基于最小数据集的宁夏耕地土壤质量评价

李百云 李慧 郭鑫年 孙娇 梁锦秀 龙怀玉 周涛

摘要：以宁夏耕地土壤为研究对象，选取15项土壤质量指标，运用主成分分析结合Norm值构建评价指标最小数据集（MDS），通过灰色关联度和非线性模型（non-linear model，简称NL）进行土壤质量评价。研究表明，宁夏耕地土壤质量评价指标MDS包括全氮、全磷、胡敏酸碳量、交换性钙、交换性镁含量;2 种评价方法结果具有高度的正相关性，相关性系数为0.88，相互验证了评价结果的准确性，非线性评分模型方法计算更加简便。研究区耕地土壤质量处于中下等水平，各地土壤质量依次为固原市>石嘴山市>银川市>吴忠市>中卫市。

关键词：最小数据集;非线性模型;灰色关联度;宁夏;土壤质量评价

中图分类号：S151.9  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2021）09-0195-06

土壤是农作物生产的基础，肥力是土壤的基本属性和本质特征，可衡量土壤对作物生长所需的各种养分的供给能力，也是土壤物理、化学和生物学性质的综合反映。土壤是陆地生态系统中结构最为复杂、功能最为活跃的生命层，因此科学而准确地对土壤性质进行评价尤为重要[1-2]。随着数理统计软件的广泛应用，土壤质量构成因素研究不断深入，评价方法越来越侧重多因素的综合评价。土壤质量评价涉及多方面指标，而大量指标的分析测定是比较繁琐的，因此，须要建立最小数据（minimum data set，简称MDS）对土壤质量因素之间存在关联性进行评价。目前多数学者将灰色关联度分析法、聚类分析法、主成分分析法、隶属函数法的综合评价方法[3-7]，以及降维思想和模糊数学理论等方法逐步应用到土壤学研究中，国内外专家学者常将多个土壤结构属性和理化性质指标综合为土壤质量指数，以此来评价土壤生产力持续性和抵抗力稳定性。应用灰色关联度和非线性模型（non-linear model，简称NL）方法分析筛选土壤质量评价指标，建立宁夏回族自治区土壤质量评价指标体系，并通过土壤质量指数法验证最小数据集指标的有效性。本研究以宁夏回族自治区耕地为研究对象，在充分考虑常规养分指标的基础上，引入腐殖质组分指标，并结合交换性钙、交换性镁、交换性钾、交换性钠离子含量，通过主成分分析确定土壤指标的最小数据集，结合熵权法和公因子方法确定指标权重，运用灰色关联度和非线性评分模型构建土壤质量评价体系。土壤质量评价在利用主成分分析确定候选MDS过程中，本研究考虑了土壤因子在单个主成分上的载荷，以期全面了解宁夏耕地肥力状况，提供适合的土壤质量评价方法。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宁夏回族自治区位于我国西部的黄河上游地区，地处35°14′～39°23′N、104°17′～107°39′E，海拔超过1 000 m，属于温带大陆性气候，年均气温5.3～9.9 ℃，年无霜期 105～163 d，全區总降水量分布不均，南多北少，为167～647 mm，该区域太阳辐射性强，蒸发量大，昼夜温度和年季温差大，四季分明[8]。土壤类型主要有黄绵土、灰钙土、灌淤土。

1.2 样品采集和分析

宁夏回族自治区5市玉米总面积为 31.09万hm2，占粮食作物面积的42.3%。其中，银川市4.03万hm2，石嘴山市3.48万hm2，吴忠市8.53万hm2，固原市8.85万hm2，中卫市 6.20万hm2[9]，在宁夏的5个市内选取43个玉米田块，于2018年10—11月采集土壤样品，采集方法：以“S”形布点法采集深度为0～30 cm的8～10个样点，将土壤样品混合均匀，用四分法取样 1 kg/份左右，共43份，做好标记，带回实验室，采样情况见表1。

pH值测定采用电位法，电导率测定采用电极法，全氮含量测定采用半微量凯氏定氮法，全磷含量测定采用高氯酸-硫酸法，全钾含量测定采用原子吸收法，速效磷含量测定采用钼锑抗比色法，腐殖质碳量组成测定采用腐殖质组成修改法[10]，交换性钙离子、镁离子、钾离子、钠离子含量测定采用乙酸铵浸提-火焰光度法。

1.3 数据处理方法

运用Excel 2010进行原始数据的简单处理，采用SPSS 20.0软件对试验数据进行分析。土壤质量评价的最小数据集（MDS）确定的方法参考吴玉红等的研究，利用熵权法和公因子方差来确定指标权重，综合分析方法采用灰色关联度[11-12]和非线性模型[13]，通过土壤质量综合评价指数和权重加权求和，比较各地区耕地质量。

2 结果与分析

2.1 宁夏耕地土壤质量指标统计描述

表2表明，宁夏耕地土壤养分含量分布不均匀。土壤平均pH值为8.46，属于微碱性土壤[14]。电导率平均值为0.39 mS/cm，小于作物生育障碍临界点（0.5 mS/cm）[15]，电导率最大值为3.49 mS/cm，大于临界值，应对进行相应的区域进行土壤改良。全氮、全磷、全钾、速效磷含量平均值分别为0.61、0.36、14.12、6.75 mg/kg，根据全国第2次土壤普查分级标准[16]，全氮、全磷含量为缺乏型，全钾、速效磷含量适中。土壤腐殖质是土壤有机质的主体，一般占土壤有机质含量的60%～90%[17]。腐殖质是由胡敏酸、富啡酸以及存在残渣中的胡敏素等组成，宁夏耕地腐殖质含量、腐殖酸含量、胡敏酸含碳量、富啡酸含碳量、胡敏素含碳量平均值分别为7.02、2.72、0.77、1.95、4.30 g/kg。交换性钙、 交换性镁、交换性钾、交换性钠含量平均值分别为3.54、1.41、0.35、0.66 cmol/kg。土壤各养分含量最大值和最小值存在明显差异，变异系数范围在0.06～1.77。在土壤学研究中通常进行如下定义：变异系数（CV）≤0.1为弱变异，0.1 2.2 土壤质量最小数据集的确定

最小数据集是一种对土壤质量评价的方法，其重要作用在于可以通过测定比较少的数据了解土壤的变化情况[18]。主成分分析法能够较好地处理变量间的多重相关性，使各指标间具有相互独立性，是确定MDS最常用的方法[3]。由表3可知，对15项土壤属性指标做主成分分析，提取到特征值大于1的3个主成分，其特征值分别为5.168、3.229、2.327，累计贡献率达到71.495%，由此可知这3个主成分可以表达原始数据的大部分信息。主成分1的贡献率达34.454%，全氮含量、腐殖质含量、腐殖酸含量、富啡酸含碳量有较高的正载荷值，pH值有较高的负载荷值;主成分2的贡献率为21.528%，全磷含量、全钾含量、交换性钙含量、交换性镁含量、交换性钠含量有较高的正载荷值;主成分3的贡献率为15.513%，反映了速效磷含量、交换性钾含量有较高的正载荷值，胡敏酸含碳量有较高的负载荷值。不同土壤质量指标公因子方差不同，腐殖质含量公因子方差最大，为0.930，速效磷含量公因子方差最小，为0.415。

通过主成分分析，将每个特征值≥1的主成分中因子荷载绝对值≥0.5土壤参数选出分为一组[19]，结果如表3所示。若某个指标在不同主成分中的载荷均大于0.5，则将其并入与其他指标相关性较低的一组，其中电导率因在各主成分的荷载都小于0.5，排除在分组外。Norm值的几何意义为该变量在由主成分组成的多维空间中的矢量模长度，Norm值越大，长度越长，则表明该变量对所有主成分的综合载荷越大[20-21]，该指标所包含的土壤质量信息就越多。根据每组中Norm值在最高总分值的10%范围以内、相关性系数（表4）低于0.5、变异系数不宜过高的原则[11-12]，最终选定的MDS指标有5个：全氮含量、全磷含量、胡敏酸含碳量、交换性钙含量、交换性镁含量。

2.3 灰色关联度分析

根据参评的MDS指标和灰色系统理论要求，将43份土样的5个指标视为一个整体。选择5项指标的最大值为最优指标集，即X0（j）={2.41，0.76，4.99，10.40，3.93}，进行无量纲化处理，将其转化为 0～1间的标准化数据。根据公式Δi（j）=︱X0（j）-Xi（j）︱计算绝对差值，其中i表示0～43号样品，j表示0～5号样品，二级最小差miniminj︱X0（j）-Xi（j）︱为0，二级最大差maximaxj︱X0（j）-Xi（j）︱为0.991 2。

利用公式（1）分别计算关联度（表5）。采用熵权法确定果实品质指标的权重，全氮含量、全磷含量、胡敏酸含碳量、交换性钙含量、交换性镁含量权重分别为0.195、0.173、0.318、0.178、0.136，其中全氮含量、胡敏酸含碳量权重较大。将关联度乘以权重后进行加权，计算各地加权关联度。

2.4 土壤质量非线性模型分析

非线性模型是通过非线性模型将指标值转换为0～1之间适当的分值，模型公式为SNL=a/[1+（x/x）b]。其中：a为最大得分，被确定为1;x是土壤实测指标值;x为相应的指标平均值，b为方程斜率，表示类型指标值。其中，“越多越好”类型的b被确定为-2.5，“越少越好”类型的b被确定为2.5[13，19]。MDS的5个指标与土壤质量呈正相关关系，b取值为-2.5，非线性模型值详见表6。

采用公因子方差确定果实品质指标的权重，全氮含量、全磷含量、胡敏酸含碳量、交换性钙含量、交换性镁含量的权重分别为0.237、 0.226、 0.161、0.175、0.201，其中全氮、全磷含量的权重较大。将隶属函数值乘以权重后进行加权，计算各地综合评价值。

2.5 土壤质量结果评价

将2种土壤质量评价方法的结果进行相关性分析，结果表明，2种方法的评价结果相关性系数为0.88，具有高度的正相关性，因此2 种评价方法的结果具有很好的一致性，相互验证了准确性。从图1可以看出，2 种方法下宁夏耕地土壤肥力曲线变化趋势大体一致，灰色关联度的土壤质量综合评分为0.35～0.68，平均值为0.44，变异系数为17.96%;非线性评分模型方法的土壤质量综合评分为 0.06～0.87，平均值为0.41，变异系数为48.67%，其中非线性评分模型综合评价变异程度较大。2种方法中排序都在前10名的有1、3、5、6、12、14、15、16、26号土壤质量较好;排序都在后10名的有11、13、23、24、25、34、35、42、43号土壤质量较差。由表7可知，2种方法中土壤质量依次为固原市>石嘴山市>银川市>吴忠市>中卫市。

3 讨论与结论

在一定土壤-作物-气候条件下，土壤质量的是衡量土壤肥力、土壤环境及作物生產可持续性的重要指标[22]。目前并没有统一的土壤质量评价标准和评价方法，评价指标有所差异[23]。最小数据集是评价土壤质量的最少指标集，且本研究利用主成分分析结合Norm值进行最小数据集的筛选，考虑指标在所有主成分上的载荷[24]，科学地简化了指标数据集[24-26]。刘引等采用主成分Norm值方法，建立了有机质、全磷、速效磷、有效镁以及有效铁含量5个指标组成的MDS[27]。杜发兴等运用主成分分析结合Norm值构建以土壤容重、黏粒有机质含量、有效磷含量、阳离子交换量、pH值、微生物含碳含量和微生物氮的最小数据集评价石漠化地区土壤质量[12]。本研究采用主成分Norm值方法建立了全氮含量、全磷含量、胡敏酸含碳量、交换性钙含量、交换性镁含量5个指标组成的MDS，与上述研究的土壤MDS指标存在相同之处，有较好的代表性。碳、氮、磷含量是影响土壤质量水平的重要因子，其含量和分布对植物的生长发育起着非常重要的作用[28-29]，土壤交换性钙、交换性镁含量是影响作物产量和品质的重要因素[30]。因此，本研究选出的5个MDS指标对于宁夏耕地土壤质量评价具有一定的实际意义。

本研究采用熵权法和主成分公因子方差法来确定指标权重，建立全氮、全磷、胡敏酸碳量、交换性钙、交换性镁含量土壤质量最小数据集评价宁夏部分区域土壤质量的方法。评价结果显示，2种方法的土壤质量综合指数平均值均小于0.5，说明宁夏耕地土壤质量处于中下等水平，固原市耕地土壤质量较佳。宁夏土壤偏碱性，交换性钙、交换性镁在偏碱的北方土壤中含量较丰富[31]，但全氮、全磷、有机质含量较低，是造成土壤质量处于中下等水平的主要原因。土壤质量因子受不同作物生长、样地选择等因素影响，往往表现出不同的结果，但鉴于目前宁夏土壤质量评价比较缺乏，本研究采用土壤质量评价MDS对于今后的研究和实践依然具有重要参考意义，为更精准地评价土壤质量应结合种植作物生长因素，这样评价结果会更加精准。

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