基于主成分分析的土壤盐碱化特征研究

钱争; 冯绍元; 庄旭东; 袁成福; Zheng QIAN; Shao-yuan FENG; Xu-dong ZHUANG; Cheng-fu YUAN

中国农村水利水电 ›› 2022 ›› (5) : 119-124.

农田水利

基于主成分分析的土壤盐碱化特征研究

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Research on the Soil Salinization and Alkalization Characteristics Based on Principal Component Analysis

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摘要

为探究河套灌区暗管排水条件下葵花生育期内农田土壤盐碱化的主导特征因子，本文基于2020年田间试验数据，利用相关性分析和主成分分析等方法对盐分总量与组成进行分析。结果表明：研究区葵花生育期内，0~1 m剖面土壤盐分组成类型以钠盐为主，经历了从生育初期的苏打型到生育末期的硫酸盐的转变；生育期始末各层土壤中，阴离子从以HCO₃ ^-为主转变为以SO₄ ^2-为主，阳离子始终以K⁺+Na⁺为主；随深度增加，土壤全盐量与可溶性盐离子的相关性发生改变，相关性最强的阴离子为SO₄ ^2-，阳离子为K⁺+Na⁺；通过主成分分析，揭示了土壤的盐化和碱化特征因子，得出HCO₃ ^-可代表土壤碱化特征，SO₄ ^2-、Cl^-、K⁺+Na⁺可代表土壤盐分组成及土壤盐化趋势，并进一步计算了生育期内各层土壤受盐化和碱化的影响程度。研究结果可为当地暗管排水区域合理布设和改良土壤盐碱化提供理论依据。

Abstract

In order to explore the dominant characteristic factors of farmland soil salinization during the growth period of sunflower under the condition of concealed pipe drainage in Hetao Irrigation District （HID）. Based on the field test data in 2020， the total amount and composition of salt are analyzed by Correlation Analysis and Principal Component Analysis （PCA）. The results show that during the growth period of the sunflower in the study area， the soil salt composition type of 0~1 m profile is mainly sodium salt， which experiences the transformation from soda type in the early growth stage to sulfate type in the late growth stage. In each layer of soil at the beginning and end of growth period， anions changes from HCO₃ ^- to SO₄ ^2-， and cations are always dominated by K⁺+Na⁺.With the increase in depth， the correlation between total salt content and soluble salt ions changes. The anion with the strongest correlation is SO₄ ^2-， and the cation is K⁺+Na⁺. Through a principal component analysis， the characteristic factors of soil salinization and alkalization are revealed. It is concluded that HCO₃ ^- can represent soil alkalization characteristics， SO₄ ^2-， Cl^-， K⁺+Na⁺ can represent soil salt composition and soil salinization trend， and the influence degree of salinization and alkalization on each layer of soil during the growth period is further calculated. The results can provide a theoretical basis for the rational layout of local underground drainage areas and the improvement of soil salinization.

关键词

河套灌区 / 盐碱化 / 盐分离子 / 主成分分析

Key words

Hetao Irrigation District / salinization and alkalization / salt ion / principal component analysis

基金

国家重点研发计划项目(2017YFC403301)

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钱争 , 冯绍元 , 庄旭东 , 袁成福. 基于主成分分析的土壤盐碱化特征研究[J].中国农村水利水电, 2022(5): 119-124

Zheng QIAN , Shao-yuan FENG , Xu-dong ZHUANG , Cheng-fu YUAN. Research on the Soil Salinization and Alkalization Characteristics Based on Principal Component Analysis[J].China Rural Water and Hydropower, 2022(5): 119-124

0 引言

河套灌区是我国重要的商品粮、油生产基地，也是北方干旱地区的重要生态屏障^［1］。目前河套灌区正面临着土壤盐碱化和水资源短缺等制约灌区农业可持续发展的关键问题。河套灌区盐碱地分布广泛，盐分组成复杂，可通过渗透胁迫、离子毒害和矿质营养缺乏等方式造成盐分胁迫^［2］，影响作物生长发育。灌区常采用水利、农业、生物和化学等措施改良盐碱化土地^［3］。其中，水利措施中的暗管排水技术是根据“盐随水来，盐随水去”的水盐运移特点，布设适宜埋深和间距的排水暗管，通过控制地下水位和抑制潜水蒸发，改善土壤水盐环境。

近年来，国内外有关土壤盐分分布和组成等方面的研究逐渐增多^［4-6］。刘延峰^［7］等通过对不同深度土壤盐离子进行相关性分析和主成分分析，评价了焉耆盆地耕地和荒地土壤盐渍化状况。徐友信等^［8］在河北近滨海高水位盐碱区治理的研究得出暗管排水可加强盐分离子的淋洗，减缓土壤碱化趋势。郑复乐等^［9］研究的表明盐碱地微咸水滴灌较常规黄河水灌溉会促使土壤盐分钠质化发展，生物炭和脱硫石膏可以抑制钠质化问题。窦旭等^［10］在乌拉特灌域针对春秋季土壤盐分和离子分布的研究得出Na⁺、Cl^-、盐分含量、Ca²⁺和Mg²⁺代表了土壤盐碱化状况。侯晨丽等^［11］通过紫花苜蓿和玉米根系对水盐分布的研究得出盐分离子分布及浓度随作物种类而改变。综上可知，已有部分研究从灌溉方式、改良材料、季节变化和作物品种等不同角度分析土壤盐碱化与盐离子组成，但针对河套灌区田间尺度不同土层深度作物生育期内土壤盐碱化及其盐离子特征的研究相对薄弱，有待进一步的研究。

本文基于2020年田间试验观测资料，通过对葵花生育期内土壤样品进行全盐量与盐离子分析，以期得到盐离子与全盐量之间的相关关系以及主导盐碱化的特征因子。旨在为当地暗管排水区域合理布设和改良土壤盐碱化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2020年在内蒙古巴彦淖尔市中国农业大学永济试验基地（107º16´E，40º44´N）进行。该试验基地所在的河套灌区紧邻黄河，平均海拔为1 043.4 m，为中温带半干旱大陆性气候。该地区拥有丰富的光热资源，年日照时间约3 200 h，年蒸发量2 032~3 179 mm，而降雨匮乏，年降雨量90~300 mm，故常年采用黄河水灌溉。2020年葵花生育期内总降雨量121.2 mm，地下水位埋深在0.7~2.0 m范围内变化。

1.2 试验设计

2020年试验区种植作物为食用向日葵RH1号，采用宽窄行种植，种植密度为22 725株/hm²，种植日期为6月2日，收获日期为9月20日。暗管排水工程采用1.5 m埋深、45 m间距、13.3 cm直径的PE打孔波纹管进行布置。灌溉方式为畦灌，灌溉用水为引黄河水，灌水量用水表控制，灌水定额为1 200 m³/（hm²·次），来水时间由当地管理局统一调配，2020年灌水日期为7月10日，其离子组成见表1。其余田间管理措施与当地一致，具体参考《内蒙古河套灌区盐碱地食用葵花抗盐高产栽培技术规范》^［12］。

表1 灌溉及降雨的离子组成 (mg/L)

Tab.1 Salt ion composition of irrigation and rainfall

项目	HCO₃ ^-	Cl^-	SO₄ ^2-	K⁺+Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	TDS
灌溉	234.9	216.2	96.1	158.8	10.0	62.0	778.0
降雨	18.3	7.1	24.0	17.5	2.0	2.4	71.3

1.3 测定项目与方法

土壤数据主要通过采集并分析各试验小区土壤样品，分析项目主要包括土壤全盐量、颗粒级配等。其中，采用马尔文帕纳科激光粒度仪（Mastersizer 3 000）测定颗粒级配；采用环刀法测定干体积质量；采用电导率仪（DDSJ-308A）测定纯水与土壤样品配制的土水比1∶5土壤浸提液的电导率值EC _1∶5，并运用内蒙古河套灌区经验公式（TS=2.882EC _1∶5+0.183）换算成相应的土壤全盐量TS ^［13］。试验区土壤机械组成及水力参数见表2。主要盐离子测定方法见表3。

表2 试验区土壤机械组成

Tab.2 Mechanical composition of soil in experimental area

土层深度/cm	砂粒/%	粉粒/%	黏粒/%	国际制土壤质地分类	干体积质量/（g∙cm^-3）
0~10	48.00	48.88	3.12	砂壤土	1.48
10~20	52.40	44.66	2.94	砂壤土	1.59
20~40	44.92	51.88	3.20	粉壤土	1.51
40~60	13.92	82.26	4.34	粉砂土	1.48
60~80	95.22	4.72	0.06	砂土	1.46
80~100	38.28	58.72	3.00	粉黏壤土	1.50

表3 主要盐离子测定方法

Tab.3 Method for determining salt-based ions

盐离子	测定方法
HCO₃ ^-、CO₃ ^2-	双指示剂中和滴定法
Cl^-	硝酸银滴定法
SO₄ ^2-	比浊法
K⁺、Na⁺	火焰光度计法
Ca²⁺、Mg²⁺	EDTA滴定法

1.4 数据处理和分析方法

采用Excel 2016进行数据处理、初步分析和绘图，使用SPSS 23.0对数据进行显著性分析、相关性分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 土壤盐离子剖面分布特征

将研究区的0~1 m剖面土壤划分为表层（0~20 cm）、中层（20~40 cm）和深层（40~100 cm），葵花生育期内各层土壤全盐量TS、pH及盐离子含量如图1所示。

图1 各土层土壤全盐量、pH值及盐离子含量

Fig.1 Total salt content， pH value and salt ion content of each soil layer

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生育期内各层土壤pH值均呈碱性，其变化趋势一致，均有所增大，平均值从生育初期的7.79增大到生育末期的8.22，均为碱性土。土壤全盐量TS呈“Γ”型分布，在生育期内土壤盐分积聚性加强，且各土层TS均呈现波动增大。

在生育初期，各层土壤阴离子以HCO₃ ^-为主。就整个0~1 m剖面而言，HCO₃ ^-、Cl^-和SO₄ ^2-含量占阴离子百分比分别为45.02%、28.34%和26.63%；在葵花生长进程中，各层土壤同一阴离子变化趋势相同，HCO₃ ^-含量减少且占比降低，SO₄ ^2-含量增加且占比升高，而Cl^-含量增加但占比基本不变；在生育末期，各层土壤阴离子以SO₄ ^2-为主，0~1 m剖面SO₄ ^2-、Cl^-和HCO₃ ^-占比分别为55.62%、27.59%和16.79%，表明研究区土壤盐分组成类型经历了从生育初期的苏打型到生育末期的硫酸盐的转变。

各层土壤阳离子始终以K⁺+Na⁺为主，生育初期0~1 m剖面土壤K⁺+Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺的阳离子占比分别为65.26%、23.52%和11.22%，生育末期分别为74.76%、12.52%和12.72%；葵花生长进程中，各层K⁺+Na⁺和Mg²⁺总体表现为含量增加且占比升高，Ca²⁺含量基本不变而占比降低。考虑到K⁺含量远低于Na⁺含量，因此在葵花生育期内研究区的土壤盐分以钠盐为主。

2.2 土壤盐离子相关性分析

通过对土壤盐离子进行相关性分析，可以揭示盐分在土体中的分布和存在状态，在一定程度上反映盐离子的同源性、差异性和组合情况。研究区的各土层TS和不同离子的相关性分析结果如表4所示。

表4 各土层土壤盐离子相关系数表

Tab.4 Correlation coefficients of soil ions in different soil layers

取样深度/cm	指标名称	全盐量TS	HCO₃ ^-	Cl^-	SO₄ ^2-	K⁺+Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺
0 ~ 20	全盐量TS	1.000
	HCO₃ ^-	-0.486	1.000
	Cl^-	0.885**	-0.689*	1.000
	SO₄ ^2-	0.969**	-0.588*	0.825**	1.000
	K⁺+Na⁺	0.977**	-0.571*	0.898**	0.953**	1.000
	Ca²⁺	0.320	0.130	0.215	0.282	0.129	1.000
	Mg²⁺	0.857**	-0.369	0.782**	0.803**	0.786**	0.455	1.000
20 ~ 40	全盐量TS	1.000
	HCO₃ ^-	-0.665*	1.000
	Cl^-	0.769**	-0.533*	1.000
	SO₄ ^2-	0.912**	-0.786**	0.505	1.000
	K⁺+Na⁺	0.928**	-0.720**	0.831*	0.797**	1.000
	Ca²⁺	0.549*	-0.020	0.286	0.468	0.344	1.000
	Mg²⁺	0.690**	-0.428	0.376	0.725**	0.462	0.317	1.000
40 ~ 100	全盐量TS	1.000
	HCO₃ ^-	0.063	1.000
	Cl^-	0.800**	0.196	1.000
	SO₄ ^2-	0.826**	-0.442	0.441	1.000
	K⁺+Na⁺	0.961**	0.112	0.804**	0.741**	1.000
	Ca²⁺	0.380	0.402	0.189	0.154	0.337	1.000
	Mg²⁺	0.137	-0.359	0.080	0.332	-0.099	-0.211	1.000

注：**为显著性水平在0.01时的相关系数；*为显著性水平在0.05时的相关系数。

在各土层中，土壤全盐量均与阴离子中的SO₄ ^2-均呈极显著正相关（P<0.01），相关系数最大且相关系数随深度增加而减少，说明硫酸盐在表层上积聚强烈，盐分以向上运动为主^［14］；各土层土壤全盐量与Cl^-均呈极显著正相关，说明Cl^-离子是促进1 m土体中土壤盐分变化的重要原因之一；各层土壤全盐量与Cl^-的相关系数均小于SO₄ ^2-，说明土壤盐分中硫酸盐较氯化物有更高的含量，这与研究区蒸发强烈、有效灌溉与降雨的频率集中以及地质构造等因素有关，多次的积盐和脱盐过程使得更易溶于水的氯化物并未在土壤表层有效积聚；全盐量与HCO₃ ^-的相关性较差，且在20~40 cm土层深度中呈显著负相关（P<0.05），说明HCO₃ ^-离子并不是促进土壤盐分变化的主导因素。在各土层中，土壤全盐量均与K⁺+Na⁺离子的相关性最高，均呈极显著正相关，说明K⁺+Na⁺离子是促进各层土壤盐分变化的主导因素之一；全盐量与Mg²⁺的相关性较好，且在0~40 cm土壤深度中呈极显著正相关；全盐量与Ca²⁺的相关性较弱，仅在20~40 cm土层深度呈显著相关。

阴离子中，各土层土壤中的HCO₃ ^-与其他离子的相关性较差，其原因是HCO₃ ^-在水中有较高的占比，在降雨和灌溉后，其他离子受淋洗作用含量降低，而土壤碳酸钙溶解和生物厌氧呼吸导致HCO₃ ^-含量上升，这也导致HCO₃ ^-和Ca²⁺相关性大于其他离子；在0~20 cm土层，Cl^-与SO₄ ^2-、K⁺+Na⁺和Mg²⁺均具有较好的相关性，而随着土壤深度增加，Cl^-仅与K⁺+Na⁺呈显著相关。阳离子中，仅K⁺+Na⁺和Mg²⁺在0~20 cm土层深度呈极显著相关，而在其余土层深度阳离子之间的相关性较弱。

2.3 土壤盐离子主成分分析

主成分分析法是将众多的指标化为少数几个相互独立的综合指标（主成分）的一种多元统计方法^［15］。本文采用累计方差贡献率≥85%的标准确定各土层的主成分数目，找出具有代表性的主导因子，使得选取的主成分能够较为全面地表达原有数据信息，以正确评价研究区土壤盐碱化状况，结果如表5所示。

表5 各土层土壤盐离子主成分分析表

Tab.5 Principal component analysis of soil ions in different soil layers

取样深度/cm	主成分	前3个主成分中各项指标的系数							特征值	方差贡献率/%	累计方差贡献率/%
取样深度/cm	主成分	全盐量TS	HCO₃ ^-	Cl^-	SO₄ ^2-	K⁺+Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	特征值	方差贡献率/%	累计方差贡献率/%
0 ~ 20	F ₁	0.976	-0.637	0.938	0.961	0.962	0.310	0.878	4.956	70.806	70.806
0 ~ 20	F ₂	0.079	0.576	-0.121	-0.003	-0.121	0.875	0.286	1.215	17.354	88.159
20 ~ 40	F ₁	0.986	-0.768	0.776	0.931	0.925	0.485	0.706	4.620	65.995	65.995
	F ₂	0.100	0.502	-0.163	0.040	-0.166	0.819	0.188	1.023	14.617	80.612
	F ₃	0.054	0.161	0.496	-0.274	0.259	0.186	-0.551	0.756	10.795	91.407
40 ~ 100	F ₁	0.995	0.038	0.829	0.813	0.964	0.400	0.115	3.442	49.165	49.165
	F ₂	-0.009	0.869	0.119	-0.474	0.117	0.576	-0.707	1.840	26.290	75.455
	F ₃	-0.006	-0.262	-0.447	0.261	-0.073	0.630	-0.071	0.744	10.626	86.082

在表层土壤中，Cl^-、SO₄ ^2-、K⁺+Na⁺、Mg²⁺在第一主成分上的荷载较大，在0.878以上，特征值为4.956，方差贡献率为70.806%，第一主成分主要包含土壤盐渍化（中性盐）的信息，可作为土壤盐渍化的特征因子。在第一主成分中，与其相关程度最高的阴离子为SO₄ ^2-、阳离子为K⁺+Na⁺，说明该土层盐分特征在一定程度上受Na₂SO₄的影响最大^［16］。而第二主成分的特征值为1.215，方差贡献率为17.354%，主成分为与第一主成分离子相关性较差的HCO₃ ^-，HCO₃ ^-主要表征土壤碱性离子，说明第二主成分可作为土壤碱性的特征因子。同理可知，中层和深层土壤的第一主成分可作为土壤盐渍化的特征因子，第二主成分可作为土壤碱性的特征因子，在一定程度上受Na₂SO₄的影响最大。

综合各土层各项指标对各主成分的系数大小，各主成分方差贡献率，以及研究区的实际情况，可以认为全盐量、SO₄ ^2-、Cl^-、HCO₃ ^-、K⁺+Na⁺作为研究区盐碱化状况的特征因子。

R-分析可用于性状或指标的分类^［17］。利用R-分析，对土壤盐碱化状况指标在第一、第二主成分构成的空间作散点图，直观反映各项指标间的相互关系，指标之间越靠近表示关系越密切，结果如图2所示。

图2 各土层R-分析图

Fig.2 R-analysis diagram of each soil layer

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从图2中可根据各项指标的离散情况进行归类。总体来看，HCO₃ ^-可以单独归类，代表土壤碱化特征；全盐量TS、SO₄ ^2-、Cl^-、K⁺+Na⁺可以归为一类，代表土壤盐分组成及土壤盐化趋势。

各土层主成分荷载向量除以相应主成分特征值的算术平方根得到不同土层土壤盐离子系数矩阵，结果如表6所示。第一主成分得分F ₁、第二主成分得分F ₂和第三主成分得分F ₃可用于表征研究区2020年葵花生育期内各土层土壤可溶性盐离子特征，按公式（1）计算各主成分得分，并按公式（2）计算综合得分Y。

F = \sum_{i = 1}^{n} x_{i} X_{i}

（1）

Y = \sum_{j = 1}^{n} f_{j} F_{j}

（2）

式中：F为各主成分得分；i为主成分的指标个数；x_i 为第i个主成分指标系数；X_i 为第i个主成分指标的含量；Y为综合得分；j为主成分个数；F_j 为第j个主成分的得分；f_j 为第j个主成分的方差贡献率在总累计方差贡献率中的占比。

表6 各土层土壤盐离子系数矩阵

Tab.6 Matrix of ion coefficient of soil salt base in each soil layer

取样深度/cm	主成分	指标系数
取样深度/cm	主成分	全盐量TS	HCO₃ ^-	Cl^-	SO₄ ^2-	K⁺+Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺
0 ~ 20	F ₁	0.197	-0.128	0.189	0.194	0.194	0.063	0.177
0 ~ 20	F ₂	0.065	0.474	-0.100	-0.002	-0.099	0.720	0.235
20 ~ 40	F ₁	0.213	-0.166	0.168	0.202	0.200	0.105	0.153
	F ₂	0.097	0.490	-0.159	0.039	-0.163	0.800	0.184
	F ₃	0.071	0.214	0.656	-0.363	0.343	0.246	-0.730
40 ~ 100	F ₁	0.289	0.011	0.241	0.236	0.280	0.116	0.033
	F ₂	-0.005	0.472	0.065	-0.257	0.063	0.313	-0.384
	F ₃	-0.008	-0.352	-0.601	0.351	-0.098	0.847	-0.095

以0~20 cm表层土壤为例，各主成分条件下的得分与综合得分表达式如下所示：

F ₁=0.197（TS）-0.128（HCO₃ ^-）+0.189（Cl^-）+0.194 （SO₄ ^2-）+ 0.194（K⁺+Na⁺）+0.063（Ca²⁺）+0.177（Mg²⁺）（3）

F ₂=0.065（TS）+0.474（HCO₃ ^-）-0.100（Cl^-）-0.002（SO₄ ^2-）-

0.099（K⁺+Na⁺）+0.720（Ca²⁺）+0.235（Mg²⁺）（4）

Y=0.803F ₁+0.197F ₂ （5）

计算得到2020年研究区葵花生育期内不同取样时间下的土壤得分，结果如图3所示。

图3 生育期内各土层土壤主成分得分图

Fig.3 Soil PCA score of each soil layer during growth period

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在表层中，由第一主成分得分F ₁可知，生育期内土壤受盐化影响程度总体增加；由第二主成分得分F ₂可知，土壤受碱化影响程度总体降低，土壤受碱性影响最小的时间为生育末期；由综合得分Y可知，土壤受盐化和碱化的综合影响总体呈波动上升。同理可知，生育期内中层土壤受盐碱化综合影响程度总体呈波动上升。深层土壤受盐化影响程度总体呈波动上升，受碱化影响程度总体下降，受盐碱化综合影响程度呈先增加后平稳的状态。上述结果表明，通过各主成分得分和综合得分可以反映不同取样时间的各土层土壤受盐化和碱化的影响程度，为治理该地区土壤盐碱化提供理论依据。

3 结论

（1）研究区葵花生育期内，0~1 m剖面的土壤盐分组成类型以钠盐为主，经历了从生育初期的苏打型到生育末期的硫酸盐的转变；生育期始末各层土壤中，阴离子从HCO₃ ^-为主转变为以SO₄ ^2-为主，阳离子始终以K⁺+Na⁺为主。

（2）随土壤剖面深度增加，土壤全盐量与可溶性盐离子的相关性发生改变，相关性最强的阴离子为SO₄ ^2-，阳离子为K⁺+Na⁺。

（3）在各层土壤中，HCO₃ ^-可代表土壤碱化特征，SO₄ ^2-、Cl^-、K⁺+Na⁺可代表土壤盐分组成及土壤盐化趋势。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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收稿日期	出版日期
2021-08-09	2022-05-15
发布日期
2022-06-28

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