基于主成分和聚類分析的永泰縣土壤養分地球化學綜合評價

江曉龍

(福建省煤田地質勘查院，福建福州 350000)

1 材料與方法

1.1 研究區概況永泰縣隸屬福州市管轄，地理位置為118°07′08″～119°12′30″E、25°39′00″～26°04′21″N，土地面積共2 229.86 km2。全縣常年平均氣溫14.6～26.0 ℃，年無霜期近300 d，日照時數1 445～2 193 h，年降水量1 400～2 000 mm。憑借其得天獨厚的自然環境，孕育出芙蓉李、綠茶、白云檳榔芋等一系列名特優農產品，獲得國家地理標志證明商標、農產品地理標志產品等。

成土母質以沉積巖、中酸性侵入巖、火山巖為主，在多種因素的綜合作用下，形成了諸多土壤類型。根據第二次土壤普查工作，查明縣域地表土壤有8個土類，17個亞類，包括紅壤、黃壤、黃棕壤、草甸土、紫色土、石灰(巖)土、潮土、水稻土。

1.2 評價方法

1.2.1土壤樣品采集。以《福建省農業地質調查評價工作手冊》[12]為依據，對永泰縣域內耕地現狀圖斑進行評價單元劃分，在評價單元中面積較大的地塊內通過GPS定位采集土壤樣品，根據評價單元面積大小采集3～5個子樣品，再以等量混合的形式組合成1件樣品，共采集耕層土壤1 955件。經室內風干、過篩后按四分法縮分留樣備用。

1.2.2樣品測試與方法。樣品的檢測根據《土地質量地球化學評價規范》(DZ/T 0295—2016)、《福建省農業地質調查評價工作手冊》等相關規范規程由福建省121地質大隊化驗測試中心完成。土壤氮測定采用凱氏定氮法；土壤磷、鉀測定采用X-熒光光譜法(XRF)；有機質測定采用化學容量法(VOL)，堿解氮測定采用堿解-擴散法；速效磷測定采用氟化銨-鹽酸提取(碳酸氫鈉溶液浸提)-鉬銻抗比色法；速效鉀測定采用乙酸銨提取-等離子體發射光譜法。

1.3 數據處理利用SPSS統計軟件對樣品測試結果進行統計學分析，在標準化處理后構建相關系數矩陣并進行KMO、Bartlett球形度檢驗，以判斷進行因子分析的可行性。累計貢獻率大于80%作為選擇主成分的前提條件，隨后建立主成分的因子荷載矩陣，通過換算得出主成分得分系數，以計算主成分分值，進一步通過綜合得分公式求取各評價單元土壤養分綜合得分值(F)，隨即根據綜合得分值對土壤樣品進行K-均值聚類統計分析，評價工作區內土壤養分地球化學綜合等級。

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主成分得分計算公式[7]：

(1)

式中，Fni代表第n個采樣點第i項主成分的得分；αij代表第i項主成分第j項原始指標的載荷；Znj代表第n個采樣點第j項原始指標的標準化數據。

綜合得分計算公式[13]：

(2)

式中，F表示綜合得分，γi表示第i項主成分貢獻率。

2 結果與分析

2.1 土壤養分指標一般性描述根據參數統計結果(表1)可見，工作區內土壤養分含量分布不均勻，從偏度、峰度可看出，養分含量的分布形態多呈高尖峰右偏態分布，即養分含量總體處于相對低值區，但存在少量的異常值，其中有效磷變化幅度最大，極差達1 018.47 mg/kg。從樣品變異系數可看出，有機質、堿解氮、全氮、全鉀變異系數為34%～39%，屬于中等變異；有效磷、速效鉀、全磷變異系數不小于69%，呈高變異性，異常高值的存在一方面可能是受人為活動影響，另一方面可能與成土母質不同有關。pH中位數為5.02，眾數為4.79，均值5.04，變異系數僅為8%，屬于弱變異，表明工作區內土壤酸堿度差異性較小，區內土壤總體呈酸性。

表1 土壤養分指標描述統計Table 1 The descriptive statistics of nutrients content index

2.2 土壤養分指標等級根據全國第二次土壤普查養分分級標準，從表2可以看出，有機質含量3等(中等)以上評價單元比例達64.50%；約68.29%的評價單元內堿解氮含量水平在3等(中等)以上；全氮含量3等(中等)以上比例為63.68%；有效磷含量在33.50%的評價單元中超過了40 mg/kg，表現為1等(豐富)；全磷含量水平較低，72.08%的評價單元全磷等級在4等(較缺乏)以下；速效鉀、全鉀等級較低，以4等(較缺乏)為主。

表2 土壤養分含量等級分布比例Table 2 Distribution proportion of soil nutrient content grades

工作區內土壤具有較高的氮肥力，速效鉀、全鉀、全磷含量較低，說明工作區內土壤鉀、磷的缺乏，但較高的有效磷含量表明土壤中水溶性磷、部分吸附態磷及有機態磷等可被植物吸收的磷組分含量較多。土壤pH總體偏低，呈酸性，過酸的土壤會影響土壤和肥料中養分的溶解、沉淀和微生物的活動，進而影響養分的有效率，從而影響作物正常生長，并極易導致病蟲害發生，應適時進行酸土改良。

2.3 土壤養分綜合評價

2.3.1相關系數矩陣及統計學檢驗。各評價指標間存在相關性是進行因子分析的前提，利用SPSS軟件對各指標進行標準化處理并構建相關系數矩陣(表3)。由表3可見，各因子間均存在不同程度的相關性，表明各因子對土壤養分的作用效果存在著重疊關系且可相互影響，其中有機質與全氮的相關系數為0.918，相關性最高，其次是堿解氮與全氮以及有機質與堿解氮間的相關性。

對各因子相關性進行KMO和Bartlett檢驗，結果顯示，KMO值為0.74，表明各因子有較強的相關性，相關矩陣可行，適合進行因子分析[14]；Bartlett值(P)為0.00，進一步說明各因子間存在顯著的相關性，即各因子間存在著可信度較高的線性相關，可進行因子分析[14]。

表3 相關系數矩陣Table 3 Correlation matrix

2.3.2主成分分析。以累計貢獻率大于80%為提取條件，可提取3個主成分，貢獻率分別為45.966%、22.540%、13.204%，累計貢獻率達81.710%(表4)，說明3個主成分可體現土壤養分7個因子中81.710%的信息。

表4 主成分貢獻率Table 4 The contribution rate of principal component

進一步通過因子荷載系數判斷各因子在不同主成分上的權重比例[15]，由表5可見，主成分1可有效反映有機質、堿解氮、全氮和全磷的權重影響，主成分2可反映有效磷的權重影響，主成分3反映速效鉀、全鉀的權重影響。

根據公式(1)與表5得出各主成分得分方程分別為：

Fn1=0.51Zn1+0.51Zn2+0.19Zn3+0.05Zn4+0.52Zn5+0.36Zn6-0.19Zn7

(3)

Fn2=-0.20Zn1-0.12Zn2+0.62Zn3+0.47Zn4-0.15Zn5+0.46Zn6+0.33Zn7

(4)

Fn3=0.16Zn1+0.20Zn2-0.41Zn3+0.56Zn4+0.15Zn5-0.27Zn6+0.59Zn7

(5)

結合公式(2)及表5得出主成分綜合得分方程為：

F=0.459 7Fn1+0.225 4Fn2+0.132 0Fn3

(6)

綜合得分越高則表明土壤養分的綜合程度越好，土壤越肥沃，反之則表示土壤相對貧瘠[7]。對各采樣點綜合得分進行描述性統計，結果發現，工作區內土壤養分綜合得分在-2.08～4.10，均值為0，標準差為0.88，不同評價單元土壤綜合養分等級差異較大；偏度為0.891，峰度為1.065，呈低尖峰右偏態分布，表明工作區內土壤肥力離群值較少，總體肥力較低，需完善配方肥料供應體系，根據實際需求測土配方施肥，提高施肥效率，以改善土壤肥力。

表5 因子荷載與得分系數Table 5 Factor load and score coefficient

2.3.3聚類分析。采用K-均值聚類將土壤養分綜合得分分為5類，最終聚類中心見表6。第1聚類小組占比最高(30.69%)，土壤養分綜合得分均值為-0.35，屬于土壤肥力較缺乏區；第2小組(肥力中等區)占比25.47%；肥力較富集以上區域累計占比僅為19.85%；工作區內土壤綜合養分狀況較差，較缺乏、缺乏占比達54.68%，進一步表明工作區內土壤肥力的不足。

表6 綜合得分分類Table 6 Classification of comprehensive scores

3 討論

該研究以統計學為基礎，通過主成分分析、聚類分析對土壤地球化學綜合養分進行評價，結果顯示，永泰縣有機質含量水平主要為3等，土壤普遍富氮缺磷、鉀。通常土壤中可被植物吸收的氮、磷、鉀多以堿解氮、有效磷、速效鉀的形式出現，但縣域內土壤普遍呈現出速效鉀缺乏、有效磷較富集的現象，堿解氮水平則以中等為主。pH平均值為5.04，變異系數小，表明區內土壤總體呈酸性，且不同土壤類型、成土母質下的差異性較小，推測區內土壤酸化應與農業生產活動有關，如過磷酸鈣等酸性肥料的使用。主成分分析顯示，提取3個主成分可呈現出土壤綜合養分81.710%的信息，能取得較好的分析效果。從土壤養分地球化學綜合等級來看，永泰縣內土壤綜合得分普遍不高，應加強土壤及耕作方式的科學化管理，加強人為的正向干預，改良土壤肥力及質量。

運用統計學方法雖可最大程度地減少人為主觀因素對評價結果的影響，但土壤是一個開放的載體，綜合養分不僅由地球化學元素決定，土壤的類型、耕作方式、生態環境變化等因素時時刻刻都在影響著土壤的狀態。此次研究僅從地球化學角度出發，選取土壤養分大量元素作為評價指標較為有限，如何對土壤養分進行更加全面的、多角度、多維度的科學評價仍需進一步探討。

4 結論

(1)工作區土壤養分元素含量分布不均勻，變異性高，總體具有較高的氮肥力，但普遍缺鉀缺磷。pH總體較低，酸性土占比99.65%，土壤總體酸性較強，變異性低。

(2)土壤養分地球化學綜合得分在-2.08～4.10，均值為0，標準差0.88，呈低尖峰右偏態分布，表明工作區內土壤綜合養分普遍偏低，僅有少部分區域具有較好的土壤養分。

(3)通過K-均值聚類分析，工作區內有30.69%的評價單元土壤綜合養分較缺乏，23.99%的評價單元綜合養分呈缺乏狀態，養分不足區域占總評價單元的54.68%，進一步說明工作區內土壤肥力的不足。

(4)建議根據土壤養分分布情況，針對性地測土配肥，在生產過程中應注重培肥地力及土壤的酸性改良，建立科學的施肥、耕作方案。