基于主成分及聚類分析江西吉安植煙區土壤主要養分含量

胡蓉花 尼金玉 肖子康 李紅霞 王俊 楊帥強 沈雪婷 韓助君 劉齊元

摘要：根據江西省吉安市3個主產煙區22個鄉鎮97個村的154份植煙土壤樣品的主要養分狀況和大中微量元素調查結果，分析吉安市植煙土壤養分狀況，并對22個鄉鎮97個村的植煙土壤進行主成分分析和聚類分析。結果表明：（1）植煙區土壤平均pH值為5.74，適宜烤煙種植。土壤有機質含量較為豐富，平均含量為 31.88 g/kg。土壤水解性氮含量較為豐富，62.35%的土壤在適宜烤煙種植范圍內，69.48%的土壤速效鉀含量低于150 mg/kg，處于偏低范圍內。（2）土壤交換性鈣與交換性鎂含量尚為豐富，微量元素有效硼和有效錳含量較低，有效銅和有效鋅含量偏高，有效鐵、水溶性氯含量極高。（3）主成分分析和聚類分析顯示，將97個村的植煙土壤采用聚類分析最短距離法分成3類。Ⅰ類區土壤呈弱酸性、富含有機質，土壤養分含量中等;Ⅱ類區土壤呈弱酸性、有機質含量較另外2區偏低，土壤養分含量整體偏低;Ⅲ類區土壤基本呈中性，土壤整體養分含量較高。

關鍵詞：烤煙;土壤養分;大中微量元素;適宜性;主成分分析;聚類分析

中圖分類號： S572.06? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）15-0231-08

收稿日期：2020-09-25

基金項目：國家自然科學基金地區科學基金（編號：31960418）;江西省吉安市煙草專賣局科技項目（編號：吉煙科[2018]4號）。

作者簡介：胡蓉花（1970—），女，江西吉安人，高級農藝師，主要從事烤煙生產技術與推廣研究，E-mail：1908479316@qq.com;共同第一作者：尼金玉（1994—），男，河南漯河人，碩士研究生，主要從事作物栽培學與作物生理生化研究，E-mail：nijinyund@163.com。

通信作者：劉齊元，博士，教授，主要從事作物生理生態與遺傳育種研究。E-mail：qiyuanl@126.com。

土壤肥力是影響土壤質量的重要指標，而土壤主要養分含量與土壤肥力密切相關[1-2]。不同栽培模式[3]、施肥方式[4-5]與土壤類型[6]導致不同地區的土壤養分含量產生差異。土壤養分含量的豐缺程度直接影響烤煙生長發育，進而影響烤煙的產質量[7-8]。適宜的土壤肥力是保障優質煙葉生產的根本，因此，正確認識與科學評估土壤肥力是準確了解土壤本質及提高作物生產力的手段，從而有助于可持續的集約化[9-10]。

江西省吉安市煙草生產主要分布在峽江縣、安?？h和永豐縣，以水稻田為主。其中，峽江縣以鱔泥田、潮沙泥田、黃泥田和麻沙泥田為主;安?？h以麻沙泥田、黃沙泥田、黃泥田為主;永豐縣以潮沙泥田、麻沙泥田和紅沙泥田為主，剔除人為因素影響，成土母質養分含量往往決定了土壤養分含量[10-11]。因此，通過對吉安市煙草主產區土壤主要養分含量的普查、篩選以及豐缺度評價，對于吉安市植煙精準施肥、合理施肥以及提高生產效益具有重要影響。對吉安市植煙區土壤養分含量進行主成分分析并對土壤肥力綜合指標進行排序，可為吉安市煙草種植可持續健康發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集

土壤樣品取樣于2018年11月，根據不同主產煙區土壤類型、煙田分布以及耕種制度，取具有代表性的混合土樣154份（峽江縣66份、安?？h42份、永豐縣46份）。在每個取樣單元內，采取“S”路線多點取樣，然后制成一個約1 kg的混合土樣。自然風干，研磨過60目篩，供土壤指標測定。

1.2 土壤樣品的測定分析

土壤樣品測定分析在江西省農業科學院完成，測定項目包括有機質[12]、水解性氮[13]、有效磷[12]、速效鉀[12]、交換性鎂[12]、交換性鈣[12]、有效硼[12]、有效硫[12]、有效銅[14]、有效鋅[14]、有效鐵[14]、有效錳[14]和水溶性氯[12]含量及pH值[12]14項指標。采用電位法（1 ∶2.5的土水比 ）測定土壤的pH值;重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質含量;堿解擴散法測定土壤水解性氮含量;Olsen法測定速效磷含量;乙酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀含量;乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法測定交換性鈣、交換性鎂含量;氯化鈣提取-硫酸鋇比濁法測定有效硫含量;姜黃素比色法測定有效硼含量;二乙基三胺五乙酸（DTPA）浸提-原子吸收分光光度法測定有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳含量;硝酸銀容量法測定水溶性氯含量。

1.3 土壤養分含量指標主成分分析與聚類分析

運用SPSS 25.0及Excel 2010對試驗數據進行統計。

2 結果與分析

2.1 植煙土壤養分分級

在綜合分析吉安市煙區煙草實際生產和多年煙草專用肥試驗的基礎上，參照我國植煙土壤養分評價標準和相關研究[15-17]，確定了土壤養分豐缺評價體系（表1）。這一體系的建立對于指導吉安市煙草種植精準施肥具有重要的意義。

2.2 植煙土壤養分豐缺狀況與評價

2.2.1 土壤pH值

對優質烤煙生產而言，最適宜的土壤酸堿度為5.50～6.50[18]。綜合表1和表2可以看出，吉安市煙區土壤偏酸性，比較適合烤煙種植，pH值平均為5.74，適宜烤煙種植的土壤占62.34%。峽江縣煙區土壤酸堿度pH值平均為5.57，適宜烤煙種植的土壤只占51.51%，pH值低的土壤比例相對較高，為45.45%。安?？h和永豐縣土壤pH值平均分別為5.91和5.76，適宜烤煙種植的土壤分別占64.28%和76.09%，而安?？hpH值高的土壤所占比例較高，為14.29%。因此，僅就酸堿度而言， 吉安市植煙土壤應該適當提高pH值，滿足烤煙生長對pH值的需求。

2.2.2 土壤有機質

土壤有機質含量過高或過低，均不利于烤煙的正常生長。由表3可知，吉安市植煙土壤有機質含量總體較豐富，平均含量達31.88 g/kg;峽江縣、安?？h與永豐縣土壤有機質平均含量分別為33.46、32.49、29.55 g/kg，有機質含量大于 25.00 g/kg 分別占83.33%、85.71%和73.91%。大于35.00 g/kg的土壤分別占45.46%、30.95%和17.39%。永豐縣和安福縣的土壤有機質含量較適宜，峽江縣的變異系數大，表明不同土壤類型、不同區域的有機質含量差異較大。

2.2.3 土壤水解性氮、有效磷和速效鉀

由表4可知，吉安市煙區土壤水解性氮含量平均為 168.99 mg/kg，有32.47%的土壤水解性氮含量偏高。峽江縣、安福縣和永豐縣土壤水解性氮平均含量分別為175.71、191.08、133.64 mg/kg。永豐縣煙區土壤水解性氮含量比較適宜，安?？h整體偏高。峽江縣和安福縣煙區土壤有效磷平均含量分別為37.34、32.83 mg/kg，分別有95.45%和73.81%的土壤有效磷含量偏高;永豐縣土壤有效磷含量較為適宜。就速效鉀含量而言，峽江縣、安福縣和永豐縣含量均偏低，其中峽江縣和永豐縣土壤速效鉀含量低等級比例分別占78.79%和80.44%，缺鉀較為嚴重。因此，3個縣主煙區在烤煙生產過程中必須通過增施鉀肥來提高烤煙對鉀元素的需求。

2.2.4 土壤交換性鈣、交換性鎂和有效硫

由表5可知，峽江縣和永豐縣土壤交換性鈣含量較適宜，平均含量分別為1 214.05、1 178.29 mg/kg，缺鈣土壤比例較少，分別占13.64%和8.69%。相反，安?？h有66.67%的土壤交換鈣含量較高，平均含量為1 593.44 mg/kg。煙草是以收獲葉片為目的經濟作物，葉片中約75%的鎂參與蛋白質合成，植物體內15%～20%的鎂與葉綠素色素相關，主要作為一系列參與光合固碳和代謝的輔助因子[19-20]。3個主煙區土壤交換性鎂含量豐富，峽江縣和永豐縣分別為215.51、192.93 mg/kg，安?？h61.90%土壤交換性鎂含量偏高（231.78 mg/kg）。3個主產煙區土壤有效硫含量均偏低，其中安福縣和永豐縣有78.57%和78.26%的土壤有效硫含量在低等級以下。

2.2.5 土壤微量元素

由表6可知，3個縣主產煙區土壤有效硼含量均偏低，平均含量分別為0.47、0.45、0.28 mg/kg。氯是煙草必需的微量元素，但是煙草對氯比較敏感，氯肥供應過量時，葉片厚而脆，彈性不足，燃燒性下降，品質變劣[21]。3個縣主產煙區的土壤水溶性氯含量均極高，平均含量分別為53.34、42.84、46.15 mg/kg。3個縣主產煙區的土壤有效銅含量偏高，平均含量為3.60、3.77、2.30 mg/kg。3個縣主產煙區的土壤有效鐵含量極為豐富，平均含量分別為532.31、317.08、 219.52 mg/kg。土壤有效錳含量3個縣主產煙區含量均偏低，平均含量分別為30.45、17.24、 11.72 mg/kg。永豐縣土壤有效鋅含量較為適宜，平均含量為 2.35 mg/kg。相反，峽江縣和安?？h土壤有效鋅含量偏高，平均含量分別為5.26、5.27 mg/kg。

2.3 吉安市植煙土壤養分指標相關性分析

由表7可知，土壤養分指標之間存在顯著或極顯著相關。為避免各養分指標所反映的信息重疊，采用主成分分析方法提取影響土壤養分的主成分。

2.4 吉安市植煙土壤養分的主成分分析

主成分分析方法是將眾多的變量轉變成數量不多的幾個因子來表示，并且這些因子包含了原變量提供的大部分信息。各主成分的特征值、方差貢獻率和累計方差貢獻率見表8?？梢钥闯?，前7個主成分的貢獻率達到81.919%（>80%）。說明對7個主成分進行分析已經能夠反映全部數據的大部分信息。

由表8、表9可知，第一主成分的貢獻率為25.369%，有效銅、有效鐵、有機質、有效磷、水解性氮5 個指標因子在第1主成分中起主要作用;第2主成分的貢獻率為18.305%，pH值、交換性鈣、交換性鎂3個指標因子在第2主成分中起主要作用;第3主成分的貢獻率為10.829%，有效錳和有效鐵在第3主成分中起主要作用;第4主成分的貢獻率為9.037%，有效硫在第4主成分中起主要作用;第5成分的貢獻率為6.893%，有效硼在第5主成分中起主要作用。第6、第7主成分的貢獻率分別為6.275%和5.211%。前7個主因子得分值分別以 PC1、PC2、PC3、PC4、PC5、PC6和PC7表示，通過回歸計算得出主成分得分系數矩陣，主成分得分函數表示為：

PC1=-0.008X1+0.200X2+0.201X3+0.159X4+0.141X5+0.123X6+0.102X7+0.127X8+0.100X9+0.194X10+0.135X11+0.178X12+0.068X13+0.110X14;

PC2=0.337X1-0.058X2-0.070X3-0.120X4+0.165X5+0.284X6+0.291X7+0.039X8-0.040X9-0.070X10-0.166X11-0.110X12+0.032X13+0.113X14;

PC3=-0.143X1-0.091X2-0.184X3-0.129X4-0.145X5+0.009X6+0.133X7-0.239X8+0.078X9-0.116X10+0.046X11+0.312X12+0.561X13+0.225X14;

PC4=-0.014X1+0.183X2+0.281X3-0.226X4-0.025X5-0.078X6-0.135X7-0.114X8+0.571X9-0.258X10-0.213X11-0.125X12-0.138X13+0.340X14;

PC5=-0.044X1-0.360X2-0.204X3+0.375X4+0.238X5-0.022X6-0.326X7+0.510X8+0.089X9-0.250X10-0.325X11+0.260X12+0.032X13+0.231X14;

PC6=0.066X1-0.252X2+0.163X3+0.364X4+0.562X5-0.159X6-0.023X7-0.523X8-0.099X9-0.309X10+0.390X11-0.154X12-0.022X13+0.163X14;

PC7=-0.107X1-0.243X2-0.157X3-0.279X4+0.404X5-0.102X6+0.188X7+0.273X8+0.633X9-0.027X10+0.297X11-0.097X12+0.180X13-0.617X14。

X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14為所選土壤樣品的14個養分指標（pH值，有機質、水解性氮、有效磷、速效鉀、交換性鎂、交換性鈣、有效硼、有效硫、有效鋅、有效鐵、有效錳、水溶性氯含量）標準化后的值。

2.5 吉安市植煙土壤質量聚類分析

根據前7個主成分的貢獻率，生成主成分的綜合得分（F）公式為：F=0.309 67×PC1+0.223 45×PC2+0.132 17×PC3+0.110 28×PC4+0.084 13×PC5+0.076 63×PC6+0.063 644×PC7，得到各產地土壤樣品質量的綜合得分，以主成分的綜合得分作為新變量，分別以3個植煙縣97個植煙村為標注個案，采用聚類分析最短距離法對各產地土壤質量進行聚類分析（圖1）。

在平方歐式距離為5.0處可以將所有樣品分為3類，第1類是硯溪步溪、洋門村沛、硯溪灼嶺、橫龍楓糖、戈坪舍龍、寮塘株木江、金江城上、平都陂下、硯溪硯溪、巴邱油陂廟、硯溪金坊、福民小櫪、平都下路、金江廟前、竹江下社、金江金灘、桐林桐林、橫龍江口、馬埠凰洲、潭城村前、平都小水、石馬店下、巴邱洲上、硯溪坪頭、沿陂吉江、洋門坊下、石馬龍坊、羅田店前、桐林流源、平都社洲、平都龍蒙、羅田安山、羅田神林、寮塘東岸、金江黑虎、平都思塘、嚴田土橋、平都瀝塘、平都農豐、橫龍嚴田、沿陂蘆下、沿陂毛家、仁和新陂、洋溪田里、羅田冬梅、戈坪芳洲、福民田心、橫龍楊梅、橫龍青橋、寮塘思塘、硯溪鵬溪、竹江中團、洋溪店背、嚴田花橋，共54個村。第2類是平都荊山、沿陂水東、寮塘谷口、洲湖諸橋、平都西邊、沿陂洄陂、石馬邱林、戈坪戈坪、羅田桂林、橫龍橫屋、洲湖王屯、陶唐洲上、硯溪因山、橫龍南橋、鹿岡鹿岡、橫龍南村、鹿岡前村、戈坪汀溪、洋溪牌頭、潭城富山、馬埠蘆溪、平都上里、羅田羅田、馬埠夏塘、鹿岡高坑、石馬棠閣、鹿岡巷口、金江廟口、潭城輞川、石馬源頭、石馬星勝、洲湖花車、橫龍山背、石馬光明、平都竹山、石馬梅西、橫龍東谷、沿陂涂家、沿陂枧田，共39個村。第3類是嚴田嶺溪、平都官田、竹江關溪、平都龍佳，共4個村。各類區的土壤養分情況如表10所示，Ⅰ區土壤呈弱酸性，富含有機質，土壤養分含量中等;Ⅱ區土壤呈弱酸性，有機質含量較另外2區偏低，土壤養分含量整體偏低;Ⅲ區土壤基本呈中性，除有效硼含量以外，其他土壤養分含量均比其他2類高，土壤整體養分含量較高。

3 結論與討論

通過對吉安市154個植煙土樣土壤養分指標的檢測分析和評價表明，吉安市大部分植煙土壤pH值適宜烤煙種植。峽江縣部分植煙土壤呈弱酸性，可適當施用生石灰來提高pH值，改善土壤酸堿度。

吉安市植煙區土壤有機質含量總體偏高，土壤水解性氮含量適宜，但永豐煙區含量偏高。因此，在烤煙大田期間要控制氮肥施用量。吉安市植煙土壤有效磷比例屬適宜以上占92%，峽江縣、安福縣和永豐縣土壤有效磷含量偏高，可能會影響煙葉的香味[22]。因此，應適當控制磷肥的施用。吉安市植煙土壤速效鉀含量整體處于偏低水平，其中，峽江縣和永豐縣較為嚴重。鉀元素缺乏影響煙葉的可燃性、顏色和身份，應在大田期補充鉀肥的施入。

吉安市植煙區土壤交換性鈣、交換性鎂含量豐富，不存在相互拮抗的現象。由于吉安市植煙土壤速效鉀含量較為缺乏，因此，烤煙根系對鎂離子的吸收并不會減少。植煙土壤微量元素的主要特征是：有效硼、有效錳含量低，水溶性氯、有效鐵含量高，有效銅、有效鋅含量偏高。其中，低硼現象較突出，針對該類土壤重點是補硼;另外，高氯、高鐵的現象較突出，針對此類型土壤，應控氯，另外調節土壤pH值，以達到降低土壤有效鐵含量的目的。

通過主成分分析，分別以 3個植煙縣97個植煙村為標注個案，采用聚類分析最短距離法對各產地土壤質量進行聚類分析，可分成3類。為吉安市烤煙種植布局、分區備貨、提高煙葉質量均衡性提供科學依據。

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