基于熵权物元模型的土壤养分评价以新疆干旱区艾比湖流域人工绿洲为例-蒋烨林.pdf

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1、生态与农村环境学报 ， （）： 收稿日期： 基金项目：中国清洁发展机制基金（）；国家科技支撑计划（， ）通信作者-： 基于熵权物元模型的土壤养分评价：以新疆干旱区艾比湖流域人工绿洲为例蒋烨林，王让会， ，彭擎，吴晓全，刘燕，李成 （.南京信息工程大学应用气象学院，江苏南京 ； .江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏南京 ）摘要：调查新疆艾比湖流域人工绿洲并按不同土地利用类型分层采集土样，以土壤有机质（）、全氮（）、全磷（）、全钾（）、速效氮（）和速效磷（）、速效钾（）含量这项土壤肥力因素为土壤养分评价指标，建立熵权物元（）模型评价人工绿洲个不同样地个土样的土壤养分等级。结果表明，人工绿洲

2、土壤养分总体处于极贫乏等级，和为土壤肥力优势因子，、和为限制因子，农业施肥应具有针对性；不同土地利用类型土壤养分状况不同，耕地养分含量最高，林地次之，这与人工干扰程度有较大关联性；整体而言，不同土层的养分水平变化不明显。在自然状况下，深层土养分含量高于表层土。在人为种植利用状况下，表层土养分含量高于深层土。评价结果符合当地的生产实际状况， 模型在人工绿洲土壤养分评价中具有较好的适用性。关键词：熵权物元（）模型；土壤养分评价；土地利用；人工绿洲；艾比湖流域；干旱区中图分类号： ； . 文献标志码： 文章编号： （）： （ ） ： - ， -， -， ， -， ， （. ， - ， ， ； . -

3、 ， ， ）： ， ， （）， （）， （）， （）， （）， （） - （）， （ - ） “” ， - ， ， ， ， ， ， - ， - ： ； ； - ； ； ； 过去半个多世纪以来，全球几乎所有地区都经历了升温过程，其中北半球中纬度地区是变暖趋势最显著的区域。中国西北干旱区地处中纬度地带，是全球同纬度最干旱地区之一。西北干旱区地形复杂，山地与盆地相间，沙漠与绿洲共存，特殊的地理环境和显著的气候变化增加了其生态系统的敏感性与脆弱性。近几十年，人为扰动的加剧使万方数据第期蒋烨林等：基于熵权物元模型的土壤养分评价：以新疆干旱区艾比湖流域人工绿洲为例 西北干旱区绿洲扩张化和荒漠化过程变换愈加

4、频繁。绿洲作为干旱区的核心，以的面积集中了以上的人口，同时创造了以上的社会经济价值。人工绿洲是在荒漠或自然绿洲的基础上，以人工干预的方式进行改造，改变原有荒漠地区水热配置不合理或生存环境严酷等状况，使之适宜于人类生存和社会生产。农业发展是绿洲面积扩张和荒漠地区生态修复的关键，是保证干旱区经济发展、维护社会稳定的有效途径，更是干旱区应对气候变化的最佳策略。绿洲农业的发展与扩张，除了最大限制因子水之外，很大程度上还取决于土壤养分供给状况。枯落叶、动植物残体等在土壤酶的作用下，经过淋溶分解，转化为土壤养分和矿物元素，重新被植物根系吸收，实现生态系统内化学元素交换，构成生物地球化学循环。而干旱区由于水

5、分亏缺以及次生盐碱化和荒漠化等问题，植被稀疏，导致地球化学循环难以维持，土壤中腐殖质、有机碳和矿物元素等累积较少，土壤肥力基本处于较低水平。所以对干旱区土壤养分进行科学评价能促进其农业上的合理施肥，能提高土地和肥料资源的利用效率，是发展现代精准农业和扩张绿洲农业的基础。传统的土壤养分评价研究局限于养分等级和权重指标的人为确定，缺乏普适性，评价结果不能在大尺度应用。近年来，很多数学模型方法被改进后用于土壤养分研究。魏志远等利用灰色关联度法研究海南荔枝园的土壤肥力状况，定量进行果园肥力状况划区；吴玉红等利用模糊数学中的综合指数评价模型对陕西杨凌田间土壤进行评价，并筛选出研究区土壤的肥力限制因子；周

6、旭等利用改进层次分析法和进行耕地土壤的空间差异性评价，实现耕地土壤肥力的可视化表达；韩磊等对陕西安塞土壤养分进行神经网络训练，进而进行模糊评价。这些评价方法都有各自的优点和适用领域，但至今没有量化统一的评价标准，同时还忽略了各单项因子评价结果的不相容性以及总体评价结果受单项因子影响的不确定性。物元模型理论的提出为探索不相容问题的规律和方法提供了可能。物元模型已应用于各个领域，基于物元模型的土壤养分研究集中于耕地表层土壤养分评价，很少涉及西北干旱区人工绿洲这个特殊的景观格局，对于不同土地利用类型的评价和土壤分层研究也鲜有报道。艾比湖流域地处亚欧大陆腹地，是新疆天山北坡生态防护林体系中最重要的集防

7、沙、治尘和湿地保护于一体的功能区之一。该流域集绿洲化和荒漠化过程于一体，反映了水文过程、地质过程、强对流过程和人类活动过程的综合作用，是表征准噶尔盆地生境变化的关键区域。笔者以艾比湖流域人工绿洲精河县为研究区域，以不同土地利用类型的土壤养分为研究对象，应用熵权物元（）模型对不同土地利用类型、不同土壤类型、不同土壤剖面的土壤养分等级进行评价，以期对当地土壤肥力评级和农业合理施肥做出一定的指导，为艾比湖流域人工绿洲的稳定扩张、农业的丰产以及荒漠化的控制和治理提供科学依据，在气候变化背景下，探索出一套适宜于干旱区绿洲农业土壤养分的评价方法。材料与方法. 研究区概况研究选取西北干旱区艾比湖流域的人工绿

8、洲精河县（ ， ）为试验区。精河县三面环山，地处天山北坡绿洲城市群，东北部与准噶尔盆地相接，形成了自西南向北倾斜、以艾比湖为中心的盆地。土地利用类型复杂，土壤类型繁多，包含灰棕漠土、灰漠土、潮土、灌淤土、草甸土、沼泽土、盐土和风沙土种土壤类型。属于典型北温带大陆性干旱气候区，全年光照充足，冬夏两季冷热悬殊，常年干燥少雨，多大风天气，是西北地区沙尘暴的主要源区。全县平原地区年平均气温. ，而年均降水量仅为. 。尽管精河县年降水量不足，但是由于地面湖泊与河流汇聚、地下河流纵横以及春季天山冰雪融水，拥有着丰富的水资源。精河中部、东北部地区农业用地集中，水资源丰富，水利设施齐全。全县耕地面积. ，林地

9、面积. 。. 土壤样品采集与测定为兼顾覆盖类型和空间分布的代表性，选取位于艾比湖流域西南缘精河县人工绿洲规划区和生态修复区的典型资源植物种植区（罗布麻、枸杞、肉苁蓉、沙地桑、棉花）、人为自然修复区（艾比湖公园、沙漠公园等）以及“百万亩沙产业发展规划（ 年）”中的未利用地等作为样地，共块。于年月，进行实地土壤剖面调查和采样。样地分布如图所示，土壤状况及土地利用类型见表。由于临近国道干线，为了避免过多的人为扰动，样地选取在离公路 外。研究区风沙土质偏多，土壤类型不稳定，土壤状况复杂，故不万方数据 生态与农村环境学报第卷针对土壤类型进行土壤剖面研究。在每个样地内随机选取个样点挖取土壤剖面（重复试验）

10、，使用 环刀分层（每 为层）取样，把个土壤剖面对应的每层土样放置在一起。因、和样地土层深度不够 （深层出现石砾），只取层土样，共计得到个土样。同时用手持式仪对每个采样点的经纬度进行记录。土样经自然风干后，研磨，去除砂粒、石块和植物残体，用. 孔径筛进行筛选。将处理好土样分为份，分别用于化学测定和保存备用。有机质（）含量采用重铬酸钾容重法外加热法进行测定；总氮（）含量采用最常用的半微量开氏法进行测定；总磷（）含量采用硫酸高氯酸消煮法进行测定；总钾（）含量采用氢氧化钠火焰光度法进行测定；速效氮（）、速效磷（）和速效钾（）含量分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法和乙酸铵火焰光度计法测定。图研

11、究区及采样点示意图. 表样地土壤状况及土地利用类型 - 样地编号经纬度土壤类型地表覆盖类型土地利用类型 ， 盐土白刺、梭梭、柠条、麻黄、沙拐枣草地 ， 沼泽土芦苇、盐节木、盐爪爪水域 ， 灰漠土白刺、梭梭、柽柳、胡杨未利用土地 ， 潮土罗布麻、芦苇草地 ， 风沙土无植被未利用土地 ， 灰棕漠土梭梭、沙拐枣、刺沙蓬、盐生草耕地 ， 灰漠土枸杞耕地 ， 灰漠土梭梭林地 ， 灌淤土杨树、榆树、沙枣、柽柳林地 ， 草甸土沙枣、沙拐枣草地 ， 灌淤土沙地桑耕地 ， 风沙土梭梭、盐节木、盐爪爪未利用土地 ， 灌淤土棉花耕地 ， 盐土杨树林地 ， 灌淤土枸杞耕地研究方法. 权重计算采用熵权法确定权重，设有个

12、评价指标，个待评价事物，则第个指标的信息熵为，其权重为，计算公式为 ， （） 。 （）式（）（）中，为第个待评价事物的第项指标的标准化值。计算得到各指标权重如下：为. ，为. ，为. ，为. ，为. ，为. ，为. 。. 物元模型构建及关联度计算. . 构建物元模型基本元由待评价目标、目标特征和特征量值构成。假设有个特征， ，其对应的量值为， ，则物元可以表示为 （，） 。 （）经典域物元和节域物元可以表示为万方数据第期蒋烨林等：基于熵权物元模型的土壤养分评价：以新疆干旱区艾比湖流域人工绿洲为例 （，） （，） （，） （，），（） （，） （，） （，） （，）。 （）式（） （）中，为待评

13、价目标的第个评价等级， ，；为第个评价指标；（，）为对应评级等级的量值区间， ， ，；为所有的评价等级；为关于特征的量值区间，其值为（，）。待判物元的计算公式可以表示为 （，） 。 （）式（）中，为待评价各指标的具体量值。研究以全国第二次土壤普查的土壤养分分级标准为依据，建立样点的经典域、节域和待判物元，其中养分等级 分别表示养分含量极贫乏、贫乏、适量、较丰富、丰富和极丰富，对应经典域中、， 分别对应、这种土壤养分评价指标，节域为量值范围，待判物元为各指标实测值。以样地 深度土壤为例，建立经典域物元、节域物元和待判物元。该样点试验数据为：（）. ，（） . ，（）. ，（） . ，（）. ，（

14、） . ，（）. 。经典域物元（、）、节域物元（）、待判物元（）如表所示。. . 关联度计算待评事物各指标关于各等级的关联度表达式为（） （，）， （，）（，） （，）， ， （）（，） （ ） （ ） ，（）（，） （ ） （ ） ，（） 。 （）式（）（）中，（，）为点与其相对应的经典域之间的距离；（，）为点与节域之间的距离；（）为待评事物各指标关于评价等级的单指标关联度，（） 。当（） （）时，待评价事物的第指标属于等级。表 样地 土壤熵权物元模型 （ ）物元 （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，

15、. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ）

16、（. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） （. ，. ） . . . . . . . 分别对应、和这种土壤养分指标； 分别为土壤养分评价的 级分级依据； 为土壤养分划分区间； 为样地 土壤各指标值。综合关联度的的评价等级（）可以表示为（） （） 。 （）式（）中，为熵权法计算所得的各评价指标的权重；（）为待评事物和等级的综合关联度。当（） （）时，待评价事物的综合评价等级属于。当（）时，说明待评价事物不符合该等级要求，（）的取值越小，表明它与该等级的距离越大；当 （）时，说明待评价事物未能完全达到该等级要求；当 （）时，说万方数据 生态与农

17、村环境学报第卷明待评价事物符合该等级的要求，同时（）的取值越大，待评价事物在对应的等级中越稳定。以样地 土壤为例，将其各项指标实测值导入已构建的物元模型，计算结果见表。 样地 土壤、和含量都处于极贫乏等级，和含量相对适量，含量处于贫乏等级，说明样地 土壤肥力处于极贫乏。采用同样的方法得到所有土样的各单指标和综合关联度以及评价等级。结果与分析. 综合土壤养分评价艾比湖流域人工绿洲不同土地利用类型土壤养分评价结果见表。表 样地 土壤养分等级评价结果 （） 关联度 等级（） . . . . . . （） . . . . . . （） . . . . . . （） . . . . . . （） . .

18、 . . . . （） . . . . . . （） . . . . . . . . . . . . 分别表示土壤养分评价等级 级； （） （）分别表示样地 土壤、和含量的单指标关联度；为样地 土壤养分综合关联度。表艾比湖流域各样地土壤养分等级评价结果 样地土层 整体样地土层 整体 、和分别表示、和 深度土壤。由表可知，个土样中，整体土壤养分状况为级，即处于极贫乏状态的土样有个，占万方数据第期蒋烨林等：基于熵权物元模型的土壤养分评价：以新疆干旱区艾比湖流域人工绿洲为例 . ，处于贫乏状态的占. ，达适量水平的仅. ，而处于丰富和极丰富水平的分别占. 。整体而言，艾比湖流域人工绿洲土壤养分状况不

19、理想。对种土壤养分进行单关联度评价得出，、和含量基本都处于极贫乏状态，为主要的限制因子；和含量大多处于级及以上水平，为主要优势因子。研究区年降水量极低，自然植被生长状况较差，土壤腐殖质累积作用很弱，直接导致土壤含量匮乏。 、与含量密切相关，尤其是和之间可以相互转换，有研究表明干旱地区和含量之间的转换系数为. . 。因此，艾比湖流域、和含量都处于极贫瘠状态，是土壤肥力的限制因子。由于地质年代沉积和风蚀作用，我国西北地区土壤多蒙脱石蛭石组合，矿石云母含量较高，供钾能力较强，土壤和含量相对较高，所以艾比湖流域和为土壤肥力优势因子。研究区丰富的地下水资源和天山冰雪融水资源满足了区域内人工绿洲建设的基本

20、水分需求，因此艾比湖流域的绿洲扩张和绿洲农业的发展更受限于土壤肥力状况。除了钾素养分，其他土壤养分严重缺失。在绿洲农业发展和扩张过程中，应先进行整田保墒，施用农家肥，亦可就近取材，如秸秆、树叶和树皮等有机废物的施用都可提高土壤有机质水平，农田基肥和中后期追肥应侧重于氮肥和磷肥的混合施用。应针对性施肥，在能保证生产力的情况下避免施用化肥，以免加剧农田土壤的干旱化和盐碱化程度。同时农业选种时应选用高品质、强耐受性的品种，就艾比湖流域而言，可选择种植“精杞号”和“宁杞号”枸杞，推广种植罗布麻和肉苁蓉等耐受性强且经济价值较高的作物。. 不同土地利用类型的养分状况尽管研究区土壤养分含量都处于较贫乏状态，

21、但相对而言，、和样地的土壤养分状况优于其他样地，其中样地为未利用地，和样地为耕地。 样地位于新疆枸杞之乡托里乡的枸杞田，在所有样点中养分状况最佳。其余个样地尽管总体都处于极贫乏水平，但分析单养分指标发现，耕地的土壤养分水平相对较高（样地除外），林地次之。耕地受人为影响最大，在农业种植前农户会进行整地保墒，施用底肥改善土壤状况，之后每个生长季都进行追肥，故而耕地肥力状况相对较好。而耕地中的样地为肉苁蓉种植基地，对土壤养分状况要求较低，人工施肥也相对较少。艾比湖流域的林地多为人工种植的防风固沙林，种植之前需要经过土壤改良来提高新造林的存活率。研究区的草地属于荒漠草地，植被生长较稀疏，腐殖质累积也相

22、对较少，故而草地养分含量都处于较低水平。未利用地的养分状况波动范围较大，样地的土壤养分状况较好，而和样地的养分状况处于极贫乏状态，这是因为未利用地土壤养分含量由该地历史背景和自然沉积决定。 样地为沼泽芦苇地，植物生长状况不佳，腐殖质累积较少，因此整体肥力水平较低。干旱区肥力状况受人为干扰的影响较大，绿洲扩张需要适当的人为干扰，根据耕地和林地的养分缺失状况进行合理增肥。绿洲农业扩张时，应先了解未利用地土壤养分空间分布状况，选取自然本底条件较好的区域发展农业，这样可以最大程度上节约肥料资源，并取得更好的生态经济效益。. 不同土层的养分状况从垂直尺度上分析艾比湖流域土壤养分状况发现，不同土层养分等级

23、变化不明显，仅样地土壤养分含量随土层变深而降低。综合整体养分和单个养分因子的评价结果发现，、和样地不同土层养分状况基本保持不变，、和样地表现为深层土养分含量优于浅层土，其余样地则表现为浅层土养分状况优于深层土。尽管、和样地属于不同土地利用类型，但都是砂质土。研究区处于著名阿拉山口的东南方向，多大风天气，因此风蚀作用较强，土壤流动性也较强，养分状况较差且不易累积，同时人为干扰较少，所以土壤低肥力水平的状况不随土层深度变化而变化。 、和样地表层土养分含量低于深层土，这归因于强大的流水侵蚀和风蚀作用。研究区处于天山北坡，每年春季天山的冰雪融水大量冲刷精河县中部至东北部平原地区，甚至会造成洪涝现象。在

24、洪水冲击及侵蚀作用下，表层土养分易被淋溶。同时表层土容易被风蚀移动，而深层土相对较为稳定。干旱区植物根系发达，深层土内枯死植物的根系经过微生物作用能转化为营养元素，这也增加了深层土的养分含量。而其余样点均为耕地或林地，为了保证农业产量和林业种植存活率，需要人为添加肥料，使和耕作层养分含量满足植被生长需求，故表层土养分含量高于深层土。总体而言，研究区土壤的养分垂直性分布状况不明确，自然条件下土壤呈现深层土优于表层土的现象，而在人为干扰作用下则相反。万方数据 生态与农村环境学报第卷结论（）艾比湖流域人工绿洲各土地利用类型土壤养分含量总体较低，绝大多数土样养分处于极贫乏等级。 、和为土壤肥力的主要限

25、制因子，和为主要优势因子。在绿洲发展和农业扩张时，应尽量选用农家肥来改善土壤肥力状况，亦可就近取材，使用秸秆、树叶和树皮等有机废物。选用化肥时应具有针对性，多选用氮磷复合肥。（）不同土地利用类型土壤养分状况不同，研究区整体养分状况较差，人为种植利用使耕地和林地养分状况优于其他土地利用类型。未利用地养分状况跟其自然本底条件相关，由于干旱区独特的自然气候条件，大多数未利用地处于贫瘠状态。（）土壤养分垂直分布差异不明显。自然状态下，艾比湖流域土壤养分因流水侵蚀和风蚀作用，呈现出表层土养分状况劣于深层土的现象。人为干扰下，表层土养分状况因肥料施用而优于深层土。人为干扰如绿洲扩张和绿洲农业发展对土壤养分有重大影响。（）模型不仅能分级计算单个指标的土壤养分状况，还能通过模型集成获取多指标综合养分状况，在地形、地貌、土壤状况复杂的艾比湖流域人工绿洲区域土壤养分评价中具有很好的适用性，值得推广应用于其他干旱区域。致谢：感谢新疆林业科学院张东亚和郭靖老师为该研究提供的帮助。参考文献： ： ，- - ：- ， ， ， ， ， ， （ ）：姚俊强，杨青，陈亚宁，等西北干旱区气候变化及其对生态环境影响生态学杂志，（）： -， ， -， ，（）：巩杰，谢余初，高彦净，等 年金塔绿洲变化对绿洲景观格局的影响