基于主成分分析評價四川省瀘縣土壤肥力

徐開坤，朱 雙，鄭 琴，姚旭松

（1.瀘縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，四川 瀘州 646100；2.四川省科源工程技術測試中心，成都 610073；3.自然資源部耕地資源調查監(jiān)測與保護利用重點實驗室，成都 610073）

瀘縣是四川省瀘州市下轄縣，位于四川盆地南部，年平均氣溫18.1 ℃，極端最高氣溫38.2 ℃，極端最低氣溫0.7 ℃。全年降水1 179.4 mm。全年日照950.3 h。境內(nèi)地貌有低山深丘、中丘中窄谷、淺丘寬谷、河谷階地4 種形態(tài)，分別占總面積的7%、27%、60.5%和5.5%。地勢東北高、西南低，瀘縣轄區(qū)內(nèi)土壤類型有水稻土、潮土、紫色土、黃壤4 個土壤類型［1］。其中水稻土占耕地面積的83%，是四川省農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)，全縣農(nóng)用地125 735.29 hm2，占總土地面積的82.07%，未利用地9 365.25 hm2。全縣土地利用結構不合理，生產(chǎn)力水平較低下，經(jīng)濟效益不高，且耕地質量較差，高產(chǎn)田塊僅占22.2%，中低產(chǎn)田塊占比77.8%。為了響應國家高標準農(nóng)田建設，本研究通過廣泛調研采集瀘縣種植區(qū)農(nóng)田土壤樣品，對其主要養(yǎng)分指標進行測定，并綜合評價土壤肥力狀況，為該區(qū)域土壤改良及精準施肥提供參考［2］。

1 材料與方法

1.1 土樣采集與處理

試驗于2018 年9 月在滬縣開展，調研區(qū)域包括石橋鎮(zhèn)、玄灘鎮(zhèn)、云錦鎮(zhèn)、潮河鎮(zhèn)等19 個主要農(nóng)業(yè)種植鄉(xiāng)鎮(zhèn)，區(qū)域內(nèi)農(nóng)田均屬四川盆地農(nóng)林區(qū)。調研取樣點如表1 所示。

表1 瀘縣農(nóng)田土壤采樣點位信息

每個點位采集5 份土壤樣品，共計95 份。采樣時利用GPS 定位，每個調研地塊采集0～20 cm 土層的土壤樣品，避開施肥位置按照“S”型路線隨機選擇5 點取樣，樣品混合后，采用四分法取1 kg 左右的樣品代表該地塊土壤［3］。所有樣品貼好標簽，帶回實驗室。土樣置于陰涼通風的樣品室風干，去掉植物根系、小礦石等雜質，用橡膠錘粉碎后過2 mm 篩、瓷研缽磨碎后過0.15 mm 篩，分別用于不同土壤指標測定。

1.2 測定項目與方法

土壤pH（土水質量比1.0∶2.5）采用電位計法測定；有機質含量采用重鉻酸鉀容量法（外加熱法）測定；全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定；堿解氮含量采用堿解擴散法測定；有效磷含量采用氟化銨-鹽酸浸提，紫外分光光度法測定；速效鉀含量測定采用乙酸銨提取，火焰光度法測定；緩效鉀含量測定采用硝酸煮沸法，火焰光度法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 整理后利用SPSS 26.0 軟件比較不同采樣點的水質情況，基本步驟如下，①選取土壤理化因子作為評價指標。②數(shù)據(jù)標準化。對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，消除不同指標間量綱和數(shù)量級的影響。③確定主成分個數(shù)和表達式［4］。④土壤肥力評價。計算主成分分值，綜合得分越高，表明土壤肥力越差。通過origin 軟件進行Pearson 相關性分析。

1.4 土壤養(yǎng)分等級分析

土壤pH、有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀分級參考土壤養(yǎng)分分級標準［5，6］，詳見表2、表3。

表2 土壤pH 分級標準

表3 土壤養(yǎng)分分級標準

2 結果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分等級分析

采用“1.2”測定方法對19 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤樣品容重、pH、有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀進行測定，結果見表4。

表4 瀘縣19 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)田土壤指標測定結果

19 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中牛灘鎮(zhèn)、太伏鎮(zhèn)土樣pH 最高，為7.6；石橋鎮(zhèn)pH 最低，為4.4。

采用統(tǒng)計學方法研究土壤樣本的屬性特性，從而評價整個區(qū)域的土壤肥力狀況，對土壤屬性進行統(tǒng)計，土壤各指標隸屬度值統(tǒng)計結果見表5、表6。

表6 土壤屬性統(tǒng)計

瀘縣19 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中84.2%土壤有機質含量處于四級（中上）及以上水平，石橋鎮(zhèn)的有機質含量最高，為26.2 g/kg；百和鎮(zhèn)的有機質含量最低，為2.1 g/kg；瀘縣19 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中68.4%全氮處于三級（中下）及以下水平，潮河鎮(zhèn)的全氮含量最高，為1.53 g/kg，云錦鎮(zhèn)的全氮含量最低，為0.82 g/kg；瀘縣19 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中堿解氮含量達到四級（中上）及以上水平，而有效磷僅42.2%達到四級及以上水平；63.1%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤速效鉀含量處于三級（中下）及以下水平。

土壤酸堿性是土壤理化性狀的基礎，對土壤肥力、養(yǎng)分循環(huán)、微生物活性以及甘蔗的生長發(fā)育均有明顯影響［7，8］，土壤過酸會導致土壤陽離子交換量和鹽基飽和度降低、土壤礦物質營養(yǎng)元素缺乏等現(xiàn)象，從而影響農(nóng)作物的產(chǎn)量及品質［9］。導致土壤呈酸性的原因很多，而土壤自然酸化的過程比較緩慢，人為活動的增加是造成土壤酸化程度加劇的主要因素?？梢酝ㄟ^使用改良劑改善土壤理化性質，并促進農(nóng)作物的生長［10］。

2.2 土壤各指標的相關性分析

土壤中的各指標并不單獨存在，在一定程度上存在關系［11］。各指標參數(shù)存在不同程度的相關性，通過臨界相關系數(shù)可以進一步判斷相關程度的大?。?2］。 臨界相關系數(shù)見表7。

表7 Pearson 相關系數(shù)臨界值

土壤肥力指標相關性分析結果見圖1。由圖1可知，瀘縣農(nóng)田土壤有機質與堿解氮（r= 0.63**）、緩效鉀（r=0.60**）含量呈顯著強相關；緩效鉀與速效鉀（r=0.66**）含量呈顯著強相關，堿解氮與速效鉀（r=0.05*）呈中等強度相關，這說明碳、氮、磷元素可能來源比較統(tǒng)一，結合當?shù)剞r(nóng)戶種植習慣，認為可能受施肥影響［13］。

2.3 土壤肥力等級分析

通過主成分分析法比較不同采樣點的肥力等級［14，15］，主成分方差及方差累計貢獻率見表8。由表8 可知，特征值大于1 的只有3 個成分，累計方差占比為79.749%，基本滿足主成分個數(shù)確定要求，3個主成分能夠反映全部數(shù)據(jù)的大部分信息。成分矩陣見表9。將成分矩陣除以對應的主成分特征值的平方根得到其對應的系數(shù)，再將所得系數(shù)矩陣與標準化處理后的數(shù)據(jù)相乘得到各主成分的評價函數(shù)及綜合評價函數(shù)Y。

表8 特征值和主成分貢獻率及累積貢獻率

表9 成分矩陣

根據(jù)綜合評價函數(shù)Y得分情況，給予土壤肥力定量化描述，得分越高，表明肥力評價越好，各采樣點主成分分析法肥力綜合評價結果見表10、圖2。主成分分析肥力評價法結果表明，玄灘鎮(zhèn)土壤最肥沃，其次為得勝鎮(zhèn)，百和鎮(zhèn)土壤最貧瘠。

表10 主成分分析法肥力綜合評價結果

圖2 主成分分析

3 小結

1）瀘縣土壤多為酸性，少量為堿性。19 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量偏低，土壤總體較為貧瘠。

2）瀘縣碳、氮、磷元素呈較強的相關性，結合當?shù)胤N植戶習慣，可能受施肥習慣影響。

3）主成分分析肥力評價法結果表明，玄灘鎮(zhèn)土壤最肥沃，其次為得勝鎮(zhèn)，百和鎮(zhèn)土壤最貧瘠。

4）建議瀘縣種植戶重視土壤酸化的治理，合理施用氮、磷、鉀肥料，防止工業(yè)污染，提高土壤肥力。