基于主成分分析評(píng)價(jià)四川省瀘縣土壤肥力

徐開坤，朱 雙，鄭 琴，姚旭松

（1.瀘縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，四川 瀘州 646100；2.四川省科源工程技術(shù)測(cè)試中心，成都 610073；3.自然資源部耕地資源調(diào)查監(jiān)測(cè)與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610073）

瀘縣是四川省瀘州市下轄縣，位于四川盆地南部，年平均氣溫18.1 ℃，極端最高氣溫38.2 ℃，極端最低氣溫0.7 ℃。全年降水1 179.4 mm。全年日照950.3 h。境內(nèi)地貌有低山深丘、中丘中窄谷、淺丘寬谷、河谷階地4 種形態(tài)，分別占總面積的7%、27%、60.5%和5.5%。地勢(shì)東北高、西南低，瀘縣轄區(qū)內(nèi)土壤類型有水稻土、潮土、紫色土、黃壤4 個(gè)土壤類型［1］。其中水稻土占耕地面積的83%，是四川省農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)，全縣農(nóng)用地125 735.29 hm2，占總土地面積的82.07%，未利用地9 365.25 hm2。全縣土地利用結(jié)構(gòu)不合理，生產(chǎn)力水平較低下，經(jīng)濟(jì)效益不高，且耕地質(zhì)量較差，高產(chǎn)田塊僅占22.2%，中低產(chǎn)田塊占比77.8%。為了響應(yīng)國(guó)家高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，本研究通過廣泛調(diào)研采集瀘縣種植區(qū)農(nóng)田土壤樣品，對(duì)其主要養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，并綜合評(píng)價(jià)土壤肥力狀況，為該區(qū)域土壤改良及精準(zhǔn)施肥提供參考［2］。

1 材料與方法

1.1 土樣采集與處理

試驗(yàn)于2018 年9 月在滬縣開展，調(diào)研區(qū)域包括石橋鎮(zhèn)、玄灘鎮(zhèn)、云錦鎮(zhèn)、潮河鎮(zhèn)等19 個(gè)主要農(nóng)業(yè)種植鄉(xiāng)鎮(zhèn)，區(qū)域內(nèi)農(nóng)田均屬四川盆地農(nóng)林區(qū)。調(diào)研取樣點(diǎn)如表1 所示。

表1 瀘縣農(nóng)田土壤采樣點(diǎn)位信息

每個(gè)點(diǎn)位采集5 份土壤樣品，共計(jì)95 份。采樣時(shí)利用GPS 定位，每個(gè)調(diào)研地塊采集0～20 cm 土層的土壤樣品，避開施肥位置按照“S”型路線隨機(jī)選擇5 點(diǎn)取樣，樣品混合后，采用四分法取1 kg 左右的樣品代表該地塊土壤［3］。所有樣品貼好標(biāo)簽，帶回實(shí)驗(yàn)室。土樣置于陰涼通風(fēng)的樣品室風(fēng)干，去掉植物根系、小礦石等雜質(zhì)，用橡膠錘粉碎后過2 mm 篩、瓷研缽磨碎后過0.15 mm 篩，分別用于不同土壤指標(biāo)測(cè)定。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤pH（土水質(zhì)量比1.0∶2.5）采用電位計(jì)法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法（外加熱法）測(cè)定；全氮含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷含量采用氟化銨-鹽酸浸提，紫外分光光度法測(cè)定；速效鉀含量測(cè)定采用乙酸銨提取，火焰光度法測(cè)定；緩效鉀含量測(cè)定采用硝酸煮沸法，火焰光度法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 整理后利用SPSS 26.0 軟件比較不同采樣點(diǎn)的水質(zhì)情況，基本步驟如下，①選取土壤理化因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。②數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除不同指標(biāo)間量綱和數(shù)量級(jí)的影響。③確定主成分個(gè)數(shù)和表達(dá)式［4］。④土壤肥力評(píng)價(jià)。計(jì)算主成分分值，綜合得分越高，表明土壤肥力越差。通過origin 軟件進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析。

1.4 土壤養(yǎng)分等級(jí)分析

土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀分級(jí)參考土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［5，6］，詳見表2、表3。

表2 土壤pH 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分等級(jí)分析

采用“1.2”測(cè)定方法對(duì)19 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤樣品容重、pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表4。

表4 瀘縣19 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)田土壤指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

19 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中牛灘鎮(zhèn)、太伏鎮(zhèn)土樣pH 最高，為7.6；石橋鎮(zhèn)pH 最低，為4.4。

采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究土壤樣本的屬性特性，從而評(píng)價(jià)整個(gè)區(qū)域的土壤肥力狀況，對(duì)土壤屬性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，土壤各指標(biāo)隸屬度值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5、表6。

表6 土壤屬性統(tǒng)計(jì)

瀘縣19 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中84.2%土壤有機(jī)質(zhì)含量處于四級(jí)（中上）及以上水平，石橋鎮(zhèn)的有機(jī)質(zhì)含量最高，為26.2 g/kg；百和鎮(zhèn)的有機(jī)質(zhì)含量最低，為2.1 g/kg；瀘縣19 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中68.4%全氮處于三級(jí)（中下）及以下水平，潮河鎮(zhèn)的全氮含量最高，為1.53 g/kg，云錦鎮(zhèn)的全氮含量最低，為0.82 g/kg；瀘縣19 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中堿解氮含量達(dá)到四級(jí)（中上）及以上水平，而有效磷僅42.2%達(dá)到四級(jí)及以上水平；63.1%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤速效鉀含量處于三級(jí)（中下）及以下水平。

土壤酸堿性是土壤理化性狀的基礎(chǔ)，對(duì)土壤肥力、養(yǎng)分循環(huán)、微生物活性以及甘蔗的生長(zhǎng)發(fā)育均有明顯影響［7，8］，土壤過酸會(huì)導(dǎo)致土壤陽離子交換量和鹽基飽和度降低、土壤礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素缺乏等現(xiàn)象，從而影響農(nóng)作物的產(chǎn)量及品質(zhì)［9］。導(dǎo)致土壤呈酸性的原因很多，而土壤自然酸化的過程比較緩慢，人為活動(dòng)的增加是造成土壤酸化程度加劇的主要因素。可以通過使用改良劑改善土壤理化性質(zhì)，并促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)［10］。

2.2 土壤各指標(biāo)的相關(guān)性分析

土壤中的各指標(biāo)并不單獨(dú)存在，在一定程度上存在關(guān)系［11］。各指標(biāo)參數(shù)存在不同程度的相關(guān)性，通過臨界相關(guān)系數(shù)可以進(jìn)一步判斷相關(guān)程度的大小［12］。 臨界相關(guān)系數(shù)見表7。

表7 Pearson 相關(guān)系數(shù)臨界值

土壤肥力指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果見圖1。由圖1可知，瀘縣農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)與堿解氮（r= 0.63**）、緩效鉀（r=0.60**）含量呈顯著強(qiáng)相關(guān)；緩效鉀與速效鉀（r=0.66**）含量呈顯著強(qiáng)相關(guān)，堿解氮與速效鉀（r=0.05*）呈中等強(qiáng)度相關(guān)，這說明碳、氮、磷元素可能來源比較統(tǒng)一，結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶種植習(xí)慣，認(rèn)為可能受施肥影響［13］。

2.3 土壤肥力等級(jí)分析

通過主成分分析法比較不同采樣點(diǎn)的肥力等級(jí)［14，15］，主成分方差及方差累計(jì)貢獻(xiàn)率見表8。由表8 可知，特征值大于1 的只有3 個(gè)成分，累計(jì)方差占比為79.749%，基本滿足主成分個(gè)數(shù)確定要求，3個(gè)主成分能夠反映全部數(shù)據(jù)的大部分信息。成分矩陣見表9。將成分矩陣除以對(duì)應(yīng)的主成分特征值的平方根得到其對(duì)應(yīng)的系數(shù)，再將所得系數(shù)矩陣與標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)相乘得到各主成分的評(píng)價(jià)函數(shù)及綜合評(píng)價(jià)函數(shù)Y。

表8 特征值和主成分貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率

表9 成分矩陣

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)函數(shù)Y得分情況，給予土壤肥力定量化描述，得分越高，表明肥力評(píng)價(jià)越好，各采樣點(diǎn)主成分分析法肥力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表10、圖2。主成分分析肥力評(píng)價(jià)法結(jié)果表明，玄灘鎮(zhèn)土壤最肥沃，其次為得勝鎮(zhèn)，百和鎮(zhèn)土壤最貧瘠。

表10 主成分分析法肥力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

圖2 主成分分析

3 小結(jié)

1）瀘縣土壤多為酸性，少量為堿性。19 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量偏低，土壤總體較為貧瘠。

2）瀘縣碳、氮、磷元素呈較強(qiáng)的相關(guān)性，結(jié)合當(dāng)?shù)胤N植戶習(xí)慣，可能受施肥習(xí)慣影響。

3）主成分分析肥力評(píng)價(jià)法結(jié)果表明，玄灘鎮(zhèn)土壤最肥沃，其次為得勝鎮(zhèn)，百和鎮(zhèn)土壤最貧瘠。

4）建議瀘縣種植戶重視土壤酸化的治理，合理施用氮、磷、鉀肥料，防止工業(yè)污染，提高土壤肥力。