基于主成分分析和聚類分析的剛察縣耕地土壤肥力綜合評價

李民軍，杜健

（1青海省剛察縣農(nóng)牧水利綜合服務(wù)中心，青海海北 812399；2甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，蘭州 730070）

0 引言

土壤肥力是土壤能夠供給作物生長所需各種養(yǎng)分的能力，是土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的綜合反應(yīng)，肥力高低是土壤養(yǎng)分、植物的吸收能力和植物生長的環(huán)境條件相互協(xié)調(diào)作用的反應(yīng)[1-3]。土壤養(yǎng)分是構(gòu)成土壤肥力的核心要素，對農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)形成具有重要作用。充分了解土壤養(yǎng)分狀況并客觀評價土壤肥力在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義[4]。目前基于多指標(biāo)的定量化方法已廣泛應(yīng)用于土壤肥力評價，其中利用主成分分析法得到的主成分中的正交性弱化了變量之間因自相關(guān)性而引起的誤差，因此在土壤肥力評價中運用較多[5]。張玲等[6]選取了13個指標(biāo)，采用主成分分析法對新疆烏什縣核桃生產(chǎn)園的土壤肥力進行了綜合評價；石常蘊等[7]通過建立各評價指標(biāo)與土壤功能間的關(guān)系模型，將各指標(biāo)的得分與權(quán)重相乘后相加，從而得到蘇州市水田土壤肥力的綜合指數(shù)；張楚楚等[8]將GIS與地統(tǒng)計學(xué)結(jié)合，分析了肥東縣蔬菜地土壤養(yǎng)分空間變異特征；康欽俊[9]對中國九大農(nóng)區(qū)之一的黃土高原區(qū)的耕地質(zhì)量等級及土壤養(yǎng)分情況進行了評價，并初步掌握該區(qū)域的土壤養(yǎng)分和耕地質(zhì)量狀況，同時分析影響土壤養(yǎng)分空間差異的主要因素；袁紫倩等[10]選取了12個指標(biāo)，通過主成分分析法分析了臨安區(qū)山核桃林地土壤產(chǎn)能的影響因素。在運用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重時，通常采用“德爾菲法”來衡量各專家的觀點，但由于專家的知識領(lǐng)域、經(jīng)驗、水平等存在著諸多的差別，各專家的觀點也不盡相同，土壤肥力的綜合評價中受人為主觀因素影響較大，因此，要盡量降低人為因素的影響，將土地的肥力情況客觀的體現(xiàn)出來。研究運用主成分分析法和層次分析法相結(jié)合的方法來確定指標(biāo)權(quán)重的合理性，后采用模糊綜合評價法建立的土壤肥力評價體系，最大程度地減少人為主觀性的影響。另外，準(zhǔn)確掌握研究區(qū)的土壤肥力情況對青海省農(nóng)業(yè)發(fā)展尤為重要。以青海省剛察縣耕地土壤肥力為研究對象，通過對剛察縣土壤樣品的采集與19個指標(biāo)的測定，采用模糊綜合評價法構(gòu)建土壤肥力綜合指數(shù)評價模型，對其土壤肥力進行綜合評價。以期為因地制宜管理耕地土壤養(yǎng)分提供理論依據(jù)，進而促進當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)提質(zhì)增效和可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

剛察縣位于青海省東北部，海北州藏族自治州西南部，青海湖北岸。介于99°20′44″—100°37′24″E，36°58′06″—38°04′04″N之間[11]。東隔哈爾蓋河與海晏縣為鄰，西與海西蒙古族藏族自治州天峻縣毗鄰，南隔布哈河與海南州共和縣相望，北隔大通河與祁連縣接壤?？h境東西長113.8 km，南北寬122.2 km。全縣土地總面積8138.07 km2，占青海省總面積的1.13%，占海北州藏族自治州土地面積的23.8%。剛察縣地處青海湖盆地北部，祁連山系中部大通山地段。境內(nèi)山脈走向北西，北部高山連綿，南部低緩，自北西向南傾斜，絕大部分地區(qū)海拔在3300～3800 m，最高點4775 m，位于桑斯扎山峰，最低點3195 m，位于青海湖濱湖地帶的沙柳河（伊克烏蘭河）、巴哈烏蘭河（烏哈阿蘭河）、哈爾蓋河、布哈河入湖處，海拔相對高差1580 m。境內(nèi)高山、丘陵、平原大致成北、中、南排列。北部為大通山地段，中部丘陵，南部為平原地帶。大通山橫貫縣境北部，以桑斯扎山與贊寶化秀山脊將全縣東西向分成兩大區(qū)域：北部是黃河流域的湟水水系外流區(qū)；南部是青海湖環(huán)湖內(nèi)陸水系的內(nèi)流區(qū)[12]。全縣分為三大地貌類形：山丘地貌、丘陵地貌、平原地貌。剛察縣氣候?qū)俑咴箨懶詺夂?，寒冷期長，溫涼期短，無明顯四季之分，多風(fēng)，晝夜溫差大，年平均氣溫-0.6～5.7℃，年均降水量324.5～522.3 mm，年蒸發(fā)量1500.6～1847.8 mm，年日照時數(shù)3037 h。冬季寒冷，夏秋溫涼，無絕對無霜期。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集研究區(qū)耕地總面積為7431.62 hm2，在青海省剛察縣按照每666.67 hm2耕地大于或等于1個樣點的密度，結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況共布設(shè)調(diào)查樣點15個，如圖1 所示。各采樣點均采用5 點采樣法，5 個點位分別為田塊兩條對角線的中心點和對角線上與中心等距離的4 點，同時避免取到田塊邊緣位置的土壤[13]。各采樣點去除表土層后采集0～20 cm 耕層土壤，并記錄其中心點的經(jīng)緯度。然后及時將樣品運送到實驗室，自然風(fēng)干及碾碎后挑出植物根系及石礫，過2 mm土篩，制備土壤樣本，裝入密封袋，保存待測。

圖1 研究區(qū)采樣點分布圖

1.2.2 耕地土壤肥力的評價方法模糊糊綜合評價法(Fuzzy Comprehensive Evaluation，F(xiàn)CE)是將層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP) 和模糊函數(shù)(Fuzzy Function)相結(jié)合的綜合評價方法。如圖2 所示，本研究運用AHP 建立目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的三級層次結(jié)構(gòu)，目標(biāo)層即耕地土壤肥力綜合指數(shù)，準(zhǔn)則層為大量元素、中量元素、微量元素和其他因子等4個部分，指標(biāo)層包括有機質(zhì)(OM)、堿解氮(AN)、有效磷(AP)等19 個養(yǎng)分指標(biāo)，采用主成分分析法(Principal Component Analysis，PCA)確定各指標(biāo)的權(quán)重后將不同準(zhǔn)則層內(nèi)的指標(biāo)分別相加，從而得到組合權(quán)重(Ci)。結(jié)合《青海省耕地質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）確定各分析指標(biāo)的隸屬函數(shù)，從而確定其隸屬度(Fi)。

圖2 研究區(qū)耕地土壤肥力的評價因子

采用累加法計算各評價單元的耕地土壤肥力綜合指數(shù)。計算公式如式(1)所示。

式中：IFI為耕地土壤肥力綜合指數(shù)；Fi為第i個評價指標(biāo)的隸屬度；Ci為第i個評價指標(biāo)的組合權(quán)重。

1.2.3 土壤樣品的測定方法依據(jù)NY/T 1121.6—2006等現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)開展土壤樣品檢測工作，如表1。15個調(diào)查樣點土壤的各指標(biāo)均設(shè)置3個平行檢測，計算3個平行檢測的平均值后得出各指標(biāo)的檢測結(jié)果[14]。試驗在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院實驗室，于2021年9－11月進行。

表1 各指標(biāo)的測定方法

1.3 數(shù)據(jù)處理與評價方法

1.3.1 指標(biāo)權(quán)重和聚類分析利用SPSS 26.0軟件，通過PCA 對19 個指標(biāo)進行降維處理，選擇特征值＞1 的主成分進行進一步分析，得到各指標(biāo)在不同主成分上的得分矩陣，后根據(jù)綜合得分公式求出各指標(biāo)的綜合分，歸一化后得出各指標(biāo)的權(quán)重。

在計算出耕地土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)后，選擇SPSS 26.0 軟件中的均值聚類選項，將耕地土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)分成5 個級別，1 級（優(yōu)）、2 級（較優(yōu)）、3 級（中）、4 級（較差）、5級（差），從而評價土壤肥力狀況。

1.3.2 隸屬函數(shù)和隸屬度根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的基本原理，并結(jié)合各指標(biāo)的數(shù)值特性，選擇合適的隸屬函數(shù)后計算各指標(biāo)的隸屬度[15]。本研究擬合出偏大型和對稱型2 種隸屬函數(shù)，各養(yǎng)分分析指標(biāo)隸書函數(shù)如表2 所示。通過隸屬函數(shù)計算得出各養(yǎng)分分析指標(biāo)的隸屬度。

表2 耕地土壤肥力評價指標(biāo)的隸屬函數(shù)

1.3.3 空間插值分析選擇ArcGIS 10.8 地統(tǒng)計向?qū)е械姆淳嚯x權(quán)重插值法(Inverse Distance Weigh，IDW)，經(jīng)空間插值后，在剛察縣的耕地內(nèi)對養(yǎng)分數(shù)據(jù)進行重采樣，按照100 m×100 m的距離繪制漁網(wǎng)圖，并在各矩形的中心確定采樣點，經(jīng)重采樣后共得到27129 個采樣點，進一步提取各采樣點的養(yǎng)分數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地土壤肥力綜合評價結(jié)果

2.1.1 主成分分析結(jié)果及各指標(biāo)權(quán)重由表3和表4可知，將數(shù)據(jù)降緯處理進行主成分分析，提取了特征值＞1的6個主成分。在6個主成分中，第一主成分的方差貢獻率為28.52%，pH、AN、AK、SAK、ECu 和ESi 在第一主成分上的載荷較大；第二主成分的方差貢獻率為24.20%，累計方差貢獻率為52.72，OM、TK、AP、EFe、EB、CEC和TDS在第二主成分上的載荷較大；TN、TP、EMn和EZn在第三主成分的上的載荷較大，其方差貢獻率為16.46%；ES 和EMo 在第四主成分上的載荷較大，其方差貢獻率為8.46%，累計方差貢獻率為77.65%；第五和第六主成分的方差貢獻率分別為6.18%和5.52%。

表3 耕地土壤各分析指標(biāo)的主成分分析結(jié)果

表4 耕地土壤各分析指標(biāo)的成分矩陣

由表5 可知，將耕地土壤各分析指標(biāo)權(quán)重以準(zhǔn)則層分類為標(biāo)準(zhǔn)，分別相加后得到組合權(quán)重，其中大量元素的組合權(quán)重為0.4146，中量元素的組合權(quán)重為0.1113，微量元素的組合權(quán)重為0.3228，其他因子的組合權(quán)重為0.1523。

表5 耕地土壤各分析指標(biāo)的權(quán)重

2.1.2 耕地土壤養(yǎng)分的綜合指數(shù)和聚類分析結(jié)果將經(jīng)重采樣后的各采樣點作為一個獨立的評價單元，研究區(qū)評價單元共27129個。由表6可知，將耕地土壤肥力綜合指數(shù)分為5 個等級，其中評價為1 級的比例為3.45%；評價為2 級的比例為24.46%；評價為3 級的比例為18.95%，共5140個采樣點，聚類中心為2.30；評價為4級和5級的比例分別為46.60%和6.55%。

表6 耕地土壤肥力不同評價等級的綜合指數(shù)

2.1.3 耕地土壤肥力綜合評價等級的空間分布由表7和圖3可知，研究區(qū)耕地土壤肥力等級評價為1級的耕地全部在哈爾蓋鎮(zhèn)，比例為3.45%；評價為2～3 級的耕地主要分布在哈爾蓋鎮(zhèn)，比例分別為23.01%和13.96%；評價為4級的耕地主要分布在青海湖農(nóng)場，比例為34.08%；評價為5 級的耕地主要分布在黃玉泉農(nóng)場和伊克烏蘭鄉(xiāng)，比例分別為3.17%和3.28%。

表7 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地土壤肥力不同評價等級的百分比

圖3 剛察縣耕地土壤肥力評價等級分布圖

2.2 耕地土壤肥力綜合評價各指標(biāo)的特征分析

2.2.1 各分析指標(biāo)的描述性統(tǒng)計

（1）大量元素的描述性統(tǒng)計。計算經(jīng)重采樣后27129 個采樣點各分析指標(biāo)的最值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差等，對其進行描述分析。由表8可知，在耕地土壤大量元素中OM的平均值為25.19 g/kg，變化區(qū)間在16.27～35.76 g/kg 之間，變異系數(shù)為12.70%；AN、AP、AK 和SAK的平均值分別為99.85、13.69、47.87、717.82 mg/kg，4個分析指標(biāo)均呈中等變異的特征，其中AP的變異系數(shù)最大，達到26.63%；TN、TP 和TK 的最小值分別為1.47、0.99、21.44 g/kg，最大值分別為2.55、1.18、22.77 g/kg，均呈弱變異的特征，3個分析指標(biāo)的變異系數(shù)分別為10.00%、2.46%、0.63%。

表8 耕地土壤大量元素分析指標(biāo)的描述性統(tǒng)計

（2）中、微量元素的描述性統(tǒng)計。由表9 可知，在耕地土壤中（微）量元素中，EMo 的變異系數(shù)較大，為70.51%，平均值為0.03 mg/kg；ES、ESi、EFe、EMn、EB、EZn 和ECu 均呈中等變異的特征，變異系數(shù)分別均在10%～20%之間，平均值分別為45.21、99.09、5.52、2.00、0.59、0.58、0.88 mg/kg。

表9 耕地土壤中、微量元素分析指標(biāo)的描述性統(tǒng)計

（3）pH、陽離子交換量和全鹽含量的描述性統(tǒng)計。由表10 可知，在耕地土壤其他因子中，耕地土壤pH、CEC 和TDS 均呈現(xiàn)弱變異的特征，變異系數(shù)分別為0.72%、4.90%和8.28%，平均值分別為8.44 g/kg、15.84 g/kg和0.38 cmol/kg。

表10 耕地土壤其他因子的描述性統(tǒng)計

2.2.2 各分析指標(biāo)在不同評價等級中的特征由表11可知，在評價為1 級的耕地中，OM、AN、AK、TN、TP、EFe 和EMo 含量的平均值較高，分別為26.21 g/kg、112.88 mg/kg、58.64 mg/kg、2.14 g/kg、1.13 g/kg、6.39 mg/kg、0.06 mg/kg；TK 的平均值在評價為2 級的耕地中較高；EZn 含量的平均值在評價為3 級的耕地土壤中較高；在評價為4 級的耕地土壤中AP、EMn、EB、ECu含量的平均值較高；SAK、ES、ESi含量的平均值在評價為5級的耕地土壤中較高；pH的平均值在各評價等級中的差距不大，均在pH 8.4～8.5之間，CEC和TDS含量的平均值分別在評價為1級和5級的耕地土壤中較高，分別為16.39 cmol/kg、0.44 g/kg。

表11 各分析指標(biāo)的在不同評價等級中的特征

通過分析變異系數(shù)可知，EMo的變異系數(shù)在評價為1～3 級的耕地中較大，分別為83.98%、64.81%和43.46；TN、TP、TK、EB、pH、CEC和TDS的變異系數(shù)在各評價等級中均呈弱變異的特征；OM和ES在評價為5級的耕地中呈弱變異的特征，變異系數(shù)為3.21%；AN在評價為1 級的耕地中呈中等變異的特征，在其他評價等級中均呈弱變異的特征；AP、AK、SAK、ESi、EFe、EZn和ECu的變異系數(shù)在評價為3級的耕地中較大。

3 結(jié)論

剛察縣耕地土壤肥力等級分為5 個級別，其中評價為1～3 級的耕地所占的比例分別為3.45%、24.46%和18.95，評價為4 級的耕地比例最多為46.60%，評價為5級的的耕地比例為6.55%。

剛察縣耕地土壤肥力等級評價為1～3級的耕地主要分布在哈爾蓋鎮(zhèn)，評價為4 級的耕地主要分布在青海湖農(nóng)場；黃玉泉農(nóng)場和伊克烏蘭鄉(xiāng)的比例在評價為5級等耕地中較大。

剛察縣評價為1 級的耕地中，OM、AN、AK、TN、TP、EFe和EMo含量的平均值較高；TK的平均值在評價為2級的耕地中較高；EZn含量的平均值在評價為3級的耕地土壤中較高；在評價為4 級的耕地土壤中AP、EMn、EB、ECu 含量的平均值較高；SAK、ES、ESi含量的平均值在評價為5級的耕地土壤中較高。

4 討論

評價方法的選擇是土壤肥力綜合評價的核心工作，直接關(guān)系到評價結(jié)果的實用性和客觀性[16-18]。在利用AHP分析時，一般通過構(gòu)造判斷（成對比較）矩陣和“德爾菲法”來衡量各專家的觀點，后經(jīng)進一步計算得到各分析指標(biāo)的權(quán)重，但由于專家的知識領(lǐng)域、經(jīng)驗、水平等存在著諸多的差別，各專家的觀點也不盡相同，土壤肥力的綜合評價中受人為主觀因素影響較大，此方法具有一定的主觀性[19]。且當(dāng)分析指標(biāo)數(shù)量增多時，每兩個指標(biāo)之間的重要程度的判斷可能就會出現(xiàn)困難，甚至?xí)哟螁闻判蚝涂偱判虻囊恢滦援a(chǎn)生影響，使一致性檢驗不能通過。本研究在確定剛察縣耕地土壤肥力綜合評價各分析指標(biāo)的權(quán)重時，為使其結(jié)果更具客觀性，運用PCA和AHP相結(jié)合的方法來確定指標(biāo)的權(quán)重，后采用FCE 建立的土壤肥力評價體系，最大程度地減少人為的主觀性。關(guān)于隸屬函數(shù)，本研究選擇柯西分布的隸屬函數(shù)（公式：y=1/[1+b×(x-a)c]）計算各分析指標(biāo)的隸屬度，而函數(shù)中的各參數(shù)，其中a為各分析指標(biāo)中測定含量的最大（或最小）值，通常c為±1 或±2，本研究均選擇±2，當(dāng)a選擇最大值時，c為2，反之c為-2。利用《標(biāo)準(zhǔn)》中各分析指標(biāo)的中值所對應(yīng)的隸屬度為0.5，代入公式后計算出參數(shù)b。

土壤肥力是土壤眾多養(yǎng)分含量的綜合反映，由于土壤肥力是土壤物理、化學(xué)、生物等屬性綜合因素的表征，對其進行評價不能僅僅只關(guān)注個別的肥力因素，而需要對影響土壤肥力的多因素進行綜合評價[20-22]。DeLima 等在評價不同農(nóng)業(yè)管理體系和不同質(zhì)地類型土壤質(zhì)量狀況時表明，土壤微量元素養(yǎng)分指標(biāo)（Cu、Zn和Mn）也是最重要的指標(biāo)[23]。本研究測定了19 個耕地土壤養(yǎng)分分析指標(biāo)進行綜合評價，能夠較為全面的評價剛察縣耕地土壤肥力的整體水平，為因地制宜提升耕地質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)，提高剛察縣耕地土壤肥料利用率，合理施肥，實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)奠定基礎(chǔ)。

耕地土壤養(yǎng)分綜合評價的高低能夠在一定程度上反映耕地養(yǎng)分的現(xiàn)狀，從而為該區(qū)域耕地保護和合理利用提供參考[24]。相關(guān)研究表明，土壤養(yǎng)分的來源、施用量，以及養(yǎng)分在土壤中的流動性，是影響土壤養(yǎng)分空間變異性的重要因素[25-27]。耕地土壤養(yǎng)分會隨著種植方式、農(nóng)田基礎(chǔ)建設(shè)、自然災(zāi)害等發(fā)生變化，因此，應(yīng)及時更新耕地土壤養(yǎng)分綜合評價情況，確保對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正確引導(dǎo)[28]。在今后的生產(chǎn)和農(nóng)田建設(shè)的過程中，應(yīng)遵循本區(qū)域?qū)嶋H，加強耕地資源保護和環(huán)境保護，因地制宜，堅持應(yīng)退必退原則，在保證耕地質(zhì)量穩(wěn)中有增的前提下，走綠色、優(yōu)質(zhì)、高效、具有當(dāng)?shù)靥厣霓r(nóng)業(yè)發(fā)展之路。本研究只綜合了土壤養(yǎng)分指標(biāo)的情況，在今后的研究中應(yīng)當(dāng)將影響土壤養(yǎng)分空間變異性的自然因素（如地形、土壤母質(zhì)、土壤類型等），以及人為因素（如施肥、灌溉等）加以綜合，從而更全面的評價耕地土壤的綜合肥力[29]。

在施肥前，應(yīng)當(dāng)充分了解土壤養(yǎng)分的含量和供應(yīng)狀況，對土壤中的營養(yǎng)元素進行診斷，從而決定施用肥料的種類和數(shù)量。建議剛察縣根據(jù)耕地土壤肥力綜合評價情況和養(yǎng)分特征，在評價為4～5 級的耕地中增施有機肥，從而全面提高土壤肥力，同時側(cè)重關(guān)注剛察縣評價等級整體較低的鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地（黃玉泉農(nóng)場、青海湖農(nóng)場、三角城種羊場等），從而實現(xiàn)因地制宜的土壤養(yǎng)分管理，以達到增產(chǎn)、提質(zhì)的目的。