基于主成分和聚類分析的赤紅壤區不同土地利用方式土壤肥力綜合評價

張曉龍 楊倩楠 李祥東 陳靜 王超 張池 劉科學

摘要：為定量評價赤紅壤區不同土地利用方式對土壤肥力特征的影響，本研究以亞熱帶典型赤紅壤區不同土地利用方式的土壤（旱地、園地、菜地）為試驗對象，分析各地塊土壤物理性質、化學性質和腐殖質組成的變化趨勢，通過主成分和聚類分析法定量評價不同土地利用類型土壤綜合肥力的差異，以歐氏距離衡量不同地塊肥力差異的大小，采用最短距離法對各地塊土壤綜合肥力進行系統聚類。結果表明，不同土地利用方式表層（0～10 cm）和亞表層（10～20 cm）土壤的物理性狀、化學性狀及腐殖質組成存在顯著差異（P<0.05），其中土壤有機碳含量、胡敏素碳含量、胡敏酸碳含量、富里酸碳含量、容重、孔隙度、全氮含量、全鉀含量和pH值等對土壤肥力質量評價的貢獻度較大，堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、全磷含量貢獻度較小。土壤肥力質量綜合得分排序為旱地表層>旱地亞表層>菜地亞表層>菜地表層>園地表層>園地亞表層。不同地塊的土壤肥力質量聚為5類，分別為一等肥力（旱地表層）、二等肥力（旱地亞表層、菜地表層）、三等肥力（菜地亞表層）、四等肥力（園地表層）、五等肥力（園地亞表層）?？傮w來看，土壤肥力優劣的評價順序均為旱地>菜地>園地，其中園地土壤存在容重較大、酸化嚴重、養分失衡和有機碳含量過低的現象。因此，依據赤紅壤肥力敏感性指標和土壤本身存在的問題，該區域應增大土壤外源碳的輸入，豐富有機碳庫儲量，同時加強科學施肥和測土配方施肥，平衡和優化速效養分含量，進而達到改良土壤物理結構，增強土壤緩沖性能，改善土壤養分狀況的目標，以期實現赤紅壤區農業的可持續發展。

關鍵詞：赤紅壤；土地利用；理化性質；土壤肥力；主成分分析；聚類分類；綜合評價

中圖分類號：S158??文獻標志碼：A??文章編號：1002-1302（2023）09-0247-07

基金項目：廣東省自然科學基金（編號：2021A1515011543）；廣東省教育科學“十三五”規劃項目（編號：2020XJK116）；廣州新華學院校級自然科學類重點項目（編號：2020KYZD02）。

作者簡介：張曉龍（1995—），男，山東臨沂人，碩士，主要從事土地資源與管理研究。E-mail：zxl1995cj@126.com。

通信作者：劉科學，博士，副教授，主要從事土地整治與生態修復研究。E-mail：28257448@qq.com。

赤紅壤是我國亞熱帶地區主要的土壤類型之一，總面積為1.78×107 hm2［1］，廣泛分布于廣東、廣西、云南、福建等地［2-3］。該地區水熱條件充沛，是我國重要的糧、果、蔬生產基地［4-5］。但是，赤紅壤區土壤普遍存在結構簡單、有機質含量低、礦質養分貧乏等特點［6］。再加上農業生產過程中，不合理的利用方式加劇了土壤貧瘠、沙化、板結等問題［7-9］，而土壤質量退化會直接威脅我國“18億畝耕地紅線”以及糧食及農產品供給安全。評價赤紅壤區不同土地利用方式的土壤肥力特征對于該地區土壤管理和利用至關重要，是赤紅壤區農業活動可持續發展的前提［10-11］。土地利用方式是人類農業活動的重要反映形式，不同利用方式對土壤擾動程度不同，導致土壤肥力存在顯著的時空異質性［11-12］。土地利用方式通過改變土壤物理性狀、化學性狀及腐殖質結構進而影響土壤肥力［13-14］。例如，馬和平等對西藏沙壤土不同土地利用方式的研究發現，土壤有機質含量與土地利用強度呈負相關，而土壤養分含量則與土地耕作熟化程度呈正相關；且同一土地利用方式不同深度土壤受到人為擾動的程度不同，其理化性質也存在差異［11］。李立平等對華北平原潮土的研究發現，不同土地利用方式的土壤pH值、堿解氮、速效磷和有機碳含量差異顯著［15］。王振芬等研究了三江平原濕地不同土地利用方式土壤養分和酶活性的差異，發現濕地開發利用程度越高，土壤養分含量越低（全磷除外）［16］。丁晨曦等對山東省鹽堿地的研究發現，土地利用方式通過改變土壤機械組成來影響土壤通氣、透水、保肥性能，從而改變土壤結構和養分狀況［17］。而張立成等針對赤紅壤菜地的研究發現，長期不同的施肥方式會致使土壤堿解氮和速效磷含量發生顯著變化［18］。林新堅等對赤紅壤旱地（花生—甘薯輪作）平衡施肥的研究發現，該措施可有效增加作物的產量和土壤有機質、堿解氮和速效鉀的含量［19］。張池等對赤紅壤區果園的研究發現，園地的全氮（TN）、堿解氮（AN）、速效磷（AP）、速效鉀（AK）含量較高［13］。土地利用方式會使土壤的性狀發生顯著改變，并且不同類型土壤對于人類擾動的敏感程度也不盡相同，進而致使土壤綜合肥力的變化趨勢產生差異。目前亞熱帶赤紅壤區土壤的研究多集中在單一土地利用類型對土壤理化性質的影響方面，針對不同土地利用方式對土壤綜合肥力差異性的研究相對較少，因此就缺乏對赤紅壤區土壤質量的全面了解，就不能充分發揮赤紅壤區農業生產的巨大潛力。因此，本研究以典型赤紅壤區（廣州市增城區）3種土地利用方式（旱地、園地和菜地）為對象，解析不同土地利用方式土壤各項基本理化性質的差異及其對綜合肥力的影響，以期為赤紅壤區土壤養分管控和土地優化利用提供科學依據。

1?材料與方法

1.1?供試材料

1.1.1?研究區域概況?廣州市增城區（23°05′～23°37′N，113°32′～114°00′E）位于珠江三角洲東北部、廣東省中南部、廣州市東部，毗鄰港澳，臨惠州，北界從化。地貌主要以丘陵、平原為主，屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫22.2 ℃，年均降水量為 1 869 mm，境內有大小河流6條，自然條件較好。作為典型的赤紅壤區域，區內主要以旱地（玉米）、園地（香蕉）、菜地（辣椒）為代表性農業土地利用方式，是珠江三角洲糧食、水果、蔬菜的主要生產基地［20］。

1.1.2?樣品采集?試驗田位于華南農業大學野外工作站，旱地（玉米）、園地（香蕉）、菜地（辣椒）均為單一種植模式超過10年，于2021年9月分別采集這3種土地利用方式的表層土壤（0～10 cm）和亞表層土壤（10～20 cm）。每個土地利用方式田塊隨機設置3個采樣小區，每個小區按照對角線5點采樣法采集1個混合樣。將土壤樣品帶回實驗室，經過風干并去除植物根系和碎石，研磨并過20、60目篩后，用于后續理化性質和養分的測定。

1.2?測定項目及方法

土壤理化指標測定［21］：土壤機械組成采用吸管法測定；土壤容重（BD）和孔隙度（SP）采用環刀法測定；土壤pH值測定選用 pH 計電位法（土水質量比為1 ∶?2.5）；全氮含量采用凱氏定氮法測定；全磷（TP）含量采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定；全鉀（TK）含量采用氫氧化鈉熔融-火焰光度計讀數法測定；堿解氮含量采用堿解擴散法測定；速效磷含量采用Olsen法測定；速效鉀含量采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定；土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；土壤腐殖質含量采用腐殖質分組修改法測定。

1.3?土壤肥力評價方法

以 13個肥力評價因子為分析對象，首先對各指標的數據進行無量綱化處理，然后應用主成分分析，評價因子的累計貢獻率確定肥力評價因素數量，最后用系統聚類法選擇評價的類別和評價因素。

1.4?數據處理

數據采用 Excel 2010 軟件和 SPSS 20.0軟件進行統計分析。

2?結果與分析

2.1?不同土地利用方式對土壤物理性質的影響

由表1可知，旱地、園地和菜地土壤的質地均為粉（沙）壤土。3種土地利用類型表層土壤（0～10 cm）的粉粒含量、沙粒含量、容重和孔隙度均存在顯著差異（P<0.05），旱地的沙粒含量和孔隙度最高，粉粒含量和容重最低；而園地的沙粒含量和孔隙度最低，粉粒含量和容重最高；菜地的4項指標均居中。類似地，亞表層土壤（10～20 cm）的結果顯示，園地的粉粒含量、容重和孔隙度與旱地和菜地也存在顯著差異（P<0.05）。以上結果表明，不同農業土地利用方式會導致土壤物理性狀尤其是土壤機械組成、容重及孔隙度大小發生顯著變化。

2.2?不同土地利用方式對土壤化學性質的影響

由表2可知，不同土地利用方式的表層土壤（0～10 cm）和亞表層土壤（10～20 cm）的pH值均存在顯著差異（P<0.05）。表層土壤pH值范圍為4.23～5.45，順序為旱地>菜地>園地；亞表層土壤pH值范圍為4.31～4.98，順序為菜地>旱地>園地。表層土壤（0～10 cm）中，除菜地和園地的全磷含量沒有顯著差異（P>0.05）外，全氮、全鉀、堿解氮、速效鉀的含量在不同土地利用方式之間均存在顯著差異（P<0.05），并且全氮和全鉀養分含量均為旱地最高、園地最低，速效鉀和堿解氮含量為園地最高、菜地最低。在亞表層土壤（10～20 cm）中，除旱地和菜地的全氮含量無顯著差異（P>0.05）外，其他各項養分含量在不同利用方式之間均存在顯著性差異（P<0.05）。其中，全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷含量均為旱地最高；全氮、全磷、全鉀、速效磷含量均為園地最低。

2.3?不同土地利用方式對土壤有機碳的影響

腐殖質是土壤養分的重要來源。由圖1可知，土地利用方式會對土壤有機碳（SOC）的含量以及腐殖質組成產生較大影響。3種土地利用方式表層土壤（0～10 cm）的有機碳、富里酸碳（FAC）、胡敏素碳（HMC）含量均差異顯著（P<0.05），按照從大到小排序為旱地>菜地>園地，僅旱地和菜地的胡敏酸碳（HAC）含量差異不顯著（P>0.05）。亞表層土壤（10～20 cm）的胡敏酸碳（HAC）、富里酸碳（FAC）、胡敏素碳（HMC）含量在3種土地利用類型中也存在顯著差異（P<0.05），僅旱地和菜地的有機碳（SOC）含量無顯著差異（P>0.05）。土地利用方式對表層土壤有機碳含量的影響最明顯，旱地的有機碳含量分別為菜地、園地的1.17、1.57倍。

PQ為胡敏酸碳（HAC）在腐殖酸總碳（HAC+FAC）中的比例，HA/FA為胡敏酸碳與富里酸碳的比值，二者均可表征土壤腐殖質的聚合程度。一般，PQ和 HA/FA 的值越大，胡敏酸碳含量越高，分子量越大、分子結構越復雜，腐殖質狀態越活躍、品質越好［22-23］。由圖2可知，表層土壤中，土壤PQ和HA/FA均為菜地最高，旱地次之，園地最低，說明菜地表層土壤的腐殖化程度最好，旱地居中，園地最差。亞表層土壤中，旱地與菜地的PQ和 HA/FA 均無顯著性差異（P>0.05），但是兩者都顯著高于園地（P<0.05），說明亞表層土壤中旱地和菜地的腐殖化程度一致較高，園地較小?？傮w上，相比較菜地和旱地而言，園地土壤不僅腐殖質含量低，而且腐殖化程度也較差。

2.4?土壤各理化性質指標間的相互關系

不同土地利用方式土壤理化性質之間存在不同程度的相關性。由圖3可知，土壤容重與孔隙度及全氮、全磷、全鉀、速效磷、有機碳、胡敏酸碳、富里酸碳含、胡敏素碳含量，速效鉀含量與孔隙度、pH值及有機碳、胡敏酸碳、胡敏素碳含量以及堿解氮含量與pH值之間均呈顯著或極顯著負相關。土壤孔隙度與全氮、全磷、全鉀、速效磷、有機碳、胡敏酸碳、富里酸碳、胡敏素碳含量，全氮含量與全磷、全鉀、速效磷、有機碳、胡敏酸碳、富里酸碳、胡敏素碳含量，全磷含量與堿解氮、速效磷，全鉀與堿解氮、速效磷、有機碳、胡敏酸碳、富里酸碳、胡敏素碳含量，堿解氮含量與速效磷、速效鉀、富里酸碳含量，速效磷含量與有機碳、胡敏酸碳、富里酸碳、胡敏素

碳含量以及有機碳、胡敏酸碳、富里酸碳、胡敏素碳含量彼此互相之間呈顯著或極顯著正相關。以上結果表明，土壤的物理指標、化學指標、腐殖質組分之間存在復雜的相互關系。直接用這些指標進行土壤肥力評價，必然會造成信息冗余，影響評價結果［24］。因此，本研究后續選擇主成分和聚類分析方法對不同土地利用方式的土壤肥力狀況進行綜合評定［25］。

2.5?土壤肥力質量的主成分分析

以13個土壤理化性質指標作為評定綜合肥力的基礎。對原始數據進行標準化處理，以排除不同量綱和數量級對土壤肥力評價結果的影響，確保分析結果的科學性和客觀性［25］。將標準化后的土壤指標分別記作ZBD、ZSP、ZpH、ZTN、ZTP、ZTK、ZAN、ZAP、ZAK、ZSOC、ZHAC、ZFAC、ZHMC，然后進行主成分分析。主成分分析結果的特征值（λ）表示各主成分影響的力度，一般以特征值＞1作為主成分提取個數的原則。本研究提取出2個主成分（λ1=9.58，λ2=2.31），累積貢獻率為91.49%（表3），涵蓋了原始數據的大部分信息［26］。因此，以2個主成分作為綜合變量對本試驗土壤肥力狀況進行綜合評價是科學可行的。

各指標對應主成分的載荷值除以相應主成分特征值的算數平方根，得到各指標在主成分上的特征向量，表征各原指標對于主成分的重要程度。根據主成分計算公式，得到2個主成分與13項指標的線性組合，其中有機碳（SOC）含量、容重（BD）、孔隙度（SP）及胡敏素碳（HMC）、胡敏酸碳（HAC）、全鉀（TK）、富里酸碳（FAC）、全氮（TN）含量和pH值對第1主成分的影響較大，速效鉀（AP）、速效磷（AK）、堿解氮（AN）、全磷（TP）含量對第2主成分的影響較大，各主成分函數表達式如下：

F1=0.32×ZSOC-0.32×ZBD+0.32×ZSP+0.32×ZHMC+0.31×ZHAC+0.31×ZTK+0.31×ZFAC+0.30×ZTN+0.29×ZpH-0.25×ZAP+0.21×ZAK-0.02×ZAN+0.12×ZTP；

F2=-0.04×ZSOC+0.04×ZBD-0.04×ZSP-0.08×ZHMC-0.04×ZHAC-0.01×ZTK+0.10×ZFAC+0.04×ZTN+0.01×ZpH+0.37×ZAP+0.39×ZAK+0.63×ZAN+0.54×ZTP。

每種土地利用方式的綜合得分為每個主成分得分與其對應貢獻率乘積的總和［公式為F=∑ni=1BiFi（n為主成分個數；B為第i主成分的貢獻率；F為第i主成分的得分）］。計算結果（表4）顯示，不同土地利用方式的表層土壤（0～10 cm）綜合得分范圍為-2.01～2.74；亞表層土壤（10～20 cm）為-3.43～1.33，土壤肥力綜合得分順序為旱地表層>旱地亞表層>菜地亞表層>菜地表層>園地表層>園地亞表層。不論是表層土壤還是亞表層土壤，不同利用方式之間土壤肥力綜合得分均為旱地最高，菜地次之，園地最差。

為了評定不同土地利用方式下土壤肥力的差異，本研究使用系統聚類法對3種土地利用類型土壤肥力主成分得分進行聚類分析。以歐氏距離法［27］將3種土地利用方式的表層土壤（0～10 cm）和亞表層土壤（10～20 cm）共分為5類（圖4中虛線所示），同時結合主成分分析結果賦予5個肥力等級［24，27］：一等肥力為旱地表層、二等肥力為旱地亞表層、菜地表層、三等肥力為菜地亞表層、四等肥力為園地表層、五等肥力為園地亞表層。聚類分析結果最終依然顯示旱地肥力最好，菜地次之，園地最差。

3?討論與結論

土壤物理性質可以通過影響土壤水分、空氣和熱量狀況制約礦質養分的轉化、存在形態和供給平衡，其對于持續培肥土壤、提高土壤生產力、實現土壤資源可持續利用等具有十分重要的意義［28］。研究發現，表層土壤的容重和孔隙度大小順序分別為園地>菜地>旱地和旱地>菜地>園地，沙粒含量大小順序為旱地>菜地>園地，結合土壤肥力指標的Pearson相關分析可得，沙粒含量變化規律與容重相反，與孔隙度相一致，這與王瑋璐等的研究結果［29］一致。沙粒含量產生差異的原因可能與不同土地利用方式的耕作制度和施肥模式有關，其中旱地（玉米）采用秸稈還田+翻耕起壟的耕作種植模式，菜地僅為翻耕起壟，園地則為免耕種植。路明等研究證實，秸稈還田和耕作強度都可有效增加土壤中沙粒的含量［30-31］。土壤化學性質是土壤的保肥能力、緩沖能力、自凈能力的重要反映，土壤的酸堿度、礦質養分和有機碳含量等均是化學性質的重要指標。參照《全國第二次土壤普查》分級標準［32］，旱地和菜地的pH值范圍為 4.62～5.45，屬酸性土壤，園地的pH值范圍為 4.23～4.31，屬強酸性土壤。園地土壤酸化較為嚴重，原因可能與該地區園地礦質養分的投入過量有關。分析園地的土壤養分可知，其表層土壤的全氮、全鉀及有機碳含量均為四級，屬于中下水平；堿解氮屬于三級，屬于中上水平；而全磷、速效磷、速效鉀含量均為一級，屬于極豐水平，并且各含量分別比一級標準臨界值高49%、517%和205%。這表明園地各養分含量呈現兩極分化的現象，除堿解氮含量較為合理外，全氮、全鉀及有機碳含量較低，而全磷、速效磷、速效鉀的含量又過高，尤其是對于速效鉀和速效磷而言，含量已經高出其一級臨界值的2倍和5倍以上。而已有研究證明，單一種植模式和長期過量單施化肥會加速土壤酸化［33-36］，而有機肥的投入則會緩解土壤酸化的速率［37-38］。園地種植作物為香蕉，香蕉為喜鉀作物［39］，在實際農業生產過程中過量高鉀復合肥的投入可能導致土壤速效養分失衡，加之較低的外源碳輸入種植模式，加劇了其酸化的過程。

土壤肥力是土壤各項基本理化性質指標的綜合反映，對于農業生產的高效穩定具有重要的現實意義［40-42］。由于不同土地利用方式對土地的影響強度不同，致使土壤各項肥力指標發生變化，進而導致土壤綜合肥力變化［43-44］。而僅憑1項或者幾項指標不能科學地反映土壤綜合肥力的變化趨勢，本研究以BD、SP、pH值及TN、TP、TK、AN、AP、AK、SOC、HAC、ZFAC、HMC含量共13個土壤理化性質指標作為評定綜合肥力的基礎，通過采用主成分分析和聚類分析方法［23-24］，將原始的13個肥力指標降維，主成分綜合得分計算和聚類分析結果均顯示，無論是表層土壤還是亞表層土壤，旱地的肥力狀況均為最好，菜地次之，園地最差。在評價不同土地利用方式的 13 個土壤肥力指標中，土壤SOC含量、BD、SP及HMC、HAC、TK、FAC、TN含量和pH值等對土壤肥力質量的貢獻度較大，AP、AK、AN、TP含量的貢獻度較低。因此，赤紅壤區土壤的綜合肥力主要對有機碳及其組分、物理結構（BD和SP）、全量養分（TP含量除外）和pH值的敏感性較高，對速效養分（AN、AP、AK含量）的敏感性較低。綜上可得，赤紅壤區不同土地利用方式的綜合肥力評價結果為旱地>菜地>園地，依據赤紅壤綜合肥力對不同理化指標敏感性程度的高低，建議赤紅壤區應科學施肥和測土配方施肥，同時增大土壤外源碳的輸入，豐富土壤有機碳庫儲量，進而達到改良土壤物理結構，增強土壤緩沖性能，改善土壤養分狀況的目標［45-49］，以期實現赤紅壤區農業的可持續發展。

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