基于主成分分析和聚類分析的山東省典型植煙區土壤養分綜合評價

馬志明，高璐陽，2*

（1.新洋豐農業科技股份有限公司/農業農村部作物專用肥料重點實驗室，湖北 荊門 448000；2.山東新洋豐肥業有限公司，山東 菏澤 274000）

煙草是我國重要的經濟作物，良好的土壤環境是煙草正常生長的前提，適宜的土壤養分是煙草優質、高產的基礎[1]。植煙區土壤養分的豐缺狀況直接影響烤煙植株的生長發育和營養水平，進而影響煙草產品質量[2，3]。近年來，隨著化肥投入量的增加，植煙土壤酸化、有機質匱乏、微生物活性下降等問題日益加劇，限制了煙草的可持續生產和煙葉品質提升[4，5]。傳統施肥方式已不能滿足現代烤煙生產的需求，在精準測定土壤養分的基礎上，綜合評價土壤肥力水平，推廣精準施肥技術，可以保障土壤養分有效供給，提高煙葉生產的整體水平[6]。

隨著統計分析軟件的普遍應用，一些學者選取不同的分析方法對煙區土壤的養分狀況進行了綜合評價。唐佐芯等[7]利用主成分和聚類分析方法對紅河州煙區土壤進行評價，發現地形、海拔、pH 值以及有機質、有效磷、有效硼、有效鉬和水溶性氯含量是影響該區土壤養分水平的主要因子。賈海江等[8]通過相關分析和模糊數學法對昌寧植煙區土壤的養分特征及肥力進行綜合評價，結果顯示，昌寧縣植煙區61.28%的土壤肥力狀況良好。韋建玉等[9]利用模糊數學和偏相分析法對重慶市主要煙區土壤的肥力狀況進行綜合評價，發現有機質含量對土壤綜合肥力指數貢獻最大，重慶市煙區土壤肥力因子多處于強變異水平。當前，土壤肥力評價越來越側重對多個影響因子的綜合性評價。

山東省是我國煙草主產區之一，2020 年該省煙草種植面積達1.82 萬hm2，產量4.72 萬t，主要種植區集中在濰坊、日照、臨沂等地[10]。截至目前，針對山東省不同煙草種植區土壤養分狀況的系統研究較少，缺乏對全省植煙區土壤肥力的綜合評價。以山東省典型植煙區土壤樣本為研究對象，采用主成分分析和聚類分析方法對植煙區土壤的養分狀況進行綜合評價，以期為山東省典型植煙區土壤的養分管理和科學施肥提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

山東省為沿海地區，地處北緯34°22.9′～38°24.0′、東經114°47.5′～122°42.3′，屬溫帶季風氣候，春秋較短、冬夏較長，四季分明，雨量集中。該區年降水量550～950 mm，平均降水量680 mm，年平均氣溫11～14 ℃[11]，氣候條件適宜煙草植物生長。

1.2 土壤樣本采集與分析

1.2.1 土壤樣本采集 2018～2019 年在山東省濰坊、日照、臨沂煙草主產區采集土壤樣本227 份，其中濰坊市54 份、日照市45 份、臨沂市128 份。在每個土壤采樣點，均依據均勻性和代表性原則，按照“S”型五點取樣法隨機選擇5 個點采集土壤，取樣深度為0～20 cm，剔除落葉、根系等雜物后混合為1 個樣本，采用四分法留存1 kg 左右作為該采樣點的土壤樣本，然后裝入自封袋，并記錄采樣日期、地點等基本信息。土壤樣本風干后研磨、過篩，備用待測。

1.2.2 土壤指標分析 土壤分析指標包括有機質含量，pH 值，堿解氮、有效磷、速效鉀含量，交換性鈣、交換性鎂含量，以及微量元素有效鐵、鋅、硼含量。其中，有機質含量測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；pH 值測定采用pH 計進行（水土比為2.5 ∶1）；堿解氮含量測定采用堿解擴散法；有效磷含量測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀含量測定采用乙酸銨浸提-火焰光度計法；交換性鈣、鎂含量測定采用乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法；微量元素鐵、鋅、硼含量測定采用DTPA 浸提-原子吸收分光光度法[12，13]。

1.3 土壤養分狀況評價

1.3.1 土壤養分評價指標體系構建 參照《中國植煙土壤及煙草養分綜合管理》[14]和《全國第二次土壤普查暫行技術規程》[15]，確定植煙區土壤養分評價指標體系（表1）。

表1 植煙地區土壤養分評價指標體系Table 1 Soil nutrient evaluation index system in tobacco planting area

1.3.2 土壤肥力評價方法 土壤養分狀況受土壤類型、母質、施肥量等多種因素的影響。土壤肥力是土壤眾多養分因子綜合作用的結果，土壤評價因子應盡可能選擇與土壤肥力相關的因子[16]。

1.3.2.1 主成分分析。主成分分析方法是以最小數據集原理為基礎，對所有綜合指標進行降維，篩選出幾個彼此不相關的因子，用以反映原來所有指標提供的大部分信息[17]。本研究中，采用主成分分析方法[18]對山東省植煙區土壤pH 值以及有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、有效鐵、有效鋅和有效硼含量10 項養分因子進行降維，得出綜合反映土壤肥力的指標特征值（λ），依據λ＞1 原則確定最終評價指標；并根據土壤養分綜合得分公式IFI=θ1F1+θ2F2+……+θnFn（IFI 為土壤養分綜合得分，θ 為各主成分貢獻率，n 為主成分個數），計算各樣點土壤的IFI。依據IFI 判斷土壤綜合肥力狀況，IFI 越大，表示土壤肥力狀況越好。

1.3.2.2 聚類分析。采用類平均法[19]對各樣點的IFI 進行系統聚類分析，依據平方歐氏距離衡量樣本間的差異，最終評價山東省典型植煙區土壤的養分狀況。

1.4 數據處理與分析

使用Excel 2019 軟件和SPSS 25.0 軟件對數據進行處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 山東省典型植煙區土壤養分的豐缺狀況

統計結果（表2） 顯示，山東省植煙區土壤pH值為4.70～7.93，平均值5.41，74.07%的土壤樣本呈酸性，pH 值適宜的土壤僅占14.82%；有機質含量為6.30～38.42 g/kg，平均值18.81 g/kg，37.04%的土壤樣本有機質含量處于偏低水平，部分煙區土壤有機質較匱乏；堿解氮含量為64.19～264.59 mg/kg，平均值144.34 mg/kg，33.33%的土壤樣本堿解氮含量處于偏低水平，部分煙區土壤氮素較匱乏；有效磷含量為1.80～46.35mg/kg，樣本間差異較大，平均值24.13 mg/kg，66.66%的土壤樣本有效磷含量較高，煙區土壤磷素供應充足；速效鉀含量為50.49～431.27 mg/kg，平均值157.67 mg/kg，整體較缺乏，62.97%的土壤樣本鉀素含量處于偏低水平；交換性鈣含量為334.11～4 365.12 mg/kg，平均值1 726.24 mg/kg，22.22%的土壤樣本處于適宜水平，62.97%的土壤鈣素含量豐富；交換性鎂含量為63.50 ～645.94 mg/kg，平 均 值274.13 mg/kg，僅7.41%的土壤樣本鎂素處于缺乏狀態；有效鐵含量為6.46～15.21 mg/kg，平均值10.20 mg/kg，植煙區土壤無缺鐵現象；有效鋅含量為0.05～6.56 mg/kg，平均值1.79 mg/kg，37.04%的土壤樣本有效鋅含量處于偏低水平，其他土壤樣本有效鋅含量均處于適宜和偏高水平，植煙區土壤有效鋅含量豐缺并存；有效硼含量為0.01～3.30 mg/kg，平均值0.90 mg/kg，55.57%的土壤樣本有效硼含量處于缺乏狀態。

表2 山東省植煙區土壤養分含量及其水平分布狀況Table 2 Soil nutrient content and distribution in tobacco planting area of Shandong Province

2.2 山東省典型植煙區土壤養分的綜合評價

2.2.1 相關性檢驗、KMO 和Bartlett 球形度檢驗 相關分析結果（表3）顯示，山東省植煙區土壤pH 值與土壤有機質、堿解氮和交換性鈣含量呈極顯著正相關，與速效鉀含量呈顯著正相關；土壤有機質含量與堿解氮和速效鉀含量呈極顯著正相關；其他各養分因子之間存在不同程度的相關性。說明部分養分因子信息有重疊。

表3 山東省植煙區土壤各項養分指標的相關分析Table 3 Correlation analysis of soil nutrient indexes in tobacco planting area of Shandong Province

對土壤各項指標進行因子分析，得出KMO 值為0.632，Bartlett 球形度檢驗呈極顯著相關（p＜0.01）。說明可采用主成分分析法對影響植煙區土壤肥力的主要因子進行進一步篩選。

2.2.2 植煙區土壤肥力的主成分分析 根據λ＞1 原則，共提取主成分4 個，方差累積貢獻率為76.294%（表4），總體上可以反映土壤肥力的基本信息。依據因子載荷與成分得分系數矩陣（表5），判定山東省典型植煙區土壤養分影響因子的4 個主成分內容：第一主成分包括pH 值，以及有機質、堿解氮、速效鉀和交換性鈣含量；第二主成分包括交換性鎂和有效鋅含量；第三主成分為有效磷含量；第四主成分包括有效鐵和有效硼含量。

表4 主成分特征值及累積貢獻率Table 4 Principal component eigenvalues and cumulative contribution rate

表5 因子載荷與成分得分系數矩陣Table 5 Factor load and component score coefficient matrix

對植煙區土壤10 項養分因子進行數據標準化處理，依據成分得分系數矩陣得到各主成分的綜合得分表達式：

F1=0.250ZX1+0.217ZX2+0.244ZX3+0.103ZX4+0.200ZX5+0.213ZX6+0.052ZX7-0.065ZX8-0.077ZX9-0.102ZX10

F2=0.088ZX1+0.022ZX2-0.046ZX3+0.093ZX4-0.109ZX5+0.193ZX6+0.458ZX7+0.254ZX8+0.440ZX9+0.172ZX10

F3=-0.166ZX1+0.297ZX2+0.234ZX3+0.539ZX4-0.068ZX5-0.272ZX6-0.313ZX7+0.261ZX8+0.128ZX9+0.200ZX10

F4=-0.011ZX1+0.013ZX2-0.039ZX3+0.135ZX4+0.011ZX5+0.092ZX6+0.045ZX7-0.635ZX8+0.021ZX9+0.697ZX10

根據IFI 公式，計算各土壤養分的綜合得分。

2.2.3 植煙區土壤肥力的聚類分析 根據土壤IFI，將山東省典型植煙區土壤肥力水平劃分為較高（I）、適宜（Ⅱ）和偏低（Ⅲ）3 個等級。其中，I 級土壤樣本數56 個，Ⅱ級土壤樣本數129 個，Ⅲ級土壤樣本數42 個，分別占總樣本數的24.67%、56.83%和18.50%。差異顯著性檢驗結果（表6） 顯示，I 級土壤的有機質含量、pH 值以及堿解氮、有效磷和交換性鈣含量顯著高于Ⅱ級和Ⅲ級土壤，各養分含量總體充足，整體肥力水平較高；Ⅱ級土壤的各養分含量整體處于適宜水平，土壤養分狀況能夠滿足煙草植株的生長需求；Ⅲ級土壤的pH 值以及各項養分含量均低于總體平均值，土壤整體肥力水平較差。

表6 山東省植煙區不同肥力水平土壤的養分指標平均值Table 6 Average value of soil nutrient indexes of different grades in tobacco planting areas of Shandong Province

2.3 山東省不同植煙區土壤的肥力狀況

土壤IFI 達到I 級和Ⅱ級水平的樣本數占總樣本數的81.50% （表7），表明山東省大多數煙區土壤養分狀況適宜煙草生長，少數煙區土壤肥力水平偏低。由不同煙草主產區的各肥力等級土壤樣本數占比可以看出，濰坊市煙區土壤綜合肥力水平最高，I 級和Ⅱ級水平的土壤樣本數占比高達87.03%；日照市煙區土壤肥力水平中等，I 級、Ⅱ級水平的土壤樣本數分別占35.56%和46.67%，其中肥力較高（I 級）的土壤樣本數占比略低于濰坊市；臨沂市煙區I 級、Ⅱ級、Ⅲ級水平的土壤樣本數分別占12.50%、66.41%和21.09%，I 級水平的土壤樣本數占比較少。

表7 不同煙草種植區各肥力等級土壤的樣本數占比Table 7 Sample number proportion of different fertility levels in different tobacco planting areas of Shandong Province （%）

3 結論與討論

3.1 討論

土壤是供給煙草生長所需養分和水分的基礎，土壤肥力水平直接影響煙草的產量和質量，進而影響煙草的經濟效益。明確土壤養分限制因子，對于山東省煙草行業健康發展具有重要意義。

3.1.1 pH 值以及有機質、堿解氮、速效鉀、有效鋅、交換性鈣和交換性鎂含量是影響山東省典型植煙區土壤肥力水平的主要因子（第一、二主成分因子），其影響累積貢獻率達52.308% pH 值是評價土壤肥力的重要指標之一，適宜pH 值有利于煙草品質的提升[20]。研究表明，煙草生長的最適pH 值為5.5～6.5，土壤過酸或過堿均會導致煙草質量下降[21]。本研究結果顯示，山東省74.07%的植煙區土壤pH 值偏低，不利于優質烤煙生產。造成土壤酸化的原因較多，煙草生產過程中偏施磷肥、大量施用氮肥，忽視有機肥、鈣鎂肥和微量元素肥料的施用是造成煙區土壤酸化的主要原因，可通過施用生石灰等堿性物質、增施堿性肥料等措施調節土壤酸堿度。有機質是土壤各種營養元素的重要來源，其含量直接影響煙草的生長發育及產品質量[22]。氮素是細胞內各種氨基酸、蛋白質等含氮化合物的重要組成部分，是影響煙草產量的重要營養元素[23]。趙瑞芬等[24]研究表明，土壤有機質含量與氮素含量呈極顯著正相關（R=0.668）。山東省典型植煙區土壤有機質含量與堿解氮含量呈極顯著正相關（R=0.680），本研究結果與趙瑞芬等[24]的觀點一致，基本符合土壤有機質與堿解氮養分含量之間的關系。煙草為喜鉀作物，鉀素參與煙草的碳素代謝，提高土壤鉀素含量水平能夠顯著增強煙草植株的抗逆性。本研究結果顯示，山東省植煙區62.97%的土壤鉀素處于偏低水平。施肥方式不合理是造成土壤鉀素有效性改變及含量缺乏的直接原因，過量施用鉀肥會造成多余的鉀素被土體吸附固定或隨水徑流淋溶至土壤深層，在煙草種植過程中應注意合理補施鉀肥。土壤有效鋅對于煙草生長具有一定的影響，土壤缺鋅會導致煙葉生長緩慢，植株矮小，葉片小。本研究中，山東省典型植煙區土壤有效鋅含量豐缺并存，有37.04%的土壤有效鋅養分較缺乏。煙區土壤交換性鈣、鎂養分含量充足，且彼此間不存在拮抗作用。胡蓉花等[25]研究表明，煙區土壤鉀素缺乏易導致烤煙根系對鎂離子吸收較多[25]。山東省典型植煙區土壤速效鉀含量較缺乏，交換性鎂含量充足，與胡蓉花等[25]的研究結果基本一致。

3.1.2 有效磷、有效鐵和有效硼含量是影響山東省典型植煙區土壤肥力水平的次要因子（第三、四主成分因子），其影響累積貢獻率達23.986% 土壤有效磷含量是反映土壤磷素供應的重要指標。謝瑞等[26]研究表明，烤煙的干物質累積量隨施磷量的增大而增加，但磷含量過高會抑制煙草生長，降低煙葉質量，并與土壤其他陰離子產生拮抗作用。本研究結果顯示，山東省66.67%的植煙區土壤有效磷含量較高，因此，在煙草生產過程中應適當降低磷肥施用量。微量元素是植物體內酶類、維生素等的重要組成部分，能夠改善作物品質，提高抗逆性[27]。張錦韜等[28]研究表明，土壤酸性強是有效鐵含量高的主要原因，有效鐵缺乏情況主要發生在pH 值較高的石灰性土壤。本研究中，山東省多數植煙區土壤酸性較強，微量元素有效鐵含量充足，與張錦韜等[28]的研究結果基本一致。烤煙是需硼較多的作物，增加土壤有效硼含量對促進煙草生長和品質提升具有一定作用，在一定范圍內，煙葉煙堿含量與土壤硼含量呈正相關。硼養分豐富有利于組織內腺嘌呤轉化為核酸，絡氨酸轉化為蛋白質，煙草缺硼會導致植株體內蛋白質合成受阻，同時加速蛋白質的分解。本研究中，山東省植煙區土壤有效硼養分缺乏嚴重，在生產過程中應注重補施硼肥。

3.1.3 采用主成分分析和系統聚類分析方法對典型植煙區土壤養分進行綜合評價，研究結果能夠較為全面地評價山東省植煙區土壤的肥力狀況 目前用于土壤養分綜合評價的方法較多，主要有主成分分析法[7]、相關分析及模糊數學法[8]、灰色關聯度分析法[29]和生態適宜度分析法[30]等。本研究利用主成分分析和系統聚類分析方法，在復雜的土壤養分評價指標中篩選出幾個能夠有效反映全部指標多數信息的因子，能夠較為全面地評價山東省典型植煙區土壤的肥力狀況。但由于本研究選定的評價指標未包含土壤全量養分以及煙草植株產量、養分吸收量等重要指標，因此研究結果具有一定的局限性。為更加客觀地評價山東省典型植煙區土壤養分的狀況水平，今后需進一步構建更為全面的植煙區土壤養分評價體系，綜合評價多種相關指標。

3.2 結論

采用主成分分析和系統聚類分析方法，依據土壤養分綜合得分（IFI）判斷山東省典型植煙區土壤肥力水平。山東省典型植煙區土壤綜合肥力整體適宜煙草生長，濰坊市煙草種植區土壤肥力水平最高，其次是日照市。針對典型植煙區土壤養分狀況，應注重煙區土壤科學管理和肥料合理施用，增施有機肥，配施無機肥，補施鉀肥，提高土壤pH 值和有機質含量，同時補充硼、鋅等微量元素養分。