基于聚类及PCA分析的红壤坡耕地耕层土壤质量评价指标

金慧芳，史东梅※，陈正发，刘益军，娄义宝，杨 旭



基于聚类及PCA分析的红壤坡耕地耕层土壤质量评价指标

金慧芳1，史东梅1※，陈正发2，刘益军1，娄义宝1，杨 旭1

（1. 西南大学资源环境学院，重庆 400715； 2. 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明 650051）

为准确评价红壤坡耕地耕层土壤质量特征，该文采用聚类分析法（CA）和主成分分析法（PCA）分别建立了南方红壤丘陵区坡耕地耕层质量诊断最小数据集（minimum data set，MDS），并利用最小数据集土壤质量指数（soil quality index-CA, SQI-CA和soil quality index-PCA, SQI-PCA）和全量数据集土壤质量指数（soil quality index-total, SQI-T）对坡耕地耕层特征进行分析。结果表明：1）红壤坡耕地耕层土壤质量变化特征差异明显，其中耕层平均厚度(19.93±4.9) cm，接近作物生长适宜水平；土壤有机质、全氮平均含量分别为(17.43±8.71)和(0.97±0.42) g/kg，处于中度贫瘠化水平；土壤有效磷和速效钾含量丰富，平均含量分别为(26.1±22.22)和(155.46±88.35 )mg/kg；pH均值为(5.34±0.77)，土壤呈弱酸性。2）红壤坡耕地耕层土壤质量评价最小数据集由耕层厚度、土壤容重、土壤贯入阻力、土壤有机质、pH值和有效磷组成。基于不同数据集的耕层土壤质量评价结果差异明显，土壤质量指数变化范围、均值表现为SQI-T>SQI-CA>SQI-PCA，变异系数表现为SQI-T

土壤；聚类分析；主成分分析；最小数据集；红壤坡耕地；合理耕层；土壤质量

0 引 言

红壤坡耕地是中国南方丘陵区分布最为广泛的耕地类型。土壤酸化、有机质缺乏、养分贫瘠、黏重板结，水土流失严重并出现耕层退化等现象，是该区域红壤坡耕地耕层土壤质量下降的突出表现。坡耕地耕层土壤质量是反映土壤抗侵蚀性能和生产性能等多种功能的综合体现，其优劣受降雨、土壤和人类活动等多种因素的影响。准确提取适宜评价指标是耕层土壤质量评价的重要环节，而在评价指标筛选中，除了利用原始变量作为评价指标外，Larson等提出采用土壤参数最小数据集来鉴别评价指标间的相互关系以及反映对土壤特性和作物的影响[1]，从大量土壤参数中筛选出相对独立、影响土壤质量的敏感性指标建立最小数据集。最小数据集作为一种评价指标筛选方法，在土壤质量评价及监测工作中使用广泛[2-4]。目前该方法在国内外不同气候区、不同土壤类型以及不同土地利用类型土壤质量评价中得到了广泛的应用[5-7]。土壤质量指数比较法[8]、作物产量与最小数据集指标相关性分析法[9]，最小数据集指标与未入选指标相关性分析法[10]等是当前最小数据集合理性验证的主要方法。

近年来，关于红壤区土壤质量评价的研究已成为热点，王效举等[11]对红壤质量时空变化的定量化评价做了研究，并根据红壤自身特点来选取评价指标。孙波等[12]对退化红壤土壤质量评价指标及方法进行总结，提出了红壤质量评价指标选择原则。史志华等[13]研究了红壤丘陵区两个时期土地利用变化对土壤质量的影响，表明土地利用方式和管理措施是影响土壤质量演变方向和强度的关键因子。王华等[14]基于定位研究对不同轮作系统红壤区稻田土壤质量进行评价，当前对红壤区土壤质量研究多侧重于农用地土壤质量评价结果、方法及影响因素分析，而针对红壤坡耕地耕层土壤质量的评价且关于评价指标筛选和最小数据集建立的研究较少。因此，本文以南方丘陵区红壤坡耕地耕层土壤为研究对象，基于反映抗侵蚀性能和生产性能的土壤质量指标，通过聚类分析和主成分分析分别建立最小数据集，并采用土壤质量指数法验证最小数据集指标合理性，探讨了应用最小数据集衡量红壤坡耕地耕层土壤质量特征的可行性和适用性，研究结果可为中国南方丘陵区红壤坡耕地耕层土壤质量调控、作物增产和合理施肥提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于中国红壤坡耕地广泛分布的南方丘陵区，选择广东、广西、江西和云南4省（自治区）的红壤坡耕地耕层土壤为研究对象，成土母质为第四纪红色黏土。土体深厚、结构紧实、质地黏重，通透性差，以棱状或大块状结构为主。广东采样点具有大陆性气候 特征，四季分明，常年平均气温19.7 ℃，年均降雨量 1 550 mm，年日照时数1 654.7 h，全年无霜期273 d， ≥10 ℃有效积温在6 100 ℃以上。广西采样点属于中亚热带湿润季风气候，年均气温18.9～23.3 ℃，年平均降雨量1 949.5～2 450 mm，降雨量年分配不均，秋冬季干燥少雨；年平均日照时数1670 h左右，全年无霜期300～336 d，≥10 ℃有效积温5 064～6 380 ℃以上。江西采样点属于亚热带东南季风气候，年均温度18～22 ℃，年降雨量1 600～2 000 mm，多集中在4～6月，年均日照 1 860 h左右，无霜期284～320 d，≥10 ℃有效积温 6 135～6 699 ℃以上。云南采样点属于北亚热带、南温带和中温带多种气候带并存的低纬高原季风气候区，年均气温13.4～20.3 ℃，年均降雨量950～1 150 mm，年均日照2 450 h左右，无霜期241～315 d，≥10 ℃有效积温2 500 ℃以上。研究区常见种植制度有花生—玉米/甘蔗轮作、花生—油菜轮作、大豆—甘薯轮作等，主要为一年一熟或一年两熟制，近年来，三熟制开始逐渐增多，各采样区基本情况见表1。

表1 红壤坡耕地采样区基本情况

1.2 样品采集与分析

1.2.1 样品采集

于2015年7月和2016年7月在4个区域选择典型红壤坡耕地地块进行耕层质量调查，于样点中间位置布置1 m´1 m样框，采集0～20 cm耕层土壤样品，装入硬质塑料盒带回实验室自然风干，过筛后用于土壤理化性质测定。

1.2.2 土壤理化及力学性质测定

共测定土壤物理和化学指标11项，方法如下：耕层厚度采用钢卷尺测量；土壤饱和导水率和土壤容重测定采用环刀法；黏粒、粉粒和砂粒含量测定采用吸管法；土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法-外加热法；pH值测定采用土水比1∶1电极法；全氮测定采用半微量凯氏定氮法；有效磷测定采用Olsen法；速效钾测定采用lmol/LNH4Ac提取-火焰光度法。采用产自荷兰便携式14.10Pocket Vane Tester型三头抗剪仪测定土壤抗剪强度，采用江苏省漂阳市天目仪器厂生产的PT型袖珍贯入仪测定土壤贯入阻力。

1.3 最小数据集建立

1.3.1 聚类分析法

聚类分析是以欧式距离来衡量评价指标之间的差异性，将各指标分类并建立最小数据集，在土壤质量评价中应用广泛。在SPSS19.0中运用欧式距离最短法对评价指标进行R型聚类分析。在相应聚合水平之间，将评价指标划分为反映耕层土壤质量不同方面特征的若干分组。根据相关分析，每组中相关性显著的指标可相互代替，与野外调查、文献资料和前人研究成果相结合，剔除冗余指标，选择具有代表性且相互独立的指标进入最小数据集。

1.3.2 主成分分析法

主成分分析是最小数据集建立的核心方法，通过降维将多个指标转化为少数指标，消除多重指标间的相关性，使彼此之间具有独立性[15]。运用SPSS19.0对评价指标进行主成分分析，提取特征值≥1的主成分，将同一主成分载荷≥0.5的指标分为1组，若某评价指标在各主成分上的载荷均低于0.5，则将其划分到载荷值最高的一组，计算评价指标的Norm值。Norm值为该指标在由成分组成的多维空间中矢量常模的长度，长度越长，表明该指标在所有主成分的综合载荷越大，其解释综合信息的能力就越强。Norm值计算公式如下：

式中，N是第个指标在特征值≥1的前个主成分上的综合载荷；u是第个指标在第个主成分上的载荷；λ是第个主成分的特征值。

分别计算各组指标Norm值，选取每组中Norm值在最高总分值10%范围的指标[16]，进一步分析每组所选 指标的相关性，高度相关，则Norm值最大的指标进入最小数据集（minimum data set，MDS），相关度低则同组指标均进入MDS。考虑本研究区跨度较大，选择相关系数>0.3即为高度相关[10,17]。

1.4 土壤质量指数构建

土壤质量指数（soil quality index, SQI）是对土壤质量评价指标的集成，土壤质量指数越大，则土壤质量越高。计算土壤质量指数对土壤质量进行评价，可为土壤质量状况和合理耕层形成障碍因素分析提供依据。根据评价指标对耕层土壤质量的正负效应，建立指标与土壤生产力之间的隶属函数，耕层厚度、土壤饱和导水率、土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾与耕层质量呈正相关，界定为S型函数；土壤抗剪强度和贯入阻力是土壤侵蚀的重要表征指标，但与耕层质量表现为负相关，则界定为反S型函数[18-19]，土壤容重、黏粒、粉粒、砂粒以及pH值与耕层质量存在适宜临界范围，则界定为抛物线型函数，评价指标的最小值和最大值作为函数的转折点，抛物线型函数指标的转折点参见相关文献[20]，详见表2。

表2 耕层土壤质量评价指标隶属函数[18-20]

基于不同数据集，各指标权重均由主成分分析获得。分别对3种数据集指标做主成分分析，提取评价指标的公因子方差，各指标公因子方差占公因子方差之和的比例即为各数据集中评价指标权重值，计算不同数据集的土壤质量指数，计算公式如下：

式中w是第个评价指标权重，N是第个评价指标隶属度值，为评价指标个数。

1.5 耕层土壤质量评价精度验证

利用Nash有效系数（E）和相对偏差系数（E）分别评价基于聚类分析和主成分分析最小数据集的精确程度[21]。计算公式为：

式中R和R为基于全量数据集（total data set, TDS）计算得出的耕层土壤质量指数值和土壤质量指数平均值，R为基于MDS计算得出的耕层土壤质量指数值。有效系数（E）越接近于1，表示基于MDS计算的耕层土壤质量指数与基准值越接近，精度较高。相对偏差系数（E）越接近于0，表明基于MDS计算的耕层土壤质量指数相对于基准值偏差越小，结果越精确。

2 结果与分析

2.1 红壤坡耕地耕层土壤质量特征

农业土壤质量一般采用土壤物理、化学和力学指标反映，红壤坡耕地耕层土壤质量特征差异明显。对研究区耕层土壤质量进行描述性统计特征分析，由表3可知，耕层平均厚度(19.93±4.9) cm，接近适宜作物生长的耕层厚度20 cm[15]，黏粒、粉粒和砂粒平均质量分数分别为(16.17±10.69)%、(49.7±14.68)%和(24.13±14.44)%，土壤抗剪强度平均值为(3.0 ±1.12) kg/cm2，不合理耕作活动和水土流失造成耕作土壤结构破坏、耕作性能降低，可采取适当翻耕等耕作措施。土壤贯入阻力平均值为(1.21± 0.69) kg/cm3，这主要是因为农业机械长期碾压没有翻耕所致其紧实，应采取适当耕作措施（如22-24 cm以下深松等）[22]。根据全国第二次土壤普查养分分级标准，土壤有机质、全氮平均值分别为(17.43±8.71) g/kg和(0.97±0.42) g/kg，均为第4级，处于中度贫瘠化水平；土壤有效磷和速效钾分别为(26.1±22.22) mg/kg和(155.46±88.35) mg/kg，处于第2级，养分含量丰富。合理耕作和施肥，可促进作物生长，提高作物产量。平均pH值为(5.34±0.77)，土壤偏酸性，农户盲目施肥和过量施肥是导致土壤酸化的主要原因，深松深耕、秸秆还田等耕作技术可有效调节土壤酸碱度。

表3 红壤坡耕地耕层质量评价土壤参数统计特征

变异系数（CV）主要反映耕层土壤质量空间变异性及敏感性，变异系数越大说明评价指标对土壤质量差异性越敏感。由表3可以看出各评价指标总体上处于中低度敏感性水平。土壤饱和导水率、黏粒、砂粒、土壤贯入阻力、土壤有机质、有效磷和速效钾为中度敏感指标（CV为40%～100%），是土壤质量调控与恢复的主要目标。属于低度敏感（CV为10%～40%）指标有耕层厚度、土壤容重、粉粒、土壤抗剪强度、pH值和全氮，是维护耕层土壤结构稳定的主要因素，其中pH值（CV为14.3%）和土壤容重（CV为12.1%）变异系数相对较低，接近不敏感（CV<10%）水平，这说明土壤酸化是红壤坡耕地合理耕层面临的主要障碍因素，而土壤类型相同可能是导致土壤容重变异系数低的主要原因。检验结果表明，各项指标均服从正态分布（＞0.05）。

2.2 红壤坡耕地耕层最小数据集MDS建立

2.2.1 基于聚类分析最小数据集MDS建立

基于聚类分析法中R型聚类，对全量数据集13个评价指标进行分类且分类意义明确。图1表明，在聚合水平14～17之间，指标可明显划分为6类，土壤有机质、全氮、耕层厚度和土壤饱和导水率为第一类，表征土壤生产性能；有效磷和速效钾进入第二类，表征耕层养分特征；第三类为pH值和砂粒，表征土壤酸碱度；土壤贯入阻力和粘粒为第四类，表征土壤耕性特征；第五类有土壤容重和土壤抗剪强度，表征土壤抗侵蚀性能；土壤粉粒成为第六类，表征土壤颗粒组成特征。

图1 红壤坡耕地耕层质量评价指标聚类分析树状图

由表4可见，第一类中土壤有机质与全氮（0.885**）、土壤饱和导水率（0.618**）均为高度相关，有机质含量的增加会促进全氮含量的增加；通过合理施肥提高土壤有机质含量，可对土壤饱和导水率进行有效调控，选择有机质进入最小数据集。耕层厚度是土壤生产力的基本限制条件，坡耕地随着坡度增加，耕层厚度变薄，耕作条件逐级变差，前人研究表明土壤质量评价指标中耕层厚度累积使用频率达50%，是反映土壤质量的重要指标，则耕层厚度进入MDS。第二类中有效磷是作物从土壤中获取的主要养分资源，受施肥等外在措施补给效果甚微，王华等[14]指出红壤中有效磷含量的变化可以反映土壤质量的变化，许明祥[20]在坡耕地质量评价中选择有效磷代替速效钾进入MDS，因此，选择有效磷进入MDS。pH值是衡量土壤酸碱度的主要指标，砂粒和pH值呈显著正相关（0.387*），土壤酸化导致红壤坡耕地质地疏松、砂粒含量高，选择pH值进入最小数据集。土壤贯入阻力与黏粒相关性显著（0.441**），两者选一项指标即可，土壤贯入阻力是反映土壤耕性的重要指标且与抗剪强度有较高相关度（0.350*），可反映耕层土壤质量多方面特征，第四组中将黏粒剔除。第五组中土壤容重和土壤抗剪强度是反映土壤抗侵蚀性能的重要指标，两者具有显著相关性（0.476**），土壤容重能反映土壤孔隙特征、入渗性能等土壤可蚀性多方面特征，是影响土壤抗剪强度的重要因素，土壤抗剪强度与贯入阻力相关性高，可通过土壤贯入阻力解释部分信息，鉴于指标选择有重复性，选择土壤容重进入最小数据集。黏重板结是红壤坡耕地的主要障碍因素，本研究中反映红壤坡耕地土壤颗粒组成特征的黏粒、粉粒、砂粒变异系数分别为66.1%、29.5%和42.3%，粉粒的敏感性最低，只能反映土壤颗粒组成的少量信息，不具有代表性，因此，第六组中粉粒暂不考虑。最终确定耕层厚度、土壤容重、土壤贯入阻力、土壤有机质、pH值和有效磷共6个指标进入最小数据集。基于主成分分析法得到指标权重分别为耕层厚度0.161、土壤容重0.207、土壤贯入阻力0.108、土壤有机质0.172、有效磷0.208和pH值0.144。

表4 红壤坡耕地耕层评价指标Person相关系数矩阵

Note:**＜0.01; *＜0.05

2.2.2 基于主成分分析最小数据集MDS建立

基于主成分分析结果，红壤坡耕地耕层土壤质量评价指标中特征值大于1的有4个主成分，累计贡献率达73.51%，满足信息提取的要求。土壤速效钾在4个主成分中因子载荷都小于0.5，则将其划分到载荷值最高的一组（见表5）。耕层厚度、土壤容重、土壤有机质、全氮和有效磷进入第一组，耕层厚度与全氮、有机质相关性高（0.502**，0.561**），则Norm值最高的土壤有机质进入最小数据集。土壤有机质和土壤容重相关性高（-0.522**），结合Norm值将土壤容重剔除。土壤有机质和有效磷相关性高（0.449**），则土壤有机质进入MDS。第二组中粉粒和砂粒相关性高（-0.731**），结合Norm值粉粒被剔除。第三组黏粒和土壤贯入阻力有较高相关性（0.441*），比较两者Norm值大小，土壤贯入阻力进入MDS。第四组土壤抗剪强度和速效钾相关性低，均进入最小数据集。最终确定土壤饱和导水率、砂粒、土壤贯入阻力、土壤抗剪强度、土壤有机质、pH值和速效钾共7个指标进入最小数据集。提取评价指标的公因子方差，得到最小数据集指标权重依次为土壤饱和导水率0.184、砂粒0.137、土壤贯入阻力0.142、土壤抗剪强度0.133、土壤有机质0.182、pH值0.144和速效钾0.078。

2.2.3 最小数据集合理性验证

最小数据集评价指标体系合理性验证是耕层土壤质量评价的重要环节。计算基于不同数据集的土壤质量指数，全量数据集土壤质量指数（SQI-T）变化幅度为0.318～0.696，均值为0.529±0.09，变异系数为20.1%，属中度变异性。基于聚类分析土壤质量指数（SQI-CA）在0.349～0.636之间变化，均值为0.476±0.11，变异系数为23.1%，为中度变异性。基于主成分分析土壤质量指数（SQI-PCA）的变化区间值为0.298～0.529，均值和变异系数分别为0.463±0.12和53.9%，接近高度变异性。SQI-CA较SQI- PCA变化幅度、均值和变异系数更接近SQI-T。将SQI-T分别与SQI-CA、SQI-PCA作散点图，进行回归分析，从拟合效果来看(图2)，SQI-T与SQI-CA、SQI-PCA均呈显著正相关，但R分别为0.745和0.706，SQI-T与SQI-CA拟合效果更优，SQI-T与SQI-CA、SQI-PCA的Nash有效系数分别为0.539和0.528，偏差系数分别为0.122和0.124，平均相对误差分别为0.122和0.128。结果表明采用基于聚类分析最小数据集（MDS-CA）较基于主成分分析最小数据集（MDS-PCA）对红壤坡耕地耕层土壤质量进行评价准确性更高，故选择MDS-CA替代全量数据集对红壤坡耕地耕层土壤质量进行评价。

表5 红壤坡耕地耕层土壤质量评价指标载荷矩阵和Norm值

计算采样点基于MDS-CA的土壤质量指数值来衡量研究区耕层土壤质量水平。将红壤坡耕地耕层土壤质量等距离划分为低（0

图2 基于不同数据集红壤坡耕地土壤质量指数的相关性

2.3 红壤坡耕地耕层合理性诊断

基于红壤坡耕地耕层质量MDS诊断结果，以基于聚类分析得出的最小数据集指标，耕层厚度、土壤容重、土壤贯入阻力、土壤有机质、pH值和有效磷作为合理耕层诊断指标。土壤质量指数（SQI-CA）取值范围在0～1之间，其值越高，表明各诊断指标对作物生长贡献率越大，作物产量越高[23]，根据耕层土壤质量与作物产量的对应关系，判定土壤质量指数（0

表6 红壤坡耕地合理耕层适宜性阈值诊断

综合分析野外调查、室内试验结果以及评价指标隶属度函数类型，表明上述指标中土壤容重、土壤有机质和pH值存在一个合理耕层适宜区间，多或少都将成为限制因子。耕层厚度、土壤有机质和有效磷是越大越好，土壤贯入阻力则是越小越好，超过某一值，影响将越来越小。由于土壤参数变异性较大，以耕层土壤参数平均值为参考基准，结合诊断指标隶属度为1表征最优值，隶属度为0表征最差值，将土壤参数适宜度等距离划分为不适宜、较适宜和最适宜[27]，选择土壤参数隶属度在较适宜（0.33～0.66）和最适宜（0.66～1）为土壤参数适宜范围。综合分析及比较各采样点土壤参数较适宜和最适宜变化范围以及土壤质量指数为中产、高产样点对应土壤参数变化范围，初步界定红壤坡耕地合理耕层适宜性阈值（合理耕层土壤参数变化范围临界值）为：耕层厚度≥20.39 cm，土壤容重0.92～1.21 g/cm3，土壤贯入阻力≤1.21 kg/cm3，土壤有机质含量≥18.82 g/kg，pH值5.04～5.38，有效磷≥28.83 mg/kg。

3 讨 论

坡耕地耕层土壤质量评价一般是基于农作物的生产力、土壤理化及力学性质。基于国内外通过建立MDS对耕地土壤质量评价的研究成果[17,20,28-35]，本研究对其全量数据集和最小数据集评价指标进行了汇总及对比分析，结果表明土壤质量评价指标涉及范围广泛，几乎涵盖了土壤质量的物理、化学和生物等各个方面的特征。

图3分别列出了全量数据集和最小数据集评价指标中使用频率最高的前10个指标。从全量指标使用频率排序（图3a）来看，土壤容重、黏粒、pH值是土壤质量评价中几乎必须考虑的指标，使用频率达90%；全氮使用频率为70%；团聚体平均重量直径（mean weight diameter, MWD）、粉粒、砂粒、有机质和孔隙度次之，均为60%；使用频率为50%的是有效磷。最小数据集(图3b)中使用频率最高的前3位是土壤容重、pH值和MWD，三者均为40%；有机质、全氮和钠吸附比次之，使用频率为30%；使用频率为20%的有粘粒、土壤有效含水量、有效磷和有机碳。本研究13个全量数据集评价指标中有7个进入全量数据集评价指标使用频率前10位；最小数据集（MDS-CA）6个评价指标中有4个进入最小数据集评价指标使用频率前10位，与前人研究结果相似，表明本研究中全量数据集和最小数据集评价指标体系均有较好代表性，适宜于耕层土壤质量评价。

土壤侵蚀是衡量土壤质量的关键因素，土壤侵蚀的发生会加速耕层退化，导致土壤养分和生产力逐渐减弱，作物产量和耕层质量降低[29]。在土壤侵蚀的过程中，随着土层深度增加，土层厚度不断减薄，土壤抗侵蚀性能和生产力不断降低。红壤坡耕地耕层厚度与作物产量呈显“上梯型”关系，耕层越厚，产量越高，以20 cm处为显著分界点，高于此厚度，作物产量有很大提高[15]。土壤容重对土壤入渗有重要影响，容重越大，其阻碍水分入渗越明显。当容重为1.15 g/cm3时为红壤坡耕地防止土壤侵蚀，增加水分入渗的最佳状态[36]。土壤贯入阻力越大，土壤稳定性越强，耕作频率和施肥处理均可通过改变土壤容重和含水率来改变红壤坡耕地耕层土壤贯入阻力大小[37]。随着土壤侵蚀程度的加剧，红壤坡耕地耕层土壤养分流失越明显，土壤有机质含量在20.1～38.08 g/kg，有效磷含量在0.31～1.33 mg/kg、PH值在4.06～4.16之间时为轻度侵蚀或无明显侵蚀程度[38-39]。其中磷素流失主要集中在6-9月，强暴雨下对土壤的冲刷是造成红壤坡耕地养分流失的直接原因。本研究中红壤坡耕地耕层厚度总体处于适宜水平，土壤平均容重1.24 g/cm3，抗侵蚀性能较强、入渗性能略差。土壤贯入阻力偏小，有利于作物根系生长。土壤有机质和有效磷总体处于轻度或无明显侵蚀程度，pH值处于中度侵蚀水平。总体上看，土壤侵蚀程度将直接影响到耕层土壤质量和作物产量高低。在坡耕地采取深松少耕、秸秆还田等保护性耕作措施以及合理施肥调节土壤酸碱度，可减少土壤侵蚀，改进耕层土壤质量，促进作物增产。

图3 全量数据集与最小数据集耕地土壤质量评价指标使用频率排序

4 结 论

1）红壤坡耕地耕层土壤各评价指标特征差异明显。耕层平均厚度(19.93±4.9) cm，接近作物生长适宜厚度；土壤有机质和全氮平均含量分别为(17.43±8.71)和(0.97± 0.42 )g/kg，处于中度贫瘠化水平；有效磷和速效钾平均含量分别为(26.1±22.22) g和(155.46±88.35) mg/kg，含量丰富；平均pH值为(5.34±0.77)，土壤呈若酸性。各评价指标总体处于中低度敏感水平。

2）红壤坡耕地最小数据集由耕层厚度、土壤容重、土壤贯入阻力、土壤有机质、pH值和有效磷组成。不同数据集耕层土壤质量评价结果及相关性差异明显，土壤质量指数变化范围表现为SQI-T（0.318～0.696）>SQI-CA（0.349～0.636）>SQI-PCA（0.298～0.529），平均值为SQI-T（0.529±0.09）>SQI-CA（0.476±0.11）>SQI-PCA（0.463±0.12）。变异系数表现为SQI-T（20.1%）

3）红壤坡耕地大部分耕层土壤质量处于中等水平，具备保水、保土、保肥及增产潜力合理耕层应具备较厚的耕层厚度，适当的土壤容重、有机质含量和pH值，较小的土壤贯入阻力，较高的有效磷含量。初步确定红壤坡耕地合理耕层适宜性阈值为：耕层厚度≥20.39 cm，土壤容重0.92～1.21 g/cm3，土壤贯入阻力≤1.21 kg/cm3，土壤有机质含量≥18.82 g/kg，pH值5.04～5.38，有效磷≥28.83 mg/kg，合理深松是构建合理耕层的有效措施 之一。

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Evaluation indicators of cultivated layer soil quality for red soil slope farmland based on cluster and PCA analysis

Jin Huifang1, Shi Dongmei1※, Chen Zhengfa2, Liu Yijun1, Lou Yibao1, Yang Xu1

(1.400715,;2.650051,)

The minimum data set (MDS) is the least indicators collection that can reflect the information of total soil quality well, which can effectively improve the real-time characteristic and application of soil quality assessment. In order to characterize the soil quality of cultivated layer for slope farmland in southern red soil hilly area, the paper established the MDS for quality diagnosis of cultivated layer for slope farmland by cluster analysis (CA) and principal component analysis (PCA) respectively, and furthermore analyzed soil quality characteristics of cultivated layer adopting 3 different soil quality indices (SQI), including SQI-T (data from total soil indicators), SQI-CA (data from CA indicators) and SQI-PCA (data from PCA indicators). The results showed: 1) Soil quality of cultivated layer for slope farmland varied significantly among different red soil sites. The average cultivated layer thickness of 19.93±4.9 cm was in suitable level for crop growth, and the soil organic matter content of 17.43±8.71 g/kg and the soil total nitrogen content of 0.97±0.42 g/kg were in moderately barren level, but the soil nutrients of effective phosphorus of 26.1±22.22 mg/kg and available potassium of 155.46±88.35 mg/kg were rich for crop growth. The soil pH value of 5.34±0.77 was faintly acidic. 2) The MDS on soil quality diagnosis of cultivated layer for red soil slope farmland included such indicators as cultivated layer thickness, soil bulk density, soil penetration resistance, soil organic substance, pH value and soil available phosphorus. The assessment results of soil quality of cultivated layer based on 3 different data sets are distinct greatly, the variation range and the mean of soil quality index were showed as SQI-T > SQI-CA > SQI-PCA and the variation coefficients presented as SQI-T < SQI-CA < SQI-PCA. Furthermore, the relevance and Nash efficiency coefficient between SQI-CA and SQI-T were higher than that between SQI-PCA and SQI-T, and the relative deviation coefficient and the average relative error between SQI-CA and SQI-T were lower than that between SQI-PCA and SQI-T, which illustrated that MDS-CA (MDS based on CA) was more appropriate than MDS-PCA (MDS based on PCA) to reflect the information of the total data set (TDS) for soil quality assessment of cultivated layer for red soil slope farmland. 3)From the perspective of soil and water conservation, fertilizer conservation and yield-increasing potential, the suitability thresholds of those diagnostic parameters for cultivated layer of red soil slope farmland were indicated as follows: the cultivated layer thickness of ≥20.39 cm, the soil bulk density of 0.92-1.21 g/cm3, the soil penetration resistance of ≤1.21 kg/cm3, the soil organic matter content of≥18.82 g/kg, the pH value of 5.04-5.38 and the effective phosphorus content of ≥28.83 mg/kg. Rational deep-loosening is one of the effective measures for reasonable cultivated layer construction. These results can provide some useful parameters not only for the soil quality recovery of the cultivated layer but also for the suitability regulation of the crop growth and the control of soil and water loss of slope farmland, which are also conducive to the sustainable utilization of the slope farmland resources in red soil hilly area.

soils;cluster analysis; principal component analysis; minimum data set; red soil slope farmland; reasonable cultivated layer; soil quality

金慧芳，史东梅，陈正发，刘益军，娄义宝，杨 旭. 基于聚类及PCA分析的红壤坡耕地耕层土壤质量评价指标[J]. 农业工程学报，2018，34(7)：155－164. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.020 http://www.tcsae.org

Jin Huifang, Shi Dongmei, Chen Zhengfa, Liu Yijun, Lou Yibao, Yang Xu. Evaluation indicators of cultivated layer soil quality for red soil slope farmland based on cluster and PCA analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 155－164. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.020 http://www.tcsae.org

2017-09-11

2018-02-28

公益性行业（农业）科研专项“坡耕地合理耕层评价指标体系建立（201503119-01-01）”

金慧芳，博士，主要从事土壤侵蚀与水土保持研究。 Email：jinhuifangicola@163.com

史东梅，博士，教授，博士生导师，主要从事水土生态工程、土壤侵蚀与水土保持研究。Email：shidm_1970@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.020

S157.1

A

1002-6819(2018)-07-0155-10