土壤肥力是指土壤供应植物生长所必需养料的能力，是土壤物理、化学和生物学性质的综合反映^[1-2]。不同施肥模式对土壤肥力质量具有很大的影响，合理评价土壤肥力对指导科学施肥具有重要意义^[3]。目前，评价土壤肥力质量的方法有专家打分法^[4]、指数和法^[5]、灰度关联分析法^[6]、主成分分析法^[7]、聚类分析法^[8]、Fuzzy 综合评价法^[9] 等。这些方法的优点是能够为定量评价土壤肥力发挥作用，但由于土壤类型不同，肥力质量迥异，评价方法不同，评价指标权重的确定、土壤肥力等级的划分尚无统一的标准。近年来，越来越多的学者倾向于将主成分分析与聚类分析结合作为一种新的评价方法，即主成分—聚类分析法，来评价土壤肥力^[10]。主成分分析是利用“降维”的思想，在损失很少信息的前提下，将多个指标转化为几个综合指标。通常把转化生成的综合指标成为主成分，其中每个主成分都是原始变量的线性组合，且每个主成分之间互不相关，这就使得主成分比原始数据具有更优越的性能^[11]。聚类的原理是，首先将一定数量的样品或指标各自看成一类，然后根据样品 （或指标）的亲疏程度，将亲疏程度最高的两类进行合并，然后考虑合并后的类与其他类之间的亲疏程度，再进行合并，重复这一过程，直到将所有的样品（或指标）合并为一类^[11]。主成分分析与聚类分析结合可以减少人为因素的影响，有利于更加合理地评价和划分土壤肥力等级。

山西省是我国特色农业大省，也是重要的粮食种植区，褐土是山西主要类型之一。在当地调查研究发现，农民施用肥料时，存在一定的盲目性，有时受经济利益的驱使，甚至认为化肥施得越多，作物产量越高。因此，研究不同施肥处理下的褐土肥力质量，对山西省土壤肥力培育及合理施肥具有重要意义。土壤肥力的发展和演变是一个漫长而复杂的过程^[10]，长期定位试验有利于合理、全面地解释这一变化，目前关于褐土长期施肥下，土壤肥力质量的研究还比较少。本试验基于长达 28 年的定位试验，以 9 个不同施肥处理的耕层土壤（0～20 cm）为研究对象，采用主成分—聚类分析方法，探讨不同施肥模式对褐土肥力质量的影响，为山西褐土的肥力培育及合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本长期定位试验位于山西省晋中市寿阳县宗艾镇宗艾村“国家农业环境寿阳观测实验站” （37°58′23″N、113°06′38″E）（图1）。实验站海拔 1130 m，地块平坦，土壤发生分类为褐土，成土母质为马兰黄土，系统分类属于简育干润雏形土^[12]，土层深厚，地下水埋深在地表50 m 以下。属中纬度暖温带半湿润偏旱区大陆性季风气候区，年均气温 7.4℃，年均降水量 500 mm，而年均蒸发量为年均降水量的 3 倍多，为 1600～1800 mm。该区气候特征为四季分明、季节温差大，无霜期 130 d 左右。供试土壤剖面性状：0～30 cm，耕层，灰褐色，轻壤土，疏松，少量灰渣侵入，根系多； 30～45 cm，犁底层，浅灰黄色，中壤土，紧实，少量灰渣侵入，根系中量。试验地初始 pH 为 8.4，有机质为 23.8 g/kg、碱解氮为 117.69 mg/kg、有效磷为 4.84 mg/kg。

本长期定位试验从 1992 年春开始种植春玉米，采用大田裂区方式分布。选择 9 个处理，分别为 4 个氮磷化肥配施处理（N₁P₁、N₂P₂、N₃P₃、N₄P₄），3 个有机无机配施处理（N₃P₂M₃、N₄P₂M₂、N₂P₁M₁），1 个施用高量有机肥的处理 M₆ 和 1 个不施肥的对照 （CK）。每个处理 3 个生物学重复，共 27 个小区，每个小区面积为 66.7 m²，玉米品种为大丰 30，播种密度为 66000 株 /hm²，玉米播种前进行旋地和施肥，施肥量见表1，方式为全部播前基施。

1.2 样品采集

2018 年 10 月玉米收获后，于各小区采用 5 点法 “S”形采样，用土钻采集 0～20 cm 的土壤样品，将同一小区的 5 个样混合为一个样品，去掉明显的石砾、残枝败叶等杂物，用自封袋装好，带回实验室。自然风干后过筛，进行土壤酶活性及理化性质的测定分析。

1.3 测定方法

土壤理化性质的测定方法均采用鲍士旦^[13]的 《土壤农业化学分析方法》。其中，pH 采用酸度计检测，水土比为 2.5∶1；碱解氮（AN）采用比色法检测；有效磷（AP）采用 NaHCO₃（pH 8.5、0.05 mol/L）浸提法测定；有机质（OM）采用重铬酸钾容量法测定；全氮（TN）采用凯氏定氮仪测定；全磷（TP）采用钼锑抗比色法测定。

脲酶（URE）活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，以 24 h 后 1 g 土壤中 NH₃-N 的质量（mg） 表示脲酶活性；碱性磷酸酶（ALP）活性采用磷酸苯二钠法测定，以 24 h 后 1 g 土壤中酚的质量 （mg）表示脲酶活性；蔗糖酶（SUC）采用 3，5-二硝基水杨酸比色法测定，以 24 h 后 1 g 土壤中葡萄糖的质量（mg）表示蔗糖酶活性，详见参考文献^[14]。

1.4 数据分析

采用 Excel2010 进行数据整理，采用 SPSS 15.0 进行 Pearson 相关性分析、显著性分析，以及主成分—聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤养分含量的影响

由表2 可知，在高量施用有机肥的 M₆ 处理中，土壤 TN、TP、AN、AP 和 OM 含量均为最高；在单施氮磷化肥的处理中，随着氮磷化肥施用量的增加，TN、TP、AN、AP 呈现增加的趋势， AN 和 AP 在各处理中差异显著（P<0.05）；OM 在 N₂P₂ 处理中的含量显著高于其他 3 个处理。在有机无机配施的 3 个处理中，随着有机肥施用量的增加，TN、TP、AN、AP 和 OM 含量逐渐增加，且差异显著（P<0.05）。与 CK 相比，施肥显著降低了土壤 pH，在单施化肥的情况下，N₂P₂ 处理中 pH 显著低于其他 3 个处理。在施用有机肥的情况下，随着有机肥施用量的增加，pH 逐渐降低，在 M₆ 处理中达到最低，且处理间达到显著差异 （P<0.05）。

注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

由表3 可知，在单施化肥的情况下，土壤脲酶活性随着氮肥施用量的增加呈现增加的趋势，在 N₄P₄ 处理中达到最高，且显著高于 N₁P₁ 和 N₃P₃ 处理；蔗糖酶活性在 N₂P₂ 处理中含量显著高于其他处理；碱性磷酸酶活性随着氮磷化肥施用量的增加含量逐渐降低，且显著低于 CK 处理。在施用有机肥的情况下，脲酶活性在不同处理间未见显著差异，蔗糖酶活性在 N₃P₂M₃ 处理中含量最高，且不同处理间差异显著，碱性磷酸酶活性在 M₆ 处理中含量显著高于其他处理（P<0.05）。

2.2 长期定位施肥土壤肥力指标及其与产量的相关性

由土壤养分指标及其与玉米产量的相关性（表4）可知，玉米产量与土壤全量养分（TN 和 TP）、有效养分（AN 和 AP）、有机质，酶活性（URE、 SUC 和 ALP）呈现显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）相关，与 pH 极显著负相关（P<0.01）。除了 3 种土壤酶活性与某些土壤理化指标相关性不显著外，其他各项肥力指标之间均表现出显著 （P<0.05）或极显著（P<0.01）相关。

注：* 和 ** 分别表示在 0.05 和 0.01 水平上显著相关。

2.3 长期定位施肥不同处理的土壤肥力评价

2.3.1 影响土壤肥力指标的主成分分析

本研究选择了 9 个指标进行主成分分析，以综合评价长期定位施肥不同处理下的土壤肥力质量差异，筛选出效果最佳的培肥措施。提取了特征值 >0.5 的 3 个主成分（表5），它们对总方差的贡献率依次为 81.158%、10.098% 和 6.640%，3 个主成分累积可以反映总方差 97.896% 的信息，说明利用主成分分析衡量长期定位施肥不同处理的土壤肥力质量是可靠的。从碎石图（图2）也可以看出，因子 1、2 和 3 之间连线的斜率较大，说明这 3 个因子是主要因子，这与表5 的结论吻合。

进一步分析各指标在 3 个主成分上的向量值，在第 1 主成分上，土壤 TN、AN、AP 和 OM 具有较大的正向量值，pH 具有较大的负向量值。氮和磷是作物生长必需的营养元素，有机质是评价土壤肥力的重要指标，因此，第 1 主成分是土壤营养元素和肥力的综合。

在第 2 主成分上，脲酶活性具有最大的正向量值；第 3 主成分上，蔗糖酶活性具有最大的正向量值，因此，第 2 和 3 主成分代表了土壤活性因子。

2.3.2 依据主成分—聚类分析评价不同处理土壤肥力等级

以不同定位施肥处理的主成分得分作为评价土壤肥力的新指标（表6），可以看出不同处理土壤肥力质量排序为：N₃P₂M₃>M₆>N₄P₂M₂>N₂P₁M₁>N₄P₄>N₂P₂>N₃P₃>N₁P₁>CK。以欧氏距离作为衡量不同处理肥力差异的指标，采用最短距离法对各施肥处理进行系统聚类。由图3 可见，9 个处理可聚为 3 类：N₃P₂M₃、M₆、N₄P₂M₂ 和 N₂P₁M= 聚为一类，土壤肥力质量为第一等；N₂P₂、N₃P₃、N₁P₁ 和 N₄P₄ 聚为一类，土壤肥力质量为第二等；CK 单独为第三类，土壤肥力质量为第三等。

3 讨论

3.1 土壤肥力评价指标分析

土壤肥力是土壤化学、物理和生物肥力的综合体现，用来评价土壤肥力的指标应具有一定的代表性，需遵循主导性、生产性和稳定性 3 项原则，同时尽量选择可靠、可度量和可重复的指标^[15-16]。氮和磷是作物生长必需的大量元素，直接影响土壤肥力和作物产量^[17]，有机质是土壤的重要组成部分，含有植物生长所需要的各种营养元素，是土壤微生物生命活动的能源^[18]，pH 对土壤微生物活动有很大影响，每种微生物都有其最适宜的 pH 范围^[19]。因此，本研究选择了 TN、AN、TP、AP、 OM 和 pH 这 6 项养分指标来评价土壤肥力。生物指标通常包括微生物量碳、微生物量氮、土壤呼吸量、土壤酶活性等^[20-21]。土壤酶是由微生物、动植物活体分泌以及由动植物残体、遗骸分解释放于土壤中的一类具有催化能力的生物活性物质^[22-24]。脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶分别参与土壤氮、碳及磷循环^[25-27]。因此，本研究选择了这 3 种酶作为生物指标进行土壤肥力评价。

从玉米产量与土壤肥力指标的相关性可以看出，玉米产量与所选取的 9 项土壤化学和生物因子均呈显著或极显著相关，这与前人的研究结果一致^[8]，同时也说明了这 9 个因子可以作为土壤肥力质量的评价指标。除了 3 种土壤酶活性与某些土壤理化指标相关性不显著外，其他各项肥力指标之间均表现出显著或极显著相关，这与前人的研究结果一致，说明土壤各种养分之间相互关联^[28-31]。

用于评价土壤肥力质量的指标虽多，但需分清主次。本研究中主成分分析是利用“降维”的思想，在涵盖大部分信息的前提下，将多个指标转化为几个综合指标。本研究从 9 个土壤肥力指标中提取了 3 个主成分，它们对总方差的累积贡献率为 97.896%，已经涵盖了大部分的土壤肥力信息，因此，本评价方法可信度较高。

3.2 不同施肥方式对土壤肥力提升效果的影响

本研究采用最短距离法对不同处理的肥力等级进行聚类。9 个处理可聚为 3 类：有机无机配施及高量施用有机肥的处理聚为一类，土壤肥力质量最佳；单施化肥的处理聚为一类，土壤肥力次之；不施肥的处理单独聚为一类，土壤肥力最差。

作物生长会源源不断地从土壤中汲取养分，长期不施肥，会造成土壤养分枯竭，肥力越来越低。如果每年播种前及时施入化肥，可以为作物生长提供营养。但是随着施肥年限的延长、化肥投入量的增加，也出现了土壤肥力下降、土壤板结、养分利用率降低等负面问题^[32-33]，尤其是氮肥的过度施用，会造成氮反硝化及氮的流失，质子的积累导致了土壤 pH 的降低^[34]，进而影响土壤中微生物的生长及酶活性，对土壤肥力造成一定的影响。

有机无机配施模式下，化肥与有机肥释放的养分可以相互补充^[35]。化肥可以在作物生长前期释放足够的养分，有机肥中的缓效养分可以保障作物生长后期养分的供应。研究表明，适量施用有机肥可以改善土壤性状，提升土壤的肥力。彭娜等^[36]基于长期定位试验的研究表明，长期有机无机配施能够降低土壤容重，增加土壤孔隙度，促进水稳性大团聚体的形成。Rasool 等^[37]基于 32 年的长期定位试验发现，厩肥的施用可以改善土壤密度、降低土壤容重、改善土壤团聚体的粒径分布，厩肥对平均重量直径的影响表现为随土壤深度的增加而降低。此外，有机肥中含有大量的有益微生物，有机肥的施入改变了土壤微生物菌群结构及多样性，改变了土壤酶活性^[38-39]，从而提高了土壤肥力。

综上所述，有机无机配施既可以保障作物的生长，又可以稳步提升土壤肥力，实现农业的可持续发展。

4 结论

从 9 个土壤肥力指标（TN、TP、AN、AP、OM、 pH、URE、SUC 和 ALP）中提取 3 个主成分进行不同施肥处理下山西省褐土的肥力质量评价，以主成分综合得分为评价标准，土壤肥力质量顺序为： N₃P₂M₃>M₆>N₄P₂M₂>N₂P₁M₁>N₄P₄>N₂P₂>N₃P₃>N₁P₁>CK。

将 9 个长期施肥处理土壤肥力进行系统聚类：有机无机配施及高量施用有机肥的处理聚为一类，土壤肥力质量最佳；单施化肥的处理聚为一类，土壤肥力次之；不施肥的处理单独聚为一类，土壤肥力最差。

综上，有机无机配施既能满足作物生长对养分的需求，又能提高土壤肥力质量，保持土壤健康，实现农业可持续发展，是今后农业生产中应大力推广的施肥模式。

参考文献