基于主成分分析的海南橡膠園土壤化學(xué)肥力的評(píng)價(jià)

唐賢慧，郭澎濤，羅 微，茶正早，楊紅竹，貝美容，劉銳金，何長(zhǎng)輝

（1. 海南大學(xué) 熱帶作物學(xué)院，?？?570228; 2. 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所，?？?571101）

天然橡膠是重要的工業(yè)原料，也是十分重要的戰(zhàn)略物資，特別在航空航天和軍工業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。天然橡膠主要來(lái)源于橡膠樹(shù)，而橡膠樹(shù)是典型的資源約束性樹(shù)種，對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境具有很高的要求，在我國(guó)主要分布于水熱資源較好的海南、云南和廣東[1-2]。海南島是我國(guó)橡膠樹(shù)的主要種植區(qū)，種植面積占全國(guó)種植面積的一半。海南島雖地處熱帶，但橡膠樹(shù)種植區(qū)仍然位于北緯18o以北，屬于非典型植膠區(qū)，即植膠區(qū)環(huán)境并不非常適宜橡膠樹(shù)的生長(zhǎng)，為此人為管理措施在保證天然橡膠穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)方面發(fā)揮著極為重要的作用。為保障人為管理措施的合理實(shí)施首先必需掌握橡膠園的土壤肥力狀況。我國(guó)自從20世紀(jì)50年代初期開(kāi)始大規(guī)模植膠。為促進(jìn)我國(guó)天然橡膠事業(yè)的發(fā)展，從開(kāi)始植膠至20世紀(jì)90年代，研究人員[3-4]陸續(xù)開(kāi)展了一些土壤肥力評(píng)估工作。進(jìn)入21世紀(jì)，自2006年開(kāi)始至2012年結(jié)束，海南農(nóng)墾依托“農(nóng)業(yè)部測(cè)土配方施肥補(bǔ)貼項(xiàng)目”以及“海南墾區(qū)膠園土壤地力提升技術(shù)研發(fā)與示范推廣”項(xiàng)目開(kāi)展了橡膠園地力評(píng)價(jià)工作，期間一些學(xué)者進(jìn)行了橡膠園土壤肥力評(píng)估的研究[5-7]。如吳敏等[5]以土壤pH、有機(jī)質(zhì)、大量元素、微量元素和土壤酶為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)海南島土壤肥力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)海南島橡膠園土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)介于0.30～0.66之間，土壤肥力屬于中等偏下水平。唐群鋒等[7]進(jìn)一步以更加全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（理化性狀、立地條件、剖面性狀、養(yǎng)分狀況）結(jié)合特爾斐法、模糊數(shù)學(xué)理論和層次分析法對(duì)海南農(nóng)墾花崗巖類多雨區(qū)的橡膠園土壤肥力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷含量已不能滿足研究區(qū)橡膠樹(shù)正常生長(zhǎng)的需要。雖然前人已經(jīng)在海南島開(kāi)展了一些較為完善的橡膠園土壤肥力評(píng)價(jià)研究，但這些研究至少是7年前開(kāi)展的[8-9]，他們的評(píng)價(jià)結(jié)果只能反映當(dāng)時(shí)的土壤肥力狀況[10-11]；而且當(dāng)時(shí)的土壤化學(xué)肥力隨時(shí)間推移，受到了施肥以及其他人為管理因素的影響，已發(fā)生較明顯的變化，當(dāng)年的土壤化學(xué)肥力與橡膠樹(shù)當(dāng)年的生長(zhǎng)和產(chǎn)膠關(guān)系極為密切[12]。定期對(duì)橡膠園的土壤化學(xué)肥力進(jìn)行評(píng)價(jià)，可為橡膠樹(shù)的合理施肥和科學(xué)管理提供可靠依據(jù)。主成分分析是一種對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維的多變量統(tǒng)計(jì)方法[13-14]。它利用正交變換方法將一組存在相關(guān)性的多個(gè)變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)可以反映原始全部變量絕大部分信息的綜合變量（主成分），這些轉(zhuǎn)換后的綜合變量之間互不相關(guān)，但能夠反映全部指標(biāo)綜合信息的綜合指標(biāo)，使分析結(jié)果更加簡(jiǎn)明清晰且有說(shuō)服力[15-16]。因此，本研究利用主成分分析方法結(jié)合化學(xué)肥力指標(biāo)對(duì)海南島橡膠園進(jìn)行肥力評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況海南橡膠主產(chǎn)區(qū)主要有7個(gè)市縣(澄邁縣、臨高縣、儋州市、屯昌縣、瓊海市、瓊中縣和白沙縣),各市縣年平均氣溫、年平均降水量、成土母質(zhì)及土壤類型等基本情況見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)海南各市縣基本情況

1.2 樣品采集及化學(xué)分析從每個(gè)市縣中挑選1～3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)采集土壤樣品（表2），每個(gè)鎮(zhèn)選取10～12個(gè)膠園，每個(gè)膠園按照“S”形選取8個(gè)采樣點(diǎn)，采集0～20 cm土層的土壤混合為1個(gè)土壤樣品，共采集144個(gè)土壤樣品。

表2 土壤樣品分布信息

土壤樣品采集完畢后送至實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干，研磨過(guò)篩（孔徑1 mm）。土壤pH采用電位法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法－外加熱法測(cè)定；土壤全氮采用半微量凱氏定氮儀蒸餾法測(cè)定；土壤速效磷采用HCL-NH4F浸提鉬藍(lán)比色法測(cè)定；土壤速效鉀采用醋酸銨浸提火焰光度計(jì)法測(cè)定[17]。

1.3 方法主成分分析評(píng)價(jià)方法對(duì)海南省主要植膠區(qū)的土壤肥力的主要評(píng)價(jià)[18-19]過(guò)程為：（1）土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定；（2）土壤化學(xué)肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化和協(xié)方差矩陣的建立；（3）特征值、主成分貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率的計(jì)算以及主成分個(gè)數(shù)的確定；（4）因子載荷矩陣的建立和主成分得分系數(shù)的計(jì)算；（5）綜合得分的計(jì)算和評(píng)價(jià)等級(jí)的確定[20]。

1.3.1 土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定本研究選擇土壤pH、有機(jī)質(zhì)全氮、速效磷和速效鉀為評(píng)價(jià)指標(biāo)（表3）。

表3 橡膠園土壤相關(guān)性分析

1.3.2 土壤化學(xué)肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化和協(xié)方差矩陣的建立為了消除各項(xiàng)指標(biāo)之間在量綱化和數(shù)量級(jí)上的差別，對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化公式為：

式中，xi為原始數(shù)值，為原始值的平均值，s為原始變量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)矩陣建立協(xié)方差矩陣R（Rij=Rji），其可反映標(biāo)準(zhǔn)化變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度，R值越大，說(shuō)明變量之間相關(guān)性越強(qiáng)，其中，Rij（i,j=1, 2, ···,p）是原始變量Xi與Xj的相關(guān)系數(shù)。

1.3.3 特征值、主成分貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率的計(jì)算以及主成分個(gè)數(shù)的確定利用SAS軟件計(jì)算協(xié)方差矩陣R的特征向量（表4）和特征值（表5），然后根據(jù)特征值計(jì)算每個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率以及累計(jì)貢獻(xiàn)率。根據(jù)累積貢獻(xiàn)率大于85%的原則[21]，提取4個(gè)前成分。其中，第一主成分貢獻(xiàn)率為40.11%；第二主成分貢獻(xiàn)率為21.44%；第三主成分貢獻(xiàn)率為19.71%；第四主成分貢獻(xiàn)率為16.88%；這4個(gè)主成分可以集中原始變量的98.14%。

表4 特征向量

表5 各主成分的方差貢獻(xiàn)率

1.3.4 因子載荷矩陣的建立和主成分得分系數(shù)的計(jì)算因子載荷是主成分Zi與原始指標(biāo)Xi的相關(guān)系數(shù)R（Zi，Xi），揭示了主成分與各土壤養(yǎng)分指標(biāo)之間的相關(guān)程度。由因子載荷矩陣（表6）可知，第一主成分主要由土壤有機(jī)質(zhì)、全氮影響；第二主成分主要由速效磷和速效鉀影響；第三和第四主成分都主要由pH影響。因子載荷矩陣并不是主成分得分系數(shù)，主成分得分系數(shù)是各自因子載荷向量除以各自因子特征值的算數(shù)平方根[22]，即:

表6 因子載荷與主成分得分系數(shù)矩陣

式中，Ri為因子載荷， λi為對(duì)應(yīng)特征根。主成分得分系數(shù)見(jiàn)表5。

1.3.5 綜合得分的計(jì)算和評(píng)價(jià)等級(jí)的確定根據(jù)主成分得分系數(shù)矩陣（表6），可得出每個(gè)主成分綜合得分線性表達(dá)式：

式中，X1～X5分別代表標(biāo)準(zhǔn)化的土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮含量、速效磷含量、速效鉀含量。

根據(jù)主成分貢獻(xiàn)率，海南省橡膠園土樣的綜合評(píng)價(jià)模型為IFI=0.399 1F1+0.214 7F2+0.197 2F3+0.168 5F4。IFI值越高，說(shuō)明土壤肥力高，反之，則表示土壤肥力低。依據(jù)綜合指數(shù)，采用ward聚類法對(duì)海南橡膠園土壤肥力進(jìn)行等級(jí)劃分。

2 結(jié)果與分析

2.1 橡膠園土壤化學(xué)肥力評(píng)價(jià)結(jié)果采用ward聚類法可將海南島橡膠園土壤化學(xué)肥力劃分為高（Ⅰ類）、中（Ⅱ類）、低（Ⅲ類）3個(gè)等級(jí)。第Ⅰ類土壤樣本數(shù)為37個(gè)，占全部樣本的25.69%，IFI變化范圍為3.29～16.79；第Ⅱ類土壤樣本數(shù)有51個(gè)，占全部樣本的35.42%，IFI變化范圍為-1.8～2.74；第Ⅲ類土壤樣本數(shù)為56個(gè)，占全部樣本的38.89%，IFI變化范圍為-9.08～-2.0。

對(duì)不同肥力等級(jí)的土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行多重比較（表7），可見(jiàn)第Ⅰ類土壤pH顯著（P＜ 0.05）高于第Ⅱ類和第Ⅲ類；第Ⅰ類土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，均值為20.6 g·kg-1，且與第Ⅱ類、第Ⅲ類土壤有機(jī)質(zhì)存在顯著差異（P＜ 0.05），第Ⅱ類土壤有機(jī)質(zhì)與第Ⅲ類土壤有機(jī)質(zhì)也存在顯著差異（P＜ 0.05）；土壤全氮、速效磷、速效鉀含量由大到小均依次為：Ⅰ ＞ Ⅱ ＞ Ⅲ。其中，第Ⅰ類與第Ⅱ類均有顯著差異（P＜ 0.05），第Ⅱ類與第Ⅲ類也存在顯著差異（P＜0.05），速效磷除外。

表7 海南省橡膠園不同肥力等級(jí)土壤養(yǎng)分指標(biāo)

海南省橡膠園土壤養(yǎng)分指標(biāo)與橡膠樹(shù)適宜種植土壤養(yǎng)分范圍（pH 4.5～5.5、有機(jī)質(zhì)20～25 g·kg-1、全氮0.8～1.4 g·kg-1、速效磷5～8 mg·kg-1、速效鉀40～60 mg·kg-1）相比[1]，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類土壤pH均在適宜種植范圍內(nèi)；就土壤有機(jī)質(zhì)而言，只有第Ⅰ類土壤達(dá)到適宜種植范圍，第Ⅱ類、第Ⅲ類均小于20 g·kg-1的適宜標(biāo)準(zhǔn)（20 g·kg-1）；土壤全氮含量與土壤有機(jī)質(zhì)相似，也只有第Ⅰ類于適宜范圍，而第Ⅱ類、第Ⅲ類均低于閾值標(biāo)準(zhǔn)（0.8 g·kg-1）；第Ⅰ類、第Ⅱ類土壤速效磷含量高于適宜上限（8 mg·kg-1），含量比較豐富，第Ⅲ類土壤速效磷含量為6.54 mg·kg-1，處于正常范圍（5～8 mg·kg-1）；第Ⅰ類土壤速效鉀含量為55.61 mg·kg-1，處于40～60 mg·kg-1的正常值(40～60 mg·kg-1)范圍內(nèi)，第Ⅱ類土壤速效鉀含量為45.62 mg·kg-1，雖然也處于適宜值范圍之內(nèi)，但已經(jīng)比較接近該范圍的下限值，3類土壤對(duì)比說(shuō)明第Ⅱ類土壤速效鉀含量有逐漸缺乏的趨勢(shì)，而第Ⅲ類土壤的速效鉀含量為31.6 mg·kg-1，低于適宜種植范圍。由上述分析結(jié)果可以看出，有機(jī)質(zhì)和全氮是海南島橡膠園土壤化學(xué)肥力的主要限制因子，其次是速效鉀。這和主成分分析的結(jié)果也是相一致的，即影響第一主成分的主要是有機(jī)質(zhì)和全氮，而影響第二主成分的是速效鉀和速效磷。

本研究采集的土壤樣品中有82.64%的樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)含量低于20 g·kg-1，說(shuō)明海南省主要植膠區(qū)縣土壤有機(jī)質(zhì)很缺乏，其主要原因可能是有機(jī)肥投入量少。施肥情況調(diào)查表明，受訪農(nóng)戶中施有機(jī)肥的用戶不足10%，而且施有機(jī)肥的方式多數(shù)是將雜草或枯枝落葉堆填在施肥穴中，該方式投入的有機(jī)質(zhì)含量較低。土壤全氮與有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)（P＜ 0.01），相關(guān)系數(shù)為0.897。因此，土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低是造成全氮含量缺乏的原因之一。李彭怡等[24]統(tǒng)計(jì)2014-2016年廣東省茂名市橡膠園土壤養(yǎng)分情況，結(jié)果表明，橡膠園有機(jī)質(zhì)含量有88.25%樣品表現(xiàn)缺乏，低于全氮含量正常指標(biāo)的樣品也高達(dá)82.02%[24]。宋艷紅等[25-26]也發(fā)現(xiàn)，隨著橡膠種植年限延長(zhǎng)，土壤有機(jī)質(zhì)呈下降趨勢(shì)，種植30 a橡膠林地土壤有機(jī)質(zhì)含量低至14.51 g·kg-1。

采集的土壤樣品中有47.92%的土壤樣點(diǎn)速效鉀含量低于正常養(yǎng)分含量，原因可能是鉀肥投入量少。施肥農(nóng)戶絕大部分施用肥料為15-15-15復(fù)合肥，開(kāi)割橡膠樹(shù)標(biāo)準(zhǔn)施肥量約為2 kg·株[27]，按照養(yǎng)分配比計(jì)算，鉀元素投入量應(yīng)為0.5 kg·株。調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果表明，開(kāi)割橡膠樹(shù)鉀元素投入量為0.267 kg·株，大約為標(biāo)準(zhǔn)投入量的50%；且鉀肥的價(jià)格偏高。因此，沒(méi)有農(nóng)戶單施鉀肥或在施用復(fù)合肥的基礎(chǔ)上追施鉀肥。其次，橡膠林生態(tài)系統(tǒng)中的鉀元素除了滿足橡膠樹(shù)正常生長(zhǎng)外，大部分被生產(chǎn)割膠和采種帶走，其余部分則因高溫多雨導(dǎo)致淋溶和水土流失造成土壤鉀元素?fù)p失[28]，導(dǎo)致土壤中速效鉀含量降低。

2.2 膠園土壤肥力狀況各市縣植膠區(qū)的土壤化學(xué)肥力綜合得分以及相應(yīng)肥力等級(jí)如表8所示。從表8可以看出，澄邁縣、臨高縣橡膠園土壤肥力整體偏低，高肥力水平占比均不足10%。儋州市、屯昌縣大部分土壤化學(xué)肥力維持在中等水平。瓊海市、瓊中縣土壤肥力狀況較好，高肥力水平分別占44.44%、50%。白沙縣土壤肥力呈兩極化，高肥力水平和低肥力水平占比均較大。

表8 海南省各市縣土壤肥力綜合值及肥力分布頻率

3 結(jié) 論

（1）本研究采用主成分分析和ward聚類法對(duì)海南島橡膠園土壤化學(xué)肥力進(jìn)行綜合平價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果較好地反映海南省橡膠園土壤肥力的實(shí)際狀況。不同市縣橡膠園土壤化學(xué)肥力存在較大差異，其中瓊中縣和瓊海市土壤化學(xué)肥力最高，屯昌縣和儋州市大部分膠園土壤化學(xué)肥力處于中等水平，臨高縣和澄邁縣膠園土壤化學(xué)肥力最低，白沙縣膠園土壤肥力出現(xiàn)兩級(jí)分化，高土壤肥力與低土壤肥力所占比例都比較高。

（2）橡膠園土壤肥力評(píng)價(jià)結(jié)果和主成分分析結(jié)果都表明，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮是海南島橡膠園土壤化學(xué)肥力的主要限制性因子，速效鉀是次級(jí)限制性因子。在今后的橡膠園土壤肥力管理中，應(yīng)注重有機(jī)肥、氮肥和鉀肥的投入以培肥土壤，保證天然橡膠的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)。