摘要：崩崗產(chǎn)生的大量沙石使洪積扇位置土壤受到不良影響，土壤肥力下降。為了比較不同施肥方式對土壤肥力的改良效果，采用室外采樣結(jié)合室內(nèi)分析的方法，選擇安溪縣龍門鎮(zhèn)崩崗洪積扇5種施肥方式下的土樣進(jìn)行研究，通過分析土壤的基本理化性質(zhì)（顆粒組成、pH、CEC、有機(jī)質(zhì)以及氮磷鉀含量），利用這些指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，同時結(jié)合系統(tǒng)聚類方法對不同施肥方式進(jìn)行肥力評價。結(jié)果表明，主成分分析中不同施肥方式下的土壤肥力綜合得分由高到低依次為：施廄肥、施沼液肥+綠肥、施沼液肥、施化肥、對照。崩崗洪積扇通過長期的施肥，土壤肥力水平均得到了提高，其中以施廄肥和施沼液肥+綠肥的改良效果最好。同時，采用系統(tǒng)聚類分析對主成分分析的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，土壤肥力最高的施肥方式是施廄肥和施沼液肥+綠肥；其次是施化肥和施沼液肥；最差的是對照區(qū)土壤，2種方法所得結(jié)果一致。

關(guān)鍵詞：崩崗；洪積扇；施肥方式；主成分分析；聚類分析；土壤肥力

中圖分類號：S157.4+1；S158.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）14-3569-05

DOI：10.14088/j.cnki.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

土壤質(zhì)量是揭示土壤條件動態(tài)的最敏感的指標(biāo)，綜合反映了土壤特性[1]。土壤質(zhì)量的好壞對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響很大，土壤肥力是土壤質(zhì)量的重要屬性，反映土壤肥力水平的指標(biāo)較多，肥力指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系較明顯[2]。土壤肥力評價一直以來都有相關(guān)報(bào)道，研究的方法較多[3-5]。20世紀(jì)70、80年代，統(tǒng)計(jì)學(xué)方法開始被引入到土壤學(xué)研究領(lǐng)域，主成分分析和系統(tǒng)聚類分析在土壤肥力評價中已得到大量的應(yīng)用[6，7]。主成分分析法，又名主分量分析，是指通過降維，將多個相關(guān)的變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個相互獨(dú)立的綜合變量（主成分），從而使分析結(jié)果變得簡明的一種統(tǒng)計(jì)分析方法。主成分分析依據(jù)各變量的累積貢獻(xiàn)率和特征值來確定主成分?jǐn)?shù)。每個主成分都是原始變量的線性組合[6]。聚類分析指將物理或抽象對象的集合分組為由類似的對象組成的多個類的分析過程，對于土壤肥力的評價具有指導(dǎo)意義。

崩崗是指山坡土體或巖石風(fēng)化殼在水力和重力作用下分解、崩塌和堆積的侵蝕現(xiàn)象，屬于水力-重力侵蝕類型[8，9]。崩崗產(chǎn)生的大量沙粒等洪積物隨徑流進(jìn)入洪積扇區(qū)農(nóng)田，嚴(yán)重影響農(nóng)田土壤理化性質(zhì)，使作物減產(chǎn)或使農(nóng)田喪失耕性，威脅到當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)安全[10，11]。基于崩崗對洪積扇農(nóng)田土壤性質(zhì)的嚴(yán)重影響，如何恢復(fù)洪積扇土壤的理化性質(zhì)是亟待解決的問題，對于南方花崗巖地區(qū)農(nóng)業(yè)具有十分重大的意義。

目前有關(guān)崩崗侵蝕機(jī)理的研究較多[12，13]，而關(guān)于洪積扇農(nóng)田質(zhì)量的研究較少。洪積扇區(qū)是農(nóng)業(yè)活動最活躍的區(qū)域，采用不同施肥方式對洪積扇農(nóng)田土壤進(jìn)行改良，具有重要意義。

本研究對安溪龍門鎮(zhèn)崩崗洪積扇土壤質(zhì)量進(jìn)行調(diào)查，采用主成分分析和聚類分析對不同施肥方式的土壤進(jìn)行肥力評價，旨在為崩崗洪積扇土壤肥力的恢復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安溪縣南部的龍門鎮(zhèn)，北緯24°57′，東經(jīng)118°05′，自然氣候?qū)倌蟻啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，年平均降水量1 700～ 2 000 mm，年平均溫度20.9 ℃，日最高溫度38 ℃，日最低溫度-2 ℃，全年無霜期平均330 d左右。龍門鎮(zhèn)的崩崗數(shù)量占安溪縣之首，根據(jù)2005年調(diào)查，共有崩崗1 228個，崩崗侵蝕面積264.77 hm2，數(shù)量和面積分別占安溪縣的9.57%和11.48%，危害最大的崩崗年流失泥沙可達(dá)3 150 m3，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展[14]。龍門鎮(zhèn)主要種植茶葉等經(jīng)濟(jì)作物，同時結(jié)合生態(tài)養(yǎng)殖，形成“豬-沼-茶-林-果”立體種養(yǎng)的農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

1.2 土樣采集與處理

2013年10月10日考察了龍門鎮(zhèn)洋坑村崩崗，當(dāng)?shù)乇缻彴l(fā)育旺盛，近年來相對穩(wěn)定，土壤侵蝕對洪積扇農(nóng)田土壤的影響較大，各自產(chǎn)生洪積物呈扇形影響農(nóng)田均達(dá)上千平方米，危害范圍廣，導(dǎo)致農(nóng)田質(zhì)量下降，當(dāng)?shù)匾圆煌┓史绞綄ν寥肋M(jìn)行了改良。本研究采集崩崗洪積扇不同施肥方式的茶園土樣進(jìn)行研究，施肥方式分別包括施化肥、廄肥、沼液肥、沼液肥+綠肥，同時采集對照土樣。采樣時，除去地表凋落物，按“S”型采集10個耕作層土樣混合為1個土樣，然后采用四分法分取樣品1～2 kg帶回室內(nèi)，土樣經(jīng)自然風(fēng)干，剔除粗根和小石塊，磨細(xì)過篩，根據(jù)樣品分析的需要制備不同粒徑土樣備用。2013年11月1日至2014年1月1日進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析。

1.3 指標(biāo)測定與數(shù)據(jù)分析方法

土壤性質(zhì)采用常規(guī)方法進(jìn)行測定[15，16]。土壤含水率測定采用烘干法；土壤顆粒組成測定采用吸管法；pH測定采用電位計(jì)法；陽離子交換量（CEC）采用乙酸銨交換法；土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）測定采用重鉻酸鉀外加熱法；土壤全氮（TN）測定采用半微量凱氏法；土壤全磷（TP）測定采用硫酸—高氯酸—鉬銻抗比色法；土壤全鉀（TK）測定采用火焰光度法；土壤堿解氮（AN）測定采用堿解擴(kuò)散法；土壤速效磷（AP）測定采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀（AK）采用醋酸銨浸提—火焰光度法。

應(yīng)用Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的統(tǒng)計(jì)整理并繪制相應(yīng)的圖表，運(yùn)用SPSS Statistics 20.0軟件進(jìn)行分析，先對洪積扇土壤性質(zhì)12個指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，求出相對應(yīng)的相關(guān)矩陣，然后計(jì)算相關(guān)矩陣的特征根、方差貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率進(jìn)行主成分分析，同時結(jié)合聚類分析判斷不同施肥處理下洪積扇的土壤肥力。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤肥力主成分分析

2.1.1 洪積扇土壤性質(zhì) 由表1對照土樣的性質(zhì)可知，崩崗洪積扇土壤沙粒多、粘粒少，養(yǎng)分貧瘠，保肥能力差。但經(jīng)過施肥方式的調(diào)整后，除土壤pH沒有明顯變化外，有機(jī)質(zhì)以及陽離子交換量均有了不同程度的提高，證明施肥能夠在一定程度上提高土壤的供肥能力以及保肥能力。土壤養(yǎng)分指標(biāo)氮磷鉀含量得到提高，尤其是速效養(yǎng)分提高得最為顯著，這是施肥方式的效應(yīng)體現(xiàn)。粘粒含量增加而沙粒含量減少，說明施肥促進(jìn)了土壤細(xì)顆粒的增加，使得土壤熟化，有利于農(nóng)業(yè)的發(fā)展。不同的施肥方式之間有不同的效應(yīng)，從pH等12個指標(biāo)來看，需要采用肥力評價方式對崩崗洪積扇土壤不同施肥方式的效果進(jìn)行評估。

2.1.2 主成分提取 選取pH、有機(jī)質(zhì)（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、堿解氮（AN）、速效磷（AP）、速效鉀（AK）、陽離子交換量（CEC）、粘粒（Clay）、粉粒（Silt）和沙粒（Sand）共12個土壤肥力因子作為主成分分析的評價指標(biāo)。各指標(biāo)具有不同的量綱和數(shù)量級，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并將標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)分別記為ZpH、ZSOM、ZTN、ZTP、ZTK、ZAN、ZAP、ZAK、ZCEC、ZClay、ZSand、ZSilt（表2），然后計(jì)算出相關(guān)系數(shù)矩陣（表3），進(jìn)行主成分分析。由表3可知，部分指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著水平。將標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析得到表4，依據(jù)表4中數(shù)據(jù)，前兩個主成分的特征值>1，且累積貢獻(xiàn)率為93.475%，大于85.000%，所以前2個主成分可以代替原來的指標(biāo)對土壤肥力進(jìn)行評價。

2.1.3 特征向量和主成分得分計(jì)算 荷載值是各主成分與各指標(biāo)相關(guān)性的體現(xiàn)，特征向量即各指標(biāo)在各主成分中的權(quán)重系數(shù)（表5）。各主成分與各指標(biāo)的線性關(guān)系可表示為：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

綜合主成分得分是計(jì)算每個主成分得分與其對應(yīng)貢獻(xiàn)率之乘積總和，即F=F1×84.597%+F2×8.878%，結(jié)果見表6。求出的各處理綜合得分可以顯示出土壤肥力的好壞，得分值越高，土壤肥力越好；相反，得分值越低，土壤肥力越差。

將表2中標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)代入上列主成分與各指標(biāo)的線性關(guān)系公式中，即可得各處理在各主成分下的得分（表6）。由表6可見，在第一主成分下廄肥、沼液肥+綠肥得分最高，在第二主成分下沼液肥和化肥得分最高，兩主成分下得分的差異源于各指標(biāo)在兩個主成分中權(quán)重系數(shù)的不同。各處理的2個主成分得分與各自的方差貢獻(xiàn)率的乘積之和即為綜合得分。主成分評價的崩崗洪積扇不同施肥方式下的土壤肥力綜合順序?yàn)閹?gt;沼液肥+綠肥>沼液肥>化肥>對照。說明施廄肥改良崩崗洪積扇土壤效果最好，沼液肥+綠肥效果次之，施沼液肥的效果一般，而施化肥的效果最差。這可能是因?yàn)楸缻徍榉e扇土壤保肥能力較差，施入化肥養(yǎng)分容易流失，且流失的速度較快。

2.2 聚類分析

以各處理的綜合得分作為評價土壤肥力的新指標(biāo)，采用平方歐氏距離來衡量各處理洪積扇土壤肥力的差異，用最短距離法對各處理的土壤肥力水平進(jìn)行聚類分析，將不同施肥方式的土壤肥力進(jìn)行歸類。由聚類樹形圖（圖1）可以非常直觀地看出各施肥方式的歸類情況：施廄肥、施沼液肥+綠肥>施化肥、施沼液肥>對照。也就是將土壤肥力水平分了3個等級。一等（施廄肥、施沼液肥+綠肥）；二等（施化肥、施沼液肥）；三等（對照），土壤肥力最低。結(jié)果表明，聚類分析與主成分分析結(jié)果一致。說明施肥對于改善崩崗洪積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。其中施廄肥的效果最好，廄肥含有較多有機(jī)質(zhì)，能夠提供大量養(yǎng)分，同時對于改善土壤質(zhì)地有較好作用；施沼液肥+綠肥也能夠帶來較多有機(jī)質(zhì)，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。建議采用科學(xué)的施肥配方，可在施用廄肥熟化土壤后再配合施用化肥提高養(yǎng)分含量，科學(xué)施肥有利于崩崗洪積扇土壤肥力的恢復(fù)，這對崩崗洪積扇土壤的利用具有重要意義。

3 小結(jié)與討論

20世紀(jì)80年代，中國根據(jù)不同土壤類型設(shè)立9個土壤肥力與肥料效益長期定位監(jiān)測站。一直以來，評價土壤肥力變化的報(bào)道較多[17-19]，然而對于肥力的評價具有一定的局限性，對于肥力綜合指標(biāo)的評價近年來逐漸引起重視。近年來，關(guān)于崩崗引起的洪積扇土壤肥力、土壤理化性質(zhì)退化的有關(guān)研究有所報(bào)道。同時，如何恢復(fù)崩崗洪積扇區(qū)域的土壤肥力，將是一個待解決的問題，崩崗洪積扇影響的農(nóng)田面積較大，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有較大威脅。調(diào)整土地利用方式或者采用合理的施肥方式均能夠起到改善土壤肥力的作用[20]，通過肥力評價，對于洪積扇土壤肥力的恢復(fù)具有一定的指導(dǎo)作用。

本研究通過主成分分析法和系統(tǒng)聚類分析法評價了安溪崩崗洪積扇土壤肥力，結(jié)合反映土壤肥力的12個指標(biāo)通過SPSS軟件進(jìn)行分析。主成分分析結(jié)果表明，不同的施肥方式下的土壤肥力綜合得分由高到低依次為廄肥、沼液肥+綠肥、沼液肥、化肥、對照。崩崗洪積扇通過長期的施肥，土壤肥力水平均得到了提高，其中以施廄肥和施沼液肥+綠肥的施肥方式改良效果最好。通過主成分分析評價肥力，能夠科學(xué)、全面地反映崩崗洪積扇土壤肥力水平，為改良洪積扇土壤提供理論依據(jù)。

同時，用系統(tǒng)聚類分析對主成分分析的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，施廄肥、施沼液肥+綠肥>施化肥、施沼液肥>對照。肥力最高的為施廄肥和施沼液肥+綠肥；其次為施化肥和施沼液肥；肥力最差的是對照區(qū)土壤。證明2種方法所得結(jié)果基本一致。

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