土壤適宜性評價方法研究——以重慶市彭水縣植煙土壤為例.pdf

1、土壤適宜性評價是針對具體作物在特定地域種植的土壤適宜度所做出的定性、定量和定位的結(jié)論性評價，具有實踐性、經(jīng)驗性、客觀性及應(yīng)用性的特點。隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論的發(fā)展和計算機技術(shù)的不斷更新，土壤適宜性評價方法逐漸從簡單的單準則、單目標評價方法向多準則、多目標綜合評價方法的發(fā)展和應(yīng)用。在評價理論和方法上，目前具體土壤適宜性評價方法的選擇通常是評價人員根據(jù)需要和研究目的，依據(jù)自身以往所積累的經(jīng)驗及個人偏好等條件，在眾多方法中選取一種或多種方法進行評價

2、，這在一定程度上忽略了各種評價方法的特性，造成了對具體評價方法的不適當運用，從而嚴重影響了評價結(jié)果的可靠性和準確性。特別是地理環(huán)境相對比較復(fù)雜的山地丘陵地區(qū)，土壤屬性空間變異強度大的條件下，如何因地制宜地選取評價方法進行土壤適宜性評價才能最大限度地確保評價精度及科學(xué)指導(dǎo)實踐等問題是擺在我們面前亟需解決的問題。同時，在評價尺度轉(zhuǎn)換上，多數(shù)研究者都是把研究區(qū)土壤看作是一個均質(zhì)單元，應(yīng)用樣本單元的評價等級結(jié)果代表整個區(qū)域的評價結(jié)果，實現(xiàn)評價由

3、變量空間向評語空間的轉(zhuǎn)換，但這種尺度轉(zhuǎn)換缺乏一定的理論基礎(chǔ)，存在主觀性，背離了土壤是時空變異連續(xù)體的實際，很大程度造成了研究結(jié)果與土壤實際的差異。 因此，本論文在采集、分析重慶市彭水縣植煙區(qū)235個土壤樣品理化性質(zhì)的基礎(chǔ)上，基于GIS技術(shù)及多種數(shù)學(xué)模型，采用檢驗指數(shù)和、地統(tǒng)計學(xué)、模糊數(shù)學(xué)理論及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對復(fù)雜地理環(huán)境條件下的土壤適宜性評價進行對比研究，并通過煙葉等級指標對評價結(jié)果進行精度檢驗，進一步完善了復(fù)雜地理環(huán)境區(qū)域

4、土壤適宜評價的理論、方法；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合影響優(yōu)質(zhì)烤煙種植的氣象要素及煙農(nóng)種煙投資行為等因素綜合評價彭水縣烤煙種植適宜性并進行了種植區(qū)劃，得到了以下結(jié)論： 1基于經(jīng)驗指數(shù)和法的土壤適宜性評價基于GIS技術(shù)，采用頻度統(tǒng)計、系統(tǒng)分析等方法選取土壤適宜性評價指標，并應(yīng)用層次分析法(AHP)與特爾菲法對指標權(quán)重進行賦值并計算土壤樣點經(jīng)驗指數(shù)；依據(jù)土壤樣點經(jīng)驗指數(shù)分別采用行政村區(qū)劃法和克立格插值法進行土壤適宜性評價并進行精度檢驗。(1)不

5、同處理方式評價結(jié)果差異較大，且在面尺度(類型尺度和區(qū)域尺度)的研究中，兩種處理方式所得的評價結(jié)果均隨研究尺度的增大，適宜等級(中度適宜與高度適宜之和)和不適宜等級(勉強適宜與不適宜之和)比例差異性增強。行政村區(qū)劃法在類型尺度(旱地)及區(qū)域尺度上適宜區(qū)與不適宜區(qū)比值分別為1.24：1和2：1；而克立格插值法在兩種尺度上比值的為2：1和3：1：(2)基于經(jīng)驗指數(shù)和法的行政村區(qū)劃法和克立格插值處理兩種方式所得評價結(jié)果檢驗符合率分別為20.37

6、％和46.30％，均未超過一半，但克立格插值法處理所得評價結(jié)果要相對較為準確。 2基于地統(tǒng)計學(xué)方法的土壤適宜性評價在認真分析土壤屬性空間分布特征的基礎(chǔ)上，充分考慮地統(tǒng)計學(xué)在面尺度、山地條件下模擬評價的精度，提出并構(gòu)建了不同類型土壤屬性空間預(yù)測模擬模型，將傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合，在考慮各向異性和趨勢效應(yīng)的情況下，研究土壤屬性的空間變異特征并進行不同尺度土壤的適宜性評價及精度檢驗。(1)土壤適宜性評價指標的樣本數(shù)據(jù)受不同因素的影響而呈現(xiàn)

7、不同的分布狀況、趨勢效應(yīng)；土壤適宜性評價指標近似為幾何異向性；球狀模型、指數(shù)模型及高斯模型分別為土壤適宜性評價指標的半方差函數(shù)的最佳擬合模型。原始數(shù)據(jù)樣本由于受地形、樣點數(shù)量及實驗分析誤差的影響，多數(shù)呈非正態(tài)分布，指標數(shù)據(jù)以一階、二階趨勢效應(yīng)為主；不同土壤類型樣本受樣本數(shù)量及模擬方程因素的影響，各項評價指標多呈現(xiàn)正態(tài)分布，且趨勢效應(yīng)不顯著；而混和數(shù)據(jù)樣本指標同樣受樣本數(shù)量及模擬方程因素的影響多為正態(tài)分布，指標數(shù)據(jù)多以二階趨勢效應(yīng)為主。

8、 (2)在不同研究尺度下，不同數(shù)據(jù)處理方式所得到的土壤適宜性評價結(jié)果存在較顯著差異。原始數(shù)據(jù)處理在樣本尺度、類型尺度及區(qū)域尺度下的適宜區(qū)與不適宜區(qū)比例分別為4.34:1、2.86:1和2.44:1；不同土壤類型處理在三種研究尺度比例分別為6.70:1、7.22:1和4.97:1：而混和數(shù)據(jù)處理在三種研究尺度比例分別為6.70:1、6.62:1和5.40:1。 (3)將地理環(huán)境因子與土壤類型考慮到區(qū)域土壤屬性的空間分布，利用

9、原始數(shù)據(jù)通過評價指標的空間預(yù)測模擬模型來增加樣本點的處理方式可以有效地提高評價精度，使評價結(jié)果更加接近現(xiàn)實，且不同土壤類型數(shù)據(jù)處理方式從理論方面要相對更加科學(xué)，評價結(jié)果更加精確，更符合實際。 3基于模糊數(shù)學(xué)方法的土壤適宜性評價在Matlab7.0環(huán)境下，基于GIS技術(shù)，分別應(yīng)用模糊ISODATA聚類評價和模糊綜合評價方法進行不同尺度下土壤適宜性評價研究及精度檢驗。(1)模糊綜合評價結(jié)果的適宜等級比例明顯高于ISODATA聚類評價

10、結(jié)果，這可能與模糊綜合評價在因子加權(quán)時，過分突出較大值指標的影響相關(guān)。(2)不同研究尺度，土壤適宜范圍差異較顯著。土壤適宜性評價的適宜類與不適宜類的比值在樣本尺度分別為1.78:1和1.16:1，類型尺度分別為1.86:1和1.10:1，而區(qū)域尺度分別為1.66:1和0.67：1。(3)模糊ISODATA聚類評價在面尺度的模擬精度高于模糊綜合評價的精度。 4.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)的土壤適宜性評價@ 在Matlab7.0環(huán)境

11、下，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及GIS技術(shù)進行不同尺度下土壤適宜性評價及精度檢驗。(1)通過RBF網(wǎng)絡(luò)和BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)測試，按不同研究尺度將土壤適宜性劃分成4個等級，表明了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于土壤適宜性分區(qū)的可行性。(2)不同研究尺度，RBF網(wǎng)絡(luò)和BP網(wǎng)絡(luò)適宜性評價的土壤適宜范圍差異較顯著。土壤適宜性評價的適宜等級與不適宜等級比值在樣本尺度分別為3.35:1和2.35：1，類型尺度分別為1.01：1和2.09：1，而區(qū)域尺度分別為1.10：1和

12、1.74：1。(3)RBF網(wǎng)絡(luò)在面尺度的模擬精度高于BP網(wǎng)絡(luò)的精度。 5.土壤適宜性評價方法比較(1)各種評價方法的理論基礎(chǔ)不同，其評價過程存在較大差異，都有各自的優(yōu)缺點。經(jīng)驗指數(shù)和法、模糊聚類及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法主要是針對樣本在較小尺度上進行評價并劃分等級，然后根據(jù)評價單元進行尺度的擴展，實現(xiàn)評價由變量空間向評語空間的轉(zhuǎn)換，在對點尺度的評價上具有較高的精度，但在由點到面的尺度轉(zhuǎn)換過程中缺乏一定的理論基礎(chǔ)，存在主觀性；地統(tǒng)計學(xué)法主要是

13、針對連續(xù)變量在區(qū)域尺度上進行空間模擬和區(qū)劃評價，通過變量圖層疊加實現(xiàn)研究目標的綜合評價，在區(qū)域評價過程中具備一定的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，整個評價過程多通過計算機上實現(xiàn)，降低了人為誤差，評價結(jié)果非常直觀。 (2)通過利用雙變量簡單相關(guān)分析和偏相關(guān)分析比較各種評價方法所得到的評價結(jié)果與評價指標數(shù)據(jù)的相關(guān)性認為：雙變量簡單相關(guān)分析與偏相關(guān)分析的結(jié)果有較大的相似性。海拔、pH及速效鉀等指標都與不同適宜性評價方法所得評價結(jié)果呈現(xiàn)顯著性相關(guān)，說明這些指標數(shù)

14、據(jù)強烈影響評價結(jié)果的變化，是影響煙葉生長的主導(dǎo)因子；OM、堿解氮、有效磷、水溶性氯、坡度及物理性粘粒等指標在不同適宜性評價方法所得評價結(jié)果中相關(guān)性強度有所變化，其中以土壤養(yǎng)分元素的有效性變幅較大，其他土壤環(huán)境要素的變幅相對較小，說明這些指標是依據(jù)所選擇的評價方法的不同，指標數(shù)據(jù)處理方式不同，其對評價結(jié)果的影響也有所不同；CEC指標在不同適宜性評價結(jié)果中均沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，這說明CEC指標數(shù)值對評價結(jié)果的影響不大，如果評價體系中缺乏CE

15、C指標，所得的評價結(jié)果不會產(chǎn)生大的變化。(3)地統(tǒng)計學(xué)方法適宜用于復(fù)雜地理環(huán)境條件下的土壤適宜性評價。通過比較不同方法適宜性評價精度檢驗表明：采用地統(tǒng)計學(xué)方法所得的評價結(jié)果與實際煙葉品質(zhì)之間的對應(yīng)關(guān)系的比例最高，符合率達到74．07％，RBF—ANN的符合率為61.11％，模糊ISODATA聚類法的符合率為57.40％，而經(jīng)驗指數(shù)和法的符合率為46.30％。如果單從符合率的角度，研究認為地統(tǒng)計學(xué)方法的適宜性評價結(jié)果與實際煙葉品質(zhì)之間符合

16、率最高，精度最好，該方法適宜用于復(fù)雜地理環(huán)境下的土壤適宜性評價。 6.彭水縣煙葉種植適宜性綜合評價及區(qū)劃基于GIS技術(shù)，應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法，在借鑒國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)的自然基礎(chǔ)環(huán)境條件上，充分考慮地統(tǒng)計學(xué)在區(qū)域尺度、山地條件下模擬評價的精度，依據(jù)彭水縣30a(1975-2005)及近4a(2003-2006)氣象要素資料，構(gòu)建彭水縣部分氣候要素的空間分布預(yù)測模擬模型，并進行了單指標適宜性分區(qū)：通過參與性農(nóng)戶評估法對

17、彭水縣煙農(nóng)種煙投資行為機理及主要影響因素進行了分析和評價；根據(jù)彭水縣各氣象觀測站的分布狀況及實際種植煙草的狀況，按照自然地理條件及行政區(qū)劃將彭水縣植煙土壤劃分為沿江河谷區(qū)、北部中山丘陵區(qū)及東南丘陵區(qū)三個區(qū)域，并應(yīng)用綜合指數(shù)評價法分別計算三個區(qū)域的適應(yīng)性指數(shù)及進行適應(yīng)性評價。 通過對復(fù)雜地理環(huán)境條件下土壤屬性的空間變異及不同尺度下土壤適宜性評價方法的比較，提出的基于分布函數(shù)連續(xù)性數(shù)學(xué)理論的不同類型土壤屬性空間模擬估算及尺度效應(yīng)定量