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)分數(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綜合成一個綜合指標，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問題的統(tǒng)計方法。其思路是將影響問題的多因素指標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氣候區(qū)，春早，夏長，秋短，冬暖。土壤類型為紫色土。本實驗采用蛇形布點法，每區(qū)域設(shè)3～5個采樣點，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)自然風干。研究區(qū)共采集2531個土壤樣品。采樣點分布圖見圖1。

圖1 采樣點分布圖

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

本研究選擇有機質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀5個指標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)分的分級標準為評價標準建立土壤肥力分級表，測定方法具體參見參考文獻。

表1 土壤養(yǎng)分分級標準

＜6 ＜ 0.5 ＜30 ＜3 ＜30 Ⅵ

3.2 模型計算

首先對數(shù)據(jù)進行歸一化，因為5個指標都與肥力等級成正相關(guān)，所以利用式（1）進行歸一化。然后利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)DPS9.5軟件，計算最優(yōu)投影方向，求得近似最優(yōu)一維投影方向為 a=(0.4833，0.4541，0.4430，0.5388，0.4943)，根據(jù)該投影方向利用式（3）計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 土壤單項肥力指標描述性統(tǒng)計

表3 土壤養(yǎng)分的統(tǒng)計特征值

耕地土壤養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)及K-S檢驗結(jié)果見表3。由表可知，研究區(qū)土壤有機質(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)分指標分別進行歸一化處理，同時利用DPS軟件進行投影尋蹤計算，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，進一步統(tǒng)計分析發(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。為了進一步驗證評價結(jié)果的準確性，以Ⅲ級投影特征值的養(yǎng)分綜合指數(shù)標準值0.8619作為劃分標準，將2531個待評樣本的投影特征值與土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)的空間分布圖層進行疊加分析、統(tǒng)計，結(jié)果顯示，97.49%的樣本點分布在養(yǎng)分等級Ⅲ、Ⅳ級的空間分布圖上，23.43%的樣本點分布在養(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），單指標養(yǎng)分作為自變量（x）進行逐步回歸分析，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，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＞有機質(zhì)＞速效鉀；速效磷偏相關(guān)系數(shù)為負，說明研究區(qū)耕地土壤速效磷的含量超標，在進行施肥時應(yīng)減少其施肥的數(shù)量；其它4個指標偏相關(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，進行科學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，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＞有機質(zhì)＞速效鉀，研究區(qū)的耕地施肥應(yīng)科學進行配比施肥，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)護管理提供了一定的依據(jù)。