基于主成分和聚类分析的丹江口水源区农田土壤肥力质量评价——以淅川县为例

张 君，蔡德宝，杨树琼，陈秀文，陈吉宝

(1.河南省南水北调中线水源区生态安全重点实验室，河南 南阳 473061；2.南阳师范学院 农业工程学院，河南 南阳 473061)

土壤是植物生长的重要载体，土壤肥力的高低直接影响植物的生长，是土壤各方面性质的综合反映[1]。其中，土壤养分是评价土壤肥力质量的重要指标[2]。土壤肥力作为土壤质量的本质特性及核心基础，与养分状况密切相关，受到作物生产量、肥料投入量、耕种、自然环境等因素的影响，始终处于动态平衡状态[3]，良好的土壤肥力状况是精准施肥、获得高产优质农作物的先决条件。土壤肥力评价为科学施肥、调整土地利用结构、减少养护资源浪费等方面提供决策性理论依据[4-5]。

目前，土壤肥力评价主要采用养分等级评价法[6]和综合评价法[7-8]。土壤养分等级评价法主要参考已制定的养分等级进行土壤养分亏缺评定，为精准施肥提供一定的参考依据，但不能充分反映土壤养分的综合状况及主要影响因子。土壤肥力的综合评价法主要有主成分分析(PCA)、聚类分析、因子分析、指数分析和模糊数学等方法[9-11]。其中，PCA、聚类分析、因子分析法等都是常用的土壤肥力综合评价方法，定量研究土壤肥力水平高低已成为土壤肥力水平研究的主要趋势。

丹江口库区是我国南水北调中线工程源头，是生态功能和生态环境的重要区域，更是水土流失重点防治区[12]。该区域农田生态系统是一个较为特殊的环境生态体系，农田耕地以坡耕地为主，由于南水北调中线工程水源地的区位重要性和当地经济发展落后形成的矛盾日益突出，频繁的耕作以及肥料的不合理施用均导致库区耕地水土流失严重，进而导致库区支流、库湾水体水质逐步恶化[13]。基于此，对丹江口水源区淅川县农田土壤进行调研和数据采集，通过对农田土壤pH值、有机质含量等养分状况进行等级评价，结合PCA -聚类分析法，科学分析该区的土壤肥力质量，以期为丹江口水源区淅川县农田土壤合理施肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

淅川县位于河南省西南部，与陕西省、湖北省相邻，北纬32°55′～33°23′，东经110°58′～111°53′，是南水北调中线工程主要淹没区，是渠首工程和干线工程所在地。境内海拔最高1 086 m，最低120 m，平均海拔567.67 m。淅川县气候温和，资源丰富。属于北亚热带向暖温带过渡的季风性气候，四季分明，雨量充沛，年均日照时间1 881.5 h，降水量802.9 mm，气温15.7 ℃，无霜期最长263 d、最短208 d。全县国土面积28.2万hm2，其中，耕地面积6.8 hm2，南水北调中线核心水源区面积2 616 hm2。

1.2 土壤样品采集

将丹江口水源区淅川县基本农田示意图及土地利用现状图叠加产生的卫星图作为土壤耕地调查的基本单元，根据耕地调查面积确定采样点数量为160个， 2018年9—10月于作物收获后、秋冬施肥前采样，采样点为传统耕作方式，施肥主要为复合肥单施或与有机肥混施。选定具有代表性的田块，按照S形多点采样方法进行表层(0～20 cm)土壤取样，选取5个土壤采样点，去除土壤样本中的石砾和生物残体及根叶碎屑等，将土壤样品充分混合后按四分法取近1.0 kg土壤样品装入自封袋中，带回实验室进行土壤基本理化性质测定，土壤样品总计160份。

1.3 土壤样品处理及指标测定

将采回的土壤样品放在洁净的储藏室内，并铺成薄层于样品盘上，室内通风阴凉，避免阳光暴晒，同时要严防样品被其他物质污染；将风干后的土样用木棍捣碎、磨碎，过2 mm孔径的土壤筛，然后将土壤样品保存于自封袋中备用，并做好标签等标记。

土壤理化性质指标主要包括土壤pH值、有机质(OM)含量、全氮(TN)含量、全磷(TP)含量、全钾(TK)含量、碱解氮(AN)含量、有效磷(AP)含量7个。其中，土壤pH值采用水浸提电位法(质量比，水∶土为2.5∶1)测定；土壤OM含量采用重铬酸钾容量法测定；土壤TN含量采用H2SO4消煮—凯氏定氮法测定；土壤TP含量采用NaOH熔融—钼锑抗比色法测定；土壤TK含量采用NaOH熔融—火焰光度计法测定；土壤AN含量采用碱解扩散法测定；土壤AP含量采用碳酸氢钠浸提—铝锑抗比色法测定[14]。

1.4 土壤pH值划分与常规土壤养分分级标准

在河南省第二次土壤普查的基础上[15]，对淅川县土壤pH值及土壤养分等级做出新的划分，表1、2的标准适用于淅川县的土壤等级划分。

表1 土壤pH值等级划分状况

表2 土壤养分含量等级划分状况Tab.2 Classification status of soil nutrient content

1.5 数据处理

采用因子分析中PCA法和系统聚类分析，对土壤养分进行综合评价。PCA 法是利用降维的思想，把多指标转化为少数几个因子作分析的一种多元统计方法[16]。首先经过KMO和Bartlett球形度检验，Bartlett球形度检验的相伴概率P<0.05，可采用SPSS软件通过因子分析，确定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)。再根据IFI值，采用类平均法对土壤样品进行系统聚类分析[17]。IFI值采用指数和法，即：

(1)

IFI简化为IFI=λ1F1+λ2F2+…+λmFm。式中：IFI表示综合得分值，λ表示对应因子的贡献率，F表示对应因子。

原始数据整理与养分等级评价：运用Excel 2016进行描述性统计分析，SPSS 19.0软件进行K-S检验和方差分析，检验土壤养分数据是否符合正态分布，对不符合正态分布的数据进行剔除，直至符合正态分布。

2 结果与分析

2.1 农田土壤养分的描述性统计

农田土壤养分统计分析结果见表3，淅川县农田土壤的pH值介于4.32～8.71，平均pH值为6.60。参考河南省第二次土壤普查结果(表1)可知，pH值在5.5～6.5的酸性土壤农田占48%，淅川县土壤主要属于酸性土壤，变异系数17.7%，属于中等变异。表层土壤中OM含量差异较大，为3.99～48.02 g/kg，平均含量为16.96 g/kg，变异系数35.7%，根据普查结果显示，OM含量属于中下水平(表2)。土壤的TN、TP、TK的平均含量依次为1.22、0.50、16.21 g/kg。其中，TN、NK含量属于中上水平，TP含量属于中下水平。AN、AP平均含量分别为59.20、9.45 mg/kg。土壤养分含量的变异系数为16.5%～63.3%，呈中等变异。

农田土壤pH值差异较大且土壤中有效养分含量也存在同样趋势。其中，AP含量平均为9.45 mg/kg，变异系数为63.3%，在土壤养分各指标中，变异系数最大，其次是AN含量，差异较大，这说明受人类活动和土壤酸碱性的影响较大。土壤各养分指标中除TN和AP含量中位值高于平均值外，其余指标均低于平均值，从K-S检验和分布类型来看(表3、图1)，pH值、OM含量、TN含量、TP含量和AN含量均符合正态分布，样本数量为160份，而TK含量、AP含量样本中剔除异常值后呈现正态分布，样本数分别为156、141份。TK含量偏度为-1.020，为负值，呈现左偏正态分布；pH值、OM含量、TN含量、TP含量、AN含量、AP含量偏度依次为0.060、0.995、0.910、1.733、0.984、2.309，呈现右偏正态分布。

表3 土壤养分指标

图1 土壤pH值和养分含量频率Fig.1 The frequencies of pH value and nutrients contents in soil

2.2 农田土壤养分指标的相关性分析

土壤各养分指标存在一定程度的相关性是进行主成分分析的重要前提。因此，在进行主成分分析前，先对土壤各养分指标进行相关性分析(表4)，通过对土壤各养分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，其中，农田土壤中的OM含量与TN含量、AN含量表现出极显著的正相关关系，同时与TP含量存在显著的正相关关系，TN含量与TK含量和AN含量分别存在显著和极显著的正相关关系，TP含量与AN含量存在显著正相关关系，AN含量与AP含量也呈现极显著的正相关。经过KMO和Bartlett球形度检验，KMO值为0.573，Bartlett球形度检验的相伴概率P<0.05，进一步说明农田土壤各养分指标存在相关性。因此，采用PCA分析法评价土壤养分质量较为合适。

表4 农田土壤各养分指标Pearson相关性分析Tab.4 Pearson correlation analysis of various nutrient indexes in farmland soil

2.3 农田土壤养分PCA分析

基于相关性分析，对土壤养分指标进行PCA分析(表5)，根据特征值大于1的原则，选出2个主成分，2个主成分的特征值分别为2.549和1.181，贡献率分别为36.414%和16.875%，累计贡献率为53.289%，特征值之和为3.730，说明选取的2个新公因子可以反映土壤养分情况。

主成分因子载荷是主成分因子与原始变量因子之间的相关系数，土壤质量中OM、TN、AN含量在第一主分上的载荷值较高，且均为正向负荷，载荷值分别为0.873、0.811、0.763(表6)，这说明土壤养分指标中OM含量、TN含量、AN含量与第一主成分之间相关性较高，即在一定范围内，土壤OM含量、氮含量越高，表明土壤综合肥力越好；土壤pH值在第二主成分上的载荷值为0.692，是正向负荷，说明第二主成分主要表征土壤pH值。因此，以x1～x7分别表示农田土壤养分肥力指标，根据主成分分析得出2个主成分表达式：Z1=-0.015x1+0.547x2+0.508x3+0.284x4+0.148x5+0.422x6+0.403x7；Z2=0.637x1-0.070x2-0.121x3+0.458x4+0.538x5-0.272x6+0.035x7。式中的x1～x7为标准化的pH值、OM含量、TN含量、TP含量、TK含量、AN含量和AP含量。再根据公式(1)可计算出各土壤的IFI值，本研究中具体模型为IFI=0.375×F1+0.197×F2。

表5 土壤养分PCA的特征值与方差贡献率Tab.5 Characteristic value and variance contribution rate of soil nutrients PCA

表6 土壤养分指标的主成分载荷矩阵Tab.6 Soil nutrient factor PCA load matrix

2.4 农田土壤肥力综合评价

将160个采样点的样本分为3个等级，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，分别代表土壤肥力高、中、低3个等级(表7)。总体来说，淅川县农田土壤肥力主要集中在中等级别，样本数为90个，占总样本数的56.25%，其次是低等级，样本数占总样本数的38.75%，高等级土壤肥力样本数最少，仅占总样本数的5.00%，说明农田土壤肥力处于中下水平；对于IFI变幅而言，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级的IFI变幅依次为20.87～30.86、13.93～20.67、6.78～13.75，且3个等级的变异系数为10%～19%。

表7 土壤肥力IFI统计描述分析Tab.7 The statistical desripiton of comprehensive soil fertility IFI

3 结论与讨论

土壤肥力评价是根据土壤肥力各指标、特性的数量和质量对土壤肥力综合水平的评定[18]，它既是获取土壤质量状况的重要手段，又是农业开发和土地利用规划中一项重要的基础性工作，可为土地合理利用提供科学依据[19]。参照河南省第二次土壤普查的土壤养分分级标准，丹江口水源区淅川县农田土壤pH值5.5～6.5，土壤OM含量处于中下水平，土壤TN含量、TP含量、TK含量的平均值分别为1.22、0.50、16.21 g/kg，处于中等水平，但土壤AN含量、AP含量平均值分别为59.20、9.45 mg/kg，处于缺乏或中低水平。从土壤养分指标的变异系数方面来看，变异系数为16.5%～63.3%，属于中等变异，除TP含量外，土壤的TN含量、TK含量变异系数相对较小，说明土壤全量养分含量比较稳定，不易受外界环境的干扰和影响，对于土壤有效养分来说，AP含量的变异系数相对较大，这说明土壤有效养分含量受人为因素干扰影响较大。

近年来，聚类分析、因子分析、PCA法常用来进行土壤肥力的综合评价[18-20]。PCA可以对多个因素进行降维分析，抽取主成分，并赋予不同主成分不同的得分，被广泛用于多项指标体系的综合评价。土壤PCA常用于肥力质量的综合评价[21]。本研究采用PCA和聚类分析将丹江口水源区淅川县农田土壤各基础养分指标通过降维方式划分为2个综合性指标。第一主成分因子表征土壤OM含量、TN含量、AN含量，其贡献率为36.414%，表明土壤中这3个指标是土壤供给植物养分能力的主要影响指标。研究区的总体土壤养分处于中低水平，大部分农田土壤中AN含量相对缺乏，由于丹江口水源区淅川县农田传统耕作方式、农户管理施肥模式较为粗放，多数农田播种前施1次肥或者不施肥，随着耕作年限的增加，土壤中OM含量逐渐降低[22]。前期调查显示，农户主要以施用氮肥为主，但土壤中AN含量水平仍然较低。主要是由于氮素在土壤中的转化和移动能力较强，该地区农田以坡耕地为主，大部分的养分会随着降雨、灌溉等向缓坡农田入渗，导致养分流失和水体的富营养化，一部分会通过反硝化作用产生N2O，排放到大气，造成环境污染[23-24]。第二主成分因子主要表征pH值，表明土壤pH值是影响土壤养分有效性的主要因素，该地区为酸性土壤，主要与当地长期施用16-16-16的复合肥和尿素有关，土壤氮素用量增大，促进土壤的硝化作用，释放H+，加剧土壤的酸化[25]，而且酸性土壤中铁、铝活性相对较高，易与磷形成难溶性的铁磷和铝磷，甚至有效性更低的必蓄态磷，使土壤磷和复合肥中的磷素大部分转化为固定态磷，这也是农田土壤有效磷降低的主要原因[26-27]。

通过系统聚类分析方法，以丹江口库区7个农田土壤基础养分作为评价指标，将土壤肥力质量综合水平分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级,分别代表土壤肥力高、中、低水平，各水平所占比例分别为5.00%、56.25%、38.75%，所取的160个采样点中，土壤肥力高等级的样点比例较低，主要在中等肥力水平，总体说明丹江口水源区淅川县土壤肥力水平偏低。

本研究中，土壤养分指标因子归为2个主成分，累计贡献率为53.289%，影响土壤养分综合评价状况的主要因素有土壤OM含量、TN含量、AN含量和pH值4个指标，在一定程度上可以反映土壤的综合肥力。然而实际生产中影响土壤肥力质量的因素众多[28]，评价的方法也只能在一定范围内对所选的区域进行处理，数据的单一改变并不能完全地解释土壤质量的变化，具有一定的主观性和局限性。在今后的研究中，应合理化增加土壤的团粒结构、酶活性和微生物等指标，全面构建土壤肥力评价体系，为丹江口水源区淅川县农田土壤合理施肥提供更为科学的理论依据。