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基于最小数据集的洞庭湖流域南部耕地土壤肥力综合评价

陈方正 任健 刘思涵 胡克林

陈方正, 任 健, 刘思涵, 胡克林. 基于最小数据集的洞庭湖流域南部耕地土壤肥力综合评价[J]. 土壤通报, 2021, 52(6): 1348 − 1359 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021040901
引用本文: 陈方正, 任 健, 刘思涵, 胡克林. 基于最小数据集的洞庭湖流域南部耕地土壤肥力综合评价[J]. 土壤通报, 2021, 52(6): 1348 − 1359 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021040901
CHEN Fang-zheng, REN Jian, LIU Si-han, HU Ke-lin. Comprehensive Assessment of Soil Fertility of Cultivated Land in Southern Dongting Lake Basin Based on Minimum Data Set[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2021, 52(6): 1348 − 1359 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021040901
Citation: CHEN Fang-zheng, REN Jian, LIU Si-han, HU Ke-lin. Comprehensive Assessment of Soil Fertility of Cultivated Land in Southern Dongting Lake Basin Based on Minimum Data Set[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2021, 52(6): 1348 − 1359 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021040901

基于最小数据集的洞庭湖流域南部耕地土壤肥力综合评价

doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021040901
基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFD0201202)资助
详细信息
    作者简介:

    陈方正(1997−),男,山东人,硕士研究生,主要从事土地信息技术的研究。E-mail: 749300321@qq.com

    通讯作者:

    E-mail: hukel@cau.edu.cn

  • 中图分类号: S159.2

Comprehensive Assessment of Soil Fertility of Cultivated Land in Southern Dongting Lake Basin Based on Minimum Data Set

  • 摘要: 构建一套既能减少人力、物力和财力投入,又能保证原有信息丢失最少的土壤肥力综合评价体系,对于指导农业生产和土地利用规划具有重要作用。研究选取洞庭湖流域南部的四个行政市为研究区,综合考虑表征土壤立地条件、剖面构型、土壤物理性状、土壤养分四个方面的14项指标,通过主成分分析确定了最小数据集(MDS),对其土壤肥力指数(SFI)进行了综合评价,并分析了研究区耕地土壤肥力的主要限制因子。结果表明:1)研究区耕地主要偏酸性,土壤容重较紧实;氮素养分处于较高水平,磷素养分处于中上水平,钾素养分处于较低水平。2)选取的最小数据集包括成土母质、剖面土体构型、阳离子交换量、容重、有机质、有效磷和全钾等7项指标。全数据集与MDS的均值与标准差均十分接近,其Pearson相关系数达到0.788(P < 0.01)。3)土壤肥力的高值区主要位于洞庭湖南部附近集中连片的水稻种植区,低值区主要分布于海拔相对较高的丘陵部位或靠近城市建筑区的低植被覆盖率区,磷素与钾素为研究区内土壤肥力的主要限制因素。研究结果为洞庭湖流域南部土壤肥力综合评价和土壤培肥提供了理论指导。
  • 图  1  研究区土地利用方式与土壤类型图

    Figure  1.  Land use pattern and soil type in the southern Dongting Lake River Basin

    图  2  研究区采样点分布图

    Figure  2.  Sampling sites in the southern Dongting Lake River Basin

    图  3  参评指标的相关系数矩阵图

    Figure  3.  Pearson’s correlation coefficient of the indices involved in the assessment

    图  4  洞庭湖流域南部耕地土壤肥力综合评价指数分布图

    Figure  4.  Distribution map of SFI in the southern Dongting Lake Basin.

    图  5  不同土地利用方式与土壤类型下不同肥力耕地的百分比堆积图

    Figure  5.  Percent stacked area chart of cultivated land with different fertility under different land use patterns and soil types

    图  6  定量型指标百分比堆积图

    Figure  6.  Percent stacked area chart of quantitative indices

    表  1  定性型指标隶属度赋值标准

    Table  1.   Value assignment standard for membership evaluation of qualitative indices

    定性指标
    Qualitative index
    赋值标准
    Value assignment standard
    地形部位 河流1-2级阶地、河网平原、
    冲(沉)积平原
    冲垄下部、低丘坡麓、
    河流阶地、人工梯田
    岗地、丘陵坡地、洼地、平原梯地、
    丘陵低谷地、山地
    岗地顶部坡面、峰林谷地、
    峡谷上部
    隶属度 1 0.8 0.7 0.6
    成土母质 湖河冲积物 洪积物 坡积物 残积物
    隶属度 1 0.9 0.8 0.7
    耕层质地 轻壤、砂壤、中壤 重壤 粘土 砂土
    隶属度 1 0.85 0.7 0.6
    剖面土体构型 海绵型、上松下紧型 夹层型 紧实型 松散型 上紧下松型 薄层型
    隶属度 1 0.75 0.7 0.65 0.55 0.5
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    表  2  定量型指标隶属度函数类型与转折点

    Table  2.   Membership function type and turning point of quantitative indices

    转折点
    Turning point
    容重
    BD
    (g cm−3
    pH阳离子交换量
    CEC
    (cmol kg−1
    有机质
    SOM
    (g kg−1
    全氮
    TN
    (g kg−1
    碱解氮
    AN
    (mg kg−1
    全磷
    TP
    (g kg−1
    有效磷
    AP
    (mg kg−1
    全钾
    TK
    (g kg−1
    速效钾
    AK
    (mg kg−1
    抛物线型函数
    Parabolic function
    升S型函数
    S function
    x1 1 4.5 < 5 < 6 < 0.5 < 60 < 0.2 < 3 < 6 < 30
    x2 1.1 6 > 20 > 40 > 2 > 200 > 1 > 40 > 30 > 200
    x3 1.2 7
    x4 1.4 8.5
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    表  3  定量型指标的统计特征值

    Table  3.   Statistical characteristics of quantitative indices

    指标
    Index
    最小值
    Min
    最大值
    Max
    均值
    Mean
    标准差
    SD
    变异系数(%)
    CV
    P
    (K-S test)
    容重(g cm−3 0.94 1.38 1.22 0.08 6.4 0.00
    阳离子交换量(cmol kg−1 2.10 53.40 25.22 14.71 58.3 0.00
    pH 4.10 8.50 6.03 1.01 16.7 0.00
    有机质(g kg−1 4.70 61.00 31.03 9.64 31.1 0.01
    全氮(g kg−1 0.29 3.88 1.85 0.58 31.2 0.00
    碱解氮(mg kg−1 12.00 510 155.20 48.17 31.0 0.00
    全磷(g kg−1 0.14 3.00 0.76 0.34 44.7 0.00
    有效磷(mg kg−1 0.50 372.20 21.65 27.38 126.5 0.00
    全钾(g kg−1 1.00 69.90 18.12 7.41 40.9 0.00
    速效钾(mg kg−1 14.00 590.00 105.58 57.48 54.4 0.00
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    表  4  半方差函数模型及参数

    Table  4.   The Semivariogram models and parameters

    指标
    Index
    模型
    Model
    块金值(C0
    Nuggect
    基台值(C0+C
    Sill
    块基比(C0/C0+C
    Nuggect/Sill
    变程(A)
    Range
    R2
    容重(g cm−3 指数模型 0.00068 0.00602 0.113 6000 0.108
    阳离子交换量(cmol kg−1 指数模型 23.5 216.0 0.109 8700 0.418
    pH 球状模型 0.302 1.093 0.276 84900 0.761
    有机质(g kg−1 指数模型 11.90 93.01 0.128 22500 0.715
    全氮(g kg−1 指数模型 0.0369 0.3338 0.111 16500 0.879
    碱解氮(mg kg−1 指数模型 255 2310 0.110 11700 0.543
    全磷(g kg−1 指数模型 0.0148 0.1156 0.128 12900 0.496
    有效磷(mg kg−1 指数模型 79 712 0.111 13200 0.084
    全钾(g kg−1 指数模型 7.30 55.88 0.131 19200 0.475
    速效钾(mg kg−1 指数模型 381 3226 0.118 13500 0.265
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    表  5  定量型指标的分级面积占比

    Table  5.   The proportion of graded area of quantitative indices for different categories

    指标
    Index
    分级
    Category
    阳离子交换量 含量范围(cmol kg−1 1级(> 20) 2级(20 ~ 15) 3级(15 ~ 10) 4级(10 ~ 5)
    面积占比(%) 71.51 18.27 8.63 1.58
    有机质 含量范围(g kg−1 1级(> 40) 2级(40 ~ 30) 3级(30 ~ 20) 4级(20 ~ 10)
    面积占比(%) 6.45 52.46 36.55 4.54
    全氮 含量范围(g kg−1 1级(> 2.00) 2级(2.00 ~ 1.50) 3级(1.50 ~ 1.00) 4级(1.00 ~ 0.75) 5级(0.75 ~ 0.50)
    面积占比(%) 32.95 51.93 13.96 1.14 0.02
    碱解氮 含量范围(mg kg−1 1级(> 200) 2级(200 ~ 150) 3级(150 ~ 120) 4级(120 ~ 90) 5级(90 ~ 60) 6级(< 60)
    面积占比(%) 5.56 48.46 35.51 9.65 0.81 0.01
    全磷 含量范围(g kg−1 1级(> 1.0) 2级(1.0 ~ 0.8) 3级(0.8 ~ 0.6) 4级(0.6 ~ 0.4) 5级(0.4 ~ 0.2)
    面积占比(%) 12.43 24.36 45.44 16.93 0.84
    有效磷 含量范围(mg kg−1 1级(> 40) 2级(40 ~ 20) 3级(20 ~ 10) 4级(10 ~ 5)
    面积占比(%) 4.88 31.24 54.86 9.02
    全钾 含量范围(g kg−1 1级(> 30) 2级(30 ~ 24) 3级(24 ~ 18) 4级(18 ~ 12) 5级(12 ~ 6) 6级(< 6)
    面积占比(%) 3.44 9.62 28.52 52.12 5.34 0.95
    速效钾 含量范围(mg kg−1 1级(> 200) 2级(200 ~ 150) 3级(150 ~ 100) 4级(100 ~ 50) 5级(50 ~ 30)
    面积占比(%) 1.35 8.87 40.89 48.27 0.62
    pH 含量范围 酸性(4.5 ~ 5.5) 微酸性(5.5 ~ 6.0) 中性(6.0 ~ 7.0) 微碱(7.0 ~ 7.5) 碱性(7.5 ~ 8.2)
    面积占比(%) 25.40 32.12 20.99 7.75 13.74
    容重 含量范围(g cm−3 适宜(1.1 ~ 1.2) 偏紧(1.2 ~ 1.4) 偏紧(1.2 ~ 1.4)
    面积占比(%) 24.06 74.96 74.96
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    表  6  主成分载荷矩阵及Norm值

    Table  6.   Principal component loading matrix and Norm values

    指标
    Index
    主成分
    Principal component
    Norm值
    Norm Value
    PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7
    有机质 0.78 0.40 −0.02 −0.12 −0.09 −0.02 0.05 1.33
    全氮 0.72 0.49 −0.01 −0.12 −0.15 −0.04 0.02 1.32
    碱解氮 0.64 0.38 0.04 −0.12 −0.03 0.08 −0.02 1.13
    地形部位 −0.43 0.70 0.10 0.15 −0.08 0.02 −0.01 1.20
    成土母质 −0.45 0.69 0.09 0.16 −0.01 −0.05 −0.02 1.21
    pH −0.30 0.56 0.06 0.36 −0.02 −0.06 −0.11 1.01
    有效磷 −0.03 −0.09 0.78 −0.26 −0.03 0.12 −0.05 0.99
    速效钾 −0.08 −0.04 0.75 −0.28 −0.12 −0.03 −0.12 0.98
    容重 0.32 −0.22 0.19 0.66 −0.11 −0.13 −0.30 1.03
    耕层质地 −0.35 0.27 −0.25 −0.64 0.14 0.04 0.00 1.04
    全钾 0.21 0.05 0.00 0.10 0.75 0.22 −0.04 0.89
    全磷 0.11 0.13 0.32 0.13 0.63 −0.16 0.21 0.85
    阳离子交换量 0.00 0.04 −0.02 0.11 −0.05 0.91 −0.23 0.97
    剖面土体构型 −0.03 −0.03 0.14 0.24 −0.18 0.24 0.88 0.99
    特征值 2.32 1.98 1.42 1.31 1.08 1.02 1.00
    主成分贡献率(%) 16.59 14.12 10.13 9.34 7.73 7.30 7.18
    累计贡献率(%) 16.59 30.71 40.84 50.18 57.91 65.20 72.38
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    表  7  土壤肥力综合评价指标权重值

    Table  7.   Weights of soil fertility assessment indices

    指标
    Index
    全数据集(TDS)
    Total data set
    最小数据集(MDS)
    Minimum data set
    公因子方差
    Common factor variance
    权重
    Weight
    公因子方差
    Common factor variance
    权重
    Weight
    立地条件 成土母质 0.71 0.07 0.55 0.16
    地形部位 0.72 0.07
    剖面性状 剖面土体构型 0.95 0.09 0.30 0.09
    土壤物理性状 耕层质地 0.69 0.07
    容重 0.74 0.07 0.47 0.14
    阳离子交换量 0.91 0.09 0.64 0.19
    pH 0.55 0.05
    土壤养分指标 有机质 0.80 0.08 0.38 0.12
    全氮 0.80 0.08
    碱解氮 0.59 0.06
    全磷 0.61 0.06
    有效磷 0.70 0.07 0.48 0.14
    全钾 0.68 0.07 0.53 0.16
    速效钾 0.68 0.07
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    表  8  基于全部和最小数据集的土壤肥力评价结果的统计特征值

    Table  8.   Statistical eigenvalues of soil fertility assessment results based on TDS and MDS

    综合指数
    Index value
    最小值
    Min
    最大值
    Max
    均值
    Mean
    标准差
    SD
    变异系数
    CV
    Pearson相关系数
    Pearson’s correlation coefficient
    SFI(TDS) 0.46 0.95 0.71 0.07 10% 0.788**
    SFI(MDS) 0.37 0.97 0.69 0.09 13%
      ** P < 0.01,SFI,土壤肥力综合指数;TDS,全数据集;MDS,最小数据集.
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    表  9  不同土壤综合肥力指数值区间水稻产量

    Table  9.   Rice yield in different Soil fertility index values

    产量(kg hm−2
    Yield
    土壤综合肥力指数
    soil fertility index(SFI)
    0.46 ~ 0.660.66 ~ 0.720.72 ~ 0.92
    单季稻 8055 8355 8565
    双季稻 12150 12420 12675
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-04-12
  • 修回日期:  2021-06-22
  • 刊出日期:  2021-12-08

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