基于主成分分析的南方紅壤水土流失區土壤肥力質量評價

李巍 王成己 譚麗婷 羅旭輝 黃敏敏 涂杰峰

摘 要：為評價南方紅壤水土流失區土壤肥力質量，該文采用主成分分析法分別對長汀、北峰、武夷山等地的茶園土壤肥力質量進行了分析。結果表明：龍巖長汀、福州北峰、南平武夷山茶園土壤中的銨態氮、有效鉀、速效磷、有機質、pH值這5個指標之間有著緊密的聯系，它們都是南方紅壤水土流失區茶園土壤肥力的重要影響因子。

關鍵詞：南方紅壤；水土流失區；土壤肥力質量；評價

中圖分類號 S158 文獻標識碼 A 文章編號 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，Fuzhou and Wuyishan as Examples

Li Wei1 et al.

（1 Fufian Key Laboratory of Precise Measurement of Agriculture，Central Laboratory，Fujian Academy of Agricultural Sciences，Fuzhou 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

南方紅壤區是我國重要的熱帶、亞熱帶作物生產基地。據2005年中國水土流失與生態安全綜合科學考察報告不完全統計，南方紅壤區水土流失面積約34萬km2，目前已成為我國繼黃土高原水土流失區以外的第二大水土流失嚴重區，因此，其土壤資源的合理開發和利用具有極其重要的經濟和生態意義。福建省丘陵山地多，水土流失十分嚴重，其中長汀縣位于福建省的西部，是福建省典型的水土流失區，也是聞名全國的南方花崗巖強度水土流失區，屬于紅壤地區水土流失嚴重的典型縣之一。在防止土壤流失的同時，需要重視保持和提高土壤質量，土壤質量降低會導致土壤抗侵蝕力下降，從而導致更嚴重的水土流失。目前，土壤質量問題在全世界范圍內引起了廣泛關注，土壤質量評價是農業可持續發展研究的重要內容之一。而土壤質量的核心之一是土壤生產力，基礎是土壤肥力質量，但各種土壤肥力質量有著性質上的差異和高低之分，因此，如何科學、合理、實用地評價土壤肥力質量，為指導農業生產提供理論依據，顯得尤為重要[26]。近年來，隨著統計學方法在相關領域的應用，越來越多研究者采用多變量分析方法，將大量土壤性質指標集成綜合指標、函數關系式或圖示來評定土壤質量。目前主成分分析法在土壤質量評價中得到大量的應用，它可以弱化變量間的自相關性所引起的差，形成互不相關主成分，獲得各主成分得分，同時通過計算得到綜合評價得分，從而達到對土壤質量的精確評價[26-27，30]。為此，本文采用主成分分析對福建省典型水土流失區長汀、福州、武夷山進行土壤肥力質量評價，為區域性水土流失預防與治理提供理論依據，對促進紅壤區生態恢復和區域農業可持續發展具有重要的戰略意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域現狀 我國南方紅壤地區降雨量多，加之不合理的耕作制度等人為因素，導致土壤酸性強、有機質缺乏、速效性養分含量低、土壤粘重板結，出現了土壤退化現象。然而福建山地丘陵多，鄉鎮是水土流失的重點區域，據最新衛星遙感數據顯示，福建省水土流失總面積尚有1.22萬hm2，約占土地面積的9.95%。其中，全省上千個鄉鎮中，近300個鄉鎮存在較為嚴重的水土流失問題，部分非重點縣鄉鎮的水土流失問題也不容樂觀。福建省長汀縣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°區域，不同坡向水土流失分布情況基本上與陽坡、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，屬其水土流失主要分布在低山丘陵區的人工幼林、茶園和果園。近年來，由于大量新開亂開茶果園現象較為嚴重，新開墾茶果園水土保持措施不配套、建園標準低。茶果園經營者水土保持意識低，管護措施不當，是造成低山丘陵區茶果園水土流失的主要因素，其次，山地大量開發種植經濟林，加之不合理的管護措施、過度地砍伐與挖筍，是造成林下水土流失的主要原因，由此導致山區水土流失現象嚴重[37]。

1.2 采樣點概況 根據福建省紅壤區域類型的分布情況，本研究選取福州北峰、長汀、武夷山的人工種植茶園為采樣點，其土壤均為紅壤，且均在水土流失區域。每個樣地的具體情況如下：（1）福州北峰：福州市晉安區宦溪鎮創新村（東經119°23′26.4″，北緯26°09′04″），海拔600m。屬中亞熱帶氣候區，年平均溫度18.2熱，活動積溫6300溫，有效積溫3200溫，全年無霜期316d，屬于亞熱帶季風氣候區，年降水量1500～2200mm。（2）龍巖長?。洪L汀縣河田鎮長汀縣水土保持試驗站的試驗基地內（東經116°25′，北緯25°41′）。氣候屬中亞熱帶季風性濕潤氣候，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76.6℃。全年無霜期274d，夏長冬短，一年之中有6個月平均氣溫在20℃以上。年均降雨量約1700mm，其中4—6月降雨量約占全年的50%，且降雨強度大。土壤為粗晶花崗巖風化殼上發育的山地丘陵紅壤，風化強烈，結構疏松，含沙量大，抗蝕能力差。（3）南平武夷山：武夷山星村鎮黃村石源壟自然村老鷹山內的人工茶園（東經117°54′，北緯27°40′），屬低山丘陵地域，典型的亞熱帶季風氣候，年平均氣溫8.4～18℃，相對濕度為78%～84%，無霜期253～272d，大部分成土母巖由火山礫巖、紅砂巖和頁巖組成，表層多為灰紫色砂粒及礫塊。

1.3 土壤質量評價體系及其指標的選擇 氮、磷、鉀是植物生長所必需的大量營養元素，它們的含量決定著土壤的基本肥力；有機質除了能提供植物所需的各種營養元素之外，還能對土壤結構的形成、改善土壤物理性質有著巨大的相關性，所以土壤的物理以及化學性質也與有機質存在直接或者間接的聯系；同時，不同pH值的土壤所表現出來的土壤性質也存在很大的差異性，無機酸在不同的pH值下的解離度會有巨大的差異而以不同的物質形態存在，又因植物對不同形態的同一種無機物的吸收難以程度也是千差萬別，所以土壤的pH值也是土壤性質的重要參數之一。因此，本研究通過研究土壤的pH值、氨態氮、有效鉀、速效磷、有機質5個指標來評價長汀、福州、武夷山人工茶園的土壤質量，為土壤質量改良提供有效措施，以達到促進紅壤區生態恢復和區域農業可持續發展的目的。

1.4 樣品處理及測定方法 在每個代表樣地，選取5個樣點，采用5點法取樣，將土樣挑去石塊、煤渣、殘根葉等雜質，經過自然風干，進行研磨過篩，用自封袋保存待測。土壤銨態氮的測定采用氯化鉀浸提-靛酚藍比色法；土壤有效鉀的測定采用冷硝酸浸提-火焰光度法；土壤速效磷的測定采用碳酸氫鈉比色法；土壤pH值采用電位法測定；土壤有機質的測定采用重鉻酸鉀一硫酸氧化法。

1.5 數據分析 采用EXCEL2003進行數據整理，用SASS19.0軟件進行主成分分析及相關性分析等。

2 結果與分析

2.1 龍巖長汀茶園土壤肥力質量的變化情況 對長汀茶園銨態氮、速效磷、有效鉀、pH值以及有機質進行相關性分析，其結果見表1。從表1可以看出，銨態氮與有效鉀成顯著負相關性，銨態氮與pH值也呈顯著正相關性，速效磷和有機質成顯著負相關性，有效鉀與pH值成顯著負相關性，說明這5個土壤肥力指標之間都存在相互的關聯性，該區域pH值會影響銨態氮和有效鉀的含量，有機質含量會影響速效磷的含量，銨態氮含量會影響有效鉀的含量。主成分分析法較適合土壤肥力質量評價研究，可以在眾多彼此不相關的數據中，降為簡化處理，其測算步驟比較規范，大部分過程可通過計算機處理，各原始指標的比重不受人為影響，分析結果相對客觀科學，有利于提高測算結果的準確性與可靠性。通過主成分分析法，可以求得各主成分的特征值、方差貢獻率以及累計方差貢獻率。把其中特征值大于1的主成分提出來，具體見表2。由表2可知，這兩組主成分特征值均大于1，第二組的累計方差貢獻率為100%，由此可見，銨態氮、有效鉀、速效磷、有機質、pH值都是該地區土壤肥力的主要影響因子。

2.2 福州北峰茶園土壤肥力質量的變化情況 對福州北峰茶園各土壤肥力指標進行相關性分析（表3），結果表明，各土壤肥力指標之間都存在一定的相關性，其中有機質與銨態氮和有效鉀表現為顯著正相關性，而有機質與pH值呈顯著負相關性，有效鉀與pH值也存在顯著的負相關性。由此可以看出，該區域土壤提高土壤有機質含量即可進而提高土壤銨態氮或者有效鉀的含量。pH值嚴重影響著土壤有機質和有效鉀的含量，有機質又影響著土壤銨態氮或者有效鉀的含量，因此pH值會對土壤整體肥力質量有著密切聯系。通過主成分分析法，可以得到第一組主成分累積方差貢獻率為63.45%，第二組主成分累積方差貢獻率為89.78%，兩組主成分分析的特征值均大于1（表4），由此可見，銨態氮、有效鉀、速效磷、有機質、pH值都是該地區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量的變化情況 對南平武夷山茶園的土壤肥力各指標進行相關性分析（表5），結果表明，有機質與其他所有因子均成負相關性，其中與銨態氮、有效鉀和速效磷呈顯著負相關性。銨態氮與有效鉀和速效磷呈顯著正相關性，速效磷與有效鉀呈顯著正相關性，由此可見，土壤有機質決定著該區域土壤肥力質量的好壞。通過主成分分析法，可以得出第一組主成分累積方差貢獻率為74.03%，特征值為3.701，第二組主成分累積方差貢獻率為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，銨態氮、有效鉀、速效磷、有機質、pH值都是該地區土壤肥力的主要影響因子。

3 結論

龍巖長汀縣茶園土壤的pH值會影響銨態氮和有效鉀的含量，有機質含量會影響速效磷的含量，銨態氮含量會影響有效鉀的含量；福州北峰土壤pH值嚴重影響著有機質和有效鉀的含量，有機質又影響著土壤銨態氮或者有效鉀的含量，因此pH值會與土壤整體肥力質量有著密切聯系。南平武夷山茶園土壤肥力質量主要受土壤有機質的影響。通過對3個區域茶園影響土壤肥力的5個因子進行主成分分析，可以看出，銨態氮、有效鉀、速效磷、有機質、pH值都是南方紅壤水土流失區茶園土壤肥力的主要影響因子。

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（責編：張宏民）