東北地理所在東北風(fēng)蝕區(qū)土壤質(zhì)量評價(jià)方面取得進(jìn)展
了解土地利用類型對土壤質(zhì)量和功能的影響對于在特定地區(qū)采用合適的農(nóng)業(yè)管理做法至關(guān)重要。主成分分析(PCA)是一種常用的統(tǒng)計(jì)方法,廣泛用于選擇MDS指標(biāo)。然而,PCA有時(shí)并不能充分揭示在不同土地利用條件下土壤質(zhì)量變化的全部關(guān)鍵因素。網(wǎng)絡(luò)分析(Network Analysis,NA)是一種新穎的統(tǒng)計(jì)技術(shù),可利用圖形可視化展示各土壤指標(biāo)間的關(guān)系,不僅能夠確定每個(gè)指標(biāo)的重要性,還能揭示土壤指標(biāo)間的復(fù)雜性與相互作用。然而,對于NA方法在土壤質(zhì)量評價(jià)中的應(yīng)用及其與PCA的比較探討在國內(nèi)外還鮮有研究。
本研究通過NA和PCA法量化土壤質(zhì)量指數(shù)(Soil Quality Index,SQI),以探究土地利用類型(農(nóng)田、林地和草地)對中國東北風(fēng)蝕區(qū)(通遼的科爾沁沙地和齊齊哈爾的松嫩沙地)的SQI的影響。為了選擇最小數(shù)據(jù)集(MDS),共測量了27個(gè)土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì),并使用加法、加權(quán)方法以及線性、非線性評分函數(shù)在兩個(gè)研究地點(diǎn)各確定了8組SQI值。
結(jié)果表明,土地利用對中國東北風(fēng)蝕地區(qū)的土壤質(zhì)量有顯著影響,土壤質(zhì)量指數(shù)按遞減順序排序?yàn)榱值?/span>>草地>農(nóng)田(圖1)。網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果顯示,通過NA方法獲得的MDS指標(biāo)數(shù)量更少,但NA通過識別生物指標(biāo)提高了指標(biāo)貢獻(xiàn)率,但可為土壤質(zhì)量評價(jià)提供更敏感而有效的信息增加了MDS的全面性。且NA計(jì)算簡單,不需要滿足參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析假設(shè)的正態(tài)分布數(shù)據(jù)。另一方面,NA方法使用更穩(wěn)健的斯皮爾曼相關(guān)分析,降低了變量間網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。NA和PCA法都選擇了土壤有機(jī)碳(通遼)和飽和含水量(齊齊哈爾),被認(rèn)為是對土地利用類型響應(yīng)最敏感的土壤質(zhì)量指標(biāo)(圖2)。NA計(jì)算的SQI的土壤敏感性指數(shù)(1.34 ~ 2.02)高于PCA(1.30 ~ 1.80)。因此,作為一種簡單而穩(wěn)定的工具,NA在計(jì)算SQI方面比PCA更有效,并且更好地區(qū)分不同土地利用土壤質(zhì)量的變化。具體而言,考慮到根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析方法的非線性函數(shù)和加權(quán)法整合得出的SQI在不同土地利用方式之間的差異更明顯,變異性更大,更能敏感地反映出土地利用變化的影響,因此SQINA-wnl擬用于中國東北風(fēng)蝕區(qū)不同土地利用下土壤質(zhì)量評價(jià)。本研究可為不同土地利用類型的土壤質(zhì)量評價(jià)體系提供科學(xué)依據(jù),幫助確定最具敏感性的指標(biāo)與最優(yōu)的分析方法。

圖1 通過主成分分析(PCA)和網(wǎng)絡(luò)分析(NA),采用線性(l)或非線性評分法(nl),以及加法(a)或加權(quán)(w)法整合,得出農(nóng)田、林地和草地的土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)。

圖2 通遼(a)和齊齊哈爾(b)的網(wǎng)絡(luò)圖(P< 0.05)。Gephi軟件識別出的模塊M1、M2和M3用不同顏色表示。綠線表示正相關(guān),紅線表示負(fù)相關(guān)。
相關(guān)研究成果發(fā)表在農(nóng)林科學(xué)國際期刊Soil and Tillage Research(中科院1區(qū)Top)上。東北地理所聯(lián)合培養(yǎng)博士生高明為論文第一作者,李猛高級工程師為通訊作者。研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2021YFD1500702和2021YFD1500801)聯(lián)合資助。
論文信息:
Ming Gao,Wei Hu,Meng Li*,Shuli Wang,Lin Chu. Network analysis was effective in establishing the soil quality index and differentiated among changes in land-use type. Soil & Tillage Research,2025,246,106352.
論文鏈接:
https://doi.org/10.1016/j.still.2024.106352
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