基于主成分分析的南方红壤水土流失区土壤肥力质量评价

李巍 王成己 谭丽婷 罗旭辉 黄敏敏 涂杰峰

摘 要：为评价南方红壤水土流失区土壤肥力质量，该文采用主成分分析法分别对长汀、北峰、武夷山等地的茶园土壤肥力质量进行了分析。结果表明：龙岩长汀、福州北峰、南平武夷山茶园土壤中的铵态氮、有效钾、速效磷、有机质、pH值这5个指标之间有着紧密的联系，它们都是南方红壤水土流失区茶园土壤肥力的重要影响因子。

关键词：南方红壤；水土流失区；土壤肥力质量；评价

中图分类号 S158 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）09-0058-04

The Study of Soil Fertility Quality Evaluation in the Red Soil Region of Erosion Area in South China Based on Principal Component Analysis

——Taking Fujian Changting，Fuzhou and Wuyishan as Examples

Li Wei1 et al.

（1 Fufian Key Laboratory of Precise Measurement of Agriculture，Central Laboratory，Fujian Academy of Agricultural Sciences，Fuzhou 350003，China）

Abstract：In order to evaluate the quality of soil fertility in the red soils of southern China，principal component analysis was used to analyze the soil fertility quality of Changting，Beifeng and Wuyishan tea gardens. The results show that there are close relationships among the five indicators of fertility：ammonium nitrogen，available potassium，available phosphorus，organic matter，and pH in tea plants in Longyan Changting，Beifeng in Fuzhou，and Wuyi Mountain in Nanping. They are all tea plantations in the red soil and soil erosion areas in southern China important factors affecting soil fertility.

Key words：The red soil region of South China；Soil erosion；Soil fertility quality；Evaluation

南方红壤区是我国重要的热带、亚热带作物生产基地。据2005年中国水土流失与生态安全综合科学考察报告不完全统计，南方红壤区水土流失面积约34万km2，目前已成为我国继黄土高原水土流失区以外的第二大水土流失严重区，因此，其土壤资源的合理开发和利用具有极其重要的经济和生态意义。福建省丘陵山地多，水土流失十分严重，其中长汀县位于福建省的西部，是福建省典型的水土流失区，也是闻名全国的南方花岗岩强度水土流失区，属于红壤地区水土流失严重的典型县之一。在防止土壤流失的同时，需要重视保持和提高土壤质量，土壤质量降低会导致土壤抗侵蚀力下降，从而导致更严重的水土流失。目前，土壤质量问题在全世界范围内引起了广泛关注，土壤质量评价是农业可持续发展研究的重要内容之一。而土壤质量的核心之一是土壤生产力，基础是土壤肥力质量，但各种土壤肥力质量有着性质上的差异和高低之分，因此，如何科学、合理、实用地评价土壤肥力质量，为指导农业生产提供理论依据，显得尤为重要[26]。近年来，随着统计学方法在相关领域的应用，越来越多研究者采用多变量分析方法，将大量土壤性质指标集成综合指标、函数关系式或图示来评定土壤质量。目前主成分分析法在土壤质量评价中得到大量的应用，它可以弱化变量间的自相关性所引起的差，形成互不相关主成分，获得各主成分得分，同时通过计算得到综合评价得分，从而达到对土壤质量的精确评价[26-27，30]。为此，本文采用主成分分析对福建省典型水土流失区长汀、福州、武夷山进行土壤肥力质量评价，为区域性水土流失预防与治理提供理论依据，对促进红壤区生态恢复和区域农业可持续发展具有重要的战略意义。

1 材料與方法

1.1 研究区域现状 我国南方红壤地区降雨量多，加之不合理的耕作制度等人为因素，导致土壤酸性强、有机质缺乏、速效性养分含量低、土壤粘重板结，出现了土壤退化现象。然而福建山地丘陵多，乡镇是水土流失的重点区域，据最新卫星遥感数据显示，福建省水土流失总面积尚有1.22万hm2，约占土地面积的9.95%。其中，全省上千个乡镇中，近300个乡镇存在较为严重的水土流失问题，部分非重点县乡镇的水土流失问题也不容乐观。福建省长汀县53.41%的水土流失主要分布在高度300～400m的地带，15～25°和8～15°坡度地带水土流失面积分别占水土流失总面积的36.68%和34.90%，60.89%的水土流失集中在高度300～500m、坡度5～25°区域，不同坡向水土流失分布情况基本上与阳坡、阴坡分布相一致[36]；福州北峰和武夷山均属于南方红壤丘陵水力侵蚀区，属其水土流失主要分布在低山丘陵区的人工幼林、茶园和果园。近年来，由于大量新开乱开茶果园现象较为严重，新开垦茶果园水土保持措施不配套、建园标准低。茶果园经营者水土保持意识低，管护措施不当，是造成低山丘陵区茶果园水土流失的主要因素，其次，山地大量开发种植经济林，加之不合理的管护措施、过度地砍伐与挖笋，是造成林下水土流失的主要原因，由此导致山区水土流失现象严重[37]。

1.2 采样点概况 根据福建省红壤区域类型的分布情况，本研究选取福州北峰、长汀、武夷山的人工种植茶园为采样点，其土壤均为红壤，且均在水土流失区域。每个样地的具体情况如下：（1）福州北峰：福州市晋安区宦溪镇创新村（东经119°23′26.4″，北纬26°09′04″），海拔600m。属中亚热带气候区，年平均温度18.2热，活动积温6300温，有效积温3200温，全年无霜期316d，属于亚热带季风气候区，年降水量1500～2200mm。（2）龙岩长汀：长汀县河田镇长汀县水土保持试验站的试验基地内（东经116°25′，北纬25°41′）。气候属中亚热带季风性湿润气候，年平均气温19.0℃，极端最高气温39.8℃，极端最低气温-4.9℃，地表极端最高温度达76.6℃。全年无霜期274d，夏长冬短，一年之中有6个月平均气温在20℃以上。年均降雨量约1700mm，其中4—6月降雨量约占全年的50%，且降雨强度大。土壤为粗晶花岗岩风化壳上发育的山地丘陵红壤，风化强烈，结构疏松，含沙量大，抗蚀能力差。（3）南平武夷山：武夷山星村镇黄村石源垄自然村老鹰山内的人工茶园（东经117°54′，北纬27°40′），属低山丘陵地域，典型的亚热带季风气候，年平均气温8.4～18℃，相对湿度为78%～84%，无霜期253～272d，大部分成土母岩由火山砾岩、红砂岩和页岩组成，表层多为灰紫色砂粒及砾块。

1.3 土壤质量评价体系及其指标的选择 氮、磷、钾是植物生长所必需的大量营养元素，它们的含量决定着土壤的基本肥力；有机质除了能提供植物所需的各种营养元素之外，还能对土壤结构的形成、改善土壤物理性质有着巨大的相关性，所以土壤的物理以及化学性质也与有机质存在直接或者间接的联系；同时，不同pH值的土壤所表现出来的土壤性质也存在很大的差异性，无机酸在不同的pH值下的解离度会有巨大的差异而以不同的物质形态存在，又因植物对不同形态的同一种无机物的吸收难以程度也是千差万别，所以土壤的pH值也是土壤性质的重要参数之一。因此，本研究通过研究土壤的pH值、氨态氮、有效钾、速效磷、有机质5个指标来评价长汀、福州、武夷山人工茶园的土壤质量，为土壤质量改良提供有效措施，以达到促进红壤区生态恢复和区域农业可持续发展的目的。

1.4 样品处理及测定方法 在每个代表样地，选取5个样点，采用5点法取样，将土样挑去石块、煤渣、残根叶等杂质，经过自然风干，进行研磨过筛，用自封袋保存待测。土壤铵态氮的测定采用氯化钾浸提-靛酚蓝比色法；土壤有效钾的测定采用冷硝酸浸提-火焰光度法；土壤速效磷的测定采用碳酸氢钠比色法；土壤pH值采用电位法测定；土壤有机质的测定采用重铬酸钾一硫酸氧化法。

1.5 数据分析 采用EXCEL2003进行数据整理，用SASS19.0软件进行主成分分析及相关性分析等。

2 结果与分析

2.1 龙岩长汀茶园土壤肥力质量的变化情况 对长汀茶园铵态氮、速效磷、有效钾、pH值以及有机质进行相关性分析，其结果见表1。从表1可以看出，铵态氮与有效钾成显著负相关性，铵态氮与pH值也呈显著正相关性，速效磷和有机质成显著负相关性，有效钾与pH值成显著负相关性，说明这5个土壤肥力指标之间都存在相互的关联性，该区域pH值会影响铵态氮和有效钾的含量，有机质含量会影响速效磷的含量，铵态氮含量会影响有效钾的含量。主成分分析法较适合土壤肥力质量评价研究，可以在众多彼此不相关的数据中，降为简化处理，其测算步骤比较规范，大部分过程可通过计算机处理，各原始指标的比重不受人為影响，分析结果相对客观科学，有利于提高测算结果的准确性与可靠性。通过主成分分析法，可以求得各主成分的特征值、方差贡献率以及累计方差贡献率。把其中特征值大于1的主成分提出来，具体见表2。由表2可知，这两组主成分特征值均大于1，第二组的累计方差贡献率为100%，由此可见，铵态氮、有效钾、速效磷、有机质、pH值都是该地区土壤肥力的主要影响因子。

2.2 福州北峰茶园土壤肥力质量的变化情况 对福州北峰茶园各土壤肥力指标进行相关性分析（表3），结果表明，各土壤肥力指标之间都存在一定的相关性，其中有机质与铵态氮和有效钾表现为显著正相关性，而有机质与pH值呈显著负相关性，有效钾与pH值也存在显著的负相关性。由此可以看出，该区域土壤提高土壤有机质含量即可进而提高土壤铵态氮或者有效钾的含量。pH值严重影响着土壤有机质和有效钾的含量，有机质又影响着土壤铵态氮或者有效钾的含量，因此pH值会对土壤整体肥力质量有着密切联系。通过主成分分析法，可以得到第一组主成分累积方差贡献率为63.45%，第二组主成分累积方差贡献率为89.78%，两组主成分分析的特征值均大于1（表4），由此可见，铵态氮、有效钾、速效磷、有机质、pH值都是该地区土壤肥力的主要影响因子。

2.3 南平武夷山茶园土壤肥力质量的变化情况 对南平武夷山茶园的土壤肥力各指标进行相关性分析（表5），结果表明，有机质与其他所有因子均成负相关性，其中与铵态氮、有效钾和速效磷呈显著负相关性。铵态氮与有效钾和速效磷呈显著正相关性，速效磷与有效钾呈显著正相关性，由此可见，土壤有机质决定着该区域土壤肥力质量的好坏。通过主成分分析法，可以得出第一组主成分累积方差贡献率为74.03%，特征值为3.701，第二组主成分累积方差贡献率为95.44%，特征值为1.070。两组主成分的特征值均大于1（表6），由此可见，铵态氮、有效钾、速效磷、有机质、pH值都是该地区土壤肥力的主要影响因子。

3 结论

龙岩长汀县茶园土壤的pH值会影响铵态氮和有效钾的含量，有机质含量会影响速效磷的含量，铵态氮含量会影响有效钾的含量；福州北峰土壤pH值严重影响着有机质和有效钾的含量，有机质又影响着土壤铵态氮或者有效钾的含量，因此pH值会与土壤整体肥力质量有着密切联系。南平武夷山茶园土壤肥力质量主要受土壤有机质的影响。通过对3个区域茶园影响土壤肥力的5个因子进行主成分分析，可以看出，铵态氮、有效钾、速效磷、有机质、pH值都是南方红壤水土流失区茶园土壤肥力的主要影响因子。

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（责编：张宏民）