灰色聚类法在植烟土壤适宜性评价中的应用

高瑞，邵艳玲，乔红波，张慧，夏斌*，王勇，张华锋，常剑波

1.河南农业大学信息与管理科学学院，郑州市文化路95号450002

2.南阳理工学院计算机科学与技术系，河南省南阳市长江路80号473004

3.河南省烟草公司三门峡市公司，河南省三门峡市崤山路472000

种植待定作物的土壤适宜性评价，在土壤的合理利用和有序开发中具有重要意义[1-2]。土壤是农田生态系统的重要组成部分，农田生态系统是半自然、半人工的开放系统，自然生态因子、人类农事活动等都会对其产生影响，这些影响的性质及程度有些是已知的，有些是未知的，所以农田生态系统是灰色系统。与其他评价方法相比，对农田生态系统土壤进行适宜性评价时，采用灰色聚类方法较为适宜。目前灰色聚类评价的应用范围主要集中在水利、工业、农业、社会、经济、生态、地质等领域[3-8]。在植烟田土壤适宜性评价中利用灰色聚类方法尚未见报道。为此，采用灰色定权聚类法对三门峡植烟区土壤进行了适宜性评价，旨在优化烤烟的种植区域，提高烟叶的产质量。

1 材料与方法

1.1 三门峡生态概况

三门峡地处中纬度内陆区，属暖温带大陆性季风气候。年平均气温13.2℃，年平均日照2354.3 h，无霜期184～218 d，年平均降雨量550～800 mm，植烟区土壤主要以褐土为主，较适宜烟草的生长。

1.2 土壤样品的采集

在植烟区选择有代表性的田块，取耕层0～20 cm土样，每个采样点所代表的面积为20 hm2，总采样点299个，样点分布见图1。

1.3 适宜性评价方法

在灰色系统理论中，灰色聚类是根据灰色关联矩阵或灰数的白化权函数将一些观测对象聚集成若干个可以定义类别的方法[9]。灰色关联聚类主要用于同类因素的归并，而灰色白化权函数聚类是根据灰数的白化权函数检查观测对象是否属于事先设定的不同类别。植烟区土壤适宜性评价宜采用灰色白化权函数聚类。由于聚类指标的意义、量纲不同，且在数量上悬殊较大，宜采用灰色定权聚类方法，评价步骤:首先，根据现有观测值给出j指标k子类白化权函数fkj(j=1，2，∧，m;k=1，2，∧，s)。其次，确定各指标的聚类权ηj(j=1，2，∧，m)。第三，从前两步得出的白化权函数fkj(·)(j=1，2，∧，m;k=1，2，∧，s)、聚类权ηj(j=1，2，∧，m)以及对象i关于j指标的观测值xij(i=1，2，∧，n;j=1，2，∧，m)，计算出灰色定权聚类系数1，2，∧，s。最后，若，则断定对象i属于灰类k*[9]。

图1 三门峡植烟区土壤采样点分布

2 植烟土壤适宜性评价

2.1 评价指标的选取

在查阅相关文献及听取专家意见、经验的基础上，依据指标对烤烟的生长发育和品质的影响力、指标的变异程度、稳定性及可操作性等原则[10-13]，最终选取了植烟土壤适宜性评价的5个指标为pH、有机质、速效氮、速效磷、速效钾等。

2.2 评价指标适宜性标准划分

共采集土壤样品299个。根据土壤养分的评价标准及三门峡烟区的实际情况，将每一项评价指标划分为最适宜、适宜和不适宜3个等级，5个指标所对应的等级见表1。

由于三门峡烟区土壤pH在6.6～8.8之间，将数据进行预处理，使之与适宜性评价指标近似呈正相关。

2.3 白化权函数的确定

将5个评价指标按照评价标准各自分为最适宜、适宜、不适宜3个灰类，将指标和灰类编号，则有j(j=1，2，3，4，5)指标k(k=1，2，3)灰类表示第j个指标第k个灰类。下面设定j指标k灰类的白化权函数为

在灰色系统理论中，常用的白化权函数有典型白化权函数、上限测度白化权函数、适中测度白化权函数、下限测度白化权函数和三角白化权函数。分别选取上限测度白化权函数，用以适宜灰类的测度;选取适中测度白化权函数，用以基本适宜灰类的测度;选取下限测度白化权函数，用以不适宜灰类的测度。根据烟区土壤状况确定白化权函数，分别为:根据以上白化权函数可以相应写出各白化权函数的具体函数表达式。这里仅给出土壤有机质指标(j=1)3个灰类的白化权函数表达式，其他表达式可类似写出，从略。

表1 三门峡烟区植烟土壤适宜性评价指标及其所对应的等级标准

2.4 聚类及土壤适宜性评价结果

根据烟田基本情况调查资料，结合相关专家的意见和建议以及参考部分文献[14-16]，确定有机质、速效氮、速效磷、速效钾、pH的权值分别为η1=0.45，η2=0.15，η3=0.08，η4=0.15，η5=0.17。

根据样本值和上述步骤，计算出试验区3个灰类的聚类系数见表2。

对表2数据以乡镇为单位进行分析，结果见表3。土壤植烟适宜性最高的地区有:卢氏县的杜关镇、东明镇、木桐乡、徐家湾、双槐树、官坡镇、五里川镇、狮子坪乡、朱阳关镇，陕县的宫前乡，渑池县的果园乡、洪阳镇、仁村乡，灵宝市的五亩乡、朱阳镇;这15个乡镇土壤有机质和土壤含钾量较高，pH和含氮量适中。属于这部分的烟田面积为12709.53 hm2，占三门峡基本烟田总面积的48.56%。

植烟土壤适宜性中等的烟田主要分布在卢氏县的管道口镇、范里镇、沙河乡、磨口乡、瓦窑沟乡，陕县的菜园乡、观音堂乡、西里村乡，渑池县的陈村乡、坡头乡、天池镇、陈村乡、仰韶乡、英豪镇，灵宝市的川口乡、苏村乡。这些地区土壤虽然含钾量较高，但部分地区土壤有机质含量稍低。属于这部分的烟田面积为12507.47 hm2，占烟田总面积的47.79%。植烟土壤适宜性较差的地区为卢氏县的汤河乡、横涧乡、文峪乡，这几个乡的土壤有机质含量较低，pH值偏高，速效氮和速效磷含量较低，属于这部分的烟田面积为954.53 hm2，仅占三门峡烟区总面积的3.65%。

表2 三门峡烟区植烟土壤适宜性评价聚类系数

表3 三门峡植烟土壤的适宜性评价

总体而言，三门峡烟区植烟土壤适宜性较好，适合生产优质烟叶。但近年来土壤pH有升高趋势，速效氮含量有增加趋势，应予注意。

3 小结

采用灰色聚类方法，对三门峡植烟土壤适宜性进行了评价，在299个土壤样本所涉及的乡(镇)中，一般地区的农田土壤适宜烟草种植，不适宜烟草种植的农田仅占4%。

灰色聚类方法用于土壤适宜性评价是一种新的尝试，通过选取评价指标，确定白化权函数进行土壤有关指标的灰色聚类，但指标权重的确定，仍采用传统的经验值方法，这主要是因为土壤本身是一个复杂的多相有机无机复合体，所涉及的因素较多，且各因素间又相互作用。因此，这方面尚有待进一步研究检验。

致谢:河南农业大学马继盛教授对本论文撰写予以指导，特此感谢。

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