土壤適宜性評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)是針對(duì)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(píng)價(jià)，具有實(shí)踐性、經(jīng)驗(yàn)性、客觀性及應(yīng)用性的特點(diǎn)。隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷更新，土壤適宜性評(píng)價(jià)方法逐漸從簡(jiǎn)單的單準(zhǔn)則、單目標(biāo)評(píng)價(jià)方法向多準(zhǔn)則、多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法的發(fā)展和應(yīng)用。在評(píng)價(jià)理論和方法上，目前具體土壤適宜性評(píng)價(jià)方法的選擇通常是評(píng)價(jià)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(yàn)及個(gè)人偏好等條件，在眾多方法中選取一種或多種方法進(jìn)行評(píng)價(jià)

2、，這在一定程度上忽略了各種評(píng)價(jià)方法的特性，造成了對(duì)具體評(píng)價(jià)方法的不適當(dāng)運(yùn)用，從而嚴(yán)重影響了評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。特別是地理環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜的山地丘陵地區(qū)，土壤屬性空間變異強(qiáng)度大的條件下，如何因地制宜地選取評(píng)價(jià)方法進(jìn)行土壤適宜性評(píng)價(jià)才能最大限度地確保評(píng)價(jià)精度及科學(xué)指導(dǎo)實(shí)踐等問題是擺在我們面前亟需解決的問題。同時(shí)，在評(píng)價(jià)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(gè)均質(zhì)單元，應(yīng)用樣本單元的評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)果代表整個(gè)區(qū)域的評(píng)價(jià)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)由

3、變量空間向評(píng)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(shí)空變異連續(xù)體的實(shí)際，很大程度造成了研究結(jié)果與土壤實(shí)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(gè)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(yàn)指數(shù)和、地統(tǒng)計(jì)學(xué)、模糊數(shù)學(xué)理論及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)復(fù)雜地理環(huán)境條件下的土壤適宜性評(píng)價(jià)進(jìn)行對(duì)比研究，并通過煙葉等級(jí)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，進(jìn)一步完善了復(fù)雜地理環(huán)境區(qū)域

4、土壤適宜評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)彭水縣烤煙種植適宜性并進(jìn)行了種植區(qū)劃，得到了以下結(jié)論： 1基于經(jīng)驗(yàn)指數(shù)和法的土壤適宜性評(píng)價(jià)基于GIS技術(shù)，采用頻度統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)分析等方法選取土壤適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)，并應(yīng)用層次分析法(AHP)與特爾菲法對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行賦值并計(jì)算土壤樣點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)指數(shù)；依據(jù)土壤樣點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)指數(shù)分別采用行政村區(qū)劃法和克立格插值法進(jìn)行土壤適宜性評(píng)價(jià)并進(jìn)行精度檢驗(yàn)。(1)不

5、同處理方式評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)結(jié)果均隨研究尺度的增大，適宜等級(jí)(中度適宜與高度適宜之和)和不適宜等級(jí)(勉強(qiáng)適宜與不適宜之和)比例差異性增強(qiáng)。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(yàn)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(píng)價(jià)結(jié)果檢驗(yàn)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(píng)價(jià)結(jié)果要相對(duì)較為準(zhǔn)確。 2基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的土壤適宜性評(píng)價(jià)在認(rèn)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(jì)學(xué)在面尺度、山地條件下模擬評(píng)價(jià)的精度，提出并構(gòu)建了不同類型土壤屬性空間預(yù)測(cè)模擬模型，將傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合，在考慮各向異性和趨勢(shì)效應(yīng)的情況下，研究土壤屬性的空間變異特征并進(jìn)行不同尺度土壤的適宜性評(píng)價(jià)及精度檢驗(yàn)。(1)土壤適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)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(shì)效應(yīng)；土壤適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)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(píng)價(jià)指標(biāo)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(diǎn)數(shù)量及實(shí)驗(yàn)分析誤差的影響，多數(shù)呈非正態(tài)分布，指標(biāo)數(shù)據(jù)以一階、二階趨勢(shì)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(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)多呈現(xiàn)正態(tài)分布，且趨勢(shì)效應(yīng)不顯著；而混和數(shù)據(jù)樣本指標(biāo)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(biāo)數(shù)據(jù)多以二階趨勢(shì)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)的空間預(yù)測(cè)模擬模型來增加樣本點(diǎn)的處理方式可以有效地提高評(píng)價(jià)精度，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加接近現(xiàn)實(shí)，且不同土壤類型數(shù)據(jù)處理方式從理論方面要相對(duì)更加科學(xué)，評(píng)價(jià)結(jié)果更加精確，更符合實(shí)際。 3基于模糊數(shù)學(xué)方法的土壤適宜性評(píng)價(jià)在Matlab7.0環(huán)境下，基于GIS技術(shù)，分別應(yīng)用模糊ISODATA聚類評(píng)價(jià)和模糊綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行不同尺度下土壤適宜性評(píng)價(jià)研究及精度檢驗(yàn)。(1)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的適宜等級(jí)比例明顯高于ISODATA聚類評(píng)價(jià)

10、結(jié)果，這可能與模糊綜合評(píng)價(jià)在因子加權(quán)時(shí)，過分突出較大值指標(biāo)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)在面尺度的模擬精度高于模糊綜合評(píng)價(jià)的精度。 4.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)的土壤適宜性評(píng)價(jià)@ 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(jìn)行不同尺度下土壤適宜性評(píng)價(jià)及精度檢驗(yàn)。(1)通過RBF網(wǎng)絡(luò)和BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)測(cè)試，按不同研究尺度將土壤適宜性劃分成4個(gè)等級(jí)，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(píng)價(jià)的土壤適宜范圍差異較顯著。土壤適宜性評(píng)價(jià)的適宜等級(jí)與不適宜等級(jí)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(píng)價(jià)方法比較(1)各種評(píng)價(jià)方法的理論基礎(chǔ)不同，其評(píng)價(jià)過程存在較大差異，都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。經(jīng)驗(yàn)指數(shù)和法、模糊聚類及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法主要是針對(duì)樣本在較小尺度上進(jìn)行評(píng)價(jià)并劃分等級(jí)，然后根據(jù)評(píng)價(jià)單元進(jìn)行尺度的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)由變量空間向評(píng)語空間的轉(zhuǎn)換，在對(duì)點(diǎn)尺度的評(píng)價(jià)上具有較高的精度，但在由點(diǎn)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(jì)學(xué)法主要是

13、針對(duì)連續(xù)變量在區(qū)域尺度上進(jìn)行空間模擬和區(qū)劃評(píng)價(jià)，通過變量圖層疊加實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)，在區(qū)域評(píng)價(jià)過程中具備一定的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，整個(gè)評(píng)價(jià)過程多通過計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，降低了人為誤差，評(píng)價(jià)結(jié)果非常直觀。 (2)通過利用雙變量簡(jiǎn)單相關(guān)分析和偏相關(guān)分析比較各種評(píng)價(jià)方法所得到的評(píng)價(jià)結(jié)果與評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)的相關(guān)性認(rèn)為：雙變量簡(jiǎn)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(biāo)都與不同適宜性評(píng)價(jià)方法所得評(píng)價(jià)結(jié)果呈現(xiàn)顯著性相關(guān)，說明這些指標(biāo)數(shù)

14、據(jù)強(qiáng)烈影響評(píng)價(jià)結(jié)果的變化，是影響煙葉生長(zhǎng)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(biāo)在不同適宜性評(píng)價(jià)方法所得評(píng)價(jià)結(jié)果中相關(guān)性強(qiáng)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(duì)較小，說明這些指標(biāo)是依據(jù)所選擇的評(píng)價(jià)方法的不同，指標(biāo)數(shù)據(jù)處理方式不同，其對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響也有所不同；CEC指標(biāo)在不同適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果中均沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，這說明CEC指標(biāo)數(shù)值對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響不大，如果評(píng)價(jià)體系中缺乏CE

15、C指標(biāo)，所得的評(píng)價(jià)結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生大的變化。(3)地統(tǒng)計(jì)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(píng)價(jià)。通過比較不同方法適宜性評(píng)價(jià)精度檢驗(yàn)表明：采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法所得的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際煙葉品質(zhì)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系的比例最高，符合率達(dá)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(yàn)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(rèn)為地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)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(píng)價(jià)。 6.彭水縣煙葉種植適宜性綜合評(píng)價(jià)及區(qū)劃基于GIS技術(shù)，應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法，在借鑒國(guó)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(jì)學(xué)在區(qū)域尺度、山地條件下模擬評(píng)價(jià)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(cè)模擬模型，并進(jìn)行了單指標(biāo)適宜性分區(qū)：通過參與性農(nóng)戶評(píng)估法對(duì)

17、彭水縣煙農(nóng)種煙投資行為機(jī)理及主要影響因素進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)；根據(jù)彭水縣各氣象觀測(cè)站的分布狀況及實(shí)際種植煙草的狀況，按照自然地理?xiàng)l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(gè)區(qū)域，并應(yīng)用綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法分別計(jì)算三個(gè)區(qū)域的適應(yīng)性指數(shù)及進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià)。 通過對(duì)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(píng)價(jià)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