征值（表2）。

表2 各等級的投影特征值

4.結(jié)果與分析

4.1 土壤單項(xiàng)肥力指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)

表3 土壤養(yǎng)分的統(tǒng)計(jì)特征值

耕地土壤養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)及K-S檢驗(yàn)結(jié)果見表3。由表可知，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷和速效鉀的平均含量分別為16.57 g.kg-1、0.86 g.kg-1、55.94 mg.kg-1、9.09 mg.kg-1和100.19 mg.kg-1，其中速效鉀肥力為Ⅲ級，肥力適中；其它養(yǎng)分含量為Ⅳ級，養(yǎng)分含量偏低。根據(jù)變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）的等級來看，高度變異（CV＞0.36）、中度變異（0.16＜CV＜0.36）、低度變異（CV＜0.16），所有養(yǎng)分均呈現(xiàn)高度變異，說明在研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量受到人類活動的強(qiáng)烈影響。從最大值和最小值來看，不同土壤養(yǎng)分含量差異明顯，這表明研究區(qū)不同養(yǎng)分含量存在本底差異，如盲目施肥，將導(dǎo)致低養(yǎng)分地區(qū)養(yǎng)分持續(xù)不足，而高養(yǎng)分地區(qū)養(yǎng)分過剩。

4.2 土壤肥力等級評價

基于GIS，首先建立有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀5種養(yǎng)分的數(shù)據(jù)庫，然后對5個養(yǎng)分指標(biāo)分別進(jìn)行歸一化處理，同時利用DPS軟件進(jìn)行投影尋蹤計(jì)算，得到2531個待評樣本的投影值，即土壤養(yǎng)分等級綜合指數(shù)。以GIS為平臺，利用反距離評價模型，對2531個待評樣本的投影值進(jìn)行插值，得到土壤養(yǎng)分等級綜合指數(shù)的空間分布圖（圖2）。

圖2 土壤養(yǎng)分等級綜合指數(shù)空間分布圖

根據(jù)圖2插值結(jié)果分析可知，研究區(qū)土壤養(yǎng)分等級分為五級，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級的面積比例為6:81:2229:280:1，從面積比例可知，研究區(qū)養(yǎng)分等級綜合指數(shù)主要為中等，其次為中下等，其它等級所占面積較少。為了進(jìn)一步驗(yàn)證評價結(jié)果的準(zhǔn)確性，以Ⅲ級投影特征值的養(yǎng)分綜合指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值0.8619作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，將2531個待評樣本的投影特征值與土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)的空間分布圖層進(jìn)行疊加分析、統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，97.49%的樣本點(diǎn)分布在養(yǎng)分等級Ⅲ、Ⅳ級的空間分布圖上，23.43%的樣本點(diǎn)分布在養(yǎng)分等級Ⅰ、Ⅱ級的空間分布圖上。分析結(jié)果表明，利用投影尋蹤模型計(jì)算出的養(yǎng)分綜合污染指數(shù)，結(jié)合GIS模擬得到的研究區(qū)土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)的空間分布圖基本能夠反映出研究區(qū)土壤養(yǎng)分的空間水平分布。

4.3 肥力綜合指數(shù)與單指標(biāo)養(yǎng)分的多元回歸分析

將肥力綜合指數(shù)作為因變量（Y），單指標(biāo)養(yǎng)分作為自變量（x）進(jìn)行逐步回歸分析，建立的回歸方程為：Y=0.110+0.005x1+0.097x2+0.009x3-0.013x4+0.001x5（經(jīng)t檢驗(yàn)，回歸系數(shù)自變量的P值均為0，在a＝0.01的水平下有顯著意義）。由方程可知，研究區(qū)土壤的肥力綜合指數(shù)與單指標(biāo)養(yǎng)分均呈極顯著相關(guān)；具體來講，影響肥力綜合指數(shù)的大小依次為全氮＞速效磷＞速效氮＞有機(jī)質(zhì)＞速效鉀；速效磷偏相關(guān)系數(shù)為負(fù)，說明研究區(qū)耕地土壤速效磷的含量超標(biāo)，在進(jìn)行施肥時應(yīng)減少其施肥的數(shù)量；其它4個指標(biāo)偏相關(guān)系數(shù)均為正，說明研究區(qū)耕地土壤4種養(yǎng)分均比較欠缺，在施肥過程中應(yīng)合理搭配4種養(yǎng)分，進(jìn)行科學(xué)的配方施肥以滿足耕作植物的養(yǎng)分需求。

5.結(jié)論與討論

根據(jù)K-S檢驗(yàn)，土壤的單因子養(yǎng)分水平普遍偏低，所有養(yǎng)分均呈現(xiàn)高度變異，說明人為活動（如施肥、灌溉、耕作方式等）對耕地肥力影響較大。

基于GIS平臺，通過反距離插值發(fā)現(xiàn)研究區(qū)養(yǎng)分綜合指數(shù)主要為中等（Ⅲ級），其比例占85.84%，其次為Ⅳ級肥力水平，占10.78%，其它等級占比較少。

多元逐步回歸分析建立的回歸方程為：Y=0.110+0.005x1+0.097x2+0.009x3-0.013x4+0.001x5，說明影響肥力綜合指數(shù)的大小依次為全氮＞速效磷＞速效氮＞有機(jī)質(zhì)＞速效鉀，研究區(qū)的耕地施肥應(yīng)科學(xué)進(jìn)行配比施肥，以利于農(nóng)作物的生長。

針對研究區(qū)土壤，應(yīng)用投影尋蹤模型進(jìn)行肥力等級劃分和評價，其結(jié)果比較合理。原因在于，評價是根據(jù)資料本身的特征來進(jìn)行的，未預(yù)先給定各評價因素的權(quán)重，避免了在權(quán)重給定中的人為主觀性；投影特征值作為肥力等級評價的依據(jù)，能直觀地比較出土壤肥力的富饒和貧乏，為耕地土壤的施肥及養(yǎng)護(hù)管理提供了一定的依據(jù)。