基于主成分分析法的中宁县农田土壤肥力评价

耿 荣， 王明国， 尹学红，张 丽， 郭军成， 任 杨

（1.宁夏回族自治区农业技术推广总站，宁夏银川 750001；2.中宁县农业技术推广服务中心，宁夏中宁 755100）

土壤肥力是衡量土壤能够提供作物生长所需的各种养分的能力，是反映土壤肥沃性的一个重要指标，是土壤各种基本性质的综合表现。不同土壤其肥力存在着一定的差异，因此，对土壤肥力进行合理的评价可以更加深刻认识土壤，对农业生产有十分重要的意义[1]。近年来，用于土壤肥力综合评价的方法较多，常用的有主成分分析法、聚类分析法、因子分析法、内梅罗指数法、判别分析法、模糊数学法、因子加权综合法等等[2]，通过对大量信息的处理，得出反映土壤肥力高低的综合性指标[3]。但是，由于选取的参评指标不同，选择的评价方法也不同，而且评价指标值的计算、权重的确定、土壤肥力等级的划分等等在国内尚无统一的标准。现在，大多数研究还是结合当地实际情况，根据相关资料或人为打分确定土壤肥力评价指标隶属度和相应的权重，把各肥力因子得分值之和用来表示土壤肥力的高低。这样，评价结果的准确性很大程度上取决于评价者的专业水平，因此主观性和随意性较强[4]。

目前，我国关于农田土壤肥力评价的研究较多，且多集中在不同区域、不同植物以及采用不同的土壤肥力评价方法，对宁夏地区土壤肥力的研究为数不多，中宁县未见报道。宁夏中宁县地处黄河两岸，枸杞、硒砂瓜、红枣等特色产业已享誉国内外，土壤肥力的高低直接影响着农产品的品质和产量。采用多元统计分析中的主成分分析法进行农田土壤肥力评价，测算步骤比较规范，大部分过程可通过计算机处理，在一定程度上可避免人为打分确定评价因子的权重等影响，分析结果相对客观科学，有利于提高测算结果的准确性与可靠性[5]。因此，本研究以宁夏引黄灌区中宁县农田表层土壤为对象，采用主成分分析法综合评价其土壤肥力状况，为其土壤可持续利用及合理施肥提供理论依据，从而为宁夏引黄灌区中低产田改造提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

中宁县位于宁夏中部西侧、银川平原南端（105°26′~106°07′E，37°09′~37°50′N），地处黄河两岸，为内蒙古高原和黄土高原过渡带，海拔1 100~2 955 m，属温带大陆性干旱、半干旱气候，日照充足，年均气温9.5℃，年均降雨量202.1mm，年日照时数2 800 h。县境东西宽约50 km，南北长约60 km，现辖6 镇6 乡和红梧地区管委会，共有耕地4.27 万hm（2川区水浇地2.47 万 hm2，山区旱地 1.8 万 hm）2，土壤类型以灌淤土、灰钙土为主，土壤质地以黏土和砂壤土为主，主要植被类型为草地和落叶阔叶林。

1.2 方法

1.2.1 土壤样品布设采集 以中宁县基本农田保护区为依据，立足当地农业生产实际，综合考虑行政区划、土壤类型、土地利用、生产水平、点位信息完整性和长期性等因素。按照666.7 hm2耕地不少于1 个监测调查样点，并且布设样点应具有较强代表性和可持续性的原则，在中宁县白马乡、鸣沙镇、恩和镇、新堡镇、宁安镇、舟塔乡、石空镇、余丁乡、大战场镇、喊叫水乡、徐套乡11 个乡镇共布设样点91 个，基本覆盖全县所有村级行政区域和所有土壤类型及土种。采用“S”型5 点采样法采集0~20 cm 深的混合土样，并用GPS 定位，四分法留取约1 kg 土样，将土样风干去除杂质后，玛瑙研钵磨细分别过1、0.25、0.1 mm 尼龙筛，装入保鲜袋，用于测定土壤理化性质。

1.2.2 指标测定方法 参照《土壤农化分析》，测定了土壤全盐、pH 值、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾和容质量共8 个指标，共测数据超过730 个。土壤全盐含量采用水土比为5:1 电导法测定；pH 值采用水土比为2.5:1 水浸提pH 计法测定；有机质含量采用重铬酸钾氧化—外加热法测定；全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3法测定；速效钾含量采用NH4OAc 浸提—火焰光度法测定；土壤容质量采用环刀法测定。

1.2.3 评价方法 采用因子分析功能中提取主成分分析法，对土壤肥力进行综合评价。主成分分析法是利用降维的思想把多个因子转化成较少的几个互不相关的综合因子[6]。采用SPSS 软件通过因子分析首先得出了各参评土壤指标主成分特征值和特征向量，根据特征值＞1 选为关键主成分，计算各主成分得分，再利用综合得分公式求出各样点土壤肥力综合分值（IFI）[7]。综合分值构成了评价因子总的土壤肥力水平得分值，它综合反映了该评价对象的土壤肥力状况，也是进行土壤肥力等级划分的依据。采用指数和法计算土壤肥力评价的综合分值IFI，其计算公式为：IFI=λ1、F1+λ2、F2+…+λm、Fm 式中，F 表示单个主成分得分；λ 表示对应主成分的贡献率。

1.3 数据处理

应用Excel 2007 和SPSS 18.0 软件对所获得的数据进行相关性分析、主成分分析以及作图统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤单项肥力指标描述性统计

中宁县农田土壤单项肥力指标统计分析结果如表1 所示。采样区域的样点土壤全盐含量分布不集中，介于0.23~7.26 g/kg，平均含量为0.95 g/kg，属于非盐渍化土（参照《西北区耕地土壤养分指标分级标准》，下同）；pH 值分布频数集中，介于 8.19~9.30，平均值为8.76，呈碱性土壤；有机质含量分布频数较集中，介于 2.83~34.68 g/kg，平均值为 12.26 g/kg，属 4级低水平；全氮含量分布频数较集中，介于0.20~1.94 g/kg，平均值为0.93 g/kg，属4 级低水平；碱解氮含量分布频数较分散，介于14.00~493.22 mg/kg，平均值为86.20 mg/kg，属4 级低水平；速效磷含量分布不集中，介于2.60~243.92 mg/kg，平均值为36.33 mg/kg，属2级高水平，表明磷素丰富；速效钾含量分布频数较分散，介于58.00~850.00 mg/kg，平均值为149.29 mg/kg，属3 级中等水平；土壤容质量分布频数集中，介于1.18~1.83 g/cm，平均值为1.50 g/cm，呈过紧实土壤。

从土壤样品的变异系数来看，土壤pH 值、容质量变异系数分别为2.64%、8.73%，属于弱变异；有机质、全氮变异系数分别为46.70%、35.03%，呈中等变异性；全盐、碱解氮、速效磷、速效钾含量的变异系数均在50% 以上，呈高变异性。从偏度和峰度的统计值来看，土壤全盐、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾和容质量的偏度值为正，可以判断其曲线分布左偏且右侧拖尾，其中土壤全盐、有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的分布曲线较陡峭，两端尾部较长，土壤全氮和容质量的分布曲线较平缓，两端尾部较短；土壤pH 值的偏度值为负，表明其曲线分布右偏且左部拖尾，并且分布曲线较平缓，两端尾部较短。

2.2 土壤单项肥力指标的分级比例

本次采用《西北区耕地土壤养分指标分级标准》进行评价，并且将六级指标中的一、二级定为高等水平，三级定为中等水平，四、五、六级定为低等水平。由表2 可知，中宁县农田土壤全盐含量较低，93.41%的样点低于3 g/kg，属于非盐渍化土；pH 值普遍较高，83.52%的样点高于8.5，呈碱性土壤；容质量普遍较高，87.91%的样点高于1.35 g/cm，达到紧实土壤。有机质、全氮、碱解氮含量偏低，71.42%的样点有机质含量低于15 g/kg，处于低等水平；90.12%的样点全氮含量低于1.25 g/kg，处于中等及以下水平；67.04%的样点碱解氮含量低于90 mg/kg，处于低等水平，说明中宁县农田土壤中有机质、氮素普遍缺乏。59.34%的样点速效钾含量高于120 mg/kg，处于中等及以上水平；速效磷含量较高，62.63%的样点速效磷含量高于20 mg/kg，处于中等及以上水平，说明中宁县农田土壤具有相对较高的磷素和中等含量的钾素。

2.3 土壤肥力综合评价

2.3.1 相关性分析 因子分析的必要条件是各指标间存在相关性，而SPSS 软件中的主成分分析是采用因子分析中的主成分提取，需对土壤肥力综合评价因子进行相关性分析[7]（表3）。土壤全盐与碱解氮、速效钾呈极显著正相关，与速效磷呈显著正相关，与pH 值呈极显著负相关；土壤pH 值与有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾呈极显著负相关，与容质量呈显著正相关；土壤有机质与全氮、碱解氮、速效磷、速效钾呈极显著正相关，与容质量呈极显著负相关；土壤全氮与碱解氮、速效磷、速效钾呈极显著正相关，与容质量呈极显著负相关；土壤碱解氮与速效磷、速效钾呈极显著正相关，与容质量呈极显著负相关；速效磷与速效钾呈极显著正相关，与容质量呈极显著负相关；速效钾与容质量呈极显著负相关。可以看出，pH 值、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾和容质量等指标间存在不同程度的显著相关性。因此，本研究采用主成分分析法评价土壤肥力较合适。

2.3.2 主成分分析 为避免计算结果受变量量纲和数量级不同的影响，保证其客观性和科学性，在进行其他运算之前，必须对原始数据矩阵进行标准化处理[8]。因此将土壤全盐、pH 值、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾和容质量等指标的原始数据采用描述性统计得到标准化数据，计算其相关系数。由表4公因子方差的提取值可以看出，主成分包含了各个原始变量至少34%以上的信息，其中土壤容质量指标的信息量损失最大，土壤有机质和全氮指标的信息量损失最少，因此引起中宁县农田土壤肥力变化的主要因子是有机质和全氮。根据主成分特征值＞1的原则，故选取前2 个特征值，即前2 个主成分（表5）。其中，第1 主成分的特征值最大为4.253，第2 主成分的特征值为1.369，前2 个主成分的累计贡献率达到70.272%，表明取前2 个主成分能把土壤指标8个变量信息的70.272%反映出来，可以较好地反映土壤肥力的综合状况。根据因子载荷系数与主成分系数之间的关系[9]，可以看出土壤肥力指标在主成分上的权重比例不同，如表6 所示，主成分1 主要受有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾的权重影响，主成分2 主要反映全盐、pH 值和容质量的权重。

用 X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8分别表示土壤全盐、pH 值、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾、容质量。根据表6 的主成分得分系数矩阵可得出2 个主成分的综合得分线性表达式为：

将各样地土壤肥力评价指标标准化后的数据分别代入上述表达式计算各主成分的得分，土壤肥力综合评价模型可写为：IFI=0.53165 F1+0.17107 F2.计算IFI 值，其值越高表示土壤肥力越高；反之，则表示土壤肥力越低。

2.3.3 土壤肥力综合评价 按综合评价模型计算出中宁县各乡镇土壤肥力的综合得分平均值。从表7可知，中宁县各乡镇土壤综合肥力总体得分范围-0.651 8~0.411 3，平均分值-0.016 0。土壤肥力从高到低依次为舟塔乡＞鸣沙镇＞新堡镇＞石空镇＞宁安镇＞余丁乡＞白马乡＞恩和镇＞大战场镇＞徐套乡＞喊叫水乡。由此可以看出，中宁县各乡镇农田土壤肥力差异较大。

3 结论与讨论

通过对中宁县农田土壤肥力状况调查结果显示：土壤肥力单项指标丰缺程度不一，差异比较大，其中有机质和氮素普遍偏低，磷素丰富，钾素中等，可能与人为不合理施肥和这些元素在土壤中的移动性等有关；pH 偏碱性，主要原因可能由于人为不合理施肥和土壤本身特性所引起的；土壤容质量呈过紧实状态，可能由于土壤质地、田间作业大型机械的镇压、作物连作和有机肥用量不足等因素所致。从土壤样品的变异系数来看，土壤pH 值、容质量属于弱变异，说明在县域农田内分布相对均匀，空间异质性弱，受人为活动和土地利用等因素的影响较小；有机质、全氮呈中等变异性，表明在县域农田内空间分布

存在一定的不均匀性，但变化不大；全盐、碱解氮、速效磷、速效钾呈高变异性，说明中宁县农田土壤这些元素的空间分布很不均衡，空间异质性强，可能受施肥习惯、灌溉制度、种植结构、耕作方式和土壤特性等影响较大。主成分分析表明，引起中宁县农田土壤肥力变化的主要因子是有机质和全氮。因此，中宁县农田土壤应根据实际情况合理施肥，遵守有机肥和氮肥补充、减少磷肥施用及稳定钾肥的施肥原则，以获得较好的农作物产量和品质。

表1 土壤单项肥力指标描述性统计

表2 土壤单项肥力含量分级与比例统计

表3 土壤肥力评价指标的相关系数

表4 公因子方差

表5 总方差解释表

表6 初始因子载荷与成分得分系数矩阵

表7 不同乡镇土壤肥力综合得分

从相关性分析来看，中宁县农田土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾相互之间呈极显著正相关，养分指标相关性很好，与前人研究成果有较大相似性[6,10-12]。因此，土壤中各种养分之间是有关联性的，一种养分的减少，也会影响土壤中其他养分的供应。土壤pH 值和容质量均与有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾呈极显著负相关，pH 值和容质量的升高可能会影响土壤养分的有效性，降低了有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾在土壤中的积累，这与秦川等[11]、曾宪平等[12]、骆玉珍等[13]、王晖等[14]、高君亮等[15]、郭鑫年等[10]、谢寄托[16]和王颖[17]等的研究结果基本一致。土壤盐分与pH 值呈极显著负相关，与碱解氮、速效磷、速效钾等速效养分呈显著正相关，这可能与碱性土壤HCO3-、OH-等离子有关，更深层原因有待进一步研究。

从土壤肥力综合评价来看，中宁县各乡镇土壤综合肥力从高到低表现为舟塔乡＞鸣沙镇＞新堡镇＞石空镇＞宁安镇＞余丁乡＞白马乡＞恩和镇＞大战场镇＞徐套乡＞喊叫水乡，并且土壤肥力差异较大，主要与种植作物品种、农户施肥习惯以及农业活动行为等因素有关。舟塔乡和鸣沙镇土壤肥力最高，其原因可能为舟塔乡主要以枸杞种植为主，鸣沙镇枸杞和麦后复种蔬菜面积较大，施肥量较大，土壤肥力整体水平较好；而徐套乡和喊叫水乡土壤肥力最低，由于其位于宁夏中部干旱带，主要以压砂瓜和小杂粮种植为主，施肥量较小，土壤肥力整体水平偏低。

采用不同方法对宁夏土壤肥力进行评价已有一些。如王建宇等[18]和王幼奇等[19]针对宁夏压砂地土壤、温淑红等[20]针对宁南黄土丘陵区不同年限旱作苜蓿地土壤、郭鑫年等[10]针对宁夏中部干旱带同心县农田土壤所进行的研究。这些研究多数针对特定作物进行土壤肥力评价，评价指标值的计算有的采用隶属函数计算隶属度，阈值的划分一般是专家打分或参考相关文献资料，人为主观性较强。本研究针对中宁县所有农作物的土壤，并且采用主成分分析法进行土壤肥力评价，可减少人为因素的影响。

目前，对于土壤肥力综合指标的评价没有统一标准[21]，本研究对于中宁县土壤肥力综合评价没有进行等级划分，存在一定的缺陷。土壤肥力综合评价得出的结果仅代表一种潜在的生产能力，还应将气候、水、热状况、施肥和经营制度等因素综合加以考虑，才能表示土地的现实生产能力[22]。本研究主要从土壤理化性状即数值型概念来评价土壤肥力较为有限，而土壤微量元素、生物学性质等对土壤肥力影响也很重要。因此，下一步的工作还需结合土壤生物指标、作物生长指标、社会经济指标[23]等进行综合评价与分析，以便更好地为宁夏引黄灌区和中宁县农田土壤养分管理提供科学参考依据。