灰色聚類法在植煙土壤適宜性評價中的應用

高瑞，邵艷玲，喬紅波，張慧，夏斌*，王勇，張華鋒，常劍波

1.河南農業大學信息與管理科學學院，鄭州市文化路95號450002

2.南陽理工學院計算機科學與技術系，河南省南陽市長江路80號473004

3.河南省煙草公司三門峽市公司，河南省三門峽市崤山路472000

種植待定作物的土壤適宜性評價，在土壤的合理利用和有序開發中具有重要意義[1-2]。土壤是農田生態系統的重要組成部分，農田生態系統是半自然、半人工的開放系統，自然生態因子、人類農事活動等都會對其產生影響，這些影響的性質及程度有些是已知的，有些是未知的，所以農田生態系統是灰色系統。與其他評價方法相比，對農田生態系統土壤進行適宜性評價時，采用灰色聚類方法較為適宜。目前灰色聚類評價的應用范圍主要集中在水利、工業、農業、社會、經濟、生態、地質等領域[3-8]。在植煙田土壤適宜性評價中利用灰色聚類方法尚未見報道。為此，采用灰色定權聚類法對三門峽植煙區土壤進行了適宜性評價，旨在優化烤煙的種植區域，提高煙葉的產質量。

1 材料與方法

1.1 三門峽生態概況

三門峽地處中緯度內陸區，屬暖溫帶大陸性季風氣候。年平均氣溫13.2℃，年平均日照2354.3 h，無霜期184～218 d，年平均降雨量550～800 mm，植煙區土壤主要以褐土為主，較適宜煙草的生長。

1.2 土壤樣品的采集

在植煙區選擇有代表性的田塊，取耕層0～20 cm土樣，每個采樣點所代表的面積為20 hm2，總采樣點299個，樣點分布見圖1。

1.3 適宜性評價方法

在灰色系統理論中，灰色聚類是根據灰色關聯矩陣或灰數的白化權函數將一些觀測對象聚集成若干個可以定義類別的方法[9]。灰色關聯聚類主要用于同類因素的歸并，而灰色白化權函數聚類是根據灰數的白化權函數檢查觀測對象是否屬于事先設定的不同類別。植煙區土壤適宜性評價宜采用灰色白化權函數聚類。由于聚類指標的意義、量綱不同，且在數量上懸殊較大，宜采用灰色定權聚類方法，評價步驟:首先，根據現有觀測值給出j指標k子類白化權函數fkj(j=1，2，∧，m;k=1，2，∧，s)。其次，確定各指標的聚類權ηj(j=1，2，∧，m)。第三，從前兩步得出的白化權函數fkj(·)(j=1，2，∧，m;k=1，2，∧，s)、聚類權ηj(j=1，2，∧，m)以及對象i關于j指標的觀測值xij(i=1，2，∧，n;j=1，2，∧，m)，計算出灰色定權聚類系數1，2，∧，s。最后，若，則斷定對象i屬于灰類k*[9]。

圖1 三門峽植煙區土壤采樣點分布

2 植煙土壤適宜性評價

2.1 評價指標的選取

在查閱相關文獻及聽取專家意見、經驗的基礎上，依據指標對烤煙的生長發育和品質的影響力、指標的變異程度、穩定性及可操作性等原則[10-13]，最終選取了植煙土壤適宜性評價的5個指標為pH、有機質、速效氮、速效磷、速效鉀等。

2.2 評價指標適宜性標準劃分

共采集土壤樣品299個。根據土壤養分的評價標準及三門峽煙區的實際情況，將每一項評價指標劃分為最適宜、適宜和不適宜3個等級，5個指標所對應的等級見表1。

由于三門峽煙區土壤pH在6.6～8.8之間，將數據進行預處理，使之與適宜性評價指標近似呈正相關。

2.3 白化權函數的確定

將5個評價指標按照評價標準各自分為最適宜、適宜、不適宜3個灰類，將指標和灰類編號，則有j(j=1，2，3，4，5)指標k(k=1，2，3)灰類表示第j個指標第k個灰類。下面設定j指標k灰類的白化權函數為

在灰色系統理論中，常用的白化權函數有典型白化權函數、上限測度白化權函數、適中測度白化權函數、下限測度白化權函數和三角白化權函數。分別選取上限測度白化權函數，用以適宜灰類的測度;選取適中測度白化權函數，用以基本適宜灰類的測度;選取下限測度白化權函數，用以不適宜灰類的測度。根據煙區土壤狀況確定白化權函數，分別為:根據以上白化權函數可以相應寫出各白化權函數的具體函數表達式。這里僅給出土壤有機質指標(j=1)3個灰類的白化權函數表達式，其他表達式可類似寫出，從略。

表1 三門峽煙區植煙土壤適宜性評價指標及其所對應的等級標準

2.4 聚類及土壤適宜性評價結果

根據煙田基本情況調查資料，結合相關專家的意見和建議以及參考部分文獻[14-16]，確定有機質、速效氮、速效磷、速效鉀、pH的權值分別為η1=0.45，η2=0.15，η3=0.08，η4=0.15，η5=0.17。

根據樣本值和上述步驟，計算出試驗區3個灰類的聚類系數見表2。

對表2數據以鄉鎮為單位進行分析，結果見表3。土壤植煙適宜性最高的地區有:盧氏縣的杜關鎮、東明鎮、木桐鄉、徐家灣、雙槐樹、官坡鎮、五里川鎮、獅子坪鄉、朱陽關鎮，陜縣的宮前鄉，澠池縣的果園鄉、洪陽鎮、仁村鄉，靈寶市的五畝鄉、朱陽鎮;這15個鄉鎮土壤有機質和土壤含鉀量較高，pH和含氮量適中。屬于這部分的煙田面積為12709.53 hm2，占三門峽基本煙田總面積的48.56%。

植煙土壤適宜性中等的煙田主要分布在盧氏縣的管道口鎮、范里鎮、沙河鄉、磨口鄉、瓦窯溝鄉，陜縣的菜園鄉、觀音堂鄉、西里村鄉，澠池縣的陳村鄉、坡頭鄉、天池鎮、陳村鄉、仰韶鄉、英豪鎮，靈寶市的川口鄉、蘇村鄉。這些地區土壤雖然含鉀量較高，但部分地區土壤有機質含量稍低。屬于這部分的煙田面積為12507.47 hm2，占煙田總面積的47.79%。植煙土壤適宜性較差的地區為盧氏縣的湯河鄉、橫澗鄉、文峪鄉，這幾個鄉的土壤有機質含量較低，pH值偏高，速效氮和速效磷含量較低，屬于這部分的煙田面積為954.53 hm2，僅占三門峽煙區總面積的3.65%。

表2 三門峽煙區植煙土壤適宜性評價聚類系數

表3 三門峽植煙土壤的適宜性評價

總體而言，三門峽煙區植煙土壤適宜性較好，適合生產優質煙葉。但近年來土壤pH有升高趨勢，速效氮含量有增加趨勢，應予注意。

3 小結

采用灰色聚類方法，對三門峽植煙土壤適宜性進行了評價，在299個土壤樣本所涉及的鄉(鎮)中，一般地區的農田土壤適宜煙草種植，不適宜煙草種植的農田僅占4%。

灰色聚類方法用于土壤適宜性評價是一種新的嘗試，通過選取評價指標，確定白化權函數進行土壤有關指標的灰色聚類，但指標權重的確定，仍采用傳統的經驗值方法，這主要是因為土壤本身是一個復雜的多相有機無機復合體，所涉及的因素較多，且各因素間又相互作用。因此，這方面尚有待進一步研究檢驗。

致謝:河南農業大學馬繼盛教授對本論文撰寫予以指導，特此感謝。

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