基于主成分分析和聚類分析的牟定植煙土壤養(yǎng)分特征分析

劉羿男,汪應(yīng)華,肖毅為,吳 佳,王永平,董少坤,丁從凱,胡小東，2

(1.云南省煙草公司楚雄州公司, 云南楚雄 675000;2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué), 云南昆明 650201)

適宜條件的植煙土壤是優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)的基礎(chǔ)，土壤養(yǎng)分是衡量土壤綜合生產(chǎn)力的重要指標(biāo)[1]，優(yōu)質(zhì)煙葉的生產(chǎn)與植煙土壤的養(yǎng)分狀況有著密切聯(lián)系，直接影響煙葉的外在和內(nèi)在質(zhì)量評(píng)價(jià)[2]。

楚雄州是云南省重要的植煙地州之一，其海拔和氣候因子適宜優(yōu)質(zhì)煙葉原料的生產(chǎn)[3-4]。牟定縣作為楚雄州光、熱、降水條件較好的縣份之一，是楚雄州主要的植煙區(qū)。牟定縣2020年煙葉種植面積2 733 hm2，收購(gòu)煙葉110.7 t，上等煙比例70%以上，煙葉收購(gòu)等級(jí)合格率80%以上，綜合等級(jí)純度90%以上，國(guó)家局工商交接合格率達(dá)到全省平均水平，等級(jí)質(zhì)量和品種純度符合工業(yè)卷煙配方需要[5]。

酸堿度是土壤化學(xué)性質(zhì)和綜合肥力的重要指標(biāo)之一，直接影響土壤物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及有效性和微生物群落多樣性結(jié)構(gòu)[6]?？緹熥鳛橄财嵬寥赖淖魑?，優(yōu)質(zhì)烤煙的土壤pH是5.5～6.5[7]。土壤電導(dǎo)率是反映鹽分、水分、溫度、有機(jī)質(zhì)含量和質(zhì)地結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)之一，對(duì)于土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)和鹽基離子轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律具有指導(dǎo)性意義[8-10]。

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的主要基礎(chǔ)指標(biāo)，包括有機(jī)態(tài)、水溶態(tài)和交換態(tài)等[11]。烤煙生長(zhǎng)過程所需的養(yǎng)分較多，其中有機(jī)質(zhì)、氮、磷和鉀作為較為主要的養(yǎng)分，對(duì)烤煙的生長(zhǎng)發(fā)育起到關(guān)鍵性作用[12]。近年來對(duì)于云南省各植煙區(qū)的土壤養(yǎng)分研究較多[13-16]，但針對(duì)楚雄州牟定縣植煙土壤pH和主要養(yǎng)分特征分析的研究較少，科學(xué)、準(zhǔn)確地了解牟定縣植煙土壤肥力狀況，對(duì)更好地利用楚雄州植煙土壤資源、改善土壤肥力、調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分供給、指導(dǎo)烤煙合理施肥和促進(jìn)烤煙可持續(xù)生產(chǎn)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況牟定縣位于云南省中北部，楚雄彝族自治州中部。地跨101°19′～101°51′E、25°09′～25°40′N，境內(nèi)最低海拔1 140 m，最高海拔2 897 m，縣城所在地共和鎮(zhèn)平均海拔1 758 m；牟定縣總面積1 464 km2，下轄4個(gè)鎮(zhèn)3個(gè)鄉(xiāng)。牟定縣地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，常年平均氣溫為15.8 ℃，年平均降雨量為872 mm，無霜期238 d，全年日照時(shí)數(shù)為2 359 h。日照充足，氣候溫和。

1.2 云南省主要植煙區(qū)土壤養(yǎng)分調(diào)查收集并分析了云南省[2]、大理州[17]、麗江市[18]、施甸縣[19]、昆明市[20]等植煙區(qū)土壤的養(yǎng)分含量，并與牟定縣的同類別指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

1.3 樣品采集2018年3—4月，在前茬作物采收后，烤煙移栽前，根據(jù)地貌和植煙區(qū)域分布情況，選擇有代表性的地塊，在全縣植煙區(qū)域取樣195個(gè)，分別是安樂鄉(xiāng)14個(gè)、鳳屯鎮(zhèn)29個(gè)、共和鎮(zhèn)60個(gè)、江坡鎮(zhèn)43個(gè)、蟠貓鄉(xiāng)8個(gè)、新橋鎮(zhèn)31個(gè)、戌街鄉(xiāng)10個(gè)。

采用梅花采樣法，在植煙地塊表層0～20 cm采集5個(gè)土樣，四分法取約1 kg混合土樣裝于樣品袋中。

前作以冬閑田、蠶豆、油菜、小麥為主，其中，前作為冬閑田的取樣點(diǎn)有105個(gè)，前作為蠶豆的取樣點(diǎn)有34個(gè)，前作為油菜的有22個(gè)，前作為小麥的有11個(gè)，前作為其他的有23個(gè)。

1.4 樣品檢測(cè)方法土樣經(jīng)自然風(fēng)干后研磨過60目篩，送入云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定。有機(jī)質(zhì)、pH、電導(dǎo)率、總氮、水解性氮、有效磷和水溶性氯分別按照 NY/T 1121.6—2006(有機(jī)質(zhì))、NY/T 1121.7—2014(有效磷)、HJ 962—2018(pH)、HJ 802—2016(電導(dǎo)率)、LY/T 1228—2015(總氮)、DB64∕1734—2020(水解性氮)、NY/T 1378—2007(水溶性氯)規(guī)范測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析運(yùn)用 IBM Statistics SPSS 22.0和 Excel 2010 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)分析、方差分析、主成分分析和聚類分析。主成分分析，首先對(duì)同一類別指標(biāo)在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)后，采用Z-Score消除量綱來解釋原變量的協(xié)方差結(jié)構(gòu)；其次采用因子分析判定KMO檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量(Kaiser-Meyer-Olkin Measure of Sampling Adequacy.)>0.5，且Bartlett’s Test of Sphericity相伴概率P<0.05，表明所有數(shù)據(jù)通過檢驗(yàn)可用于主成分分析。根據(jù)初始特征值>1和累計(jì)貢獻(xiàn)率>80%的原則，篩選各分析類別的主成分?jǐn)?shù)目。多重比較采用Student-Newman-Keuls方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 牟定縣與云南省主要植煙區(qū)土壤養(yǎng)分比較由表1可知，牟定縣植煙土壤pH、有機(jī)質(zhì)、速效磷、全氮、水解性氮、水溶性氯等各項(xiàng)指標(biāo)均處于云南省主要植煙區(qū)同類指標(biāo)適中范圍內(nèi)。

表1 牟定縣與省內(nèi)其他植煙區(qū)土壤養(yǎng)分比較Table 1 Comparison of soil nutrients between Mouding County and other tobacco planting areas in the province

2.2 牟定縣植煙土壤養(yǎng)分狀況由表2可知，牟定縣植煙土壤pH平均值為6.43，對(duì)烤煙種植而言較為適宜；有機(jī)質(zhì)、速效磷含量中上，全氮含量較高，但水解性氮相對(duì)缺乏，水溶性氯在適宜范圍內(nèi)。水溶性氯和電導(dǎo)率變異系數(shù)較大，分別為124.62%和80.57%，空間變異較大。

表2 牟定縣植煙土壤養(yǎng)分狀況Table 2 Nutrient status of tobacco planting soil in Mouding County

2.3 牟定縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤養(yǎng)分狀況在綜合分析楚雄州煙區(qū)煙草實(shí)際生產(chǎn)和多年煙草專用肥試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參照云南植煙土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)研究[21]，確定了土壤養(yǎng)分豐缺評(píng)價(jià)體系(表3)。

表3 牟定縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)植煙土壤分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Grading standards for tobacco planting soils in each township of Mouding County

2.3.1pH。土壤酸堿度常影響煙草生長(zhǎng)和施肥效果，是土壤肥力的一項(xiàng)指標(biāo)。普遍認(rèn)為，烤煙適宜的土壤pH為5.5～7.0[22]。從表4可以看出，牟定縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤pH總體上均在適宜范圍內(nèi)，其變異系數(shù)不大，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的均值在5.56～7.24，戌街鄉(xiāng)的pH最低，均值為5.56，蟠貓鄉(xiāng)的pH平均值最高，為7.24。盡管牟定縣大部分土壤適宜烤煙種植，pH微酸性(pH 5.50～<6.50)的比例為33.85%，但仍有15.90%的土壤pH>7.50，對(duì)這部分土壤應(yīng)注意施用農(nóng)家肥或有機(jī)肥，減少施用堿性肥料。

表4 牟定縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)pH分布Table 4 pH distribution of each township in Mouding County

2.3.2電導(dǎo)率。土壤電導(dǎo)率反映了一定水分條件下土壤鹽分的實(shí)際狀況，在一定濃度范圍內(nèi)，土壤溶液含鹽量與電導(dǎo)率呈正相關(guān)關(guān)系，溶解的鹽類越多，電導(dǎo)率越大[23]。土壤溶液電導(dǎo)率是影響植物和微生物活性的重要因素，通過電導(dǎo)率反映土壤鹽漬化程度，可及時(shí)診斷農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題[24]。

牟定縣植煙土壤195個(gè)取樣點(diǎn)電導(dǎo)率分布情況見表5，從表5可以看出，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)植煙土壤電導(dǎo)率平均值在74.39～281.57 μS/cm，變異系數(shù)均在40%以上，從全部取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)來看，電導(dǎo)率最大值為857 μS/cm，最小值為2.69 μS/cm，差異十分明顯，說明牟定縣植煙土壤電導(dǎo)率差異較為明顯。當(dāng)土壤電導(dǎo)率超過600 μS/cm時(shí)，作物根系吸收水分、養(yǎng)分受阻。牟定195個(gè)取樣點(diǎn)中，僅有5個(gè)取樣點(diǎn)的電導(dǎo)率超過600 μS/cm，占比僅為2.56%，說明牟定縣的植煙土壤鹽化程度較低，對(duì)烤煙種植影響較小。

表5 牟定縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)電導(dǎo)率分布情況Table 5 Distribution of conductivity in each township of Mouding County

2.3.3有機(jī)質(zhì)。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中最活躍的部分，是植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的重要來源之一，是衡量肥力水平的主要標(biāo)志，是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)。有機(jī)質(zhì)能促使土壤形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，改善土壤物理、化學(xué)及生物學(xué)過程，提高土壤的吸收性能和緩沖性能[25]。有機(jī)質(zhì)含量10～40 g/kg適宜于優(yōu)質(zhì)煙的生產(chǎn)，在溫暖多雨的地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量高于60 g/kg以上也能產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)煙葉，關(guān)鍵在于氮的調(diào)控[26]。從表6可以看出，牟定縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量較為豐富，有75.38%的取樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量分布在10～40 g/kg，低于10 g/kg的取樣點(diǎn)僅占比5.13%，高于40 g/kg占比19.49%。

表6 牟定縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)有機(jī)質(zhì)分布Table 6 Distribution of organic matter in each township of Mouding County

2.3.4全氮。氮是決定煙草產(chǎn)量及品質(zhì)最重要的營(yíng)養(yǎng)元素，煙株生長(zhǎng)的農(nóng)藝性狀、產(chǎn)質(zhì)量和內(nèi)在化學(xué)成分、致香物質(zhì)和品吸效果均取決于土壤氮的供應(yīng)。從表7可以看出，牟定縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的全氮平均值在1.38～3.02 g/kg，屬于中上到豐富水平，全縣僅有3.59%的取樣點(diǎn)全氮屬于缺乏水平，43.59%取樣點(diǎn)全氮含量屬于豐富水平，說明牟定縣植煙土壤的供氮潛力較好，在生產(chǎn)中要注意控制氮肥水平。

表7 牟定縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)全氮分布情況Table 7 Distribution of total nitrogen in each township of Mouding County

2.3.5水解性氮。土壤水解性氮是植物可以直接吸收利用的水溶性氮，其含量與植物生長(zhǎng)具有密切的關(guān)系，是土壤肥力的重要指標(biāo)。從表8可以看出，牟定縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水解性氮平均值在83.41～145.79 mg/kg，屬于中上到豐富水平，全縣僅有17.44%取樣點(diǎn)水解性氮屬于缺乏水平。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，風(fēng)屯、共和和蟠貓3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)水解性氮含量超過150 mg/kg的取樣點(diǎn)占比較高，需要在施肥時(shí)注意控制氮肥用量。

表8 牟定縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水解性氮分布情況Table 8 Distribution of hydrolytic nitrogen in each township of Mouding County

2.3.6速效磷。磷是植物必需營(yíng)養(yǎng)元素之一，參與組成烤煙體內(nèi)許多重要化合物，對(duì)植物的抗逆性具有重要作用，因土壤對(duì)磷有很強(qiáng)的化學(xué)固定能力，一般土壤的供磷水平通常用速效磷含量表示。由表9可知，牟定縣植煙土壤速效磷含量在缺乏和中下的占比53.33%，中上至豐富的占比46.67%。戌街鄉(xiāng)速效磷含量平均為14.76 mg/kg，中下和缺乏占比90%，要注意肥料配方中調(diào)整磷肥比例。全縣速效磷變異系數(shù)為76.66%，屬于強(qiáng)變異，說明牟定縣速效磷含量空間變異較大。

表9 牟定縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)速效磷分布情況Table 9 Distribution of available phosphorus in each township of Mouding County

2.3.7水溶性氯。氯是煙草必需的微量元素，但煙草對(duì)氯比較敏感，氯肥供應(yīng)過量時(shí)，葉片厚而脆，彈性不足，燃燒性下降，品質(zhì)變劣。由表10可知，牟定縣水溶性氯總體情況較好，全縣近70%均在最適宜范圍內(nèi)，但仍有13.85%在不適宜范圍內(nèi)，應(yīng)引起重視。全縣水溶性氯變異系數(shù)為124.62%，屬于強(qiáng)變異，說明牟定縣水溶性氯含量空間變異較大。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，共和鎮(zhèn)平均含量為53.60 g/kg，變異系數(shù)85.53%，總體含量偏高，變異系數(shù)在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中最小，因?yàn)楣埠玩?zhèn)近年來蔬菜種植區(qū)規(guī)模逐步擴(kuò)大，與植煙區(qū)域重合度較高，對(duì)植煙土壤水溶性氯離子影響較大。

表10 牟定縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水溶性氯分布情況Table 10 Distribution of water soluble chlorine in each township of Mouding County

2.4 牟定縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤養(yǎng)分狀況主成分分析為明確各個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)的相對(duì)重要性，應(yīng)用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)土壤中7個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析[27]。從表11可以看出，各個(gè)公因子的方差比，僅速效磷的提取比例為57.6%，其他6個(gè)變量的提取量均超過80%，說明總體上各變量的信息提取比較充分。

表11 各公因子方差比Table 11 Variance ratio of different factors

所有特征根及其占相應(yīng)特征根的百分比(貢獻(xiàn)率)和累計(jì)百分比見表12(按從大到小的順序排列)。第一個(gè)主成分的特征根為3.726，貢獻(xiàn)率為53.234%；第二個(gè)主成分的特征根為1.164，貢獻(xiàn)率為16.629%；第三主成分的特征根為0.975，貢獻(xiàn)率為13.928%，三者累計(jì)貢獻(xiàn)率為83.791%，超過80%，因此，確定選取3個(gè)主成分。第一主成分主要包含有機(jī)質(zhì)、速效磷、水解性氮、水溶性氯和全氮的信息，具有較大的載荷；第二主成分主要包含pH、電導(dǎo)率和水溶性氯的信息；第三主成分主要包括水溶性氯、pH和電導(dǎo)率的信息(表13)。

在SPSS中計(jì)算3個(gè)主成分的綜合得分。由SPSS根據(jù)成分得分系數(shù)矩陣(表14)自動(dòng)計(jì)算，得到每個(gè)主成分的結(jié)果分別是FAC1、FAC2和FAC3。然后按照以下公式計(jì)算綜合得分：綜合得分F= (主成分1對(duì)應(yīng)的方差百分比)/(總方差百分比)×FAC1+(主成分2對(duì)應(yīng)的方差百分比)/(總方差百分比)×FAC2+(主成分3對(duì)應(yīng)的方差百分比)/(總方差百分比)×FAC3。

表12 各變量的特征根及相應(yīng)的貢獻(xiàn)率Table 12 Characteristic roots and corresponding contribution rates of variables

表13 3個(gè)主成分的特征向量Table 13 Eigenvectors of the three principal components

表14 成分得分系數(shù)矩陣Table 14 Component score coefficient matrix

2.5 牟定縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤養(yǎng)分狀況聚類分析聚類分析作為一種探索性的分類方法，是一種建立分類的多元統(tǒng)計(jì)分析方法，它能夠?qū)⒁慌鷺颖?或變量)數(shù)據(jù)根據(jù)其諸多特征，按照性質(zhì)上的親疏程度在沒有先驗(yàn)知識(shí)的情況下進(jìn)行自動(dòng)分類，產(chǎn)生多個(gè)分類結(jié)果[27]。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，將主成分分析的結(jié)果(即195個(gè)樣品的3個(gè)主成分的綜合得分)進(jìn)行聚類分析。在方法上采用組之間的鏈接，采用平方Euclidean距離方法，3個(gè)主成分的綜合得分為聚類變量，可將195個(gè)樣品分成四大類，聚類結(jié)果見圖1。

圖1 195個(gè)土壤樣品聚類分析Fig.1 Cluster diagram of 195 soil samples

4類土壤特性見表15，其土壤養(yǎng)分特性具有明顯差異：Ⅰ類占比43.08%，pH居中；電導(dǎo)率高；氯離子、有機(jī)質(zhì)、速效磷、水解性氮和全氮居中；Ⅱ類占比55.90%，pH較低；電導(dǎo)率居中；有機(jī)質(zhì)、速效磷、水解性氮和全氮較低；Ⅲ類占比0.51%，pH居中；電導(dǎo)率較低；有機(jī)質(zhì)、速效磷、氯離子、水解性氮和全氮含量較高；Ⅳ類占比0.51%，pH較高；電導(dǎo)率較低；有機(jī)質(zhì)、速效磷、氯離子、水解性氮和全氮含量最高。

表15 各類別土壤主要養(yǎng)分指標(biāo)Table 15 Main nutrient indexes of different types of soils

3 結(jié)論

該研究結(jié)果表明，牟定縣植煙土壤綜合養(yǎng)分情況較為適宜，全縣7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的相關(guān)指標(biāo)較為合理，均為適宜植煙區(qū)域。牟定縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤pH總體上都在適宜范圍內(nèi)，且變異系數(shù)不大，但要注意部分地區(qū)pH偏高，需要注意避免施用堿性肥料，適當(dāng)增施農(nóng)家肥或有機(jī)無機(jī)復(fù)合肥進(jìn)行調(diào)節(jié)；牟定植煙土壤電導(dǎo)率較為適宜，說明土壤鹽化程度較低，但電導(dǎo)率空間分布差異較為明顯。

牟定植煙土壤的有機(jī)質(zhì)含量較為豐富，但戌街和新橋有機(jī)質(zhì)含量較低；牟定縣植煙土壤的全氮和水解性氮表明供氮潛力和能力較好，在生產(chǎn)中要注意采取適當(dāng)?shù)目氐胧?，控制氮肥水平，避免煙株生長(zhǎng)后期因氮素過多推遲落黃，增加烘烤難度，降低內(nèi)在品質(zhì)。

牟定縣有近50%的植煙土壤速效磷含量豐富，但空間變異較大，戌街鄉(xiāng)速效磷含量較低，在施肥中應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)充；煙草對(duì)氯反應(yīng)比較靈敏，土壤含氯量過低會(huì)對(duì)煙草生長(zhǎng)不利，但過高會(huì)影響煙葉含氯量[28]。我國(guó)一般要求煙葉中含氯量小于1%，以0.3%～0.8%為宜。牟定縣植煙土壤中水溶性氯總體情況較好，但要注意空間變異較大，且共和鎮(zhèn)的水溶性氯含量偏高、變異較強(qiáng)。

按照主成分分析和聚類分析結(jié)果，牟定縣植煙土壤可以分為4類，但98.98%的植煙土壤分為2類，這2類的7個(gè)指標(biāo)基本在適宜范圍內(nèi)，但第1類要注意水溶性氯和電導(dǎo)率稍微偏高。