基于聚類分析的鹽堿土基礎(chǔ)分類研究

基于聚類分析的鹽堿土基礎(chǔ)分類研究

聚類分析是一種多元分析方法之一。通過對樣品各變量和樣品之間的一系列處理，制定聚類譜系圖，直觀、清晰地反映土壤樣品和土壤類型之間的親密、稀疏序列，反映變量之間的關(guān)系，并顯示多個因素的綜合特征。該區(qū)域正確分類土壤類型。本文收集了近二百個鹽堿土剖面分析結(jié)果,經(jīng)計(jì)算整理,選用40個剖面樣品進(jìn)行鹽堿土土屬的數(shù)值分類。40個樣品主要收集于山西北部(大同、懷仁)和中部(太谷、祁縣)盆地,海拔高度分別在960-1100米和700—800米之間,處于干旱草原向半干旱森林草原過渡地帶,年均氣溫分別為7.4和10.1℃,蒸降比分別為5.14和4.40,地帶性土壤分別為淡栗鈣土和淡褐土,境內(nèi)河流發(fā)育,地下水位多在0.5—2.5米之間,地下水礦化度多在3—15克/升之間;鹽堿土多分布在山前洼地,交接洼地和河流一級階地局部洼地,成土母質(zhì)以次生黃土、紅黃土和白堊紀(jì)沖洪積物為主,由于地理?xiàng)l件和高差不同,兩盆地土壤的區(qū)域特征仍有較大差別。盆地四周山地土壤的淋溶和流失,使鹽基物質(zhì)向盆地聚積,為鹽堿土的發(fā)育和形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ);地下水的高水位和高礦化度,是鹽堿土形成的主要因素;年均蒸發(fā)量大于年降雨量4—5倍,致使土壤內(nèi)水鹽運(yùn)行較長時期處于上升過程,鹽分在地表大量積聚。一、土壤改良的原則每個樣品選取9個變量,分別作了數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、相關(guān)分析、聚類分析等項(xiàng)處理。顯示了在一定鹽堿土類型中,變量間的多元效應(yīng)和單元效應(yīng)。因此便于在改良利用過程中抓住主要問題所在,促使其向預(yù)定的便于利用的方向轉(zhuǎn)化,建立合理的區(qū)域性土壤生態(tài)系統(tǒng)?，F(xiàn)將常用統(tǒng)計(jì)值列于表1,說明鹽堿土各變量數(shù)據(jù)特征。(一)ssj變量的標(biāo)準(zhǔn)化j=1,2,…,V(變量個數(shù))式中為j變量平均數(shù);sj變量的標(biāo)準(zhǔn)差;xij為第i樣品第i個變量原始數(shù)據(jù);為經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后的新數(shù)據(jù)。經(jīng)過這樣的變換后,使每個變量均處于同一量度。(二)測定變量和計(jì)算結(jié)果式中分別為第i個樣品的第j和第k個變量的測定值(經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化變換);n為樣品數(shù)。計(jì)算結(jié)果列于表2。據(jù)此,把各變量的分群組合以直觀的譜系圖表示。(三)土壤理化性質(zhì)與聚類分析由變量間的相關(guān)分析結(jié)果看出,除Ca和Mg與其它變量間的相關(guān)關(guān)系處于不顯著(即r<0.317)水準(zhǔn)外,其它各變量間大都處于顯著(即r>0.317)或極顯著(即r>0.408)水平,鹽堿土土屬類型與各變量值具有多元函數(shù)關(guān)系。1.各變量與pH值的變化關(guān)系根據(jù)相關(guān)系數(shù)的絕對值的大小排列如下:2.全鹽量與各個變量的相關(guān)系數(shù)絕對值排序如下:(Na++K+)/(Ca+++Mg++)=1.5-2.0(按平均值計(jì)),在兩盆地中,Na+是導(dǎo)致和加重土壤鹽漬化程度的首要因素,因其以相當(dāng)?shù)牧看嬖?使土壤理化、生物性狀瀕于惡化。消除過量的Na+及其危害是調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)佧}堿土各變量間數(shù)量平衡的主要手段。3.從九個變量的聚類譜系圖看出,在0.6的相似水平下把9個變量分為4群,即、全鹽量;Ca++和Mg++各自成一群。以此,也反映了鹽堿土土屬各變量間的親疏關(guān)系。二、鹽堿土樣品聚類分析除進(jìn)行鹽堿土變量間相關(guān)關(guān)系討論外,著重作了鹽堿土樣品間的聚類分析,以謀求定量地劃分鹽堿土土屬類型。在考慮處理變量和其它條件相同的情況下,擬比較原分類法和聚類分析法的結(jié)果。(一)每個樣品0-30cm的加權(quán)平均值為式中V1,V2,V3分別為第一、二、三層變量值;t1,t2,t3分別為第一、二、三土層的厚度。(二)個樣品第j個變量的測定式中xij和xkj分別為第i個和第k個樣品的第j個變量的測定值(經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化變換n為樣品數(shù);V為變量數(shù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,說明盆地鹽堿土土屬樣品間的親疏關(guān)系。(三)聚類分類系統(tǒng)在距離系數(shù)中,數(shù)據(jù)愈小者,樣品間關(guān)系愈相近,如d1,6=0.010,故在聚類中優(yōu)先成群,然后由小到大依次聯(lián)結(jié),直到所有樣品都分群完畢為止,形成一個樣品間分類系統(tǒng),并將分類結(jié)果以圖表示(圖2)。三、鹽堿土土屬類型的特征40個鹽堿土樣品,經(jīng)聚類處理后,在0.08的距離水平下,將原來的7個土屬聚為五個,并將兩種分類結(jié)果列表如下:上述圖表表明:1.在原有的7個土屬中,經(jīng)處理后聚為5個土屬,即把原來的氯化物硫酸鹽鹽化草甸土和硫酸鹽氯化物鹽化草甸土兩個土屬聚為一個土屬。在山西的鹽化土壤中,Cl-和在大多數(shù)情況下都具有伴生關(guān)系共同存在于土壤中。從原始資料來看,在兩個土屬中,Cl-和互為主、次離子,但兩者的數(shù)值較相當(dāng),按平均數(shù)計(jì):Cl-=2.415meq/100g,=2.561meq/100g,且具有一定的相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)為=0.750,處于極顯著水平。在和含量極微的情況下,陽離子中Mg++和Ca++的含量也很低,多在1.5meq/100g以下。以Na+為主,多在4.5meq/100g以上,這樣型土和型都是強(qiáng)酸,堿生成的強(qiáng)電解質(zhì),性質(zhì)也較為相似。另一個是把原分類法的硫酸鹽蘇打鹽化草甸土和氯化物蘇打鹽化草甸土聚為一類,其主要成分是NaHCO3(或Na2CO3)兩者的相關(guān)系數(shù)為,次要成分分別是Na2SO4和NaCl另三個土屬中,除個別樣品發(fā)生變動外,土屬類型仍分別是堿化草甸土、硫酸鹽鹽化草甸土和草甸鹽土。2.在5個土屬中,可歸納為三個亞類,即鹽化草甸土、堿化草甸土和草甸鹽土。兩個土類,即草甸土和鹽土。在分群中,只有19、40號共兩個樣品發(fā)生了亞類間的變動,即分別由原來的(蘇打)鹽化草甸土、草甸鹽土變?yōu)閴A化草甸土和鹽化草甸土,占樣品總數(shù)的5%。由此可見,作為一個完整的分類體系,各分類單元間應(yīng)該是互檢的(此類問題尚需進(jìn)一步探討)。3.如前所述,鹽堿土土屬類型取決于各變量數(shù)據(jù)特征及其綜合效應(yīng)。只有綜合各變量在質(zhì)和量上的差異,才能揭示其內(nèi)在的本質(zhì)規(guī)律。如原分類法根據(jù)土屬類型的鹽分組成,以某陰離子占總陰離子的毫克當(dāng)量數(shù)的百分?jǐn)?shù)為依據(jù),采取主、次離子進(jìn)行分類命名。從其反映的離子毫克當(dāng)量數(shù)的數(shù)量上來說,主、次離子命名法在分類中只能體現(xiàn)全部離子毫克當(dāng)量總數(shù)的70%左右。分類結(jié)果具有某種局限性和片面性,難以反映鹽堿土土屬類型的多變量綜合