基于主成分分析的不同轮作施肥模式下赤红壤肥力质量变化

张立成，李娟，李志辉，赵思毅，章明清

（1.福建省农业科学院土壤肥料研究所，福建 福州 350013；2.永春县农业农村局，福建 永春 362600）

我国南方地区气候温暖，一年可种植多季作物，实施轮作耕种能够有效提高土地复种指数，增加农作物产出。轮作耕种主要有水旱轮作和旱地轮作两种方式。前人研究发现水旱轮作后土壤磷钾的矿化分解作用增强，有利于提升土壤磷钾素的有效态转化率［1-3］。旱地作物之间轮作对土壤氮素养分循环具有调节作用：秦舒浩等［4］的研究表明豆科作物与马铃薯轮作可以提高土壤有效氮含量，豆科作物的根系固氮对土壤中的氮循环具有改善作用。轮作还可以利用作物对不同营养元素吸收强度的差异特性，协调土壤养分的供应平衡，减少营养元素不均衡造成土壤肥力下降［5］。

国内外长期定位试验表明，均衡施肥或有机无机肥配施是维持作物高产、稳产的有效措施，而肥料不合理施用，不仅会对农作物的产量和品质产生影响，还会使耕地质量下降，造成资源浪费和对环境产生污染等［6-8］。农业的可持续发展依赖于土壤肥力质量的持续稳定性，而客观地评价土壤肥力质量变化是准确了解土壤属性、充分利用土地资源的保障［9］。对于土壤肥力质量变化的评价，目前主要有专家打分法、Fuzzy综合评判法、最小数据集法、主成分分析法等［10］。其中除专家打分法存在主观评价外，其他方法是采用数理统计分析理论对土壤肥力质量做出评价，评价结果能够比较客观、准确地筛选出土壤属性的变异特征［11］

轮作和施肥对土壤肥力质量的影响已有相关报道，但大多数是通过对定位试验点短期轮作试验结果进行研究，关于长期轮作施肥的定位试验对土壤肥力质量变化的影响鲜有相关报道。本试验以闽南赤红壤区长期轮作定位试验点的菜田土壤为研究对象，应用主成分分析法对长期轮作不同施肥方式下土壤肥力质量的变化作出定量评价，以期为合理轮作施肥、维持土壤肥力质量稳定和地力可持续发展提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

长期轮作定位试验点位于福建省永春县五里街镇埔头村（118°10′E，25°12′N）。该区属于亚热带季风气候区，年均温度20.4℃，年降雨量1 600～2 200 mm。试验地为南方地区典型赤红壤。

1.2 试验设计

本试验采取四季豆-芥菜-水稻（或休闲、或豇豆）的轮作制度，设5个处理（表1），随机区组排列，重复3次。小区长5 m，宽2.8 m，面积为14 m2。小区之间用水泥田埂隔开，每小区田埂上设有一个进出水口与水沟相连。试验区周围设置1 m宽以上的保护行，其他栽培管理措施与大田生产保持一致。于2013年10月份开始种植第一季作物四季豆，至第三季作物结束时为第一个轮作周期，编号为R1，按同样方式进行第二至第五个轮作周期分别编号为R2至R5。

试验采用推荐施肥和习惯施肥两种方式，不施有机肥，氮肥用尿素（N 46%），磷肥用过磷酸钙（P2O512%），钾肥用氯化钾（K2O 60%）。两种方式的施肥量如表1所示。基肥施用方法：每季作物所用过磷酸钙全部基施，氮钾肥则分为基施和追施，基施氮钾肥各占总量40%；追肥施用方法：秋季四季豆和夏季豇豆追肥分2次，每次氮钾肥各占总量30%；冬季芥菜追肥则分3次，每次氮钾肥各占总量20%；轮作早稻追肥分2次，即分蘖肥氮肥占50%，穗肥氮肥占10%、钾肥占60%。

表1 长期轮作定位试验作物的施肥方式及施肥量

1.3 土样采集及测定

试验开始前采集试验地耕层基础土样4 kg，用于测定土壤的初始理化性状。每季作物收获时采集土壤样品，按S形采样法在每小区选5个点进行采集，样品混匀装袋并标记采样小区编号。参照鲍士旦的方法［12］测定土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾理化指标。

1.4 数据处理

试验数据用Microsoft Excel 2016软件整理，采用Matlab 2015b软件进行主成分分析及作图。

2 结果与分析

2.1 不同轮作施肥模式土壤肥力主成分分析

2.1.1 土壤肥力主成分提取 2013—2018年测得的每个轮作周期内不同处理组的土壤养分含量如表2所示。由于土壤基础肥力中各指标具有不同的量纲和数量级，在进行土壤主成分分析时需对原始数据进行标准化变换。土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾经标准化变换后对应表2中X1、X2、X3、X4数据结果。

表2 R1～R5轮作周期内不同处理土壤养分含量标准化

对土壤养分值经标准化变换后进行主成分分析，得到R1～R5轮作周期内第一主成分特征值λ1，分别为2.459、2.675、3.215、2.847、2.472，第二主成分特征值λ2分别为0.989、0.959、0.505、0.887、1.038。R1～R5轮作周期第一主成分和第二主成分的特征值累积贡献率分别是86.22%、90.84%、93.12%、93.36%、87.71%（表3）。前两个主成分的特征值累积贡献率均超过85.00%，所以前两个主成分是可以反映土壤基础肥力的指标。

表3 R1～R5轮作周期内影响土壤肥力质量的主成分分析

2.1.2 土壤肥力主成分线性拟合 土壤肥力主成分分析是原数据经降维处理后，用能够反映原数据信息的主成分进行表达，每一个主成分的特征值对应一个特征向量。特征向量即各指标在主成分中的权重系数（表2）。5年轮作周期内主成分与各土壤肥力指标的线性关系如表4所示。根据主成分的权重系数比较，第一主成分碱解氮（X2）和第二主成分速效磷（X3）两个土壤肥力指标有较大的向量值。不同轮作施肥处理主要是对土壤肥力指标中的碱解氮和速效钾含量产生影响。

表4 R1～R5轮作周期内土壤肥力指标的线性拟合

2.2 不同轮作施肥模式土壤肥力主成分得分分析

图1为连续5年轮作定位施肥试验处理土壤肥力的主成分得分图，以第一主成分和第二主成分构建横轴和纵轴，其得分情况反映了不同处理的土壤肥力在主成分轴上的分布特征。可以看出，菜-菜-稻轮作和菜-菜-菜轮作施肥处理：5年轮作施肥相同处理组土壤肥力在不同年份的主成分得分结果中分布距离相近；菜-菜-休闲处理：5年轮作施肥处理不同年份的主成分得分结果中分布距离较远。推荐施肥方式下的菜-菜-稻轮作，主成分得分分布在第一主成分轴和第二主成分轴的负轴方向上。习惯施肥方式下的菜-菜-稻轮作，主成分得分分布在第一主成分轴的负轴方向上，第二主成分轴的正轴方向上。推荐施肥方式下的菜-菜-菜轮作，主成分得分分布在第一主成分轴和第二主成分轴的负轴方向上。习惯施肥方式下的菜-菜-菜轮作，主成分得分分布在第一主成分轴和第二主成分轴的正轴方向上。主成分分析结果中相同的轮作施肥处理得分分布相近，表明土壤肥力随轮作年限的延长呈现稳定变化趋势。

图1 不同轮作施肥处理土壤肥力主成分得分

2.3 土壤肥力综合得分分析

土壤肥力的综合得分是通过对各个指标经主成分计算后，对第一主成分和第二主成分得分与其对应的贡献率之乘积总和。综合得分可作为土壤肥力质量特征的评价方式，分值高，土壤肥力质量较好，反之则较差。由图2可知，推荐施肥方式下的菜-菜-稻轮作（T1）和菜-菜-菜轮作（T2）处理土壤肥力的综合得分值连续5年均高于其他处理组，推荐施肥方式下菜-菜-休闲（T3）处理土壤综合肥力在前3年的轮作周期内得分值较高，此后开始下降，且波动性较大。习惯施肥方式下菜-菜-稻轮作（T4）和菜-菜-菜轮作（T5）土壤综合肥力得分均较低。经过主成分综合得分比较，推荐施肥方式有利于菜-稻轮作和菜-菜轮作土壤的培肥作用。连续5年的轮作定位施肥试验各处理组土壤综合得分排名：T1＞T2＞T3＞T5＞T4。

图2 5年轮作周期内不同处理土壤肥力主成分综合得分

2.4 不同轮作施肥模式土壤肥力主成分聚类分析

依据不同轮作施肥处理的主成分得分作为评价土壤肥力质量的指标，然后采用最短距离法对不同轮作施肥处理土壤肥力进行系统聚类，结果见图3。可以看出，5个不同轮作施肥处理土壤肥力经聚类后分成三类，分别对应三种肥力水平。第一个轮作周期内T1处理与T4处理的土壤肥力聚为第一类，土壤肥力较好；T3处理与T2处理的土壤肥力聚为第二类，土壤肥力中等；T5处理的土壤肥力单独聚为第三类，肥力较差。第二个轮作周期内T1和T4处理聚为第一类，T2和T5处理聚为第二类，T3处理聚为第三类。第三个轮作周期内T1和T2处理聚为第一类，T3处理独立聚为第二类，T4和T5处理聚为第三类。第四个轮作周期内T1和T2处理聚为第一类，T3处理独立聚为第二类，T4和T5处理聚为第三类。第五个轮作周期内T1和T2处理聚为第一类，T3和T4处理聚为第二类，T5处理聚为第三类。聚类分析结果表明，前两个轮作周期内菜-菜-稻轮作土壤肥力较好，从第三个轮作周期开始为采用推荐施肥方式下菜-菜-稻轮作和菜-菜-菜轮作土壤肥力较好；连续5年轮作施肥试验中菜-菜-休闲并结合推荐施肥处理土壤肥力质量表现为中等水平；整体上看习惯施肥方式下的菜-菜-稻轮作和菜-菜-菜轮作土壤肥力表现出较差水平。

图3 5年轮作周期内不同处理土壤肥力聚类分析

3 讨论与结论

土壤轮作种植制度有利于提高土壤中的养分平衡供给，维持土壤生产力，对农业生产可持续发展具有较好的促进作用。蔡艳等［13］的研究表明黄土地区麦类作物与其他作物轮作后，有助于改善土壤质量和提高养分吸收。旱地种植蔬菜对养分需求量大，蔬菜轮作后土壤养分收支不平衡，养分转出量增加，因此，需要通过施肥维持土壤生产力稳定。Celik等［14］指出当土壤质地、种植制度和气候环境条件相一致的情况下，长期不同施肥方式是影响土壤理化性质的关键因素。本研究通过长期定位试验采用推荐施肥和习惯施肥两种施肥方式，研究三种轮作方式（四季豆、芥菜和水稻轮作；四季豆、芥菜、豇豆轮作；四季豆和芥菜轮作后休闲）下土壤肥力质量的变化情况。经过5年轮作周期的定位试验，通过测定每年各处理土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量指标并进行土壤肥力质量变化评价，再经主成分分析得出的不同轮作施肥方式之间的土壤肥力差异性主要表现在土壤碱解氮含量和速效磷含量方面。

土壤肥力质量是衡量土壤提供作物生长所需各种养分的能力，受物理、化学、生物多类因素的影响［15］。土壤中的碱解氮、速效磷、速效钾为作物提供生长所需的大量养分元素，对作物生长产生直接影响，是构成土壤化学肥力的主要部分。土壤有机质间接地为植物生长提供多种营养元素，同时有机质还可改善土壤理化性质，对促进土壤结构形成具有至关重要作用［16，17］。因此，本研究主要采用土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机质含量进行土壤肥力质量分析评价。由于土壤肥力质量并不能通过单一养分指标体现出，需要对多养分指标进行综合定量分析才能作为土壤肥力质量的评价方式。研究土壤肥力的综合性评价指标常采用模糊数学分析和多元统计分析方法［18，19］。主成分分析是多元统计分析方法当中的一种，它是通过降维的方式将多元指标体系通过线性转换后的几个主要成分进行分析。主成分分析的综合评价指标对土壤肥力的影响大且稳定性高，评价准确度高，可有效揭示土壤的肥力质量［20］。张晓等［21］应用主成分分析对大兴安岭蒙古栎低质林的土壤肥力评价后得出改造后土壤综合评分较高。本研究通过主成分综合评价得出，采用推荐施肥模式下的菜-菜-稻轮作土壤肥力质量较好。