基于主成分和聚類分析的永泰縣土壤養(yǎng)分地球化學綜合評價

江曉龍

(福建省煤田地質(zhì)勘查院，福建福州 350000)

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況永泰縣隸屬福州市管轄，地理位置為118°07′08″～119°12′30″E、25°39′00″～26°04′21″N，土地面積共2 229.86 km2。全縣常年平均氣溫14.6～26.0 ℃，年無霜期近300 d，日照時數(shù)1 445～2 193 h，年降水量1 400～2 000 mm。憑借其得天獨厚的自然環(huán)境，孕育出芙蓉李、綠茶、白云檳榔芋等一系列名特優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品，獲得國家地理標志證明商標、農(nóng)產(chǎn)品地理標志產(chǎn)品等。

成土母質(zhì)以沉積巖、中酸性侵入巖、火山巖為主，在多種因素的綜合作用下，形成了諸多土壤類型。根據(jù)第二次土壤普查工作，查明縣域地表土壤有8個土類，17個亞類，包括紅壤、黃壤、黃棕壤、草甸土、紫色土、石灰(巖)土、潮土、水稻土。

1.2 評價方法

1.2.1土壤樣品采集。以《福建省農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查評價工作手冊》[12]為依據(jù)，對永泰縣域內(nèi)耕地現(xiàn)狀圖斑進行評價單元劃分，在評價單元中面積較大的地塊內(nèi)通過GPS定位采集土壤樣品，根據(jù)評價單元面積大小采集3～5個子樣品，再以等量混合的形式組合成1件樣品，共采集耕層土壤1 955件。經(jīng)室內(nèi)風干、過篩后按四分法縮分留樣備用。

1.2.2樣品測試與方法。樣品的檢測根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學評價規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)、《福建省農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查評價工作手冊》等相關規(guī)范規(guī)程由福建省121地質(zhì)大隊化驗測試中心完成。土壤氮測定采用凱氏定氮法；土壤磷、鉀測定采用X-熒光光譜法(XRF)；有機質(zhì)測定采用化學容量法(VOL)，堿解氮測定采用堿解-擴散法；速效磷測定采用氟化銨-鹽酸提取(碳酸氫鈉溶液浸提)-鉬銻抗比色法；速效鉀測定采用乙酸銨提取-等離子體發(fā)射光譜法。

1.3 數(shù)據(jù)處理利用SPSS統(tǒng)計軟件對樣品測試結果進行統(tǒng)計學分析，在標準化處理后構建相關系數(shù)矩陣并進行KMO、Bartlett球形度檢驗，以判斷進行因子分析的可行性。累計貢獻率大于80%作為選擇主成分的前提條件，隨后建立主成分的因子荷載矩陣，通過換算得出主成分得分系數(shù)，以計算主成分分值，進一步通過綜合得分公式求取各評價單元土壤養(yǎng)分綜合得分值(F)，隨即根據(jù)綜合得分值對土壤樣品進行K-均值聚類統(tǒng)計分析，評價工作區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分地球化學綜合等級。

人老了的最大特征是變得啰嗦了。每次打電話，絮絮叨叨的總是那些事，剛說過的一句話，沒過兩分鐘又重復一遍。上次我媽給我打電話，開頭一句是：“要是不舒服你要記得去醫(yī)院看看啊?！笨鞉祀娫挄r又補一句：“一定要去醫(yī)院看看啊，樓下的那家健民藥店有個老中醫(yī)就挺好，早點去，免得排隊。”

主成分得分計算公式[7]：

(1)

式中，F(xiàn)ni代表第n個采樣點第i項主成分的得分；αij代表第i項主成分第j項原始指標的載荷；Znj代表第n個采樣點第j項原始指標的標準化數(shù)據(jù)。

綜合得分計算公式[13]：

(2)

式中，F(xiàn)表示綜合得分，γi表示第i項主成分貢獻率。

2 結果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分指標一般性描述根據(jù)參數(shù)統(tǒng)計結果(表1)可見，工作區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分含量分布不均勻，從偏度、峰度可看出，養(yǎng)分含量的分布形態(tài)多呈高尖峰右偏態(tài)分布，即養(yǎng)分含量總體處于相對低值區(qū)，但存在少量的異常值，其中有效磷變化幅度最大，極差達1 018.47 mg/kg。從樣品變異系數(shù)可看出，有機質(zhì)、堿解氮、全氮、全鉀變異系數(shù)為34%～39%，屬于中等變異；有效磷、速效鉀、全磷變異系數(shù)不小于69%，呈高變異性，異常高值的存在一方面可能是受人為活動影響，另一方面可能與成土母質(zhì)不同有關。pH中位數(shù)為5.02，眾數(shù)為4.79，均值5.04，變異系數(shù)僅為8%，屬于弱變異，表明工作區(qū)內(nèi)土壤酸堿度差異性較小，區(qū)內(nèi)土壤總體呈酸性。

表1 土壤養(yǎng)分指標描述統(tǒng)計Table 1 The descriptive statistics of nutrients content index

2.2 土壤養(yǎng)分指標等級根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準，從表2可以看出，有機質(zhì)含量3等(中等)以上評價單元比例達64.50%；約68.29%的評價單元內(nèi)堿解氮含量水平在3等(中等)以上；全氮含量3等(中等)以上比例為63.68%；有效磷含量在33.50%的評價單元中超過了40 mg/kg，表現(xiàn)為1等(豐富)；全磷含量水平較低，72.08%的評價單元全磷等級在4等(較缺乏)以下；速效鉀、全鉀等級較低，以4等(較缺乏)為主。

表2 土壤養(yǎng)分含量等級分布比例Table 2 Distribution proportion of soil nutrient content grades

工作區(qū)內(nèi)土壤具有較高的氮肥力，速效鉀、全鉀、全磷含量較低，說明工作區(qū)內(nèi)土壤鉀、磷的缺乏，但較高的有效磷含量表明土壤中水溶性磷、部分吸附態(tài)磷及有機態(tài)磷等可被植物吸收的磷組分含量較多。土壤pH總體偏低，呈酸性，過酸的土壤會影響土壤和肥料中養(yǎng)分的溶解、沉淀和微生物的活動，進而影響?zhàn)B分的有效率，從而影響作物正常生長，并極易導致病蟲害發(fā)生，應適時進行酸土改良。

2.3 土壤養(yǎng)分綜合評價

2.3.1相關系數(shù)矩陣及統(tǒng)計學檢驗。各評價指標間存在相關性是進行因子分析的前提，利用SPSS軟件對各指標進行標準化處理并構建相關系數(shù)矩陣(表3)。由表3可見，各因子間均存在不同程度的相關性，表明各因子對土壤養(yǎng)分的作用效果存在著重疊關系且可相互影響，其中有機質(zhì)與全氮的相關系數(shù)為0.918，相關性最高，其次是堿解氮與全氮以及有機質(zhì)與堿解氮間的相關性。

對各因子相關性進行KMO和Bartlett檢驗，結果顯示，KMO值為0.74，表明各因子有較強的相關性，相關矩陣可行，適合進行因子分析[14]；Bartlett值(P)為0.00，進一步說明各因子間存在顯著的相關性，即各因子間存在著可信度較高的線性相關，可進行因子分析[14]。

表3 相關系數(shù)矩陣Table 3 Correlation matrix

2.3.2主成分分析。以累計貢獻率大于80%為提取條件，可提取3個主成分，貢獻率分別為45.966%、22.540%、13.204%，累計貢獻率達81.710%(表4)，說明3個主成分可體現(xiàn)土壤養(yǎng)分7個因子中81.710%的信息。

表4 主成分貢獻率Table 4 The contribution rate of principal component

進一步通過因子荷載系數(shù)判斷各因子在不同主成分上的權重比例[15]，由表5可見，主成分1可有效反映有機質(zhì)、堿解氮、全氮和全磷的權重影響，主成分2可反映有效磷的權重影響，主成分3反映速效鉀、全鉀的權重影響。

根據(jù)公式(1)與表5得出各主成分得分方程分別為：

Fn1=0.51Zn1+0.51Zn2+0.19Zn3+0.05Zn4+0.52Zn5+0.36Zn6-0.19Zn7

(3)

Fn2=-0.20Zn1-0.12Zn2+0.62Zn3+0.47Zn4-0.15Zn5+0.46Zn6+0.33Zn7

(4)

Fn3=0.16Zn1+0.20Zn2-0.41Zn3+0.56Zn4+0.15Zn5-0.27Zn6+0.59Zn7

(5)

結合公式(2)及表5得出主成分綜合得分方程為：

F=0.459 7Fn1+0.225 4Fn2+0.132 0Fn3

(6)

綜合得分越高則表明土壤養(yǎng)分的綜合程度越好，土壤越肥沃，反之則表示土壤相對貧瘠[7]。對各采樣點綜合得分進行描述性統(tǒng)計，結果發(fā)現(xiàn)，工作區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分綜合得分在-2.08～4.10，均值為0，標準差為0.88，不同評價單元土壤綜合養(yǎng)分等級差異較大；偏度為0.891，峰度為1.065，呈低尖峰右偏態(tài)分布，表明工作區(qū)內(nèi)土壤肥力離群值較少，總體肥力較低，需完善配方肥料供應體系，根據(jù)實際需求測土配方施肥，提高施肥效率，以改善土壤肥力。

表5 因子荷載與得分系數(shù)Table 5 Factor load and score coefficient

2.3.3聚類分析。采用K-均值聚類將土壤養(yǎng)分綜合得分分為5類，最終聚類中心見表6。第1聚類小組占比最高(30.69%)，土壤養(yǎng)分綜合得分均值為-0.35，屬于土壤肥力較缺乏區(qū)；第2小組(肥力中等區(qū))占比25.47%；肥力較富集以上區(qū)域累計占比僅為19.85%；工作區(qū)內(nèi)土壤綜合養(yǎng)分狀況較差，較缺乏、缺乏占比達54.68%，進一步表明工作區(qū)內(nèi)土壤肥力的不足。

表6 綜合得分分類Table 6 Classification of comprehensive scores

3 討論

該研究以統(tǒng)計學為基礎，通過主成分分析、聚類分析對土壤地球化學綜合養(yǎng)分進行評價，結果顯示，永泰縣有機質(zhì)含量水平主要為3等，土壤普遍富氮缺磷、鉀。通常土壤中可被植物吸收的氮、磷、鉀多以堿解氮、有效磷、速效鉀的形式出現(xiàn)，但縣域內(nèi)土壤普遍呈現(xiàn)出速效鉀缺乏、有效磷較富集的現(xiàn)象，堿解氮水平則以中等為主。pH平均值為5.04，變異系數(shù)小，表明區(qū)內(nèi)土壤總體呈酸性，且不同土壤類型、成土母質(zhì)下的差異性較小，推測區(qū)內(nèi)土壤酸化應與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動有關，如過磷酸鈣等酸性肥料的使用。主成分分析顯示，提取3個主成分可呈現(xiàn)出土壤綜合養(yǎng)分81.710%的信息，能取得較好的分析效果。從土壤養(yǎng)分地球化學綜合等級來看，永泰縣內(nèi)土壤綜合得分普遍不高，應加強土壤及耕作方式的科學化管理，加強人為的正向干預，改良土壤肥力及質(zhì)量。

運用統(tǒng)計學方法雖可最大程度地減少人為主觀因素對評價結果的影響，但土壤是一個開放的載體，綜合養(yǎng)分不僅由地球化學元素決定，土壤的類型、耕作方式、生態(tài)環(huán)境變化等因素時時刻刻都在影響著土壤的狀態(tài)。此次研究僅從地球化學角度出發(fā)，選取土壤養(yǎng)分大量元素作為評價指標較為有限，如何對土壤養(yǎng)分進行更加全面的、多角度、多維度的科學評價仍需進一步探討。

4 結論

(1)工作區(qū)土壤養(yǎng)分元素含量分布不均勻，變異性高，總體具有較高的氮肥力，但普遍缺鉀缺磷。pH總體較低，酸性土占比99.65%，土壤總體酸性較強，變異性低。

(2)土壤養(yǎng)分地球化學綜合得分在-2.08～4.10，均值為0，標準差0.88，呈低尖峰右偏態(tài)分布，表明工作區(qū)內(nèi)土壤綜合養(yǎng)分普遍偏低，僅有少部分區(qū)域具有較好的土壤養(yǎng)分。

(3)通過K-均值聚類分析，工作區(qū)內(nèi)有30.69%的評價單元土壤綜合養(yǎng)分較缺乏，23.99%的評價單元綜合養(yǎng)分呈缺乏狀態(tài)，養(yǎng)分不足區(qū)域占總評價單元的54.68%，進一步說明工作區(qū)內(nèi)土壤肥力的不足。

(4)建議根據(jù)土壤養(yǎng)分分布情況，針對性地測土配肥，在生產(chǎn)過程中應注重培肥地力及土壤的酸性改良，建立科學的施肥、耕作方案。