基于最小數(shù)據(jù)集的典型綠洲農(nóng)田土壤質(zhì)量評價

周文宇，楊小虎，楊海昌，張鳳華

(石河子大學(xué)/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室, 新疆 石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】土壤質(zhì)量的概念不僅包括土地生產(chǎn)力、土壤環(huán)境安全，還包括糧食生產(chǎn)安全和生態(tài)健康[1]。因水土資源開發(fā)利用不當所導(dǎo)致的土壤鹽漬化、沙漠化、水土流失等問題日益突出[2]，提高土壤質(zhì)量是當前生態(tài)環(huán)境發(fā)展的一項重要課題[3]，土壤質(zhì)量評價是當前的國際研究熱點[4]?？茖W(xué)的評價指標與評價方法是土壤質(zhì)量評價的前提[5]。土壤質(zhì)量評價在評估土壤肥力、提高作物生產(chǎn)力、改良土壤、促進農(nóng)業(yè)發(fā)展、降低生產(chǎn)成本、保護生態(tài)環(huán)境等方面具有十分重要的作用[6]。【研究進展】國內(nèi)外對土壤質(zhì)量評價的研究日益增多[7]。張雪等[8]以膠州灣濱海濕地為研究對象，評價了不同土地利用類型的生態(tài)功能指數(shù)以及綜合質(zhì)量指數(shù)，得出研究區(qū)的土壤養(yǎng)分狀況為中等水平，耕地土壤養(yǎng)分狀況最優(yōu)，而建設(shè)用地和未利用土地的土壤養(yǎng)分處于中等偏下水平。劉文民等[9]采用主成分分析法篩選具有代表性的土壤質(zhì)量指標，構(gòu)建了最小數(shù)據(jù)集，評價了青藏高原3 個典型沙化區(qū)不同沙化程度下的土壤質(zhì)量。董茜等[10]基于聚類分析與主成分分析法建立最小數(shù)據(jù)集，對云南喀斯特區(qū)不同植被恢復(fù)條件下的土壤質(zhì)量進行了評價?！厩腥朦c】以往研究的重點大多聚焦于評價因子的多樣性與不同評價方法結(jié)果的比較，但對于不同構(gòu)建方法的比較研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此本研究以新疆莫索灣灌區(qū)的農(nóng)田土壤為研究對象，聚焦于莫索灣灌區(qū)的土壤有機質(zhì)、速效磷、速效鉀、堿解氮、pH 值、EC、K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-、NO3-、SO42-共13項土壤質(zhì)量指標，采用主成分分析法與聚類分析法分別得到土壤質(zhì)量最小數(shù)據(jù)集（MDS），并應(yīng)用土壤質(zhì)量綜合指數(shù)法對2 種方法取得的最小數(shù)據(jù)集進行土壤質(zhì)量評價。對2 種方法的結(jié)果進行對比，探討不同方法對莫索灣土壤質(zhì)量綜合評價的合理性，為新疆莫索灣灌區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量的合理評價提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于準噶爾盆地南緣莫索灣灌區(qū)，地處瑪河流域下游，臨近沙漠邊緣，地勢平坦。莫索灣灌區(qū)海拔346 m，屬典型大陸性干旱氣候，年平均氣溫為6.6 ℃，≥0 ℃積溫為4 126.0 ℃，≥10 ℃積溫為3 752.3 ℃。年平均降水量為117 mm，年平均蒸發(fā)量為1 979.5 mm，年平均日照時間為2 774.1 h。無霜期為135～205 d。

1.2 土壤樣品采集

于2019 年10 月采集土壤樣品，采樣點使用GPS定位，根據(jù)空間變異性設(shè)置土壤采樣點，采樣點間距為30 km，用網(wǎng)格法隨機選取50 個點，采用五點采樣法取樣，在每一取樣點利用土鉆采集表層0～20 cm 土壤，共采集土壤樣品50 個，并記錄取樣點的土壤類型。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，去除動植物殘體、石塊和新生體等，研磨粉碎、過篩，測定土壤化學(xué)性質(zhì)[11]。所測指標及測定方法如表1 所示。

表1 土壤指標測定方法Table 1 Different determination methods of soil quality indicators

1.3 最小數(shù)據(jù)集的構(gòu)建

1.3.1 主成分分析法

運用主成分分析法確定最小數(shù)據(jù)集的優(yōu)勢是從大量數(shù)據(jù)中篩選少量指標來代替全體評價指標。這一方法既可降低工作量，又可以解決數(shù)據(jù)冗余問題，可有效地反映研究區(qū)的土壤質(zhì)量。

在篩選指標時，Norm 值能較好地反映多個主成分的綜合荷載。選取主成分因子中荷載值≥0.5 的指標作為同一分組，選取每組中最大Norm 值的10%范圍內(nèi)的指標[12]。Norm 值越大，荷載的信息量就越大，解釋能力也越充分。Norm 值的計算如式（1）所示[13]：

式中：Nik表示第i個變量在前k個主成分上的綜合荷載；Uik表示第i個變量在第k個主成分上的荷載；λk表示第k個主成分的特征值。

1.3.2 聚類分析法

利用R 型聚類方法對評價指標進行分類，該方法適用于評價指標較少時的土壤指標分類。以Euclidean為測量距離，依據(jù)分析結(jié)果中的樹狀圖將各項指標進行分組，挑選每一分組中與其他指標相關(guān)顯著性最高的指標，作為最具有代表性的指標，將其選入最小數(shù)據(jù)集[14]。

1.4 土壤質(zhì)量評價方法

將選入最小數(shù)據(jù)集的評價指標進行標準化處理，根據(jù)公因子方差計算其權(quán)重。計算方法如式（2）所示：

式中：Wi為指標權(quán)重；Ci為該指標公因子方差；n為最小數(shù)據(jù)集的指標個數(shù)[14]。

綜合評價方法的關(guān)鍵是建立隸屬函數(shù)，即用隸屬函數(shù)來確定每一個評價指標對土壤質(zhì)量等級的隸屬程度，根據(jù)最小數(shù)據(jù)集中各指標對土壤質(zhì)量的正負效應(yīng)選擇函數(shù)和確定其隸屬程度[15]。各指標的數(shù)值型隸屬函數(shù)如表2 所示。

表2 數(shù)值型隸屬函數(shù)Table 2 Membership functions of quantitative indexes

土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI）計算如式（3）所示：

式中：Wi和Ni分別表示第i種評價指標的權(quán)重值和隸屬度值；n為評價指標的數(shù)量。

根據(jù)SQI對土壤質(zhì)量等級進行分類，如表3 所示。

表3 土壤質(zhì)量等級分類Table 3 Classification of soil quality grade

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用PPT 2021 作圖，采用SPSS 26.0 進行t檢驗、描述性統(tǒng)計、主成分分析、聚類分析和相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各評價指標的統(tǒng)計分析

莫索灣灌區(qū)土壤質(zhì)量評價指標的統(tǒng)計特征見表4。從研究區(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)來看，土壤pH 值分布在7.46～8.96 之間，屬于堿性土壤，變異系數(shù)（CV）為6.63%，變異程度較低；EC分布在0.12～9.19 mS/cm，變異系數(shù)為28.92%，屬于中等變異水平。此外，鹽離子的變異系數(shù)均在100%以上，鹽分分布空間差異大；除堿解氮外的各項養(yǎng)分指標的變異系數(shù)均介于37.05%～83.42%，呈中等變異，堿解氮呈強變異；其中有機質(zhì)量和堿解氮量較低，速效磷量和速效鉀量較高，土壤養(yǎng)分分布不均；莫索灣灌區(qū)土壤鹽漬化治理與養(yǎng)分均衡管理難度較大。

表4 土壤質(zhì)量評價指標的統(tǒng)計特征Table 4 Descriptive statistics of chemical indicators of soil quality

2.2 基于主成分分析法的最小數(shù)據(jù)集構(gòu)建

利用主成分分析法對數(shù)據(jù)集進行因子分析，根據(jù)因子載荷分為5 組，累積貢獻率為75.726%。第1 組為EC、K+、NO3-和SO42-，其中NO3-和SO42-的Norm值不在最大Norm 值的10%范圍內(nèi)，因此不選入最小數(shù)據(jù)集，且K+與EC不相關(guān)，因此均可保留；第2組為pH 值和速效磷，二者不相關(guān)，均可保留；第3組為Na+、Mg2+，二者不相關(guān)，均可保留；第4 組保留的評價指標為堿解氮；第5 組保留的評價指標為有機質(zhì)。綜上所述，從13 個土壤質(zhì)量評價指標中共篩選出8 個評價指標，分別為K+、EC、pH 值、Na+、Mg2+、速效磷、堿解氮、有機質(zhì)（表5—表6）。

表5 主成分載荷及因子權(quán)重Table 5 Principal component load and norm value

表6 各評價指標間的Pearson 相關(guān)矩陣Table 6 Pearson correlation matrix among evaluation indicators

2.3 基于聚類分析法的最小數(shù)據(jù)集構(gòu)建

在歐氏距離為3.5 水平下，13 個土壤化學(xué)指標可分為4 大類（圖1）。在第1 組中，Na+與Ca2+之間呈極顯著相關(guān)，但Na+與第一組中除Ca2+外的其他指標的最低相關(guān)系數(shù)0.132，小于Ca2+與第1 組中除Na+外的其他指標的最低相關(guān)系數(shù)0.36，因此將Na+納入最小數(shù)據(jù)集；第2 組包括速效磷；第3 組包括堿解氮；第4 組包括速效鉀。

圖1 聚類分析結(jié)果Fig.1 Results of cluster analysis

2.4 土壤質(zhì)量指數(shù)

2.4.1 評價指標權(quán)重

主成分分析法所構(gòu)建的MDS 中權(quán)重占比最小的指標為Na+，為8.16%；占比最大的指標為K+，為15.73%，在整體評價中最為重要。聚類分析法所構(gòu)建的MDS 中權(quán)重占比最小的指標為Na+，為3.95%；權(quán)重占比最大的指標為堿解氮，為38.24%，在整體評價中最為重要（表7）。

表7 各評價指標的權(quán)重Table 7 Weight value of each evaluation index

2.4.2 土壤質(zhì)量等級劃分及構(gòu)建MDS 方法對比

主成分分析法得出50%的土壤處于低質(zhì)量水平，37.5%的土壤處于中等質(zhì)量水平，12.5%的土壤處于高質(zhì)量水平，87.5%的土壤質(zhì)量水平處于中低等（表8）。聚類分析法得出54%的土壤處于低質(zhì)量水平，28%的土壤處于中等質(zhì)量水平，18%的土壤處于高質(zhì)量水平，82%的土壤質(zhì)量水平處于中低等（表8）。2 種方法所得出的分級結(jié)果大致相同，80%以上的土壤質(zhì)量水平處于中等偏下。主成分分析法得出的變異系數(shù)明顯高于聚類分析法，因此其結(jié)果更有利于反映莫索灣土壤質(zhì)量的真實狀況（表9）。

表8 土壤質(zhì)量綜合評價結(jié)果Table 8 Comprehensive evaluation results of cultivated land quality

表9 不同方法所得指數(shù)的統(tǒng)計特征值Table 9 Statistical characteristic values of indices obtained by different methods

3 討 論

不同土壤指標之間通常存在一定的相關(guān)性，若將全部指標用于土壤質(zhì)量評價，耗時又費力[16]。本研究從13 個指標中篩選出8 個指標，分別為K+、EC、pH值、Na+、Mg2+、速效磷、堿解氮和有機質(zhì)，大幅度降低了土壤質(zhì)量評價的工作量[17]。聚類分析法得出的土壤質(zhì)量差異性與CV不一致，因此不夠準確。相比之下，主成分分析法構(gòu)建的最小數(shù)據(jù)集對莫索灣灌區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量評價更為合理。土壤質(zhì)量評價需結(jié)合多項指標進行，指標測定和分析的過程繁雜，目前權(quán)重和隸屬度的取值方法不統(tǒng)一，不同評價方法的結(jié)果也具有較大差異[18]。吳春生等[19]結(jié)合MDS 和模糊邏輯法對黃河三角洲地區(qū)的土壤質(zhì)量進行了評價，并結(jié)合土地利用現(xiàn)狀分析了主要土地利用類型當中不同土壤等級的空間分布情況。李鵬飛等[20]運用主成分分析構(gòu)建了土壤質(zhì)量評價指標的最小數(shù)據(jù)集，通過非線性和線性方法對研究區(qū)土壤質(zhì)量進行了評價。崔雪等[18]認為主成分分析結(jié)合標準值可降低數(shù)據(jù)冗余和人為因素的干擾。從評價結(jié)果來看，主成分分析法與聚類分析法所得出的評價結(jié)果相似。從CV的結(jié)果來看，主成分分析法的指標CV大于聚類分析法，可更好地反映莫索灣灌區(qū)土壤質(zhì)量的真實狀況，更加具有原始數(shù)據(jù)的代表性。土壤質(zhì)量評價指數(shù)對土壤環(huán)境的監(jiān)控和治理具有重要意義[21]。新疆莫索灣灌區(qū)80%以上的農(nóng)田土壤質(zhì)量處于中等偏下水平，且土壤質(zhì)量異質(zhì)性較大。土壤中速效磷量與速效鉀量較高，堿解氮量和有機質(zhì)量較低，有機質(zhì)量分布不均衡，這與楊小虎等[22]的研究結(jié)果基本一致。研究表明，新疆土壤存在養(yǎng)分匱乏且分布不均、鹽堿化現(xiàn)象嚴重等問題，土壤質(zhì)量有待進一步提高[23]。區(qū)域土壤質(zhì)量的改善首先要進行合理的土壤質(zhì)量評價[24]，3S 技術(shù)有望應(yīng)用于土壤質(zhì)量評價研究中[25]，為土壤質(zhì)量改進提供技術(shù)支持。

4 結(jié) 論

1）莫索灣灌區(qū)農(nóng)田土壤有機質(zhì)量和堿解氮量較低，速效磷量和速效鉀量較高，但空間分布不均。

2）莫索灣灌區(qū)80%以上土壤處于中等偏下質(zhì)量水平。

3）與聚類分析法相比，主成分分析法所得到的土壤質(zhì)量評價結(jié)果更加符合莫索灣灌區(qū)農(nóng)田土壤的實際狀況。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）