高寒地區(qū)不同耕作年限的土壤肥力質(zhì)量評價

趙震虎，李亞軍，那 偉，馬 巍，李忠和，李 平，祝延立，劉洪亮

(1.哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150000；2.吉林大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130012；3.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林 長春 130033；4.西藏藏迦生態(tài)科技發(fā)展有限公司，西藏林芝 860000)

科學(xué)、有效地評價包括大棚設(shè)施內(nèi)的土壤肥力質(zhì)量，在為合理培肥土壤和農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持方面，具有關(guān)鍵作用[1-2].西藏作為生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，土壤受成土過程、環(huán)境因素和人為破壞活動等多種因素影響，其土層薄砂礫多，保水保肥性能差[3]，對土壤連續(xù)培肥生產(chǎn)的結(jié)果進行客觀、準(zhǔn)確的評價，將有助于西藏土壤的合理利用，從而為生產(chǎn)分析和管理決策提供參考[4].

我國各主要土類已有土壤養(yǎng)分的豐缺標(biāo)準(zhǔn)，但由于我國土壤類型多樣，用一個統(tǒng)一土壤肥力質(zhì)量綜合評價方法對各地土壤質(zhì)量進行評價是無法實現(xiàn)的.以往人們對土壤質(zhì)量評價多采用主成分分析、層次分析，甚至人為打分等方法[5-6]，但由于土壤肥力涉及的指標(biāo)種類較多，上述方法在進行各指標(biāo)權(quán)重賦值時，不同人對不同土壤類型的評價側(cè)重點亦不相同，因此權(quán)重賦值易受人為主觀因素影響而容易產(chǎn)生誤差，難以實現(xiàn)土壤肥力質(zhì)量的客觀、準(zhǔn)確評價.投影尋蹤方法運用加速遺傳算法優(yōu)化PPE模型中的投影方向參數(shù)，來實現(xiàn)降維，解決人為賦值誤差問題[7-8]，曾經(jīng)應(yīng)用在風(fēng)險評測[9]、圖象處理[10]、產(chǎn)量估測[11]、水質(zhì)評價[12]等領(lǐng)域，具有較好的評估效果.

為此，本文應(yīng)用投影尋蹤方法建立等級評價模型，實現(xiàn)對西藏林芝不同耕作年限的土壤肥力質(zhì)量進行評價，并探討單一土壤肥力指標(biāo)的作用程度，明確大棚內(nèi)的土壤肥力狀況，為高海拔生態(tài)脆弱區(qū)合理采取土壤培肥措施和優(yōu)化土壤管理提供理論依據(jù)和具體生產(chǎn)指導(dǎo).

1 西藏不同耕作年限的大棚土壤肥力質(zhì)量評價模型的構(gòu)建

模型構(gòu)建如下[13-14]:

步驟1:參照以往的土壤質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)表，設(shè)西藏不同耕作年限的大棚土壤肥力質(zhì)量樣本等級及其指標(biāo)，分別為y(i)及{x*(i，j)|j=1～p}，i=1～n.其中的n、p分別為土壤樣本個數(shù)及指標(biāo)個數(shù).土壤肥力質(zhì)量等級設(shè)為1～N.

對{x*(i，j)|j=1～p}進行歸一化處理，即

其中xmax(j)為第j個指標(biāo)的最大值.

建立對土壤肥力質(zhì)量綜合評價的數(shù)學(xué)模型，即構(gòu)建{x*(i，j)|j=1～p}與y(i)之間的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)關(guān)系，把高維的p維數(shù)據(jù){x*(i，j)|j=1～p}形成以a=(a(1)，a(2)，…，a(p))為投影方向的低維投影值z(i)

根據(jù)z(i)～y(i)的散點圖構(gòu)建對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，式⑵中，a為單位長度向量.

計算綜合投影值，是要求從投影值z(i)中，無窮大地提取出來{x(i，j)}中的遺傳變異信息，即{x(i，j)}的標(biāo)準(zhǔn)差Sz，達到無窮大；要求z(i)與y(i)之間相關(guān)系數(shù)的絕對值Rzy達到無窮大.由此得到的投影值就可無窮大地攜帶評價因子系統(tǒng){x(i，j)|i=1～n，j=1～p}的遺傳變異信息，并能確保投影值對y(i)具有覆蓋性.由此，本投影指標(biāo)函數(shù)可構(gòu)造如下:

其中，Sz:投影值z(i)的標(biāo)準(zhǔn)差，

其中，Rzy:z(i)與y(i)之間的相關(guān)系數(shù)，即

式⑷、式⑸中，Ez、Ey分別為序列{z(i)}和{y(i)}的均值.

步驟2:投影指標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化.基于大棚土壤肥力等級及其評價指標(biāo)的樣本數(shù)據(jù){y(i)|i=1～n}和{x*(i，j)|i=1～n，j=1～p}，投影指標(biāo)函數(shù)Qa隨投影方向a變化而發(fā)生變化.鑒于不同數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征和特性可由不同投影方向反映獲得，所求解的最佳投影方向即為高維數(shù)據(jù)某類特征的最大可能投影方向.因此作出投影指標(biāo)函數(shù)的最大化求解，即可估算最佳投影方向，則:

步驟3:步驟2所得估計值a*代入式⑴后，可得第i個樣本投影值的計算值z*(i)，并根據(jù)z*(i)～y(i)之間的散點圖，建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并采用倒“S”型曲線作為大棚土壤肥力質(zhì)量等級綜合評價模型，則:

式中，y*(i))為第i個樣本大棚土壤肥力質(zhì)量等級的計算值；最大土壤肥力質(zhì)量等級N，為該倒“S”曲線的上限值；c(1)、c(2)為待定參數(shù)，可通過求解最小化問題來確定，如下:

2 實例分析

2.1 測算背景

基于上述建模理論與步驟，采用時間對比法，在2019年3月大棚耕作前，對西藏林芝市八一鎮(zhèn)章麥村不同耕作年限的大棚表層0～30 cm內(nèi)土壤進行多點剖面取樣分析，大棚土壤耕作年限分別為1年、3年和5年，以大棚外的相鄰露地土壤作為對照.將有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、CEC和pH值9個指標(biāo)構(gòu)建綜合評價指標(biāo)體系，各評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)如表1[13].

表1 土壤質(zhì)量定量評價指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Grade standard of soil quality quantitative evaluation index

西藏林芝市八一鎮(zhèn)章麥村的大棚耕作土壤原始指標(biāo)實測數(shù)據(jù)見表2.

表2 原始實測數(shù)據(jù)Table 2 Original measured data

2.2 分析過程

由表1各項數(shù)據(jù)和土壤肥力質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)，可利用PPE模型對西藏林芝地區(qū)八一鎮(zhèn)章麥村大棚表層耕作土壤肥力質(zhì)量指標(biāo)進行評價.

在大棚土壤肥力質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)中的各質(zhì)量等級取值 范 圍，均 勻 產(chǎn) 生 各5個 樣 本x*(i，j)，對x*(i，j)進 行 歸 一 化 處 理 為x(i，j)，(i=1，2，…，25；j=1，2，…，9)，用投影尋蹤模型中的式⑴～式⑹，可得:

最大投影指標(biāo)函數(shù)值Q(a*)=0.7339；

最佳投影方向a*=(0.3241，0.3556，0.3154，0.4064，0.3557，0.3585，0.3283，0.3706，0.0605)；把a*代入式⑵后即得大棚各土壤肥力質(zhì)量樣本投影值的計算值z*(i)(表3).

表3 土壤肥力質(zhì)量等級經(jīng)驗值和計算值的比對Table 3 Comparison between the empirical value and the calculated value of soil fertility quality grade

由z*(i)與y(i)之 間 的 散 點 圖，z*(i)與y(i)之間的關(guān)系圖形與倒“S”型曲線較相似，為此以倒“S”型曲線所對應(yīng)的函數(shù)，構(gòu)建出不同耕作年限的大棚土壤肥力質(zhì)量等級評價的數(shù)學(xué)模型.

圖1 投影值與經(jīng)驗等級關(guān)系散點圖Fig.1 Scatter diagram of relationship between projection value and empirical level

大棚土壤肥力質(zhì)量等級綜合評價模型為:

用投影尋蹤模型中的式(10)計算的大棚土壤肥力質(zhì)量等級與各個樣本經(jīng)驗值的誤差分析結(jié)果，見表4.

表4 經(jīng)驗值y(i)與PPE計算值y*(i)的誤差分析結(jié)果Table 4 Error analysis results of empirical value and PPE calculation value

2.3 大棚土壤肥力質(zhì)量等級評價

通過表1的實測數(shù)據(jù)，對西藏林芝地區(qū)八一鎮(zhèn)章麥村大棚表層耕作土壤肥力質(zhì)量變化進行綜合評價(見表5).

表5 基于PPE模型的土壤質(zhì)量等級評價結(jié)果Table 5 Evaluation results of soil quality grade based on PPE Model

PPE模型對西藏林芝市八一鎮(zhèn)章麥村大棚表層耕作土壤肥力質(zhì)量進行計算，定量地給出了土壤具體所屬的評價等級的數(shù)值.從各耕作年限土壤肥力質(zhì)量等級計算值可知，隨著耕作年限的增加，大棚表層0～30 cm耕作土壤質(zhì)量呈上升趨勢，大棚在經(jīng)過1年耕作后，表層土壤質(zhì)量從Ⅴ級上升為Ⅱ級，耕作3年后，表層土壤質(zhì)量仍繼續(xù)保持在Ⅱ級；當(dāng)經(jīng)過5年耕作后，0～30 cm表層土壤質(zhì)量提升到Ⅰ級.

2.4 單一指標(biāo)對評價結(jié)果影響程度的分析

根據(jù)投影指標(biāo)求大(越大越好)或求小(越小越好)原則，投影尋蹤模型獲得指標(biāo)函數(shù)的最大值最小指標(biāo)所對應(yīng)的投影方向為最優(yōu)投影方向.最佳投影方向各分量絕對值的大小，反映了各土壤肥力指標(biāo)對綜合評價結(jié)果的實際影響程度，各分量絕對值越大，其對應(yīng)的指標(biāo)對綜合評價結(jié)果的影響就越大.因此投影尋蹤模型能夠?qū)崿F(xiàn)單一指標(biāo)對評價結(jié)果影響的分析.本例最佳投影方向a*=(0.3241，0.3556，0.3154，0.4064，0.3557，0.3585，0.3283，0.3706，

0.0605)，說明對大棚土壤肥力質(zhì)量等級的影響由高到低依次為全鉀、CEC、速效磷、速效氮、全氮、速效鉀、有機質(zhì)、全磷和pH，其中pH明顯小于其他指標(biāo)，而其他指標(biāo)的最佳投影方向均相差不大，排列前兩位，土壤養(yǎng)分指標(biāo)鉀素含量和CEC(土壤膠體所能吸附各種陽離子的總量)對土壤肥力質(zhì)量影響較大，而pH由于只是在一個較小范圍內(nèi)變化，因此在不同耕作年限下，pH對土壤肥力質(zhì)量影響較小.

圖2 土壤質(zhì)量指標(biāo)的最佳投影方向Fig.2 Projection direction of soil quality indices

3 討論與結(jié)論

3.1 土壤肥力質(zhì)量等級評價

雖然大棚種植的作物大量消耗地力，但生產(chǎn)過程中羊糞、豬糞等各種有機糞肥，以及化肥等肥料的連年施入，土壤肥力質(zhì)量隨著耕作年限的延長而逐漸提高，即耕作1年后表層土壤肥力質(zhì)量由Ⅴ級迅速上升為Ⅱ級，而后將短暫保持穩(wěn)定，在耕作3年后，表層土壤質(zhì)量仍屬于Ⅱ級；耕作5年后表層土壤肥力質(zhì)量上升到Ⅰ級.該結(jié)果也與生產(chǎn)每年大量肥料投入的實際生產(chǎn)情況相符[15]，大量養(yǎng)分的輸入必然會引起表層土壤肥力狀況的改變[16].

3.2 土壤肥力質(zhì)量影響因子分析

與常見的人為賦予權(quán)重的方法相比[5-6]，投影尋蹤技術(shù)僅根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)和評價對象數(shù)據(jù)指標(biāo)即可進行客觀評價，而對評價指標(biāo)的特性或性質(zhì)無關(guān)，因此該模型具有適應(yīng)性、通用性強的特點，應(yīng)用于以往各類土壤質(zhì)量評價問題[4，13]，可以獲得客觀、準(zhǔn)確的評價結(jié)果.單一指標(biāo)對評價結(jié)果的影響程度，反映出土壤全鉀對土壤肥力質(zhì)量等級評價影響程度最大，今后應(yīng)在肥料施用過程中注意鉀肥的補充；同時，CEC對土壤肥力質(zhì)量等級評價影響程度僅次于全鉀，今后在生產(chǎn)上應(yīng)注意控制鹽基濃度較高的肥料施用，并適當(dāng)在雨季淋溶土壤鹽分，防止土壤次生鹽漬化現(xiàn)象的發(fā)生.

此外，雖然pH指標(biāo)易得，以往尤其是在土壤鹽堿化地區(qū)是一個重要的分析指標(biāo)[16-17]，鑒于土壤pH隨著年限變化較小，在林芝不同年限的大棚土壤肥力質(zhì)量等級評價結(jié)果影響程度有限，因此今后在當(dāng)?shù)氐耐寥婪柿|(zhì)量評價中可以舍去.