1、第 卷 第期 ，年 月 ，：宁夏固原地区土壤硒元素预测研究左健扬，刘晓慧（宁夏回族自治区国土整治修复中心，宁夏 银川 ）摘要：硒作为人体必需的微量元素之一，其生物学功效越来越受到社会的广泛关注和认可，硒资源的开发利用也为农业结构调整、助力乡村振兴提供了有利保障。利用宁夏固原地区 万土地质量地球化学调查成果，将 件土壤样品的 项元素指标测试结果，通过聚类分析方法选取了与 元素相关性高的元素指标，在随机抽样的基础上建立了多元线性回归预测模型，并对预测精度进行了验证。通过研究发现，利用土壤全氮和有机碳含量建立的多元线性回归模型，具有较高的 元素预测精度。在服务区域富 农产品开发利用，特别是支撑以往未
2、开展 元素研究分析的农业基础调查，都提供了较为可靠的参考依据。关键词：土地质量调查；地球化学；元素；回归预测中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言硒（）是人体必需的微量元素之一，具有抗氧化、抗衰老、抗肿瘤和提高人体免疫力等多种功效，被中国 营养 学 会列 为 人体 必需 的 种营养 元 素 之一。目前，最健康有效的补硒方式是通过饮食获取，对于农产品而言，土壤中 的含量特别是有效态含量，直接关系到硒产业的开发利用。尽管前人对土壤中 元素含量与成土母质、土壤类型等的关系开展了深入的研究，但如何运用其他元素作为指标间接性地评价 元素含量则鲜有报道。万土地质量地球化学调查是由中国地质调查局组织开展
3、的全国性基础调查工作。文章依据宁夏固原地区调查成果，通过对表层土壤样品测试分析的 项元素指标，在研究分析各元素指标间的相关相似性基础上，选取与 元素相关度高的元素指标建立回归预测模型，为区域富 产业的开发利用提供技术支撑。研究区概况研究区地处宁夏回族自治区南部固原市，所辖一区四县全境属于国家重点扶持的六盘山集中连片特困地区，随着脱贫攻坚和乡村振兴战略的大力实施，已于 年底全部脱贫摘帽。研究区位于中国黄土高原的西北边缘，属典型的大陆性气候，以六盘山为南北脊柱，将固原市分为东西两壁，呈南高北低之势，具有沟壑纵横、梁峁交错的地理特征。地层分区属华北柴达木地层大区，横跨祁连地层区之靖远西吉地层小区、阿
4、拉善地层区之景泰中宁地层小区、华北地层区之鄂尔多斯西缘地层分区桌子山青龙山地层小区以及鄂尔多斯地层分区盐池环县地层小区。区内出露地层由老至新有中元古界、白垩系、古近系、新近系和第四系。地貌类型主要有平原、黄土丘陵和山地三种类型。土壤类型以黄绵土为主，其次为灰褐土和黑垆土，新积土、红黏土、粗骨土、潮土、草甸土零星分布。样品采集与分析方法本文依据 年实施 的宁夏固原地区 万土地质量地球化学调查，按照采样密度为收稿日期：；修回日期：基金项目：宁夏自然科学基金项目“基于土壤地球化学特征的农业种植区划研究”（）资助。第一作者：左健扬（），男，博士，高级工程师，主要从事环境地质研究工作。：引文格式：左健扬
5、，刘晓慧宁夏固原地区土壤硒元素预测研究矿产与地质，（）：个点 进行表层 的土壤样品采集，每 进行样品组合并送检分析，得到 、共 项元素指标的测试分析结果，元素指标分析方法见表。依据调查成果，研究区富 土地面积约 ，占调查面积的。表土壤样品元素指标分析方法 分析项目样量样品处理方法分析方法备注、粉末压片法荧光光谱法（）超 出 检 测 范 围 用 、容量法、等补充验证、溶样等离子体光谱法（）、与 相互验证稀释 倍、等 离 子 质 谱 法（）、王水溶样原子荧光光谱法（）、与缓冲剂发射光谱法（）艾氏卡熔剂半熔原子荧光光谱法（）催化比色法（）、氢氧化钠过氧化钠碱熔碱熔、磷酸酸化极谱法（）选择性离子电极法
6、（）原子荧光法（）重铬酸钾氧化硫酸亚铁铵容量法（）高温灼烧红外光谱法 消煮凯氏氮蒸馏酸碱滴定容量法（）王水溶样、泡塑富集、硫脲解脱等离子质谱法（）蒸馏水浸提 计测定（）注：、以 检测数据为主。土壤 元素含量预测 研究方法针对 件土壤样品的 项元素指标，数据量无疑是庞大的，如何有效的挖掘各元素指标间的相似关系，研究提取与 元素相关度较高的元素指标，是建立土壤 元素含量预测模型的关键。因此，为了按照相关程度高低对不同变量进行分类，本文利用聚类分析方法，在变量较多且具有一定的相关性时，通过相关性的强弱程度把变量聚为几个大类，使得不同类变量之间代表相关性的强弱，从而有效减少变量个数达到降维的目的，提取
7、得到与 元素存在明显相关性的元素指标 。为有效降低回归分析中变量波动性和多重共线性问题，消除量纲影响，本文首先将研究区表层土壤样品的 项元素指标测试数据进行了对数变换，利用 皮 尔 逊 相 关 系 数（）计算各变量间的相关程度，见式（）：（）（）（）（）（）其中，、为同一样品的不同元素指标实测值，、为该元素指标的平均值。相关系数变化范围为至，越接近于（），正（负）相关越强；越接近于，相关性越弱。通过 项元素指标两两间的相关系数，最终得到元素指标的聚类情况和树状图（图）。通过对研究区 件表层土壤样品的 项元素指标测试分析结果的聚类分析，如图中红框所示，第 卷第期左健扬等：宁夏固原地区土壤硒元素预
8、测研究图表层土壤元素指标聚类分析树状图 土壤 含量与、三种元素指标存在较好的正相关性，相关系数大于 。土壤 元素预测模型首先对 件土壤样品分析数据进行对数变换，以 为抽样间隔进行随机抽样，抽取了 件样品分析数据，作为验证 元素预测模型的测试数据，即 件样品测试数据不参与预测模型的建立，仅用于预测模型精度的验证评价。剩余的 件土壤样品参与建模，以 元素含量为因变量，、作为自变量，建立土壤 元素含量预测的多元线性回归模型：（）为充分考虑预测模型的实用性和可操作性，更好的服务和应用于研究区土壤 研究，特别是有效指导和应用于未开展 元素测试的农业基础调查研究，本文拟利用、两种农业常规分析项，建立土壤
9、元素含量预测的多元线性回归模型：（）两种回归预测模型计算结果与实际分析结果对照见表。精度评价为了实现回归预测模型的定量评价，选用平均绝对误差 、均方根误差 、皮尔逊相关系数 和预测精度四种评价指标 ，来对预测模型的精度进行评价。平均绝对误差 （）均方根误差 （）（）检验精度 （）（）矿 产 与 地 质 年表研究区土壤 元素含量预测对照 样品号 （）实际值预测值式（）式（）样品号 （）实际值预测值式（）式（）样品号 （）实际值预测值式（）式（）第 卷第期左健扬等：宁夏固原地区土壤硒元素预测研究式中：、分别为土壤样品 含量的实测值与实测平均值；、分别为土壤样品 含量的预测值与预测平均值；为测试样品
10、数量。皮尔逊相关系数 已在上文中列出，用来度量预测值和实际值的相关程度，一般情况下，通过以下取值范围判断变量的相关强度，见表。表相关系数评价 相关系数（绝对值）相关程度 显著相关 强相关 低相关 弱相关或无关利用上述三种评价指标，研究区土壤 元素回归预测模型评价指标见表。可以看出，两种回归模型都有较好的预测精度，预测值与实际值呈显著相关。特别是元素不参与建模的线性回归模型，对土壤 元素的预测精度更高，具有更小的平均绝对误差、均方根误差，及更大的相关程度和检验精度，与土壤实测值的变化趋势更接近（图）。本文仅对研究区土壤全量元素指标进行了分析研究，但农作物对土壤中 元素的吸收，不仅与作物类型、在土
11、壤中的存在形态有关外，还与气候条件、土壤、氧化还原环境、质地、有机质等都有很大关系，需要在今后的工作中进一步研究应用。表模型精度评价指标 评价方法式（）式（）图土壤 元素含量预测折线图 结论）本文利用宁夏固原地区 万土地质量地球化学调查成果，对 件表层土壤的 项地球化学元素指标进行聚类分析，选取了与 元素相关性较高的、和、两种元素指标组合，通过随机采样方法，抽取其中的 件样品建立了研究区 元素预测的多元线性回归模型。）利用未参与建模的 件土壤样品，依据预测模型求取土壤 元素含量，并通过与实际测试结果的比对分析，对模型预测精度进行了验证。通过分析研究，两种多元线性回归模型均具有较好的预测精度，尤
12、其是 与、建立的回归模型，在预测分析上具有更高的精度。）本文得到的土壤 元素含量预测模型，可以有效指导宁夏固原地区硒产业开发利用，特别是、矿 产 与 地 质 年 作为土壤农业化学的常规分析项，在服务应用于以往未开展 元素测试的农业基础调查研究工作，具有较好的参考价值。参考文献：袁丽君，袁林喜，尹雪斌，等硒的生理功能、摄入现状与对策研究进展生物技术进展，（）：彭祚全，黄剑锋世界硒都恩施硒资源研究概述北京：清华大学出版社，：梁立军微量元素硒与人体健康医学理论与实践，（）：王张民，袁林喜，朱元元，等我国富硒农产品与土壤标准研究土壤，（）：张青，王煌平，孔庆波，等天然富硒土壤上三种蔬菜对硒的吸收与转化
13、差异植物营养与肥料学报，（）：刘保奇，金生，彭慎，等 广西恭城县土壤硒含量与稻谷硒含量相关性研究矿产与地质，（）：蒋惠俏，陆国斌，赵震云，等 广西钟山县主要农用地土壤硒的地球化学特征 矿产与地质，（）：曾少尉，何儒芳，黄振国 广西金秀县头排桐木地区富硒土壤地球化学特征及生态效应研究 矿产与地质，（）：刘华应，黄永聪，蒋宗林，等广西岑溪市富硒土壤地球化学特征及成因分析 矿产与地质，（）：李括，彭敏，赵传冬，等全国土地质量地球化学调查二十年地学前缘，（）：王成，程建华，孟方，等宁夏回族自治区区域地质志北京：地质出版社，：张秀珍，刘秉儒，詹硕仁宁夏境内 种主要土壤类型分布区域与剖面特征宁夏农林科技，
14、（）：，全国国土资源标准化技术委员会（）多目标区域地球化学调查规范（万）：北京：中国标准出版社，宁夏回族自治区国土 资 源厅宁 夏 富 硒土 壤标 准：银川：宁夏人民教育出版社，于俊博，宋云涛，郭志娟，等型聚类分析在区域化探元素分组中的作用探讨物探化探计算技术，（）：童宇物化探测量元素基于 型聚类分析的分类西部探矿工程，（）：林建忠回归分析与线性统计模型上海：上海交通大学出版社，：中国土壤学会农业化学专业委员会土壤农业化学常规分析方法北京：科学出版社，：徐辉，潘萍，宁金魁，等多元线性回归与神经网络模型在森林地上生物量遥感估测中的应用东北林业大学学报，（）：范文义，张海玉，于颖，等三种森林生物量估测模型的比较分析植物生态学报，（）：杨煜岑，杨联安，王晶，等基于多元线性回归模型的土壤养分空间预测：以陕西省蓝田县农耕区为例土壤通报，（）：何春雄，龙卫江，朱锋峰概率论与数理统计北京：高等教育出版社，：周越，吴文良，孟凡乔，等土壤中硒含量、形态及有效性分析农业资源与环境学报，（）：王锐，邓海，贾中民硒在土壤农作物系统中的分布特征及富硒土壤阈值环境科学，（）：，（，）：，：，第 卷第期左健扬等：宁夏固原地区土壤硒元素预测研究
