主成分分析法在耕地地力評價中的應用

周飛，韓紅煊，陳余平，胡鐵軍，鄭佩君，許熔熔

(余姚市農業技術推廣服務總站 余姚市耕地質量管理站，浙江 余姚 315400)

土壤質量作為土壤肥力質量、環境質量和健康質量的綜合量度，是土壤維持生產力、環境凈化能力和保障動植物健康能力的集中體現。土壤質量評價是土壤質量研究的基礎和重要內容之一，可為土壤整治、規劃和合理利用提供科學依據[1]。全面摸清標準農田的地力實際狀況，實施分等定級，是加強標準農田質量建設的基礎，是制訂標準農田保護、培肥、改良、利用規劃的主要科學依據，是推進標準農田土壤改良，確保糧食生產能力的重要舉措。余姚市已開展標準農田質量提升項目8個，提升面積3 000余hm2。依照《浙江省標準農田地力調查與分等定級技術規范》中的評定方法，余姚市基本達成耕地地力提升目標。以往，灰色關聯度法、模糊數學、層次分析模型等方法常被用來評估土壤質量[2]。本研究根據余姚市耕地區域特點，隨機選取27塊耕地地塊，采用主成分分析法對余姚市地力提升項目區的耕地地力進行評價，并根據主成分的綜合得分區間劃分土地等級。現總結報道如下。

1 材料準備與評價原則

1.1 供試材料選取

在余姚市標準農田地力提升項目區隨機選取27塊耕地，選取耕地地塊的耕層厚度、土壤質地、容重、pH值、陽離子交換量(CEC)、全鹽量、有機質、有效磷、速效鉀、冬季地下水位、抗旱排澇能力等11個分析指標進行分析。土壤樣品的采集和有關理化指標的測定均按《浙江省標準農田地力調查與分等定級技術規范》進行。

1.2 耕地地力評價原則

從諸多因素中選取少數幾個能夠真實全面地反映耕地質量的評價指標[3-4]，具體原則如下：顯著性原則，選取在一定范圍內對耕地地力影響比較明顯的評價指標；相關性原則，從相關性較大的幾個因素中選出一個具備代表性的評價指標。

1.3 評價方法

應用主成分分析方法，從復雜的土壤肥力指標體系中篩選出若干個彼此不相關，但能反映出原來全部指標所提供的大部分信息的綜合性指標[5]，以此來綜合評價耕地地力，并依此為基礎對標準農田地力提升區耕地地力進行綜合評價和歸類分等。主要應用SPSS Statistics 22.0進行數據的處理和運算。

2 主成分分析

主成分分析又稱主分量分析，是利用原始變量的線性組合組成主成分來解釋多維變量的協方差結構,挑選最佳變量子集，簡化數據，以揭示變量間關系的一種多元統計分析方法。在耕地地力評價中，通過建立原始數據矩陣實施，經過標準化和相關矩陣的計算，分別求出相關矩陣的特征向量、特征根，以及主成分的方差貢獻率、累積貢獻率,根據累積貢獻率選擇主成分的個數，建立主成分方程，然后計算各主成分得分和綜合得分,根據綜合得分區間劃分耕地地力等級。

2.1 數據標準化與相關矩陣的計算

為避免計算結果受變量量綱和數量級的影響，保證其客觀性，在進行相關運算和分析前必須對原始數據進行標準化處理。為了進行數值分析，先把不易直接用數據計算的變量，根據相關資料[6]對土壤質地、耕層厚度、地下水位和抗旱排澇能力進行賦值，然后用標準差標準化變換法對原始數據進行標準化，根據標準化后的數據計算出各要素之間的相關性，得到耕地地力指標間的相互關系矩陣(表1)。

表1 耕地地力指標間的相互關系矩陣

注：*與**分別表示相關性達到顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)水平。

從表1可以看出，待評價樣點的耕地土壤有機質含量與地下水位、土壤容重、pH、CEC、全鹽量等的相關性達到極顯著水平，與質地、耕層厚度的相關性達到顯著水平，其中，地下水位、土壤容重、全鹽量與耕地土壤有機質含量呈極顯著負相關。根據耕地分級的相關性原則，保留有機質、土壤質地、耕層厚度、地下水位、容重、pH、CEC、全鹽量作為評價指標，將有效磷、速效鉀、抗旱排澇能力等指標排除在外。

2.2 相關矩陣的特征根和累積貢獻率計算

根據選擇的耕地土壤有機質等觀測指標，進一步進行主成分分析，得到各主成分的特征向量、特征值和累積貢獻率(表2)，并提取主成分。共提取到3個主成分，各主成分的方差貢獻率分別為61.7%、11.4%、9.0%，累積貢獻率達82.1%，也就是說代表了待評價耕地地塊82.1%的地力信息。

表2 主成分分析的結果

2.3 主成分得分與綜合得分

進行線性擬合，得到這3個主成分得分(Z1～Z3)與原8項指標經標準化處理后數值的線性組合：

Z1=-0.415 361X1+0.231 306X2-0.278 108X3+0.331 209X4+0.413 561X5+0.405 461X6-0.390 161X7+0.315 459X8；

Z2=-0.122 649X1+0.741 137X2+0.462 294X3+0.019 917X4-0.047 173X5+0.018 869X6-0.135 229X7-0.448 666X8；

Z3=-0.135 529X1-0.075 425X2+0.577 471X3-0.557 436X4+0.241 595X5+0.266 344X6+0.101 352X7+0.438 406X8；

式中X1～X8分別是有機質、土壤質地、耕層厚度、地下水位、容重、pH、CEC、全鹽量經標準化處理后的數值。將標準化數據代入上述各式可得到27個樣本在這3個主成分上的得分。綜合得分(Z0)等于各主成分得分之和。部分樣點的原始測定(賦)值和主成分值如表3所示。

表3 部分樣點的原始測定(賦)值和主成分值

3 小結

根據綜合得分，將評價的耕地地力分為4個等級，與實際的耕地地力水平擬合度較好。其中，一等地包括8號、9號、10號、18號等12個樣點，綜合評價指數為1.277 71～3.806 39，土壤質地屬壤土或黏壤土，耕層厚度較厚，地下水位距地面80 cm以上，土壤養分含量較豐富，理化性狀比較平衡；二等地包括21號、15號2個樣點，綜合評價指數為0.012 13～0.591 39，質地以壤土為主，耕層厚度較厚，地下水位距地面80 cm以上，土壤養分含量豐富，理化性狀平衡；三等地包括1號、3號、22號等5個樣點，綜合評價指數為-0.061 207～-0.087 58，質地為黏土、壤土或黏壤土，耕層厚度一般，有效養分不高，理化性狀一般；四等地包括2號、7號、27號等8個樣點，綜合評價指數為-5.138 13～-1.036 78，存在一定的障礙因子，耕層厚度稍差，地下水位稍高，土壤潛在養分含量不足，理化性狀稍差。

運用主成分分析法對余姚市的耕地地力進行初步評價，通過實例分析驗證了該方法的可行性。但今后仍需對該評價方法進行更加科學、可行的改進和完善。