基于主成分分析的珙县土壤肥力评价

金中林 ，朱 双 ，谢 明 ，郑 琴 ，姚旭松

（1.珙县农业农村局，四川 宜宾 644599；2.四川省科源工程技术测试中心，四川 成都 610073；3.自然资源部耕地资源调查监测与保护利用重点实验室，四川 成都 610073）

农田土壤是农业种植业的重要组成部分，开展农田土壤肥力评价研究，对建立高标准农田、改善土壤肥力等具有重要价值。稻米、包谷等庄稼的生长发育状况一般都和农田土壤肥力有关, 而农田土壤肥力则受土地物理、化学、生态有关等因素性质影响。土壤养分等级高低是评价土壤肥力好坏的重要指标之一，水稻、玉米的生长以及它们的质量与产量均受土壤养分含量影响。研究表明，了解土壤养分等级状况，对水稻、玉米等农作物正确施肥、茁壮成长具有极为重要的理论指导意义[1]。国内外学者对农业土壤肥力评价[2-4]的评价方法、评价准则以及具体实践方面开展了有益探索，但他们主要是以单因子评价为主，借助统计学主成分分析研究相对较少。因此，本研究选择宜宾珙县农田土壤为研究对象，使用SPSS主成分分析法对珙县土壤肥力养分指标进行评价，分析评价珙县土壤肥力等级状况。

1 研究区概括

珙县地处四川省宜宾市境南部，东经104°38′～105°02′、北纬 27°53′～28°31′[5]。珙县储存无烟煤炭、硫铁矿、石英砂等14 种珍稀矿种，除此之外珙县还有中国页岩气使用量第一的小镇——上罗镇。由于珙县同时也是四川主要的能源、建筑材料、石油化工基地，如何防止农业环境受工业污染是珙县发展水稻、玉米种植业面临的主要问题之一。为了响应国家建立高标准农田，本研究评价土壤肥力状况，为珙县农业土壤改良提供依据。

2 材料与方法

2.1 土样采集与处理

2021 年9 月开展本次调研，于玉和苗族乡、王家镇、巡场镇、石碑乡、孝儿镇、下罗镇、上罗镇、仁义乡、沐滩镇和洛亥镇等17 个主要玉米、水稻种植乡镇进行采样。该采样区域均为黔桂高原山地林农牧区。调研的采样地点如表1 采样位点所示，本次共采集土壤样品85 份。采样时，按照“S”型路径[6]随机选择5 点取样。所有土壤样品做好记录，带回实验室。土样放在实验室烘干箱60℃烘干，去除植物杂根、石头等杂质，分别用于不同土壤指标（pH 值、有机质浓度、全氮浓度、碱解氮浓度、有效磷浓度、速效钾浓度、缓效钾浓度）测定。

表1 采样位点表

2.2 数据处理

数据经Excel 汇总后使用spss26.0 软件的描述统计法对土壤中各理化指标进行平均数、标准差、变异系数法等分析以及利用spss26.0 软件的因子降维分析方法进行主成分分析[7]，比较不同采样点的土壤肥力情况，利用spss26.0 统计软件进行分析，基本步骤如下：（1）选取土壤理化因子作为评价指标。（2）数据标准化。对原始数据实行规范化处理，减少各种数据之间的量纲和数量级差异。（3）确定主成分个数和表达式。通常选择特征值大于1 的成分。（4）土壤肥力评价。计算主成分分值，综合得分越高，表明土壤肥力指标越差。并通过origin 软件进行Pearson 相关性分析。

2.3 土壤养分等级分析

土壤pH 值、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾分级标准参照土壤养分分级标准[8-9]，详见表2、3。

表2 土壤酸碱分级标准

表3 土壤养分分级标准

3 结果与讨论

3.1 珙县土壤养分等级分析

土壤肥力评估是通过数理统计学的方法分析采集土地样品的土壤属性特性差异，进而评估整个地区的农业土壤肥力状况。

从表4 和表5 可知，珙县土壤大多表现为酸性。17 个乡镇中pH 值平均值最高的小镇为上罗镇，为7.70；底洞镇的pH 值平均值最低，为4.60。土壤酸碱性对土壤肥力好坏、微生物生长活性以及包谷、水稻的代谢成长均有极为显著的作用[10]。土壤过酸会导致土壤矿物质缺乏等现象，从而使农作物的产量及质量大幅下降[11]。影响土壤pH 值的原因不少，而土壤在自然界下酸化速度较为缓慢，所以人为活动如耕地、施肥等是导致土壤酸化速度加速的最主要原因之一[12-13]。可以通过使用改良剂改善土壤物理性质，并促进玉米、水稻的生长[14]。从表5 可得，珙县土壤天然土壤有机质质量分数大多处于丰富水平。17 个乡镇中罗渡苗族乡天然土壤有机质质量分数平均值最高，为55.80 g/kg；仁义乡的有机质质量分数平均值最低，为11.20 g/kg。珙县土壤全氮质量分数大多处于丰富水平。17 个乡镇中罗渡苗族乡的全氮质量分数平均值最高，为3.00 mg/kg；沐滩镇的全氮质量分数平均值最低，为0.83 mg/kg。珙县土壤碱解氮质量分数总体较为丰富。17 个乡镇中罗渡苗族乡碱解氮质量分数平均值最高，为245.00mg/kg；巡场镇碱解氮质量分数平均值最低，为66.00 mg/kg。珙县土壤有效磷质量分数大体丰富，17 个乡镇中珙泉镇有效磷质量分数平均值最高，为72.00 mg/kg；恒丰乡有效磷质量分数平均值最低，为6.30 mg/kg。珙县土壤速效钾质量分数相对较为贫乏。17 个乡镇中王家镇速效钾质量分数平均值最高，为281.00 mg/kg；石碑乡速效钾质量分数平均值最低，为58.00 mg/kg。

表4 各采样点理化指标表

续表4

表5 珙县土壤pH 值状况

表6 珙县土壤养分状况

3.2 珙县土壤pH 值、有机质与有效养分的相关性

土壤中的各指标并不是单独存在的，在一定程度上是存在关系的，通过Pearson 相关性分析[15]，初步分析离子的来源。

由图1 可以看出，各指标参数存在不同程度的相关性，通过临界相关系数可以进一步判断相关程度的大小。Pearson 相关系数见表7。

图1 Pearson相关系数图

从表7 可知，调研土壤pH 值与有机质(r=0.52*)含量均呈显著的中等程度相关关系；土壤有机质与全氮(r=0.86**)和碱解氮(r=0.67**)含量极显著极强相关和强相关。土壤全氮和碱解氮(r=0.85**)含量极显著极强相关。

表7 Pearson 相关系数值

pH值、有机质、全氮相关性较强，极有可能为同一来源，根据当地种植情况推测，营养成分碳、氮的相关性极有可能是由于农业施肥造成的[16-19]。

3.3 珙县土壤肥力等级评价

采用主成分分析法计算各个取样点的肥力水平,主要因素的均方差和方差累计贡献如表8所示。成分矩阵、各采样点主成分分析法肥力综合评价结果如表9、10所示。

表8 特征值和主成分贡献率及累计贡献率 单位：%

表9 成分矩阵

根据综合评价函数Y得分情况，可以给出土壤肥力的定量评价，得分越高，就说明土壤肥力质量越高，各采样点SPSS主成分分析法肥力综合评价结果如表10所示。SPSS主成分分析肥力评价法结果表明：罗渡苗族乡土壤最肥沃，其次为下罗镇；沐滩镇土壤最贫瘠，其次为孝儿镇，其余采样点的土壤肥力情况如表10所示。

表10 各采样点主成分分析法肥力综合评价结果

4 结论

（1）珙县土壤大多表现为酸性，少量碱性土壤。17个乡镇有机质含量、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾总体较为丰富。

（2）珙县土壤pH值、有机质与有效养分的相关性：pH值、有机质、全氮相关性较强，极有可能为同一来源，根据当地种植情况推测，营养成分碳、氮的相关性极有可能是由于农业施肥造成的。

（3）主成分分析肥力评价法结果表明：罗渡苗族乡土壤最肥沃，其次为下罗镇；沐滩镇土壤最贫瘠，其次为孝儿镇。

（4）珙县农田土壤养分含量较为丰富，种植区域较适合水稻、玉米生长。建议珙县合理施用氮磷钾肥料并重视酸化土壤治理，防止工业污染，提高土壤肥力。