基于隶属度函数和主成分分析的耕地土壤肥力评价

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-0063

中国农学通报 ›› 2023, Vol. 39 ›› Issue (2): 22-27.doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-0063

所属专题：耕地保护

• 资源·环境·生态·土壤·气象 • 上一篇下一篇

基于隶属度函数和主成分分析的耕地土壤肥力评价

姜冰¹^,²(), 王松涛¹^,², 孙增兵¹^,²(), 张海瑞¹, 王建¹, 刘阳¹

¹ 山东省第四地质矿产勘查院，山东潍坊 261021
² 山东省地矿局海岸带地质环境保护重点实验室，山东潍坊 261021

收稿日期:2022-01-21 修回日期:2022-05-02 出版日期:2023-01-15 发布日期:2023-01-17
作者简介:
姜冰，男，1984年出生，山东潍坊人，高级工程师，硕士，主要从事土地质量地球化学调查评价工作及生态环境地球化学研究。通信地址：261021 山东省潍坊市潍城区向阳路2375号，Tel：0536-8958073，Email：jbing08@163.com。
基金资助:
山东省地质矿产勘查开发局地质勘查和科技创新项目“潍坊市特色土地资源开发应用示范”(KC201903); “潍坊市土地质量地球化学调查评价成果集成与应用”(202005)

Evaluation of Cultivated Land Soil Fertility Based on Membership Function and Principal Component Analysis

JIANG Bing¹^,²(), WANG Songtao¹^,², SUN Zengbing¹^,²(), ZHANG Hairui¹, WANG Jian¹, LIU Yang¹

¹ Shandong Provincial No.4 Institute of Geological and Mineral Survey, Weifang, Shandong 261021
² Key Laboratory of Coastal Zone Geological Environment Protection, Shandong Geology and Mineral Exploration and Development Bureau, Weifang, Shandong 261021

Received:2022-01-21 Revised:2022-05-02 Online:2023-01-15 Published:2023-01-17

摘要/Abstract

摘要：

以山东省高密市为研究区域，研究该区内耕地土壤肥力状况，摸清土壤肥力状况空间分布，通过对表层土壤进行网格化采样和分析测试，取得了土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾等8项肥力指标，基于模糊数学隶属度函数模型确定各指标隶属值，通过主成分分析确定各指标权重，结合隶属值和权重，计算土壤肥力综合指数，并进行插值绘图。结果表明：研究区土壤以碱性为主，样本数占比37.77%，其次为中性，样本数占比29.52%。有机质、碱解氮、速效钾以较缺乏为主，全氮、全钾以中等为主，全磷、有效磷以丰富为主。有机质和全氮的隶属值显著低于其他指标，是耕地土壤肥力的主要限制因子。全氮的权重值最大，对土壤肥力的贡献最大，碱解氮的权重值最小，对土壤肥力的贡献也最小。研究区耕地土壤肥力综合指数空间分布以中等为主。

关键词: 耕地, 隶属度函数, 主成分分析, 土壤肥力综合指数, 肥力评价

Abstract:

The soil fertility of cultivated land in Gaomi City of Shandong Province was investigated and the spatial distribution of soil fertility was clarified. Eight soil fertility indexes, including soil pH, organic matter, total nitrogen, total phosphorus, total potassium, alkali-hydrolyzed nitrogen, available phosphorus and available potassium, were acquired by gridded sampling and analysis of surface soil. The membership value of each index was determined by the membership function model of fuzzy mathematics, and the weight of each index was determined by principal component analysis. The integrated soil fertility index was calculated using membership value and weight, and then interpolated for mapping. The results showed that the soil in the study area was mainly alkaline, accounting for 37.77% of the total samples, followed by neutral, accounting for 29.52% of the total samples. Organic matter, alkali-hydrolyzed nitrogen and available potassium were mainly insufficient, total nitrogen and total potassium were mainly medium, and total phosphorus and available phosphorus were mainly rich. The membership value of organic matter and total nitrogen were significantly lower than that of other indexes, showing they were the main limiting factors of cultivated land soil fertility. Total nitrogen had the maximum weight value and contributed the most to soil fertility. Alkali-hydrolyzed nitrogen had the minimum weight value and contributed the least to soil fertility. In the study area, the spatial distribution of integrated soil fertility index of cultivated land was mainly medium.

Key words: cultivated land, membership function, principal component analysis, integrated soil fertility index, fertility evaluation

姜冰, 王松涛, 孙增兵, 张海瑞, 王建, 刘阳. 基于隶属度函数和主成分分析的耕地土壤肥力评价[J]. 中国农学通报, 2023, 39(2): 22-27.

JIANG Bing, WANG Songtao, SUN Zengbing, ZHANG Hairui, WANG Jian, LIU Yang. Evaluation of Cultivated Land Soil Fertility Based on Membership Function and Principal Component Analysis[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2023, 39(2): 22-27.

图/表 9

参考文献 30

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土壤肥力指标	丰富	较丰富	中等	较缺乏	缺乏
有机质/(g/kg)	>40	30~40	20~30	10~20	≤10
全氮/(g/kg)	>2	1.5~2	1~1.5	0.75~1	≤0.75
全磷/(g/kg)	>1	0.8~1	0.6~0.8	0.4~0.6	≤0.4
全钾/(g/kg)	>25	20~25	15~20	10~15	≤10
碱解氮/(mg/kg)	>150	120~150	90~120	60~90	≤60
有效磷/(mg/kg)	>40	20~40	10~20	5~10	≤5
速效钾/(mg/kg)	>200	150~200	100~150	50~100	≤50

土壤肥力指标	丰富	较丰富	中等	较缺乏	缺乏
有机质/(g/kg)	>40	30~40	20~30	10~20	≤10
全氮/(g/kg)	>2	1.5~2	1~1.5	0.75~1	≤0.75
全磷/(g/kg)	>1	0.8~1	0.6~0.8	0.4~0.6	≤0.4
全钾/(g/kg)	>25	20~25	15~20	10~15	≤10
碱解氮/(mg/kg)	>150	120~150	90~120	60~90	≤60
有效磷/(mg/kg)	>40	20~40	10~20	5~10	≤5
速效钾/(mg/kg)	>200	150~200	100~150	50~100	≤50

土壤肥力指标	转折点				隶属度函数
土壤肥力指标	L	O₁	O₂	U	隶属度函数
有机质/(g/kg)	10			40	戒上型
全氮/(g/kg)	0.75			2
全磷/(g/kg)	0.4			1
全钾/(g/kg)	10			25
碱解氮/(mg/kg)	60			150
有效磷/(mg/kg)	5			40
速效钾/(mg/kg)	50			200
pH	5.0	6.5	7.5	8.5	峰值型

土壤肥力指标	转折点				隶属度函数
土壤肥力指标	L	O₁	O₂	U	隶属度函数
有机质/(g/kg)	10			40	戒上型
全氮/(g/kg)	0.75			2
全磷/(g/kg)	0.4			1
全钾/(g/kg)	10			25
碱解氮/(mg/kg)	60			150
有效磷/(mg/kg)	5			40
速效钾/(mg/kg)	50			200
pH	5.0	6.5	7.5	8.5	峰值型

土壤肥力指标	最大值	最小值	平均值	标准差	变异系数/%
有机质/(g/kg)	56.24	2.1	16.66	6.73	40.41
全氮/(g/kg)	3.83	0.02	1.03	0.36	34.69
全磷/(g/kg)	10.41	0.26	0.93	0.65	69.69
全钾/(g/kg)	25.7	14.8	18.97	1.42	7.50
碱解氮/(mg/kg)	927.04	8.91	117.48	76.17	64.83
有效磷/(mg/kg)	1191.1	1.3	46.48	71.04	152.84
速效钾/(mg/kg)	5107.18	31.48	168.34	286.94	170.45
pH	8.8	4.26	7.08	1.07	15.07

基于隶属度函数和主成分分析的耕地土壤肥力评价

Evaluation of Cultivated Land Soil Fertility Based on Membership Function and Principal Component Analysis

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土壤肥力指标	最大值	最小值	平均值	标准差	变异系数/%
有机质	1	0.1	0.305	0.174	56.96
全氮	1	0.1	0.316	0.202	63.98
全磷	1	0.1	0.719	0.278	38.64
全钾	1	0.388	0.638	0.085	13.30
碱解氮	1	0.1	0.556	0.313	56.23
有效磷	1	0.1	0.725	0.319	43.97
速效钾	1	0.1	0.587	0.298	50.71
pH	1	0.1	0.667	0.322	48.28

土壤肥力指标	主成分			公因子方差	权重
土壤肥力指标	P1	P2	P3	公因子方差	权重
有机质	0.151	0.911	0.077	0.858	0.145
全氮	0.419	0.848	0.070	0.899	0.151
全磷	0.819	0.415	0.133	0.861	0.145
全钾	0.342	-0.076	0.744	0.676	0.114
碱解氮	0.538	0.361	-0.243	0.479	0.081
有效磷	0.855	0.262	-0.083	0.806	0.136
速效钾	0.734	0.057	0.165	0.569	0.096
pH	-0.222	0.192	0.837	0.786	0.132
特征值	3.566	1.363	1.005
方差贡献率	44.58	17.036	12.558
累计贡献率	44.58	61.616	74.174

相关系数	pH	有机质	全氮	全磷	全钾	碱解氮	有效磷	速效钾
有机质	0.099
全氮	0.100	0.777^**
全磷	0.065	0.479^**	0.678^**
全钾	0.314^**	0.106^*	0.159^**	0.258^**
碱解氮	-0.162^**	0.279^**	0.511^**	0.448^**	0.076
有效磷	-0.190^**	0.368^**	0.540^**	0.875^**	0.186^**	0.421^**
速效钾	0.042	0.232^**	0.371^**	0.562^**	0.179^**	0.301^**	0.466^**
IFI	-0.054	0.626^**	0.752^**	0.545^**	0.232^**	0.526^**	0.440^**	0.320^**

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