超越土壤质量制图：在干旱区将肥力指数与TOPSIS集成用于可持续土地管理

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Beyond soil quality mapping: integrating fertility indices and TOPSIS for sustainable land management in arid areas

　　

土壤被视为国家最宝贵的自然资源之一，可靠认知局地土壤资源对有效的土地利用规划与乡村发展至关重要。本研究旨在评估埃及索哈格省不同土地管理实践下的土壤肥力与质量，将地球科学方法与理想解相似度偏好排序技术（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution, TOPSIS）相结合。GPS定位采样覆盖34个样点，跨越老耕地、新耕地与裸土，标准实验室程序测定其物理化学性质。随后对每个样品应用TOPSIS推导当前肥力状况与整体土壤质量指数（Soil Quality Index, SQI）。结果显示，老耕地土壤团聚体稳定性指数（Soil Aggregate Stability Index, SASI）平均1.81（范围1.14–2.57），新耕地1.36（0.2–3.62），裸土0.4（0.08–1.67）；土壤结皮指数（soil-sealing index, IB）三组平均分别为1.32（0.17–4.35）、1.40（0.11–5.10）与0.57（0.44–1.09）；Forestier指数（Forestier index, IF）平均分别为1.74（0.46–4.39）、1.69（0.36–5.28）与1.03（0.66–1.64）。分析得出四类肥力等级，占调查土地4.21%、15.22%、15.36%与65.21%。SQI在老耕地为36.36–52.00%，新耕地28.13–53.57%，裸土2.94–25.00%，归并为三个质量区：老耕地与新耕地组成的中等质量区（占研究区55.64%）、新耕地与裸土部分区域的差质量区（35.47%）、集中于裸土的极差质量区（8.89%）。上述结果共同为决策者与土地管理者提供了实用且空间显式的优先保护依据。在干旱农业背景下，以此识别并制图肥力耗竭区，可建立针对性修复的证据基础，对缩小产量差距、降低粮食进口依赖及提升国家粮食安全至关重要。

研究背景方面，农业仍是非洲经济支柱与保障粮食安全、减贫及可持续自然资源管理的核心工具，但快速人口城市化加剧耕地压力并加速土壤肥力下降。埃及本土土壤肥力低下，加之管理不当与气候变异，使大规模土地开垦计划面临养分耗竭风险。既有土壤质量评估方法多样却无统一范式，多目标决策中TOPSIS因能整合定性与定量指标、可配客观赋权而在水质与土壤评估中受关注。研究人员在埃及上埃及索哈格省（26.51°–26.9°N，31.24°–31.57°E，约715.14 km²）开展研究，该区属北非干旱带，涵盖老耕地（尼罗河沉积千年耕作）、新耕地（近数十年滴灌/喷灌开垦）与裸土三类土地利用，旨在为干旱区土地修复提供空间显式证据。

关键技术方法上，研究人员布设34个0–60 cm GPS定位复合样（老耕12、新耕12、裸土10），按标准程序测黏粒、砂粒、粉粒、交换性钠百分比（Exchangeable Sodium Percentage, ESP）、有机碳（Organic Carbon, OC）、电导率（Electrical Conductivity, EC）、pH、阳离子交换量（Cation Exchange Capacity, CEC）、碳酸钙及速效氮磷钾；以Shapiro–Wilk、Levene检验选ANOVA/Welch/Kruskal–Wallis做组间比较；计算SASI（Pieri式，OC与粉黏比）、IB（Rémy式，粉黏与pH）、IF（Forestier式，交换性阳离子平方和与粉黏比）三项复合肥力参数；采用熵权-TOPSIS（向量归一、熵权w_j、加权欧氏距正/负理想解、相对贴近度×100得SQI）评质量；用反距离权重（Inverse Distance Weighted, IDW）插值制图并以RMSE、MRE、R²、一致性相关系数（Concordance Correlation Coefficient, CCC）验插值；以±10–30%单维扰动与Dirichlet随机1000组做权重敏感性分析。

研究结果部分，2.1研究区概述标明三类用地占全区56.37%、31.63%及尼罗河1.72%、城镇10.28%，NDVI显示老耕植被最高。2.2采样与实验表明老耕OC 0.3–1.8%、新耕0.06–0.4%、裸土0.03–0.1%，裸土EC达7.7–13.2 dS/m且CaCO₃ 17.7–32.98%。2.3统计比较确认砂粒、黏粒、CaCO₃方差不齐用Welch，其余按分布选对应非参/参数检验。2.4肥力参数计算显示老耕SASI（1.14–2.57）远高于裸土（0.08–1.67），IB老耕多<1.4无结皮风险、裸土0.44–1.09亦低但IF裸土仅0.66–1.64显示养分储备差。2.5 TOPSIS-SQI中熵权最高为pH（0.168）与砂粒（0.149），ECe权重最低（0.021）；老耕SQI 36.36–52%落中等、新耕28.13–53.57%跨中等至差、裸土2.94–25%落差至极差。2.6肥力分级按Quemada/Cabrera-Dabin-Nguemezi框架将OM、N、P、K、CEC、EC、CaCO₃、ESP、pH、SASI、IB、IF映射为I–IV类限制，结果65.21%土地属IV类（多于一项严重限制）。2.7专题图IDW中p=2或3按属性择优，CCC多数>0.7证实插值可用。2.8敏感性分析显示单维±30%扰动下Spearman ρ>0.9，Monte Carlo千次扰动中三组SQI均值排序（老耕>新耕>裸土）不变，类内跳变<15%。

讨论部分指出，TOPSIS相较AHP弱化专家主观标度、相较PCA保留原指标物理可追溯性、相较机器学习黑箱更透明，熵权进一步抑偏；老耕因历史有机质输入与黏粒富集维持较高CEC（4–32.4 cmol_c/kg）与SASI，新耕虽经客土改良仍受砂质骨架限制，裸土高CaCO₃与高EC构成双重障碍。研究结论翻译如下：上述结果共同为决策者和土地管理者提供了实用、空间显式的依据，用以优先安排土壤保育工作。在干旱农业语境中，以此识别并制图肥力耗竭区，建立了针对性修复所需的证据基础，这对缩小产量差距、减少粮食进口依赖及增强国家粮食安全至关重要。论文发表于《Frontiers in Sustainable Food Systems》。