基于聚類及PCA分析的紅壤坡耕地耕層土壤質量評價指標

金慧芳，史東梅※，陳正發，劉益軍，婁義寶，楊 旭

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基于聚類及PCA分析的紅壤坡耕地耕層土壤質量評價指標

金慧芳1，史東梅1※，陳正發2，劉益軍1，婁義寶1，楊 旭1

（1. 西南大學資源環境學院，重慶 400715； 2. 中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，昆明 650051）

為準確評價紅壤坡耕地耕層土壤質量特征，該文采用聚類分析法（CA）和主成分分析法（PCA）分別建立了南方紅壤丘陵區坡耕地耕層質量診斷最小數據集（minimum data set，MDS），并利用最小數據集土壤質量指數（soil quality index-CA, SQI-CA和soil quality index-PCA, SQI-PCA）和全量數據集土壤質量指數（soil quality index-total, SQI-T）對坡耕地耕層特征進行分析。結果表明：1）紅壤坡耕地耕層土壤質量變化特征差異明顯，其中耕層平均厚度(19.93±4.9) cm，接近作物生長適宜水平；土壤有機質、全氮平均含量分別為(17.43±8.71)和(0.97±0.42) g/kg，處于中度貧瘠化水平；土壤有效磷和速效鉀含量豐富，平均含量分別為(26.1±22.22)和(155.46±88.35 )mg/kg；pH均值為(5.34±0.77)，土壤呈弱酸性。2）紅壤坡耕地耕層土壤質量評價最小數據集由耕層厚度、土壤容重、土壤貫入阻力、土壤有機質、pH值和有效磷組成?；诓煌瑪祿母麑油寥蕾|量評價結果差異明顯，土壤質量指數變化范圍、均值表現為SQI-T>SQI-CA>SQI-PCA，變異系數表現為SQI-T

土壤；聚類分析；主成分分析；最小數據集；紅壤坡耕地；合理耕層；土壤質量

0 引 言

紅壤坡耕地是中國南方丘陵區分布最為廣泛的耕地類型。土壤酸化、有機質缺乏、養分貧瘠、黏重板結，水土流失嚴重并出現耕層退化等現象，是該區域紅壤坡耕地耕層土壤質量下降的突出表現。坡耕地耕層土壤質量是反映土壤抗侵蝕性能和生產性能等多種功能的綜合體現，其優劣受降雨、土壤和人類活動等多種因素的影響。準確提取適宜評價指標是耕層土壤質量評價的重要環節，而在評價指標篩選中，除了利用原始變量作為評價指標外，Larson等提出采用土壤參數最小數據集來鑒別評價指標間的相互關系以及反映對土壤特性和作物的影響[1]，從大量土壤參數中篩選出相對獨立、影響土壤質量的敏感性指標建立最小數據集。最小數據集作為一種評價指標篩選方法，在土壤質量評價及監測工作中使用廣泛[2-4]。目前該方法在國內外不同氣候區、不同土壤類型以及不同土地利用類型土壤質量評價中得到了廣泛的應用[5-7]。土壤質量指數比較法[8]、作物產量與最小數據集指標相關性分析法[9]，最小數據集指標與未入選指標相關性分析法[10]等是當前最小數據集合理性驗證的主要方法。

近年來，關于紅壤區土壤質量評價的研究已成為熱點，王效舉等[11]對紅壤質量時空變化的定量化評價做了研究，并根據紅壤自身特點來選取評價指標。孫波等[12]對退化紅壤土壤質量評價指標及方法進行總結，提出了紅壤質量評價指標選擇原則。史志華等[13]研究了紅壤丘陵區兩個時期土地利用變化對土壤質量的影響，表明土地利用方式和管理措施是影響土壤質量演變方向和強度的關鍵因子。王華等[14]基于定位研究對不同輪作系統紅壤區稻田土壤質量進行評價，當前對紅壤區土壤質量研究多側重于農用地土壤質量評價結果、方法及影響因素分析，而針對紅壤坡耕地耕層土壤質量的評價且關于評價指標篩選和最小數據集建立的研究較少。因此，本文以南方丘陵區紅壤坡耕地耕層土壤為研究對象，基于反映抗侵蝕性能和生產性能的土壤質量指標，通過聚類分析和主成分分析分別建立最小數據集，并采用土壤質量指數法驗證最小數據集指標合理性，探討了應用最小數據集衡量紅壤坡耕地耕層土壤質量特征的可行性和適用性，研究結果可為中國南方丘陵區紅壤坡耕地耕層土壤質量調控、作物增產和合理施肥提供重要依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于中國紅壤坡耕地廣泛分布的南方丘陵區，選擇廣東、廣西、江西和云南4?。ㄗ灾螀^）的紅壤坡耕地耕層土壤為研究對象，成土母質為第四紀紅色黏土。土體深厚、結構緊實、質地黏重，通透性差，以棱狀或大塊狀結構為主。廣東采樣點具有大陸性氣候 特征，四季分明，常年平均氣溫19.7 ℃，年均降雨量 1 550 mm，年日照時數1 654.7 h，全年無霜期273 d， ≥10 ℃有效積溫在6 100 ℃以上。廣西采樣點屬于中亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫18.9～23.3 ℃，年平均降雨量1 949.5～2 450 mm，降雨量年分配不均，秋冬季干燥少雨；年平均日照時數1670 h左右，全年無霜期300～336 d，≥10 ℃有效積溫5 064～6 380 ℃以上。江西采樣點屬于亞熱帶東南季風氣候，年均溫度18～22 ℃，年降雨量1 600～2 000 mm，多集中在4～6月，年均日照 1 860 h左右，無霜期284～320 d，≥10 ℃有效積溫 6 135～6 699 ℃以上。云南采樣點屬于北亞熱帶、南溫帶和中溫帶多種氣候帶并存的低緯高原季風氣候區，年均氣溫13.4～20.3 ℃，年均降雨量950～1 150 mm，年均日照2 450 h左右，無霜期241～315 d，≥10 ℃有效積溫2 500 ℃以上。研究區常見種植制度有花生—玉米/甘蔗輪作、花生—油菜輪作、大豆—甘薯輪作等，主要為一年一熟或一年兩熟制，近年來，三熟制開始逐漸增多，各采樣區基本情況見表1。

表1 紅壤坡耕地采樣區基本情況

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集

于2015年7月和2016年7月在4個區域選擇典型紅壤坡耕地地塊進行耕層質量調查，于樣點中間位置布置1 m′1 m樣框，采集0～20 cm耕層土壤樣品，裝入硬質塑料盒帶回實驗室自然風干，過篩后用于土壤理化性質測定。

1.2.2 土壤理化及力學性質測定

共測定土壤物理和化學指標11項，方法如下：耕層厚度采用鋼卷尺測量；土壤飽和導水率和土壤容重測定采用環刀法；黏粒、粉粒和砂粒含量測定采用吸管法；土壤有機質測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；pH值測定采用土水比1∶1電極法；全氮測定采用半微量凱氏定氮法；有效磷測定采用Olsen法；速效鉀測定采用lmol/LNH4Ac提取-火焰光度法。采用產自荷蘭便攜式14.10Pocket Vane Tester型三頭抗剪儀測定土壤抗剪強度，采用江蘇省漂陽市天目儀器廠生產的PT型袖珍貫入儀測定土壤貫入阻力。

1.3 最小數據集建立

1.3.1 聚類分析法

聚類分析是以歐式距離來衡量評價指標之間的差異性，將各指標分類并建立最小數據集，在土壤質量評價中應用廣泛。在SPSS19.0中運用歐式距離最短法對評價指標進行R型聚類分析。在相應聚合水平之間，將評價指標劃分為反映耕層土壤質量不同方面特征的若干分組。根據相關分析，每組中相關性顯著的指標可相互代替，與野外調查、文獻資料和前人研究成果相結合，剔除冗余指標，選擇具有代表性且相互獨立的指標進入最小數據集。

1.3.2 主成分分析法

主成分分析是最小數據集建立的核心方法，通過降維將多個指標轉化為少數指標，消除多重指標間的相關性，使彼此之間具有獨立性[15]。運用SPSS19.0對評價指標進行主成分分析，提取特征值≥1的主成分，將同一主成分載荷≥0.5的指標分為1組，若某評價指標在各主成分上的載荷均低于0.5，則將其劃分到載荷值最高的一組，計算評價指標的Norm值。Norm值為該指標在由成分組成的多維空間中矢量常模的長度，長度越長，表明該指標在所有主成分的綜合載荷越大，其解釋綜合信息的能力就越強。Norm值計算公式如下：

式中，N是第個指標在特征值≥1的前個主成分上的綜合載荷；u是第個指標在第個主成分上的載荷；λ是第個主成分的特征值。

分別計算各組指標Norm值，選取每組中Norm值在最高總分值10%范圍的指標[16]，進一步分析每組所選 指標的相關性，高度相關，則Norm值最大的指標進入最小數據集（minimum data set，MDS），相關度低則同組指標均進入MDS?？紤]本研究區跨度較大，選擇相關系數>0.3即為高度相關[10,17]。

1.4 土壤質量指數構建

土壤質量指數（soil quality index, SQI）是對土壤質量評價指標的集成，土壤質量指數越大，則土壤質量越高。計算土壤質量指數對土壤質量進行評價，可為土壤質量狀況和合理耕層形成障礙因素分析提供依據。根據評價指標對耕層土壤質量的正負效應，建立指標與土壤生產力之間的隸屬函數，耕層厚度、土壤飽和導水率、土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀與耕層質量呈正相關，界定為S型函數；土壤抗剪強度和貫入阻力是土壤侵蝕的重要表征指標，但與耕層質量表現為負相關，則界定為反S型函數[18-19]，土壤容重、黏粒、粉粒、砂粒以及pH值與耕層質量存在適宜臨界范圍，則界定為拋物線型函數，評價指標的最小值和最大值作為函數的轉折點，拋物線型函數指標的轉折點參見相關文獻[20]，詳見表2。

表2 耕層土壤質量評價指標隸屬函數[18-20]

基于不同數據集，各指標權重均由主成分分析獲得。分別對3種數據集指標做主成分分析，提取評價指標的公因子方差，各指標公因子方差占公因子方差之和的比例即為各數據集中評價指標權重值，計算不同數據集的土壤質量指數，計算公式如下：

式中w是第個評價指標權重，N是第個評價指標隸屬度值，為評價指標個數。

1.5 耕層土壤質量評價精度驗證

利用Nash有效系數（E）和相對偏差系數（E）分別評價基于聚類分析和主成分分析最小數據集的精確程度[21]。計算公式為：

式中R和R為基于全量數據集（total data set, TDS）計算得出的耕層土壤質量指數值和土壤質量指數平均值，R為基于MDS計算得出的耕層土壤質量指數值。有效系數（E）越接近于1，表示基于MDS計算的耕層土壤質量指數與基準值越接近，精度較高。相對偏差系數（E）越接近于0，表明基于MDS計算的耕層土壤質量指數相對于基準值偏差越小，結果越精確。

2 結果與分析

2.1 紅壤坡耕地耕層土壤質量特征

農業土壤質量一般采用土壤物理、化學和力學指標反映，紅壤坡耕地耕層土壤質量特征差異明顯。對研究區耕層土壤質量進行描述性統計特征分析，由表3可知，耕層平均厚度(19.93±4.9) cm，接近適宜作物生長的耕層厚度20 cm[15]，黏粒、粉粒和砂粒平均質量分數分別為(16.17±10.69)%、(49.7±14.68)%和(24.13±14.44)%，土壤抗剪強度平均值為(3.0 ±1.12) kg/cm2，不合理耕作活動和水土流失造成耕作土壤結構破壞、耕作性能降低，可采取適當翻耕等耕作措施。土壤貫入阻力平均值為(1.21± 0.69) kg/cm3，這主要是因為農業機械長期碾壓沒有翻耕所致其緊實，應采取適當耕作措施（如22-24 cm以下深松等）[22]。根據全國第二次土壤普查養分分級標準，土壤有機質、全氮平均值分別為(17.43±8.71) g/kg和(0.97±0.42) g/kg，均為第4級，處于中度貧瘠化水平；土壤有效磷和速效鉀分別為(26.1±22.22) mg/kg和(155.46±88.35) mg/kg，處于第2級，養分含量豐富。合理耕作和施肥，可促進作物生長，提高作物產量。平均pH值為(5.34±0.77)，土壤偏酸性，農戶盲目施肥和過量施肥是導致土壤酸化的主要原因，深松深耕、秸稈還田等耕作技術可有效調節土壤酸堿度。

表3 紅壤坡耕地耕層質量評價土壤參數統計特征

變異系數（CV）主要反映耕層土壤質量空間變異性及敏感性，變異系數越大說明評價指標對土壤質量差異性越敏感。由表3可以看出各評價指標總體上處于中低度敏感性水平。土壤飽和導水率、黏粒、砂粒、土壤貫入阻力、土壤有機質、有效磷和速效鉀為中度敏感指標（CV為40%～100%），是土壤質量調控與恢復的主要目標。屬于低度敏感（CV為10%～40%）指標有耕層厚度、土壤容重、粉粒、土壤抗剪強度、pH值和全氮，是維護耕層土壤結構穩定的主要因素，其中pH值（CV為14.3%）和土壤容重（CV為12.1%）變異系數相對較低，接近不敏感（CV<10%）水平，這說明土壤酸化是紅壤坡耕地合理耕層面臨的主要障礙因素，而土壤類型相同可能是導致土壤容重變異系數低的主要原因。檢驗結果表明，各項指標均服從正態分布（＞0.05）。

2.2 紅壤坡耕地耕層最小數據集MDS建立

2.2.1 基于聚類分析最小數據集MDS建立

基于聚類分析法中R型聚類，對全量數據集13個評價指標進行分類且分類意義明確。圖1表明，在聚合水平14～17之間，指標可明顯劃分為6類，土壤有機質、全氮、耕層厚度和土壤飽和導水率為第一類，表征土壤生產性能；有效磷和速效鉀進入第二類，表征耕層養分特征；第三類為pH值和砂粒，表征土壤酸堿度；土壤貫入阻力和粘粒為第四類，表征土壤耕性特征；第五類有土壤容重和土壤抗剪強度，表征土壤抗侵蝕性能；土壤粉粒成為第六類，表征土壤顆粒組成特征。

圖1 紅壤坡耕地耕層質量評價指標聚類分析樹狀圖

由表4可見，第一類中土壤有機質與全氮（0.885**）、土壤飽和導水率（0.618**）均為高度相關，有機質含量的增加會促進全氮含量的增加；通過合理施肥提高土壤有機質含量，可對土壤飽和導水率進行有效調控，選擇有機質進入最小數據集。耕層厚度是土壤生產力的基本限制條件，坡耕地隨著坡度增加，耕層厚度變薄，耕作條件逐級變差，前人研究表明土壤質量評價指標中耕層厚度累積使用頻率達50%，是反映土壤質量的重要指標，則耕層厚度進入MDS。第二類中有效磷是作物從土壤中獲取的主要養分資源，受施肥等外在措施補給效果甚微，王華等[14]指出紅壤中有效磷含量的變化可以反映土壤質量的變化，許明祥[20]在坡耕地質量評價中選擇有效磷代替速效鉀進入MDS，因此，選擇有效磷進入MDS。pH值是衡量土壤酸堿度的主要指標，砂粒和pH值呈顯著正相關（0.387*），土壤酸化導致紅壤坡耕地質地疏松、砂粒含量高，選擇pH值進入最小數據集。土壤貫入阻力與黏粒相關性顯著（0.441**），兩者選一項指標即可，土壤貫入阻力是反映土壤耕性的重要指標且與抗剪強度有較高相關度（0.350*），可反映耕層土壤質量多方面特征，第四組中將黏粒剔除。第五組中土壤容重和土壤抗剪強度是反映土壤抗侵蝕性能的重要指標，兩者具有顯著相關性（0.476**），土壤容重能反映土壤孔隙特征、入滲性能等土壤可蝕性多方面特征，是影響土壤抗剪強度的重要因素，土壤抗剪強度與貫入阻力相關性高，可通過土壤貫入阻力解釋部分信息，鑒于指標選擇有重復性，選擇土壤容重進入最小數據集。黏重板結是紅壤坡耕地的主要障礙因素，本研究中反映紅壤坡耕地土壤顆粒組成特征的黏粒、粉粒、砂粒變異系數分別為66.1%、29.5%和42.3%，粉粒的敏感性最低，只能反映土壤顆粒組成的少量信息，不具有代表性，因此，第六組中粉粒暫不考慮。最終確定耕層厚度、土壤容重、土壤貫入阻力、土壤有機質、pH值和有效磷共6個指標進入最小數據集?；谥鞒煞址治龇ǖ玫街笜藱嘀胤謩e為耕層厚度0.161、土壤容重0.207、土壤貫入阻力0.108、土壤有機質0.172、有效磷0.208和pH值0.144。

表4 紅壤坡耕地耕層評價指標Person相關系數矩陣

Note:**＜0.01; *＜0.05

2.2.2 基于主成分分析最小數據集MDS建立

基于主成分分析結果，紅壤坡耕地耕層土壤質量評價指標中特征值大于1的有4個主成分，累計貢獻率達73.51%，滿足信息提取的要求。土壤速效鉀在4個主成分中因子載荷都小于0.5，則將其劃分到載荷值最高的一組（見表5）。耕層厚度、土壤容重、土壤有機質、全氮和有效磷進入第一組，耕層厚度與全氮、有機質相關性高（0.502**，0.561**），則Norm值最高的土壤有機質進入最小數據集。土壤有機質和土壤容重相關性高（-0.522**），結合Norm值將土壤容重剔除。土壤有機質和有效磷相關性高（0.449**），則土壤有機質進入MDS。第二組中粉粒和砂粒相關性高（-0.731**），結合Norm值粉粒被剔除。第三組黏粒和土壤貫入阻力有較高相關性（0.441*），比較兩者Norm值大小，土壤貫入阻力進入MDS。第四組土壤抗剪強度和速效鉀相關性低，均進入最小數據集。最終確定土壤飽和導水率、砂粒、土壤貫入阻力、土壤抗剪強度、土壤有機質、pH值和速效鉀共7個指標進入最小數據集。提取評價指標的公因子方差，得到最小數據集指標權重依次為土壤飽和導水率0.184、砂粒0.137、土壤貫入阻力0.142、土壤抗剪強度0.133、土壤有機質0.182、pH值0.144和速效鉀0.078。

2.2.3 最小數據集合理性驗證

最小數據集評價指標體系合理性驗證是耕層土壤質量評價的重要環節。計算基于不同數據集的土壤質量指數，全量數據集土壤質量指數（SQI-T）變化幅度為0.318～0.696，均值為0.529±0.09，變異系數為20.1%，屬中度變異性?；诰垲惙治鐾寥蕾|量指數（SQI-CA）在0.349～0.636之間變化，均值為0.476±0.11，變異系數為23.1%，為中度變異性?；谥鞒煞址治鐾寥蕾|量指數（SQI-PCA）的變化區間值為0.298～0.529，均值和變異系數分別為0.463±0.12和53.9%，接近高度變異性。SQI-CA較SQI- PCA變化幅度、均值和變異系數更接近SQI-T。將SQI-T分別與SQI-CA、SQI-PCA作散點圖，進行回歸分析，從擬合效果來看(圖2)，SQI-T與SQI-CA、SQI-PCA均呈顯著正相關，但R分別為0.745和0.706，SQI-T與SQI-CA擬合效果更優，SQI-T與SQI-CA、SQI-PCA的Nash有效系數分別為0.539和0.528，偏差系數分別為0.122和0.124，平均相對誤差分別為0.122和0.128。結果表明采用基于聚類分析最小數據集（MDS-CA）較基于主成分分析最小數據集（MDS-PCA）對紅壤坡耕地耕層土壤質量進行評價準確性更高，故選擇MDS-CA替代全量數據集對紅壤坡耕地耕層土壤質量進行評價。

表5 紅壤坡耕地耕層土壤質量評價指標載荷矩陣和Norm值

計算采樣點基于MDS-CA的土壤質量指數值來衡量研究區耕層土壤質量水平。將紅壤坡耕地耕層土壤質量等距離劃分為低（0

圖2 基于不同數據集紅壤坡耕地土壤質量指數的相關性

2.3 紅壤坡耕地耕層合理性診斷

基于紅壤坡耕地耕層質量MDS診斷結果，以基于聚類分析得出的最小數據集指標，耕層厚度、土壤容重、土壤貫入阻力、土壤有機質、pH值和有效磷作為合理耕層診斷指標。土壤質量指數（SQI-CA）取值范圍在0～1之間，其值越高，表明各診斷指標對作物生長貢獻率越大，作物產量越高[23]，根據耕層土壤質量與作物產量的對應關系，判定土壤質量指數（0

表6 紅壤坡耕地合理耕層適宜性閾值診斷

綜合分析野外調查、室內試驗結果以及評價指標隸屬度函數類型，表明上述指標中土壤容重、土壤有機質和pH值存在一個合理耕層適宜區間，多或少都將成為限制因子。耕層厚度、土壤有機質和有效磷是越大越好，土壤貫入阻力則是越小越好，超過某一值，影響將越來越小。由于土壤參數變異性較大，以耕層土壤參數平均值為參考基準，結合診斷指標隸屬度為1表征最優值，隸屬度為0表征最差值，將土壤參數適宜度等距離劃分為不適宜、較適宜和最適宜[27]，選擇土壤參數隸屬度在較適宜（0.33～0.66）和最適宜（0.66～1）為土壤參數適宜范圍。綜合分析及比較各采樣點土壤參數較適宜和最適宜變化范圍以及土壤質量指數為中產、高產樣點對應土壤參數變化范圍，初步界定紅壤坡耕地合理耕層適宜性閾值（合理耕層土壤參數變化范圍臨界值）為：耕層厚度≥20.39 cm，土壤容重0.92～1.21 g/cm3，土壤貫入阻力≤1.21 kg/cm3，土壤有機質含量≥18.82 g/kg，pH值5.04～5.38，有效磷≥28.83 mg/kg。

3 討 論

坡耕地耕層土壤質量評價一般是基于農作物的生產力、土壤理化及力學性質?；趪鴥韧馔ㄟ^建立MDS對耕地土壤質量評價的研究成果[17,20,28-35]，本研究對其全量數據集和最小數據集評價指標進行了匯總及對比分析，結果表明土壤質量評價指標涉及范圍廣泛，幾乎涵蓋了土壤質量的物理、化學和生物等各個方面的特征。

圖3分別列出了全量數據集和最小數據集評價指標中使用頻率最高的前10個指標。從全量指標使用頻率排序（圖3a）來看，土壤容重、黏粒、pH值是土壤質量評價中幾乎必須考慮的指標，使用頻率達90%；全氮使用頻率為70%；團聚體平均重量直徑（mean weight diameter, MWD）、粉粒、砂粒、有機質和孔隙度次之，均為60%；使用頻率為50%的是有效磷。最小數據集(圖3b)中使用頻率最高的前3位是土壤容重、pH值和MWD，三者均為40%；有機質、全氮和鈉吸附比次之，使用頻率為30%；使用頻率為20%的有粘粒、土壤有效含水量、有效磷和有機碳。本研究13個全量數據集評價指標中有7個進入全量數據集評價指標使用頻率前10位；最小數據集（MDS-CA）6個評價指標中有4個進入最小數據集評價指標使用頻率前10位，與前人研究結果相似，表明本研究中全量數據集和最小數據集評價指標體系均有較好代表性，適宜于耕層土壤質量評價。

土壤侵蝕是衡量土壤質量的關鍵因素，土壤侵蝕的發生會加速耕層退化，導致土壤養分和生產力逐漸減弱，作物產量和耕層質量降低[29]。在土壤侵蝕的過程中，隨著土層深度增加，土層厚度不斷減薄，土壤抗侵蝕性能和生產力不斷降低。紅壤坡耕地耕層厚度與作物產量呈顯“上梯型”關系，耕層越厚，產量越高，以20 cm處為顯著分界點，高于此厚度，作物產量有很大提高[15]。土壤容重對土壤入滲有重要影響，容重越大，其阻礙水分入滲越明顯。當容重為1.15 g/cm3時為紅壤坡耕地防止土壤侵蝕，增加水分入滲的最佳狀態[36]。土壤貫入阻力越大，土壤穩定性越強，耕作頻率和施肥處理均可通過改變土壤容重和含水率來改變紅壤坡耕地耕層土壤貫入阻力大小[37]。隨著土壤侵蝕程度的加劇，紅壤坡耕地耕層土壤養分流失越明顯，土壤有機質含量在20.1～38.08 g/kg，有效磷含量在0.31～1.33 mg/kg、PH值在4.06～4.16之間時為輕度侵蝕或無明顯侵蝕程度[38-39]。其中磷素流失主要集中在6-9月，強暴雨下對土壤的沖刷是造成紅壤坡耕地養分流失的直接原因。本研究中紅壤坡耕地耕層厚度總體處于適宜水平，土壤平均容重1.24 g/cm3，抗侵蝕性能較強、入滲性能略差。土壤貫入阻力偏小，有利于作物根系生長。土壤有機質和有效磷總體處于輕度或無明顯侵蝕程度，pH值處于中度侵蝕水平?？傮w上看，土壤侵蝕程度將直接影響到耕層土壤質量和作物產量高低。在坡耕地采取深松少耕、秸稈還田等保護性耕作措施以及合理施肥調節土壤酸堿度，可減少土壤侵蝕，改進耕層土壤質量，促進作物增產。

圖3 全量數據集與最小數據集耕地土壤質量評價指標使用頻率排序

4 結 論

1）紅壤坡耕地耕層土壤各評價指標特征差異明顯。耕層平均厚度(19.93±4.9) cm，接近作物生長適宜厚度；土壤有機質和全氮平均含量分別為(17.43±8.71)和(0.97± 0.42 )g/kg，處于中度貧瘠化水平；有效磷和速效鉀平均含量分別為(26.1±22.22) g和(155.46±88.35) mg/kg，含量豐富；平均pH值為(5.34±0.77)，土壤呈若酸性。各評價指標總體處于中低度敏感水平。

2）紅壤坡耕地最小數據集由耕層厚度、土壤容重、土壤貫入阻力、土壤有機質、pH值和有效磷組成。不同數據集耕層土壤質量評價結果及相關性差異明顯，土壤質量指數變化范圍表現為SQI-T（0.318～0.696）>SQI-CA（0.349～0.636）>SQI-PCA（0.298～0.529），平均值為SQI-T（0.529±0.09）>SQI-CA（0.476±0.11）>SQI-PCA（0.463±0.12）。變異系數表現為SQI-T（20.1%）

3）紅壤坡耕地大部分耕層土壤質量處于中等水平，具備保水、保土、保肥及增產潛力合理耕層應具備較厚的耕層厚度，適當的土壤容重、有機質含量和pH值，較小的土壤貫入阻力，較高的有效磷含量。初步確定紅壤坡耕地合理耕層適宜性閾值為：耕層厚度≥20.39 cm，土壤容重0.92～1.21 g/cm3，土壤貫入阻力≤1.21 kg/cm3，土壤有機質含量≥18.82 g/kg，pH值5.04～5.38，有效磷≥28.83 mg/kg，合理深松是構建合理耕層的有效措施 之一。

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Evaluation indicators of cultivated layer soil quality for red soil slope farmland based on cluster and PCA analysis

Jin Huifang1, Shi Dongmei1※, Chen Zhengfa2, Liu Yijun1, Lou Yibao1, Yang Xu1

(1.400715,;2.650051,)

The minimum data set (MDS) is the least indicators collection that can reflect the information of total soil quality well, which can effectively improve the real-time characteristic and application of soil quality assessment. In order to characterize the soil quality of cultivated layer for slope farmland in southern red soil hilly area, the paper established the MDS for quality diagnosis of cultivated layer for slope farmland by cluster analysis (CA) and principal component analysis (PCA) respectively, and furthermore analyzed soil quality characteristics of cultivated layer adopting 3 different soil quality indices (SQI), including SQI-T (data from total soil indicators), SQI-CA (data from CA indicators) and SQI-PCA (data from PCA indicators). The results showed: 1) Soil quality of cultivated layer for slope farmland varied significantly among different red soil sites. The average cultivated layer thickness of 19.93±4.9 cm was in suitable level for crop growth, and the soil organic matter content of 17.43±8.71 g/kg and the soil total nitrogen content of 0.97±0.42 g/kg were in moderately barren level, but the soil nutrients of effective phosphorus of 26.1±22.22 mg/kg and available potassium of 155.46±88.35 mg/kg were rich for crop growth. The soil pH value of 5.34±0.77 was faintly acidic. 2) The MDS on soil quality diagnosis of cultivated layer for red soil slope farmland included such indicators as cultivated layer thickness, soil bulk density, soil penetration resistance, soil organic substance, pH value and soil available phosphorus. The assessment results of soil quality of cultivated layer based on 3 different data sets are distinct greatly, the variation range and the mean of soil quality index were showed as SQI-T > SQI-CA > SQI-PCA and the variation coefficients presented as SQI-T < SQI-CA < SQI-PCA. Furthermore, the relevance and Nash efficiency coefficient between SQI-CA and SQI-T were higher than that between SQI-PCA and SQI-T, and the relative deviation coefficient and the average relative error between SQI-CA and SQI-T were lower than that between SQI-PCA and SQI-T, which illustrated that MDS-CA (MDS based on CA) was more appropriate than MDS-PCA (MDS based on PCA) to reflect the information of the total data set (TDS) for soil quality assessment of cultivated layer for red soil slope farmland. 3)From the perspective of soil and water conservation, fertilizer conservation and yield-increasing potential, the suitability thresholds of those diagnostic parameters for cultivated layer of red soil slope farmland were indicated as follows: the cultivated layer thickness of ≥20.39 cm, the soil bulk density of 0.92-1.21 g/cm3, the soil penetration resistance of ≤1.21 kg/cm3, the soil organic matter content of≥18.82 g/kg, the pH value of 5.04-5.38 and the effective phosphorus content of ≥28.83 mg/kg. Rational deep-loosening is one of the effective measures for reasonable cultivated layer construction. These results can provide some useful parameters not only for the soil quality recovery of the cultivated layer but also for the suitability regulation of the crop growth and the control of soil and water loss of slope farmland, which are also conducive to the sustainable utilization of the slope farmland resources in red soil hilly area.

soils;cluster analysis; principal component analysis; minimum data set; red soil slope farmland; reasonable cultivated layer; soil quality

金慧芳，史東梅，陳正發，劉益軍，婁義寶，楊 旭. 基于聚類及PCA分析的紅壤坡耕地耕層土壤質量評價指標[J]. 農業工程學報，2018，34(7)：155－164. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.020 http://www.tcsae.org

Jin Huifang, Shi Dongmei, Chen Zhengfa, Liu Yijun, Lou Yibao, Yang Xu. Evaluation indicators of cultivated layer soil quality for red soil slope farmland based on cluster and PCA analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 155－164. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.020 http://www.tcsae.org

2017-09-11

2018-02-28

公益性行業（農業）科研專項“坡耕地合理耕層評價指標體系建立（201503119-01-01）”

金慧芳，博士，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究。 Email：jinhuifangicola@163.com

史東梅，博士，教授，博士生導師，主要從事水土生態工程、土壤侵蝕與水土保持研究。Email：shidm_1970@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.020

S157.1

A

1002-6819(2018)-07-0155-10