林紹霞，林昌虎，何騰兵，張清海

(1.貴州省理化測試分析研究中心，貴州貴陽550001;2.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽 550025;3.貴州科學(xué)院，貴州貴陽550001.)

土壤既是自然資源的構(gòu)成要素，又是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要自然資源[1]，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要載體。隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)水平的提高和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向集約型的轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在接受現(xiàn)代科技成果過程中，大量農(nóng)藥、化肥、生長素的使用，造成農(nóng)業(yè)土壤中營養(yǎng)元素的富集以及有毒有害物質(zhì)的積累[2]。土壤環(huán)境質(zhì)量逐漸惡化，進(jìn)而對水環(huán)境構(gòu)成潛在危害[3]。污染物在土壤中的環(huán)境行為受多種因素的影響，這些因素對土壤污染程度的貢獻(xiàn)率存在一定的差異，采用數(shù)學(xué)方法對污染因子研究，識別農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染因子對土壤環(huán)境惡化的關(guān)聯(lián)程度及潛在危害性，對農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的防治和農(nóng)田土壤環(huán)境維護(hù)具有重要的指導(dǎo)作用。用數(shù)學(xué)方法定量研究環(huán)境問題已經(jīng)非常普遍[4]，尤其是利用多元統(tǒng)計和模糊數(shù)學(xué)對事前不存在分類關(guān)系的情況下，對于邊界模糊的問題進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定量分析，最終給予定量化的評判標(biāo)準(zhǔn)。因子分析普遍采用統(tǒng)計學(xué)的回歸分析法，它一般具有較高的精度和置信度，但是這種方法一是需要完備連續(xù)的信息資料;二是要求數(shù)據(jù)分析是線性的或者是典型的;三是計算方法工作量大，且相關(guān)系數(shù)對數(shù)據(jù)變化的靈敏度高，有可能出現(xiàn)異常結(jié)論。而灰色系統(tǒng)理論可在信息不是很完備或缺損的情況下，對系統(tǒng)進(jìn)行量化處理，彌補(bǔ)信息不足，以得到較精確的分析結(jié)果[5-6]。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集與分析

利用GPS定位并采集土壤耕作層或表層的混合樣。采集土樣的土地利用類型包括:旱地、水田、菜園、林地(表1)，其中林地土壤作為對照樣品?？紤]與農(nóng)村居民點(diǎn)距離不同，土壤受人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活活動干擾程度不同，分別采集距居民點(diǎn)不同距離土壤做對比分析，同種土地利用方式下的土壤，由于種植作物不同，作物對培肥及田間管理要求不同，土壤受污染程度亦各異，因此在相同地類下采集不同種植制度的土壤進(jìn)行對比研究。土壤樣品于3月中、下旬采集，此間秋播農(nóng)作物將近成熟期，作物所需養(yǎng)分也達(dá)飽和，土壤中營養(yǎng)元素作為過剩物料，會對環(huán)境造成污染。同時春播作物未下種，避免由于剛施下肥料，作物未充分利用而暫貯存于土壤中。耕作土樣品采集布點(diǎn)于典型耕作田土塊內(nèi)，采集多點(diǎn)混合耕作層土壤1 kg。

1.2 樣品處理與分析

樣品自然風(fēng)干后，按四分法分別制成粒徑2，1，0.25 mm的待測樣品。樣品測試指標(biāo)及相應(yīng)方法分別為:土壤質(zhì)地采用比重計法;pH值(H2O 1∶2.5)采用 pHS-5型酸度計法;有機(jī)質(zhì)采用 K2CrO7—H2SO4外加熱法;全氮采用開氏定氮法;堿解氮采用堿解擴(kuò)散法;全磷采用 H2SO4—HClO4消解，鉬銻抗比色法;有效氮采用堿解擴(kuò)散法;速效磷的測定采用:pH≥6.5用NaHCO3浸提，pH＜6.5用 NH4F—HCl浸提，鉬銻抗比色法[7];供試樣品指標(biāo)測試結(jié)果見表2。

表1 供試土樣信息

表2 供試樣品指標(biāo)測定結(jié)果

2 土壤污染因子灰色關(guān)聯(lián)度分析

運(yùn)用農(nóng)業(yè)面源污染模型定量化地對農(nóng)業(yè)土壤污染影響因子進(jìn)行分析，污染指數(shù)與影響因子之間有很清楚的界線，但影響因子信息具有不完備、不連續(xù)的特征，且因子交叉影響，對土壤污染指數(shù)作用的關(guān)系直觀上不清楚，因此試圖用灰色關(guān)聯(lián)分析方法進(jìn)行因子分析。

2.1 原始數(shù)據(jù)無量綱處理

數(shù)據(jù)無量綱處理是將供試樣品所測定的各項(xiàng)指標(biāo)含量進(jìn)行統(tǒng)一變換處理，使各指標(biāo)數(shù)量級基本相同，以消除不同指標(biāo)量綱及數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)相差過分懸殊帶來的影響，避免造成非等“權(quán)”狀況[9]。本研究對測定的各污染因子原始數(shù)據(jù)作區(qū)間化處理，使各項(xiàng)指標(biāo)的值保持在0～1之間，得到 xi(k)矩陣(表 3)。即利用計算式

對表2中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理，i為供試土壤樣品序列(1≤i≤13，i∈N)，n為與土壤污染相關(guān)的因子(1≤k≤73，k∈N)。

表3 土壤污染相關(guān)因子無量綱化

2.2 關(guān)聯(lián)系數(shù)計算

依據(jù)Δi(k)=│x0(k)-xi(k)│，計算比較數(shù)列在第k個因子在第i個樣品的絕對差，進(jìn)一步計算出Xi與X0在k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù):

本研究以林地各污染因子作為參照序列，ρ取0.5，經(jīng)矩陣絕對差變換得

由此求得關(guān)聯(lián)系數(shù)如表4。

2.3 供試樣品測試指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計算

用K個指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值作為比較因素與分析因素整個關(guān)聯(lián)程度的量度，即，計算結(jié)果見表5。

3 分析與討論

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)值大幅度增長的過程中，化肥、農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，提高了農(nóng)作物產(chǎn)量。另一方面也產(chǎn)生了有毒有害物質(zhì)在農(nóng)作物中富集危害人體健康等，農(nóng)田土壤氮、磷因地表徑流進(jìn)入水體而產(chǎn)生富營養(yǎng)化等非點(diǎn)源問題。

本研究以林地土壤的各項(xiàng)測定指標(biāo)為參照序列，視林地土壤中指標(biāo)含量為區(qū)域環(huán)境容量本底值，在其它樣品與之進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析時，關(guān)聯(lián)度越大，說明樣點(diǎn)土壤環(huán)境潔凈度與林地相似性越大，土壤環(huán)境受人為干擾污染程度越輕，反之關(guān)聯(lián)度越小，土壤受人類生產(chǎn)生活污染越嚴(yán)重，土壤中氮、磷對環(huán)境的潛在危害越突出。

3.1 土地利用類型影響

根據(jù)表1和表5可以看出，3種不同利用類型的農(nóng)耕地中，與土壤污染相關(guān)指標(biāo)均值關(guān)聯(lián)度關(guān)系順序?yàn)?水田(0.601)＜菜地(0.684)＜旱地(0.735)，表明水田在接受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，土壤污染發(fā)生的機(jī)率要大于其它農(nóng)耕地，因?yàn)槲廴疚镌谒镏袕搅髁魇Я枯^小，污染物在土壤中積累超過作物需求量。菜地由于耕種頻繁，且蔬菜種植密度大，單位面積外加化肥量多于旱地，土壤污染嚴(yán)重程度大于旱地。

表4 供試樣品污染相關(guān)因子關(guān)聯(lián)系數(shù)

表5 關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果

3.2 種植制度影響

同種利用類型的土壤，不同種植制度水田樣品中，關(guān)聯(lián)度順序?yàn)?水稻—油菜(0.592)＜水稻(0.631)，說明種植制度不一樣，污染程度不同，單季耕作土壤受污染的程度小于兩季輪作。

3.3 與居民點(diǎn)距離影響

在土地類型一樣，耕作制度相同的情況下，土壤污染與居民點(diǎn)的距離也存在相關(guān)性，通過分析種植作物均是玉米—油菜輪作，與居民點(diǎn)的距離大于1 km和200 m的旱地土壤，發(fā)現(xiàn)距離越近，其關(guān)聯(lián)度越高，表明距住所越近，人們進(jìn)行田間管理較方便，土壤接受外加肥源的機(jī)率越大，土壤污染發(fā)生的可能性越大。

用灰色關(guān)聯(lián)度法對農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染對土壤危害的影響因素進(jìn)行研究，可以將非點(diǎn)源污染冗雜的影響指標(biāo)歸一化，最終得到一個反映污染關(guān)系的關(guān)聯(lián)度，減少在數(shù)據(jù)分析過程中由于數(shù)據(jù)多而雜給分析帶來不便，同時可以避免因子之間相互影響對分析結(jié)果的混淆?；疑P(guān)聯(lián)度法能夠完整地反映土壤污染發(fā)生相關(guān)因素的關(guān)系，分析方法更客觀，是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染復(fù)雜體系研究中值得推廣的有效方法。

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