主成分分析法在耕地地力评价中的应用

周飞，韩红煊，陈余平，胡铁军，郑佩君，许熔熔

(余姚市农业技术推广服务总站 余姚市耕地质量管理站，浙江 余姚 315400)

土壤质量作为土壤肥力质量、环境质量和健康质量的综合量度，是土壤维持生产力、环境净化能力和保障动植物健康能力的集中体现。土壤质量评价是土壤质量研究的基础和重要内容之一，可为土壤整治、规划和合理利用提供科学依据[1]。全面摸清标准农田的地力实际状况，实施分等定级，是加强标准农田质量建设的基础，是制订标准农田保护、培肥、改良、利用规划的主要科学依据，是推进标准农田土壤改良，确保粮食生产能力的重要举措。余姚市已开展标准农田质量提升项目8个，提升面积3 000余hm2。依照《浙江省标准农田地力调查与分等定级技术规范》中的评定方法，余姚市基本达成耕地地力提升目标。以往，灰色关联度法、模糊数学、层次分析模型等方法常被用来评估土壤质量[2]。本研究根据余姚市耕地区域特点，随机选取27块耕地地块，采用主成分分析法对余姚市地力提升项目区的耕地地力进行评价，并根据主成分的综合得分区间划分土地等级。现总结报道如下。

1 材料准备与评价原则

1.1 供试材料选取

在余姚市标准农田地力提升项目区随机选取27块耕地，选取耕地地块的耕层厚度、土壤质地、容重、pH值、阳离子交换量(CEC)、全盐量、有机质、有效磷、速效钾、冬季地下水位、抗旱排涝能力等11个分析指标进行分析。土壤样品的采集和有关理化指标的测定均按《浙江省标准农田地力调查与分等定级技术规范》进行。

1.2 耕地地力评价原则

从诸多因素中选取少数几个能够真实全面地反映耕地质量的评价指标[3-4]，具体原则如下：显著性原则，选取在一定范围内对耕地地力影响比较明显的评价指标；相关性原则，从相关性较大的几个因素中选出一个具备代表性的评价指标。

1.3 评价方法

应用主成分分析方法，从复杂的土壤肥力指标体系中筛选出若干个彼此不相关，但能反映出原来全部指标所提供的大部分信息的综合性指标[5]，以此来综合评价耕地地力，并依此为基础对标准农田地力提升区耕地地力进行综合评价和归类分等。主要应用SPSS Statistics 22.0进行数据的处理和运算。

2 主成分分析

主成分分析又称主分量分析，是利用原始变量的线性组合组成主成分来解释多维变量的协方差结构,挑选最佳变量子集，简化数据，以揭示变量间关系的一种多元统计分析方法。在耕地地力评价中，通过建立原始数据矩阵实施，经过标准化和相关矩阵的计算，分别求出相关矩阵的特征向量、特征根，以及主成分的方差贡献率、累积贡献率,根据累积贡献率选择主成分的个数，建立主成分方程，然后计算各主成分得分和综合得分,根据综合得分区间划分耕地地力等级。

2.1 数据标准化与相关矩阵的计算

为避免计算结果受变量量纲和数量级的影响，保证其客观性，在进行相关运算和分析前必须对原始数据进行标准化处理。为了进行数值分析，先把不易直接用数据计算的变量，根据相关资料[6]对土壤质地、耕层厚度、地下水位和抗旱排涝能力进行赋值，然后用标准差标准化变换法对原始数据进行标准化，根据标准化后的数据计算出各要素之间的相关性，得到耕地地力指标间的相互关系矩阵(表1)。

表1 耕地地力指标间的相互关系矩阵

注：*与**分别表示相关性达到显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)水平。

从表1可以看出，待评价样点的耕地土壤有机质含量与地下水位、土壤容重、pH、CEC、全盐量等的相关性达到极显著水平，与质地、耕层厚度的相关性达到显著水平，其中，地下水位、土壤容重、全盐量与耕地土壤有机质含量呈极显著负相关。根据耕地分级的相关性原则，保留有机质、土壤质地、耕层厚度、地下水位、容重、pH、CEC、全盐量作为评价指标，将有效磷、速效钾、抗旱排涝能力等指标排除在外。

2.2 相关矩阵的特征根和累积贡献率计算

根据选择的耕地土壤有机质等观测指标，进一步进行主成分分析，得到各主成分的特征向量、特征值和累积贡献率(表2)，并提取主成分。共提取到3个主成分，各主成分的方差贡献率分别为61.7%、11.4%、9.0%，累积贡献率达82.1%，也就是说代表了待评价耕地地块82.1%的地力信息。

表2 主成分分析的结果

2.3 主成分得分与综合得分

进行线性拟合，得到这3个主成分得分(Z1～Z3)与原8项指标经标准化处理后数值的线性组合：

Z1=-0.415 361X1+0.231 306X2-0.278 108X3+0.331 209X4+0.413 561X5+0.405 461X6-0.390 161X7+0.315 459X8；

Z2=-0.122 649X1+0.741 137X2+0.462 294X3+0.019 917X4-0.047 173X5+0.018 869X6-0.135 229X7-0.448 666X8；

Z3=-0.135 529X1-0.075 425X2+0.577 471X3-0.557 436X4+0.241 595X5+0.266 344X6+0.101 352X7+0.438 406X8；

式中X1～X8分别是有机质、土壤质地、耕层厚度、地下水位、容重、pH、CEC、全盐量经标准化处理后的数值。将标准化数据代入上述各式可得到27个样本在这3个主成分上的得分。综合得分(Z0)等于各主成分得分之和。部分样点的原始测定(赋)值和主成分值如表3所示。

表3 部分样点的原始测定(赋)值和主成分值

3 小结

根据综合得分，将评价的耕地地力分为4个等级，与实际的耕地地力水平拟合度较好。其中，一等地包括8号、9号、10号、18号等12个样点，综合评价指数为1.277 71～3.806 39，土壤质地属壤土或黏壤土，耕层厚度较厚，地下水位距地面80 cm以上，土壤养分含量较丰富，理化性状比较平衡；二等地包括21号、15号2个样点，综合评价指数为0.012 13～0.591 39，质地以壤土为主，耕层厚度较厚，地下水位距地面80 cm以上，土壤养分含量丰富，理化性状平衡；三等地包括1号、3号、22号等5个样点，综合评价指数为-0.061 207～-0.087 58，质地为黏土、壤土或黏壤土，耕层厚度一般，有效养分不高，理化性状一般；四等地包括2号、7号、27号等8个样点，综合评价指数为-5.138 13～-1.036 78，存在一定的障碍因子，耕层厚度稍差，地下水位稍高，土壤潜在养分含量不足，理化性状稍差。

运用主成分分析法对余姚市的耕地地力进行初步评价，通过实例分析验证了该方法的可行性。但今后仍需对该评价方法进行更加科学、可行的改进和完善。