基于主成分分析的酒泉市農(nóng)田土壤肥力評(píng)價(jià)

摘要：為評(píng)估酒泉市農(nóng)田土壤肥力狀況，以期為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。以酒泉市5縣（市、區(qū)）農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀和pH 6項(xiàng)肥力指標(biāo)，采用主成分分析法對(duì)其土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，酒泉市農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)和氮素普遍偏低，磷素豐富，鉀素中等，pH偏堿性，農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間分布存在一定的不均勻性，但變化不大。主成分分析表明，引起酒泉市農(nóng)田土壤肥力變化的主要因子為有機(jī)質(zhì)，酒泉市農(nóng)田土壤綜合肥力從高到低依次為肅州區(qū)、瓜州縣、敦煌市、玉門市、金塔縣。綜上，酒泉市的土壤肥力總體水平良好，建議遵守補(bǔ)充有機(jī)肥和氮肥、減施磷肥及穩(wěn)施鉀肥的原則。

關(guān)鍵詞：主成分分析；土壤肥力；農(nóng)田；酒泉市

中圖分類號(hào)：S158.2" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2023）03-0021-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.03.004 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Evaluation of farmland soil fertility in Jiuquan City based on principal component analysis

DENG Xi-ming1， LYU Duo1， WU Xiao-ting1， FENG Tao1， ZHANG Mei-zhen1， ZHU Jian-qiang2

（1. Jiuquan Academy of Agricultural Sciences，Jiuquan" 735000，Gansu， China； 2. Agricultural Technology Extension Service Center of Jiuquan，Jiuquan" 735207，Gansu，China）

Abstract： To evaluate the farmland soil fertility status in Jiuquan City and provide data support for the sustainable development of agriculture. Taking the farmland soil of five counties （cities， districts） in Jiuquan City was taken as the research object， six fertility indexes of soil organic matter， total nitrogen， alkali-hydrolyzable nitrogen， available phosphorus， available potassium and pH were determined， and the soil fertility was comprehensively evaluated by principal component analysis. The results showed that the organic matter and nitrogen of farmland soil in Jiuquan City were generally low， the phosphorus was rich， the potassium was medium， and the pH was alkaline. The spatial distribution of farmland soil nutrients was uneven， but the change was not significant. The principal component analysis showed that the main factor causing the change of farmland soil fertility in Jiuquan City was the organic matter， and the comprehensive fertility of farmland soil in Jiuquan City from high to low was Suzhou District， Guazhou County， Dunhuang City， Yumen City， and Jinta County. To sum up， the overall level of soil fertility in Jiuquan City was good. It was recommended to follow the principles of supplementing organic fertilizer and nitrogen fertilizer， reducing phosphorus fertilizer and stabilizing potassium fertilizer.

Key words： principal component analysis； soil fertility； farmland； Jiuquan City

土壤肥力是土壤能適時(shí)供給并協(xié)調(diào)植物生長所需的空氣、溫度、養(yǎng)分和無毒害物質(zhì)的能力，可為植物生長提供必需的養(yǎng)分，其含量的高低直接影響糧食生產(chǎn)［1，2］。由于自然和人為因素的影響，不同類型土壤中養(yǎng)分的含量有較大的差異［3］。土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法較多，如關(guān)聯(lián)度法［4］、聚類分析［5］、指數(shù)和法［6］、地統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)價(jià)法［7］、主成分分析法［8］、模糊綜合評(píng)價(jià)法［9］等。其中，主成分分析法（Principle component analysis，PCA）能夠客觀反映土壤肥力狀況，是土壤肥力定量評(píng)價(jià)中應(yīng)用較廣泛的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法［10，11］。土壤肥力綜合指數(shù)（Integrated fertility index，IFI）可以全面反映土壤肥力的狀況，其大小表示土壤肥力的等級(jí)［12］。目前，中國關(guān)于農(nóng)田土壤肥力評(píng)價(jià)的研究較多，且多集中在不同區(qū)域、不同植物以及采用不同的土壤肥力評(píng)價(jià)方法，高樹財(cái)［13］分析了酒泉市肅州區(qū)土壤養(yǎng)分狀況，并根據(jù)該地區(qū)土壤養(yǎng)分現(xiàn)狀提出快速培肥的措施。黃濤等［14］研究了甘肅省河西綠洲灌區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間分布現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)近年來酒泉市土壤有機(jī)質(zhì)含量有明顯下降的趨勢(shì)。但利用主成分分析法評(píng)價(jià)甘肅省酒泉市土壤肥力的研究較少。因此，本研究選取2020年酒泉市5縣（市、區(qū)）的土壤樣品，測(cè)定6種土壤養(yǎng)分指標(biāo)，并用主成分分析法綜合評(píng)價(jià)各地土壤肥力狀況，為其土壤可持續(xù)利用及合理施肥提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

酒泉市位于中國西北地區(qū)、甘肅省西北部、河西走廊西端（92°20′—100°20′E，38°09′—42°48′N），總面積19.2萬km2，占甘肅省面積的42%?，F(xiàn)轄1個(gè)區(qū)、2個(gè)縣級(jí)市、4個(gè)縣。海拔1 100～1 500 m，屬大陸性干旱氣候，氣候干燥，日光充足，年均氣溫3.9～9.3 ℃，年均降水量84 mm，年均蒸發(fā)量2 000～4 000 mm，年均日照時(shí)數(shù)3 033～3 317 h，年無霜期118～159 d［15］。主要種植小麥、玉米和棉花等農(nóng)作物。

1.2 方法

1.2.1 土壤樣品布設(shè)與采集 以2020年酒泉市敦煌市、玉門市、瓜州縣、金塔縣和肅州區(qū)5個(gè)縣（市、區(qū)）高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目區(qū)為采樣區(qū)域，按照每333 hm2布設(shè)不少于1個(gè)樣點(diǎn)，以具有較強(qiáng)代表性和可持續(xù)性的原則布設(shè)樣點(diǎn)，共布設(shè)樣點(diǎn)46個(gè)。采用“S”型5點(diǎn)采樣法采集0～20 cm表層土樣，并用GPS定位，四分法留取約1 kg土樣，先將土樣風(fēng)干去除雜質(zhì)，再用研缽磨細(xì)，并分別過1、0.25、0.1 mm尼龍篩，裝入保鮮袋，用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)。

1.2.2 測(cè)定方法 土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別采用重鉻酸鉀氧化（外加熱法）、半微量凱氏定氮、堿解擴(kuò)散法、0.5 mol/L NaHCO3法和NH4OAc浸提（火焰光度法）測(cè)定；pH采用pH計(jì)法測(cè)定（水土質(zhì)量比為2.5∶1）。

1.2.3 土壤肥力單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià) 表1中的土壤肥力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是結(jié)合全國第2次土壤普查的土壤肥力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和甘肅省的實(shí)際得出［14］，將酒泉市土壤肥力分為6個(gè)級(jí)別。

1.2.4 土壤肥力綜合評(píng)價(jià) 主成分分析法是利用降維的思想把多個(gè)因子轉(zhuǎn)化成較少的幾個(gè)互不相關(guān)的綜合因子［16］。采用SPSS軟件，通過因子分析首先得出各參評(píng)土壤肥力指標(biāo)主成分特征值和特征向量，特征值＞1選為關(guān)鍵主成分，計(jì)算各主成分得分，再利用綜合得分公式求出各樣點(diǎn)土壤肥力綜合指數(shù)（IFI）［17］。土壤綜合指數(shù)是評(píng)價(jià)因子總的土壤肥力水平得分，它不僅反映該評(píng)價(jià)對(duì)象的土壤肥力狀況，也是土壤肥力等級(jí)劃分的依據(jù)。采用指數(shù)和法計(jì)算土壤肥力綜合指數(shù)（IFI），計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)表示單個(gè)主成分得分，λ表示對(duì)應(yīng)主成分的貢獻(xiàn)率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2020和SPSS 22.0軟件對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤單項(xiàng)肥力指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

由表2可知，采樣區(qū)域的有機(jī)質(zhì)分布頻數(shù)主要集中在9.00～16.00 g/kg，平均含量11.87 g/kg；全氮分布頻數(shù)主要集中在0.40～0.90 g/kg，平均含量0.68 g/kg；堿解氮分布頻數(shù)主要集中在20.00～40.00 mg/kg，平均含量30.59 mg/kg；速效磷分布頻數(shù)主要集中在20.00～60.00 mg/kg，平均含量50.59 mg/kg；速效鉀分布頻數(shù)較散，平均含量151.94 mg/kg；土壤pH分布頻數(shù)集中在8.30～8.50，平均值為8.41，呈堿性土壤。通過土壤的變異系數(shù)可知，除了土壤pH的變異系數(shù)為1.49%，屬于弱變異外，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀的變異系數(shù)在22.80%～41.06%，屬于中等變異，表明在采樣區(qū)域有一定的差異，但變化不大。另外，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀的中位數(shù)均低于均值。

2.2 土壤單項(xiàng)肥力指標(biāo)各等級(jí)占比分析

本研究將高等水平定為1、2級(jí)，中等水平定為3級(jí)，低等水平定為4、5、6級(jí)［18］。由表1、表3可知，有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量偏低，98.55%的樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量小于20 g/kg，處于低等水平；93.48%的樣點(diǎn)全氮含量小于1 g/kg，處于低等水平；50.72%的樣點(diǎn)堿解氮含量小于30 mg/kg，處于低等水平，說明酒泉市農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)、氮素普遍缺乏；91.30%的樣點(diǎn)速效磷含量大于25 mg/kg，處于高等水平；78.99%的樣點(diǎn)速效鉀含量大于120 mg/kg，處于中等及以上水平，說明酒泉市農(nóng)田土壤中有較高含量的磷素和鉀素；pH普遍偏高，呈堿性土壤。

2.3 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

2.3.1 相關(guān)性分析 對(duì)各土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，經(jīng)KMO和Bartlett球形度檢驗(yàn)，KMO為0.651，Bartlett球形度檢驗(yàn)的相伴概率小于0.05，達(dá)到顯著水平，說明本研究中土壤肥力各指標(biāo)間存在相關(guān)性。將土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀和pH指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并計(jì)算相關(guān)系數(shù)。由表4可知，有機(jī)質(zhì)與全氮、堿解氮呈極顯著正相關(guān)；全氮與堿解氮、速效鉀呈極顯著正相關(guān)，與pH呈顯著負(fù)相關(guān)；速效磷與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)，可以看出，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀和pH等指標(biāo)間存在不同程度的顯著相關(guān)性。

2.3.2 主成分分析 由表5可知，主成分包含了各原始變量至少21.6%以上的信息，其中速效鉀的信息量損失最大，土壤有機(jī)質(zhì)的信息量損失最小。因此引起酒泉市土壤肥力變化的主要因子為有機(jī)質(zhì)。

由表6可知，根據(jù)提取特征值＞1的為主成分，選取前2個(gè)特征值，前2個(gè)主成分特征值分別為2.037和1.188，并分別解釋了33.950%、19.801%的方差，累積貢獻(xiàn)率達(dá)53.751%，可以較好地反映土壤肥力的綜合狀況。

根據(jù)因子載荷系數(shù)與主成分系數(shù)之間的關(guān)系［19］，可以看出土壤肥力指標(biāo)在主成分上的權(quán)重比例不同，如表7所示，主成分1主要受有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀的權(quán)重影響，主成分2主要反映pH的權(quán)重。

2.3.3 土壤肥力的綜合評(píng)價(jià) 按綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算酒泉市不同采樣區(qū)域土壤肥力綜合得分，如表8所示。酒泉市5縣（市、區(qū)）土壤肥力的綜合指數(shù)為" " "-0.34～0.21，平均值為-0.000 7。土壤肥力從高到低依次為肅州區(qū)、瓜州縣、敦煌市、玉門市、金塔縣，酒泉市農(nóng)田土壤肥力有一定的差異。

3 討論

3.1 土壤肥力指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)與各等級(jí)占比

酒泉市土壤肥力單項(xiàng)指標(biāo)豐缺程度不一，差異比較大，其中，有機(jī)質(zhì)和氮素普遍偏低、磷素豐富、鉀素中等，可能與元素在土壤中的移動(dòng)和人為不合理施肥等有關(guān)；pH偏堿性可能與土壤本身特性和人為不合理施肥有關(guān)。從土壤樣品的變異系數(shù)來看，土壤pH屬于弱變異，說明在酒泉市農(nóng)田內(nèi)分布相對(duì)均勻，空間異質(zhì)性弱，受人為活動(dòng)和土地利用等因素的影響較??；有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀呈中等變異，表明酒泉市農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間分布存在一定的不均勻性，但變化不大。主成分分析表明，引起酒泉市農(nóng)田土壤肥力變化的主要因子為有機(jī)質(zhì)。因此，酒泉市農(nóng)田土壤應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理施肥，遵守補(bǔ)充有機(jī)肥和氮肥、減施磷肥及穩(wěn)施鉀肥的原則，以獲得較好的農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

3.2 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

從相關(guān)性分析來看，酒泉市農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀相互之間呈極顯著正相關(guān)，各種肥力指標(biāo)相關(guān)性很好，與前人研究成果有較大相似性［16，20］。因此，土壤中各養(yǎng)分的肥力指標(biāo)之間有關(guān)聯(lián)性，一種養(yǎng)分減少會(huì)影響土壤中其他養(yǎng)分的供應(yīng)。土壤pH與速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)，pH升高可能降低了速效鉀在土壤中的積累，這與馬倩倩［21］、耿榮等［18］和郭鑫年等［22］的研究結(jié)果基本一致。從土壤肥力綜合評(píng)價(jià)來看，酒泉市土壤綜合肥力從高到低依次為肅州區(qū)、瓜州縣、敦煌市、玉門市、金塔縣，并且土壤肥力間有一定的差異，這可能與當(dāng)?shù)胤N植的主要作物種類、品種和人為施肥等因素有關(guān)。黃濤等［14］、王玉萍等［23］、張夢(mèng)瑩等［24］分別針對(duì)敦煌市、金塔縣、玉門市土壤進(jìn)行肥力評(píng)價(jià)，這些研究在計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)值時(shí)主觀性較強(qiáng)，而本研究采用主成分分析法進(jìn)行土壤肥力評(píng)價(jià)，減少人為因素的影響。

4 結(jié)論

酒泉市土壤肥力水平分布不均勻，但變異系數(shù)均低于50%，變異范圍較??；pH均超過8.0，土壤偏堿性；土壤速效磷含量大于25 mg/kg，處于高等水平。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮、堿解氮，全氮和堿解氮、速效鉀呈極顯著正相關(guān)。由綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算土壤肥力綜合指數(shù)，酒泉市土壤肥力有一定的差異。

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