基于主成分分析的不同土地利用方式土壤肥力評價

中圖分類號 S158 文獻標識碼A 文章編號 1007-7731（2025）16-0044-06

DOI號 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.16.011

AbstractToreveal the influenceof differentland useon farmland soil fertility，thispaper took thesoils under threelanduse types （paddy fields，drylands，and orchards）in Shimen County，ChangdeCity，Hunan Province as the researchobject.The pH，organic mater，total nitrogen，alkaline dissolved nitrogen，quick-acting potassiumand efective phosphorus content weredetermined，thechanging lawof thecharacteristicsoffarmland soil fertilityunder different landuse pattern were analyzed，and thesoil fertilityindex was calculatedand gradedusing principal component analysis and weighted membership function.The soilfertility index wascalculated byprincipalcomponent analysisandsubordinate degreefunction weighting，and then graded to provide scientific basis forrational fertilization inthe studyareaand similar areas.Theresults showedthatthesoilfertilitycharacteristics of differentlanduse pattrns in the study area showed large variability，andthe coeficientof variation was larger forquick-acting nutrients than for total nutrients（totalnitrogen）.TecontentsofpH，organicmaterandtotalnitrogenindiferentlandusepatternwere paddyfieldgt;drylandgt;garden field，and thecontents ofalkaline dissolved nitrogen，quick-acting potassiumand ffective phosphorus were garden fieldgt;drylandgt;paddy field.The scores ofcomprehensive soilfertility evaluationshowed thatthe soilfertitylevelwas highinthe gardenanddryland，andmediuminthepaddyfield.The principalcomponentsoiltotal nitrogenhas the highestcontributionrate，andthe weightof soil quick-acting potassium hasthe highestproportion，so the scientificappicationof quick-acting utrients should beemphasized in fertilizer appication.For soil acidification， especiallyinorchardsoil，itisecommendedtoapplymoreorganicfertlizers toincreasetheorganicmaterinthesoil to improve the bufferingcapacityof thesoil againstacidification，andalso to improve thesoil granular structure and permeability.This research providesascientific basis forrational fertilizationinthe studyareaandsimilarregions.

Keywordsland use patern; soil fertility evaluation; membership degree; principal component analysis

土壤肥力是表征土壤肥沃程度的一個主要指標。土地利用方式是農業生產活動的重要形式，是驅動土壤肥力變化的直接影響因素之一[2，其作用過程加劇了土壤肥力的時空異質性[3-4]。Yuan等[5研究陶家河流域廣泛分布的4種土地利用類型（耕地、菜地、林地和荒地），結果表明，林地土壤中有機質含量最高，土壤全氮含量主要受生物量的積累和有機質的分解強度影響，其含量變化趨勢與有機質含量的變化趨勢保持一致。Kavana等研究休耕地、公共牧場、混合牧場和野生動物為主的牧場4種利用方式的土地，結果表明，4種土地利用方式對土壤理化性質均有一定影響，其中放牧和耕作對土壤理化特性的影響大于其余土地利用方式。通過研究不同土地利用方式對土壤肥力指標的影響，探討科學合理的土地管理模式，對提高土壤生產力具有重要意義

土壤肥力評價是科學施肥管理的重要依據[8]目前，土壤肥力綜合評價體系逐步完善，其方法主要包括綜合肥力指數法、模糊數學法、內梅洛指數法、主成分分析法等[9-10]。主成分分析法能夠減少主觀判斷的隨意性，并依據樣本方差貢獻率對數據進行分析，使得數據處理過程更為直觀，同時側重數據本身的統計學意義[1]。為此，本研究采用主成分分析法，選取湖南常德石門縣水田、旱地、園地3種典型土地利用類型為研究對象，分別測定土壤pH及有機質、全氮、有效磷、速效鉀、堿解氮6個土壤肥力指標，評估土壤綜合肥力等級，以探討不同土地利用方式對土壤肥力的影響，為該地及類似地區合理制定土地利用策略及科學施肥提供參考。

1材料與方法

1.1 研究區基本情況

研究區位于湖南省西北部，地處湘鄂邊界（2號 （110^°29^′-111^°33^′E，29^°16^′-30^°08^′N ，區域面積 3 970km² 。該地屬中亞熱帶向亞熱帶過渡的季風氣候區，降水充沛，氣候溫潤，年平均氣溫 16.7^°C 全年無霜期 282d ，日照時數 1646.9h ，平均年降水量 1540mm 。土壤成土母質主要為石灰巖風化物、紫色頁巖風化物、第四紀紅色黏土、河流沖積物等。土地利用類型包括水田、旱地、果園、園地和林地等。主要農作物種植類型包括水稻、玉米、蔬菜、柑橘、茶葉、煙葉等。

1.2 土壤樣品采集

依據GB/T21010—2017《土地利用現狀分類》，將研究區土地利用方式細化為水田、旱地、園地3種主要類型。于2022年11月至2023年3月，選取研究區內46個水田、77個旱地、29個園地共152個具有代表性的土壤樣點，通過梅花型布點法采集深度0～20cm 的土壤樣品。樣品帶回實驗室，于室內自然風干，研磨過篩后儲存備用。

1.3 測定項目及方法

1.3.1土壤肥力指標測定 土壤pH測定選用pH計電位法測定[12]，土壤有機質含量測定選用重鉻酸鉀氧化－外加熱法[13];土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定[14]；土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定[15]；土壤速效鉀含量采用乙酸銨溶液浸提一原子吸收法測定[16；土壤有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提一鉬銻抗分光光度法進行測定[7]。

1.3.2土壤肥力評價方法 以主成分分析法[8]為基礎，結合隸屬度函數加權計算，對研究區不同利用類型土地進行土壤肥力綜合評價。

（1）隸屬度計算。由于各項評價指標的單位和量綱不同，需對各項肥力評價指標的量綱進行歸一化處理，以確保各評價指標間具有可比性[19]。通過建立土壤生產關系與土壤肥力水平的隸屬度函數，揭示各肥力指標在土壤中的狀態，以隸屬度的大小來反映各肥力指標對土壤功能影響的貢獻率。

土壤屬性的空間變異性對土壤肥力水平的影響呈動態變化的特征。鑒于土壤因子變化具有連續性，各評價指標采用連續性質的隸屬度函數[20。隸屬度函數的常見類型有峰值型、戒上型、梯形型等。土壤pH的高低對植物生長具有顯著影響，當其偏離最佳范圍時，對植物生長的負面影響更明顯[21]，因此該指標采用峰值型隸屬度函數來計算。其他5項指標均采用戒上型隸屬度函數，其數值越高，表示評價對象的質量越好，但當數值達到相應臨界值后，其效用逐漸趨于穩定。

峰值型隸屬度函數和戒上型隸屬度函數計算公式分別如式（1）～（2）所示。

峰值型

戒上型

式中， x 為土壤肥力指標觀測值， L，O₁，O₂，U 為函數轉折點。根據全國第二次土壤普查數據和相關資料，函數轉折點取值如表1所示。

表1土壤肥力指標隸屬度界限與范圍

（2）權重確定與土壤肥力評價。對所獲取的數據進行KMO檢驗（ KMOgt;0.6 和Bartlett球形檢驗（Bartlett ?0.05 ），并運用主成分分析法計算出各項土壤肥力指標的公因子方差，再計算各公因子方差與公因子方差總和的比例，將其作為評價指標的權重w_i^° 根據模糊數學的加乘法原則，將各指標的權重值與隸屬值進行加權求和，得出土壤肥力綜合指數（Integratedfertilityindex，IFI），計算如式（3）。

式（3）中， n 為土壤肥力指標數量 ?_Ii 為第i項指標的隸屬值， w_i 為第 i 項指標的權重系數，IFI值范圍在 0～1 。

綜合考慮研究區土壤利用情況，參考文獻[22-23]的研究成果，將土壤肥力評價標準細分為5個等級。具體而言， IFI?0.8 為土壤綜合肥力高， 0.6?IFIlt; 0.8為偏高， 0.4?IFIlt;0.6 為中等， 0.2?IFIlt;0.4 為偏低，IFIlt;0.2 為極低。

1.4數據處理

測定數據采用SPSS29.0、Origin2024和Excel軟件進行分析處理，使用Pearson相關分析法分析土壤肥力指標之間的相關性，使用單因素方差（One-wayANOVA）的Waller-Duncan分析不同土地利用方式對土壤各肥力指標影響差異。

2結果與分析

2.1不同土地利用類型土壤肥力指標描述統計

變異系數是反映土壤肥力空間變異性的重要指標，其值低于 15% 表明變異程度較低，為小變異，介于 16%～35% 視為中等變異，高于 36% 則表明變異程度高。自然因素與人為活動的共同作用導致不同土地利用方式下土壤肥力指標的變異系數存在明顯差異。由表2可知，水田中 ΔpH 的變異系數[ 13% ）屬于低變異水平；有機質、全氮的變異系數分別為 26% 和 25% ，為中等變異；堿解氮、速效鉀、有效磷的變異系數分別為 45%.57%.66% ，屬于高變異。旱地土壤中則不存在低變異水平， pH 、有機質、全氮的變異系數分別為 16%.31% 和 34% ，均屬于中等變異；而堿解氮、速效鉀、有效磷的變異系數分別為 62% 、 90% 和 110% ，表現出較高的變異水平。園地與旱地在變異系數的分類上具有相似性，未出現低變異水平， pH 、有機質、全氮的變異系數在 16%～35% ，表現為中等變異；堿解氮、速效鉀、有效磷的變異系數分別為 73%.77% 和 83% ，屬于高變異水平。綜合來看，速效養分的變異系數高于全量養分（全氮），旱地和園地的土壤肥力指標變異系數高于水田。

表2不同土地利用類型土壤肥力指標

續表2不同土地利用類型土壤肥力指標

2.2不同土地利用方式對土壤肥力指標的影響

如表3所示，不同土地利用方式下土壤肥力指標存在差異。土壤pH表現為水田 gt; 旱地 gt; 園地，水田與旱地的土壤pH差異無統計學意義（ Pgt;0.05， ，但高于園地，差異具有統計學意義（ _{（Plt;0.05）} 。土壤有機質與全氮的含量特征相似，均為水田 gt; 旱地 gt; 園地，且水田與旱地和園地的差異具有統計學意義（ Plt; 0.05）。土壤堿解氮含量表現為園地 gt; 旱地 gt; 水田，差異無統計學意義 （Pgt;0.05） 。土壤速效鉀含量表現為園地 gt; 旱地 gt; 水田，園地和旱地與水田的差異具有統計學意義（ （Plt;0.05） 。土壤有效磷含量表現為園地gt;旱地 gt; 水田，差異具有統計學意義（ Plt;0.05） 。綜合來看，不同土地利用方式下土壤 pH 有機質含量、全氮含量均表現為水田 gt; 旱地 gt; 園地，土壤堿解氮、速效鉀與有效磷含量均表現為園地 gt; 旱地gt;水田。

表3不同土地利用方式農田土壤肥力指標

注：同列不同小寫字母表示差異在0.05水平具有統計學意義。

2.3 土壤肥力評價

以土壤pH、有機質、全氮、堿解氮、速效鉀、有效磷6個土壤肥力指標為基礎，對研究區土壤綜合肥力進行評價。基于原始數據進行標準化處理，以消除數量級與量綱不同導致的潛在誤差，并進行主成分分析。由表4可知，有3個主成分的特征值均大于1，且累計貢獻率達 83.209% ，說明3個主成分可以解釋原始指標信息。根據載荷值大小，主成分1主要包括全氮、堿解氮、有機質，主成分2主要包括有效磷和速效鉀，主成分3則為pH。基于公因子方差得出各土壤指標權重系數為速效鉀（0.277） gt; 有效磷 （0.227）gt; 堿解氮 （0.206）gt; 全氮（0.132）gt;pH（0.096）gt; 有機質（0.062）。表明速效鉀對研究區土壤肥力貢獻最大，其次是有效磷與堿解氮。

表4土壤肥力指標主成分分析

根據隸屬度函數公式（1）～（2），計算出土壤肥力指標隸屬度值，并繪制土壤隸屬度雷達圖（圖1）。基于不同土地利用方式的隸屬度以及各項土壤肥力指標權重系數，根據公式（3）加權計算得出最終土壤肥力評價得分，土壤肥力評分均值為園地 （0.68）gt; 旱地 （0.64）gt; 水田（0.59）。根據土壤肥力評分分級標準，3種不同土地利用方式的土壤肥力水平為園地和旱地為偏高水平，水田為中等水平。

圖1 土壤肥力指標隸屬度雷達圖

3結論與討論

王壤肥力指標是表征土壤肥力性質、特征的定量標準，對區域農田作物維持高產具有重要意義。而土地利用方式的改變是導致土壤肥力指標變化的重要因素之一[24]。本研究中，3種不同土地利用方式下，水田的有機質、全氮變異系數屬于中等變異，堿解氮、速效鉀、有效磷變異系數高于 36% ，屬于高變異水平；旱地與園地相似，土壤pH、有機質、全氮為中等變異程度，其余土壤肥力指標變異程度高。說明研究區內不同土地利用方式對土壤肥力特征的影響明顯，不同土地利用類型對土壤肥力指標特征有較大影響。

本研究中，不同土地利用類型的土壤肥力指標中，土壤pH表現為水田 （5.91）gt; 旱地 （5.90）gt; 園地（5.42），參照《全國第二次土壤普查》分級標準，水田與旱地土壤的 pH 整體呈微酸性，園地土壤pH呈酸性，這與亞熱帶地區農田土壤酸堿狀況相吻合。此外，通過實地調研發現，研究區農業生產活動中對礦質養分投入較多，一定程度上加劇了土壤酸化。水田的土壤有機質含量較高，旱地與園地接近且低于水田，這與黎俊榮等25的研究結果類似，即水田土壤有機質含量高于旱地與園地，這一方面可能與區域施肥情況有關；另一方面，水田處于厭氧環境，水稻及其他植株殘體不易進行有氧分解，在田里發生厭氧降解和腐殖化反應，導致最終產物以腐殖質等有機物的形式殘留。3種不同土地利用方式下的土壤全氮含量相對較高，水田的土壤全氮平均含量高于旱地和園地，原因可能是殘留的有機質含量較多，導致土壤中氮素含量水平提高。速效養分方面，土壤速效鉀含量表現為園地與旱地高于水田，土壤有效磷含量表現為園地最高，旱地次之，水田最低，這與黃先飛等2的研究情況一致，其含量特征受人為施肥影響較大。

基于主成分分析與隸屬度計算得知土壤全氮對土壤肥力的貢獻率最高，這與朱家等對人工林地土壤肥力的評價研究結果相似。土壤肥力指標權重中速效鉀占比最高，可將其視作土壤肥力指標的第一限制因素，其含量水平與研究區土壤環境有關。經土壤肥力評價，園地的肥力水平最高，旱地次之，水田較低。根據土壤肥力評分分級標準，園地和旱地土壤肥力水平偏高，水田中等。

本研究通過測定3種不同土地利用方式的土壤pH 及有機質、全氮、堿解氮、速效鉀、有效磷含量，分析了不同土地利用方式下農田土壤肥力特征的變化規律，并運用主成分分析與隸屬度函數評價了其土壤肥力，為研究區及類似地區生產上合理施肥提供科學依據。總的來說，可以適當增加有機肥的投入來提高對土壤酸化的緩沖能力。對于水田可增加速效磷鉀肥的施用量，通過混合施用速效磷鉀肥與有機肥料提高土壤肥效。

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（責任編輯：何艷）