基于主成分及聚类分析江西吉安植烟区土壤主要养分含量

2021-09-12胡蓉花尼金玉肖子康李红霞王俊杨帅强沈雪婷韩助君刘齐元

江苏农业科学 2021年15期

胡蓉花尼金玉肖子康李红霞王俊杨帅强沈雪婷韩助君刘齐元

摘要：根据江西省吉安市3个主产烟区22个乡镇97个村的154份植烟土壤样品的主要养分状况和大中微量元素调查结果，分析吉安市植烟土壤养分状况，并对22个乡镇97个村的植烟土壤进行主成分分析和聚类分析。结果表明：（1）植烟区土壤平均pH值为5.74，适宜烤烟种植。土壤有机质含量较为丰富，平均含量为 31.88 g/kg。土壤水解性氮含量较为丰富，62.35%的土壤在适宜烤烟种植范围内，69.48%的土壤速效钾含量低于150 mg/kg，处于偏低范围内。（2）土壤交换性钙与交换性镁含量尚为丰富，微量元素有效硼和有效锰含量较低，有效铜和有效锌含量偏高，有效铁、水溶性氯含量极高。（3）主成分分析和聚类分析显示，将97个村的植烟土壤采用聚类分析最短距离法分成3类。Ⅰ类区土壤呈弱酸性、富含有机质，土壤养分含量中等;Ⅱ类区土壤呈弱酸性、有机质含量较另外2区偏低，土壤养分含量整体偏低;Ⅲ类区土壤基本呈中性，土壤整体养分含量较高。

关键词：烤烟;土壤养分;大中微量元素;适宜性;主成分分析;聚类分析

中图分类号： S572.06 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）15-0231-08

收稿日期：2020-09-25

基金项目：国家自然科学基金地区科学基金（编号：31960418）;江西省吉安市烟草专卖局科技项目（编号：吉烟科[2018]4号）。

作者简介：胡蓉花（1970—），女，江西吉安人，高级农艺师，主要从事烤烟生产技术与推广研究，E-mail：1908479316@qq.com;共同第一作者：尼金玉（1994—），男，河南漯河人，硕士研究生，主要从事作物栽培学与作物生理生化研究，E-mail：nijinyund@163.com。

通信作者：刘齐元，博士，教授，主要从事作物生理生态与遗传育种研究。E-mail：qiyuanl@126.com。

土壤肥力是影响土壤质量的重要指标，而土壤主要养分含量与土壤肥力密切相关[1-2]。不同栽培模式[3]、施肥方式[4-5]与土壤类型[6]导致不同地区的土壤养分含量产生差异。土壤养分含量的丰缺程度直接影响烤烟生长发育，进而影响烤烟的产质量[7-8]。适宜的土壤肥力是保障优质烟叶生产的根本，因此，正确认识与科学评估土壤肥力是准确了解土壤本质及提高作物生产力的手段，从而有助于可持续的集约化[9-10]。

江西省吉安市烟草生产主要分布在峡江县、安福县和永丰县，以水稻田为主。其中，峡江县以鳝泥田、潮沙泥田、黄泥田和麻沙泥田为主;安福县以麻沙泥田、黄沙泥田、黄泥田为主;永丰县以潮沙泥田、麻沙泥田和红沙泥田为主，剔除人为因素影响，成土母质养分含量往往决定了土壤养分含量[10-11]。因此，通过对吉安市烟草主产区土壤主要养分含量的普查、筛选以及丰缺度评价，对于吉安市植烟精准施肥、合理施肥以及提高生产效益具有重要影响。对吉安市植烟区土壤养分含量进行主成分分析并对土壤肥力综合指标进行排序，可为吉安市烟草种植可持续健康发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 土壤样品的采集

土壤样品取样于2018年11月，根据不同主产烟区土壤类型、烟田分布以及耕种制度，取具有代表性的混合土样154份（峡江县66份、安福县42份、永丰县46份）。在每个取样单元内，采取“S”路线多点取样，然后制成一个约1 kg的混合土样。自然风干，研磨过60目筛，供土壤指标测定。

1.2 土壤样品的测定分析

土壤样品测定分析在江西省农业科学院完成，测定项目包括有机质[12]、水解性氮[13]、有效磷[12]、速效钾[12]、交换性镁[12]、交换性钙[12]、有效硼[12]、有效硫[12]、有效铜[14]、有效锌[14]、有效铁[14]、有效锰[14]和水溶性氯[12]含量及pH值[12]14项指标。采用电位法（1 ∶2.5的土水比）测定土壤的pH值;重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量;碱解扩散法测定土壤水解性氮含量;Olsen法测定速效磷含量;乙酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾含量;乙酸铵浸提-原子吸收分光光度法测定交换性钙、交换性镁含量;氯化钙提取-硫酸钡比浊法测定有效硫含量;姜黄素比色法测定有效硼含量;二乙基三胺五乙酸（DTPA）浸提-原子吸收分光光度法测定有效铜、有效锌、有效铁、有效锰含量;硝酸银容量法测定水溶性氯含量。

1.3 土壤养分含量指标主成分分析与聚类分析

运用SPSS 25.0及Excel 2010对试验数据进行统计。

2 结果与分析

2.1 植烟土壤养分分级

在综合分析吉安市烟区烟草实际生产和多年烟草专用肥试验的基础上，参照我国植烟土壤养分评价标准和相关研究[15-17]，确定了土壤养分丰缺评价体系（表1）。这一体系的建立对于指导吉安市烟草种植精准施肥具有重要的意义。

2.2 植烟土壤养分丰缺状况与评价

2.2.1 土壤pH值

对优质烤烟生产而言，最适宜的土壤酸碱度为5.50～6.50[18]。综合表1和表2可以看出，吉安市烟区土壤偏酸性，比较适合烤烟种植，pH值平均为5.74，适宜烤烟种植的土壤占62.34%。峡江县烟区土壤酸碱度pH值平均為5.57，适宜烤烟种植的土壤只占51.51%，pH值低的土壤比例相对较高，为45.45%。安福县和永丰县土壤pH值平均分别为5.91和5.76，适宜烤烟种植的土壤分别占64.28%和76.09%，而安福县pH值高的土壤所占比例较高，为14.29%。因此，仅就酸碱度而言，吉安市植烟土壤应该适当提高pH值，满足烤烟生长对pH值的需求。

2.2.2 土壤有机质

土壤有机质含量过高或过低，均不利于烤烟的正常生长。由表3可知，吉安市植烟土壤有机质含量总体较丰富，平均含量达31.88 g/kg;峡江县、安福县与永丰县土壤有机质平均含量分别为33.46、32.49、29.55 g/kg，有机质含量大于 25.00 g/kg 分别占83.33%、85.71%和73.91%。大于35.00 g/kg的土壤分别占45.46%、30.95%和17.39%。永丰县和安福县的土壤有机质含量较适宜，峡江县的变异系数大，表明不同土壤类型、不同区域的有机质含量差异较大。

2.2.3 土壤水解性氮、有效磷和速效鉀

由表4可知，吉安市烟区土壤水解性氮含量平均为 168.99 mg/kg，有32.47%的土壤水解性氮含量偏高。峡江县、安福县和永丰县土壤水解性氮平均含量分别为175.71、191.08、133.64 mg/kg。永丰县烟区土壤水解性氮含量比较适宜，安福县整体偏高。峡江县和安福县烟区土壤有效磷平均含量分别为37.34、32.83 mg/kg，分别有95.45%和73.81%的土壤有效磷含量偏高;永丰县土壤有效磷含量较为适宜。就速效钾含量而言，峡江县、安福县和永丰县含量均偏低，其中峡江县和永丰县土壤速效钾含量低等级比例分别占78.79%和80.44%，缺钾较为严重。因此，3个县主烟区在烤烟生产过程中必须通过增施钾肥来提高烤烟对钾元素的需求。

2.2.4 土壤交换性钙、交换性镁和有效硫

由表5可知，峡江县和永丰县土壤交换性钙含量较适宜，平均含量分别为1 214.05、1 178.29 mg/kg，缺钙土壤比例较少，分别占13.64%和8.69%。相反，安福县有66.67%的土壤交换钙含量较高，平均含量为1 593.44 mg/kg。烟草是以收获叶片为目的经济作物，叶片中约75%的镁参与蛋白质合成，植物体内15%～20%的镁与叶绿素色素相关，主要作为一系列参与光合固碳和代谢的辅助因子[19-20]。3个主烟区土壤交换性镁含量丰富，峡江县和永丰县分别为215.51、192.93 mg/kg，安福县61.90%土壤交换性镁含量偏高（231.78 mg/kg）。3个主产烟区土壤有效硫含量均偏低，其中安福县和永丰县有78.57%和78.26%的土壤有效硫含量在低等级以下。

2.2.5 土壤微量元素

由表6可知，3个县主产烟区土壤有效硼含量均偏低，平均含量分别为0.47、0.45、0.28 mg/kg。氯是烟草必需的微量元素，但是烟草对氯比较敏感，氯肥供应过量时，叶片厚而脆，弹性不足，燃烧性下降，品质变劣[21]。3个县主产烟区的土壤水溶性氯含量均极高，平均含量分别为53.34、42.84、46.15 mg/kg。3个县主产烟区的土壤有效铜含量偏高，平均含量为3.60、3.77、2.30 mg/kg。3个县主产烟区的土壤有效铁含量极为丰富，平均含量分别为532.31、317.08、 219.52 mg/kg。土壤有效锰含量3个县主产烟区含量均偏低，平均含量分别为30.45、17.24、 11.72 mg/kg。永丰县土壤有效锌含量较为适宜，平均含量为 2.35 mg/kg。相反，峡江县和安福县土壤有效锌含量偏高，平均含量分别为5.26、5.27 mg/kg。

2.3 吉安市植烟土壤养分指标相关性分析

由表7可知，土壤养分指标之间存在显著或极显著相关。为避免各养分指标所反映的信息重叠，采用主成分分析方法提取影响土壤养分的主成分。

2.4 吉安市植烟土壤养分的主成分分析

主成分分析方法是将众多的变量转变成数量不多的几个因子来表示，并且这些因子包含了原变量提供的大部分信息。各主成分的特征值、方差贡献率和累计方差贡献率见表8。可以看出，前7个主成分的贡献率达到81.919%（>80%）。说明对7个主成分进行分析已经能够反映全部数据的大部分信息。

由表8、表9可知，第一主成分的贡献率为25.369%，有效铜、有效铁、有机质、有效磷、水解性氮5 个指标因子在第1主成分中起主要作用;第2主成分的贡献率为18.305%，pH值、交换性钙、交换性镁3个指标因子在第2主成分中起主要作用;第3主成分的贡献率为10.829%，有效锰和有效铁在第3主成分中起主要作用;第4主成分的贡献率为9.037%，有效硫在第4主成分中起主要作用;第5成分的贡献率为6.893%，有效硼在第5主成分中起主要作用。第6、第7主成分的贡献率分别为6.275%和5.211%。前7个主因子得分值分别以 PC1、PC2、PC3、PC4、PC5、PC6和PC7表示，通过回归计算得出主成分得分系数矩阵，主成分得分函数表示为：

PC1=-0.008X1+0.200X2+0.201X3+0.159X4+0.141X5+0.123X6+0.102X7+0.127X8+0.100X9+0.194X10+0.135X11+0.178X12+0.068X13+0.110X14;

PC2=0.337X1-0.058X2-0.070X3-0.120X4+0.165X5+0.284X6+0.291X7+0.039X8-0.040X9-0.070X10-0.166X11-0.110X12+0.032X13+0.113X14;

PC3=-0.143X1-0.091X2-0.184X3-0.129X4-0.145X5+0.009X6+0.133X7-0.239X8+0.078X9-0.116X10+0.046X11+0.312X12+0.561X13+0.225X14;

PC4=-0.014X1+0.183X2+0.281X3-0.226X4-0.025X5-0.078X6-0.135X7-0.114X8+0.571X9-0.258X10-0.213X11-0.125X12-0.138X13+0.340X14;

PC5=-0.044X1-0.360X2-0.204X3+0.375X4+0.238X5-0.022X6-0.326X7+0.510X8+0.089X9-0.250X10-0.325X11+0.260X12+0.032X13+0.231X14;

PC6=0.066X1-0.252X2+0.163X3+0.364X4+0.562X5-0.159X6-0.023X7-0.523X8-0.099X9-0.309X10+0.390X11-0.154X12-0.022X13+0.163X14;

PC7=-0.107X1-0.243X2-0.157X3-0.279X4+0.404X5-0.102X6+0.188X7+0.273X8+0.633X9-0.027X10+0.297X11-0.097X12+0.180X13-0.617X14。

X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14为所选土壤样品的14个养分指标（pH值，有机质、水解性氮、有效磷、速效钾、交换性镁、交换性钙、有效硼、有效硫、有效锌、有效铁、有效锰、水溶性氯含量）标准化后的值。

2.5 吉安市植烟土壤质量聚类分析

根据前7个主成分的贡献率，生成主成分的综合得分（F）公式为：F=0.309 67×PC1+0.223 45×PC2+0.132 17×PC3+0.110 28×PC4+0.084 13×PC5+0.076 63×PC6+0.063 644×PC7，得到各产地土壤样品质量的综合得分，以主成分的综合得分作为新变量，分别以3个植烟县97个植烟村为标注个案，采用聚类分析最短距离法对各产地土壤质量进行聚类分析（图1）。

在平方欧式距离为5.0处可以将所有样品分为3类，第1类是砚溪步溪、洋门村沛、砚溪灼岭、横龙枫糖、戈坪舍龙、寮塘株木江、金江城上、平都陂下、砚溪砚溪、巴邱油陂庙、砚溪金坊、福民小枥、平都下路、金江庙前、竹江下社、金江金滩、桐林桐林、横龙江口、马埠凰洲、潭城村前、平都小水、石马店下、巴邱洲上、砚溪坪头、沿陂吉江、洋门坊下、石马龙坊、罗田店前、桐林流源、平都社洲、平都龙蒙、罗田安山、罗田神林、寮塘东岸、金江黑虎、平都思塘、严田土桥、平都沥塘、平都农丰、横龙严田、沿陂芦下、沿陂毛家、仁和新陂、洋溪田里、罗田冬梅、戈坪芳洲、福民田心、横龙杨梅、横龙青桥、寮塘思塘、砚溪鹏溪、竹江中团、洋溪店背、严田花桥，共54个村。第2类是平都荆山、沿陂水东、寮塘谷口、洲湖诸桥、平都西边、沿陂洄陂、石马邱林、戈坪戈坪、罗田桂林、横龙横屋、洲湖王屯、陶唐洲上、砚溪因山、横龙南桥、鹿冈鹿冈、横龙南村、鹿冈前村、戈坪汀溪、洋溪牌头、潭城富山、马埠芦溪、平都上里、罗田罗田、马埠夏塘、鹿冈高坑、石马棠阁、鹿冈巷口、金江庙口、潭城辋川、石马源头、石马星胜、洲湖花车、横龙山背、石马光明、平都竹山、石马梅西、横龙东谷、沿陂涂家、沿陂枧田，共39个村。第3类是严田岭溪、平都官田、竹江关溪、平都龙佳，共4个村。各类区的土壤养分情况如表10所示，Ⅰ区土壤呈弱酸性，富含有机质，土壤养分含量中等;Ⅱ区土壤呈弱酸性，有机质含量较另外2区偏低，土壤养分含量整体偏低;Ⅲ区土壤基本呈中性，除有效硼含量以外，其他土壤养分含量均比其他2类高，土壤整体养分含量较高。

3 结论与讨论

通过对吉安市154个植烟土样土壤养分指标的检测分析和評价表明，吉安市大部分植烟土壤pH值适宜烤烟种植。峡江县部分植烟土壤呈弱酸性，可适当施用生石灰来提高pH值，改善土壤酸碱度。

吉安市植烟区土壤有机质含量总体偏高，土壤水解性氮含量适宜，但永丰烟区含量偏高。因此，在烤烟大田期间要控制氮肥施用量。吉安市植烟土壤有效磷比例属适宜以上占92%，峡江县、安福县和永丰县土壤有效磷含量偏高，可能会影响烟叶的香味[22]。因此，应适当控制磷肥的施用。吉安市植烟土壤速效钾含量整体处于偏低水平，其中，峡江县和永丰县较为严重。钾元素缺乏影响烟叶的可燃性、颜色和身份，应在大田期补充钾肥的施入。

吉安市植烟区土壤交换性钙、交换性镁含量丰富，不存在相互拮抗的现象。由于吉安市植烟土壤速效钾含量较为缺乏，因此，烤烟根系对镁离子的吸收并不会减少。植烟土壤微量元素的主要特征是：有效硼、有效锰含量低，水溶性氯、有效铁含量高，有效铜、有效锌含量偏高。其中，低硼现象较突出，针对该类土壤重点是补硼;另外，高氯、高铁的现象较突出，针对此类型土壤，应控氯，另外调节土壤pH值，以达到降低土壤有效铁含量的目的。

通过主成分分析，分别以 3个植烟县97个植烟村为标注个案，采用聚类分析最短距离法对各产地土壤质量进行聚类分析，可分成3类。为吉安市烤烟种植布局、分区备货、提高烟叶质量均衡性提供科学依据。

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