基于云模型的濒危藤枣土壤养分评价_宋世杰.pdf

基于云模型的濒危藤枣土壤养分评价宋世杰1,2,Sven Landrein1(1.中国科学院西双版纳热带植物园,云南勐腊 666303;2.中国科学院大学,北京 100049)摘要 了解藤枣原生地的土壤养分情况,为藤枣保护策略的制定提供参考。测量了濒危藤枣原生地土壤的有机质(OM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、水解性氮(AN)、有效磷(AP)、有效钾(AK)和 pH,利用云模型方法对藤枣的土壤养分进行了评价。结果表明,藤枣原生地的土壤养分属于较高水平,有机质、全氮、水解性氮和有效钾含量很高,全磷和全钾含量稍低,有效磷含量很低,土壤呈弱酸性。该研究结果提供了参考的土壤养分情况,以期提高藤枣迁地保护和回归种植的成活率。关键词 藤枣;土壤养分;云模型;分布中图分类号 S158 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2023)03-0147-05doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2023.03.033 开放科学(资源服务)标识码(OSID):Soil Nutrient Evaluation of Critically Endangered Eleutharrhena macrocarpa Based on the Cloud ModelSONG Shi-jie1,2,Sven Landrein1(1.Xishuangbanna Tropical Botanical Garden,Chinese Academy of Sciences,Mengla,Yunnan 666303;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)Abstract In order to understand the soil nutrient requirements for E.macrocarpa growth,we analyzed soil nutrients and that can provide a reference for a conservation strategy.The organic matter(OM),total nitrogen(TN),total phosphorus(TP),total potassium(TK),available nitrogen(AN),available phosphorus(AP),available potassium(AK)and pH were measured and evaluated.Results showed a relatively high level of nutrients.It was especially high in organic matter,total nitrogen,hydrolytic nitrogen and available potassium,but the amount of total phosphorus and total potassium was slightly lower,and available phosphorus was very low.These results provide a reference for the propagation of E.macrocarpa during ex-situ conservation and reintroduction.Key words Eleutharrhena macrocarpa;Soil nutrients;Cloud model;Distribution基金项目 中国科学院西双版纳热带植物园(KKPK014B06)。作者简介 宋世杰(1997),男,重庆人,硕士研究生,研究方向:濒危植物保护。通信作者,副研究员,博士,从事濒危植物保护研究。收稿日期 2022-03-17;修回日期 2022-04-18 生物多样性正以惊人的速度丧失1-3。仅以植物为例,约 21%的植物处于濒临灭绝的状态4。但由于人力和物力的限制,无法为所有的物种提供相同的保护力度。在此背景下,诞生了国际自然保护联盟濒危物种红色名录云南省极小种群植物名录中国植物红皮书和国家重点保护野生植物名录为代表的研究成果,用于指导保护资源的分配和保护研究的重点。国家重点保护野生植物指具有重大经济、科学、生态学或文化价值,居群数量稀少、分布区狭窄的植物5。濒危植物指满足极危、濒危或易危标准的植物6。其中,被评估为极危等级的植物应引起格外关注,因为它们在野外具有极高的随时灭绝的概率6。极小种群指近期受到严重的人为干扰而导致种群数量较少的植物7。极少的现有种群数量、有限的栖息地、严重的人为干扰和极高的灭绝风险是极小种群的主要特征7。藤枣是濒危植物8、国家二级保护野生植物9、云南省极小种群物种10,现状堪忧,急需保护。濒危植物的保护围绕原地保护、迁地保护和回归工作开展11-13。原地保护指在物种原生地开展,帮助物种恢复或者维持种群数量的保护措施14。迁地保护指在物种原生地范围外的地方开展的物种资源保护措施14。回归指出于保护的目的而建立的可自我维持的新种群15,这也是珍稀濒危植物保护的最终目标16。保护工作的成功实现建立在对植物的适生生境有较为充分的认识前提下。土壤作为生态系统中生物与环境相互作用的产物,贮存着 N、P、K 等多种营养物质,为植物生长提供保障和支持17-18。因此,在迁地保护和回归种植时需要重点考虑19-20。谢国文等17对濒危植物永瓣藤(Monimopeta-lum chinense Rehd.)的土壤养分进行了分析,发现该物种生长于强酸性、具有丰富有机质和氮素的土壤中,建议在原地保护过程中限制人为因素对土壤生态和成分的破坏(如刀耕火种、炼山造林),迁地保护时,为其提供充足的土壤养分17。梵净山冷杉(Abies fanjingshanensis W.L.Huang et al.)、珙桐(Davidia involucrata Baill.)、南方红豆杉Taxus wallichiana var.mairei(Lemee&H.Lveill)L.K.Fu&Nan Li土壤中低含量的全氮和全磷元素被认为是 3 种珍稀濒危植物的主要养分限制因子18。云模型21由于能较好地处理土壤养分等级的定性描述与测量养分数据之间的关系转换,在土壤养分评价方面得到了广泛应用22-24。笔者在广泛采集藤枣土壤样品的基础上,对土壤中的有机质(OM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、水解性氮(AN)、有效磷(AP)、有效钾(AK)和 pH 进行了测量,并采用云模型方法对藤枣土壤的养分情况进行了评估,以期为藤枣迁地保护和回归工作的开展提供参考,提高迁地保护和回归的成功率。1 研究方法1.1 土壤的采集 通过查询藤枣的历史记录,发现我国境内藤枣主要分布于德宏傣族景颇族自治州、临沧市、普洱市、西双版纳傣族自治州、红河哈尼族彝族自治州、文山壮族苗族自治州25-26。20192021 年,对藤枣的分布进行了调查,并收集了藤枣土壤。取样方法见图 1,取样后混合,取样深度为 20 cm,最终取混合土样约 1 kg。对于间距小于 5 m 的植株,取其中 1 株作为采样点。土壤取回后去杂晾干,过 2.00安徽农业科学,J.Anhui Agric.Sci.2023,51(3):147-151 和 0.15 mm 筛,4 分法取样,用于后续分析。土壤采样点见图 2。1.2 土壤养分的测定 有机质采用森林土壤有机质的测定及碳氮比的计算(LY/T 12371999)测定;全氮采用森林土壤氮的测定(LY/T 12282015)测定;全磷采用森林土壤磷的测定(LY/T 12342015-电感耦合等离子体发射光谱仪测定)测定;全钾采用森林土壤钾的测定(LY/T 12342015-电感耦合等离子体发射光谱仪测定)测定;水解性氮采用森林土壤氮的测定(LY/T 12282015-碱解扩散法)测定;有效钾采用森林土壤钾的测定(LY/T 12342015-电感耦合等离子体发射光谱仪)测定;有效磷采用森林土壤磷的测定(LY/T 12322015-连续流动分析仪法)测定;pH采用森林土壤pH的测定(LY/T 12391999-电位法)测定。图 1 土壤的取样方法Fig.1 Soil collection method图 2 土壤采样点Fig.2 Soil collection sites1.3 土壤养分的评价1.3.1 各养分指标的评价标准。参考全国第 2 次土壤普查土壤养分分级标准,建立各养分指标的评价标准。1.3.2 指标权重的建立。使用 SPSS 软件中的主成分分析法建立各养分指标的权重。1.3.3 综合养分的评价标准。根据综合云模型原理,建立综合养分的评价标准。1.3.4 各养分指标的评价和云图的绘制。将各养分指标的测量值导入 matlab,使用逆向云发生器的原理21计算各养分指标的云模型特征值(期望值(Ex)、熵值(En)、超熵值(He)。期望值(Ex)代表评价结果的中心值,反映了对应养分指标的中心测量结果。熵值(En)反映了对应养分指标可能的变化范围。超熵值(He)反映了熵(En)的确定度,数值越大不确定性越大。根据特征值的结果,利用正向云发生器原理21,绘制云图,可视化测量结果的整体特征(凝聚情况)。逆向云发生器原理的实现代码:M=Data.Column;n=length(M);Ex=mean(M)En=0;for i=1:nEn=En+(3.14/2)(1/2)(1/n)abs(M(i)-Ex);endEnHe=(abs(var(M)-En2)0.5正向云发生器原理的实现代码:ex=逆向发生器计算所得的期望值en=逆向发生器计算所得的熵值he=逆向发生器计算所得的超熵值n=2 000841 安徽农业科学 2023 年Ex=ex;En=en;He=he;for i=1:nEnn=randn(1)He+En;x(i)=randn(1)Enn+Ex;y(i)=exp(-(x(i)-Ex)2/(2Enn2);end1.3.5 土壤养分的综合评价和综合云图的绘制。将计算获得的期望值(Ex)、熵值(En)和超熵值(He)在 SPSS 软件中进行归一化处理。利用归一化后的期望值(Ex)、熵值(En)、超熵值(He)和各指标的权重值,运用综合云算法计算综合养分得分,具体算法23:综合期望值:Ex=(Ex1En1w1+Ex2En2w2+ExnEnnwn)/(En1w1+En2w2+Ennwn)综合熵值:En=En1w1+En2w2+Ennwn综合超熵值:He=(He1En1w1+He2En2w2+HenEnnwn)/(En1w1+En2w2+Ennwn)其中,Ex1、En1、He1、w1、Exn、Enn、Hen、wn分别代表第 1 个指标到第 n 个指标的期望值、熵值、超熵值和权重值。将综合期望值与综合养分的评价标准进行比较,判断藤枣土壤的综合养分情况。利用正向云发生器原理,绘制综合云图,可视化测量结果的整体特征(凝聚情况)。2 结果与分析2.1 各养分指标的评价标准、综合养分指标的评价标准和权重 各养分指标的评价标准见表 1 和表 2,综合养分指标的评价标准见表 3。权重计算结果为 OM TN TP TK AN AP AKpH=0.050.420.150.060.210.0900.02。表 1 各养分指标的评价标准Table 1 Evaluation criteria of soil nutrients等级Grade有机质(X1)Organic matter全氮(X2)Total nitrogen全磷(X3)Total phosphorus全钾(X4)Total potassium水解性氮(X5)Hydrolyzable nitrogen有效磷(X6)Available phosphorus有效钾(X7)Available pota