Comprehensive Assessment of Soil Fertility of Cultivated Land in Southern Dongting Lake Basin Based on Minimum Data Set
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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。Abstract: Establishing a new method to assess soil fertility of cultivated land using less input and cost without reducing any useful information is helpful to guide agricultural production and land use planning. In this study, four administrative cities in southern Dongting Lake River Basin were selected as the study area. The 14 indices representing four main components, such as site conditions, soil profile properties, soil physical properties and soil nutrients were comprehensively considered. Soil fertility was evaluated by the integrated index based on the minimum data set (MDS) using principal component analysis, and its main limiting factors was also analyzed. The results showed that the study area was mainly slightly acidic. Soil bulk density (BD) and the nitrogen nutrient presented trends of slightly tight and at a higher level, respectively. The phosphorus nutrient ranged from the medium to high level, and the potassium nutrient was at a low level. The MDS was consist of seven indices, including soil parent material, soil profile pattern, CEC, BD, SOM, AP and TK. The mean and standard deviation of total data set (TDS) and MDS were close with a Pearson’s correlation efficient of 0.788 (P < 0.01). The areas with high soil fertility index (SFI) were mainly located in the concentrated rice planting area near the southern Dongting Lake water system. Those with low SFI were mainly distributed in the hilly area with relatively high altitude or low vegetation coverage close to urban construction area. Phosphorus and potassium nutrients were the main limiting factors of SFI in the study area. The results provided a theoretical guidance for the comprehensive assessment and improvement of soil fertility in the southern Dongting Lake Basin.
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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 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 functionx1 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 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(%)
CVP
(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 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)
RangeR2 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 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 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 componentNorm值
Norm ValuePC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 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 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 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
CVPearson相关系数
Pearson’s correlation coefficientSFI(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. 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 ~ 0.66 0.66 ~ 0.72 0.72 ~ 0.92 单季稻 8055 8355 8565 双季稻 12150 12420 12675 -
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