基于主成分分析和聚类分析的牟定植烟土壤养分特征分析

刘羿男,汪应华,肖毅为,吴 佳,王永平,董少坤,丁从凯,胡小东，2

(1.云南省烟草公司楚雄州公司, 云南楚雄 675000;2.云南农业大学, 云南昆明 650201)

适宜条件的植烟土壤是优质烟叶生产的基础，土壤养分是衡量土壤综合生产力的重要指标[1]，优质烟叶的生产与植烟土壤的养分状况有着密切联系，直接影响烟叶的外在和内在质量评价[2]。

楚雄州是云南省重要的植烟地州之一，其海拔和气候因子适宜优质烟叶原料的生产[3-4]。牟定县作为楚雄州光、热、降水条件较好的县份之一，是楚雄州主要的植烟区。牟定县2020年烟叶种植面积2 733 hm2，收购烟叶110.7 t，上等烟比例70%以上，烟叶收购等级合格率80%以上，综合等级纯度90%以上，国家局工商交接合格率达到全省平均水平，等级质量和品种纯度符合工业卷烟配方需要[5]。

酸碱度是土壤化学性质和综合肥力的重要指标之一，直接影响土壤物理结构稳定性、养分转化及有效性和微生物群落多样性结构[6]。烤烟作为喜偏酸土壤的作物，优质烤烟的土壤pH是5.5～6.5[7]。土壤电导率是反映盐分、水分、温度、有机质含量和质地结构的重要指标之一，对于土壤养分综合评价和盐基离子转运规律具有指导性意义[8-10]。

土壤养分是土壤肥力的主要基础指标，包括有机态、水溶态和交换态等[11]。烤烟生长过程所需的养分较多，其中有机质、氮、磷和钾作为较为主要的养分，对烤烟的生长发育起到关键性作用[12]。近年来对于云南省各植烟区的土壤养分研究较多[13-16]，但针对楚雄州牟定县植烟土壤pH和主要养分特征分析的研究较少，科学、准确地了解牟定县植烟土壤肥力状况，对更好地利用楚雄州植烟土壤资源、改善土壤肥力、调节土壤养分供给、指导烤烟合理施肥和促进烤烟可持续生产发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况牟定县位于云南省中北部，楚雄彝族自治州中部。地跨101°19′～101°51′E、25°09′～25°40′N，境内最低海拔1 140 m，最高海拔2 897 m，县城所在地共和镇平均海拔1 758 m；牟定县总面积1 464 km2，下辖4个镇3个乡。牟定县地处亚热带季风气候区，常年平均气温为15.8 ℃，年平均降雨量为872 mm，无霜期238 d，全年日照时数为2 359 h。日照充足，气候温和。

1.2 云南省主要植烟区土壤养分调查收集并分析了云南省[2]、大理州[17]、丽江市[18]、施甸县[19]、昆明市[20]等植烟区土壤的养分含量，并与牟定县的同类别指标进行对比。

1.3 样品采集2018年3—4月，在前茬作物采收后，烤烟移栽前，根据地貌和植烟区域分布情况，选择有代表性的地块，在全县植烟区域取样195个，分别是安乐乡14个、凤屯镇29个、共和镇60个、江坡镇43个、蟠猫乡8个、新桥镇31个、戌街乡10个。

采用梅花采样法，在植烟地块表层0～20 cm采集5个土样，四分法取约1 kg混合土样装于样品袋中。

前作以冬闲田、蚕豆、油菜、小麦为主，其中，前作为冬闲田的取样点有105个，前作为蚕豆的取样点有34个，前作为油菜的有22个，前作为小麦的有11个，前作为其他的有23个。

1.4 样品检测方法土样经自然风干后研磨过60目筛，送入云南省烟草农业科学研究院实验室进行测定。有机质、pH、电导率、总氮、水解性氮、有效磷和水溶性氯分别按照 NY/T 1121.6—2006(有机质)、NY/T 1121.7—2014(有效磷)、HJ 962—2018(pH)、HJ 802—2016(电导率)、LY/T 1228—2015(总氮)、DB64∕1734—2020(水解性氮)、NY/T 1378—2007(水溶性氯)规范测定。

1.5 数据分析运用 IBM Statistics SPSS 22.0和 Excel 2010 对试验数据进行描述统计分析、方差分析、主成分分析和聚类分析。主成分分析，首先对同一类别指标在对数据进行正态性检验后，采用Z-Score消除量纲来解释原变量的协方差结构；其次采用因子分析判定KMO检验统计量(Kaiser-Meyer-Olkin Measure of Sampling Adequacy.)>0.5，且Bartlett’s Test of Sphericity相伴概率P<0.05，表明所有数据通过检验可用于主成分分析。根据初始特征值>1和累计贡献率>80%的原则，筛选各分析类别的主成分数目。多重比较采用Student-Newman-Keuls方法。

2 结果与分析

2.1 牟定县与云南省主要植烟区土壤养分比较由表1可知，牟定县植烟土壤pH、有机质、速效磷、全氮、水解性氮、水溶性氯等各项指标均处于云南省主要植烟区同类指标适中范围内。

表1 牟定县与省内其他植烟区土壤养分比较Table 1 Comparison of soil nutrients between Mouding County and other tobacco planting areas in the province

2.2 牟定县植烟土壤养分状况由表2可知，牟定县植烟土壤pH平均值为6.43，对烤烟种植而言较为适宜；有机质、速效磷含量中上，全氮含量较高，但水解性氮相对缺乏，水溶性氯在适宜范围内。水溶性氯和电导率变异系数较大，分别为124.62%和80.57%，空间变异较大。

表2 牟定县植烟土壤养分状况Table 2 Nutrient status of tobacco planting soil in Mouding County

2.3 牟定县各乡镇土壤养分状况在综合分析楚雄州烟区烟草实际生产和多年烟草专用肥试验的基础上，参照云南植烟土壤养分评价标准和相关研究[21]，确定了土壤养分丰缺评价体系(表3)。

表3 牟定县各乡镇植烟土壤分级标准Table 3 Grading standards for tobacco planting soils in each township of Mouding County

2.3.1pH。土壤酸碱度常影响烟草生长和施肥效果，是土壤肥力的一项指标。普遍认为，烤烟适宜的土壤pH为5.5～7.0[22]。从表4可以看出，牟定县各乡镇的土壤pH总体上均在适宜范围内，其变异系数不大，各乡镇的均值在5.56～7.24，戌街乡的pH最低，均值为5.56，蟠猫乡的pH平均值最高，为7.24。尽管牟定县大部分土壤适宜烤烟种植，pH微酸性(pH 5.50～<6.50)的比例为33.85%，但仍有15.90%的土壤pH>7.50，对这部分土壤应注意施用农家肥或有机肥，减少施用碱性肥料。

表4 牟定县各乡镇pH分布Table 4 pH distribution of each township in Mouding County

2.3.2电导率。土壤电导率反映了一定水分条件下土壤盐分的实际状况，在一定浓度范围内，土壤溶液含盐量与电导率呈正相关关系，溶解的盐类越多，电导率越大[23]。土壤溶液电导率是影响植物和微生物活性的重要因素，通过电导率反映土壤盐渍化程度，可及时诊断农业生产问题[24]。

牟定县植烟土壤195个取样点电导率分布情况见表5，从表5可以看出，各乡镇植烟土壤电导率平均值在74.39～281.57 μS/cm，变异系数均在40%以上，从全部取样点数据来看，电导率最大值为857 μS/cm，最小值为2.69 μS/cm，差异十分明显，说明牟定县植烟土壤电导率差异较为明显。当土壤电导率超过600 μS/cm时，作物根系吸收水分、养分受阻。牟定195个取样点中，仅有5个取样点的电导率超过600 μS/cm，占比仅为2.56%，说明牟定县的植烟土壤盐化程度较低，对烤烟种植影响较小。

表5 牟定县各乡镇电导率分布情况Table 5 Distribution of conductivity in each township of Mouding County

2.3.3有机质。土壤有机质是土壤中最活跃的部分，是植物矿质营养的重要来源之一，是衡量肥力水平的主要标志，是土壤肥力的物质基础。有机质能促使土壤形成团粒结构，改善土壤物理、化学及生物学过程，提高土壤的吸收性能和缓冲性能[25]。有机质含量10～40 g/kg适宜于优质烟的生产，在温暖多雨的地区有机质含量高于60 g/kg以上也能产出优质烟叶，关键在于氮的调控[26]。从表6可以看出，牟定县各乡镇的植烟土壤有机质含量较为丰富，有75.38%的取样点有机质含量分布在10～40 g/kg，低于10 g/kg的取样点仅占比5.13%，高于40 g/kg占比19.49%。

表6 牟定县各乡镇有机质分布Table 6 Distribution of organic matter in each township of Mouding County

2.3.4全氮。氮是决定烟草产量及品质最重要的营养元素，烟株生长的农艺性状、产质量和内在化学成分、致香物质和品吸效果均取决于土壤氮的供应。从表7可以看出，牟定县各乡镇的全氮平均值在1.38～3.02 g/kg，属于中上到丰富水平，全县仅有3.59%的取样点全氮属于缺乏水平，43.59%取样点全氮含量属于丰富水平，说明牟定县植烟土壤的供氮潜力较好，在生产中要注意控制氮肥水平。

表7 牟定县各乡镇全氮分布情况Table 7 Distribution of total nitrogen in each township of Mouding County

2.3.5水解性氮。土壤水解性氮是植物可以直接吸收利用的水溶性氮，其含量与植物生长具有密切的关系，是土壤肥力的重要指标。从表8可以看出，牟定县各乡镇的水解性氮平均值在83.41～145.79 mg/kg，属于中上到丰富水平，全县仅有17.44%取样点水解性氮属于缺乏水平。各乡镇中，风屯、共和和蟠猫3个乡镇水解性氮含量超过150 mg/kg的取样点占比较高，需要在施肥时注意控制氮肥用量。

表8 牟定县各乡镇水解性氮分布情况Table 8 Distribution of hydrolytic nitrogen in each township of Mouding County

2.3.6速效磷。磷是植物必需营养元素之一，参与组成烤烟体内许多重要化合物，对植物的抗逆性具有重要作用，因土壤对磷有很强的化学固定能力，一般土壤的供磷水平通常用速效磷含量表示。由表9可知，牟定县植烟土壤速效磷含量在缺乏和中下的占比53.33%，中上至丰富的占比46.67%。戌街乡速效磷含量平均为14.76 mg/kg，中下和缺乏占比90%，要注意肥料配方中调整磷肥比例。全县速效磷变异系数为76.66%，属于强变异，说明牟定县速效磷含量空间变异较大。

表9 牟定县各乡镇速效磷分布情况Table 9 Distribution of available phosphorus in each township of Mouding County

2.3.7水溶性氯。氯是烟草必需的微量元素，但烟草对氯比较敏感，氯肥供应过量时，叶片厚而脆，弹性不足，燃烧性下降，品质变劣。由表10可知，牟定县水溶性氯总体情况较好，全县近70%均在最适宜范围内，但仍有13.85%在不适宜范围内，应引起重视。全县水溶性氯变异系数为124.62%，属于强变异，说明牟定县水溶性氯含量空间变异较大。各乡镇中，共和镇平均含量为53.60 g/kg，变异系数85.53%，总体含量偏高，变异系数在各乡镇中最小，因为共和镇近年来蔬菜种植区规模逐步扩大，与植烟区域重合度较高，对植烟土壤水溶性氯离子影响较大。

表10 牟定县各乡镇水溶性氯分布情况Table 10 Distribution of water soluble chlorine in each township of Mouding County

2.4 牟定县各乡镇土壤养分状况主成分分析为明确各个养分指标的相对重要性，应用SPSS 22.0统计软件对土壤中7个养分指标进行了主成分分析[27]。从表11可以看出，各个公因子的方差比，仅速效磷的提取比例为57.6%，其他6个变量的提取量均超过80%，说明总体上各变量的信息提取比较充分。

表11 各公因子方差比Table 11 Variance ratio of different factors

所有特征根及其占相应特征根的百分比(贡献率)和累计百分比见表12(按从大到小的顺序排列)。第一个主成分的特征根为3.726，贡献率为53.234%；第二个主成分的特征根为1.164，贡献率为16.629%；第三主成分的特征根为0.975，贡献率为13.928%，三者累计贡献率为83.791%，超过80%，因此，确定选取3个主成分。第一主成分主要包含有机质、速效磷、水解性氮、水溶性氯和全氮的信息，具有较大的载荷；第二主成分主要包含pH、电导率和水溶性氯的信息；第三主成分主要包括水溶性氯、pH和电导率的信息(表13)。

在SPSS中计算3个主成分的综合得分。由SPSS根据成分得分系数矩阵(表14)自动计算，得到每个主成分的结果分别是FAC1、FAC2和FAC3。然后按照以下公式计算综合得分：综合得分F= (主成分1对应的方差百分比)/(总方差百分比)×FAC1+(主成分2对应的方差百分比)/(总方差百分比)×FAC2+(主成分3对应的方差百分比)/(总方差百分比)×FAC3。

表12 各变量的特征根及相应的贡献率Table 12 Characteristic roots and corresponding contribution rates of variables

表13 3个主成分的特征向量Table 13 Eigenvectors of the three principal components

表14 成分得分系数矩阵Table 14 Component score coefficient matrix

2.5 牟定县各乡镇土壤养分状况聚类分析聚类分析作为一种探索性的分类方法，是一种建立分类的多元统计分析方法，它能够将一批样本(或变量)数据根据其诸多特征，按照性质上的亲疏程度在没有先验知识的情况下进行自动分类，产生多个分类结果[27]。为减少土壤养分分类的指标数量，保证样品分类结果的可信度与科学性，将主成分分析的结果(即195个样品的3个主成分的综合得分)进行聚类分析。在方法上采用组之间的链接，采用平方Euclidean距离方法，3个主成分的综合得分为聚类变量，可将195个样品分成四大类，聚类结果见图1。

图1 195个土壤样品聚类分析Fig.1 Cluster diagram of 195 soil samples

4类土壤特性见表15，其土壤养分特性具有明显差异：Ⅰ类占比43.08%，pH居中；电导率高；氯离子、有机质、速效磷、水解性氮和全氮居中；Ⅱ类占比55.90%，pH较低；电导率居中；有机质、速效磷、水解性氮和全氮较低；Ⅲ类占比0.51%，pH居中；电导率较低；有机质、速效磷、氯离子、水解性氮和全氮含量较高；Ⅳ类占比0.51%，pH较高；电导率较低；有机质、速效磷、氯离子、水解性氮和全氮含量最高。

表15 各类别土壤主要养分指标Table 15 Main nutrient indexes of different types of soils

3 结论

该研究结果表明，牟定县植烟土壤综合养分情况较为适宜，全县7个乡镇的相关指标较为合理，均为适宜植烟区域。牟定县各乡镇的土壤pH总体上都在适宜范围内，且变异系数不大，但要注意部分地区pH偏高，需要注意避免施用碱性肥料，适当增施农家肥或有机无机复合肥进行调节；牟定植烟土壤电导率较为适宜，说明土壤盐化程度较低，但电导率空间分布差异较为明显。

牟定植烟土壤的有机质含量较为丰富，但戌街和新桥有机质含量较低；牟定县植烟土壤的全氮和水解性氮表明供氮潜力和能力较好，在生产中要注意采取适当的控氮措施，控制氮肥水平，避免烟株生长后期因氮素过多推迟落黄，增加烘烤难度，降低内在品质。

牟定县有近50%的植烟土壤速效磷含量丰富，但空间变异较大，戌街乡速效磷含量较低，在施肥中应适当补充；烟草对氯反应比较灵敏，土壤含氯量过低会对烟草生长不利，但过高会影响烟叶含氯量[28]。我国一般要求烟叶中含氯量小于1%，以0.3%～0.8%为宜。牟定县植烟土壤中水溶性氯总体情况较好，但要注意空间变异较大，且共和镇的水溶性氯含量偏高、变异较强。

按照主成分分析和聚类分析结果，牟定县植烟土壤可以分为4类，但98.98%的植烟土壤分为2类，这2类的7个指标基本在适宜范围内，但第1类要注意水溶性氯和电导率稍微偏高。