Luận văn thạc sĩ phân tích thống kê thổ nhưỡng đất trồng trọt của huyện thanh ba phú thọ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ HUYỀN PHÂN TÍCH THỐNG KÊ THỔ NHƯỠNG ĐẤT TRỒNG TRỌT CỦA HUYỆN THANH BA – PHÚ THỌ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2012 NGUYỄN THỊ HUYỀN PHÂN TÍCH THỐNG KÊ THỔ NHƯỠNG ĐẤT TRỒNG TRỌT CỦA HUYỆN THANH BA – PHÚ THỌ Chuyên ngành: Mã số: Lý thuyết xác suất thống kê toán học 60 46 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS HỒ ĐĂNG PHÚC Mục lục Lời nói đầu Một số kiến thức thống kê liên quan 1.1 Các khái niệm 1.1.1 Vectơ ngẫu nhiên 1.1.2 Tích vô hướng hai vectơ 10 1.1.3 Chuẩn vectơ 10 1.1.4 Khoảng cách hai vectơ 11 1.1.5 Các loại khoảng cách thường dùng 11 1.2 Phân tích chùm 13 1.2.1 Phân tích chùm gì? .13 1.2.2 Khái quát phân tích chùm 14 1.2.3 Các bước phân tích chùm 16 1.2.4 Kiểm tra độ phù hợp phân nhóm 26 1.3 Phân tích thành phần 28 1.3.1 Cấu trúc thành phần 28 1.3.2 Các thành phần biến chuẩn hóa 34 1.3.3 Phân tích thành phần dựa mẫu 36 1.3.4 Các kết luận thống kê dựa mẫu lớn 38 Ứng dụng phân tích thổ nhưỡng đất trồng trọt huyện Thanh Ba - Phú Thọ 40 2.1 Phần mềm trợ giúp việc tính tốn .40 2.1.1 Giới thiệu chung .40 2.1.2 Phần mềm SPSS .40 2.1.3 Sử dụng SPSS phân tích chùm .41 2.1.4 Sử dụng SPSS phân tích thành phần 43 2.2 Số liệu thổ nhưỡng đất 46 2.2.1 Thổ nhưỡng đất 46 MỤC LỤC 2.3 2.4 2.2.2 Sơ lược điều tra đất 47 2.2.3 Một số vấn đề phẫu diện đất Thanh Ba - Phú Thọ .47 Kết áp dụng phương pháp phân tích chùm 50 Kết áp dụng phương pháp phân tích thành phần 54 Tài liệu tham khảo 60 LỜI NĨI ĐẦU Phân tích chùm (Cluster Analysis - CA) phương pháp thống kê nhằm phân loại đối tượng (các biến) cho đối tượng (biến) giống so với đối tượng (biến) khác nhóm dựa vào vài tiêu chí xác định trước Phân tích thành phần (Principal Component Analysis - PCA) phương pháp thống kê nhằm rút gọn số liệu, biểu diễn giải thích tập số liệu dựa việc biến đổi phân tích cấu trúc ma trận hiệp phương sai vectơ ngẫu nhiên thông qua việc phân tích tổ hợp tuyến tính thành phần Trong khn khổ thời gian cho phép luận văn Thạc sĩ, mục tiêu luận văn tìm hiểu, hệ thống lại kiến thức có liên quan đến Phân tích chùm, Phân tích thành phần góc độ sở tốn học ứng dụng từ phân tích số liệu cụ thể Luận văn chia làm hai chương: Chương đề cập đến số kiến thức thống kê liên quan Các khái niệm lý thuyết xác suất thống kê liên quan đến Phân tích chùm Phân tích thành phần vectơ ngẫu nhiên, khoảng cách hai vectơ Sau trình bày chi tiết Phân tích chùm Phân tích thành phần chính, sở tốn học cho ứng dụng luận văn Chương hai giới thiệu sơ lược phần mềm trợ giúp việc tính tốn, thổ nhưỡng đất Từ đó, đưa kết luận cho số liệu thổ nhưỡng đất trồng trọt huyện Thanh Ba - Phú Thọ Với kiến thức chuyên ngành chưa sâu sắc nên luận văn đưa số kết ban đầu Tuy nhiên, kết có phù hợp với phân tích chuyên ngành thực tế Lời cảm ơn Trước tiên tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn - Phó giáo sư, Tiến sĩ Hồ Đăng Phúc, người thầy động viên, giúp đỡ hướng dẫn tận tình q trình hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo tổ Xác suất Thống kê giúp đỡ tơi nhiều q trình học tập làm luận văn Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo Lê Đức Vĩnh - Nguyên trưởng mơn Tốn Trường Đại học Nơng Nghiệp Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ, cung cấp liệu xác số kiến thức giúp tơi hồn thành luận văn Cuối lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè người động viên, giúp đỡ tơi q trình thực luận văn Hà Nội, tháng 02 năm 2012 Chương Một số kiến thức thống kê liên quan 1.1 Các khái niệm 1.1.1 Vectơ ngẫu nhiên Vectơ ngẫuvectơ nhiênngẫu n chiều không gian mẫu Ω vào Rn Hay nói cách khác, nhiên X =ánh (X1xạ , từ, X n) vectơ mà thành phần X , , Xn biến ngẫu nhiên Ma trận ngẫu nhiên Nếu X = (X ij ) ma trận cấp n×p mà thành phần X ij biến ngẫu nhiên gọi ma trận ngẫu nhiên Vectơ trung bình ma trận phương sai Cho X = (X1, , Xn)T ma trận ngẫu nhiên n×1 Vectơ EX = (EX1, , EXn)T = (μ , , μn)T gọi vectơ giá trị trung bình Đại lượng σii = E(X − i μi) , i = 1, , n gọi phương sai Xi; σ ij−= E(Xi μi)(X j μi) với μi = E(X i ),μ j = E(X j ) gọi hiệp phương sai hai biến Xi X j , dễ dàng nhận thấy +∞ +∞ +∞ +∞ ∫ ∫ σij = ∫ (xi − μi)(x j − μ j) f ij (xi , x j )dx i dx j xix j f ij (xi , x j )dx i dx j − μiμ j ∫ = −∞ −∞ −∞ −∞ (Xi, Xj) có mật độ đồng thời fij(xi, x j), σi j = x (xi − μi )(x j − μ j )pi j (xi , x x x i x j p ij (x i , x j) − μiμ j i x j) = x j i (Xi, X j ) biến ngẫu nhiên rời rạc với xác suất đồng thời P(Xi = xi, Xj = x j) = pij(xi, x j) j tổng chạy theo tất xi (tương ứng x j) miền giá trịcủa biến ngẫu nhiên Xi (tương ứng X j ) Nếu i Ç j σ ij = biến ngẫu nhiên Xi X j gọi không tương quan Xi Xj gọi độc lập CHƯƠNG MỘT SỐ KIẾN THỨC THỐNG KÊ LIÊN QUAN P(Xi < xi, Xj < x j) = P(Xi < xi)P(Xj < x j), ∀xi, x j ∈ R1 Đẳng thức tương đương với đẳng thức sau f ij(xi, x j) = fi(xi) f j (x j ), ∀xi, x j, Xi, Xj có mật độ đồng thời fij mật độ riêng fi(xi), f j(xj), pj(xi, x j) = pi(xi)pj(xj) Xi, Xj biến ngẫu nhiên rời rạc có xác suất đồng thời pj(xi, x j) xác suất riêng pi(xi), pj(xj) Ta gọi EX = (EXij) ma trận giá trị trung bình, ⎧⎪⎨⎪ xi j ∫ xij pj(x ij) Nế u Xij biế n ngẫ u nhi ên rời rạc có hà m xác suấ t pij( xij) ij ij ij ij ij CHƯƠNG MỘT SỐ KIẾN THỨC THỐNG KÊ LIÊN QUAN EXij = biến ngẫu nhiên liên tục có hàm mật độ f (x ) ⎩ ⎪ +∞ − ∞ x f (x)dx Nếu X Chú ý, Xi Xj độc lập σij = 0, điều ngược lại trường hợp Xi, Xj có phân phối chuẩn Ma trận hiệp phương sai: Kí hiệu T cov(X − μ)(X − μ) = [E(Xi − μi)(X j − μ j)] ma trận đối xứng xác định không âm cấp n Hệ số tương quan ma trậnphương tương quan: Đạivectơ lượngX.ρ ijĐặt σi j= cov(X) = gọi ma trận hiệp sai ; σ = = (σ ) đótương quan Xi Xj, cịn ma trận gọiijlà hệ số Số lượng tính chất chúng tác động mạnh mẽ đến trình hình thành đất, định nhiều tính chất lý, hóa, sinh độ phì nhiêu đất Về mặt số lượng chất hữu cơ, tiêu chí để đánh giá tỷ lệ %OC (cacbon hữu tổng số) tỷ lệ % mùn OM (chất hữu tổng số = 1.72 x OC) so với đất khơ kiệt Giá trịcác tiêu cao đất tốt W.Siderius đánh giá hàm lượng chất hữu đất (phân tích theo Walkley-Black) theo tiêu chuẩn sau: Mức độ Rất giàu Giàu Trung bình Nghèo Rất nghèo OC (%) > 3.50 2.51 - 3.50 1.26 - 2.51 0.60 - 1.26 < 0.60 OM (%) > 6.0 4.3 - 6.0 2.3 - 4.3 1.0 - 2.2 < 1.0 Mùn > 8.0 4.0 - 8.0 2.0 - 4.0 1.0 - 2.0 < 1.0 Tổng hợp tiêu lý hóa học Bảng Xếp loại phản ứng đất (theo pHH2 O) Phản ứng đất Cực kỳ chua Rất chua Chua mạnh Chua trung bình Chua nhẹ pH 9.1 Bảng Dung tích hấp thụ (CEC), độ bão hòa bazơ đất (BS) Mức độ Rất cao Cao Trung bình Thấp Rất thấp CEC (1lđ/100g đất) >40 26 - 40 13 - 25 - 12 6.0 4.3 - 6.0 2.1 - 4.2 1.0 - 2.0 < 1.0 OC tổng số (%) > 3.5 2.51 - 3.5 1.26 - 2.5 0.6 - 1.25 < 0.6 N tổng số (%) > 0.3 0.226 - 0.3 0.126 - 0.225 0.05 - 0.125 < 0.05 C/N > 25 16 - 25 11 - 15 - 10 0.1 0.06 - 0.1 0.06 Bảng Hàm lượng đạm thủy phân Mức độ Giàu Trung bình Nghèo N thủy phân (mg/100g đất) >8 4-8 Bảng Hàm lượng kali dễ tiêu đất Mức độ Rất cao Cao Trung bình Thấp 2.3 K2O (mg/kg đất) >200 175 - 200 150 - 175 < 150 Kết áp dụng phương pháp phân tích chùm Khi phân tích số liệu, nhà thổ nhưỡng kỳ vọng rút số số tiêu biểu để phân tích, đánh giá Việc phân nhóm biến giúp ta biết biến có đặc trưng giống nhau, khác Từ rút kết luận có lợi cho việc nghiên cứu Do vậy, ta thử dùng phương pháp phân tích chùm để ghép biến vào số nhóm Bằng cách sử dụng loại khoảng cách khác khoảng cách Euclid, Euclid bình phương, Cosine, Tương quan Pearson, Chebychev, Block, Minkowski Customized SPSS Sau xem xét kết thấy tất loại khoảng cách khoảng cách Tương quan Pearson hợp lý Hình 2.5: Biểu diễn biến chia thành nhóm Cụ thể từ Hình2.5 ta thấy khơng gian biến chia làm nhóm Trong nhóm gồm biến pHH2 O, pHH Cl, Ca2+ , Mg2+ , K+ , BS, P2 O5 , K2 O, Fe2+, Fe3+, cat ba tầng, liên quan chủ yếu đến độ kiềm đất (độ pH, độ no bazơ (BS)), nhóm gồm biến Al3+, Set, Limon ba tầng, liên quan chủ yếu đến thành phần giới đất nhóm gồm biến Na+, OC, N, CEC ba tầng, liên quan chủ yếu đến chất hữu mùn đất (Nitơ, cacbon hữu tổng số (OC)) Tuy nhiên, ta thấy CEC đo độ kiềm đất cơng thức tính ngược lại với độ pH độ no bazơ nên lại bị đưa sang nhóm Như vậy, kết chưa thực hợp lý Ta thử phân tích chùm khơng gian biến cách thay biến CEC thành biến (-1)xCEC thấy kết hợp lý Cụ thể nhóm gồm biến pHH2 O , pHH Cl, Ca2+ , K+ , BS, CEC, P2O5, K2O, Fe2+, Fe3+, cat đặc trưng cho độ kiềm đất, nhóm gồm biến Al3+, Set, Limon coi liên quan đến thành phần giới đất nhóm gồm biến Na+, Mg2+, OC, N đặc trưng cho chất hữu mùn đất Hình 2.6: Biểu diễn biến chia thành nhóm thay CEC (-1)CEC Tuy nhiên, mục tiêu nhà thổ nhưỡng phân loại mẫu đất vùng khác xem xếp mẫu đất vào nhóm khác biệt để quy hoạch việc trồng trọt loại mẫu đất thích hợp Vì vậy, ta cố gắng xếp đối tượng mẫu số liệu thành mẫu đất có đặt tính sinh hóa, tính chất, địa hình khác để phục vụ cho canh tác Nên ta dùng phân tích chùm để chia đối tượng ta thành nhóm Bằng cách sử dụng khoảng cách Euclid bình phương với label xã, dùng ngưỡng cắt thích hợp chia đối tượng làm nhóm cụ thể nhóm gồm 76 đối tượng, nhóm gồm 12 đối tượng nhóm gồm đối tượng (Hình 2.7) Từ ta thấy rằng, việc phân chia nhóm chưa thực phù hợp với nhà phân tích, chưa giúp định hướng cho việc khai thác giá trị trồng trọt nhóm đất Có thể dùng biến ngun thủy số đo biến chưa thực giống có biến đo với đơn vị 1dl/100g, có biến lại đo với đơn vị mg/100g số biến khác lại biểu diễn dạng% Để khắc phục điều ta phân tích biến chuẩn hóa kết (Hình 2.8) Hình 2.7: Biểu diễn đối tượng chia thành nhóm Hình 2.8: Biểu diễn đối tượng biến chuẩn hóa Lại cắt ngưỡng chia làm nhóm ta thấy có tiên chưa tạo đồng tương đối số liệu Như vậy, phân tích chùm chưa đưa kết tương đối cho số liệu Nên ta chuyển sang dùng phương pháp phân tích thành phần 2.4 Kết áp dụng phương pháp phân tích thành phần Khi phân tích chùm không gian biến, chia tập biến làm nhóm biết nhóm có biến nào, có đặc trưng riêng nhóm Tuy nhiên, số lượng biến số liệu lớn theo lý thuyết thổ nhưỡng ta biết biến quan trọng đặc trưng riêng nhóm nhu cầu nghiên cứu chuyên ngành thổ nhưỡng Mặt khác, người ta khơng thể phân tích chi tiết theo biến một, khơng tập trung vào trọng tâm cần nghiên cứu Để khắc phục nhược điểm đó, ta dùng phương pháp phân tích thành phần khơng gian biến để rút gọn số liệu, tổng hợp từ nhiều biến nguyên thủy số biến quan trọng nhất, đại diện cho nhóm biến từ chia nhóm đối tượng cách rõ ràng dễ diễn giải Đưa 57 biến từ pHH2OT đến CatT3 vào để phân tích thành phần Vì biến đo với đơn vị khác nên ta dùng ma trận tương quan Ta kết sau Hình 2.9: Biểu diễn thành phần Hình 2.10: Tỉ lệ biến động thành phần Nhìn vào đồ thị 2.10, ta thấy độ biến động chủ yếu bốn thành phần cung cấp, bốn thành phần chứa đến 58% độ biến động Trong thành phần thứ chứa 32% độ biến động, thành phần thứ hai chứa 11% độ biến động, thành phần thứ ba chứa 8% độ biến động thành phần thứ tư chứa 7% độ biến động Ta thấy rằng, độ biến động không biến đổi đáng kể từ thành phần thứ năm trở sau Mặc dù hai thành phần chứa < 50% số lượng thành phần lớn thành phần phía sau có tỉ lệ biến động thay đổi chậm với giá trịrất nhỏ nên ta tập trung xét đến hai thành phần Để thấy rõ ý nghĩa thành phần ta xem xét ma trận hệ số tương quan sau: Dựa vào ma trận hệ số tương quan ta thấy rằng: +) Thành phần thứ chủ yếu liên quan đến pHH2 O , pHKCl , BS với hệ số tương quan tương ứng 0.872, 0.757, 0.734 tấng một, tương ứng 0.918, 0.897, 0.909 tầng hai tương ứng 0.891, 0.884, 0.893 tầng ba Ngồi cịn liên quan đến Ca2+, Mg2+, K2O, P2O5, Fe2+ Fe3+ Như vậy, Hình 2.11: Ma trận hệ số tương quan coi thành phần thứ liên quan chủ yếu đến độ kiềm đất ta gọi thành phần thành phần độ kiềm +) Thành phần thứ hai liên quan chủ yếu đến OC, N với hệ số tương quan tương ứng 0.737, 0.722 tầng một, tương ứng 0.349, 0.380 tầng hai tương ứng 0.368, 0.340 tầng ba Ngồi cịn liên quan đến Ca2+, Mg2+ cat Như vậy, coi thành phần thứ hai liên quan đến hàm lượng chất hữu nitơ đất gọi thành phần chất hữu Ở ta biết đặc trưng hai thành phần Để biết mối quan hệ chúng từ phân tích số liệu ta biểu diễn đối tượng mặt phẳng sau: Các đối tượng phân nhóm rõ ràng, cụm lại thành nhóm Từ mặt phẳng ta thấy rằng, chia khơng gian đối tượng làm ba nhóm khác đó: Nhóm thứ có thành phần độ kiềm lớn 0.8 thành phần chất hữu nhỏ Nhóm thứ hai có thành phần độ kiềm nhỏ 0.8 thành phần chất hữu lớn Nhóm thứ ba có thành phần độ kiềm nhỏ 0.8 thành phần chất hữu nhỏ Đối chiếu cách phân nhóm với bảng số liệu gốc ta thấy Hình 2.12: Biểu diễn đối tượng mặt phẳng vùng đất xã thường nằm nhóm, "mẫu" nằm vào nhóm khác so với mẫu đất xã mẫu điều tra độ dốc khác so với mẫu đất Trong ba nhóm đất kể trên, nhóm bao gồm mẫu đất có phẫu diện với đặc điểm chung điều tra địa hình E2 trạng thái mặt đất ẩm ướt xói mịn ít, thực vật tự nhiên chủ yếu cỏ, đồng thời lúa trồng chủ yếu khu vực Nhóm bao gồm mẫu đất có phẫu diện với đặc điểm chung điều tra địa hình vàn, E2 trạng thái mặt đất khơ xói mịn mạnh, thực vật tự nhiên chủ yếu mua, tè, trồng trọt chủ yếu khu vực lúa bạch đàn Nhóm bao gồm mẫu đất có phẫu diện với đặc điểm chung điều tra địa hình E2 trạng thái mặt đất ẩm xói mịn trung bình, thực vật tự nhiên chủ yếu bụi, cỏ, trồng trọt chủ yếu lúa, chè bạch đàn Khi chia nhóm hai phương pháp ta thấy rằng, dùng phân tích chùm để chia nhóm hầu hết đối tượng xếp vào nhóm 1, nhóm nhóm chứa đối tượng việc phân nhóm phương pháp phân tích chùm khơng cho kết hợp lý Trong đó, ta dùng phương pháp phân tích thành phần hai thành phần thứ thứ hai để chia nhóm đối tượng ta chia mẫu đất thành ba nhóm có số lượng tương đối đồng Mặt khác, dựa vào ý nghĩa thành phần để diễn giải đặc tính riêng nhóm Mặc dù nhóm đất có đặc điểm sinh hóa khác độ kiềm, thành phần hữu sử dụng để trồng lúa chủ yếu Như vậy, cần phải xác định chế độ canh tác riêng, phù hợp cho nhóm đất để có thu hoạch lớn Chẳng hạn, nhóm 1, nhóm có độ kiềm tương đối cao để nâng cao suất lúa cần tập trung vào việc bổ sung thêm thành phần hữu cho đất Đối với nhóm 2, nhóm có thành phần hữu cao nên phải cải tạo đất tập trung vào việc giảm độ chua Đối với nhóm 3, nhóm có độ kiềm tương đối nhỏ đồng thời thành phần hữu nên phải đồng thời có tác động để giảm độ chua đất dùng phân hữu cơ, phân chuồng để tăng cường chất hữu cho đất KẾT LUẬN Mặc dù luận văn chưa đưa kết chuyên sâu phân tích thổ nhưỡng huyện Thanh Ba - Phú Thọ, luận văn làm số vấn đề sau: • Luận văn trình bày chi tiết khái niệm mở đầu phân tích chùm phân tích thành phần Các ví dụ phần mở đầu cho thấy kỹ thuật có ứng dụng rỗng rãi nhiều lĩnh vực khác để phân tích diệu • Luận văn áp dụng cơng cụ kể để phân tích thổ nhưỡng đất trồng trọt huyện Thanh Ba - Phú Thọ, đưa số kết có tính thực hành cao • Luận văn việc tính tốn tay khơng khả thi thực tập liệu lớn, việc sử dụng phần mềm SPSS tương đương cần thiết Vì luận văn có trình bày mức độ thao tác cần thực SPSS • Hướng nghiên cứu tiếp sử dụng phương pháp trình bày để nghiên cứu thổ nhưỡng khu vực rộng hơn, nhiều tỉnh Có thể giúp cho công tác quy hoạch đất nông nghiệp Tài liệu tham khảo [1] Bộ môn khoa học đất trường Đại học Nơng Nghiệp Hà Nội (2006), Giáo trình Thổ Nhưỡng học, Nxb Nông Nghiệp, Hà Nội [2] Hội khoa học đất Việt Nam (1999), Sổ tay điều tra phân loại đánh giá đất, Nxb Nông Nghiệp, Hà Nội [3] Nguyễn Đình Hiền (2008), Xử lý thống kê nhiều chiều ứng dụng Nông Nghiệp, Nxb Nông Nghiệp, Hà Nội [4] Nguyễn Văn Hữu, Nguyên Hữu Dư (2003), Phân tích thống kê dự báo, Nxb Đại học Quốc Gia Hà Nội [5] Joseph F Hair Jr., Rolph E Anderson, Ronald L Tatham, William C Black (1992), Multivariate Data Analysis with Reading, Macmillan Publishing Company New York 60 ...NGUYỄN THỊ HUYỀN PHÂN TÍCH THỐNG KÊ THỔ NHƯỠNG ĐẤT TRỒNG TRỌT CỦA HUYỆN THANH BA – PHÚ THỌ Chuyên ngành: Mã số: Lý thuyết xác suất thống kê toán học 60 46 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI... phép luận văn Thạc sĩ, mục tiêu luận văn tìm hiểu, hệ thống lại kiến thức có liên quan đến Phân tích chùm, Phân tích thành phần góc độ sở tốn học ứng dụng từ phân tích số liệu cụ thể Luận văn. .. dựa mẫu 36 1.3.4 Các kết luận thống kê dựa mẫu lớn 38 Ứng dụng phân tích thổ nhưỡng đất trồng trọt huyện Thanh Ba - Phú Thọ 40 2.1 Phần mềm trợ giúp việc tính tốn .40 2.1.1 Giới thiệu