基于主成分分析的不同輪作施肥模式下赤紅壤肥力質量變化

張立成，李娟，李志輝，趙思毅，章明清

（1.福建省農業科學院土壤肥料研究所，福建 福州 350013；2.永春縣農業農村局，福建 永春 362600）

我國南方地區氣候溫暖，一年可種植多季作物，實施輪作耕種能夠有效提高土地復種指數，增加農作物產出。輪作耕種主要有水旱輪作和旱地輪作兩種方式。前人研究發現水旱輪作后土壤磷鉀的礦化分解作用增強，有利于提升土壤磷鉀素的有效態轉化率［1-3］。旱地作物之間輪作對土壤氮素養分循環具有調節作用：秦舒浩等［4］的研究表明豆科作物與馬鈴薯輪作可以提高土壤有效氮含量，豆科作物的根系固氮對土壤中的氮循環具有改善作用。輪作還可以利用作物對不同營養元素吸收強度的差異特性，協調土壤養分的供應平衡，減少營養元素不均衡造成土壤肥力下降［5］。

國內外長期定位試驗表明，均衡施肥或有機無機肥配施是維持作物高產、穩產的有效措施，而肥料不合理施用，不僅會對農作物的產量和品質產生影響，還會使耕地質量下降，造成資源浪費和對環境產生污染等［6-8］。農業的可持續發展依賴于土壤肥力質量的持續穩定性，而客觀地評價土壤肥力質量變化是準確了解土壤屬性、充分利用土地資源的保障［9］。對于土壤肥力質量變化的評價，目前主要有專家打分法、Fuzzy綜合評判法、最小數據集法、主成分分析法等［10］。其中除專家打分法存在主觀評價外，其他方法是采用數理統計分析理論對土壤肥力質量做出評價，評價結果能夠比較客觀、準確地篩選出土壤屬性的變異特征［11］

輪作和施肥對土壤肥力質量的影響已有相關報道，但大多數是通過對定位試驗點短期輪作試驗結果進行研究，關于長期輪作施肥的定位試驗對土壤肥力質量變化的影響鮮有相關報道。本試驗以閩南赤紅壤區長期輪作定位試驗點的菜田土壤為研究對象，應用主成分分析法對長期輪作不同施肥方式下土壤肥力質量的變化作出定量評價，以期為合理輪作施肥、維持土壤肥力質量穩定和地力可持續發展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

長期輪作定位試驗點位于福建省永春縣五里街鎮埔頭村（118°10′E，25°12′N）。該區屬于亞熱帶季風氣候區，年均溫度20.4℃，年降雨量1 600～2 200 mm。試驗地為南方地區典型赤紅壤。

1.2 試驗設計

本試驗采取四季豆-芥菜-水稻（或休閑、或豇豆）的輪作制度，設5個處理（表1），隨機區組排列，重復3次。小區長5 m，寬2.8 m，面積為14 m2。小區之間用水泥田埂隔開，每小區田埂上設有一個進出水口與水溝相連。試驗區周圍設置1 m寬以上的保護行，其他栽培管理措施與大田生產保持一致。于2013年10月份開始種植第一季作物四季豆，至第三季作物結束時為第一個輪作周期，編號為R1，按同樣方式進行第二至第五個輪作周期分別編號為R2至R5。

試驗采用推薦施肥和習慣施肥兩種方式，不施有機肥，氮肥用尿素（N 46%），磷肥用過磷酸鈣（P2O512%），鉀肥用氯化鉀（K2O 60%）。兩種方式的施肥量如表1所示。基肥施用方法：每季作物所用過磷酸鈣全部基施，氮鉀肥則分為基施和追施，基施氮鉀肥各占總量40%；追肥施用方法：秋季四季豆和夏季豇豆追肥分2次，每次氮鉀肥各占總量30%；冬季芥菜追肥則分3次，每次氮鉀肥各占總量20%；輪作早稻追肥分2次，即分蘗肥氮肥占50%，穗肥氮肥占10%、鉀肥占60%。

表1 長期輪作定位試驗作物的施肥方式及施肥量

1.3 土樣采集及測定

試驗開始前采集試驗地耕層基礎土樣4 kg，用于測定土壤的初始理化性狀。每季作物收獲時采集土壤樣品，按S形采樣法在每小區選5個點進行采集，樣品混勻裝袋并標記采樣小區編號。參照鮑士旦的方法［12］測定土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀理化指標。

1.4 數據處理

試驗數據用Microsoft Excel 2016軟件整理，采用Matlab 2015b軟件進行主成分分析及作圖。

2 結果與分析

2.1 不同輪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年測得的每個輪作周期內不同處理組的土壤養分含量如表2所示。由于土壤基礎肥力中各指標具有不同的量綱和數量級，在進行土壤主成分分析時需對原始數據進行標準化變換。土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀經標準化變換后對應表2中X1、X2、X3、X4數據結果。

表2 R1～R5輪作周期內不同處理土壤養分含量標準化

對土壤養分值經標準化變換后進行主成分分析，得到R1～R5輪作周期內第一主成分特征值λ1，分別為2.459、2.675、3.215、2.847、2.472，第二主成分特征值λ2分別為0.989、0.959、0.505、0.887、1.038。R1～R5輪作周期第一主成分和第二主成分的特征值累積貢獻率分別是86.22%、90.84%、93.12%、93.36%、87.71%（表3）。前兩個主成分的特征值累積貢獻率均超過85.00%，所以前兩個主成分是可以反映土壤基礎肥力的指標。

表3 R1～R5輪作周期內影響土壤肥力質量的主成分分析

2.1.2 土壤肥力主成分線性擬合 土壤肥力主成分分析是原數據經降維處理后，用能夠反映原數據信息的主成分進行表達，每一個主成分的特征值對應一個特征向量。特征向量即各指標在主成分中的權重系數（表2）。5年輪作周期內主成分與各土壤肥力指標的線性關系如表4所示。根據主成分的權重系數比較，第一主成分堿解氮（X2）和第二主成分速效磷（X3）兩個土壤肥力指標有較大的向量值。不同輪作施肥處理主要是對土壤肥力指標中的堿解氮和速效鉀含量產生影響。

表4 R1～R5輪作周期內土壤肥力指標的線性擬合

2.2 不同輪作施肥模式土壤肥力主成分得分分析

圖1為連續5年輪作定位施肥試驗處理土壤肥力的主成分得分圖，以第一主成分和第二主成分構建橫軸和縱軸，其得分情況反映了不同處理的土壤肥力在主成分軸上的分布特征。可以看出，菜-菜-稻輪作和菜-菜-菜輪作施肥處理：5年輪作施肥相同處理組土壤肥力在不同年份的主成分得分結果中分布距離相近；菜-菜-休閑處理：5年輪作施肥處理不同年份的主成分得分結果中分布距離較遠。推薦施肥方式下的菜-菜-稻輪作，主成分得分分布在第一主成分軸和第二主成分軸的負軸方向上。習慣施肥方式下的菜-菜-稻輪作，主成分得分分布在第一主成分軸的負軸方向上，第二主成分軸的正軸方向上。推薦施肥方式下的菜-菜-菜輪作，主成分得分分布在第一主成分軸和第二主成分軸的負軸方向上。習慣施肥方式下的菜-菜-菜輪作，主成分得分分布在第一主成分軸和第二主成分軸的正軸方向上。主成分分析結果中相同的輪作施肥處理得分分布相近，表明土壤肥力隨輪作年限的延長呈現穩定變化趨勢。

圖1 不同輪作施肥處理土壤肥力主成分得分

2.3 土壤肥力綜合得分分析

土壤肥力的綜合得分是通過對各個指標經主成分計算后，對第一主成分和第二主成分得分與其對應的貢獻率之乘積總和。綜合得分可作為土壤肥力質量特征的評價方式，分值高，土壤肥力質量較好，反之則較差。由圖2可知，推薦施肥方式下的菜-菜-稻輪作（T1）和菜-菜-菜輪作（T2）處理土壤肥力的綜合得分值連續5年均高于其他處理組，推薦施肥方式下菜-菜-休閑（T3）處理土壤綜合肥力在前3年的輪作周期內得分值較高，此后開始下降，且波動性較大。習慣施肥方式下菜-菜-稻輪作（T4）和菜-菜-菜輪作（T5）土壤綜合肥力得分均較低。經過主成分綜合得分比較，推薦施肥方式有利于菜-稻輪作和菜-菜輪作土壤的培肥作用。連續5年的輪作定位施肥試驗各處理組土壤綜合得分排名：T1＞T2＞T3＞T5＞T4。

圖2 5年輪作周期內不同處理土壤肥力主成分綜合得分

2.4 不同輪作施肥模式土壤肥力主成分聚類分析

依據不同輪作施肥處理的主成分得分作為評價土壤肥力質量的指標，然后采用最短距離法對不同輪作施肥處理土壤肥力進行系統聚類，結果見圖3。可以看出，5個不同輪作施肥處理土壤肥力經聚類后分成三類，分別對應三種肥力水平。第一個輪作周期內T1處理與T4處理的土壤肥力聚為第一類，土壤肥力較好；T3處理與T2處理的土壤肥力聚為第二類，土壤肥力中等；T5處理的土壤肥力單獨聚為第三類，肥力較差。第二個輪作周期內T1和T4處理聚為第一類，T2和T5處理聚為第二類，T3處理聚為第三類。第三個輪作周期內T1和T2處理聚為第一類，T3處理獨立聚為第二類，T4和T5處理聚為第三類。第四個輪作周期內T1和T2處理聚為第一類，T3處理獨立聚為第二類，T4和T5處理聚為第三類。第五個輪作周期內T1和T2處理聚為第一類，T3和T4處理聚為第二類，T5處理聚為第三類。聚類分析結果表明，前兩個輪作周期內菜-菜-稻輪作土壤肥力較好，從第三個輪作周期開始為采用推薦施肥方式下菜-菜-稻輪作和菜-菜-菜輪作土壤肥力較好；連續5年輪作施肥試驗中菜-菜-休閑并結合推薦施肥處理土壤肥力質量表現為中等水平；整體上看習慣施肥方式下的菜-菜-稻輪作和菜-菜-菜輪作土壤肥力表現出較差水平。

圖3 5年輪作周期內不同處理土壤肥力聚類分析

3 討論與結論

土壤輪作種植制度有利于提高土壤中的養分平衡供給，維持土壤生產力，對農業生產可持續發展具有較好的促進作用。蔡艷等［13］的研究表明黃土地區麥類作物與其他作物輪作后，有助于改善土壤質量和提高養分吸收。旱地種植蔬菜對養分需求量大，蔬菜輪作后土壤養分收支不平衡，養分轉出量增加，因此，需要通過施肥維持土壤生產力穩定。Celik等［14］指出當土壤質地、種植制度和氣候環境條件相一致的情況下，長期不同施肥方式是影響土壤理化性質的關鍵因素。本研究通過長期定位試驗采用推薦施肥和習慣施肥兩種施肥方式，研究三種輪作方式（四季豆、芥菜和水稻輪作；四季豆、芥菜、豇豆輪作；四季豆和芥菜輪作后休閑）下土壤肥力質量的變化情況。經過5年輪作周期的定位試驗，通過測定每年各處理土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀含量指標并進行土壤肥力質量變化評價，再經主成分分析得出的不同輪作施肥方式之間的土壤肥力差異性主要表現在土壤堿解氮含量和速效磷含量方面。

土壤肥力質量是衡量土壤提供作物生長所需各種養分的能力，受物理、化學、生物多類因素的影響［15］。土壤中的堿解氮、速效磷、速效鉀為作物提供生長所需的大量養分元素，對作物生長產生直接影響，是構成土壤化學肥力的主要部分。土壤有機質間接地為植物生長提供多種營養元素，同時有機質還可改善土壤理化性質，對促進土壤結構形成具有至關重要作用［16，17］。因此，本研究主要采用土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質含量進行土壤肥力質量分析評價。由于土壤肥力質量并不能通過單一養分指標體現出，需要對多養分指標進行綜合定量分析才能作為土壤肥力質量的評價方式。研究土壤肥力的綜合性評價指標常采用模糊數學分析和多元統計分析方法［18，19］。主成分分析是多元統計分析方法當中的一種，它是通過降維的方式將多元指標體系通過線性轉換后的幾個主要成分進行分析。主成分分析的綜合評價指標對土壤肥力的影響大且穩定性高，評價準確度高，可有效揭示土壤的肥力質量［20］。張曉等［21］應用主成分分析對大興安嶺蒙古櫟低質林的土壤肥力評價后得出改造后土壤綜合評分較高。本研究通過主成分綜合評價得出，采用推薦施肥模式下的菜-菜-稻輪作土壤肥力質量較好。