CN109064039B - 一种农田土壤健康评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种农田土壤健康评价方法，包括：选取土壤评价系统；通过特尔菲法对所述土壤评价系统中的土壤健康指标进行筛选，得到筛选过的土壤健康指标；对筛选过的土壤健康指标的原始数据进行标准化处理，将标准化后的数据进行主成分分析，将符合预设条件的主因子所包含的指标作为第二土壤健康评价指标；对所述第二土壤健康评价指标进行逐步回归分析，得到第三土壤健康评价指标，并根据所述第三土壤健康评价指标构建土壤健康评价数据集；获取土壤样品和作物样品，并测定第三土壤健康评价指标的指标值；根据所述第三土壤健康评价指标的指标值，通过预设的评分规则得到土壤样本的土壤健康指数和土壤健康等级。
Description
技术领域
本发明涉及土壤评价领域，特别涉及一种农田土壤健康评价方法。
背景技术
土壤健康是土壤在生态系统内维持生物的生产力、保护环境质量以及促进动植物健康能力的综合量度。土壤健康评价初期主要基于单一的土壤物理指标和化学指标，现在的土壤评价比初期更为全面，一般还包括土壤的生物指标。然而，目前的方法往往通用性不强，如一些指标体系仅适用于特定地区的农田土壤；指标数量过多，指标之间存在极强的关联性，使得在土壤的健康评价中检测过多无用的指标，造成的检测资源的浪费；指标覆盖不全面，难以用于评价农田土壤对农作物产出的影响。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种农田土壤健康评价方法，包括含土壤物理、化学、生物、产出等17个指标，指标具有易获得、关联强的特点；运用土壤健康大数据分析，评价更加科学；采用回归分析、主成分分析，模糊算法，综合指数法等核心算法，使得土壤健康指数准确、清晰；将重金属指标判断作为土壤健康的卡口因素，优先污染等级评价，更加注重土壤安全；将产出指标纳入评价体系，分析农田产出情况，本方法可量化评价土壤健康水平。
本发明提供的方法包括步骤：
选取土壤评价系统，所述土壤评价系统包括多个土壤健康指标；
通过特尔菲法对所述土壤评价系统中的土壤健康指标进行筛选，得到筛选过的土壤健康指标；
对筛选过的土壤健康指标的原始数据进行标准化处理，将标准化后的数据进行主成分分析，将符合预设条件的主因子所包含的指标作为第二土壤健康评价指标，所述预设条件为主成分分析得到的主因子的特征值大于第一预设值，且主因子累计贡献率大于第二预设值；
对所述第二土壤健康评价指标进行逐步回归分析，得到第三土壤健康评价指标，并根据所述第三土壤健康评价指标构建土壤健康评价数据集；
获取土壤样品和作物样品，并测定第三土壤健康评价指标的指标值；
根据所述第三土壤健康评价指标的指标值，通过预设的评分规则得到土壤样本的土壤健康指数和土壤健康等级。
优选的，
所选取的土壤评价系统，为康奈尔土壤健康评价系统。
优选的，所选第三土壤健康评价指标，包括：
土壤质地、土壤含水量、土壤表层硬度、土壤次表层硬度、0.25-2mm粒径的团聚体稳定性、有机质含量、活性炭含量、潜在可矿化氮矿化速率、根系健康指数、pH值、可提取磷、可提取钾、微量元素指数、重金属指数、产量指数、品质指数、商品合格率。
优选的，所述通过预设的评分规则得到土壤样本的土壤健康指数和土壤健康等级，具体为：
对所述第三土壤健康评价指标的指标值进行评分；
通过第一公式得到土壤样本的土壤健康指数，所述第一公式为：
其中，s为土壤健康指数，i表示第三土壤健康评价指标中的第i个健康评价指标，fi表示土壤样品或作物样品在第三土壤健康评价指标中的第i个健康评价指标的评分；wi表示第三土壤健康评价指标中的第i个健康评价指标的预设权重；
当土壤重金属指标的指标值大于0.7时，土壤健康等级评定为不健康，否则：
当土壤健康指数低于第三预设值时，土壤健康等级评定为不健康；
当土壤健康指数不低于第三预设值且低于第四预设值时，土壤健康等级评定为亚健康；
当土壤健康指数不低于第四预设值时，土壤健康等级评定为健康。
优选的，所述对所述第三土壤健康评价指标的指标值进行评分，具体为：
根据所述第三土壤健康评价指标的指标值，得到所述指标值对应的隶属值；
将所述隶属值作为对所述第三土壤健康评价指标的指标的评分；
所述根据所述第三土壤健康评价指标的指标值，得到所述指标值对应的隶属值，具体实施为：
对于土壤质地、pH值所对应的隶属值，为根据指标值查询预设的第一对应关系得到；
对于0.25-2mm粒径的团聚体稳定性、有效含水量、有机质、根系健康指数、活性炭、全氮、可提取磷、可提取钾、微量元素指数、重金属指数、产量指数、品质营养指数、商品合格率所对应的隶属值，为将指标值代入第一隶属函数得到；
对于土壤表层硬度、土壤次表层硬度、重金属指数所对应的隶属值，为将指标值代入第二隶属函数得到；
其中，第一对应关系为：
第一隶属函数为：
其中，xi1、xi2分别为第三土壤健康评价指标中第i个指标所预设的临界值；
第二隶属函数为：
其中，xi1、xi2分别为第三土壤健康评价指标中第i个指标所预设的临界值。
优选的，所述第三土壤健康评价指标中的第i个健康评价指标的预设权重，由以下方法得到：
根据主成分分析得到的主因子的特征值和贡献率，求出各项评价指标的公因子方差，通过熵权法对第三土壤健康评价指标进行赋权得到每个健康评价指标的预设权重wi，其中，wi满足∑wi＝1。
优选的，所述根据所述第三土壤健康评价指标的指标值，通过预设的评分规则得到土壤样本的土壤健康指数和土壤健康等级，还包括：
根据所述第三土壤健康评价指标的指标值，获取未来预设时间段土壤所能达到的第三土壤健康评价指标的最优指标值；
根据所述未来预设时间段土壤所能达到的第三土壤健康评价指标的最优指标值，通过所述预设的评分规则得到土壤样本的最优土壤健康指数；
根据所述最优土壤健康指数对土壤样本的土壤健康指数进行修正，具体为，对最优土壤健康指数赋予权值后，对土壤健康指数和带权值的最优土壤健康指数取几何平均值，得到修正后的土壤健康指数；
根据所述修正后的土壤健康指数得到修正后的土壤健康等级。
本发明还提供了上述农田土壤健康评价方法在土壤修复中的应用。
优选的，以目标土壤健康等级和当前土壤健康等级之差的倍数设为土壤修复所需的时间成本，以目标土壤健康等级和当前土壤健康等级之差的另一倍数设为土壤修复所需的投入成本。
优选的，以修复后的土壤健康等级和修复前的土壤健康等级之差评估土壤修复的效果。
本发明的一些有益效果可以包括：
本发明提供的一种农田土壤健康评价方法，通过在评价农田土壤时，采用回归分析、主成分分析，使得土壤健康评价指标的代表性更强，评价指标更加简洁有效；在本发明的优选实施例中，还通过模糊算法、综合指数法等算法使土壤健康指数的评价更加准确，还将重金属指标判断作为土壤健康的卡口因素，优先污染等级评价，更加注重土壤安全；将产出指标纳入评价体系，分析农田产出情况，本方法能更好的量化评价土壤健康水平。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中一种农田土壤健康评价方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明实施例中一种农田土壤健康评价方法的流程图，如图1所示，包括：
选取土壤评价系统，所述土壤评价系统包括多个土壤健康指标；
通过特尔菲法对所述土壤评价系统(结合Larson和Pierce提出的最小数据集minimumdata set理论)中的土壤健康指标进行筛选，得到筛选过的土壤健康指标；
对筛选过的土壤健康指标的原始数据进行标准化处理(如用SPSS软件)，将标准化后的数据进行主成分分析(如用SPSS软件)，将符合预设条件的主因子所包含的指标作为第二土壤健康评价指标，所述预设条件为主成分分析得到的主因子的特征值大于第一预设值，且主因子累计贡献率大于第二预设值；
对所述第二土壤健康评价指标进行逐步回归分析，得到第三土壤健康评价指标，并根据所述第三土壤健康评价指标构建土壤健康评价数据集；
获取土壤样品和作物样品，并测定第三土壤健康评价指标的指标值；
根据所述第三土壤健康评价指标的指标值，通过预设的评分规则得到土壤样本的土壤健康指数和土壤健康等级。
通过在评价农田土壤时，采用回归分析、主成分分析，使得土壤健康评价指标的代表性更强，评价指标更加简洁有效，减少了土壤健康评价指标的冗余。
为了使土壤评价的结果的可比性更强，更适合直接推广至其他已做过土壤评价的区域，选择应用更为普遍的康奈尔土壤健康评价系统，在本发明的一个实施例中，
所选取的土壤评价系统，为康奈尔土壤健康评价系统。
为了在全面的评价土壤健康的同时，减少评价指标的数量，在本发明的一个实施例中，所选第三土壤健康评价指标，包括：
土壤质地、土壤含水量、土壤表层硬度、土壤次表层硬度、0.25-2mm粒径的团聚体稳定性、有机质含量、活性炭含量、潜在可矿化氮矿化速率、根系健康指数、pH值、可提取磷、可提取钾、微量元素指数、重金属指数、产量指数、品质指数、商品合格率。
考虑到重金属污染对农田土壤的影响很大，需要将重金属指标判断作为土壤健康的卡口因素，优先污染等级的评价，在本发明的一个实施例中，所述通过预设的评分规则得到土壤样本的土壤健康指数和土壤健康等级，具体为：
对所述第三土壤健康评价指标的指标值进行评分；
通过第一公式得到土壤样本的土壤健康指数，所述第一公式为：
其中，s为土壤健康指数，i表示第三土壤健康评价指标中的第i个健康评价指标，fi表示土壤样品或作物样品在第三土壤健康评价指标中的第i个健康评价指标的评分；wi表示第三土壤健康评价指标中的第i个健康评价指标的预设权重；
当土壤重金属指标的指标值大于0.7时，土壤健康等级评定为不健康，否则：
当土壤健康指数低于第三预设值时，土壤健康等级评定为不健康；
当土壤健康指数不低于第三预设值且低于第四预设值时，土壤健康等级评定为亚健康；
当土壤健康指数不低于第四预设值时，土壤健康等级评定为健康。
为了更准确的对土壤健康评价指标的指标值进行评分，可以通过大量数据统计得到更准确的评分参数值，在本发明的一个实施例中，所述对所述第三土壤健康评价指标的指标值进行评分，具体为：
根据所述第三土壤健康评价指标的指标值，得到所述指标值对应的隶属值；
将所述隶属值作为对所述第三土壤健康评价指标的指标的评分；
所述根据所述第三土壤健康评价指标的指标值，得到所述指标值对应的隶属值，具体实施为：
对于土壤质地、pH值所对应的隶属值，为根据指标值查询预设的第一对应关系得到；
对于0.25-2mm粒径的团聚体稳定性、有效含水量、有机质、根系健康指数、活性炭、全氮、可提取磷、可提取钾、微量元素指数、重金属指数、产量指数、品质营养指数、商品合格率所对应的隶属值，为将指标值代入第一隶属函数得到；
对于土壤表层硬度、土壤次表层硬度、重金属指数所对应的隶属值，为将指标值代入第二隶属函数得到；
其中，第一对应关系为：
第一隶属函数为：
其中，xi1、xi2分别为第三土壤健康评价指标中第i个指标所预设的临界值；
第二隶属函数为：
其中，xi1、xi2分别为第三土壤健康评价指标中第i个指标所预设的临界值。
在本发明的一个实施例中，xi1、xi2的值分别如下表所示：
其中，根系健康指数(根系长度、根系直径、初生根数、根系鲜重、根系干重、SOD含量、POD含量、CAT含量)，微量元素指数(有效硅、有效硫、有效钙、有效镁、有效硼、有效铜、有效锌、有效锰、有效钼、有效铁)，品质营养指数(可溶性固形物、可溶性糖、可滴定酸、Vc、糖酸比、总酚、总黄酮等)3个指标内部权重之和为1。
为了更准确的对土壤健康评价指标的指标值进行评分，需要更准确的评价指标的权重值，在本发明的一个实施例中，所述第三土壤健康评价指标中的第i个健康评价指标的预设权重，由以下方法得到：
根据主成分分析得到的主因子的特征值和贡献率，求出各项评价指标的公因子方差，通过熵权法对第三土壤健康评价指标进行赋权得到每个健康评价指标的预设权重wi，其中，wi满足∑wi＝1。
在本发明的另一个具体实施例中，对北京市房山区韩村河镇北京正欣荣泰农业种植专业合作社2号棚室土壤进行健康评价，该棚室种植作物为草莓，种植年限为5年。本实施例的指标包括土壤物理指标(土壤质地、土壤含水量、土壤表层硬度、土壤次表层硬度、团聚体(0.25-2mm)稳定性)、土壤生物指标(有机质含量、活性炭含量、潜在可矿化氮矿化速率、根系健康指数)、土壤化学指标(pH值、可提取磷、可提取钾、微量元素指数、重金属指数)、作物产出指标(产量、品质、商品合格率)等17个指标，17种分级指标含量重复/平行测定三次，取其平均值。经过测量后该块土壤的各指标如下表所示：
运用土壤健康管理方法分析显示该地块土壤健康指数为0.77，土壤健康等级为亚健康。
由于现在的土壤健康评价都是基于现在的土壤状态，对于土壤未来的改善空间没有涉及，同时，不同指标在改善的困难程度上不同，因此相同的土壤健康等级往往存在改善空间不同，改善难度不同的问题，为了对这种情况进行区分，以便更好的对土壤进行管理，在本发明的一个实施例中，所述根据所述第三土壤健康评价指标的指标值，通过预设的评分规则得到土壤样本的土壤健康指数和土壤健康等级，还包括：
根据所述第三土壤健康评价指标的指标值，获取未来预设时间段(一般为1年)土壤所能达到的第三土壤健康评价指标的最优指标值；
根据所述未来预设时间段土壤所能达到的第三土壤健康评价指标的最优指标值，通过所述预设的评分规则得到土壤样本的最优土壤健康指数；
根据所述最优土壤健康指数对土壤样本的土壤健康指数进行修正，具体为，对最优土壤健康指数赋予权值后，对土壤健康指数和带权值的最优土壤健康指数取几何平均值，得到修正后的土壤健康指数；
根据所述修正后的土壤健康指数得到修正后的土壤健康等级。
本发明还提供了上述农田土壤健康评价方法在土壤修复中的应用，包括：
以目标土壤健康等级和当前土壤健康等级之差的倍数设为土壤修复所需的时间成本，以目标土壤健康等级和当前土壤健康等级之差的另一倍数设为土壤修复所需的投入成本(资金、人力等)。
以修复后的土壤健康等级和修复前的土壤健康等级之差评估土壤修复的效果。
本发明提供的一种农田土壤健康评价方法，通过在评价农田土壤时，采用回归分析、主成分分析，使得土壤健康评价指标的代表性更强，评价指标更加简洁有效；在本发明的优选实施例中，还通过模糊算法、综合指数法等算法使土壤健康指数的评价更加准确，还将重金属指标判断作为土壤健康的卡口因素，优先污染等级评价，更加注重土壤安全；将产出指标纳入评价体系，分析农田产出情况，本方法能更好的量化评价土壤健康水平。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种农田土壤健康评价方法，其特征在于，包括步骤：
选取土壤评价系统，所述土壤评价系统包括多个土壤健康指标；
通过特尔菲法对所述土壤评价系统中的土壤健康指标进行筛选，得到筛选过的土壤健康指标；
对筛选过的土壤健康指标的原始数据进行标准化处理，将标准化后的数据进行主成分分析，将符合预设条件的主因子所包含的指标作为第二土壤健康评价指标，所述预设条件为主成分分析得到的主因子的特征值大于第一预设值，且主因子累计贡献率大于第二预设值；
对所述第二土壤健康评价指标进行逐步回归分析，得到第三土壤健康评价指标，并根据所述第三土壤健康评价指标构建土壤健康评价数据集；
获取土壤样品和作物样品，并测定第三土壤健康评价指标的指标值；
根据所述第三土壤健康评价指标的指标值，通过预设的评分规则得到土壤样本的土壤健康指数和土壤健康等级；
所选取的土壤评价系统，为康奈尔土壤健康评价系统；
所选第三土壤健康评价指标，包括：
土壤质地、土壤含水量、土壤表层硬度、土壤次表层硬度、0.25-2mm粒径的团聚体稳定性、有机质含量、活性炭含量、潜在可矿化氮矿化速率、根系健康指数、pH值、可提取磷、可提取钾、微量元素指数、重金属指数、产量指数、品质指数、商品合格率；
所述通过预设的评分规则得到土壤样本的土壤健康指数和土壤健康等级，具体为：
对所述第三土壤健康评价指标的指标值进行评分；
通过第一公式得到土壤样本的土壤健康指数，所述第一公式为：
其中，s为土壤健康指数，i表示第三土壤健康评价指标中的第i个健康评价指标，fi表示土壤样品或作物样品在第三土壤健康评价指标中的第i个健康评价指标的评分；wi表示第三土壤健康评价指标中的第i个健康评价指标的预设权重；
当土壤重金属指标的指标值大于0.7时，土壤健康等级评定为不健康，否则：
当土壤健康指数低于第三预设值时，土壤健康等级评定为不健康；
当土壤健康指数不低于第三预设值且低于第四预设值时，土壤健康等级评定为亚健康；
当土壤健康指数不低于第四预设值时，土壤健康等级评定为健康；
所述对所述第三土壤健康评价指标的指标值进行评分，具体为：
根据所述第三土壤健康评价指标的指标值，得到所述指标值对应的隶属值；
将所述隶属值作为对所述第三土壤健康评价指标的评分；
所述根据所述第三土壤健康评价指标的指标值，得到所述指标值对应的隶属值，具体实施为：
对于土壤质地、pH值所对应的隶属值，为根据指标值查询预设的第一对应关系得到；
对于0.25-2mm粒径的团聚体稳定性、有效含水量、有机质、根系健康指数、活性炭、全氮、可提取磷、可提取钾、微量元素指数、重金属指数、产量指数、品质营养指数、商品合格率所对应的隶属值，为将指标值代入第一隶属函数得到；
对于土壤表层硬度、土壤次表层硬度、重金属指数所对应的隶属值，为将指标值代入第二隶属函数得到；
其中，第一对应关系为：
第一隶属函数为：
其中，xi1、xi2分别为第三土壤健康评价指标中第i个指标所预设的临界值；
第二隶属函数为：
其中，xi1、xi2分别为第三土壤健康评价指标中第i个指标所预设的临界值；
所述第三土壤健康评价指标中的第i个健康评价指标的预设权重，由以下方法得到：
根据主成分分析得到的主因子的特征值和贡献率，求出各项评价指标的公因子方差，通过熵权法对第三土壤健康评价指标进行赋权得到每个健康评价指标的预设权重wi，其中，wi满足∑wi＝1。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第三土壤健康评价指标的指标值，通过预设的评分规则得到土壤样本的土壤健康指数和土壤健康等级，还包括：
根据所述第三土壤健康评价指标的指标值，获取未来预设时间段土壤所能达到的第三土壤健康评价指标的最优指标值；
根据所述未来预设时间段土壤所能达到的第三土壤健康评价指标的最优指标值，通过所述预设的评分规则得到土壤样本的最优土壤健康指数；
根据所述最优土壤健康指数对土壤样本的土壤健康指数进行修正，具体为，对最优土壤健康指数赋予权值后，对土壤健康指数和带权值的最优土壤健康指数取几何平均值，得到修正后的土壤健康指数；
根据所述修正后的土壤健康指数得到修正后的土壤健康等级。
3.根据权利要求1所述的方法，在土壤修复中的应用。
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