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        基于最小數(shù)據(jù)集的祁連山青海云杉森林土壤質(zhì)量評價

        2024-10-27 00:00:00周欣
        農(nóng)業(yè)災害研究 2024年8期

        摘 要:為了探究祁連山青海云杉森林土壤質(zhì)量情況,運用經(jīng)典統(tǒng)計方法,分析了祁連山青海云杉森林土壤質(zhì)量各項指標的均值與變化范圍。通過主成分分析法,最小數(shù)據(jù)集篩選出5個指標,計算得到基于最小數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)平均值為0.583,評價結(jié)果表明祁連山青海云杉森林土壤質(zhì)量以低水平和較低水平為主。

        關(guān)鍵詞:祁連山青海云杉森林;土壤質(zhì)量評價;主成分分析;最小數(shù)據(jù)集

        中圖分類號:S158 文獻標志碼:B 文章編號:2095–3305(2024)08–0-03

        作為森林生態(tài)系統(tǒng)的主要組成成分,森林土壤面積在全球范圍內(nèi)占有較大比例,為森林生態(tài)系統(tǒng)提供了生存所需的水分、養(yǎng)分、空氣、熱量等物質(zhì),對森林的健康發(fā)展具有重要作用[1]。近年來,隨著森林生態(tài)系統(tǒng)在森林資源經(jīng)營管理中的地位日益突出,森林土壤在森林生態(tài)系統(tǒng)中的作用也越來越受到關(guān)注[2]。因此,在今后的研究中,應深入探討不同林型的土壤質(zhì)量,為林業(yè)的健康管理和可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

        當前,國內(nèi)外已經(jīng)研究出多種評估森林土壤質(zhì)量的方法,主要有層次分析法、最小數(shù)據(jù)集法(MDS)、GIS結(jié)合數(shù)學模型技術(shù)和灰色關(guān)聯(lián)法。劉湘君等[3]研究了基于土壤理化性質(zhì)和剖面特征的黃淮海干旱農(nóng)業(yè)區(qū)耕地土壤質(zhì)量特征,利用主成分分析法,對黃淮海干旱農(nóng)業(yè)區(qū)耕地土壤質(zhì)量進行了評價。當前應用MDS方法所做的品質(zhì)評估多集中在南方林地,而在我國北方鮮有相關(guān)研究。

        1 材料和方法

        1.1 試驗區(qū)概況

        位于甘肅省河西走廊中段的馬蹄林區(qū)是研究區(qū)馬蹄自然保護站的一部分,坐落于祁連山國家級自然保護區(qū)的試驗區(qū),年均氣溫1~3 ℃,日照時間約120 d,年平均降水量在360~490 mm之間[4]。從土壤類型來看,林區(qū)主要為山地灰褐土,優(yōu)勢樹種為青海云杉和祁連圓柏,植被類型和土壤類型具有明顯的垂直分布特征[5]。

        1.2 研究方法

        1.2.1 主成分分析法

        主成分分析方法(PCA)是確定主要數(shù)據(jù)集的一種常用方法,也是評估土壤質(zhì)量的重要手段。全面考慮土壤質(zhì)量參數(shù)對土壤質(zhì)量的影響[6],利用PCA方法對最小數(shù)據(jù)集進行分析,以篩選出對土壤特性變化敏感的參數(shù)。針對同一主成分的選定測量指標進行相關(guān)性分析,如果指標之間存在顯著的正相關(guān)性,即在保留主要特征的同時,可以消除冗余信息,并且相關(guān)系數(shù)>0.5,則將正常值作為參考標準,將其納入最小數(shù)據(jù)集[7]。

        Nik=(1)

        1.2.2 土壤質(zhì)量指數(shù)計算

        土壤品質(zhì)綜合評價的計算包括3個步驟:首先,對指標進行標準化處理;其次,利用主成分分析(PCA)確定指標的權(quán)重;最后,通過加權(quán)求和得出土壤品質(zhì)指數(shù)((SQI))[8-9]。

        升型函數(shù)(2)和降型函數(shù)(3)公式為:

        (2)

        (3)

        評價指標的得分f(x)與各指標的測量值x相關(guān),其中,最大值為U,最小值為L。

        Wi=Ci/Ci(4)

        式(4)中,Wi是各指標的權(quán)重;Ci是各評價指標的公因子方差;n是MDS中包含的指標數(shù)。

        SQI=Wi×fi(5)

        式(5)中,SQI為土壤質(zhì)量指數(shù),fi為各評價指標的得分值,n為各個數(shù)據(jù)集中的土壤質(zhì)量指標數(shù)量。

        1.2.3 數(shù)據(jù)處理

        利用Excel軟件進行數(shù)據(jù)和統(tǒng)計分析,借助統(tǒng)計軟件SPSS 26軟件進行主成分分析、方差分析和LSD數(shù)據(jù)的多重比較,使用Origin 2022軟件對處理后的數(shù)據(jù)繪制圖表。

        2 土壤質(zhì)量評價

        2.1 土壤質(zhì)量指標統(tǒng)計分析

        在參考袁程昱[10]等對土壤質(zhì)量指標選擇的基礎(chǔ)上,選取土壤有機質(zhì)(SOM)、孔隙度(POR)、土壤容重(BD)、全磷(TP)、全鉀(TK)、全氮(TN)、水解氮(AN)、速效鉀(AK)、速效磷(AP)和pH值10個因子作為土壤質(zhì)量評價指標(表1)。

        由表1結(jié)果可知,祁連山青海云杉森林土壤質(zhì)量指標空間變異性具有明顯差距,其變化范圍在1.18%~65.31%之間,變異系數(shù)從大到小依次為全鉀、水解氮、全磷、土壤有機質(zhì)、速效鉀、全氮、速效磷、土壤容重、孔隙度、土壤pH值。根據(jù)變異系數(shù)分級[11],土壤容重、土壤pH值和孔隙度是不敏感指標;土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、水解氮、速效磷、速效鉀為低敏感指標;全鉀是中敏感指標。根據(jù)第二次全國土壤普查的養(yǎng)分評價標準[12],祁連山青海云杉森林土壤氮、磷、鉀含量很高,平均全氮含量為5.92 g/kg,這說明土壤基礎(chǔ)肥力較高。

        2.2 最小數(shù)據(jù)集指標的篩選

        經(jīng)過對10個土壤指標的主成分分析,發(fā)現(xiàn)各土壤質(zhì)量指標的因子載荷表現(xiàn)出4個主成分,其特征值分別為2.825、1.969、1.314、1.124,均大于1。這些主成分的累計貢獻率達到72.329%,表明這些指標能夠反映土壤質(zhì)量70%左右的信息。

        根據(jù)表2,從主成分中挑選出旋轉(zhuǎn)因子載荷絕對值≥0.5的土壤質(zhì)量評價指標。在主成分1中,發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)、全氮和速效鉀這3個指標的載荷值達到了0.5及以上,歸為第一組指標;在主成分2中,土壤容重和孔隙度的因子載荷值比主成分1中的指標更高,劃分為第二組,主成分2中的指標包括土壤容重、全鉀和孔隙度;主成分3中的指標則包括全磷、水解氮和速效磷,為第三組指標;主成分4中僅有土壤pH值這一個指標,歸為第四組。

        為進一步減少信息冗余,通過計算得出各土壤指標的正常值。結(jié)果表明:在第一組中,土壤有機質(zhì)Norm值最大,為2.116,其他指標不在土壤有機質(zhì)Norm值的10%范圍內(nèi)因為被剔除;第二組中Norm值最大的是土壤容重,為1.304,孔隙度在其值的10%范圍內(nèi),且與其顯著相關(guān)(P>0.01),第二組土壤容重與孔隙度被選入最小數(shù)據(jù)集;第三組全磷Norm值最大,為0.826,水解氮與速效磷不在其Norm值10%的范圍內(nèi),被剔除;第四組僅包含土壤pH值,入選最小數(shù)據(jù)集。綜上,祁連山青海云杉森林土壤質(zhì)量指標包括土壤有機質(zhì)、土壤容重、孔隙度、全磷和土壤pH值。

        2.3 土壤質(zhì)量評價

        采用主成分分析方法得到的共同因素方差之和,求出各個數(shù)據(jù)集合中各指標的權(quán)重。利用公式(2)和(3)將各個指標在主分量上的因素負荷的正與負來計算隸屬度,并將所得的隸屬度與加權(quán)值乘以,再由公式(4)算出以整個土壤質(zhì)量指數(shù)為基礎(chǔ)的土壤質(zhì)量指數(shù)SQI-TDS。

        祁連山青海云杉森林基于最小數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)平均值為0.583,變化范圍在0.136~0.758之間,變異系數(shù)24.361%,變異系數(shù)較大,屬于中等變異(表4)。

        根據(jù)土壤質(zhì)量指數(shù)分級表和上述2個土壤質(zhì)量指數(shù)的平均值和范圍,可以看出祁連山青海云杉森林土壤質(zhì)量主要處于低水平和較低水平。

        3 結(jié)論

        本研究采用傳統(tǒng)統(tǒng)計方法,研究了祁連山馬蹄自然保護站范圍內(nèi)青海云杉森林土壤質(zhì)量的各項參數(shù)變化。通過應用最小數(shù)據(jù)集(MDS)評估土壤質(zhì)量,得出以下結(jié)論:

        (1)祁連山青海云杉森林土壤質(zhì)量基于最小數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)平均值為0.583,變化范圍在0.136~0.758之間。評價結(jié)果表明,祁連山青海云杉森林土壤質(zhì)量以低水平和較低水平為主。

        (2)利用主成分析法篩選出的最小數(shù)據(jù)集評估土壤品質(zhì)是一個科學、實用的方法。研究成果為該地區(qū)土地質(zhì)量評估提供了有價值的信息,在此基礎(chǔ)上優(yōu)化和篩選出精確的土壤指標,從而構(gòu)建全面的土壤質(zhì)量量化評估指標。此項研究將為馬蹄自然保護站下屬地區(qū)的青海云杉森林在土壤和土地管理及規(guī)劃方面提供有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

        參考文獻

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