基于主成分分析和聚類分析的紅河州植煙土壤特性研究

唐佐芯，李天壁，陳澤斌，李銀花，楊啟凡，陳麗娟，任 禛，王彬彬，付亞麗，王 坤，夏體淵*

(1.昆明學(xué)院，云南 昆明 650214；2.云南省煙草公司紅河州公司技術(shù)中心，云南 彌勒 652300；3.云南圣清環(huán)?？萍加邢薰?，云南 昆明 650093)

【研究意義】隨著統(tǒng)計(jì)分析軟件的普遍應(yīng)用，土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)越來(lái)越側(cè)重多因子的綜合評(píng)價(jià)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】主成分分析和聚類分析在煙草農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛，但多集中于烤煙物理質(zhì)量[1]、化學(xué)品質(zhì)[2]、烤煙品種綜合評(píng)價(jià)[3]、烤煙成品穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[4]、煙葉香氣物質(zhì)分析[5]等方面。而土壤條件是控制煙葉質(zhì)量形成的關(guān)鍵因素之一，適宜的土壤養(yǎng)分是煙草優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的基礎(chǔ)?；谥矡熗寥鲤B(yǎng)分狀況分析多集中于養(yǎng)分本身特性的評(píng)價(jià)[6-7]，有研究利用聚類分析綜合評(píng)價(jià)土壤并將土壤分為5大類，同時(shí)提出施肥建議[8]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】云南省紅河哈尼族彝族自治州(以下簡(jiǎn)稱紅河州)以高原山地為主，烤煙生產(chǎn)分為地?zé)熀吞餆?，海拔差異大，植煙區(qū)域主要分布于海拔1135～2169 m范圍，不同海拔的土壤溫度、水分和土壤肥力等環(huán)境異質(zhì)性會(huì)對(duì)作物的生長(zhǎng)和土壤的微環(huán)境產(chǎn)生影響[9-10]。紅河州土壤有磚紅壤、赤紅壤、紅壤、黃壤、黃棕壤、石灰土、燥紅土、紫色土、水稻土9類[11]。研究植煙土壤，要考慮植煙區(qū)域的海拔、地形、土壤類型、前茬作物等環(huán)境因素?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】利用主成分分析和聚類分析方法綜合評(píng)價(jià)紅河州植煙土壤養(yǎng)分，并結(jié)合環(huán)境要素對(duì)其植煙土壤進(jìn)行分類，以期為烤煙平衡施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

紅河州屬低緯高原亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，北回歸線穿越全州，境內(nèi)山巒起伏，地貌復(fù)雜多樣，有北熱帶、南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶、南溫帶和中溫帶6種氣候類型，紅河州大部分耕作區(qū)域處于熱帶和亞熱帶氣候區(qū)，光、熱、水條件比較優(yōu)越。年平均日照時(shí)數(shù)1065～2300 h，烤煙生育期的5-9月，州內(nèi)主要植煙區(qū)日照時(shí)數(shù)為646.4～821.8 h，日照百分率為32.4 %～41.2 %，有利于煙葉生產(chǎn)。無(wú)霜期在300 d左右，氣候溫和，降水量較為充沛，平均降水量約1491mm，年平均降雨日數(shù)為152 d，雨季(5-10月)降水量約占全年總降水量的80 %以上。降水時(shí)空分布極不均勻，呈南多北少，山區(qū)多于壩區(qū)，夏秋降水集中，冬春干旱明顯。在烤煙生長(zhǎng)大田期，各地月均降水量均在100 mm以上，能滿足烤煙生長(zhǎng)發(fā)育的需要。在正常年景下，州內(nèi)植煙區(qū)域降水量及降水規(guī)律，基本上與烤煙種植需水相吻合，能滿足生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉的需要[12]。

1.2 土壤樣品采集與分析

2018年由紅河州煙草公司組織，以紅河州個(gè)舊、建水、開(kāi)遠(yuǎn)、瀘西、蒙自、彌勒和石屏7個(gè)縣(市)的植煙土壤為對(duì)象，烤煙移栽前分別采集21，76，53，246，68，251，166個(gè)，共計(jì)881個(gè)樣品。取樣點(diǎn)數(shù)量按照不同土壤類型、種煙規(guī)模、品種、海拔(以200 m為1個(gè)海拔段)等因素進(jìn)行確定。海拔分為1350 m以下、1350～1550 m、1551～1750 m、1751～1950 m、1951～2150 m 5個(gè)梯度，同一海拔段內(nèi)，種煙面積>133.33 hm2、視其品種、土壤類型的代表性，設(shè)立土壤取樣點(diǎn)2～3個(gè)；種煙面積<66.67 hm2的行政村，視其品種、土壤類型的代表性，設(shè)立土壤取樣點(diǎn)1～2個(gè)；種煙面積<20 hm2的行政村，除特殊情況外、原則上不設(shè)取樣點(diǎn)。取樣點(diǎn)數(shù)量的確定須兼顧當(dāng)?shù)乜緹煼N植基地單元規(guī)劃(或行政區(qū)劃)；要兼顧土壤類型；田煙和地?zé)?；品種區(qū)劃等情況。采集土壤樣品要進(jìn)行GPS定位編號(hào)登記，按照“S”型采樣法采集耕作層0～20 cm土壤。土壤樣品去除根系、石塊等雜物，自然風(fēng)干，過(guò)篩后備用。

土壤樣品分析項(xiàng)目包括：pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、有效磷、速效鉀、有效鋅、有效硼、有效鉬、水溶性氯和交換性鎂等11個(gè)指標(biāo)。分析方法依據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)(表1)。土壤理化性狀參考和借鑒《中國(guó)植煙土壤及煙草養(yǎng)分綜合管理》的中國(guó)植煙土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)和《全國(guó)第二次土壤普查土壤養(yǎng)分劃分指標(biāo)》，土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)采用《GB 15618-2018土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)價(jià)(表2～3)。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

應(yīng)用Excel 2007對(duì)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行篩選、分類和整理；用變異系數(shù)(c.v.) 的大小表示土壤特性空間變異性的強(qiáng)弱，c.v. ≤0.1 時(shí)為弱變異性，0.1

對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，求出相對(duì)應(yīng)的相關(guān)矩陣，然后計(jì)算相關(guān)矩陣的特征根、方差貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率，確定因子個(gè)數(shù)，完成因子分析。同時(shí)，為減少土壤養(yǎng)分分類的指標(biāo)數(shù)量，保證樣品分類結(jié)果的可信度與科學(xué)性，根據(jù)因子分析結(jié)果進(jìn)行聚類分析，在方法上采用歐氏距離測(cè)量，使用平均聯(lián)接(組間)的樹(shù)狀圖重新調(diào)整距離聚類合并，每2 個(gè)樣本間用 Average linkage 法連結(jié)，采用 SPSS 22. 0聚類分析程序?qū)颖具M(jìn)行聚類分組。最后根據(jù)分類進(jìn)行共性匯總。

表1 土壤樣品檢測(cè)指標(biāo)、檢測(cè)方法及依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

表2 土壤酸堿度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 紅河州植煙土壤養(yǎng)分特性

如表4所示，2018年，紅河州土壤pH平均值為6.27，土壤酸堿性整體呈微酸性；有機(jī)質(zhì)含量平均為27.35 g/kg，屬中等；全氮含量平均為1.45 g/kg，屬中等；水解性氮含量平均為115.89 mg/kg，屬中等；有效磷含量平均為28.08 mg/kg，屬中等；速效鉀含量平均為214.30 mg/kg，屬中等；水溶性氯含量平均為9.67 mg/kg，屬很低；交換性鎂含量平均為261.23 mg/kg，屬高；有效鋅含量平均為2.82 mg/kg，屬很高；有效硼含量平均為0.41 mg/kg，屬低；有效鉬含量平均0.79 mg/kg，屬很高。其中，土壤pH變異程度最低，水溶性氯、有效鋅和有效鉬具有強(qiáng)變異特性，其他養(yǎng)分則屬于中等變異。

表3 土壤大量、中量和微量元素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表4 紅河州7個(gè)縣(市)土壤養(yǎng)分狀況

2.2 主成分分析

結(jié)合地形、前茬作物、土壤類型、海拔因子和土壤理化等指標(biāo)，為確定各指標(biāo)的相對(duì)重要性，利用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析。具體步驟如下：標(biāo)準(zhǔn)化處理各指標(biāo)，進(jìn)行 Bartlett 檢驗(yàn)，其中 KMO 檢驗(yàn)值為0.735(P<0.05)，以此進(jìn)行主成分分析。結(jié)果如表5所示：以特征值大于0.9，共提取8個(gè)因子，主成分的方差貢獻(xiàn)率第 1 個(gè)約18.96 %、第 2 個(gè)約 12.37 %、第 3 個(gè)約 10.60 %、第 4 個(gè)約 8.32 %、第 5 個(gè)約 7.95 %、第 6個(gè)約 7.02 %、第 7個(gè)約 6.95 %、第 8個(gè)約 6.77 %，累計(jì)解釋78.95 %。

如表6所示：第1主成分和土壤有機(jī)質(zhì)高度正相關(guān)，第2主成分和土壤pH高度正相關(guān)， 第3主成分與土壤有效磷高度正相關(guān)，第4主成分與地形高度正相關(guān)，第5主成分與海拔高度正相關(guān)，第6主成分與土壤有效硼含量高度正相關(guān)，第7主成分與土壤水溶性氯含量高度正相關(guān)，第8主成分與土壤有效鉬含量高度正相關(guān)。因?yàn)榭偡讲罱?8.95 %的貢獻(xiàn)率來(lái)自于這8個(gè)因素，由此認(rèn)為地形、海拔、pH、有機(jī)質(zhì)、有效磷、有效鉬、有效硼和水溶性氯是紅河州植煙土壤的特征元素。

2.3 聚類分析

將主成分分析的結(jié)果(即所有樣本的地形、海拔、pH、有機(jī)質(zhì)、有效磷、有效鉬、有效硼和水溶性氯) 通過(guò)聚類分析。紅河州植煙土壤可分為6大類，結(jié)果見(jiàn)表7。

第一類：789個(gè)樣品，占總樣品的89.56 %，分布于7個(gè)縣(市)59個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，海拔變幅1170～2169 m，平均海拔1787 m，屬地?zé)?。主要特征：土壤pH微酸，有機(jī)質(zhì)和有效磷含量中等，有效鉬含量高，有效硼和水溶性氯含量低。

表5 主要因子的特征值和貢獻(xiàn)率

表6 8個(gè)主要因子對(duì)應(yīng)的載荷矩陣

第二類：62個(gè)樣品，占總樣品的7.04 %，分布于4個(gè)縣(市)10個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，海拔變幅1278～2041 m，平均海拔1840 m，屬田煙。主要特征：土壤pH中性，有機(jī)質(zhì)和有效磷含量高，有效鉬含量很高，有效硼和水溶性氯含量低。

第三類：24個(gè)樣品，占總樣品的2.72 %，分布于4個(gè)縣(市)9個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，海拔變幅1343～2074 m，平均海拔1794 m，屬地?zé)?。主要特征：土壤pH微酸，有機(jī)質(zhì)中等，有效磷、有效硼和水溶性含量低，有效鉬含量很高。

表7 紅河州各類群主要土壤理化特征差異

第四類：1個(gè)樣品，占樣品總數(shù)的0.11 %，分布于1個(gè)縣(市)的1個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，海拔1135 m，屬田煙。主要特征：土壤pH中性，有機(jī)質(zhì)和有效磷含量中等，有效鉬含量很高，有效硼和水溶性氯含量低。

第五類：3個(gè)樣品，占樣品總數(shù)的0.34 %，分布于2個(gè)縣(市)的2個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，海拔變幅1765～1840 m，平均海拔1796 m，屬地?zé)?。主要特征：土壤pH中性，有機(jī)質(zhì)和有效磷含量中等，有效鉬含量很高，有效硼和水溶性氯含量低。

第六類：2個(gè)樣品，占樣品總數(shù)的0.23 %，分布于2個(gè)縣(市)的2個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，海拔變幅1565～1920 m，平均海拔1743 m，屬地?zé)?。主要特征：土壤pH中性，有機(jī)質(zhì)和有效磷含量中等，有效鉬含量很高，有效硼和水溶性氯含量低。

3 討 論

目前，用于土壤養(yǎng)分分類和綜合肥力評(píng)價(jià)的方法較多，主要有隸屬函數(shù)法[7]、生態(tài)適宜度評(píng)價(jià)[13]、灰色關(guān)聯(lián)度分析[14]等。采用因子分析和聚類分析結(jié)合的方法，在復(fù)雜的土壤養(yǎng)分指標(biāo)中，通過(guò)因子分析篩選出若干個(gè)能有效反應(yīng)全部指標(biāo)所提供的大部分信息的指標(biāo)，并以此指標(biāo)作為聚類分析的依據(jù)，陳朝陽(yáng)用此方法將福建南平煙區(qū)的土壤分為5大類，并根據(jù)分類統(tǒng)計(jì)信息給出相應(yīng)的施肥建議[8]。紅河州海拔變幅為1135～2169 m，海拔差異大，1350～1550、1550～1750、1750～1950 m海拔范圍內(nèi)的土壤樣品分別占8 %、24 %和55 %。研究表明，云南主要烤煙種植區(qū)不同海拔(1200～2200 m)對(duì)煙葉鉀和氯含量有顯著影響[15]。

地形對(duì)土壤養(yǎng)分和土壤微環(huán)境[16]的影響十分顯著；在云南陸良煙區(qū)，李強(qiáng)[17]用土壤分形維數(shù)表征土壤養(yǎng)分，研究表明，海拔高度和土壤類型及有機(jī)質(zhì)含量、地形和輪作模式對(duì)植煙土壤分形維數(shù)有顯著影響。紅河州植煙土壤主要分為田和地兩種，采集的881個(gè)樣品中，818個(gè)樣品屬地?zé)燁愋?，?2.85 %，分布于緩坡、平緩、平地、坡地和臺(tái)地等幾種類型中，其中，緩坡、平緩分別占44.74 %、31.05 %；屬田煙類型的有63個(gè)樣品，占7.15 %，均分布在平地。研究顯示，地形條件是影響土壤分類的主要因子之一。紅河州地?zé)燁愋拓S富，在后續(xù)施肥管理中可加以細(xì)化，以提高施肥管理的精準(zhǔn)度。

紅河州植煙區(qū)前茬作物主要包括糧食作物(61.41 %)，如小麥、大麥、玉米、豌豆、蠶豆等；蔬菜作物(10.78 %)，如白菜、鐵頭、苦菜、油菜、青花等；茄科植物(3.75 %)，如辣椒和烤煙；其他作物(1.70 %)如綠肥和萬(wàn)壽菊等，還有22.36 %的冬閑。前茬作物的影響在第6主成分中也比較顯著。前茬非烤煙作物一般不施用微肥，前茬為茄科煙草屬作物的比例僅為2.95 %，而有效鉬的變異程度最高(227.83 %)，有效鋅(190.48 %)和水溶性氯(179.88 %)次之，前茬作物對(duì)微量元素變異產(chǎn)生了顯著影響。氯、鋅和鉬等微量元素是烤煙生長(zhǎng)的重要元素，紅河州植煙土壤有效鉬含量的富集，氯和鋅含量的消耗，會(huì)因?yàn)榫植渴┓什町悓?dǎo)致微量元素的空間變化[18]。

大量的研究表明，土壤酸堿度在5.5～6.5最適宜烤煙生長(zhǎng)[19]，聚類分析的前三類土壤酸堿度為適宜，而后三類土壤酸堿度屬中性偏堿，可采取施用有機(jī)肥、種植綠肥、秸稈還田等措施增加土壤腐殖酸含量[9]，降低土壤pH。有機(jī)質(zhì)含量在20～40 g/kg范圍內(nèi)，比較適宜烤煙的生長(zhǎng)和品質(zhì)的形成[20]，本研究的6個(gè)土壤類型中，有機(jī)質(zhì)含量平均屬中等偏高，僅第二類有機(jī)質(zhì)含量較高，對(duì)此，有機(jī)肥可用在前茬作物上，烤煙種植當(dāng)季少施或不施有機(jī)肥[9]，通常情況下，在植物的吸收利用中磷與氮相互影響，施用氮肥能促進(jìn)磷的吸收，但還需控制氮肥用量。有效磷含量低的第三類土壤可增施磷肥。

4 結(jié) 論

紅河州植煙土壤有效鉬含量高，有效硼和水溶性氯含量低，土壤類型受地形、海拔和pH的顯著影響。紅河州植煙土壤以第一類為主，占比89.56 %，土壤pH為微酸，有機(jī)質(zhì)和有效磷含量中等，土壤養(yǎng)分屬中等水平。