黑龙江克山县耕地肥力要素多元分析

吴会军，张淑香*，任 意

（1．中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；2．全国农业技术推广服务中心，北京 100026）

土壤肥力是农田生态系统生产力的重要制约因素之一，充分了解土壤肥力要素，特别是养分元素特征是合理调控土壤肥力和实施精准施肥的基础。东北黑土区是我国重要的粮食主产区，黑土是黑龙江、吉林两省的重要土壤资源，土地肥沃、理化性质较好［1］，但近年来由于人为和自然原因导致土壤肥力水平下降，农田土壤退化较为严重［2］。克山县地处黑龙江典型黑土带，是重要的粮食产区。为更有效地培肥地力，实现合理耕作，首先必须对黑土的肥力状况有一个客观的认识，正确评价土壤肥力可为合理规划、开发土壤资源、进行科学施肥、合理种植以及提高水土资源利用效率提供科学的依据。了解耕地土壤肥力状况，并在此基础上通过有针对性技术措施，对于改善农田管理，提高耕地综合生产能力具有重要意义，也是实现社会经济可持续发展，保障国家粮食安全，保障土地资源安全的重要途径。

土壤肥力变化评价研究一直是国内外科学家研究的热点问题［3］，诸多学者分别从不同角度，在不同区域，采用不同方法对土壤肥力变化进行了分析和研究［4］。在对土壤肥力的评价方法中，定量数学方法倍受研究者重视，除利用原始变量作为评价指标外，还可以利用主成分分析等统计学方法［5-6］，通过降维而仅用少数几个综合变量来替代多个原始变量，还可以采用相关分析、聚类分析［7］，灰色关联模型［8-10］等方法从全部评价指标中选取最终的参评指标。有效地避免了评价者的主观影响，提高了土地评价的精度［11］。

县域是农业基层管理和技术推广的基本单位，许多研究［12-16］在县域尺度了解土壤肥料状况，王大伟等［17］采用聚类法对新疆阿勒泰市耕地质量进行了差异分析，以县域为研究单元尺度，采用现代多元统计方法，对县域农田土壤肥力进行综合评价，对于提升基层农技服务具有重要意义。

本研究基于克山县2010年测土配方施肥项目数据，选取农田土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾和pH值等肥力要素作为研究区土壤肥力质量的分析性指标，采用传统统计学和现代多元统计分析技术，分析克山县农田土壤肥力质量特征，对各乡镇进行聚类分析，并提出相关建议。以期为当地土壤养分管理、农业可持续发展提供科学依据，为农业生产和耕地保护提出合理化建议。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

克山县地处黑龙江省西北部，位于小兴安岭南缘，松嫩平原腹地。地理坐标在 E125°10′～ 126°8′，N47°50′～ 48°33′。隶属于齐齐哈尔市。总面积为3 186.2 km2，属寒温带大陆季风气候，年平均气温2.4℃，有效积温2 400℃，无霜期122 d左右，雨热同季，降雨集中在6、7、8月份，年平均降水量500 mm左右。地貌类型主要为丘陵漫岗平原。整体趋势东北部地势高，北部、中部为丘陵漫岗区，地形起伏变化大，南部是冲积平原，地势平坦，是重要商品粮基地县。

1.2 样品采集与分析

本研究数据采用农业部测土配方克山县数据。土壤样品测定包括土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾等指标，分别采用电位法、外加热重铬酸钾容量法、1.0 mol/L NaOH扩散法、0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法和1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法。

1.3 统计分析

由于数据量大，为了提高数据的准确度，采用拉依达法即3倍方差法对数据进行初步筛选。采用描述性统计分析和主成分分析、聚类分析等多元数据分析技术，多元统计分析时，先对数据标准化运算，得到无量纲数据再进行后续分析，运用R语言进行数据统计分析并作图。

2 结果与分析

2.1 描述性统计分析

土壤养分含量是土壤肥力状况的重要标志。pH值是土壤的基本属性，也是影响土壤养分的重要因子。土壤养分一般用全量和有效量来评价，其中某项养分的全量表示供应该项养分潜力的大小，而有效养分水平是土壤对作物养分的供应能力。研究区土壤有机质、氮、磷、钾养分的速效和全量含量，铁、锰、锌、铜微量元素有效养分含量等13项土壤肥力指标统计特征见表1。从土壤肥力指标的平均值来看，克山县耕地土壤有机质均值为44.32 g/kg，变化范围为67.90～30.10 g/kg。全氮均值为1.82 g/kg，变化范围为2.58～1.26 g/kg。土壤碱解氮均值为159.91 mg/kg，变化范围为389.30～104.90 mg/kg。土壤有效磷均值为29.05 mg/kg，变化范围为59.20～12.50 mg/kg。土壤速效钾均值为184.56 mg/kg，变化范围为305.0～107.0 mg/kg。

表1 土壤肥力指标描述性统计

从土壤肥力指标的变异系数来看，变异系数均介于3.86%～49.57%，属于中等变异，其中有效锌变异系数最大，微量元素含量变异系数相对较大，大量元素含量相对较小，pH值和容重变异系数最小。偏度系数是描述数据对称性指标，均值对称数据偏度系数为0，右侧分散数据其偏度系数为正，左侧分散数据偏度系数为负。pH值偏度系数为负，左侧数据更分散，而其他肥力指标数据偏度系数为正，右侧数据更分散，其中有效锌数据右侧分散度最高。数据分布为正态分布时，峰度系数近似为0，当数据分布较正态分布的尾部更分散时，峰度系数为正，否则为负。有效铜、有效铁、有效锰含量数据峰度系数为负值。

2.2 主成分分析

主成分分析（PCA，principal component analysis）是一种数学降维方法，主要利用正交变换把一系列可能线性相关的变量转换为一组线性不相关的新变量，从而利用新变量在更小的维度下展示数据的特征。因此，利用主成分分析土壤肥力质量是一种有效可行的方法。通过主成分方法进行数据降维后，克山土壤肥力数据第1～6主成分对于总方差的贡献率之和达到64.1%，即前6个主成分能把土壤全部指标提供信息的64.1%反映出来（表2）。在第1主成分中土壤有机质、全氮、速效钾、全磷、有效铁载荷在3.4～1.4之间，解释了大部分变异；在第2主成分中有效铜、有效铁、碱解氮和有效锰占有较大负因子负荷。在第3主成分中有效锰、有效锌、速效钾和碱解氮占有较大因子负荷。

表2 土壤肥力指标主成分分析因子载荷表

按照不同土类划分主成分分析（图1），暗棕壤、黑土和草甸土位于第一象限，具有相似的土壤肥力性质，与有机质、全氮和全钾含量相关性高。黑钙土与第一主成分显著正相关，与有效磷和有效铜关系相关性高。沼泽土与第一和第二主成分呈负相关关系，与碱解氮和全磷关系相关性高。

图1 不同土类主成分分析得分图

2.3 聚类分析

系统聚类是常用的变量聚类方法，通过各种距离统计量描述各变量间的相似程度，从而根据一定的准则对数据进行分类。本研究根据不同乡镇土壤肥力差异进行聚类分析（图2），通过平均距离法聚类，不同乡镇聚类分为3大类。向华乡、曙光乡、北联镇和西建乡归为第一大类，主要位于克山县的中北部地区，古城镇、古北乡和西河镇归为第二大类，主要位于克山县中南部，而发展乡和西联乡，以及双河乡和河南乡归为第三大类。

图2 乡镇土壤肥力聚类分析

3 讨论

维持和提高土壤肥力和生产力是农业可持续发展的中心任务［18］。土壤肥力受土壤母质、气候、地形、人类活动等影响，农田土壤的养分状况具有明显时空特性。如何有效分析评价土壤肥力特性是优化农田管理的重要方法基础。

近年来聚类分析、因子分析、主成分分析等方法是被用于土壤质量综合评价的常用方法［19-21］。主成分分析方法是土壤质量定量评价中应用最为广泛的数理统计方法，可以充分挖掘、提取监测土壤数据信息，客观准确地筛选出土壤属性的变异性，从复杂的土壤肥力因子中提炼出综合规律，得出客观和细致的结论，方法比较简单，具有实用性。本论文运用主成分分析土壤肥力，计算得到不同土类土壤主成分得分和综合得分，有效解析了克山土壤肥力的主要要素特征及各个肥力指标的载荷特征。以乡镇单元采用平均距离法进行系统聚类分析，能够有效呈现各个乡镇肥力差异大小，结果将为科学进行土壤培肥及土壤可持续利用提供重要的理论依据。聚类分析可以把具有相似肥力特性的行政单元进行分类指导管理。

把克山县土壤肥力要素指标与土壤肥力分级表格对比综合判断，该区域处于黑土带中部，属中层黑土，土壤有机质、全氮、全磷、有效磷等养分含量属于中等水平，处于第三积温带，年降水量为500～600 mm，都属于中间水平［4，22］，在农田管理中应该大力推广秸秆直接还田技术，充分利用当地秸秆资源，补充、更新和提高土壤有机质，化肥施用应注意磷钾肥和微量元素肥料的施用，有条件的地方增施有机肥，实现有机无机肥料的配合施用，较好地协调经济效益、社会效益和生态环境效益三者关系。土壤肥力特性在不同乡镇表现出区域差异和相关性，主要是因为土壤肥力受土壤成土母质的影响，及在农民进行田间管理时农户间相互影响造成。

4 结论

通过描述性统计，主成分分析，聚类数据分析克山县土壤肥力，是一种有效的土壤肥力评价方法。在理论上为克山县土壤等级划分提供了依据，为进一步精准施肥提供了决策支持依据。

克山县土壤肥力属中等水平，农田土壤的pH值平均为6.53，有机质含量平均为44.32 g/kg，碱解氮含量平均为195.91 mg/kg，有效磷含量平均为29.05 mg/kg，速效钾含量平均为184.56 mg/kg。建议今后在作物种植过程中大力推广科学施肥技术，重视有机肥与化肥配施，适当控制氮、磷肥施用，推进秸秆还田，以实现农田土壤肥力提高和作物稳产高产。