基于主成分分析和聚类分析的山东省典型植烟区土壤养分综合评价

马志明，高璐阳，2*

（1.新洋丰农业科技股份有限公司/农业农村部作物专用肥料重点实验室，湖北 荆门 448000；2.山东新洋丰肥业有限公司，山东 菏泽 274000）

烟草是我国重要的经济作物，良好的土壤环境是烟草正常生长的前提，适宜的土壤养分是烟草优质、高产的基础[1]。植烟区土壤养分的丰缺状况直接影响烤烟植株的生长发育和营养水平，进而影响烟草产品质量[2，3]。近年来，随着化肥投入量的增加，植烟土壤酸化、有机质匮乏、微生物活性下降等问题日益加剧，限制了烟草的可持续生产和烟叶品质提升[4，5]。传统施肥方式已不能满足现代烤烟生产的需求，在精准测定土壤养分的基础上，综合评价土壤肥力水平，推广精准施肥技术，可以保障土壤养分有效供给，提高烟叶生产的整体水平[6]。

随着统计分析软件的普遍应用，一些学者选取不同的分析方法对烟区土壤的养分状况进行了综合评价。唐佐芯等[7]利用主成分和聚类分析方法对红河州烟区土壤进行评价，发现地形、海拔、pH 值以及有机质、有效磷、有效硼、有效钼和水溶性氯含量是影响该区土壤养分水平的主要因子。贾海江等[8]通过相关分析和模糊数学法对昌宁植烟区土壤的养分特征及肥力进行综合评价，结果显示，昌宁县植烟区61.28%的土壤肥力状况良好。韦建玉等[9]利用模糊数学和偏相分析法对重庆市主要烟区土壤的肥力状况进行综合评价，发现有机质含量对土壤综合肥力指数贡献最大，重庆市烟区土壤肥力因子多处于强变异水平。当前，土壤肥力评价越来越侧重对多个影响因子的综合性评价。

山东省是我国烟草主产区之一，2020 年该省烟草种植面积达1.82 万hm2，产量4.72 万t，主要种植区集中在潍坊、日照、临沂等地[10]。截至目前，针对山东省不同烟草种植区土壤养分状况的系统研究较少，缺乏对全省植烟区土壤肥力的综合评价。以山东省典型植烟区土壤样本为研究对象，采用主成分分析和聚类分析方法对植烟区土壤的养分状况进行综合评价，以期为山东省典型植烟区土壤的养分管理和科学施肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

山东省为沿海地区，地处北纬34°22.9′～38°24.0′、东经114°47.5′～122°42.3′，属温带季风气候，春秋较短、冬夏较长，四季分明，雨量集中。该区年降水量550～950 mm，平均降水量680 mm，年平均气温11～14 ℃[11]，气候条件适宜烟草植物生长。

1.2 土壤样本采集与分析

1.2.1 土壤样本采集 2018～2019 年在山东省潍坊、日照、临沂烟草主产区采集土壤样本227 份，其中潍坊市54 份、日照市45 份、临沂市128 份。在每个土壤采样点，均依据均匀性和代表性原则，按照“S”型五点取样法随机选择5 个点采集土壤，取样深度为0～20 cm，剔除落叶、根系等杂物后混合为1 个样本，采用四分法留存1 kg 左右作为该采样点的土壤样本，然后装入自封袋，并记录采样日期、地点等基本信息。土壤样本风干后研磨、过筛，备用待测。

1.2.2 土壤指标分析 土壤分析指标包括有机质含量，pH 值，碱解氮、有效磷、速效钾含量，交换性钙、交换性镁含量，以及微量元素有效铁、锌、硼含量。其中，有机质含量测定采用重铬酸钾容量法-外加热法；pH 值测定采用pH 计进行（水土比为2.5 ∶1）；碱解氮含量测定采用碱解扩散法；有效磷含量测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；速效钾含量测定采用乙酸铵浸提-火焰光度计法；交换性钙、镁含量测定采用乙酸铵浸提-原子吸收分光光度法；微量元素铁、锌、硼含量测定采用DTPA 浸提-原子吸收分光光度法[12，13]。

1.3 土壤养分状况评价

1.3.1 土壤养分评价指标体系构建 参照《中国植烟土壤及烟草养分综合管理》[14]和《全国第二次土壤普查暂行技术规程》[15]，确定植烟区土壤养分评价指标体系（表1）。

表1 植烟地区土壤养分评价指标体系Table 1 Soil nutrient evaluation index system in tobacco planting area

1.3.2 土壤肥力评价方法 土壤养分状况受土壤类型、母质、施肥量等多种因素的影响。土壤肥力是土壤众多养分因子综合作用的结果，土壤评价因子应尽可能选择与土壤肥力相关的因子[16]。

1.3.2.1 主成分分析。主成分分析方法是以最小数据集原理为基础，对所有综合指标进行降维，筛选出几个彼此不相关的因子，用以反映原来所有指标提供的大部分信息[17]。本研究中，采用主成分分析方法[18]对山东省植烟区土壤pH 值以及有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁、有效铁、有效锌和有效硼含量10 项养分因子进行降维，得出综合反映土壤肥力的指标特征值（λ），依据λ＞1 原则确定最终评价指标；并根据土壤养分综合得分公式IFI=θ1F1+θ2F2+……+θnFn（IFI 为土壤养分综合得分，θ 为各主成分贡献率，n 为主成分个数），计算各样点土壤的IFI。依据IFI 判断土壤综合肥力状况，IFI 越大，表示土壤肥力状况越好。

1.3.2.2 聚类分析。采用类平均法[19]对各样点的IFI 进行系统聚类分析，依据平方欧氏距离衡量样本间的差异，最终评价山东省典型植烟区土壤的养分状况。

1.4 数据处理与分析

使用Excel 2019 软件和SPSS 25.0 软件对数据进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 山东省典型植烟区土壤养分的丰缺状况

统计结果（表2） 显示，山东省植烟区土壤pH值为4.70～7.93，平均值5.41，74.07%的土壤样本呈酸性，pH 值适宜的土壤仅占14.82%；有机质含量为6.30～38.42 g/kg，平均值18.81 g/kg，37.04%的土壤样本有机质含量处于偏低水平，部分烟区土壤有机质较匮乏；碱解氮含量为64.19～264.59 mg/kg，平均值144.34 mg/kg，33.33%的土壤样本碱解氮含量处于偏低水平，部分烟区土壤氮素较匮乏；有效磷含量为1.80～46.35mg/kg，样本间差异较大，平均值24.13 mg/kg，66.66%的土壤样本有效磷含量较高，烟区土壤磷素供应充足；速效钾含量为50.49～431.27 mg/kg，平均值157.67 mg/kg，整体较缺乏，62.97%的土壤样本钾素含量处于偏低水平；交换性钙含量为334.11～4 365.12 mg/kg，平均值1 726.24 mg/kg，22.22%的土壤样本处于适宜水平，62.97%的土壤钙素含量丰富；交换性镁含量为63.50 ～645.94 mg/kg，平 均 值274.13 mg/kg，仅7.41%的土壤样本镁素处于缺乏状态；有效铁含量为6.46～15.21 mg/kg，平均值10.20 mg/kg，植烟区土壤无缺铁现象；有效锌含量为0.05～6.56 mg/kg，平均值1.79 mg/kg，37.04%的土壤样本有效锌含量处于偏低水平，其他土壤样本有效锌含量均处于适宜和偏高水平，植烟区土壤有效锌含量丰缺并存；有效硼含量为0.01～3.30 mg/kg，平均值0.90 mg/kg，55.57%的土壤样本有效硼含量处于缺乏状态。

表2 山东省植烟区土壤养分含量及其水平分布状况Table 2 Soil nutrient content and distribution in tobacco planting area of Shandong Province

2.2 山东省典型植烟区土壤养分的综合评价

2.2.1 相关性检验、KMO 和Bartlett 球形度检验 相关分析结果（表3）显示，山东省植烟区土壤pH 值与土壤有机质、碱解氮和交换性钙含量呈极显著正相关，与速效钾含量呈显著正相关；土壤有机质含量与碱解氮和速效钾含量呈极显著正相关；其他各养分因子之间存在不同程度的相关性。说明部分养分因子信息有重叠。

表3 山东省植烟区土壤各项养分指标的相关分析Table 3 Correlation analysis of soil nutrient indexes in tobacco planting area of Shandong Province

对土壤各项指标进行因子分析，得出KMO 值为0.632，Bartlett 球形度检验呈极显著相关（p＜0.01）。说明可采用主成分分析法对影响植烟区土壤肥力的主要因子进行进一步筛选。

2.2.2 植烟区土壤肥力的主成分分析 根据λ＞1 原则，共提取主成分4 个，方差累积贡献率为76.294%（表4），总体上可以反映土壤肥力的基本信息。依据因子载荷与成分得分系数矩阵（表5），判定山东省典型植烟区土壤养分影响因子的4 个主成分内容：第一主成分包括pH 值，以及有机质、碱解氮、速效钾和交换性钙含量；第二主成分包括交换性镁和有效锌含量；第三主成分为有效磷含量；第四主成分包括有效铁和有效硼含量。

表4 主成分特征值及累积贡献率Table 4 Principal component eigenvalues and cumulative contribution rate

表5 因子载荷与成分得分系数矩阵Table 5 Factor load and component score coefficient matrix

对植烟区土壤10 项养分因子进行数据标准化处理，依据成分得分系数矩阵得到各主成分的综合得分表达式：

F1=0.250ZX1+0.217ZX2+0.244ZX3+0.103ZX4+0.200ZX5+0.213ZX6+0.052ZX7-0.065ZX8-0.077ZX9-0.102ZX10

F2=0.088ZX1+0.022ZX2-0.046ZX3+0.093ZX4-0.109ZX5+0.193ZX6+0.458ZX7+0.254ZX8+0.440ZX9+0.172ZX10

F3=-0.166ZX1+0.297ZX2+0.234ZX3+0.539ZX4-0.068ZX5-0.272ZX6-0.313ZX7+0.261ZX8+0.128ZX9+0.200ZX10

F4=-0.011ZX1+0.013ZX2-0.039ZX3+0.135ZX4+0.011ZX5+0.092ZX6+0.045ZX7-0.635ZX8+0.021ZX9+0.697ZX10

根据IFI 公式，计算各土壤养分的综合得分。

2.2.3 植烟区土壤肥力的聚类分析 根据土壤IFI，将山东省典型植烟区土壤肥力水平划分为较高（I）、适宜（Ⅱ）和偏低（Ⅲ）3 个等级。其中，I 级土壤样本数56 个，Ⅱ级土壤样本数129 个，Ⅲ级土壤样本数42 个，分别占总样本数的24.67%、56.83%和18.50%。差异显著性检验结果（表6） 显示，I 级土壤的有机质含量、pH 值以及碱解氮、有效磷和交换性钙含量显著高于Ⅱ级和Ⅲ级土壤，各养分含量总体充足，整体肥力水平较高；Ⅱ级土壤的各养分含量整体处于适宜水平，土壤养分状况能够满足烟草植株的生长需求；Ⅲ级土壤的pH 值以及各项养分含量均低于总体平均值，土壤整体肥力水平较差。

表6 山东省植烟区不同肥力水平土壤的养分指标平均值Table 6 Average value of soil nutrient indexes of different grades in tobacco planting areas of Shandong Province

2.3 山东省不同植烟区土壤的肥力状况

土壤IFI 达到I 级和Ⅱ级水平的样本数占总样本数的81.50% （表7），表明山东省大多数烟区土壤养分状况适宜烟草生长，少数烟区土壤肥力水平偏低。由不同烟草主产区的各肥力等级土壤样本数占比可以看出，潍坊市烟区土壤综合肥力水平最高，I 级和Ⅱ级水平的土壤样本数占比高达87.03%；日照市烟区土壤肥力水平中等，I 级、Ⅱ级水平的土壤样本数分别占35.56%和46.67%，其中肥力较高（I 级）的土壤样本数占比略低于潍坊市；临沂市烟区I 级、Ⅱ级、Ⅲ级水平的土壤样本数分别占12.50%、66.41%和21.09%，I 级水平的土壤样本数占比较少。

表7 不同烟草种植区各肥力等级土壤的样本数占比Table 7 Sample number proportion of different fertility levels in different tobacco planting areas of Shandong Province （%）

3 结论与讨论

3.1 讨论

土壤是供给烟草生长所需养分和水分的基础，土壤肥力水平直接影响烟草的产量和质量，进而影响烟草的经济效益。明确土壤养分限制因子，对于山东省烟草行业健康发展具有重要意义。

3.1.1 pH 值以及有机质、碱解氮、速效钾、有效锌、交换性钙和交换性镁含量是影响山东省典型植烟区土壤肥力水平的主要因子（第一、二主成分因子），其影响累积贡献率达52.308% pH 值是评价土壤肥力的重要指标之一，适宜pH 值有利于烟草品质的提升[20]。研究表明，烟草生长的最适pH 值为5.5～6.5，土壤过酸或过碱均会导致烟草质量下降[21]。本研究结果显示，山东省74.07%的植烟区土壤pH 值偏低，不利于优质烤烟生产。造成土壤酸化的原因较多，烟草生产过程中偏施磷肥、大量施用氮肥，忽视有机肥、钙镁肥和微量元素肥料的施用是造成烟区土壤酸化的主要原因，可通过施用生石灰等碱性物质、增施碱性肥料等措施调节土壤酸碱度。有机质是土壤各种营养元素的重要来源，其含量直接影响烟草的生长发育及产品质量[22]。氮素是细胞内各种氨基酸、蛋白质等含氮化合物的重要组成部分，是影响烟草产量的重要营养元素[23]。赵瑞芬等[24]研究表明，土壤有机质含量与氮素含量呈极显著正相关（R=0.668）。山东省典型植烟区土壤有机质含量与碱解氮含量呈极显著正相关（R=0.680），本研究结果与赵瑞芬等[24]的观点一致，基本符合土壤有机质与碱解氮养分含量之间的关系。烟草为喜钾作物，钾素参与烟草的碳素代谢，提高土壤钾素含量水平能够显著增强烟草植株的抗逆性。本研究结果显示，山东省植烟区62.97%的土壤钾素处于偏低水平。施肥方式不合理是造成土壤钾素有效性改变及含量缺乏的直接原因，过量施用钾肥会造成多余的钾素被土体吸附固定或随水径流淋溶至土壤深层，在烟草种植过程中应注意合理补施钾肥。土壤有效锌对于烟草生长具有一定的影响，土壤缺锌会导致烟叶生长缓慢，植株矮小，叶片小。本研究中，山东省典型植烟区土壤有效锌含量丰缺并存，有37.04%的土壤有效锌养分较缺乏。烟区土壤交换性钙、镁养分含量充足，且彼此间不存在拮抗作用。胡蓉花等[25]研究表明，烟区土壤钾素缺乏易导致烤烟根系对镁离子吸收较多[25]。山东省典型植烟区土壤速效钾含量较缺乏，交换性镁含量充足，与胡蓉花等[25]的研究结果基本一致。

3.1.2 有效磷、有效铁和有效硼含量是影响山东省典型植烟区土壤肥力水平的次要因子（第三、四主成分因子），其影响累积贡献率达23.986% 土壤有效磷含量是反映土壤磷素供应的重要指标。谢瑞等[26]研究表明，烤烟的干物质累积量随施磷量的增大而增加，但磷含量过高会抑制烟草生长，降低烟叶质量，并与土壤其他阴离子产生拮抗作用。本研究结果显示，山东省66.67%的植烟区土壤有效磷含量较高，因此，在烟草生产过程中应适当降低磷肥施用量。微量元素是植物体内酶类、维生素等的重要组成部分，能够改善作物品质，提高抗逆性[27]。张锦韬等[28]研究表明，土壤酸性强是有效铁含量高的主要原因，有效铁缺乏情况主要发生在pH 值较高的石灰性土壤。本研究中，山东省多数植烟区土壤酸性较强，微量元素有效铁含量充足，与张锦韬等[28]的研究结果基本一致。烤烟是需硼较多的作物，增加土壤有效硼含量对促进烟草生长和品质提升具有一定作用，在一定范围内，烟叶烟碱含量与土壤硼含量呈正相关。硼养分丰富有利于组织内腺嘌呤转化为核酸，络氨酸转化为蛋白质，烟草缺硼会导致植株体内蛋白质合成受阻，同时加速蛋白质的分解。本研究中，山东省植烟区土壤有效硼养分缺乏严重，在生产过程中应注重补施硼肥。

3.1.3 采用主成分分析和系统聚类分析方法对典型植烟区土壤养分进行综合评价，研究结果能够较为全面地评价山东省植烟区土壤的肥力状况 目前用于土壤养分综合评价的方法较多，主要有主成分分析法[7]、相关分析及模糊数学法[8]、灰色关联度分析法[29]和生态适宜度分析法[30]等。本研究利用主成分分析和系统聚类分析方法，在复杂的土壤养分评价指标中筛选出几个能够有效反映全部指标多数信息的因子，能够较为全面地评价山东省典型植烟区土壤的肥力状况。但由于本研究选定的评价指标未包含土壤全量养分以及烟草植株产量、养分吸收量等重要指标，因此研究结果具有一定的局限性。为更加客观地评价山东省典型植烟区土壤养分的状况水平，今后需进一步构建更为全面的植烟区土壤养分评价体系，综合评价多种相关指标。

3.2 结论

采用主成分分析和系统聚类分析方法，依据土壤养分综合得分（IFI）判断山东省典型植烟区土壤肥力水平。山东省典型植烟区土壤综合肥力整体适宜烟草生长，潍坊市烟草种植区土壤肥力水平最高，其次是日照市。针对典型植烟区土壤养分状况，应注重烟区土壤科学管理和肥料合理施用，增施有机肥，配施无机肥，补施钾肥，提高土壤pH 值和有机质含量，同时补充硼、锌等微量元素养分。