黑龍江克山縣耕地肥力要素多元分析

吳會(huì)軍，張淑香*，任 意

（1．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2．全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，北京 100026）

土壤肥力是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要制約因素之一，充分了解土壤肥力要素，特別是養(yǎng)分元素特征是合理調(diào)控土壤肥力和實(shí)施精準(zhǔn)施肥的基礎(chǔ)。東北黑土區(qū)是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，黑土是黑龍江、吉林兩省的重要土壤資源，土地肥沃、理化性質(zhì)較好［1］，但近年來由于人為和自然原因?qū)е峦寥婪柿λ较陆担r(nóng)田土壤退化較為嚴(yán)重［2］。克山縣地處黑龍江典型黑土帶，是重要的糧食產(chǎn)區(qū)。為更有效地培肥地力，實(shí)現(xiàn)合理耕作，首先必須對黑土的肥力狀況有一個(gè)客觀的認(rèn)識(shí)，正確評價(jià)土壤肥力可為合理規(guī)劃、開發(fā)土壤資源、進(jìn)行科學(xué)施肥、合理種植以及提高水土資源利用效率提供科學(xué)的依據(jù)。了解耕地土壤肥力狀況，并在此基礎(chǔ)上通過有針對性技術(shù)措施，對于改善農(nóng)田管理，提高耕地綜合生產(chǎn)能力具有重要意義，也是實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，保障國家糧食安全，保障土地資源安全的重要途徑。

土壤肥力變化評價(jià)研究一直是國內(nèi)外科學(xué)家研究的熱點(diǎn)問題［3］，諸多學(xué)者分別從不同角度，在不同區(qū)域，采用不同方法對土壤肥力變化進(jìn)行了分析和研究［4］。在對土壤肥力的評價(jià)方法中，定量數(shù)學(xué)方法倍受研究者重視，除利用原始變量作為評價(jià)指標(biāo)外，還可以利用主成分分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法［5-6］，通過降維而僅用少數(shù)幾個(gè)綜合變量來替代多個(gè)原始變量，還可以采用相關(guān)分析、聚類分析［7］，灰色關(guān)聯(lián)模型［8-10］等方法從全部評價(jià)指標(biāo)中選取最終的參評指標(biāo)。有效地避免了評價(jià)者的主觀影響，提高了土地評價(jià)的精度［11］。

縣域是農(nóng)業(yè)基層管理和技術(shù)推廣的基本單位，許多研究［12-16］在縣域尺度了解土壤肥料狀況，王大偉等［17］采用聚類法對新疆阿勒泰市耕地質(zhì)量進(jìn)行了差異分析，以縣域?yàn)檠芯繂卧叨?，采用現(xiàn)代多元統(tǒng)計(jì)方法，對縣域農(nóng)田土壤肥力進(jìn)行綜合評價(jià)，對于提升基層農(nóng)技服務(wù)具有重要意義。

本研究基于克山縣2010年測土配方施肥項(xiàng)目數(shù)據(jù)，選取農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀和pH值等肥力要素作為研究區(qū)土壤肥力質(zhì)量的分析性指標(biāo)，采用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)和現(xiàn)代多元統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，分析克山縣農(nóng)田土壤肥力質(zhì)量特征，對各鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行聚類分析，并提出相關(guān)建議。以期為當(dāng)?shù)赝寥鲤B(yǎng)分管理、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和耕地保護(hù)提出合理化建議。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

克山縣地處黑龍江省西北部，位于小興安嶺南緣，松嫩平原腹地。地理坐標(biāo)在 E125°10′～ 126°8′，N47°50′～ 48°33′。隸屬于齊齊哈爾市?？偯娣e為3 186.2 km2，屬寒溫帶大陸季風(fēng)氣候，年平均氣溫2.4℃，有效積溫2 400℃，無霜期122 d左右，雨熱同季，降雨集中在6、7、8月份，年平均降水量500 mm左右。地貌類型主要為丘陵漫崗平原。整體趨勢東北部地勢高，北部、中部為丘陵漫崗區(qū)，地形起伏變化大，南部是沖積平原，地勢平坦，是重要商品糧基地縣。

1.2 樣品采集與分析

本研究數(shù)據(jù)采用農(nóng)業(yè)部測土配方克山縣數(shù)據(jù)。土壤樣品測定包括土壤pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀等指標(biāo)，分別采用電位法、外加熱重鉻酸鉀容量法、1.0 mol/L NaOH擴(kuò)散法、0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法和1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

由于數(shù)據(jù)量大，為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，采用拉依達(dá)法即3倍方差法對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選。采用描述性統(tǒng)計(jì)分析和主成分分析、聚類分析等多元數(shù)據(jù)分析技術(shù)，多元統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，先對數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)算，得到無量綱數(shù)據(jù)再進(jìn)行后續(xù)分析，運(yùn)用R語言進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析

土壤養(yǎng)分含量是土壤肥力狀況的重要標(biāo)志。pH值是土壤的基本屬性，也是影響土壤養(yǎng)分的重要因子。土壤養(yǎng)分一般用全量和有效量來評價(jià)，其中某項(xiàng)養(yǎng)分的全量表示供應(yīng)該項(xiàng)養(yǎng)分潛力的大小，而有效養(yǎng)分水平是土壤對作物養(yǎng)分的供應(yīng)能力。研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀養(yǎng)分的速效和全量含量，鐵、錳、鋅、銅微量元素有效養(yǎng)分含量等13項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征見表1。從土壤肥力指標(biāo)的平均值來看，克山縣耕地土壤有機(jī)質(zhì)均值為44.32 g/kg，變化范圍為67.90～30.10 g/kg。全氮均值為1.82 g/kg，變化范圍為2.58～1.26 g/kg。土壤堿解氮均值為159.91 mg/kg，變化范圍為389.30～104.90 mg/kg。土壤有效磷均值為29.05 mg/kg，變化范圍為59.20～12.50 mg/kg。土壤速效鉀均值為184.56 mg/kg，變化范圍為305.0～107.0 mg/kg。

表1 土壤肥力指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)

從土壤肥力指標(biāo)的變異系數(shù)來看，變異系數(shù)均介于3.86%～49.57%，屬于中等變異，其中有效鋅變異系數(shù)最大，微量元素含量變異系數(shù)相對較大，大量元素含量相對較小，pH值和容重變異系數(shù)最小。偏度系數(shù)是描述數(shù)據(jù)對稱性指標(biāo)，均值對稱數(shù)據(jù)偏度系數(shù)為0，右側(cè)分散數(shù)據(jù)其偏度系數(shù)為正，左側(cè)分散數(shù)據(jù)偏度系數(shù)為負(fù)。pH值偏度系數(shù)為負(fù)，左側(cè)數(shù)據(jù)更分散，而其他肥力指標(biāo)數(shù)據(jù)偏度系數(shù)為正，右側(cè)數(shù)據(jù)更分散，其中有效鋅數(shù)據(jù)右側(cè)分散度最高。數(shù)據(jù)分布為正態(tài)分布時(shí)，峰度系數(shù)近似為0，當(dāng)數(shù)據(jù)分布較正態(tài)分布的尾部更分散時(shí)，峰度系數(shù)為正，否則為負(fù)。有效銅、有效鐵、有效錳含量數(shù)據(jù)峰度系數(shù)為負(fù)值。

2.2 主成分分析

主成分分析（PCA，principal component analysis）是一種數(shù)學(xué)降維方法，主要利用正交變換把一系列可能線性相關(guān)的變量轉(zhuǎn)換為一組線性不相關(guān)的新變量，從而利用新變量在更小的維度下展示數(shù)據(jù)的特征。因此，利用主成分分析土壤肥力質(zhì)量是一種有效可行的方法。通過主成分方法進(jìn)行數(shù)據(jù)降維后，克山土壤肥力數(shù)據(jù)第1～6主成分對于總方差的貢獻(xiàn)率之和達(dá)到64.1%，即前6個(gè)主成分能把土壤全部指標(biāo)提供信息的64.1%反映出來（表2）。在第1主成分中土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、全磷、有效鐵載荷在3.4～1.4之間，解釋了大部分變異；在第2主成分中有效銅、有效鐵、堿解氮和有效錳占有較大負(fù)因子負(fù)荷。在第3主成分中有效錳、有效鋅、速效鉀和堿解氮占有較大因子負(fù)荷。

表2 土壤肥力指標(biāo)主成分分析因子載荷表

按照不同土類劃分主成分分析（圖1），暗棕壤、黑土和草甸土位于第一象限，具有相似的土壤肥力性質(zhì)，與有機(jī)質(zhì)、全氮和全鉀含量相關(guān)性高。黑鈣土與第一主成分顯著正相關(guān)，與有效磷和有效銅關(guān)系相關(guān)性高。沼澤土與第一和第二主成分呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與堿解氮和全磷關(guān)系相關(guān)性高。

圖1 不同土類主成分分析得分圖

2.3 聚類分析

系統(tǒng)聚類是常用的變量聚類方法，通過各種距離統(tǒng)計(jì)量描述各變量間的相似程度，從而根據(jù)一定的準(zhǔn)則對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。本研究根據(jù)不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤肥力差異進(jìn)行聚類分析（圖2），通過平均距離法聚類，不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)聚類分為3大類。向華鄉(xiāng)、曙光鄉(xiāng)、北聯(lián)鎮(zhèn)和西建鄉(xiāng)歸為第一大類，主要位于克山縣的中北部地區(qū)，古城鎮(zhèn)、古北鄉(xiāng)和西河鎮(zhèn)歸為第二大類，主要位于克山縣中南部，而發(fā)展鄉(xiāng)和西聯(lián)鄉(xiāng)，以及雙河鄉(xiāng)和河南鄉(xiāng)歸為第三大類。

圖2 鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤肥力聚類分析

3 討論

維持和提高土壤肥力和生產(chǎn)力是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的中心任務(wù)［18］。土壤肥力受土壤母質(zhì)、氣候、地形、人類活動(dòng)等影響，農(nóng)田土壤的養(yǎng)分狀況具有明顯時(shí)空特性。如何有效分析評價(jià)土壤肥力特性是優(yōu)化農(nóng)田管理的重要方法基礎(chǔ)。

近年來聚類分析、因子分析、主成分分析等方法是被用于土壤質(zhì)量綜合評價(jià)的常用方法［19-21］。主成分分析方法是土壤質(zhì)量定量評價(jià)中應(yīng)用最為廣泛的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，可以充分挖掘、提取監(jiān)測土壤數(shù)據(jù)信息，客觀準(zhǔn)確地篩選出土壤屬性的變異性，從復(fù)雜的土壤肥力因子中提煉出綜合規(guī)律，得出客觀和細(xì)致的結(jié)論，方法比較簡單，具有實(shí)用性。本論文運(yùn)用主成分分析土壤肥力，計(jì)算得到不同土類土壤主成分得分和綜合得分，有效解析了克山土壤肥力的主要要素特征及各個(gè)肥力指標(biāo)的載荷特征。以鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元采用平均距離法進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，能夠有效呈現(xiàn)各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)肥力差異大小，結(jié)果將為科學(xué)進(jìn)行土壤培肥及土壤可持續(xù)利用提供重要的理論依據(jù)。聚類分析可以把具有相似肥力特性的行政單元進(jìn)行分類指導(dǎo)管理。

把克山縣土壤肥力要素指標(biāo)與土壤肥力分級(jí)表格對比綜合判斷，該區(qū)域處于黑土帶中部，屬中層黑土，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效磷等養(yǎng)分含量屬于中等水平，處于第三積溫帶，年降水量為500～600 mm，都屬于中間水平［4，22］，在農(nóng)田管理中應(yīng)該大力推廣秸稈直接還田技術(shù)，充分利用當(dāng)?shù)亟斩捹Y源，補(bǔ)充、更新和提高土壤有機(jī)質(zhì)，化肥施用應(yīng)注意磷鉀肥和微量元素肥料的施用，有條件的地方增施有機(jī)肥，實(shí)現(xiàn)有機(jī)無機(jī)肥料的配合施用，較好地協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)環(huán)境效益三者關(guān)系。土壤肥力特性在不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)表現(xiàn)出區(qū)域差異和相關(guān)性，主要是因?yàn)橥寥婪柿κ芡寥莱赏聊纲|(zhì)的影響，及在農(nóng)民進(jìn)行田間管理時(shí)農(nóng)戶間相互影響造成。

4 結(jié)論

通過描述性統(tǒng)計(jì)，主成分分析，聚類數(shù)據(jù)分析克山縣土壤肥力，是一種有效的土壤肥力評價(jià)方法。在理論上為克山縣土壤等級(jí)劃分提供了依據(jù)，為進(jìn)一步精準(zhǔn)施肥提供了決策支持依據(jù)。

克山縣土壤肥力屬中等水平，農(nóng)田土壤的pH值平均為6.53，有機(jī)質(zhì)含量平均為44.32 g/kg，堿解氮含量平均為195.91 mg/kg，有效磷含量平均為29.05 mg/kg，速效鉀含量平均為184.56 mg/kg。建議今后在作物種植過程中大力推廣科學(xué)施肥技術(shù)，重視有機(jī)肥與化肥配施，適當(dāng)控制氮、磷肥施用，推進(jìn)秸稈還田，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤肥力提高和作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。