基于主成分分析和聚类分析的红河州植烟土壤特性研究

2019-08-08唐佐芯李天壁陈泽斌李银花杨启凡陈丽娟王彬彬付亚丽夏体渊

西南农业学报 2019年7期

唐佐芯，李天壁，陈泽斌，李银花，杨启凡，陈丽娟，任禛，王彬彬，付亚丽，王坤，夏体渊*

(1.昆明学院，云南昆明 650214；2.云南省烟草公司红河州公司技术中心，云南弥勒 652300；3.云南圣清环保科技有限公司，云南昆明 650093)

【研究意义】随着统计分析软件的普遍应用，土壤质量评价越来越侧重多因子的综合评价。【前人研究进展】主成分分析和聚类分析在烟草农业研究领域应用较广泛，但多集中于烤烟物理质量[1]、化学品质[2]、烤烟品种综合评价[3]、烤烟成品稳定性评价[4]、烟叶香气物质分析[5]等方面。而土壤条件是控制烟叶质量形成的关键因素之一，适宜的土壤养分是烟草优质、高产的基础。基于植烟土壤养分状况分析多集中于养分本身特性的评价[6-7]，有研究利用聚类分析综合评价土壤并将土壤分为5大类，同时提出施肥建议[8]。【本研究切入点】云南省红河哈尼族彝族自治州(以下简称红河州)以高原山地为主，烤烟生产分为地烟和田烟，海拔差异大，植烟区域主要分布于海拔1135～2169 m范围，不同海拔的土壤温度、水分和土壤肥力等环境异质性会对作物的生长和土壤的微环境产生影响[9-10]。红河州土壤有砖红壤、赤红壤、红壤、黄壤、黄棕壤、石灰土、燥红土、紫色土、水稻土9类[11]。研究植烟土壤，要考虑植烟区域的海拔、地形、土壤类型、前茬作物等环境因素。【拟解决的关键问题】利用主成分分析和聚类分析方法综合评价红河州植烟土壤养分，并结合环境要素对其植烟土壤进行分类，以期为烤烟平衡施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

红河州属低纬高原亚热带季风气候区，北回归线穿越全州，境内山峦起伏，地貌复杂多样，有北热带、南亚热带、中亚热带、北亚热带、南温带和中温带6种气候类型，红河州大部分耕作区域处于热带和亚热带气候区，光、热、水条件比较优越。年平均日照时数1065～2300 h，烤烟生育期的5-9月，州内主要植烟区日照时数为646.4～821.8 h，日照百分率为32.4 %～41.2 %，有利于烟叶生产。无霜期在300 d左右，气候温和，降水量较为充沛，平均降水量约1491mm，年平均降雨日数为152 d，雨季(5-10月)降水量约占全年总降水量的80 %以上。降水时空分布极不均匀，呈南多北少，山区多于坝区，夏秋降水集中，冬春干旱明显。在烤烟生长大田期，各地月均降水量均在100 mm以上，能满足烤烟生长发育的需要。在正常年景下，州内植烟区域降水量及降水规律，基本上与烤烟种植需水相吻合，能满足生产优质烟叶的需要[12]。

1.2 土壤样品采集与分析

2018年由红河州烟草公司组织，以红河州个旧、建水、开远、泸西、蒙自、弥勒和石屏7个县(市)的植烟土壤为对象，烤烟移栽前分别采集21，76，53，246，68，251，166个，共计881个样品。取样点数量按照不同土壤类型、种烟规模、品种、海拔(以200 m为1个海拔段)等因素进行确定。海拔分为1350 m以下、1350～1550 m、1551～1750 m、1751～1950 m、1951～2150 m 5个梯度，同一海拔段内，种烟面积>133.33 hm2、视其品种、土壤类型的代表性，设立土壤取样点2～3个；种烟面积<66.67 hm2的行政村，视其品种、土壤类型的代表性，设立土壤取样点1～2个；种烟面积<20 hm2的行政村，除特殊情况外、原则上不设取样点。取样点数量的确定须兼顾当地烤烟种植基地单元规划(或行政区划)；要兼顾土壤类型；田烟和地烟；品种区划等情况。采集土壤样品要进行GPS定位编号登记，按照“S”型采样法采集耕作层0～20 cm土壤。土壤样品去除根系、石块等杂物，自然风干，过筛后备用。

土壤样品分析项目包括：pH、有机质、全氮、水解氮、有效磷、速效钾、有效锌、有效硼、有效钼、水溶性氯和交换性镁等11个指标。分析方法依据各标准(表1)。土壤理化性状参考和借鉴《中国植烟土壤及烟草养分综合管理》的中国植烟土壤养分丰缺指标和《全国第二次土壤普查土壤养分划分指标》，土壤环境质量评价采用《GB 15618-2018土壤环境质量标准》评价(表2～3)。

1.3 数据分析方法

应用Excel 2007对土壤养分数据进行筛选、分类和整理；用变异系数(c.v.) 的大小表示土壤特性空间变异性的强弱，c.v. ≤0.1 时为弱变异性，0.1

对所有指标进行标准化处理，求出相对应的相关矩阵，然后计算相关矩阵的特征根、方差贡献率及累计贡献率，确定因子个数，完成因子分析。同时，为减少土壤养分分类的指标数量，保证样品分类结果的可信度与科学性，根据因子分析结果进行聚类分析，在方法上采用欧氏距离测量，使用平均联接(组间)的树状图重新调整距离聚类合并，每2 个样本间用 Average linkage 法连结，采用 SPSS 22. 0聚类分析程序对样本进行聚类分组。最后根据分类进行共性汇总。

表1 土壤样品检测指标、检测方法及依据标准

表2 土壤酸碱度分级标准

2 结果与分析

2.1 红河州植烟土壤养分特性

如表4所示，2018年，红河州土壤pH平均值为6.27，土壤酸碱性整体呈微酸性；有机质含量平均为27.35 g/kg，属中等；全氮含量平均为1.45 g/kg，属中等；水解性氮含量平均为115.89 mg/kg，属中等；有效磷含量平均为28.08 mg/kg，属中等；速效钾含量平均为214.30 mg/kg，属中等；水溶性氯含量平均为9.67 mg/kg，属很低；交换性镁含量平均为261.23 mg/kg，属高；有效锌含量平均为2.82 mg/kg，属很高；有效硼含量平均为0.41 mg/kg，属低；有效钼含量平均0.79 mg/kg，属很高。其中，土壤pH变异程度最低，水溶性氯、有效锌和有效钼具有强变异特性，其他养分则属于中等变异。

表3 土壤大量、中量和微量元素分级标准

表4 红河州7个县(市)土壤养分状况

2.2 主成分分析

结合地形、前茬作物、土壤类型、海拔因子和土壤理化等指标，为确定各指标的相对重要性，利用SPSS软件进行主成分分析。具体步骤如下：标准化处理各指标，进行 Bartlett 检验，其中 KMO 检验值为0.735(P<0.05)，以此进行主成分分析。结果如表5所示：以特征值大于0.9，共提取8个因子，主成分的方差贡献率第 1 个约18.96 %、第 2 个约 12.37 %、第 3 个约 10.60 %、第 4 个约 8.32 %、第 5 个约 7.95 %、第 6个约 7.02 %、第 7个约 6.95 %、第 8个约 6.77 %，累计解释78.95 %。

如表6所示：第1主成分和土壤有机质高度正相关，第2主成分和土壤pH高度正相关，第3主成分与土壤有效磷高度正相关，第4主成分与地形高度正相关，第5主成分与海拔高度正相关，第6主成分与土壤有效硼含量高度正相关，第7主成分与土壤水溶性氯含量高度正相关，第8主成分与土壤有效钼含量高度正相关。因为总方差近78.95 %的贡献率来自于这8个因素，由此认为地形、海拔、pH、有机质、有效磷、有效钼、有效硼和水溶性氯是红河州植烟土壤的特征元素。

2.3 聚类分析

将主成分分析的结果(即所有样本的地形、海拔、pH、有机质、有效磷、有效钼、有效硼和水溶性氯) 通过聚类分析。红河州植烟土壤可分为6大类，结果见表7。

第一类：789个样品，占总样品的89.56 %，分布于7个县(市)59个乡(镇)，海拔变幅1170～2169 m，平均海拔1787 m，属地烟。主要特征：土壤pH微酸，有机质和有效磷含量中等，有效钼含量高，有效硼和水溶性氯含量低。

表5 主要因子的特征值和贡献率

表6 8个主要因子对应的载荷矩阵

第二类：62个样品，占总样品的7.04 %，分布于4个县(市)10个乡(镇)，海拔变幅1278～2041 m，平均海拔1840 m，属田烟。主要特征：土壤pH中性，有机质和有效磷含量高，有效钼含量很高，有效硼和水溶性氯含量低。

第三类：24个样品，占总样品的2.72 %，分布于4个县(市)9个乡(镇)，海拔变幅1343～2074 m，平均海拔1794 m，属地烟。主要特征：土壤pH微酸，有机质中等，有效磷、有效硼和水溶性含量低，有效钼含量很高。

表7 红河州各类群主要土壤理化特征差异

第四类：1个样品，占样品总数的0.11 %，分布于1个县(市)的1个乡(镇)，海拔1135 m，属田烟。主要特征：土壤pH中性，有机质和有效磷含量中等，有效钼含量很高，有效硼和水溶性氯含量低。

第五类：3个样品，占样品总数的0.34 %，分布于2个县(市)的2个乡(镇)，海拔变幅1765～1840 m，平均海拔1796 m，属地烟。主要特征：土壤pH中性，有机质和有效磷含量中等，有效钼含量很高，有效硼和水溶性氯含量低。

第六类：2个样品，占样品总数的0.23 %，分布于2个县(市)的2个乡(镇)，海拔变幅1565～1920 m，平均海拔1743 m，属地烟。主要特征：土壤pH中性，有机质和有效磷含量中等，有效钼含量很高，有效硼和水溶性氯含量低。

3 讨论

目前，用于土壤养分分类和综合肥力评价的方法较多，主要有隶属函数法[7]、生态适宜度评价[13]、灰色关联度分析[14]等。采用因子分析和聚类分析结合的方法，在复杂的土壤养分指标中，通过因子分析筛选出若干个能有效反应全部指标所提供的大部分信息的指标，并以此指标作为聚类分析的依据，陈朝阳用此方法将福建南平烟区的土壤分为5大类，并根据分类统计信息给出相应的施肥建议[8]。红河州海拔变幅为1135～2169 m，海拔差异大，1350～1550、1550～1750、1750～1950 m海拔范围内的土壤样品分别占8 %、24 %和55 %。研究表明，云南主要烤烟种植区不同海拔(1200～2200 m)对烟叶钾和氯含量有显著影响[15]。

地形对土壤养分和土壤微环境[16]的影响十分显著；在云南陆良烟区，李强[17]用土壤分形维数表征土壤养分，研究表明，海拔高度和土壤类型及有机质含量、地形和轮作模式对植烟土壤分形维数有显著影响。红河州植烟土壤主要分为田和地两种，采集的881个样品中，818个样品属地烟类型，占92.85 %，分布于缓坡、平缓、平地、坡地和台地等几种类型中，其中，缓坡、平缓分别占44.74 %、31.05 %；属田烟类型的有63个样品，占7.15 %，均分布在平地。研究显示，地形条件是影响土壤分类的主要因子之一。红河州地烟类型丰富，在后续施肥管理中可加以细化，以提高施肥管理的精准度。

红河州植烟区前茬作物主要包括粮食作物(61.41 %)，如小麦、大麦、玉米、豌豆、蚕豆等；蔬菜作物(10.78 %)，如白菜、铁头、苦菜、油菜、青花等；茄科植物(3.75 %)，如辣椒和烤烟；其他作物(1.70 %)如绿肥和万寿菊等，还有22.36 %的冬闲。前茬作物的影响在第6主成分中也比较显著。前茬非烤烟作物一般不施用微肥，前茬为茄科烟草属作物的比例仅为2.95 %，而有效钼的变异程度最高(227.83 %)，有效锌(190.48 %)和水溶性氯(179.88 %)次之，前茬作物对微量元素变异产生了显著影响。氯、锌和钼等微量元素是烤烟生长的重要元素，红河州植烟土壤有效钼含量的富集，氯和锌含量的消耗，会因为局部施肥差异导致微量元素的空间变化[18]。

大量的研究表明，土壤酸碱度在5.5～6.5最适宜烤烟生长[19]，聚类分析的前三类土壤酸碱度为适宜，而后三类土壤酸碱度属中性偏碱，可采取施用有机肥、种植绿肥、秸秆还田等措施增加土壤腐殖酸含量[9]，降低土壤pH。有机质含量在20～40 g/kg范围内，比较适宜烤烟的生长和品质的形成[20]，本研究的6个土壤类型中，有机质含量平均属中等偏高，仅第二类有机质含量较高，对此，有机肥可用在前茬作物上，烤烟种植当季少施或不施有机肥[9]，通常情况下，在植物的吸收利用中磷与氮相互影响，施用氮肥能促进磷的吸收，但还需控制氮肥用量。有效磷含量低的第三类土壤可增施磷肥。