基于主成分及聚類分析江西吉安植煙區(qū)土壤主要養(yǎng)分含量

胡蓉花 尼金玉 肖子康 李紅霞 王俊 楊帥強(qiáng) 沈雪婷 韓助君 劉齊元

摘要：根據(jù)江西省吉安市3個(gè)主產(chǎn)煙區(qū)22個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)97個(gè)村的154份植煙土壤樣品的主要養(yǎng)分狀況和大中微量元素調(diào)查結(jié)果，分析吉安市植煙土壤養(yǎng)分狀況，并對22個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)97個(gè)村的植煙土壤進(jìn)行主成分分析和聚類分析。結(jié)果表明：（1）植煙區(qū)土壤平均pH值為5.74，適宜烤煙種植。土壤有機(jī)質(zhì)含量較為豐富，平均含量為 31.88 g/kg。土壤水解性氮含量較為豐富，62.35%的土壤在適宜烤煙種植范圍內(nèi)，69.48%的土壤速效鉀含量低于150 mg/kg，處于偏低范圍內(nèi)。（2）土壤交換性鈣與交換性鎂含量尚為豐富，微量元素有效硼和有效錳含量較低，有效銅和有效鋅含量偏高，有效鐵、水溶性氯含量極高。（3）主成分分析和聚類分析顯示，將97個(gè)村的植煙土壤采用聚類分析最短距離法分成3類。Ⅰ類區(qū)土壤呈弱酸性、富含有機(jī)質(zhì)，土壤養(yǎng)分含量中等;Ⅱ類區(qū)土壤呈弱酸性、有機(jī)質(zhì)含量較另外2區(qū)偏低，土壤養(yǎng)分含量整體偏低;Ⅲ類區(qū)土壤基本呈中性，土壤整體養(yǎng)分含量較高。

關(guān)鍵詞：烤煙;土壤養(yǎng)分;大中微量元素;適宜性;主成分分析;聚類分析

中圖分類號： S572.06? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）15-0231-08

收稿日期：2020-09-25

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金地區(qū)科學(xué)基金（編號：31960418）;江西省吉安市煙草專賣局科技項(xiàng)目（編號：吉煙科[2018]4號）。

作者簡介：胡蓉花（1970—），女，江西吉安人，高級農(nóng)藝師，主要從事烤煙生產(chǎn)技術(shù)與推廣研究，E-mail：1908479316@qq.com;共同第一作者：尼金玉（1994—），男，河南漯河人，碩士研究生，主要從事作物栽培學(xué)與作物生理生化研究，E-mail：nijinyund@163.com。

通信作者：劉齊元，博士，教授，主要從事作物生理生態(tài)與遺傳育種研究。E-mail：qiyuanl@126.com。

土壤肥力是影響土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，而土壤主要養(yǎng)分含量與土壤肥力密切相關(guān)[1-2]。不同栽培模式[3]、施肥方式[4-5]與土壤類型[6]導(dǎo)致不同地區(qū)的土壤養(yǎng)分含量產(chǎn)生差異。土壤養(yǎng)分含量的豐缺程度直接影響烤煙生長發(fā)育，進(jìn)而影響烤煙的產(chǎn)質(zhì)量[7-8]。適宜的土壤肥力是保障優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)的根本，因此，正確認(rèn)識與科學(xué)評估土壤肥力是準(zhǔn)確了解土壤本質(zhì)及提高作物生產(chǎn)力的手段，從而有助于可持續(xù)的集約化[9-10]。

江西省吉安市煙草生產(chǎn)主要分布在峽江縣、安?？h和永豐縣，以水稻田為主。其中，峽江縣以鱔泥田、潮沙泥田、黃泥田和麻沙泥田為主;安?？h以麻沙泥田、黃沙泥田、黃泥田為主;永豐縣以潮沙泥田、麻沙泥田和紅沙泥田為主，剔除人為因素影響，成土母質(zhì)養(yǎng)分含量往往決定了土壤養(yǎng)分含量[10-11]。因此，通過對吉安市煙草主產(chǎn)區(qū)土壤主要養(yǎng)分含量的普查、篩選以及豐缺度評價(jià)，對于吉安市植煙精準(zhǔn)施肥、合理施肥以及提高生產(chǎn)效益具有重要影響。對吉安市植煙區(qū)土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行主成分分析并對土壤肥力綜合指標(biāo)進(jìn)行排序，可為吉安市煙草種植可持續(xù)健康發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集

土壤樣品取樣于2018年11月，根據(jù)不同主產(chǎn)煙區(qū)土壤類型、煙田分布以及耕種制度，取具有代表性的混合土樣154份（峽江縣66份、安福縣42份、永豐縣46份）。在每個(gè)取樣單元內(nèi)，采取“S”路線多點(diǎn)取樣，然后制成一個(gè)約1 kg的混合土樣。自然風(fēng)干，研磨過60目篩，供土壤指標(biāo)測定。

1.2 土壤樣品的測定分析

土壤樣品測定分析在江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院完成，測定項(xiàng)目包括有機(jī)質(zhì)[12]、水解性氮[13]、有效磷[12]、速效鉀[12]、交換性鎂[12]、交換性鈣[12]、有效硼[12]、有效硫[12]、有效銅[14]、有效鋅[14]、有效鐵[14]、有效錳[14]和水溶性氯[12]含量及pH值[12]14項(xiàng)指標(biāo)。采用電位法（1 ∶2.5的土水比 ）測定土壤的pH值;重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量;堿解擴(kuò)散法測定土壤水解性氮含量;Olsen法測定速效磷含量;乙酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀含量;乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法測定交換性鈣、交換性鎂含量;氯化鈣提取-硫酸鋇比濁法測定有效硫含量;姜黃素比色法測定有效硼含量;二乙基三胺五乙酸（DTPA）浸提-原子吸收分光光度法測定有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳含量;硝酸銀容量法測定水溶性氯含量。

1.3 土壤養(yǎng)分含量指標(biāo)主成分分析與聚類分析

運(yùn)用SPSS 25.0及Excel 2010對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植煙土壤養(yǎng)分分級

在綜合分析吉安市煙區(qū)煙草實(shí)際生產(chǎn)和多年煙草專用肥試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參照我國植煙土壤養(yǎng)分評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)研究[15-17]，確定了土壤養(yǎng)分豐缺評價(jià)體系（表1）。這一體系的建立對于指導(dǎo)吉安市煙草種植精準(zhǔn)施肥具有重要的意義。

2.2 植煙土壤養(yǎng)分豐缺狀況與評價(jià)

2.2.1 土壤pH值

對優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)而言，最適宜的土壤酸堿度為5.50～6.50[18]。綜合表1和表2可以看出，吉安市煙區(qū)土壤偏酸性，比較適合烤煙種植，pH值平均為5.74，適宜烤煙種植的土壤占62.34%。峽江縣煙區(qū)土壤酸堿度pH值平均為5.57，適宜烤煙種植的土壤只占51.51%，pH值低的土壤比例相對較高，為45.45%。安?？h和永豐縣土壤pH值平均分別為5.91和5.76，適宜烤煙種植的土壤分別占64.28%和76.09%，而安?？hpH值高的土壤所占比例較高，為14.29%。因此，僅就酸堿度而言， 吉安市植煙土壤應(yīng)該適當(dāng)提高pH值，滿足烤煙生長對pH值的需求。

2.2.2 土壤有機(jī)質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)含量過高或過低，均不利于烤煙的正常生長。由表3可知，吉安市植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量總體較豐富，平均含量達(dá)31.88 g/kg;峽江縣、安?？h與永豐縣土壤有機(jī)質(zhì)平均含量分別為33.46、32.49、29.55 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量大于 25.00 g/kg 分別占83.33%、85.71%和73.91%。大于35.00 g/kg的土壤分別占45.46%、30.95%和17.39%。永豐縣和安?？h的土壤有機(jī)質(zhì)含量較適宜，峽江縣的變異系數(shù)大，表明不同土壤類型、不同區(qū)域的有機(jī)質(zhì)含量差異較大。

2.2.3 土壤水解性氮、有效磷和速效鉀

由表4可知，吉安市煙區(qū)土壤水解性氮含量平均為 168.99 mg/kg，有32.47%的土壤水解性氮含量偏高。峽江縣、安?？h和永豐縣土壤水解性氮平均含量分別為175.71、191.08、133.64 mg/kg。永豐縣煙區(qū)土壤水解性氮含量比較適宜，安?？h整體偏高。峽江縣和安?？h煙區(qū)土壤有效磷平均含量分別為37.34、32.83 mg/kg，分別有95.45%和73.81%的土壤有效磷含量偏高;永豐縣土壤有效磷含量較為適宜。就速效鉀含量而言，峽江縣、安?？h和永豐縣含量均偏低，其中峽江縣和永豐縣土壤速效鉀含量低等級比例分別占78.79%和80.44%，缺鉀較為嚴(yán)重。因此，3個(gè)縣主煙區(qū)在烤煙生產(chǎn)過程中必須通過增施鉀肥來提高烤煙對鉀元素的需求。

2.2.4 土壤交換性鈣、交換性鎂和有效硫

由表5可知，峽江縣和永豐縣土壤交換性鈣含量較適宜，平均含量分別為1 214.05、1 178.29 mg/kg，缺鈣土壤比例較少，分別占13.64%和8.69%。相反，安?？h有66.67%的土壤交換鈣含量較高，平均含量為1 593.44 mg/kg。煙草是以收獲葉片為目的經(jīng)濟(jì)作物，葉片中約75%的鎂參與蛋白質(zhì)合成，植物體內(nèi)15%～20%的鎂與葉綠素色素相關(guān)，主要作為一系列參與光合固碳和代謝的輔助因子[19-20]。3個(gè)主煙區(qū)土壤交換性鎂含量豐富，峽江縣和永豐縣分別為215.51、192.93 mg/kg，安?？h61.90%土壤交換性鎂含量偏高（231.78 mg/kg）。3個(gè)主產(chǎn)煙區(qū)土壤有效硫含量均偏低，其中安福縣和永豐縣有78.57%和78.26%的土壤有效硫含量在低等級以下。

2.2.5 土壤微量元素

由表6可知，3個(gè)縣主產(chǎn)煙區(qū)土壤有效硼含量均偏低，平均含量分別為0.47、0.45、0.28 mg/kg。氯是煙草必需的微量元素，但是煙草對氯比較敏感，氯肥供應(yīng)過量時(shí)，葉片厚而脆，彈性不足，燃燒性下降，品質(zhì)變劣[21]。3個(gè)縣主產(chǎn)煙區(qū)的土壤水溶性氯含量均極高，平均含量分別為53.34、42.84、46.15 mg/kg。3個(gè)縣主產(chǎn)煙區(qū)的土壤有效銅含量偏高，平均含量為3.60、3.77、2.30 mg/kg。3個(gè)縣主產(chǎn)煙區(qū)的土壤有效鐵含量極為豐富，平均含量分別為532.31、317.08、 219.52 mg/kg。土壤有效錳含量3個(gè)縣主產(chǎn)煙區(qū)含量均偏低，平均含量分別為30.45、17.24、 11.72 mg/kg。永豐縣土壤有效鋅含量較為適宜，平均含量為 2.35 mg/kg。相反，峽江縣和安?？h土壤有效鋅含量偏高，平均含量分別為5.26、5.27 mg/kg。

2.3 吉安市植煙土壤養(yǎng)分指標(biāo)相關(guān)性分析

由表7可知，土壤養(yǎng)分指標(biāo)之間存在顯著或極顯著相關(guān)。為避免各養(yǎng)分指標(biāo)所反映的信息重疊，采用主成分分析方法提取影響土壤養(yǎng)分的主成分。

2.4 吉安市植煙土壤養(yǎng)分的主成分分析

主成分分析方法是將眾多的變量轉(zhuǎn)變成數(shù)量不多的幾個(gè)因子來表示，并且這些因子包含了原變量提供的大部分信息。各主成分的特征值、方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率見表8?？梢钥闯?，前7個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)到81.919%（>80%）。說明對7個(gè)主成分進(jìn)行分析已經(jīng)能夠反映全部數(shù)據(jù)的大部分信息。

由表8、表9可知，第一主成分的貢獻(xiàn)率為25.369%，有效銅、有效鐵、有機(jī)質(zhì)、有效磷、水解性氮5 個(gè)指標(biāo)因子在第1主成分中起主要作用;第2主成分的貢獻(xiàn)率為18.305%，pH值、交換性鈣、交換性鎂3個(gè)指標(biāo)因子在第2主成分中起主要作用;第3主成分的貢獻(xiàn)率為10.829%，有效錳和有效鐵在第3主成分中起主要作用;第4主成分的貢獻(xiàn)率為9.037%，有效硫在第4主成分中起主要作用;第5成分的貢獻(xiàn)率為6.893%，有效硼在第5主成分中起主要作用。第6、第7主成分的貢獻(xiàn)率分別為6.275%和5.211%。前7個(gè)主因子得分值分別以 PC1、PC2、PC3、PC4、PC5、PC6和PC7表示，通過回歸計(jì)算得出主成分得分系數(shù)矩陣，主成分得分函數(shù)表示為：

PC1=-0.008X1+0.200X2+0.201X3+0.159X4+0.141X5+0.123X6+0.102X7+0.127X8+0.100X9+0.194X10+0.135X11+0.178X12+0.068X13+0.110X14;

PC2=0.337X1-0.058X2-0.070X3-0.120X4+0.165X5+0.284X6+0.291X7+0.039X8-0.040X9-0.070X10-0.166X11-0.110X12+0.032X13+0.113X14;

PC3=-0.143X1-0.091X2-0.184X3-0.129X4-0.145X5+0.009X6+0.133X7-0.239X8+0.078X9-0.116X10+0.046X11+0.312X12+0.561X13+0.225X14;

PC4=-0.014X1+0.183X2+0.281X3-0.226X4-0.025X5-0.078X6-0.135X7-0.114X8+0.571X9-0.258X10-0.213X11-0.125X12-0.138X13+0.340X14;

PC5=-0.044X1-0.360X2-0.204X3+0.375X4+0.238X5-0.022X6-0.326X7+0.510X8+0.089X9-0.250X10-0.325X11+0.260X12+0.032X13+0.231X14;

PC6=0.066X1-0.252X2+0.163X3+0.364X4+0.562X5-0.159X6-0.023X7-0.523X8-0.099X9-0.309X10+0.390X11-0.154X12-0.022X13+0.163X14;

PC7=-0.107X1-0.243X2-0.157X3-0.279X4+0.404X5-0.102X6+0.188X7+0.273X8+0.633X9-0.027X10+0.297X11-0.097X12+0.180X13-0.617X14。

X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14為所選土壤樣品的14個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)（pH值，有機(jī)質(zhì)、水解性氮、有效磷、速效鉀、交換性鎂、交換性鈣、有效硼、有效硫、有效鋅、有效鐵、有效錳、水溶性氯含量）標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

2.5 吉安市植煙土壤質(zhì)量聚類分析

根據(jù)前7個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率，生成主成分的綜合得分（F）公式為：F=0.309 67×PC1+0.223 45×PC2+0.132 17×PC3+0.110 28×PC4+0.084 13×PC5+0.076 63×PC6+0.063 644×PC7，得到各產(chǎn)地土壤樣品質(zhì)量的綜合得分，以主成分的綜合得分作為新變量，分別以3個(gè)植煙縣97個(gè)植煙村為標(biāo)注個(gè)案，采用聚類分析最短距離法對各產(chǎn)地土壤質(zhì)量進(jìn)行聚類分析（圖1）。

在平方歐式距離為5.0處可以將所有樣品分為3類，第1類是硯溪步溪、洋門村沛、硯溪灼嶺、橫龍楓糖、戈坪舍龍、寮塘株木江、金江城上、平都陂下、硯溪硯溪、巴邱油陂廟、硯溪金坊、福民小櫪、平都下路、金江廟前、竹江下社、金江金灘、桐林桐林、橫龍江口、馬埠凰洲、潭城村前、平都小水、石馬店下、巴邱洲上、硯溪坪頭、沿陂吉江、洋門坊下、石馬龍坊、羅田店前、桐林流源、平都社洲、平都龍蒙、羅田安山、羅田神林、寮塘東岸、金江黑虎、平都思塘、嚴(yán)田土橋、平都瀝塘、平都農(nóng)豐、橫龍嚴(yán)田、沿陂蘆下、沿陂毛家、仁和新陂、洋溪田里、羅田冬梅、戈坪芳洲、福民田心、橫龍楊梅、橫龍青橋、寮塘思塘、硯溪鵬溪、竹江中團(tuán)、洋溪店背、嚴(yán)田花橋，共54個(gè)村。第2類是平都荊山、沿陂水東、寮塘谷口、洲湖諸橋、平都西邊、沿陂洄陂、石馬邱林、戈坪戈坪、羅田桂林、橫龍橫屋、洲湖王屯、陶唐洲上、硯溪因山、橫龍南橋、鹿岡鹿岡、橫龍南村、鹿岡前村、戈坪汀溪、洋溪牌頭、潭城富山、馬埠蘆溪、平都上里、羅田羅田、馬埠夏塘、鹿岡高坑、石馬棠閣、鹿岡巷口、金江廟口、潭城輞川、石馬源頭、石馬星勝、洲湖花車、橫龍山背、石馬光明、平都竹山、石馬梅西、橫龍東谷、沿陂涂家、沿陂枧田，共39個(gè)村。第3類是嚴(yán)田嶺溪、平都官田、竹江關(guān)溪、平都龍佳，共4個(gè)村。各類區(qū)的土壤養(yǎng)分情況如表10所示，Ⅰ區(qū)土壤呈弱酸性，富含有機(jī)質(zhì)，土壤養(yǎng)分含量中等;Ⅱ區(qū)土壤呈弱酸性，有機(jī)質(zhì)含量較另外2區(qū)偏低，土壤養(yǎng)分含量整體偏低;Ⅲ區(qū)土壤基本呈中性，除有效硼含量以外，其他土壤養(yǎng)分含量均比其他2類高，土壤整體養(yǎng)分含量較高。

3 結(jié)論與討論

通過對吉安市154個(gè)植煙土樣土壤養(yǎng)分指標(biāo)的檢測分析和評價(jià)表明，吉安市大部分植煙土壤pH值適宜烤煙種植。峽江縣部分植煙土壤呈弱酸性，可適當(dāng)施用生石灰來提高pH值，改善土壤酸堿度。

吉安市植煙區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量總體偏高，土壤水解性氮含量適宜，但永豐煙區(qū)含量偏高。因此，在烤煙大田期間要控制氮肥施用量。吉安市植煙土壤有效磷比例屬適宜以上占92%，峽江縣、安?？h和永豐縣土壤有效磷含量偏高，可能會影響煙葉的香味[22]。因此，應(yīng)適當(dāng)控制磷肥的施用。吉安市植煙土壤速效鉀含量整體處于偏低水平，其中，峽江縣和永豐縣較為嚴(yán)重。鉀元素缺乏影響煙葉的可燃性、顏色和身份，應(yīng)在大田期補(bǔ)充鉀肥的施入。

吉安市植煙區(qū)土壤交換性鈣、交換性鎂含量豐富，不存在相互拮抗的現(xiàn)象。由于吉安市植煙土壤速效鉀含量較為缺乏，因此，烤煙根系對鎂離子的吸收并不會減少。植煙土壤微量元素的主要特征是：有效硼、有效錳含量低，水溶性氯、有效鐵含量高，有效銅、有效鋅含量偏高。其中，低硼現(xiàn)象較突出，針對該類土壤重點(diǎn)是補(bǔ)硼;另外，高氯、高鐵的現(xiàn)象較突出，針對此類型土壤，應(yīng)控氯，另外調(diào)節(jié)土壤pH值，以達(dá)到降低土壤有效鐵含量的目的。

通過主成分分析，分別以 3個(gè)植煙縣97個(gè)植煙村為標(biāo)注個(gè)案，采用聚類分析最短距離法對各產(chǎn)地土壤質(zhì)量進(jìn)行聚類分析，可分成3類。為吉安市烤煙種植布局、分區(qū)備貨、提高煙葉質(zhì)量均衡性提供科學(xué)依據(jù)。

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