基于主成分分析的山西省核桃主产区土壤肥力评价

赵瑞芬，程滨，滑小赞，王森，王钊

（山西农业大学 资源环境学院，山西 太原030031）

土壤肥力是土壤能够供给作物生长所需的各种养分的能力，是土壤物理、化学和生物学性质的综合反应，肥力高低是土壤养分、植物的吸收能力和植物生长的环境条件各因子相互协调作用的反应［1］。土壤养分是构成土壤肥力的核心要素，对农作物的产量和品质形成具有重要作用。充分了解土壤养分状况并客观评价土壤肥力在农业生产中具有重要意义。

随着统计分析软件的普遍应用，土壤肥力评价越来越侧重多因子的综合评价。核桃（Juglans regiaL.）为胡桃科属，是世界著名的“四大干果”之一，属于我国重要的经济林树种。为了掌握核桃产地土壤养分状况，已有学者对不同地区核桃园土壤养分进行了综合评价研究，但由于对不同指标重要性的认识不同，选用的土壤肥力指标及权重不同，结果各异。例如张玲等［2］选取有机质、大量元素、微量元素13个指标，采用主成分分析法对新疆乌什县核桃园土壤的养分评价，得出乌什县绝大多数核桃生产园土壤有机质、全氮、全磷、全钾、有效铁、有效锰、有效铜含量不足或缺乏，有效钙、有效镁、有效锌是影响新疆乌什县核桃生产园土壤肥力高低的主导因子。李青军等［3］选用有机质、pH、可溶性总盐等6个指标对新疆叶城县核桃园养分进行单项因子分级并与产量的进行相关分析，表明pH值和可溶性盐对核桃产量影响大，其次是速效钾和速效磷。袁紫倩等［4］选取pH、有机质、碱解氮等12个指标，通过主成分分析得出影响临安区山核桃林地土壤生产性能的最大因素是pH、有效钙、有效镁，其次是有效铁、锰、铜、锌、硼和有效磷，有机质和速效钾也有一定的作用。丁锐等［5］采用土壤肥力单项分级指标进行诊断分析、修正的内梅罗指数进行综合肥力评价，得出广元核桃林地土壤pH值总体偏碱性，全氮含量较丰富，部分土壤有效磷、速效钾、有效铁缺乏，多数土壤有机质、有效锌、有效硼、有效铜、有效锰缺乏。赵映翠等［6］选取土壤pH值、有机质、全氮等8个指标，采用改进的内梅罗指数法对宜君县核桃园土壤养分进行评价，研究表明宜君县核桃园土壤养分含量处于中低水平，全氮和速效磷是此地区的主要限制因子。土壤肥力受多个因素影响，且各个因素之间存在一定的相关性，致使反应土壤肥力状况的若干指标之间存在信息重叠，主成分分析法（PCA）可以对多个因素进行降维分析，提取主成分，弱化变量之间的自相关引起的误差，被广泛应用在土壤肥力定量研究中［7，8］。

山西省地处黄土高原东部，属于温带大陆性气候，昼夜温差大，日照充足，是我国优质核桃的生 产 基 地 之 一，现 有 种 植 面 积 已 超 过53万hm2［9］，核桃产业已经成为山西多地的农业主导产业。但目前针对山西核桃园土壤养分研究较少，尚缺乏对核桃园土壤养分状况的系统了解和肥力综合评价，土壤养分管理意识淡薄，导致单位面积核桃产量低，品质差。本研究拟在山西核桃主产区汾阳、左权、盂县、黎城和古县采集核桃园土壤样品，分析土壤pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾、有效铜、有效锌、有效锰、有效铁养分状况，采用主成分分析和聚类分析法，对核桃种植区土壤肥力状况进行综合评价，以期为加强核桃种植区土壤养分管理和施肥提供科学依据，达到丰产增收的目的。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集

以山西省核桃主产区汾阳、左权、盂县、古县、黎城5个县市作为研究区，在各县中选取核桃种植已成规模的53个乡镇作为采样单元，按1.0 km×1.0 km网格布设核桃地土壤采样点。于2017年9-10月核桃成熟期，对核桃主产区开展普查，根据核桃园采样布点图，通过GPS导航和定位，在平方千米网格内选择10～15年的核桃园进行土壤样品采集，每100亩取1个混合样。每个样点按照“S”行采样方法，在树冠滴水线附近，视核核桃园的大小，随机采取5～10个0～30 cm土层样品，经混合后取1 kg土样作为该点的土壤混合样。在汾阳、左权、盂县、古县、黎城分别采集代表性的样本57、42、46、36和47个，共采集228个。土样置室内阴干，研磨全部通过1 mm和0.25 mm尼龙筛，装入干净的纸袋中备用。同时，记录采样点核桃的立地条件、农户施肥管理和核桃产量情况。

1.2 测定项目及分析方法

土壤pH采用土水比（1∶2.5）pH酸度计测定；有机质采用重铬酸钾外加热-容量法；全氮采用硫酸消煮，凯氏定氮法；有效磷采用碳酸氢钠浸提，钼锑抗比色法；速效钾采用乙酸铵浸提，火焰光度法；有效态铜、锌、锰、铁采用中性DTPA浸提，火焰原子吸收分光光度法［10］。

1.3 数据处理及评价方法

土壤质量是土壤众多养分含量的综合反映，评价因子尽量考虑与肥力有关的因子［5］，山西核桃主产区土壤肥力评价选择的因子主要有土壤pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾、有效铜、有效锌、有效锰、有效铁。首先对上述因子用SPSS18.0统计软件进行Pearson相关分析，筛选出具有显著相关性的土壤养分评价因子后，再用因子分析中的主成分分析法对各指标进行降维，得出综合反映土壤质量状况的指标特征值和特征向量，根据特征值＞1选为关键主成分，对各因子数值标准化后计算各主成分得分后带入综合得分公式求出各样点的土壤综合分值，采用类平均法对土壤样品进行系统聚类分析，从而评价土壤肥力状况。

2 结果与分析

2.1 核桃主产区土壤养分丰缺状况

对研究区土壤养分状况进行描述性统计分析，根据《全国第二次土壤普查技术规程》［11］规定的养分分级标准对各指标丰缺状况进行判断（表1），可以看出：

核桃主产区土壤pH值介于7.71～8.71，平均8.25，94.7%的土壤样本pH在7.6～8.5，为弱碱性土，变异系数为2.05%，属于弱变异。有机质含量在4.70～46.6 g·kg-1之间，主要集中在10～20 g·kg-1，平均为15.4 g·kg-1，变异系数为36.11%，属于中等变异；有机质含量缺乏的样本比例为70.2%。全氮含量变幅为0.13～1.81 g·kg-1，集中在0.75～1.0 g·kg-1，平均值为0.89 g·kg-1，变异系数为32.6%；全氮含量缺乏及以下样本比例占65.4%，说明山西核桃主产区土壤有机质和全氮总体水平低。有效磷含量变化范围2.33～55.21 mg·kg-1，平 均 值 为11.32 mg·kg-1，变 异 系 数 为70.08%，为高变异，说明不同土壤中有效磷含量差异大，受施肥管理影响大；土壤有效磷含量在10 mg·kg-1以下占60.0%，土壤磷养分供应严重不足。速效钾含量变化范围为75～380 mg·kg-1，其变幅大，不同土壤之间的这种悬殊差异，除当地土壤母质有关外，和近年来各地实施秸秆还田的力度有很大关系。土壤速效钾平均值为169 mg·kg-1，变异系数为32.94%。含量在适宜范围100～150 mg·kg-1的土壤样本占33.1%，有59.9%的土壤存在钾过量现象，核桃主产区土壤钾能够满足核桃正常生长的需求。土壤有效铁、锰、铜、锌的平均含量分别为5.25、0.89、0.85、5.34 mg·kg-1，其中土壤有效锰的变异系数最大，为83.27%，说明不同县市、同一县市土壤有效锰含量变异大，可能受施肥影响和土壤酸碱度影响大。土壤有效铁含量有61.0%属适量及以上水平，约有39.0%的土壤有效铁缺乏；有52.2%的土壤有效锰含量属适量水平，约有47.8%土壤有效锰缺乏；100%的土壤样本土壤有效铜含量达适量水平；全区土壤有效铁含量有72.0%属适量及以上水平，28.0%的土壤有效锌缺乏。

表1 核桃种植区土壤养分含量及养分分级频率Table1 The nutrient contents and frequency of soil nutrient grading distribution in walnut-producing areas

2.2 土壤养分综合评价

2.2.1 指标间相关性检验、KMO和Bartlett球形度检验

将土壤pH值、有机质、全氮、有效磷、速效钾、有效铜、锰、铁和锌等指标的原始数据进行相关性分析（表2）可以看出，9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SPSS软件中的因子分析经KMO和Bartlett球形度检验，KMO值为0.576，Bartlett球形度检验的相伴概率P＜0.01（极显著水平）进一步说明本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核桃园土壤肥力是可行的。

2.2.2 土壤肥力主成分分析

主成分分析方法可在复杂的土壤肥力指标体系中筛选出若干个彼此不相关的综合性指标，这些综合指标能反映出原来全部指标所提供的大部分信息［12］。因此，本文选取核桃主产区表层土壤的pH值、有机质、全氮、有效磷、速效钾、有效铜、有效锌、有效锰和有效铁9个因子（下文图表及文中依次用X1，X2，X3，…，X9表示），运用主成分分析对土壤肥力进行分析。采用SPSS进一步求出矩阵的特征值、特征向量、贡献率和累积贡献率（表3）。根据特征值λ≥1的原则，提取了4个主成分。4个主成分的方差贡献率分别为27.164%、19.134%、13.359%和11.373%，累积方差贡献率为71.030%，基本能反应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［13］；第一主成分，有机质、有效磷、有效铜、有效锌和有效锰有较大的正值；第二主成分，全氮有较大的正值，第三主成分，速效钾有较大的负值；第四主成分，pH值有较大的正值，有效铁有较大的负值。有机质在3个主成分具有近似因子载荷，是全面反映土壤肥力的重要指标。

表2 核桃主产区土壤各指标的相关性关系矩阵（n=228）Table 2 Correlation coefficients between pH value，organic matter content，total nitrogen and available nutrient contents of walnut main producing areas

运用SPSS对9个因子原始数据进行标准化（分别用ZX1，ZX2，ZX3，…，ZX9表示），根据主成分得分系数矩阵（表4）可得出各个主成分的综合得分线性表达式：

再 根 据IFI=λ1F1+λ2F2+⋅⋅⋅+λm Fm（λ为贡献率）计算土壤养分综合得分，获得表达式：IFI=0.272F1+0.191F2+0.133F3+0.114F4，核桃主产区土壤肥力综合得分在IFI值越高表示肥力越高；反之，则表示土壤肥力越低。

2.2.3 核桃种植区土壤养分综合评价

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228个土壤样本土壤肥力综合得分进行系统聚类分析［14］，将土壤肥力划分为4个类，第Ⅰ类土壤肥力综合得分0.86≤IFI≤1.21，土壤样本数为14个，所占比例为6.41%；第Ⅱ类土壤肥力综合得分0.19≤IFI≤0.77，土壤样本数为77个，占比为33.77%；第Ⅲ类土壤肥力的综合得分−0.46≤IFI≤−0.18，土壤样本数为108个，占比为47.37%；第Ⅳ类土壤肥力综合得分−0.94≤IFI≤−0.48，土壤样本数为29个，所占比例为12.72%。对不同等级的土壤养分含量进行差异性检验（表5），可以看出，除pH外，第Ⅰ类土壤的有机质、全氮、有效磷、速效钾和有效铜含量极显著高于其它3类，整体养分水平最高；第Ⅱ类土壤的有机质和全氮极显著低于第Ⅰ类，但极显著高于第Ⅲ类和第Ⅳ类，有效锌、锰和铁与第Ⅰ类差异不显著，有效磷和速效钾含量与第Ⅲ类差异不显著，可见整体养分水平较高。第Ⅲ类土壤养分含量水平中等，有机质和全氮极显著高于第Ⅳ类；第Ⅳ类土壤所有养分指标含量均小于总体平均水平，整体养分水平较低。综上所述，第Ⅰ类核桃主产区土壤肥力可定义为极高，第Ⅱ类为较高，第Ⅲ为中，第Ⅳ类为低。

表5 核桃主产区不同等级土壤养分指标平均值Table 5 Average value of soil nutrient index of different grades in walnut main producing areas

2.2 不同种植区土壤肥力状况

核桃种植区土壤综合IFI值达到Ⅰ级和Ⅱ级水平的比例分别6.14%和33.77%，说明核桃种植区土壤肥力总体水平较差。从不同种植区来看（表6），汾阳核桃种植地土壤综合肥力较高，其IFI值在Ⅰ级和Ⅱ级水平的比例为64.91%，只有3.51%土壤肥力为Ⅳ级水平。古县核桃种植区土壤肥力最差，只有4.26%达到Ⅱ级水平，土壤肥力为Ⅲ级和Ⅳ级水平的分别占70.21%和25.53%。左权核桃种植地土壤肥力集中在Ⅱ级（38.10%）和Ⅲ级（45.24%）水平，分布在Ⅰ级和Ⅳ级肥力水平的比例分别为7.14%和9.52%。盂县核桃种植地土壤肥力空间差异显著，土壤肥力在Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级水平的比例分别为4.35%、23.91%、52.17%和19.57%。黎城核桃种植区土壤有11.11%的土壤肥力处于Ⅰ级水平，高于其它种植区，肥力水平集中在Ⅱ级和Ⅲ级，在Ⅳ级的比例仅为5.56%。

表6 核桃主产区土壤肥力各等级分布情况Table 6 Soil fertility grades distribution of walnut main producing areas

3 讨论与结论

（1）山西省核桃主产区土壤养分丰缺程度不一，土壤有机质、全氮和有效磷总体缺乏，速效钾较丰富，有少部分土壤缺乏铁、锰和锌；通过主成分分析提取的影响土壤肥力的4个主导综合因子能够集中体现71.030%的原始信息，可以客观揭示研究区土壤的肥力特征。

第一主成分因子和第二主成分因子累计贡献率达到了46.298%，说明有机质、有效磷、有效铜、有效锌和有效锰是直接影响核桃园土壤肥力的首要因子，其次是全氮。土壤有机质是土壤肥力的物质基础，其通过影响土壤养分吸收、土壤容重、阳离子代换量等理化性质与微生物活动最终影响农产品的产量和品质［15］。研究区土壤有机质含量在缺乏以下的比例占85.5%，不施有机肥和有机肥施用量少是主要原因［16］。土壤全氮含量受土壤类型、生物气候和土壤有机质含量的影响，土壤全氮与有机质呈极显著正相关（R=0.668），研究区有机质缺乏，是影响土壤全氮质量分数的提升原因之一。全氮含量表现为缺乏以下的比例占65.4%，与有机质缺乏比例不一致，这与农户大量施用氮肥提高了土壤全氮含量有关。土壤有效磷是反应土壤磷素供应水平的重要指标，土壤有效磷丰缺显著影响核桃产量［3］及山核桃果实中粗脂肪 含 量［17，18］。研 究 区 土 壤 有 效 磷 变 异 系 数 为70.08%，磷水平空间差异性较大，与农户施肥管理水平不同密切相关［16］；有效磷含量在10 mg·kg-1以下占56.6%，这主要因为研究区土壤大多为石灰性土壤，土壤中碳酸钙含量较高，磷肥施入土壤后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［19］。微量元素与植物生长息息相关，施用铜、锌可提高核桃产量［20］。袁紫倩等［4］认为铜、锌元素是影响山核桃林地肥力的主要因子，与本研究结果一致。然而，长期以来，农户在施肥管理中不施微肥导致研究区土壤有不同程度的铁、锰和锌缺乏，而部分农户长期施用含铜、锌的农药引起土壤铜、锌过量。现阶段，首先需要改变农户对核桃的施肥习惯，在核桃施肥中，应充分考虑利用核桃叶片还田或利用核桃枝沤制有机肥或通过行间种植绿肥，增施有机肥，提高土壤肥力；通过降低pH或选用酸性肥料提高磷肥利用率；应根据微量元素养分丰缺情况，在铁、锰和锌缺乏的地块增施铁、锰和锌肥，在铜和锌过量的区域不施铜肥和锌肥，禁止施用含铜、锌农药。

第三主成分以速效钾贡献大。钾可以提高作物抗逆性和增进农产品品质，核桃是一种需钾较大的木本植物，其叶片和果实硬壳中含钾高，周年叶片和硬壳带走的钾量大［21］，土壤中速效钾的丰缺影响核桃产量及品质［2］。研究区土壤速效钾平均值为169 mg·kg-1，有61.9%的土壤存在钾过量现象，7.0%的土壤速效钾为缺乏水平，这与除与土壤母质有关外，还与生产中注重施用氮磷肥，不施钾肥，在核桃常年经营情况下，土壤中的钾不断的被带走又得不到补充有关。因此，需结合土壤测试结果根据土壤具体情况，决定是否增施钾肥。

pH值在第四主成分中贡献率较大，pH值对土壤中的养分元素的有效性影响较大，核桃在土壤pH值为5.5～8.2的微酸性到碱性土壤中均可正常生长，而土壤pH在6.5～7.5，土壤养分有效性最高，pH的升高或降低都会影响核桃的产量［3］。山西核桃主产区95.2%的土壤样本pH在7.6～8.5，为弱碱性土，可以种植核桃。但为了实现土壤养分平衡，获得核桃优质高产，应在核桃园增施有机肥或使用酸性肥料以降低pH值。

（2）采用类平均系统聚类法将核桃种植区土壤肥力状况分为4类，分别为最高、较高、中和低。不同主产区土壤综合肥力从高到低依次为汾阳＞黎城＞左权＞盂县＞古县。汾阳核桃产区规模化核桃园较多，园内充分利用林地空间与其他作物套种，土壤肥力状况处于中等偏高，个别核桃园存在有机质、全氮、速效磷缺乏钾过量的现象。其次是黎城和左权土壤肥力状况集中在中及高水平，分别有5.56%和7.14%的核桃园土壤肥力为低水平，主要表现在严重缺乏有机质和有效磷。盂县核桃园土壤肥力空间差异显著，19.57%的核桃园肥力为低水平，主要障碍因子为有机质、有效磷、有效锌、全氮和速效钾。古县核桃园有25.53%的土壤肥力为低水平，有机质、全氮、有效磷、有效锌是影响其肥力低的主要因子。本研究中，山西核桃主产区土壤肥力水平分布不均匀，可能与各区域施肥管理以及农业活动等行为有关。建议在土壤测试的基础上，因地制定施肥政策，以实现核桃稳产、高产和品质提升。

（3）本研究利用主成分分析和聚类分析获得的土壤肥力综合评价可以较好地反映主产区核桃实际土壤肥力状况，与许仙菊等［22］、王小艳等［8］研究主成分分析在桑园和稻田土壤肥力综合评价中的应用有相似的观点，土壤肥力受到土壤类型、利用方式、种植作物和人为活动等的影响。选定指标是土壤肥力评价的核心，直接关系到评价结果的客观性，本研究选取的9个评价指标具有一定的局限性，需进一步增加全量元素及核桃产量等重要指标，构建更全面的核桃种园土壤肥力评价体系。