基于主成分分析评价四川省泸县土壤肥力

2023-04-15徐开坤姚旭松

湖北畜牧兽医 2023年3期

徐开坤，朱双，郑琴，姚旭松

（1.泸县农业农村局，四川泸州 646100；2.四川省科源工程技术测试中心，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，成都 610073）

泸县是四川省泸州市下辖县，位于四川盆地南部，年平均气温18.1 ℃，极端最高气温38.2 ℃，极端最低气温0.7 ℃。全年降水1 179.4 mm。全年日照950.3 h。境内地貌有低山深丘、中丘中窄谷、浅丘宽谷、河谷阶地4 种形态，分别占总面积的7%、27%、60.5%和5.5%。地势东北高、西南低，泸县辖区内土壤类型有水稻土、潮土、紫色土、黄壤4 个土壤类型［1］。其中水稻土占耕地面积的83%，是四川省农产品主产区，全县农用地125 735.29 hm2，占总土地面积的82.07%，未利用地9 365.25 hm2。全县土地利用结构不合理，生产力水平较低下，经济效益不高，且耕地质量较差，高产田块仅占22.2%，中低产田块占比77.8%。为了响应国家高标准农田建设，本研究通过广泛调研采集泸县种植区农田土壤样品，对其主要养分指标进行测定，并综合评价土壤肥力状况，为该区域土壤改良及精准施肥提供参考［2］。

1 材料与方法

1.1 土样采集与处理

试验于2018 年9 月在沪县开展，调研区域包括石桥镇、玄滩镇、云锦镇、潮河镇等19 个主要农业种植乡镇，区域内农田均属四川盆地农林区。调研取样点如表1 所示。

表1 泸县农田土壤采样点位信息

每个点位采集5 份土壤样品，共计95 份。采样时利用GPS 定位，每个调研地块采集0～20 cm 土层的土壤样品，避开施肥位置按照“S”型路线随机选择5 点取样，样品混合后，采用四分法取1 kg 左右的样品代表该地块土壤［3］。所有样品贴好标签，带回实验室。土样置于阴凉通风的样品室风干，去掉植物根系、小矿石等杂质，用橡胶锤粉碎后过2 mm 筛、瓷研钵磨碎后过0.15 mm 筛，分别用于不同土壤指标测定。

1.2 测定项目与方法

土壤pH（土水质量比1.0∶2.5）采用电位计法测定；有机质含量采用重铬酸钾容量法（外加热法）测定；全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；有效磷含量采用氟化铵-盐酸浸提，紫外分光光度法测定；速效钾含量测定采用乙酸铵提取，火焰光度法测定；缓效钾含量测定采用硝酸煮沸法，火焰光度法测定。

1.3 数据处理

数据经Excel 整理后利用SPSS 26.0 软件比较不同采样点的水质情况，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。对原始数据进行标准化处理，消除不同指标间量纲和数量级的影响。③确定主成分个数和表达式［4］。④土壤肥力评价。计算主成分分值，综合得分越高，表明土壤肥力越差。通过origin 软件进行Pearson 相关性分析。

1.4 土壤养分等级分析

土壤pH、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾分级参考土壤养分分级标准［5，6］，详见表2、表3。

表2 土壤pH 分级标准

表3 土壤养分分级标准

2 结果与分析

2.1 土壤养分等级分析

采用“1.2”测定方法对19 个乡镇的土壤样品容重、pH、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾和缓效钾进行测定，结果见表4。

表4 泸县19 个乡镇农田土壤指标测定结果

19 个乡镇中牛滩镇、太伏镇土样pH 最高，为7.6；石桥镇pH 最低，为4.4。

采用统计学方法研究土壤样本的属性特性，从而评价整个区域的土壤肥力状况，对土壤属性进行统计，土壤各指标隶属度值统计结果见表5、表6。

表6 土壤属性统计

泸县19 个乡镇中84.2%土壤有机质含量处于四级（中上）及以上水平，石桥镇的有机质含量最高，为26.2 g/kg；百和镇的有机质含量最低，为2.1 g/kg；泸县19 个乡镇中68.4%全氮处于三级（中下）及以下水平，潮河镇的全氮含量最高，为1.53 g/kg，云锦镇的全氮含量最低，为0.82 g/kg；泸县19 个乡镇中碱解氮含量达到四级（中上）及以上水平，而有效磷仅42.2%达到四级及以上水平；63.1%的乡镇土壤速效钾含量处于三级（中下）及以下水平。

土壤酸碱性是土壤理化性状的基础，对土壤肥力、养分循环、微生物活性以及甘蔗的生长发育均有明显影响［7，8］，土壤过酸会导致土壤阳离子交换量和盐基饱和度降低、土壤矿物质营养元素缺乏等现象，从而影响农作物的产量及品质［9］。导致土壤呈酸性的原因很多，而土壤自然酸化的过程比较缓慢，人为活动的增加是造成土壤酸化程度加剧的主要因素。可以通过使用改良剂改善土壤理化性质，并促进农作物的生长［10］。

2.2 土壤各指标的相关性分析

土壤中的各指标并不单独存在，在一定程度上存在关系［11］。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［12］。临界相关系数见表7。

表7 Pearson 相关系数临界值

土壤肥力指标相关性分析结果见图1。由图1可知，泸县农田土壤有机质与碱解氮（r= 0.63**）、缓效钾（r=0.60**）含量呈显著强相关；缓效钾与速效钾（r=0.66**）含量呈显著强相关，碱解氮与速效钾（r=0.05*）呈中等强度相关，这说明碳、氮、磷元素可能来源比较统一，结合当地农户种植习惯，认为可能受施肥影响［13］。

2.3 土壤肥力等级分析

通过主成分分析法比较不同采样点的肥力等级［14，15］，主成分方差及方差累计贡献率见表8。由表8 可知，特征值大于1 的只有3 个成分，累计方差占比为79.749%，基本满足主成分个数确定要求，3个主成分能够反映全部数据的大部分信息。成分矩阵见表9。将成分矩阵除以对应的主成分特征值的平方根得到其对应的系数，再将所得系数矩阵与标准化处理后的数据相乘得到各主成分的评价函数及综合评价函数Y。