投影寻踪模型在绿地土壤肥力分级评价中的应用★

兰代萍，谢贤健

（1.内江师范学院后勤处，四川 内江 641000；2.内江师范学院地理与资源科学学院，四川 内江 641000）

土壤肥力是土壤质量的首要属性，是土壤物理、化学和生物等特性综合作用的结果，是土壤各方面性质的综合反映[1]。但目前简单的或某种单一的物理、化学或生物性质并不能较好地反映土壤肥力的水平。由于对土壤肥力这一科学概念缺乏严格的定义，特别是缺少数量化的指标，一般在生产应用上，常用N、P、K 和有机质等养分含量的多少来衡量土壤肥力的高低，因此土壤养分是土壤肥力的核心部分，是土壤综合肥力评价的根本[2]。对于土壤肥力评价的研究，国内外已在评价指标体系和评价方法方面开展了大量的研究工作[3]。然而，大多数研究仍局限于人为地划分土壤肥力的等级指标和相对权重系数等，存在指标权重确定没有统一的理论和计算方法的不足，致使评价结果的准确性受主观随意性影响较大，导致结果的应用没有普遍意义，比如评分法、分等定级法、综合指数法、灰色关联法、主成分分析法、模糊综合评判法、聚类分析法、层次分析法、属性识别法等[4-13]。因此，为了使土壤肥力评价趋于标准化和定量化，本研究选择内江市城市不同绿地土壤作为研究对象，通过野外采样和室内测定分析获得的土壤养分数据，在综合考虑影响土壤肥力各因素所提供信息量的基础上，应用投影寻踪评价模型完成高维数据向低维空间的转换，即将每个样本的多个评价指标综合成一个综合指标，建立投影寻踪土壤肥力综合评价模型，构建城市绿地肥力等级分级方法，给出土壤肥力评价的分析结果，以期为土壤肥力评价趋于标准化和定量化提供依据。

1 投影寻踪等级评价模型

投影寻踪是将高维数据向低维空间投影，通过分析低维空间的投影特性来研究高维数据的特征，从而找到反映数据结构特征的最优投影，是处理多指标问题的统计方法。其具体思路是将影响问题的多因素指标通过投影寻踪分析得到反映其综合指标特性的最优投影特征值，然后建立投影特征值与因变量的一一对应关系。从而通过分析一维的投影值来对样本做出更加合理的分级和评价。

2 基于投影寻踪土壤肥力评价

2.1 样品的采集与测定

内江市西靠龙泉山脉，东靠华蓥山脉，地势平缓，浅丘平坝相间，是典型的川中丘陵地貌，属亚热带湿润季风气候，气候温和、雨量丰富、光热充足、无霜期长。土壤多为紫色土。原生植被为亚热带针阔混交林，现多为人工次生林。城市绿地植被主要有雪松、水杉、樟树、结缕草、小叶女贞、十大功劳等。供试土壤根据内江市城市绿地类型的分布，分别对公园绿地（公园、广场），交通绿地（立交桥、隔离带），居住区绿地（居民小区、公寓），郊区农用地进行了采样。根据采样区面积大小，形状，地形地貌等因素，采用蛇形布点法，每区域设3 个～5 个采样点，弃去表层杂质，取0 cm～20 cm 土层土壤。把采集到的土壤充分混匀后，用四分法取1 kg 左右土壤，用干洁塑料袋带回室内自然风干。各绿地类型共采集29 个土壤样品。

2.2 土壤肥力分级表

评价指标的正确选择，是科学地揭示土壤肥力的前提，直接影响到土壤肥力评价的准确程度。因此考虑到土壤养分元素对土壤肥力的影响，尽量以综合性、稳定性、精确性和实用性为原则，参考专家建议和采样数据的实际情况，本研究选择有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾5 个指标来综合评价土壤的肥力水平。根据全国第二次土壤普查土壤养分的分级标准为评价标准建立土壤肥力分级表（表1），各指标的测定于2012 年9 月、10 月完成。

表1 土壤养分分级标准

2.3 模型计算

首先对数据进行归一化，因为5 个指标都与肥力等级成正相关，所以利用公式进行归一化。然后利用数据处理系统DPS9.5 软件，计算最优投影方向，求得近似最优一维投影方向为a=（0.483 3，0.454 1，0.443 0，0.538 8，0.494 3），根据该投影方向利用公式计算各样本观测值的投影特征值（表2）。

表2 各等级的投影特征值

根据表2，建立基于投影值的土壤肥力等级评价表，如表3 所示。

表3 基于投影特征值的土壤肥力等级分级

2.4 等级评价

以内江市城市不同绿地土壤为例，进行基于投影寻踪的等级评价，分级结果如表4 所示。

表4 等级评价结果

为了检验结果，分别利用综合指数法[9]和内梅罗指数法对该组数据进行了计算。从计算结果的对比可以看出，通过3 种方法得到的结果基本一致，证实了投影寻踪分级方法的正确性和可靠性。

3 结论与讨论

城市土壤是城市范围（包括市区和郊区）受人类活动强烈影响的土壤，为陆地生态系统的重要组成部分。本研究选择内江市公园绿地、交通绿地、居住区绿地和郊区农用地土壤作为研究对象，利用投影寻踪评价模型建立土壤肥力综合评价模型，构建了城市绿地肥力等级分级方法。通过分析发现，不同的绿地投影特征值从高到低依次为郊区农用地＞公园绿地＞交通绿地＞居住绿地；根据投影特征值，划分不同绿地的肥力等级，其中郊区农用地的肥力等级最高（Ⅱ级），其次是公园绿地（Ⅲ级），最后为交通绿地和居住绿地（Ⅳ级）。究其原因，郊区农用地以农业生产为主，农业施肥管理措施投入较高，土壤肥力较高；其他绿地类型施肥少，且内江市城市绿地植被以灌木为主，土壤表层枯枝落叶量较少，多数情况下被当作垃圾清理掉，导致土壤的养分循环中断，缺乏枯枝落叶分解后产生的有机物质补充，尤其是居住绿地和交通绿地，人为施肥管理较少且周期长，导致其养分含量偏低；居住绿地、公园绿地、交通绿地三者比较表现为公园绿地肥力等级较高，主要由于公园绿地管理养护相对较好，人工增施了肥料。以上分析说明，根据投影寻踪法进行城市绿地土壤的肥力分级评价，与实际情况符合度高，具有较强的逻辑性、实用性和系统性，能较好地反映土壤的综合肥力。