基于主成分分析的南方紅壤水土流失區(qū)土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)

李巍 王成己 譚麗婷 羅旭輝 黃敏敏 涂杰峰

摘 要：為評(píng)價(jià)南方紅壤水土流失區(qū)土壤肥力質(zhì)量，該文采用主成分分析法分別對(duì)長(zhǎng)汀、北峰、武夷山等地的茶園土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：龍巖長(zhǎng)汀、福州北峰、南平武夷山茶園土壤中的銨態(tài)氮、有效鉀、速效磷、有機(jī)質(zhì)、pH值這5個(gè)指標(biāo)之間有著緊密的聯(lián)系，它們都是南方紅壤水土流失區(qū)茶園土壤肥力的重要影響因子。

關(guān)鍵詞：南方紅壤；水土流失區(qū)；土壤肥力質(zhì)量；評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào) S158 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2018）09-0058-04

The Study of Soil Fertility Quality Evaluation in the Red Soil Region of Erosion Area in South China Based on Principal Component Analysis

——Taking Fujian Changting，F(xiàn)uzhou and Wuyishan as Examples

Li Wei1 et al.

（1 Fufian Key Laboratory of Precise Measurement of Agriculture，Central Laboratory，F(xiàn)ujian Academy of Agricultural Sciences，F(xiàn)uzhou 350003，China）

Abstract：In order to evaluate the quality of soil fertility in the red soils of southern China，principal component analysis was used to analyze the soil fertility quality of Changting，Beifeng and Wuyishan tea gardens. The results show that there are close relationships among the five indicators of fertility：ammonium nitrogen，available potassium，available phosphorus，organic matter，and pH in tea plants in Longyan Changting，Beifeng in Fuzhou，and Wuyi Mountain in Nanping. They are all tea plantations in the red soil and soil erosion areas in southern China important factors affecting soil fertility.

Key words：The red soil region of South China；Soil erosion；Soil fertility quality；Evaluation

南方紅壤區(qū)是我國(guó)重要的熱帶、亞熱帶作物生產(chǎn)基地。據(jù)2005年中國(guó)水土流失與生態(tài)安全綜合科學(xué)考察報(bào)告不完全統(tǒng)計(jì)，南方紅壤區(qū)水土流失面積約34萬(wàn)km2，目前已成為我國(guó)繼黃土高原水土流失區(qū)以外的第二大水土流失嚴(yán)重區(qū)，因此，其土壤資源的合理開(kāi)發(fā)和利用具有極其重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)意義。福建省丘陵山地多，水土流失十分嚴(yán)重，其中長(zhǎng)汀縣位于福建省的西部，是福建省典型的水土流失區(qū)，也是聞名全國(guó)的南方花崗巖強(qiáng)度水土流失區(qū)，屬于紅壤地區(qū)水土流失嚴(yán)重的典型縣之一。在防止土壤流失的同時(shí)，需要重視保持和提高土壤質(zhì)量，土壤質(zhì)量降低會(huì)導(dǎo)致土壤抗侵蝕力下降，從而導(dǎo)致更嚴(yán)重的水土流失。目前，土壤質(zhì)量問(wèn)題在全世界范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注，土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究的重要內(nèi)容之一。而土壤質(zhì)量的核心之一是土壤生產(chǎn)力，基礎(chǔ)是土壤肥力質(zhì)量，但各種土壤肥力質(zhì)量有著性質(zhì)上的差異和高低之分，因此，如何科學(xué)、合理、實(shí)用地評(píng)價(jià)土壤肥力質(zhì)量，為指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)，顯得尤為重要[26]。近年來(lái)，隨著統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，越來(lái)越多研究者采用多變量分析方法，將大量土壤性質(zhì)指標(biāo)集成綜合指標(biāo)、函數(shù)關(guān)系式或圖示來(lái)評(píng)定土壤質(zhì)量。目前主成分分析法在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中得到大量的應(yīng)用，它可以弱化變量間的自相關(guān)性所引起的差，形成互不相關(guān)主成分，獲得各主成分得分，同時(shí)通過(guò)計(jì)算得到綜合評(píng)價(jià)得分，從而達(dá)到對(duì)土壤質(zhì)量的精確評(píng)價(jià)[26-27，30]。為此，本文采用主成分分析對(duì)福建省典型水土流失區(qū)長(zhǎng)汀、福州、武夷山進(jìn)行土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)，為區(qū)域性水土流失預(yù)防與治理提供理論依據(jù)，對(duì)促進(jìn)紅壤區(qū)生態(tài)恢復(fù)和區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域現(xiàn)狀 我國(guó)南方紅壤地區(qū)降雨量多，加之不合理的耕作制度等人為因素，導(dǎo)致土壤酸性強(qiáng)、有機(jī)質(zhì)缺乏、速效性養(yǎng)分含量低、土壤粘重板結(jié)，出現(xiàn)了土壤退化現(xiàn)象。然而福建山地丘陵多，鄉(xiāng)鎮(zhèn)是水土流失的重點(diǎn)區(qū)域，據(jù)最新衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)顯示，福建省水土流失總面積尚有1.22萬(wàn)hm2，約占土地面積的9.95%。其中，全省上千個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，近300個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)存在較為嚴(yán)重的水土流失問(wèn)題，部分非重點(diǎn)縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水土流失問(wèn)題也不容樂(lè)觀。福建省長(zhǎng)汀縣53.41%的水土流失主要分布在高度300～400m的地帶，15～25°和8～15°坡度地帶水土流失面積分別占水土流失總面積的36.68%和34.90%，60.89%的水土流失集中在高度300～500m、坡度5～25°區(qū)域，不同坡向水土流失分布情況基本上與陽(yáng)坡、陰坡分布相一致[36]；福州北峰和武夷山均屬于南方紅壤丘陵水力侵蝕區(qū)，屬其水土流失主要分布在低山丘陵區(qū)的人工幼林、茶園和果園。近年來(lái)，由于大量新開(kāi)亂開(kāi)茶果園現(xiàn)象較為嚴(yán)重，新開(kāi)墾茶果園水土保持措施不配套、建園標(biāo)準(zhǔn)低。茶果園經(jīng)營(yíng)者水土保持意識(shí)低，管護(hù)措施不當(dāng)，是造成低山丘陵區(qū)茶果園水土流失的主要因素，其次，山地大量開(kāi)發(fā)種植經(jīng)濟(jì)林，加之不合理的管護(hù)措施、過(guò)度地砍伐與挖筍，是造成林下水土流失的主要原因，由此導(dǎo)致山區(qū)水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重[37]。

1.2 采樣點(diǎn)概況 根據(jù)福建省紅壤區(qū)域類(lèi)型的分布情況，本研究選取福州北峰、長(zhǎng)汀、武夷山的人工種植茶園為采樣點(diǎn)，其土壤均為紅壤，且均在水土流失區(qū)域。每個(gè)樣地的具體情況如下：（1）福州北峰：福州市晉安區(qū)宦溪鎮(zhèn)創(chuàng)新村（東經(jīng)119°23′26.4″，北緯26°09′04″），海拔600m。屬中亞熱帶氣候區(qū)，年平均溫度18.2熱，活動(dòng)積溫6300溫，有效積溫3200溫，全年無(wú)霜期316d，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量1500～2200mm。（2）龍巖長(zhǎng)汀：長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)長(zhǎng)汀縣水土保持試驗(yàn)站的試驗(yàn)基地內(nèi)（東經(jīng)116°25′，北緯25°41′）。氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫19.0℃，極端最高氣溫39.8℃，極端最低氣溫-4.9℃，地表極端最高溫度達(dá)76.6℃。全年無(wú)霜期274d，夏長(zhǎng)冬短，一年之中有6個(gè)月平均氣溫在20℃以上。年均降雨量約1700mm，其中4—6月降雨量約占全年的50%，且降雨強(qiáng)度大。土壤為粗晶花崗巖風(fēng)化殼上發(fā)育的山地丘陵紅壤，風(fēng)化強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)疏松，含沙量大，抗蝕能力差。（3）南平武夷山：武夷山星村鎮(zhèn)黃村石源壟自然村老鷹山內(nèi)的人工茶園（東經(jīng)117°54′，北緯27°40′），屬低山丘陵地域，典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫8.4～18℃，相對(duì)濕度為78%～84%，無(wú)霜期253～272d，大部分成土母巖由火山礫巖、紅砂巖和頁(yè)巖組成，表層多為灰紫色砂粒及礫塊。

1.3 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系及其指標(biāo)的選擇 氮、磷、鉀是植物生長(zhǎng)所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素，它們的含量決定著土壤的基本肥力；有機(jī)質(zhì)除了能提供植物所需的各種營(yíng)養(yǎng)元素之外，還能對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的形成、改善土壤物理性質(zhì)有著巨大的相關(guān)性，所以土壤的物理以及化學(xué)性質(zhì)也與有機(jī)質(zhì)存在直接或者間接的聯(lián)系；同時(shí)，不同pH值的土壤所表現(xiàn)出來(lái)的土壤性質(zhì)也存在很大的差異性，無(wú)機(jī)酸在不同的pH值下的解離度會(huì)有巨大的差異而以不同的物質(zhì)形態(tài)存在，又因植物對(duì)不同形態(tài)的同一種無(wú)機(jī)物的吸收難以程度也是千差萬(wàn)別，所以土壤的pH值也是土壤性質(zhì)的重要參數(shù)之一。因此，本研究通過(guò)研究土壤的pH值、氨態(tài)氮、有效鉀、速效磷、有機(jī)質(zhì)5個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)長(zhǎng)汀、福州、武夷山人工茶園的土壤質(zhì)量，為土壤質(zhì)量改良提供有效措施，以達(dá)到促進(jìn)紅壤區(qū)生態(tài)恢復(fù)和區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目的。

1.4 樣品處理及測(cè)定方法 在每個(gè)代表樣地，選取5個(gè)樣點(diǎn)，采用5點(diǎn)法取樣，將土樣挑去石塊、煤渣、殘根葉等雜質(zhì)，經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干，進(jìn)行研磨過(guò)篩，用自封袋保存待測(cè)。土壤銨態(tài)氮的測(cè)定采用氯化鉀浸提-靛酚藍(lán)比色法；土壤有效鉀的測(cè)定采用冷硝酸浸提-火焰光度法；土壤速效磷的測(cè)定采用碳酸氫鈉比色法；土壤pH值采用電位法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀一硫酸氧化法。

1.5 數(shù)據(jù)分析 采用EXCEL2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用SASS19.0軟件進(jìn)行主成分分析及相關(guān)性分析等。

2 結(jié)果與分析

2.1 龍巖長(zhǎng)汀茶園土壤肥力質(zhì)量的變化情況 對(duì)長(zhǎng)汀茶園銨態(tài)氮、速效磷、有效鉀、pH值以及有機(jī)質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析，其結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，銨態(tài)氮與有效鉀成顯著負(fù)相關(guān)性，銨態(tài)氮與pH值也呈顯著正相關(guān)性，速效磷和有機(jī)質(zhì)成顯著負(fù)相關(guān)性，有效鉀與pH值成顯著負(fù)相關(guān)性，說(shuō)明這5個(gè)土壤肥力指標(biāo)之間都存在相互的關(guān)聯(lián)性，該區(qū)域pH值會(huì)影響銨態(tài)氮和有效鉀的含量，有機(jī)質(zhì)含量會(huì)影響速效磷的含量，銨態(tài)氮含量會(huì)影響有效鉀的含量。主成分分析法較適合土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)研究，可以在眾多彼此不相關(guān)的數(shù)據(jù)中，降為簡(jiǎn)化處理，其測(cè)算步驟比較規(guī)范，大部分過(guò)程可通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，各原始指標(biāo)的比重不受人為影響，分析結(jié)果相對(duì)客觀科學(xué)，有利于提高測(cè)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。通過(guò)主成分分析法，可以求得各主成分的特征值、方差貢獻(xiàn)率以及累計(jì)方差貢獻(xiàn)率。把其中特征值大于1的主成分提出來(lái)，具體見(jiàn)表2。由表2可知，這兩組主成分特征值均大于1，第二組的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為100%，由此可見(jiàn)，銨態(tài)氮、有效鉀、速效磷、有機(jī)質(zhì)、pH值都是該地區(qū)土壤肥力的主要影響因子。

2.2 福州北峰茶園土壤肥力質(zhì)量的變化情況 對(duì)福州北峰茶園各土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析（表3），結(jié)果表明，各土壤肥力指標(biāo)之間都存在一定的相關(guān)性，其中有機(jī)質(zhì)與銨態(tài)氮和有效鉀表現(xiàn)為顯著正相關(guān)性，而有機(jī)質(zhì)與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)性，有效鉀與pH值也存在顯著的負(fù)相關(guān)性。由此可以看出，該區(qū)域土壤提高土壤有機(jī)質(zhì)含量即可進(jìn)而提高土壤銨態(tài)氮或者有效鉀的含量。pH值嚴(yán)重影響著土壤有機(jī)質(zhì)和有效鉀的含量，有機(jī)質(zhì)又影響著土壤銨態(tài)氮或者有效鉀的含量，因此pH值會(huì)對(duì)土壤整體肥力質(zhì)量有著密切聯(lián)系。通過(guò)主成分分析法，可以得到第一組主成分累積方差貢獻(xiàn)率為63.45%，第二組主成分累積方差貢獻(xiàn)率為89.78%，兩組主成分分析的特征值均大于1（表4），由此可見(jiàn)，銨態(tài)氮、有效鉀、速效磷、有機(jī)質(zhì)、pH值都是該地區(qū)土壤肥力的主要影響因子。

2.3 南平武夷山茶園土壤肥力質(zhì)量的變化情況 對(duì)南平武夷山茶園的土壤肥力各指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析（表5），結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)與其他所有因子均成負(fù)相關(guān)性，其中與銨態(tài)氮、有效鉀和速效磷呈顯著負(fù)相關(guān)性。銨態(tài)氮與有效鉀和速效磷呈顯著正相關(guān)性，速效磷與有效鉀呈顯著正相關(guān)性，由此可見(jiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)決定著該區(qū)域土壤肥力質(zhì)量的好壞。通過(guò)主成分分析法，可以得出第一組主成分累積方差貢獻(xiàn)率為74.03%，特征值為3.701，第二組主成分累積方差貢獻(xiàn)率為95.44%，特征值為1.070。兩組主成分的特征值均大于1（表6），由此可見(jiàn)，銨態(tài)氮、有效鉀、速效磷、有機(jī)質(zhì)、pH值都是該地區(qū)土壤肥力的主要影響因子。

3 結(jié)論

龍巖長(zhǎng)汀縣茶園土壤的pH值會(huì)影響銨態(tài)氮和有效鉀的含量，有機(jī)質(zhì)含量會(huì)影響速效磷的含量，銨態(tài)氮含量會(huì)影響有效鉀的含量；福州北峰土壤pH值嚴(yán)重影響著有機(jī)質(zhì)和有效鉀的含量，有機(jī)質(zhì)又影響著土壤銨態(tài)氮或者有效鉀的含量，因此pH值會(huì)與土壤整體肥力質(zhì)量有著密切聯(lián)系。南平武夷山茶園土壤肥力質(zhì)量主要受土壤有機(jī)質(zhì)的影響。通過(guò)對(duì)3個(gè)區(qū)域茶園影響土壤肥力的5個(gè)因子進(jìn)行主成分分析，可以看出，銨態(tài)氮、有效鉀、速效磷、有機(jī)質(zhì)、pH值都是南方紅壤水土流失區(qū)茶園土壤肥力的主要影響因子。

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（責(zé)編：張宏民）