基于主成分―聚类分析评价崩岗洪积扇土壤施肥效应

摘要：崩岗产生的大量沙石使洪积扇位置土壤受到不良影响，土壤肥力下降。为了比较不同施肥方式对土壤肥力的改良效果，采用室外采样结合室内分析的方法，选择安溪县龙门镇崩岗洪积扇5种施肥方式下的土样进行研究，通过分析土壤的基本理化性质（颗粒组成、pH、CEC、有机质以及氮磷钾含量），利用这些指标进行主成分分析，同时结合系统聚类方法对不同施肥方式进行肥力评价。结果表明，主成分分析中不同施肥方式下的土壤肥力综合得分由高到低依次为：施厩肥、施沼液肥+绿肥、施沼液肥、施化肥、对照。崩岗洪积扇通过长期的施肥，土壤肥力水平均得到了提高，其中以施厩肥和施沼液肥+绿肥的改良效果最好。同时，采用系统聚类分析对主成分分析的结果进行验证，土壤肥力最高的施肥方式是施厩肥和施沼液肥+绿肥；其次是施化肥和施沼液肥；最差的是对照区土壤，2种方法所得结果一致。

关键词：崩岗；洪积扇；施肥方式；主成分分析；聚类分析；土壤肥力

中图分类号：S157.4+1；S158.5 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）14-3569-05

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.14.010

Abstract： By a great number of sand from collapsing gully， the soil on alluvial fan of collapsing gully had been adversely affected， and the soil fertility had declined. In order to compare the effect of different fertilization methods on soil fertility improvement， the combined outdoor sampling with laboratory analysis were studied， choicing five kinds of soil samples under different fertilization methods from alluvial fan in Anxi Longmen town to analyze the basic physical and chemical properties， including particle composition， pH， CEC， organic matter， and nutrient content. And the principal component analysis with clustering analysis to analyze different fertilization fertility evaluation were combined. The results of the principal component analysis showed that with different fertilization methods， the soil fertility composite scores from high to low in turn were： manure， biogas fertilizer and green manure， biogas fertilizer， fertilizers， controls. By the long-term fertilization， the soil fertility levels were improved， particularly add manure and green manure. Then， using the cluster analysis to verify the results of the principal component analysis， and the best were manure， biogas fertilizer and green manure； The followed was biogas fertilizer； the third was the control. The two kinds of methods were consistent with the results.

Key words： collapsing gully； alluvial fan； fertilization way； principal component analysis； cluster analysis； soil fertility

土壤质量是揭示土壤条件动态的最敏感的指标，综合反映了土壤特性[1]。土壤质量的好坏对于农业生产影响很大，土壤肥力是土壤质量的重要属性，反映土壤肥力水平的指标较多，肥力指标之间的相关关系较明显[2]。土壤肥力评价一直以来都有相关报道，研究的方法较多[3-5]。20世纪70、80年代，统计学方法开始被引入到土壤学研究领域，主成分分析和系统聚类分析在土壤肥力评价中已得到大量的应用[6，7]。主成分分析法，又名主分量分析，是指通过降维，将多个相关的变量转化为少数几个相互独立的综合变量（主成分），从而使分析结果变得简明的一种统计分析方法。主成分分析依据各变量的累积贡献率和特征值来确定主成分数。每个主成分都是原始变量的线性组合[6]。聚类分析指将物理或抽象对象的集合分组为由类似的对象组成的多个类的分析过程，对于土壤肥力的评价具有指导意义。

崩岗是指山坡土体或岩石风化壳在水力和重力作用下分解、崩塌和堆积的侵蚀现象，属于水力-重力侵蚀类型[8，9]。崩岗产生的大量沙粒等洪积物随径流进入洪积扇区农田，严重影响农田土壤理化性质，使作物减产或使农田丧失耕性，威胁到当地农业安全[10，11]。基于崩岗对洪积扇农田土壤性质的严重影响，如何恢复洪积扇土壤的理化性质是亟待解决的问题，对于南方花岗岩地区农业具有十分重大的意义。

目前有关崩岗侵蚀机理的研究较多[12，13]，而关于洪积扇农田质量的研究较少。洪积扇区是农业活动最活跃的区域，采用不同施肥方式对洪积扇农田土壤进行改良，具有重要意义。

本研究对安溪龙门镇崩岗洪积扇土壤质量进行调查，采用主成分分析和聚类分析对不同施肥方式的土壤进行肥力评价，旨在为崩岗洪积扇土壤肥力的恢复提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于安溪县南部的龙门镇，北纬24°57′，东经118°05′，自然气候属南亚热带海洋性季风气候，年平均降水量1 700～ 2 000 mm，年平均温度20.9 ℃，日最高温度38 ℃，日最低温度-2 ℃，全年无霜期平均330 d左右。龙门镇的崩岗数量占安溪县之首，根据2005年调查，共有崩岗1 228个，崩岗侵蚀面积264.77 hm2，数量和面积分别占安溪县的9.57%和11.48%，危害最大的崩岗年流失泥沙可达3 150 m3，严重影响了当地农业发展[14]。龙门镇主要种植茶叶等经济作物，同时结合生态养殖，形成“猪-沼-茶-林-果”立体种养的农业循环经济。

1.2 土样采集与处理

2013年10月10日考察了龙门镇洋坑村崩岗，当地崩岗发育旺盛，近年来相对稳定，土壤侵蚀对洪积扇农田土壤的影响较大，各自产生洪积物呈扇形影响农田均达上千平方米，危害范围广，导致农田质量下降，当地以不同施肥方式对土壤进行了改良。本研究采集崩岗洪积扇不同施肥方式的茶园土样进行研究，施肥方式分别包括施化肥、厩肥、沼液肥、沼液肥+绿肥，同时采集对照土样。采样时，除去地表凋落物，按“S”型采集10个耕作层土样混合为1个土样，然后采用四分法分取样品1～2 kg带回室内，土样经自然风干，剔除粗根和小石块，磨细过筛，根据样品分析的需要制备不同粒径土样备用。2013年11月1日至2014年1月1日进行室内试验与数据分析。

1.3 指标测定与数据分析方法

土壤性质采用常规方法进行测定[15，16]。土壤含水率测定采用烘干法；土壤颗粒组成测定采用吸管法；pH测定采用电位计法；阳离子交换量（CEC）采用乙酸铵交换法；土壤有机质（SOM）测定采用重铬酸钾外加热法；土壤全氮（TN）测定采用半微量凯氏法；土壤全磷（TP）测定采用硫酸―高氯酸―钼锑抗比色法；土壤全钾（TK）测定采用火焰光度法；土壤碱解氮（AN）测定采用碱解扩散法；土壤速效磷（AP）测定采用碳酸氢钠浸提―钼锑抗比色法；速效钾（AK）采用醋酸铵浸提―火焰光度法。

应用Excel软件对数据进行基本的统计整理并绘制相应的图表，运用SPSS Statistics 20.0软件进行分析，先对洪积扇土壤性质12个指标进行标准化处理，求出相对应的相关矩阵，然后计算相关矩阵的特征根、方差贡献率及累计贡献率进行主成分分析，同时结合聚类分析判断不同施肥处理下洪积扇的土壤肥力。

2 结果与分析

2.1 土壤肥力主成分分析

2.1.1 洪积扇土壤性质 由表1对照土样的性质可知，崩岗洪积扇土壤沙粒多、粘粒少，养分贫瘠，保肥能力差。但经过施肥方式的调整后，除土壤pH没有明显变化外，有机质以及阳离子交换量均有了不同程度的提高，证明施肥能够在一定程度上提高土壤的供肥能力以及保肥能力。土壤养分指标氮磷钾含量得到提高，尤其是速效养分提高得最为显著，这是施肥方式的效应体现。粘粒含量增加而沙粒含量减少，说明施肥促进了土壤细颗粒的增加，使得土壤熟化，有利于农业的发展。不同的施肥方式之间有不同的效应，从pH等12个指标来看，需要采用肥力评价方式对崩岗洪积扇土壤不同施肥方式的效果进行评估。

2.1.2 主成分提取 选取pH、有机质（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、碱解氮（AN）、速效磷（AP）、速效钾（AK）、阳离子交换量（CEC）、粘粒（Clay）、粉粒（Silt）和沙粒（Sand）共12个土壤肥力因子作为主成分分析的评价指标。各指标具有不同的量纲和数量级，需对数据进行标准化，并将标准化后的指标分别记为ZpH、ZSOM、ZTN、ZTP、ZTK、ZAN、ZAP、ZAK、ZCEC、ZClay、ZSand、ZSilt（表2），然后计算出相关系数矩阵（表3），进行主成分分析。由表3可知，部分指标间相关系数达到显著水平。将标准化的数据进行主成分分析得到表4，依据表4中数据，前两个主成分的特征值>1，且累积贡献率为93.475%，大于85.000%，所以前2个主成分可以代替原来的指标对土壤肥力进行评价。

2.1.3 特征向量和主成分得分计算 荷载值是各主成分与各指标相关性的体现，特征向量即各指标在各主成分中的权重系数（表5）。各主成分与各指标的线性关系可表示为：F1（第一主成分）=-0.246 ZpH+0.312 ZSOM+0.307 ZTN+0.283 ZTP+0.311 ZTK+0.286 ZAN+0.282 ZAP+0.293 ZAK+0.298 ZCEC+0.309 ZClay-0.3 ZSand+0.223 ZSilt

F2（第二主成分）=0.378 ZpH-0.067 ZSOM-0.075 ZTN -0.408 ZTP+0.095 ZTK+0.299 ZAN-0.05 ZAP+0.187 ZAK-0.221 ZCEC-0.172 ZClay-0.245 ZSand+0.638 ZSilt

综合主成分得分是计算每个主成分得分与其对应贡献率之乘积总和，即F=F1×84.597%+F2×8.878%，结果见表6。求出的各处理综合得分可以显示出土壤肥力的好坏，得分值越高，土壤肥力越好；相反，得分值越低，土壤肥力越差。

将表2中标准化数据代入上列主成分与各指标的线性关系公式中，即可得各处理在各主成分下的得分（表6）。由表6可见，在第一主成分下厩肥、沼液肥+绿肥得分最高，在第二主成分下沼液肥和化肥得分最高，两主成分下得分的差异源于各指标在两个主成分中权重系数的不同。各处理的2个主成分得分与各自的方差贡献率的乘积之和即为综合得分。主成分评价的崩岗洪积扇不同施肥方式下的土壤肥力综合顺序为厩肥>沼液肥+绿肥>沼液肥>化肥>对照。说明施厩肥改良崩岗洪积扇土壤效果最好，沼液肥+绿肥效果次之，施沼液肥的效果一般，而施化肥的效果最差。这可能是因为崩岗洪积扇土壤保肥能力较差，施入化肥养分容易流失，且流失的速度较快。

2.2 聚类分析

以各处理的综合得分作为评价土壤肥力的新指标，采用平方欧氏距离来衡量各处理洪积扇土壤肥力的差异，用最短距离法对各处理的土壤肥力水平进行聚类分析，将不同施肥方式的土壤肥力进行归类。由聚类树形图（图1）可以非常直观地看出各施肥方式的归类情况：施厩肥、施沼液肥+绿肥>施化肥、施沼液肥>对照。也就是将土壤肥力水平分了3个等级。一等（施厩肥、施沼液肥+绿肥）；二等（施化肥、施沼液肥）；三等（对照），土壤肥力最低。结果表明，聚类分析与主成分分析结果一致。说明施肥对于改善崩岗洪积扇土壤肥力具有一定效果，但是不同的施肥方式具有不同的效果。其中施厩肥的效果最好，厩肥含有较多有机质，能够提供大量养分，同时对于改善土壤质地有较好作用；施沼液肥+绿肥也能够带来较多有机质，提高土壤的供肥保肥能力；但是施化肥的效果稍差，需要合理利用化肥。建议采用科学的施肥配方，可在施用厩肥熟化土壤后再配合施用化肥提高养分含量，科学施肥有利于崩岗洪积扇土壤肥力的恢复，这对崩岗洪积扇土壤的利用具有重要意义。

3 小结与讨论

20世纪80年代，中国根据不同土壤类型设立9个土壤肥力与肥料效益长期定位监测站。一直以来，评价土壤肥力变化的报道较多[17-19]，然而对于肥力的评价具有一定的局限性，对于肥力综合指标的评价近年来逐渐引起重视。近年来，关于崩岗引起的洪积扇土壤肥力、土壤理化性质退化的有关研究有所报道。同时，如何恢复崩岗洪积扇区域的土壤肥力，将是一个待解决的问题，崩岗洪积扇影响的农田面积较大，对于农业生产具有较大威胁。调整土地利用方式或者采用合理的施肥方式均能够起到改善土壤肥力的作用[20]，通过肥力评价，对于洪积扇土壤肥力的恢复具有一定的指导作用。

本研究通过主成分分析法和系统聚类分析法评价了安溪崩岗洪积扇土壤肥力，结合反映土壤肥力的12个指标通过SPSS软件进行分析。主成分分析结果表明，不同的施肥方式下的土壤肥力综合得分由高到低依次为厩肥、沼液肥+绿肥、沼液肥、化肥、对照。崩岗洪积扇通过长期的施肥，土壤肥力水平均得到了提高，其中以施厩肥和施沼液肥+绿肥的施肥方式改良效果最好。通过主成分分析评价肥力，能够科学、全面地反映崩岗洪积扇土壤肥力水平，为改良洪积扇土壤提供理论依据。

同时，用系统聚类分析对主成分分析的结果进行验证。结果表明，施厩肥、施沼液肥+绿肥>施化肥、施沼液肥>对照。肥力最高的为施厩肥和施沼液肥+绿肥；其次为施化肥和施沼液肥；肥力最差的是对照区土壤。证明2种方法所得结果基本一致。

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