基于主成分分析的珙縣土壤肥力評價

金中林 ，朱 雙 ，謝 明 ，鄭 琴 ，姚旭松

（1.珙縣農業(yè)農村局，四川 宜賓 644599；2.四川省科源工程技術測試中心，四川 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，四川 成都 610073）

農田土壤是農業(yè)種植業(yè)的重要組成部分，開展農田土壤肥力評價研究，對建立高標準農田、改善土壤肥力等具有重要價值。稻米、包谷等莊稼的生長發(fā)育狀況一般都和農田土壤肥力有關, 而農田土壤肥力則受土地物理、化學、生態(tài)有關等因素性質影響。土壤養(yǎng)分等級高低是評價土壤肥力好壞的重要指標之一，水稻、玉米的生長以及它們的質量與產量均受土壤養(yǎng)分含量影響。研究表明，了解土壤養(yǎng)分等級狀況，對水稻、玉米等農作物正確施肥、茁壯成長具有極為重要的理論指導意義[1]。國內外學者對農業(yè)土壤肥力評價[2-4]的評價方法、評價準則以及具體實踐方面開展了有益探索，但他們主要是以單因子評價為主，借助統計學主成分分析研究相對較少。因此，本研究選擇宜賓珙縣農田土壤為研究對象，使用SPSS主成分分析法對珙縣土壤肥力養(yǎng)分指標進行評價，分析評價珙縣土壤肥力等級狀況。

1 研究區(qū)概括

珙縣地處四川省宜賓市境南部，東經104°38′～105°02′、北緯 27°53′～28°31′[5]。珙縣儲存無煙煤炭、硫鐵礦、石英砂等14 種珍稀礦種，除此之外珙縣還有中國頁巖氣使用量第一的小鎮(zhèn)——上羅鎮(zhèn)。由于珙縣同時也是四川主要的能源、建筑材料、石油化工基地，如何防止農業(yè)環(huán)境受工業(yè)污染是珙縣發(fā)展水稻、玉米種植業(yè)面臨的主要問題之一。為了響應國家建立高標準農田，本研究評價土壤肥力狀況，為珙縣農業(yè)土壤改良提供依據。

2 材料與方法

2.1 土樣采集與處理

2021 年9 月開展本次調研，于玉和苗族鄉(xiāng)、王家鎮(zhèn)、巡場鎮(zhèn)、石碑鄉(xiāng)、孝兒鎮(zhèn)、下羅鎮(zhèn)、上羅鎮(zhèn)、仁義鄉(xiāng)、沐灘鎮(zhèn)和洛亥鎮(zhèn)等17 個主要玉米、水稻種植鄉(xiāng)鎮(zhèn)進行采樣。該采樣區(qū)域均為黔桂高原山地林農牧區(qū)。調研的采樣地點如表1 采樣位點所示，本次共采集土壤樣品85 份。采樣時，按照“S”型路徑[6]隨機選擇5 點取樣。所有土壤樣品做好記錄，帶回實驗室。土樣放在實驗室烘干箱60℃烘干，去除植物雜根、石頭等雜質，分別用于不同土壤指標（pH 值、有機質濃度、全氮濃度、堿解氮濃度、有效磷濃度、速效鉀濃度、緩效鉀濃度）測定。

表1 采樣位點表

2.2 數據處理

數據經Excel 匯總后使用spss26.0 軟件的描述統計法對土壤中各理化指標進行平均數、標準差、變異系數法等分析以及利用spss26.0 軟件的因子降維分析方法進行主成分分析[7]，比較不同采樣點的土壤肥力情況，利用spss26.0 統計軟件進行分析，基本步驟如下：（1）選取土壤理化因子作為評價指標。（2）數據標準化。對原始數據實行規(guī)范化處理，減少各種數據之間的量綱和數量級差異。（3）確定主成分個數和表達式。通常選擇特征值大于1 的成分。（4）土壤肥力評價。計算主成分分值，綜合得分越高，表明土壤肥力指標越差。并通過origin 軟件進行Pearson 相關性分析。

2.3 土壤養(yǎng)分等級分析

土壤pH 值、有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀分級標準參照土壤養(yǎng)分分級標準[8-9]，詳見表2、3。

表2 土壤酸堿分級標準

表3 土壤養(yǎng)分分級標準

3 結果與討論

3.1 珙縣土壤養(yǎng)分等級分析

土壤肥力評估是通過數理統計學的方法分析采集土地樣品的土壤屬性特性差異，進而評估整個地區(qū)的農業(yè)土壤肥力狀況。

從表4 和表5 可知，珙縣土壤大多表現為酸性。17 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中pH 值平均值最高的小鎮(zhèn)為上羅鎮(zhèn)，為7.70；底洞鎮(zhèn)的pH 值平均值最低，為4.60。土壤酸堿性對土壤肥力好壞、微生物生長活性以及包谷、水稻的代謝成長均有極為顯著的作用[10]。土壤過酸會導致土壤礦物質缺乏等現象，從而使農作物的產量及質量大幅下降[11]。影響土壤pH 值的原因不少，而土壤在自然界下酸化速度較為緩慢，所以人為活動如耕地、施肥等是導致土壤酸化速度加速的最主要原因之一[12-13]?？梢酝ㄟ^使用改良劑改善土壤物理性質，并促進玉米、水稻的生長[14]。從表5 可得，珙縣土壤天然土壤有機質質量分數大多處于豐富水平。17 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中羅渡苗族鄉(xiāng)天然土壤有機質質量分數平均值最高，為55.80 g/kg；仁義鄉(xiāng)的有機質質量分數平均值最低，為11.20 g/kg。珙縣土壤全氮質量分數大多處于豐富水平。17 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中羅渡苗族鄉(xiāng)的全氮質量分數平均值最高，為3.00 mg/kg；沐灘鎮(zhèn)的全氮質量分數平均值最低，為0.83 mg/kg。珙縣土壤堿解氮質量分數總體較為豐富。17 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中羅渡苗族鄉(xiāng)堿解氮質量分數平均值最高，為245.00mg/kg；巡場鎮(zhèn)堿解氮質量分數平均值最低，為66.00 mg/kg。珙縣土壤有效磷質量分數大體豐富，17 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中珙泉鎮(zhèn)有效磷質量分數平均值最高，為72.00 mg/kg；恒豐鄉(xiāng)有效磷質量分數平均值最低，為6.30 mg/kg。珙縣土壤速效鉀質量分數相對較為貧乏。17 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中王家鎮(zhèn)速效鉀質量分數平均值最高，為281.00 mg/kg；石碑鄉(xiāng)速效鉀質量分數平均值最低，為58.00 mg/kg。

表4 各采樣點理化指標表

續(xù)表4

表5 珙縣土壤pH 值狀況

表6 珙縣土壤養(yǎng)分狀況

3.2 珙縣土壤pH 值、有機質與有效養(yǎng)分的相關性

土壤中的各指標并不是單獨存在的，在一定程度上是存在關系的，通過Pearson 相關性分析[15]，初步分析離子的來源。

由圖1 可以看出，各指標參數存在不同程度的相關性，通過臨界相關系數可以進一步判斷相關程度的大小。Pearson 相關系數見表7。

圖1 Pearson相關系數圖

從表7 可知，調研土壤pH 值與有機質(r=0.52*)含量均呈顯著的中等程度相關關系；土壤有機質與全氮(r=0.86**)和堿解氮(r=0.67**)含量極顯著極強相關和強相關。土壤全氮和堿解氮(r=0.85**)含量極顯著極強相關。

表7 Pearson 相關系數值

pH值、有機質、全氮相關性較強，極有可能為同一來源，根據當地種植情況推測，營養(yǎng)成分碳、氮的相關性極有可能是由于農業(yè)施肥造成的[16-19]。

3.3 珙縣土壤肥力等級評價

采用主成分分析法計算各個取樣點的肥力水平,主要因素的均方差和方差累計貢獻如表8所示。成分矩陣、各采樣點主成分分析法肥力綜合評價結果如表9、10所示。

表8 特征值和主成分貢獻率及累計貢獻率 單位：%

表9 成分矩陣

根據綜合評價函數Y得分情況，可以給出土壤肥力的定量評價，得分越高，就說明土壤肥力質量越高，各采樣點SPSS主成分分析法肥力綜合評價結果如表10所示。SPSS主成分分析肥力評價法結果表明：羅渡苗族鄉(xiāng)土壤最肥沃，其次為下羅鎮(zhèn)；沐灘鎮(zhèn)土壤最貧瘠，其次為孝兒鎮(zhèn)，其余采樣點的土壤肥力情況如表10所示。

表10 各采樣點主成分分析法肥力綜合評價結果

4 結論

（1）珙縣土壤大多表現為酸性，少量堿性土壤。17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)有機質含量、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀總體較為豐富。

（2）珙縣土壤pH值、有機質與有效養(yǎng)分的相關性：pH值、有機質、全氮相關性較強，極有可能為同一來源，根據當地種植情況推測，營養(yǎng)成分碳、氮的相關性極有可能是由于農業(yè)施肥造成的。

（3）主成分分析肥力評價法結果表明：羅渡苗族鄉(xiāng)土壤最肥沃，其次為下羅鎮(zhèn)；沐灘鎮(zhèn)土壤最貧瘠，其次為孝兒鎮(zhèn)。

（4）珙縣農田土壤養(yǎng)分含量較為豐富，種植區(qū)域較適合水稻、玉米生長。建議珙縣合理施用氮磷鉀肥料并重視酸化土壤治理，防止工業(yè)污染，提高土壤肥力。