基于模糊c-均值算法的黃土丘陵區(qū)土壤剖面質(zhì)地構(gòu)型

基于模糊c-均值算法的黃土丘陵區(qū)土壤剖面質(zhì)地構(gòu)型

河流平原是中國(guó)最重要的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)和糧食生產(chǎn)基地。土壤類型主要為潮土，最突出的發(fā)生學(xué)特征之一是土壤和母體的繼承。土體中不同部位沖(沉)積物質(zhì)的機(jī)械組成,不但直接決定了土壤結(jié)構(gòu)、土壤耕性等物理性狀,也對(duì)土壤水肥保持、供給能力產(chǎn)生極為重要的影響。因此,土壤質(zhì)量與耕地生產(chǎn)潛力不僅僅取決于表層土壤養(yǎng)分狀況與肥力水平,同時(shí)很大程度上也取決于土壤的剖面形態(tài)與不同質(zhì)地土層的空間組合。由于河流水沙活動(dòng)、沉積環(huán)境、風(fēng)力再搬運(yùn)過(guò)程以及當(dāng)?shù)毓嘤?、深翻等土壤改良、利用?shí)踐在時(shí)空上的異質(zhì)性,土壤的質(zhì)地層次在各個(gè)尺度空間上均表現(xiàn)出高度的性狀可變性和分布復(fù)雜性,應(yīng)用傳統(tǒng)土壤調(diào)查手段對(duì)土壤機(jī)械組成特征在水平與垂直空間上的變異作定量化描述相當(dāng)困難。長(zhǎng)期以來(lái),人們?cè)谘芯繘_積土壤剖面質(zhì)地層次組合特點(diǎn)時(shí),均是采用對(duì)一些典型剖面定性描述的方式,而無(wú)法定量化,更談不上模擬和預(yù)測(cè),也無(wú)法與其他相關(guān)研究有效地結(jié)合。李衛(wèi)東等在華北沖積平原區(qū)選擇面積為15km2的中尺度區(qū)域,基于139個(gè)土壤剖面,應(yīng)用馬爾可夫鏈理論中的概率轉(zhuǎn)移矩陣研究了沖積土壤剖面質(zhì)地層次的垂向變化規(guī)律。賀勇等基于相同的研究區(qū)和數(shù)據(jù),運(yùn)用基于轉(zhuǎn)移概率的地統(tǒng)計(jì)學(xué)模型分析了該區(qū)垂直和水平方向上土壤質(zhì)地層次空間分布的變異特性,研究結(jié)果為土壤剖面水分轉(zhuǎn)化和溶質(zhì)運(yùn)移等方面的研究提供了借鑒。以上研究均是基于概率論中的隨機(jī)模擬模型,與模糊邏輯理論比較而言,二者研究問(wèn)題的方法和角度各有不同。20世紀(jì)80年代末模糊邏輯引入土壤科學(xué)中,并結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,在土壤分類和連續(xù)制圖表達(dá)中得到了廣泛的應(yīng)用。眾所周知,在絕大多數(shù)情況下,土壤及其屬性在空間上的變異是以漸變形式發(fā)生的。同樣,一個(gè)垂直方向上不同質(zhì)地層次的組合對(duì)于特定剖面質(zhì)地構(gòu)型(特征質(zhì)地層組合亦被稱作土壤剖面質(zhì)地構(gòu)型)的隸屬關(guān)系不是非0則1,而是對(duì)于一個(gè)以上的剖面質(zhì)地構(gòu)型均表現(xiàn)出部分隸屬關(guān)系,即模糊隸屬關(guān)系。模糊隸屬關(guān)系的理論基礎(chǔ)是模糊邏輯或模糊集理論。相對(duì)于基于布爾邏輯的常規(guī)土壤調(diào)查手段,模糊邏輯的應(yīng)用是土壤可變性研究領(lǐng)域又一個(gè)實(shí)質(zhì)性的創(chuàng)新和革命性的發(fā)展,研究結(jié)果更接近于地理真實(shí)。國(guó)內(nèi)模糊邏輯應(yīng)用于土壤學(xué)起步較晚,有基于模糊邏輯的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)和區(qū)域土壤預(yù)測(cè)制圖研究。應(yīng)用模糊邏輯理論研究土壤質(zhì)地層次在水平空間和垂直空間的分布還少見(jiàn)報(bào)道。本研究基于土壤剖面記錄、土鉆樣點(diǎn)觀測(cè)獲取的第一手信息,應(yīng)用模糊集理論及其相關(guān)算法模型,在位于黃河中下游平原地區(qū)的封丘縣(大尺度區(qū)域)對(duì)土壤質(zhì)地層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間預(yù)測(cè)研究,旨在以新技術(shù)、新手段闡釋土壤不同質(zhì)地層次在垂直方向的組合特征以及不同土壤剖面質(zhì)地構(gòu)型在水平方向上的分布規(guī)律,為區(qū)域耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)、生產(chǎn)潛力評(píng)估以及改良、利用實(shí)踐提供更加客觀、豐富的基礎(chǔ)信息。1材料和方法1.1土壤、水質(zhì)概況封丘縣地處河南省東北部,地理位置在北緯34°53′～35°14′、東經(jīng)114°14′～114°45′之間,是典型的黃河中下游沖積平原區(qū)(圖1)。全縣面積1220km2,其中耕地面積1000km2,是全國(guó)商品糧基地縣之一、封丘縣為我國(guó)“七五”、“八五”期間黃淮海農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)縣,是著名的優(yōu)質(zhì)小麥、優(yōu)質(zhì)水稻生產(chǎn)基地。本縣境內(nèi)分布的主要土壤是潮土,占全縣土壤總面積的98%以上。其成土母質(zhì)雖均為第四紀(jì)全新世以來(lái)的黃河沖積物,且主要來(lái)源為黃土高原黃土,但受黃河水沙運(yùn)動(dòng)、風(fēng)力再搬運(yùn)作用時(shí)空變化以及沉積環(huán)境、人類灌淤、深翻等土壤利用、改良實(shí)踐等因素的影響,同質(zhì)性差、垂直與水平方向上質(zhì)地層次分布較為復(fù)雜、砂黏相間、層理交錯(cuò)、剖面質(zhì)地構(gòu)型多樣。綜合本地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中土壤質(zhì)量表現(xiàn),顯示沖(沉)積母質(zhì)的異質(zhì)性及質(zhì)地層次組合的復(fù)雜性對(duì)土壤發(fā)生發(fā)育、肥力水平以及水鹽運(yùn)動(dòng)特征產(chǎn)生深刻影響。1.2土鉆樣品特征質(zhì)地層劃分在研究區(qū)遙感影像圖的基礎(chǔ)上,布置2km×2km網(wǎng)格,然后疊加土壤圖和土地利用圖,在網(wǎng)格內(nèi)考慮主要土壤類型和土地利用方式進(jìn)行隨機(jī)布點(diǎn),相鄰網(wǎng)格內(nèi)主要土壤類型和土地利用方式相同,考慮次要土壤類型和土地利用方式。最后共布設(shè)樣點(diǎn)152個(gè),選擇其中最具代表性的39個(gè)樣點(diǎn)為土壤剖面點(diǎn),其余113個(gè)樣點(diǎn)為土鉆樣點(diǎn)(圖1)。土壤野外調(diào)查與采樣分為兩個(gè)階段進(jìn)行:第一階段的主要工作包括39個(gè)土壤標(biāo)準(zhǔn)剖面開(kāi)挖、分層土壤樣品采集和室內(nèi)機(jī)械組成分析(吸管法測(cè)定),其核心任務(wù)是獲取研究區(qū)代表性土壤剖面垂直方向上不同質(zhì)地層次的分布規(guī)律和詳細(xì)的機(jī)械組成信息。首先,基于實(shí)驗(yàn)室獲取的機(jī)械組成分析結(jié)果,對(duì)39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面分層樣品按照美國(guó)制進(jìn)行12個(gè)級(jí)別的質(zhì)地類型劃分;然后根據(jù)相鄰質(zhì)地級(jí)別的土壤在生產(chǎn)性能上表現(xiàn)出的近似性,將上述方法劃分出的12級(jí)質(zhì)地簡(jiǎn)化、歸并為砂、壤、黏三種質(zhì)地類別。即砂、壤砂和粉砂歸并為砂,壤、粉砂壤和砂壤歸并為壤,砂質(zhì)黏壤、黏壤、粉黏壤、砂黏、粉黏和黏歸并為黏。同時(shí),將上述質(zhì)地土層在剖面中出現(xiàn)的位置,分為表土層(0至30±10cm)、心土層(30±10cm至60±10cm)和底土層(60±10cm以下至100cm)。這種由層次質(zhì)地類型與其在剖面中出現(xiàn)位置兩個(gè)基本特征定義的層次,就是特征質(zhì)地層。本研究最終確立9種特征質(zhì)地層,包括砂質(zhì)表層、壤質(zhì)表層、黏質(zhì)表層、砂質(zhì)心土層、壤質(zhì)心土層、黏質(zhì)心土層、砂質(zhì)底土層、壤質(zhì)底土層和黏質(zhì)底土層。第二階段的野外土壤調(diào)查工作為土鉆樣品的觀測(cè)記錄,其核心任務(wù)為,基于第一階段特征質(zhì)地層的劃分標(biāo)準(zhǔn),確定每個(gè)土鉆樣品各層次的特征質(zhì)地層類型及厚度參數(shù)。這一階段工作的主要意義在于以較低的成本大幅增加參與研究區(qū)土壤質(zhì)地層次空間預(yù)測(cè)的樣本數(shù)量。1.3fcm算法模型本研究的核心內(nèi)容是基于確定的特征質(zhì)地層在已觀測(cè)土壤剖面和土鉆樣本中出現(xiàn)—缺失特征以及厚度參數(shù),應(yīng)用模糊c-均值算法(FCM)模型預(yù)測(cè)研究區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)地層次垂直分布及其特征質(zhì)地層組合特征。FCM是模糊邏輯中常用的一種多變量模糊聚類算法模型,首先定義一個(gè)n×p模糊集X,n為研究區(qū)樣點(diǎn)數(shù)量,p為樣點(diǎn)的特征質(zhì)地層變量,然后進(jìn)入FCM算法模型進(jìn)行重復(fù)迭代運(yùn)算。本研究n包括39個(gè)剖面樣點(diǎn)與113個(gè)土鉆樣點(diǎn),共152個(gè)樣點(diǎn),p=9種質(zhì)地土層類型,以特征質(zhì)地層的厚度作為變量進(jìn)入計(jì)算,厚度為“0”表示對(duì)應(yīng)的特征質(zhì)地層缺失。這樣,FCM將n個(gè)樣點(diǎn)的土壤樣本劃分到c個(gè)類別中,每一個(gè)類別代表一個(gè)典型的特征質(zhì)地層組合。FCM具體算法、最佳分類數(shù)量和模糊指數(shù)的確定參照文獻(xiàn)。需要指出的是,FCM不僅可以將土壤樣本劃分到一定數(shù)目的特征質(zhì)地層組合類型中,同時(shí)還輸出特征質(zhì)地層組合中各個(gè)特征質(zhì)地層的厚度中心值和樣本屬于每一類型的模糊隸屬度值。1.4模糊隸屬度值的預(yù)測(cè)基于FCM算法模型輸出的研究區(qū)土壤特征質(zhì)地層組合及每一觀測(cè)樣點(diǎn)土壤對(duì)于不同組合類型的模糊隸屬度值,應(yīng)用ArcGIS軟件中的普通克里格插值方法預(yù)測(cè)每種特征質(zhì)地層組合類型在地理空間上的分布特征。特別需要指出的是,由于模糊隸屬度值是一類典型的成分?jǐn)?shù)據(jù),在進(jìn)行插值預(yù)測(cè)之前,必須首先對(duì)原始隸屬度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)稱對(duì)數(shù)比轉(zhuǎn)換,具體方法參見(jiàn)文獻(xiàn)。2結(jié)果與討論2.1空間變異性分析研究區(qū)所有土壤樣點(diǎn)中各特征質(zhì)地層發(fā)育情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。表土層、心土層質(zhì)地均以壤質(zhì)為主,平均厚度分別為23cm和40cm;底土層質(zhì)地為砂、壤和黏質(zhì)的樣點(diǎn)數(shù)差別不大,平均厚度在±35cm。特征質(zhì)地層厚度在空間上均變現(xiàn)出中等強(qiáng)度的變異性,變異系數(shù)最大值為32.5%,最小值為19.7%。表土層、心土層、底土層質(zhì)地類型的平均變異系數(shù)分別為30%、26%、24%。表土層質(zhì)地類型變異最大,其次是心土層,再次是底土層。如果將樣點(diǎn)中缺失的特征質(zhì)地層厚度定義為“0”,根據(jù)全部樣點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的變異系數(shù)結(jié)果顯示,特征質(zhì)地層在空間上表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間變異性。平均變異系數(shù)也是表土層>心土層>底土層,其中變異性最大的為黏質(zhì)表層。樣點(diǎn)土壤剖面中上述3種特征質(zhì)地層之間在垂直方向上的組合特征不僅折射出土壤母質(zhì)屬性和土壤發(fā)生、發(fā)育過(guò)程的不同,同時(shí)也在很大程度上反映出土壤質(zhì)量與生產(chǎn)性能上的差異。2.2表壤-心壤-底砂型模糊c-均值算法是一種無(wú)人監(jiān)督分類模型,其輸出結(jié)果包括與每一聚類類別對(duì)應(yīng)的各個(gè)變量(特征質(zhì)地層厚度)的質(zhì)心值,即特征質(zhì)地層的厚度(表2),以及每一土壤樣點(diǎn)對(duì)于各個(gè)不同類別的隸屬度值。運(yùn)行FCM算法模型,研究區(qū)觀測(cè)土壤特征質(zhì)地層組合被自動(dòng)劃分為9種類型,分別以a、b、c、d、e、f、g、h、i表示,根據(jù)每一種類型中各特征質(zhì)地層出現(xiàn)和缺失情況,可清楚地揭示每一組合類型的基本特征。如類型a是一種表壤-心黏-底壤型特征質(zhì)地層組合,其所對(duì)應(yīng)的3種特征質(zhì)地層的厚度質(zhì)心值分別為36cm、30cm和30cm;類型h是表壤-心壤-底砂型特征質(zhì)地層組合,特征質(zhì)地層的厚度質(zhì)心值分別為21cm、40cm和33cm(表2)。特征質(zhì)地層組合類型可被視作土壤剖面質(zhì)地構(gòu)型。理論上,研究區(qū)觀測(cè)土壤中出現(xiàn)完全與上述9種特征質(zhì)地層按固定厚度組合的質(zhì)地構(gòu)型的剖面的可能性極小。一般情況下,實(shí)際土壤的剖面質(zhì)地構(gòu)型對(duì)兩種或兩種以上通過(guò)FCM算法輸出的特征質(zhì)地層組合類型表現(xiàn)出“多重相似性”,出現(xiàn)多重隸屬關(guān)系,即模糊隸屬關(guān)系。研究區(qū)樣點(diǎn)土壤剖面中不同質(zhì)地層次出現(xiàn)的部位與厚度組合相對(duì)于9種特征質(zhì)地層組合類型的模糊隸屬度列入表3。一個(gè)觀測(cè)土壤的剖面質(zhì)地構(gòu)型對(duì)于所有特征質(zhì)地層組合類型表現(xiàn)出不同的隸屬程度,其中,對(duì)于某種特征質(zhì)地層組合類型的隸屬度越高,觀測(cè)土壤的剖面質(zhì)地構(gòu)型與這種特征質(zhì)地層組合類型越“相似”。在一個(gè)觀測(cè)土壤的剖面質(zhì)地構(gòu)型對(duì)于所有特征質(zhì)地層組合類型的隸屬關(guān)系對(duì)比中,對(duì)于特定一種特征質(zhì)地層組合類型的隸屬度值最大。在簡(jiǎn)單的去模糊化處理中,觀測(cè)土壤的剖面質(zhì)地構(gòu)型歸屬通常直接由其最大隸屬度決定,即歸屬于最大隸屬度對(duì)應(yīng)的特征質(zhì)地層組合類型。如表3中的觀測(cè)土壤T1,其剖面質(zhì)地構(gòu)型的最大隸屬度為0.91,對(duì)應(yīng)特征質(zhì)地層組合類型g(砂-壤-壤),T2、T3、T4最大隸屬度分別為0.59、0.95、0.79,對(duì)應(yīng)的特征質(zhì)地層組合分別為c(壤-黏-黏)、b(壤-壤-黏)和f(砂-砂-砂)。2.3表土層空間特征FCM模型算法得到的是離散樣點(diǎn)屬于每種剖面質(zhì)地構(gòu)型的情況,要進(jìn)行空間預(yù)測(cè)制圖,必須借助地統(tǒng)計(jì)學(xué)手段,本研究應(yīng)用普通克里格插值方法對(duì)研究區(qū)觀測(cè)土壤剖面點(diǎn)屬于每種剖面質(zhì)地構(gòu)型的隸屬度值進(jìn)行空間預(yù)測(cè),實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)土壤對(duì)于每種特征質(zhì)地層組合類型的隸屬關(guān)系在地理空間上的表達(dá)(圖2)。從圖3中可以清晰看出,分布于研究區(qū)西北部的土壤,其剖面質(zhì)地構(gòu)型表現(xiàn)出對(duì)于特征質(zhì)地層組合類型a(壤-黏-壤)、b(壤-壤-黏)、c(壤-黏-黏)、h(壤-壤-砂)、i(壤-壤-壤)的多重相似特征,而全區(qū)土壤對(duì)于特征質(zhì)地層組合類型d(黏-黏-黏)的隸屬關(guān)系均非常微弱,表明研究區(qū)這種剖面質(zhì)地構(gòu)型的土壤分布范圍極為有限。借助研究區(qū)129個(gè)樣點(diǎn)表層(0～20cm)和亞表層(20～40cm)質(zhì)地平均分析結(jié)果對(duì)剖面質(zhì)地構(gòu)型中的表土層空間預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明37.2%樣點(diǎn)完全吻合(質(zhì)地完全相符),51.1%樣點(diǎn)基本吻合(質(zhì)地基本相符),只有11.6%樣點(diǎn)不吻合?；菊_率達(dá)到88.3%,空間預(yù)測(cè)結(jié)果基本可信(圖3)。不吻合的樣點(diǎn)在空間上主要分布在研究區(qū)的南邊黃河附近,黃河附近微地貌相對(duì)而言比較復(fù)雜,對(duì)空間預(yù)測(cè)結(jié)果的精度會(huì)產(chǎn)生一定的影響。2.4土壤條件及地形因素將隸屬每種特征質(zhì)地層組合類型的單一類別隸屬度圖轉(zhuǎn)換為柵格大小為120m×120m的柵格圖,依據(jù)對(duì)于特征質(zhì)地層組合類型最大隸屬度將各個(gè)柵格單元進(jìn)行土壤剖面質(zhì)地構(gòu)型類別歸屬“硬性”甄別,實(shí)現(xiàn)研究區(qū)土壤剖面質(zhì)地構(gòu)型預(yù)測(cè)結(jié)果的去模糊化表達(dá)(圖4)。圖4中可以看出,研究區(qū)以壤-壤-壤為剖面基本質(zhì)地構(gòu)型的土壤分布面積最大,連片分布在研究區(qū)中西部,與封丘縣1∶5萬(wàn)土壤圖中兩合土表現(xiàn)出相同的分布規(guī)律(圖3),兩合土面積占土壤總面積的58%;其次是砂-砂-砂型土壤,主要分布在研究區(qū)南部黃河附近,與封丘縣土壤圖中砂土表現(xiàn)出相同的分布規(guī)律,砂土分布面積占土壤總面積的20%。其他剖面質(zhì)地構(gòu)型的土壤分布面積較小,其中壤-壤-黏型土壤主要分布于研究區(qū)中東部,其分布范圍主要受地形因素控制,與封丘土壤圖中的淤土表現(xiàn)出相同的分布規(guī)律,淤土分布面積占土壤總面積的16%。盡管在觀測(cè)土壤中發(fā)現(xiàn)了以黏-黏-黏為基本組合的剖面質(zhì)地構(gòu)型,但由于其分布范圍較為有限,在制圖過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)表達(dá)。就研究區(qū)土壤剖面質(zhì)地構(gòu)型預(yù)測(cè)結(jié)果而言,基本可以解釋為地形(高程)、與黃河河道空間距離這兩大因素對(duì)研究區(qū)母質(zhì)構(gòu)成和土壤發(fā)生、發(fā)育的影響。離決口和主流較近,沉積物以粒徑較大的砂粒為主,而離決口較遠(yuǎn),沉積物以粉粒為主,是兩合土屬的成土母質(zhì),泛水進(jìn)入平地,沉積物以黏粒為主,形成淤土屬的成土母質(zhì)。必須指出,由于歷史上黃河泛濫頻繁、泥沙沉積過(guò)程復(fù)雜,加上研究區(qū)為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū),灌淤、深翻、平整等土壤利用與改良活動(dòng),土壤剖面質(zhì)地構(gòu)型在空間分布上表現(xiàn)出強(qiáng)烈的微域變異特征。3土壤剖面分布特征結(jié)果1)基于152個(gè)觀測(cè)土壤剖面質(zhì)地層次厚度數(shù)據(jù)的模糊c-均值算法模型輸出結(jié)果表明,封丘縣境內(nèi)發(fā)育的土壤可劃分為9種基本的剖面質(zhì)地構(gòu)型。2)基于模糊隸屬關(guān)系,應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)手段實(shí)現(xiàn)了土壤剖面質(zhì)地構(gòu)型的空間預(yù)測(cè),其去模