基于主成分和聚類分析的丹江口水源區(qū)農(nóng)田土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)
——以淅川縣為例

張 君，蔡德寶，楊樹瓊，陳秀文，陳吉寶

(1.河南省南水北調(diào)中線水源區(qū)生態(tài)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 南陽(yáng) 473061；2.南陽(yáng)師范學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473061)

土壤是植物生長(zhǎng)的重要載體，土壤肥力的高低直接影響植物的生長(zhǎng)，是土壤各方面性質(zhì)的綜合反映[1]。其中，土壤養(yǎng)分是評(píng)價(jià)土壤肥力質(zhì)量的重要指標(biāo)[2]。土壤肥力作為土壤質(zhì)量的本質(zhì)特性及核心基礎(chǔ)，與養(yǎng)分狀況密切相關(guān)，受到作物生產(chǎn)量、肥料投入量、耕種、自然環(huán)境等因素的影響，始終處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)[3]，良好的土壤肥力狀況是精準(zhǔn)施肥、獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)作物的先決條件。土壤肥力評(píng)價(jià)為科學(xué)施肥、調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、減少養(yǎng)護(hù)資源浪費(fèi)等方面提供決策性理論依據(jù)[4-5]。

目前，土壤肥力評(píng)價(jià)主要采用養(yǎng)分等級(jí)評(píng)價(jià)法[6]和綜合評(píng)價(jià)法[7-8]。土壤養(yǎng)分等級(jí)評(píng)價(jià)法主要參考已制定的養(yǎng)分等級(jí)進(jìn)行土壤養(yǎng)分虧缺評(píng)定，為精準(zhǔn)施肥提供一定的參考依據(jù)，但不能充分反映土壤養(yǎng)分的綜合狀況及主要影響因子。土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)法主要有主成分分析(PCA)、聚類分析、因子分析、指數(shù)分析和模糊數(shù)學(xué)等方法[9-11]。其中，PCA、聚類分析、因子分析法等都是常用的土壤肥力綜合評(píng)價(jià)方法，定量研究土壤肥力水平高低已成為土壤肥力水平研究的主要趨勢(shì)。

丹江口庫(kù)區(qū)是我國(guó)南水北調(diào)中線工程源頭，是生態(tài)功能和生態(tài)環(huán)境的重要區(qū)域，更是水土流失重點(diǎn)防治區(qū)[12]。該區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)較為特殊的環(huán)境生態(tài)體系，農(nóng)田耕地以坡耕地為主，由于南水北調(diào)中線工程水源地的區(qū)位重要性和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展落后形成的矛盾日益突出，頻繁的耕作以及肥料的不合理施用均導(dǎo)致庫(kù)區(qū)耕地水土流失嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致庫(kù)區(qū)支流、庫(kù)灣水體水質(zhì)逐步惡化[13]?；诖?，對(duì)丹江口水源區(qū)淅川縣農(nóng)田土壤進(jìn)行調(diào)研和數(shù)據(jù)采集，通過(guò)對(duì)農(nóng)田土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量等養(yǎng)分狀況進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)，結(jié)合PCA -聚類分析法，科學(xué)分析該區(qū)的土壤肥力質(zhì)量，以期為丹江口水源區(qū)淅川縣農(nóng)田土壤合理施肥提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

淅川縣位于河南省西南部，與陜西省、湖北省相鄰，北緯32°55′～33°23′，東經(jīng)110°58′～111°53′，是南水北調(diào)中線工程主要淹沒(méi)區(qū)，是渠首工程和干線工程所在地。境內(nèi)海拔最高1 086 m，最低120 m，平均海拔567.67 m。淅川縣氣候溫和，資源豐富。屬于北亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡的季風(fēng)性氣候，四季分明，雨量充沛，年均日照時(shí)間1 881.5 h，降水量802.9 mm，氣溫15.7 ℃，無(wú)霜期最長(zhǎng)263 d、最短208 d。全縣國(guó)土面積28.2萬(wàn)hm2，其中，耕地面積6.8 hm2，南水北調(diào)中線核心水源區(qū)面積2 616 hm2。

1.2 土壤樣品采集

將丹江口水源區(qū)淅川縣基本農(nóng)田示意圖及土地利用現(xiàn)狀圖疊加產(chǎn)生的衛(wèi)星圖作為土壤耕地調(diào)查的基本單元，根據(jù)耕地調(diào)查面積確定采樣點(diǎn)數(shù)量為160個(gè)， 2018年9—10月于作物收獲后、秋冬施肥前采樣，采樣點(diǎn)為傳統(tǒng)耕作方式，施肥主要為復(fù)合肥單施或與有機(jī)肥混施。選定具有代表性的田塊，按照S形多點(diǎn)采樣方法進(jìn)行表層(0～20 cm)土壤取樣，選取5個(gè)土壤采樣點(diǎn)，去除土壤樣本中的石礫和生物殘?bào)w及根葉碎屑等，將土壤樣品充分混合后按四分法取近1.0 kg土壤樣品裝入自封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定，土壤樣品總計(jì)160份。

1.3 土壤樣品處理及指標(biāo)測(cè)定

將采回的土壤樣品放在潔凈的儲(chǔ)藏室內(nèi)，并鋪成薄層于樣品盤上，室內(nèi)通風(fēng)陰涼，避免陽(yáng)光暴曬，同時(shí)要嚴(yán)防樣品被其他物質(zhì)污染；將風(fēng)干后的土樣用木棍搗碎、磨碎，過(guò)2 mm孔徑的土壤篩，然后將土壤樣品保存于自封袋中備用，并做好標(biāo)簽等標(biāo)記。

土壤理化性質(zhì)指標(biāo)主要包括土壤pH值、有機(jī)質(zhì)(OM)含量、全氮(TN)含量、全磷(TP)含量、全鉀(TK)含量、堿解氮(AN)含量、有效磷(AP)含量7個(gè)。其中，土壤pH值采用水浸提電位法(質(zhì)量比，水∶土為2.5∶1)測(cè)定；土壤OM含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；土壤TN含量采用H2SO4消煮—?jiǎng)P氏定氮法測(cè)定；土壤TP含量采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤TK含量采用NaOH熔融—火焰光度計(jì)法測(cè)定；土壤AN含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤AP含量采用碳酸氫鈉浸提—鋁銻抗比色法測(cè)定[14]。

1.4 土壤pH值劃分與常規(guī)土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

在河南省第二次土壤普查的基礎(chǔ)上[15]，對(duì)淅川縣土壤pH值及土壤養(yǎng)分等級(jí)做出新的劃分，表1、2的標(biāo)準(zhǔn)適用于淅川縣的土壤等級(jí)劃分。

表1 土壤pH值等級(jí)劃分狀況

表2 土壤養(yǎng)分含量等級(jí)劃分狀況Tab.2 Classification status of soil nutrient content

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用因子分析中PCA法和系統(tǒng)聚類分析，對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。PCA 法是利用降維的思想，把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)因子作分析的一種多元統(tǒng)計(jì)方法[16]。首先經(jīng)過(guò)KMO和Bartlett球形度檢驗(yàn)，Bartlett球形度檢驗(yàn)的相伴概率P<0.05，可采用SPSS軟件通過(guò)因子分析，確定參評(píng)土壤指標(biāo)主成分特征值和特征向量，根據(jù)特征值>1選為關(guān)鍵主成分，計(jì)算各主成分得分，再利用綜合得分公式求出各樣點(diǎn)土壤肥力綜合分值(IFI)。再根據(jù)IFI值，采用類平均法對(duì)土壤樣品進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析[17]。IFI值采用指數(shù)和法，即：

(1)

IFI簡(jiǎn)化為IFI=λ1F1+λ2F2+…+λmFm。式中：IFI表示綜合得分值，λ表示對(duì)應(yīng)因子的貢獻(xiàn)率，F(xiàn)表示對(duì)應(yīng)因子。

原始數(shù)據(jù)整理與養(yǎng)分等級(jí)評(píng)價(jià)：運(yùn)用Excel 2016進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，SPSS 19.0軟件進(jìn)行K-S檢驗(yàn)和方差分析，檢驗(yàn)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，對(duì)不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，直至符合正態(tài)分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計(jì)

農(nóng)田土壤養(yǎng)分統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表3，淅川縣農(nóng)田土壤的pH值介于4.32～8.71，平均pH值為6.60。參考河南省第二次土壤普查結(jié)果(表1)可知，pH值在5.5～6.5的酸性土壤農(nóng)田占48%，淅川縣土壤主要屬于酸性土壤，變異系數(shù)17.7%，屬于中等變異。表層土壤中OM含量差異較大，為3.99～48.02 g/kg，平均含量為16.96 g/kg，變異系數(shù)35.7%，根據(jù)普查結(jié)果顯示，OM含量屬于中下水平(表2)。土壤的TN、TP、TK的平均含量依次為1.22、0.50、16.21 g/kg。其中，TN、NK含量屬于中上水平，TP含量屬于中下水平。AN、AP平均含量分別為59.20、9.45 mg/kg。土壤養(yǎng)分含量的變異系數(shù)為16.5%～63.3%，呈中等變異。

農(nóng)田土壤pH值差異較大且土壤中有效養(yǎng)分含量也存在同樣趨勢(shì)。其中，AP含量平均為9.45 mg/kg，變異系數(shù)為63.3%，在土壤養(yǎng)分各指標(biāo)中，變異系數(shù)最大，其次是AN含量，差異較大，這說(shuō)明受人類活動(dòng)和土壤酸堿性的影響較大。土壤各養(yǎng)分指標(biāo)中除TN和AP含量中位值高于平均值外，其余指標(biāo)均低于平均值，從K-S檢驗(yàn)和分布類型來(lái)看(表3、圖1)，pH值、OM含量、TN含量、TP含量和AN含量均符合正態(tài)分布，樣本數(shù)量為160份，而TK含量、AP含量樣本中剔除異常值后呈現(xiàn)正態(tài)分布，樣本數(shù)分別為156、141份。TK含量偏度為-1.020，為負(fù)值，呈現(xiàn)左偏正態(tài)分布；pH值、OM含量、TN含量、TP含量、AN含量、AP含量偏度依次為0.060、0.995、0.910、1.733、0.984、2.309，呈現(xiàn)右偏正態(tài)分布。

表3 土壤養(yǎng)分指標(biāo)

圖1 土壤pH值和養(yǎng)分含量頻率Fig.1 The frequencies of pH value and nutrients contents in soil

2.2 農(nóng)田土壤養(yǎng)分指標(biāo)的相關(guān)性分析

土壤各養(yǎng)分指標(biāo)存在一定程度的相關(guān)性是進(jìn)行主成分分析的重要前提。因此，在進(jìn)行主成分分析前，先對(duì)土壤各養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析(表4)，通過(guò)對(duì)土壤各養(yǎng)分指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)采用描述性統(tǒng)計(jì)得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，計(jì)算其相關(guān)系數(shù)，其中，農(nóng)田土壤中的OM含量與TN含量、AN含量表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)與TP含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，TN含量與TK含量和AN含量分別存在顯著和極顯著的正相關(guān)關(guān)系，TP含量與AN含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，AN含量與AP含量也呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)。經(jīng)過(guò)KMO和Bartlett球形度檢驗(yàn)，KMO值為0.573，Bartlett球形度檢驗(yàn)的相伴概率P<0.05，進(jìn)一步說(shuō)明農(nóng)田土壤各養(yǎng)分指標(biāo)存在相關(guān)性。因此，采用PCA分析法評(píng)價(jià)土壤養(yǎng)分質(zhì)量較為合適。

表4 農(nóng)田土壤各養(yǎng)分指標(biāo)Pearson相關(guān)性分析Tab.4 Pearson correlation analysis of various nutrient indexes in farmland soil

2.3 農(nóng)田土壤養(yǎng)分PCA分析

基于相關(guān)性分析，對(duì)土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行PCA分析(表5)，根據(jù)特征值大于1的原則，選出2個(gè)主成分，2個(gè)主成分的特征值分別為2.549和1.181，貢獻(xiàn)率分別為36.414%和16.875%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為53.289%，特征值之和為3.730，說(shuō)明選取的2個(gè)新公因子可以反映土壤養(yǎng)分情況。

主成分因子載荷是主成分因子與原始變量因子之間的相關(guān)系數(shù)，土壤質(zhì)量中OM、TN、AN含量在第一主分上的載荷值較高，且均為正向負(fù)荷，載荷值分別為0.873、0.811、0.763(表6)，這說(shuō)明土壤養(yǎng)分指標(biāo)中OM含量、TN含量、AN含量與第一主成分之間相關(guān)性較高，即在一定范圍內(nèi)，土壤OM含量、氮含量越高，表明土壤綜合肥力越好；土壤pH值在第二主成分上的載荷值為0.692，是正向負(fù)荷，說(shuō)明第二主成分主要表征土壤pH值。因此，以x1～x7分別表示農(nóng)田土壤養(yǎng)分肥力指標(biāo)，根據(jù)主成分分析得出2個(gè)主成分表達(dá)式：Z1=-0.015x1+0.547x2+0.508x3+0.284x4+0.148x5+0.422x6+0.403x7；Z2=0.637x1-0.070x2-0.121x3+0.458x4+0.538x5-0.272x6+0.035x7。式中的x1～x7為標(biāo)準(zhǔn)化的pH值、OM含量、TN含量、TP含量、TK含量、AN含量和AP含量。再根據(jù)公式(1)可計(jì)算出各土壤的IFI值，本研究中具體模型為IFI=0.375×F1+0.197×F2。

表5 土壤養(yǎng)分PCA的特征值與方差貢獻(xiàn)率Tab.5 Characteristic value and variance contribution rate of soil nutrients PCA

表6 土壤養(yǎng)分指標(biāo)的主成分載荷矩陣Tab.6 Soil nutrient factor PCA load matrix

2.4 農(nóng)田土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

將160個(gè)采樣點(diǎn)的樣本分為3個(gè)等級(jí)，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)，分別代表土壤肥力高、中、低3個(gè)等級(jí)(表7)?？傮w來(lái)說(shuō)，淅川縣農(nóng)田土壤肥力主要集中在中等級(jí)別，樣本數(shù)為90個(gè)，占總樣本數(shù)的56.25%，其次是低等級(jí)，樣本數(shù)占總樣本數(shù)的38.75%，高等級(jí)土壤肥力樣本數(shù)最少，僅占總樣本數(shù)的5.00%，說(shuō)明農(nóng)田土壤肥力處于中下水平；對(duì)于IFI變幅而言，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)的IFI變幅依次為20.87～30.86、13.93～20.67、6.78～13.75，且3個(gè)等級(jí)的變異系數(shù)為10%～19%。

表7 土壤肥力IFI統(tǒng)計(jì)描述分析Tab.7 The statistical desripiton of comprehensive soil fertility IFI

3 結(jié)論與討論

土壤肥力評(píng)價(jià)是根據(jù)土壤肥力各指標(biāo)、特性的數(shù)量和質(zhì)量對(duì)土壤肥力綜合水平的評(píng)定[18]，它既是獲取土壤質(zhì)量狀況的重要手段，又是農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)和土地利用規(guī)劃中一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作，可為土地合理利用提供科學(xué)依據(jù)[19]。參照河南省第二次土壤普查的土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，丹江口水源區(qū)淅川縣農(nóng)田土壤pH值5.5～6.5，土壤OM含量處于中下水平，土壤TN含量、TP含量、TK含量的平均值分別為1.22、0.50、16.21 g/kg，處于中等水平，但土壤AN含量、AP含量平均值分別為59.20、9.45 mg/kg，處于缺乏或中低水平。從土壤養(yǎng)分指標(biāo)的變異系數(shù)方面來(lái)看，變異系數(shù)為16.5%～63.3%，屬于中等變異，除TP含量外，土壤的TN含量、TK含量變異系數(shù)相對(duì)較小，說(shuō)明土壤全量養(yǎng)分含量比較穩(wěn)定，不易受外界環(huán)境的干擾和影響，對(duì)于土壤有效養(yǎng)分來(lái)說(shuō)，AP含量的變異系數(shù)相對(duì)較大，這說(shuō)明土壤有效養(yǎng)分含量受人為因素干擾影響較大。

近年來(lái)，聚類分析、因子分析、PCA法常用來(lái)進(jìn)行土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)[18-20]。PCA可以對(duì)多個(gè)因素進(jìn)行降維分析，抽取主成分，并賦予不同主成分不同的得分，被廣泛用于多項(xiàng)指標(biāo)體系的綜合評(píng)價(jià)。土壤PCA常用于肥力質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)[21]。本研究采用PCA和聚類分析將丹江口水源區(qū)淅川縣農(nóng)田土壤各基礎(chǔ)養(yǎng)分指標(biāo)通過(guò)降維方式劃分為2個(gè)綜合性指標(biāo)。第一主成分因子表征土壤OM含量、TN含量、AN含量，其貢獻(xiàn)率為36.414%，表明土壤中這3個(gè)指標(biāo)是土壤供給植物養(yǎng)分能力的主要影響指標(biāo)。研究區(qū)的總體土壤養(yǎng)分處于中低水平，大部分農(nóng)田土壤中AN含量相對(duì)缺乏，由于丹江口水源區(qū)淅川縣農(nóng)田傳統(tǒng)耕作方式、農(nóng)戶管理施肥模式較為粗放，多數(shù)農(nóng)田播種前施1次肥或者不施肥，隨著耕作年限的增加，土壤中OM含量逐漸降低[22]。前期調(diào)查顯示，農(nóng)戶主要以施用氮肥為主，但土壤中AN含量水平仍然較低。主要是由于氮素在土壤中的轉(zhuǎn)化和移動(dòng)能力較強(qiáng)，該地區(qū)農(nóng)田以坡耕地為主，大部分的養(yǎng)分會(huì)隨著降雨、灌溉等向緩坡農(nóng)田入滲，導(dǎo)致養(yǎng)分流失和水體的富營(yíng)養(yǎng)化，一部分會(huì)通過(guò)反硝化作用產(chǎn)生N2O，排放到大氣，造成環(huán)境污染[23-24]。第二主成分因子主要表征pH值，表明土壤pH值是影響土壤養(yǎng)分有效性的主要因素，該地區(qū)為酸性土壤，主要與當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)期施用16-16-16的復(fù)合肥和尿素有關(guān)，土壤氮素用量增大，促進(jìn)土壤的硝化作用，釋放H+，加劇土壤的酸化[25]，而且酸性土壤中鐵、鋁活性相對(duì)較高，易與磷形成難溶性的鐵磷和鋁磷，甚至有效性更低的必蓄態(tài)磷，使土壤磷和復(fù)合肥中的磷素大部分轉(zhuǎn)化為固定態(tài)磷，這也是農(nóng)田土壤有效磷降低的主要原因[26-27]。

通過(guò)系統(tǒng)聚類分析方法，以丹江口庫(kù)區(qū)7個(gè)農(nóng)田土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將土壤肥力質(zhì)量綜合水平分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí),分別代表土壤肥力高、中、低水平，各水平所占比例分別為5.00%、56.25%、38.75%，所取的160個(gè)采樣點(diǎn)中，土壤肥力高等級(jí)的樣點(diǎn)比例較低，主要在中等肥力水平，總體說(shuō)明丹江口水源區(qū)淅川縣土壤肥力水平偏低。

本研究中，土壤養(yǎng)分指標(biāo)因子歸為2個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率為53.289%，影響土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)狀況的主要因素有土壤OM含量、TN含量、AN含量和pH值4個(gè)指標(biāo)，在一定程度上可以反映土壤的綜合肥力。然而實(shí)際生產(chǎn)中影響土壤肥力質(zhì)量的因素眾多[28]，評(píng)價(jià)的方法也只能在一定范圍內(nèi)對(duì)所選的區(qū)域進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)的單一改變并不能完全地解釋土壤質(zhì)量的變化，具有一定的主觀性和局限性。在今后的研究中，應(yīng)合理化增加土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、酶活性和微生物等指標(biāo)，全面構(gòu)建土壤肥力評(píng)價(jià)體系，為丹江口水源區(qū)淅川縣農(nóng)田土壤合理施肥提供更為科學(xué)的理論依據(jù)。