基于聚类及PCA分析的红壤坡耕地耕层土壤质量评价指标

为准确评价红壤坡耕地耕层土壤质量特征,该文采用聚类分析法(CA)和主成分分析法(PCA)分别建立了南方红壤丘陵区坡耕地耕层质量诊断最小数据集(minimum data set,MDS),并利用最小数据集土壤质量指数(soil quality index-CA,SQI-CA和soil quality index-PCA,SQI-PCA)和全量数据集土壤质量指数(soil quality index-total,SQI-T)对坡耕地耕层特征进行分析。结果表明:1)红壤坡耕地耕层土壤质量变化特征差异明显,其中耕层平均厚度(19.93±4.9)cm,接近作物生长适宜水平;土壤有机质、全氮平均含量分别为(17.43±8.71)和(0.97±0.42)g/kg,处于中度贫瘠化水平;土壤有效磷和速效钾含量丰富,平均含量分别为(26.1±22.22)和(155.46±88.35)mg/kg;p H均值为(5.34±0.77),土壤呈弱酸性。2)红壤坡耕地耕层土壤质量评价最小数据集由耕层厚度、土壤容重、土壤贯入阻力、土壤有机质、p H值和有效磷组成。基于不同数据集的耕层土壤质量评价结果差异明显,土壤质量指数变化范围、均值表现为SQI-TSQI-CASQI-PCA,变异系数表现为SQI-TSQI-CASQI-PCA,SQI-CA与SQI-T的Nash有效系数和相关度高于SQI-PCA,而相对偏差系数和平均相对误差则低于SQI-PCA,这表明基于聚类分析最小数据集(MDS-CA)较基于主成分分析最小数据集(MDS-PCA)更适合替代全量数据集(total data set,TDS)对耕层土壤质量进行评价。3)从保水、保土、保肥及增产潜力角度看,红壤坡耕地合理耕层诊断指标适宜性阈值为耕层厚度≥20.39 cm,土壤容重0.92~1.21 g/cm3,土壤贯入阻力≤1.21 kg/cm3,土壤有机质含量≥18.82 g/kg,p H值5.04~5.38,有效磷≥28.83 mg/kg。合理深松是构建合理耕层的有效措施之一。该研究结果可为南方红壤丘陵区坡耕地耕层质量恢复、农作物生产适宜性调控和坡耕地水土流失阻控提供参考,有利于红壤丘陵区坡耕地资源持续利用。