基于主成分分析的土壤養分綜合評價探討

三明市農產品質量安全檢驗檢測中心 福建 三明 365000

引言：土壤養分是對土壤肥力進行評價的一個關鍵性指標，是供應和協調植物生長的一個關鍵和前提，對土地的持續性利用起著決定性的作用。土壤養分是土壤肥力中的一個不穩定性因素，受到人和自然界的雙重影響，一直都是處在動態平衡的過程之中。土壤養分對農業可持續性的影響是非常直接和深遠的，綜合指標對土壤養分含量的多少，土壤肥沃以及評價在農業科學工作過程中都占據著關鍵性的位置，同時這也是科學，精細化耕地的前提和保障。在現在這一個階段，主成分分析在土壤質量評價過程中的應用范圍較為廣泛一些，一般都是認為主成分分析能夠弱化變量之間的自相關性所導致的誤差，形成一種不相干的主成分，進而取得各自的成分得分。與此同時通過對綜合評價進行計算工作，進而取得土壤養分質量的精準評價。綜合研究方法在一定程度上評價了土壤養分的空間分布基本形式，對土壤展開綜合性的評價埋下了伏筆。有關于土壤養分空間分布特征的研究以及新聞從單一的土壤養分元素空間這一個層面進行出發，對土壤養分的空間分布情況展開分析，或者是就是從不同的研究手法對土壤養分空間異質性的精度進行分析。

一、研究的區域

三明市是在福建省，地處北緯25°30'～27°07'、東經116°22'～118°39'總面積23191 平方公里，三明市是福建省區域性中心城市，屬亞熱帶海洋性季風氣候。

二、研究的具體方法

1.評價范圍的確定。三明年平均氣溫19.4℃，屬中亞熱帶氣候，雨量充沛，氣溫適宜，無霜期長，四季分明，夏長冬短，一年四季均宜旅游福建省中部偏西，沙溪中部沿岸，閩西北戴云山和武夷山脈之中，是具有中國南方典型特色的內陸山區城市。東西寬230 多千米，南北長180 多千米，面積22928.8 平方千米。山地占總面積82%，耕地占8.3%，水域及其他占9.7%，有“八山一水一分田”之稱。地形以山地丘陵為主，中部為河谷盆地。

2.樣品采集以及制備。為了有效提升土壤養分預測的準確性，可以運用點力求均勻。充分結合當地土壤類型和地形等多個方面的因素。采取樣本的時候，通過定位系統，記錄采取時候的具體位置。全部的樣點遵循“等量，隨機，多點混合”基本原則，每一個點間隔20m，充分混合以后四分法取土1kg，一共采集了924 份進行研究。樣品必須要在自然風下風干，通過篩選后測定各種養分指標。采用重鉻酸鉀容量法，對有機質進行測定。堿解擴散法測定堿解氮0.5mol.L-1 碳酸氫鈉浸題一鉬銻抗比色法測定有效磷，火焰光度計法測定速效鉀。

3.數據和處理分析。對數據進行整理，所有的數據都參與分析。此次研究運用因子分析提取主成分分析法（PCA），綜合各個土壤養分指標對樣區的土壤養分展開一定的評價工作，然后通過COK 插值法對土壤綜合得分進行一定的評價工作。PCA 方法通過因子分析確定土壤指標主成分的特征值和特征向量，根據主成分的累積貢獻率選擇關鍵主成分，計算各主成分的得分，然后采用綜合得分公式計算各點土壤養分的綜合得分（IFI）；PCA 的基本思想是根據相關性對變量進行分組，以使同一組中的變量之間的相關性較高，而不同組中的變量之間的相關性較低，并嘗試使用相對較少的個數公共因子線性函數以及特定的因子之和去對原來觀測的每一個變量進行表達。合理地解釋原始變量之間的相關性并簡化變量的維數。運用COK 插值方法對樣區土壤的養分綜合評價預測圖進行有效繪制，把土壤樣本規劃到訓練子集和檢驗子集，通過訓練子集與檢驗子集之間的交叉比對系數對預測模型展開相關評價工作，選擇最優理論模型對土壤的養分綜合得分（IFI）進行空間上的預測。

三、結果與分析

1.土壤養分指標一般性描述

根據對924 種土壤養分的描述（表1），樣本區土壤養分的空間分布是不均勻的。其中，最顯著的分布指標為堿解氮，含量變化范圍為30-274 mg·kg-1，差值為244 mg·kg-1；其他營養指標的分布差異為：速效鉀＞速效磷＞有機質，差異為：速效鉀235 mg·kg-1，速效磷83.3 mg·kg-1，有機物19.2 g·kg-1；各指標養分含量的變化系數為：有效磷結果表明：1.堿解氮＞有效鉀＞有機質，均在10%-100%范圍內，變化中等。

表1：土壤養分含量一般描述

2.土壤養分綜合評價

指標之間的相關性是進行PCA 分析的必要先決條件。因此，在進行主成分分析之前，應對每種土壤養分指數進行相關測試，結果列于表2。從土壤養分的相關系數矩陣可以看出，有機質，堿解氮，有效磷和有效鉀在0.01 的置信水平下具有極顯著的正相關性，并且所有指標尚未消除，符合因子分析的前提。相關系數為0.316，這可能是由于該地區的土壤管理方法主要是谷物和棉花施肥，水稻灌溉施肥以及更多的短期施肥，導致二者之間的相似性異常偏高。

表2：土壤養分相關系數矩陣

結束語：本篇文章主要就是以三明市農耕區924 份土壤樣本數據作為基礎。運用PCA 這一分析方法把多種養分指標進行統一，這樣更能夠體現出樣點土壤中養分相對多少的綜合得分（IFI）的值。在這一個基礎之上，通過COK 插值法對土壤養分IFI 值空間的具體分布結構進行分析和研究。