基于主成分分析的山西省油桃主产区土壤肥力评价_滑小赞.pdf

北方园艺 （）：资源环境生态第一作者简介：滑小赞（），女，硕士，副研究员，现主要从事土壤重金属污染修复的基础和应用等研究工作。：责任作者：程滨（），女，本科，研究员，现主要从事植物营养与土壤污染修复等研究工作。：基金项目：山 西 省 青 年 科 技 研 究 基 金 资 助 项 目（）；山西省农业科学院农业科技创新研究资助项目（）；山西省果树产业技术体系资助项目（）。收稿日期：基于主成分分析的山西省油桃主产区土壤肥力评价滑 小 赞，程滨，赵 瑞 芬，侯 家 富，王森，王钊（山西农业大学 资源环境学院，山西 太原 ；山西工程科技职业大学 交通工程学院，山西 榆次 ）摘要：以运城油桃主产区个县域 个土壤样品为试材，采用主成分分析和系统聚类法，通过测定有机质、有效磷、速效钾等 个肥力指标对土壤肥力进行综合评价和分类，以期为油桃种植区土壤养分管理和施肥决策提供参考依据。结果表明：）研究区有机质和全氮总体缺乏，速效钾、有效铜、交换性钙和交换性镁较丰富，有少部分土壤缺磷、铁、锰和锌。）主成分分析表明个主成分的贡献率为 ，其中第主成分以有效锰、有效铁和有效磷贡献大；第主成分以有机质和全氮贡献大。）根据土壤养分综合得分可划分为高、中、低个肥力水平，占比分别为 、和 。不同种植区土壤综合肥力依次为永济市盐湖区新绛县夏县万荣县临猗县。综上，运城市油桃园土壤肥力属于中低水平，土壤有效磷、有效锰、有效铁、有机质和全氮是影响土壤综合肥力高低的主要因素；管理中需增施有机肥，配合施用氮磷肥和微量元素肥料，培肥土壤。关键词：油桃主产区；土壤肥力综合评价；主成分分析；聚类分析中图分类号：文献标识码：文章编号：（）油桃是毛桃的变异品种，果实表皮没有绒毛、光滑如油且颜色鲜艳，一般为鲜红色；其果肉细脆，甜而不腻。它不仅美味而且营养丰富，含有多种维生素和人体必需氨基酸、糖、有机酸等其它营养成分。山西省南部的运城市是我国著名的水果主产区，年运城地区油桃种植面积已达到 万，产量 万，现已经成为当地农村经济发展的支柱产业。在油桃生产管理过程中，农户盲目施肥或施肥不足的现象很普遍，成为制约油桃产业可持续发展的重要因素。因此，了解该地区油桃园土壤肥力状况，对指导运城地区油桃园科学施肥有十分重要的指导意义。近年来，随着统计软件的普遍应用，应用统计学软件直接对土壤养分指标进行主成分分析从而评价土壤质量成为土壤肥力评价的重要方法。张亚鸽等运用主成分分析方法对新疆阿克苏地区枣园土壤肥力进行综合评价，把 个枣园土壤肥力分为高、中、低个级别；耿荣等运用主成分分析法对中宁县农田土壤肥力进行评价，结果表明有机质和全氮是中宁土壤肥力的主要限制因子，直观 了 解 不 同 乡 镇 土 壤 肥 力 的 差 异；郭 瑞等 运用主成分分析法对大荔枣园土壤肥力进行综合评价，结果表明有机质、速效钾、有效铁和有效磷是影响枣园土壤肥力的主要因素，通过对各乡镇的综合得分均值进行比较，发现各乡镇土壤得分高低与土壤养分空间分布相吻合；吴海燕等 基于主成分和聚类分析方法定量评价不同施肥措施对黑土肥力质量的影响，将不同施肥措施的土壤肥力分为类，可以定量化不同措施土壤肥力状况；张君等 运用主成分分析法对丹江口水源区农田土壤肥力进行评价，结果表明有机质、全氮、碱解氮和 是影响土壤肥力的主要因素，将土壤肥力分为、级。上述研究表明运用主成分分析方法对土壤肥力进行综合评价能够获得较好效果。目前，关于山西省运城油桃主产区土壤肥力评价鲜见报道。该研究拟在山西油桃主产区临猗、永济、万荣、盐湖、新绛、夏县采集油桃园土壤样品，分析土壤、有机质、全氮、有效磷、速效钾、有效铁、有效锰、有效铜、有效锌、交换性钙和交换性镁等养分含量状况，采用主成分分析和聚类分析法，对油桃园种植区土壤肥力状况进行综合评价，以期为加强油桃园种植区土壤养分管理和施肥提供参考依据，达到丰产增收的目的。材料与方法 试验材料供试土壤为运城油桃主产区临猗县、万荣县、新绛县、盐湖区、永济市、夏县采集的 个土壤样品。试验方法 年月进行了土壤样品的采集，选择运城市油桃种植面积较大的临猗县、永济市、盐湖区、万荣县、新绛县和夏县作为研究区，在各县市选取油桃园较大的地块进行采样，根据油桃园的大小，在树冠滴水线附近，用“”型方法随机采取 个 土层样品，经混合后取 土样作为该取样点的土壤样品，共采集 个有代表性的样本。样品置于室内阴凉处干燥，研磨，过 和 的尼龙筛，装袋，备用。项目测定土壤 采用 计测定；有机质含量采用重铬酸钾外加热容量法测定；全氮含量采用硫酸消煮，凯氏定氮法测定；有效磷含量采用碳酸氢钠浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用乙酸铵浸提，火焰光度法测定；有效态铁、锰、铜、锌含量采用中性 浸提，火焰原子吸收分光光度法测定；交换性钙和镁采用乙酸铵浸提，火焰原子吸收分光光度法 测定。数据分析采用 软件对数据进行描述统计特征分析，采用 软件对数据进行相关性和主成分分析。结果与分析 油桃主产区土壤养分丰缺状况参考 第二次全国土壤普查技术规程 规定的养分分级标准，对研究区土壤养分状况进行描述性统 计 分 析。油 桃 种 植 区 土 壤 在 ，平均值 ，变异系数为 ，属于弱变异，的土壤样品 在 ，为弱碱性土；的土壤样品 ，为碱性土。有机 质 含 量 为 ，集 中 在 ，平均值 ，变异系数为 ，属于中等变异，有机质缺乏及以下样品 比 例 为 。全 氮 含 量 为 ，集 中 在 ，平 均 值 ，变异系数为 ，属于中等变异；全氮含量缺乏及以下样品占比为 。有效磷含量 为 ，集 中 在 ，平均值 ，变异系数为 ，属于强变异，说明不同地块土壤有效磷差异大，与农户施肥情况有关；有效磷含量缺乏及以下样品占比为 。速效钾含量为 ，平均值 ，变异系数为 ，属于中等变异，其中，的土壤样品含量大于 ，处于丰富和极丰富水平；含量缺乏的样品仅占 （表）。中微量元素也是植物生长的必需元素，如果缺乏会影响植物生长发育和果实品质。了解中微量元素在土壤中的丰缺状况，有助于判断土壤的供应情况和指导施肥。研究区土壤交换性钙平均值为 ，含量介于 ，变异系数为 ，属于低等变异，所有样点均处于极丰富水平。交换性镁平均值为 ，含量介于 ，变异系数为 ，属于中等变异，的土北方园艺月月（上上）表油桃种植区土壤养分含量及养分分级频率 项目 含量范围 平均值 变异系数 分布频率 极缺很缺缺乏适量丰富极丰富有机质（）全氮 有效磷（）速效钾（）交换性钙 （，）交换性镁（，）有效铁 （）有效锰（）有效铜 （）有效锌 （）壤样品含量大于 ，处于丰富和极丰富水平；含量缺乏的样品仅占 （表）。土 壤 有 效 铁 含 量 范 围 为 ，的油桃园土壤处于适量和丰富水平（即 ），的土壤处于缺乏状况（）。土壤有效锰含量范围为 ，的油桃园土壤处于适量水平（即 ），的土壤处于缺乏状况（）。土壤有效铜含量范围为 ，所 有 的 土 壤 样 品 均 处 于 适 量 水 平 以 上（）。土 壤 有 效 锌 含 量 范 围 为 ，的土壤处于丰富水平（即 ），的油桃园土壤处于 适 量 水 平，的 土 壤 处 于 缺 乏 状 况（）（表）。土壤养分综合评价 指标间相关性检验、和 球形度检验土壤各养分指标存在一定程度的相关性是进行主成分分析的重要前提。因此，在进行主成分分析前，先对土壤各养分指标进行相关性分析。由表可以看出，个指标间存在不同程度的显著相关性，说明有部分信息重叠。用 软件中的因子分析经和 球形度检验，值为 ，球形度检验的相伴概率 （极显著水平）进一步说明该研究中土壤养分各指标间存在相关性。因此，采用主成分分析法评价油桃园土壤肥力是可行的。土壤肥力主成分分析主成分分析是一种对数据进行降维的多变量统计方法，可以将存在相关关系的多个土壤肥表油桃种植区土壤各指标的相关性分析 项目 全氮有效磷 速效钾有机质 有效铁 有效锰 有效铜 有效锌 交换性钙 交互性镁 全氮 有效磷 速效钾 有机质 有效铁 有效锰 有效铜 有效锌 交换性钙 交互性镁 注：在 水平（双侧）上显著相关，在 水平（双侧）上显著相关。：（），第第期期 北方园艺力指标转化为少数几个彼此不相关的综合性指标，同时又能反映出原来全部指标所提供的大部分信息，使 分 析 结 果 更 加 简 明 清 晰 且 有 说 服力，。该研究选取油桃种植区表层土壤的、有机质、全氮、有效磷、速效钾、有效铜、有效锌、有效锰、有效铁、交换性钙和交换性镁等 个因子（下文依次用 ，表示），运用主成分分析对土壤肥力进行分析。根据特征值的原则，提取了个主成分（表）。个主成分的方差贡献率分别为 、和 ，累积方差贡献率为 ，基本能反映土壤肥力的基本信息。根据载荷因子和主成分得分系数之间的关系，可看出 土 壤 养 分 指 标 在 主 成 分 上 的 权 重 不 同；第主成分，有效锰、有效铁和有效磷有较大的正表主成分特征向量及累积贡献 主成分 特征值 贡献率 累积贡献率 值，有较大的负值；第主成分，有机质和全氮有较大的正值，有较大的负值；第 主成分，有效锌、有效铜有较大的正值；第主成分，交换性钙和交换性镁有较大的正值；第主成分，速效钾有较大的正值。运用 软件对 个因子原始数据进行标准化（分别用，表示），根据主成分得分系数矩阵（表）可得出各个主成分的综合得分线性表达式：，。再根据 （为贡献率）计算土壤养分综合得分，获得表达式：，油桃种植区土壤肥力综合得分 值越高表示肥力越高；反之，则表示土壤表初始因子载荷与成分得分系数矩阵 项目 因子载荷 得分系数 全氮 有效磷 速效钾 有机质 有效铁 有效锰 有效铜 有效锌 交换性钙 交换性镁 北方园艺月月（上上）肥力越低。以欧氏距离为衡量样本间差异大小的依据，采用类平均法对 个土壤样本土壤肥力综合得分进行系统聚类分析，将土壤肥力划分为类，第类土壤肥力的综合得分 ，土 壤 样 本 数 为 个，占 比 为 ；第类土壤肥力综合得分 ，样本数为 个，占比为 ；第类土壤肥力综合得分 ，土壤样本数为 个，所占比例为 。对不同等级的土壤养分含量进行 差异 性检验，可 以看 出，除 外，第类土壤中 项养分含量均高于第类，其中，全氮、有效磷、有机质、有效铁、有效锰、有效铜和有效锌等项养分含量极显著高于第类，整体养分水平最高；第类土壤中 项养分含量均高于第类，其中全氮、有效磷、速效钾、有机质、有效锰和交换性镁等项养分含量极显著高于第类，整体养分水平较高。土壤 在类土壤中存在极显著差异，第类土壤 极显著低于第类，第类土壤 极显著低于第类。综上所述，第类油桃主产区土壤肥力可定义为高，第类为中，第类为低（表）。表油桃种植区不同等级土壤养分指标平均值 项目 平均值 全氮（）有效磷（）速效钾（）有机质（）有效铁 （）有效锰（）有效铜 （）有效锌 （）交换性钙 （，）交换性镁 （，）注：不同小写字母标示种植区土壤养分含量差异达 显著水平。：不同种植区土壤肥力状况油桃种植区土壤综合 值达到级、级、级水平的比例分别为 、和 ，说明油桃种植区土壤肥力总体水平较差。从不同种植区来看，土壤综合肥力指数由大到小依次是：永济 市（）盐 湖 区（）新 绛 县（）夏县（）万荣县（）临猗县（），永济市和盐湖区种植地土壤综合肥力较高，其中 值在级和级水平的比例为 和 ，只有 和 土壤肥力为级水平。临猗县、新绛县、万荣和夏县土壤肥力较低，达到级和级水平的比例分别为 、和 ，级水平的土样占比均超过 以上（表）。讨论）通过对运城市油桃园土壤肥力状况调查结果显示，土壤养分各单项指标丰缺程度不一，差异较大，土壤有机质和全氮总体缺乏，速效钾、有效铜、交换性钙和交换性镁较丰富，有少部分土壤缺磷、铁、锰和锌。通过主成分分析，前个主成分能够集中体现 的原始信息，可以客观揭示研究区油桃园土壤的肥力特征。第主成分因子和第主成分因子累计贡献率达到 ，说明有效磷、有效铁、有效锰、是直接影响土壤肥力的主要因子，其次是有机质 和 全 氮。研 究 区 土 壤 范 围 为 ，均为弱碱性土和碱性土。相关性分析可以看出，与土壤养分均成呈现负相关关系，与全氮、有效磷、有机质、有效锰呈极显著负相关，影响土壤养分的有效性。土壤有效磷是反映土壤磷素供应水平的主要指标，能够促进油桃树根系生长、花芽分化、果实发育，最终影响油桃产量和品 质。研 究 区 土 壤 有 效 磷 含 量 在 第第期期 北方园艺表各县市土壤肥力综合指标各等级分布情况 采样区 采样数 个范围 平均值 不同肥力等级比例 临猗县 永济市 盐湖区 新绛县 万荣县 夏县 总体 ，变异系数较大，说明不同地块土壤有效磷含量差异大，一方面与农户施肥情况有关，农户施肥量差异较大；另一方面与土壤母质有关，研究区土壤大多为石灰性土壤，土壤中碳酸钙含量较高，磷肥施入土壤中易与钙形成磷酸二钙、磷酸八钙、羟基磷灰石以及难溶的磷灰石等磷酸钙盐沉淀，降低了磷的有效性，。有机质是反映土壤肥力水平最重要的指标之一，它可以改善土壤性状、影响化肥的肥效，进而影响农作物的产量和品质。研究区土壤有机质含量在缺乏以下的比例占 ，农户不施有机肥或施用量不足是主要原因。土壤全氮和有机质呈极显著正相关（），研究区有机质缺乏是影响全氮含量提升的主要原因。微量元素与植物生长息息相关，当供给不足时，植物往往表现出特定的缺乏症状，产量降低，品质下降。研究区土壤有效铁和有效锰含量分别在 和 ，变异系数为 和 ，均为中等变异强度，处于缺乏以及以下水平分别占 和 ，说明部分油桃园缺铁、锰，主要是因为该研究区土壤呈弱碱性和碱性，影响土壤有效铁和有效锰的有效性；另一方面，长期以来，农户不注重微量元素肥料的施入。现阶段，首先需要改变农户对油桃园的施肥习惯，在油桃园施肥中，应注重秋季有机肥的施入，降低土壤，提高土壤肥力；应根据微量元素丰缺情况，在铁、锰缺乏的地块增施铁、锰肥。第主成分以有效铜和有效锌贡献最大。锌参与叶绿素和生长素及其它生物酶的合成，能提高碳氮代谢，促进细胞分裂生长。铜影响植物的光合作用和铁利用率。研究区土壤有效铜含量范围为 ，所有样点均处于适量与丰富水平，能满足油桃正常生长。土壤有效锌 含 量 范 围 为 ，有 的土壤处于缺乏状况。交换性钙和交换性镁在第主成分中贡献率最大。钙、镁是一些酶和辅酶的组成部分，这些酶大多参与光合、呼吸作用。同时钙和镁对果实硬度、可溶性糖含量、花青素含量等具有重要的作用，施钙和施镁可有效改善设施桃果实品质，增加产量 。研究区土壤交换性钙和交换性镁含量都较丰富，这可能是与土壤母质有关。虽然油桃园的交换性钙、镁含量很高，但也要注意做好水土保持，防止交换性钙、镁流失。第主成分以速效钾贡献最大。油桃是一种需钾量较大的木本植物，缺钾是限制油桃生长的主要因素，会影响果实的形状、大小、色泽和风味 。速效钾是作为土壤钾素水平的重要指标，其含量大小对于判断土壤中供钾能力具有重要的意义。研究结果表明，研究区 的土壤处于适宜和丰富状态，只有临猗县和永济市个别点位土壤速效钾处于缺乏状态，造成运城市各县市部分土壤速效钾含量极丰富的原因可能与土壤母质、化肥施用等有关。因此，在富钾果园需要控制钾肥，在缺钾的果园适量增加钾肥的使用。）采用类平均系统聚类法将油桃园土壤肥力状况分为类，第类、第类、第类占比分别为 、和 ，土壤肥力主要集中在第类和第类，可以得出，研究区高肥力的油桃园较少，土壤肥力主要是中低肥力，这与土壤养分含量统计描述相一致。主成分分析得出影响研究区油桃园土壤肥力的主要因素是有效磷、有效铁、有效锰、有机质及全氮等个因素，这个因素含量在整个研究区土壤中的含量都集中在中等北方园艺月月（上上）偏下水平。不同级别的土壤 和养分含量方差分析可以看出，第类土壤 低于第类和第类土壤，土壤中养分含量显著高于第类和第类土壤；第类土壤 显著低于第类土壤，有机质、全氮、有效磷、速效钾、有效锰和交换性镁含量显著高于第类土壤，土壤有效铁、有效铜、有效锌和交换性钙平均含量高于第类土壤，但差异不显著。可以看出，利用主成分和聚类分析方法对油桃园土壤进行综合评价是可行的，可以更好的反映土壤肥力的综合状况。不同县市土壤综合肥力由高到低依次为永济市（）盐湖区（）新绛县（）夏县（）万 荣 县（）临 猗 县（）。永济市和盐湖区油桃园土壤肥力相对较高，这与农户的施肥情况有关，前期调查发现这个县市农户注重秋季基肥的施入，土壤有机质和全氮含量相对较高。新绛县、夏县、万荣县和临猗县油桃园土壤肥力状况处于中等偏低水平，主要是因为农户只注重化肥的施入，不注重有机肥和微量元素肥料的施入，土壤肥力整体偏低。该研究中，运城油桃主产区土壤肥力分布不均匀，可能与各区域施肥管理和农业活动有关。建议在土壤测试的基础上，因地制定施肥政策，以实现油桃稳产、高产。结论）通过对运城市油桃园土壤样品分析，土壤 为弱碱性和碱性，有机质和全氮总体缺乏，速效钾、有效铜、交换性钙和交换性镁较丰富，有少部分土壤缺磷、铁、锰和锌。）主成分分析结果表明，土壤肥力的个主成分能够集中体现 的原始信息，可以客观揭示研究区油桃园土壤的肥力特征。有效磷、有效铁、有效锰、有机质和全氮是影响土壤肥力的主要因子。）采用类平均系统聚类法将油桃园土壤肥力状 况 分 为 高、中、低 个 水 平，占 比 分 别 为 、，土壤肥力主要集中在中低水平。永济市和盐湖区油桃园土壤肥力相对较高，新绛县、夏县、万荣县和临猗县油桃园土壤肥力状况处于中等偏低水平。参考文献王志强，宗学普，刘淑娥，等我国油桃生产发展现状及其对策 柑桔与亚热带果树信息，（）：周媛媛，张苗，佟丙辛，等 冀中地区桃树养分投入，土壤养分状况及其与产量的关系 土壤通报，（）：宋建伟，郭雪峰，高启明，等 不同施肥方法对春雷桃生长及果实品质的影响 河北果树，（）：，（），（）：戴余波，张丽萍，李国明，等热带作物耕地土壤养分分析及肥力评价现代农业科技，（）：张亚鸽，史彦江，吴正保，等基于主成分分析的枣园土壤肥力综合评价西南农业学报，（）：耿荣，王明国，尹学红，等基于主成分分析法的中宁县农田土壤肥力评价 农业科学研究，（）：陈玉芹，胡永亮，张丽萍，等 基于主成分和聚类分析的德宏橡胶林土 壤 肥 力 评 价 热 带 作 物 学 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