基于主成分分析的橡膠種植適宜性評價

蘇文地　張培松　羅微

摘 要 選取土壤及氣候資源，根據前人的研究成果及專家經驗選擇確定評價因子，運用模糊數學方法來量化評價因子，采用主成分分析方法對海南省儋州市的橡膠種植適宜性進行評價。結果表明：儋州市最適宜橡膠種植的面積為43 029.58 hm2，占農用地面積的14.99%；適宜面積為57 770.90 hm2，占20.12%，次適宜面積為40 934.9 hm2，占14.26%。該評價結果可以從宏觀上實現儋州市的橡膠收益最大化以及為橡膠種植的區劃提供決策參考。

關鍵詞 橡膠樹 ；適宜性 ；種植 ；主成分分析

分類號 S794.1

Abstract This paper selects the soil and climate resources， according to the previous research results and the expertise to determine the evaluation factor. Use the fuzzy mathematical method to quantify the evaluation factors， and then evaluated the planting suitability of rubber in Danzhou City by the method of principal component analysis. The results showed that the most suitable area for rubber planting is 43 029.58 ha， accounting for 14.99 % of the total agricultural land in Danzhou City； the suitable area for planting is 57 770.90 ha， accounting for 20.12 %； the less suitable area for planting is 40 934.9 ha， accounting for 14.26 %. The evaluation results not only bring the maximum benefit of the rubber at the macro， but also provide a reference for the zoning of the rubber plantations in Danzhou City.

Keywords rubber tree ； suitability ； planting ； principal component analysis

橡膠是關乎國計民生和國防安全的重要戰略物資，是四大工業原料中唯一可再生的資源[1]。海南省是我國最大的天然橡膠生產基地，橡膠產業不僅是海南農民的重要經濟來源，也是海南省的基礎產業、支柱產業和優勢產業[2]。隨著我國人民的生活水平日益提高以及經濟全球化和區域經濟一體化，人們對天然橡膠的需求隨之增加。面臨國際市場的競爭，如何在有限的土地上將橡膠的效益最大化，且最大限度地保護土壤資源、挖掘農業資源的潛力，已成為橡膠生產管理部門迫切需要解決的問題[3]。雖然近年來海南橡膠種植的發展勢頭良好，但是在橡膠種植生產中還存在著一些問題：有些農戶仍然過著靠天吃飯的日子或者憑著經驗從事橡膠生產，有些農戶由于文化素質較低而大量的施肥以片面地追求產量。這些生產模式并非是最好的，還忽略了生態效益；再有儋州市的橡膠實際種植面積及產量位居海南省（農墾除外）第一，但是平均產量卻位居全省第六[4]。為了實現橡膠產量的提高，且在不增加種植面積的情況下，增加橡膠的總產量，這就要求逐步提高橡膠的單產。因此，因地制宜地種植橡膠已成為海南橡膠種植管理的熱點。

鑒于上述原因，本研究針對海南省儋州市的橡膠種植進行了適宜性分析評價，以提高橡膠的單產，實現橡膠生產的經濟效益最大化，增加農民的收入。通過橡膠種植的適宜性評價為橡膠種植區劃作出理論依據，為農業管理者提供科學準確的區劃參考。

1 材料與方法

1.1 材料

儋州市位于海南島的西北部，是海南省土地面積最大、人口最多的市（縣級市），它瀕臨北部灣，地處東經108°56′～109°46′，北緯19°11′～19°52′，是海南西部的經濟、交通、通信和文化中心。儋州市陸地面積3 265 km2，人口106.86萬（2010年底）[4]。由于地處東亞大陸季風氣候的南緣，屬熱帶季風氣候。年平均氣溫23.3℃，年平均日照時數在2 000 h以上，西部沿海日照達2 500 h左右；降雨量充沛：全市各地降雨量為900～2 500 mm/a，平均降雨量為1 800 mm/a；全市全年雨量分布不均，冬春季節雨量稀少，夏秋季節雨量充沛。全市地表年徑流量達到189億m3。全市全年水熱資源豐富，適宜多種農作物生長繁殖。2010年全市熱帶作物面積46 646 hm2，其中橡膠種植面積45 605.07 hm2[4]。

空間數據：1∶50 000儋州市行政區界圖、土壤類型圖、土地利用現狀圖、數字高程模型等；

文本數據：儋州市氣象統計數據、儋州市“測土配方施肥”項目的采樣調查分析結果，包括采樣點坐標、基本情況、土壤農化分析數據，以及儋州市其他相關資料與數據。

1.2 數據處理方法

數據處理軟件：SPSS 統計分析軟件、GIS 地理信息系統軟件。

2 結果與分析

2.1 基于主成分方法的橡膠種植適宜性評價

2.1.1 評價單元的劃分

評價單元是橡膠種植適宜性評價的最基本單元，本研究的評價單元劃分采用土壤圖、土地利用現狀圖、行政區劃圖疊置構成。相同的土壤類型、土地利用現狀及行政區劃組成一個評價單元，以便于評價結果的應用。其中土壤類型劃分到土屬，土地利用現狀提取農用地，行政區劃劃分到行政村。通過疊加分析處理后得到儋州市的11 761個評價單元。endprint

2.1.2 評價指標的選取及量化

參評的指標主要分為兩類：一類是連續型指標（即定量化的指標），包括土壤養分值、土層厚度、容重、風速、降雨量等；一類是離散型指標（即定性、概念型指標），包括質地，成土母質、剖面構型等。由于參評指標不能夠簡潔地表明該因素對橡膠適宜性影響的大小，所以本研究采用“隸屬度”來界定[5]。

2.1.2.1 隸屬函數

由于參評的指標是漸變的，固本文采用模糊數學的方法來建立隸屬函數。根據前人的研究經驗和數學原理來建立函數，為了避免計算時零值過多，隸屬函數定為0.1～1.0，最大值1.0表示該指標完全適合作物生長，最低值0.1表示該指標不利于作物生長。建立相應的函數模型[6-8]：

2.1.2.2 指標的選擇以及指標臨界值的確定

根據橡膠正常生長對環境條件的相關研究，結合專家經驗法和理論分析，確定各評價因子的隸屬函數的臨界值和閾值及散點型函數的隸屬度[9-13]。如表1。

2.1.3 評價因子屬性數據庫建立

利用儋州市各氣象站點的空間位置（緯度、經度）及其觀測的數據，建立風速、年降水量數據庫。采用反距離權重插值模型對氣候要素數據進行模擬空間處理，建立風速、年降水量等柵格空間數據庫。利用儋州市DEM模型，借助GIS 相關模塊自動生成坡度、坡向、海拔高度等地形因子柵格空間及其屬性數據庫。利用土壤普查、測土配方施肥調查樣點的資料和DEM模型，建立調查樣點及其相關屬性數據庫。采用克里格插值法生成儋州市土壤耕層有機質、有效磷、速效鉀等柵格數據庫；利用ArcGIS進行區域統計，作為評價單元相關因子的屬性數據。

2.1.4 主成分分析的計算步驟

（1）各量化指標數據標準化

將采集p維隨機向量x=（x1，x2，...，xp）T）n個樣品

xi=（xi1，xi2，...，xipT ，i=1，2，…，n，n>p，構造成樣本陣，接著對樣本陣元進行標準化轉換；如下：zij=，i=1，2，…，n；j=1，2，…，p；其中=≥， 得到標準化陣Z。

（2）按照公式R=|Tij|pxp=；其中，rij=，i，j=1，2，…，p；求標準化陣Z的相關系數，并構造相關系數矩陣R。

（3）計算出樣本的相關系數矩陣R的特征方程|R-λIp|=0得m個特征根，確定主成分的個數。按≥0.85確定所需的m值，使信息的利用率達85%以上，對每個λj，j=1，2，...，m，解方程組Rb=λjb得單位特征向量b0j。

（4）根據Uij=ZTiB0j，j=1，2，...，m；其中：U1為第一主成分；U2為第二主成分；…，Up為第p主成分。計算各個主成分的得分。

（5）對求得的m個主成分分別進行評價，得到m個主成分的評價分值。再將每個主成分的評價分值與每個主成分的方差貢獻率（即權重）相乘累加，計算評價的綜合得分。

2.1.5 評價結果

根據指標的臨界值和閾值及散點型函數的隸屬度，將指標全部通過隸屬函數量化于同一水平上。然后利用數據分析軟件SPSS16.0和Excel完成主成分分析的相關計算。得到橡膠主成分分析對應的特征根、貢獻率及其累計方差貢獻率（表2）。

從表2可以看出，當m=8時，累計方差貢獻率85.207%>85%，因此可以利用前8個主成分代替原變量進行分析[14]。從表2可知，橡膠的8個主成分與全部的14個指標的線性關系公式為：

根據評價函數模型，將評價單元數據代入上述公式中，計算每個評價單元的綜合F值。將所有評價單元的綜合得分F作累積頻率曲線，并把頻率曲線的拐點作為相鄰等級的臨界值[15]。以最適宜、適宜、次適宜和不適宜對橡膠適宜性綜合指數進行歸類，從而對適宜性進行定性評價。橡膠的適宜性劃分標準見表3。

在橡膠種植適宜性綜合指數劃分基礎上，遵循種植區集中連片且顧及行政區劃界線等原則，結合海南限制橡膠生長的自然環境條件：高程高于300 m，風速高于3 m/s[10]等。將評價單元進行適宜性定性評價，并在GIS中，將評價單元圖與定性評價結果相銜接，最后得到儋州市橡膠適宜性面積統計表（表4）及適應性評價結果圖（圖1、2）。

2.1.6 結果分析

從圖1可以看出，儋州市中部區域橡膠種植適宜性較高，從中間往東南、西北兩邊呈適宜遞減趨勢。橡膠種植適宜區域主要集中在那大鎮附近，不適宜區主要集中在沿海及松濤水庫附近。

結合表4和圖1，可以清楚的看到儋州市橡膠種植的適宜區域：

（1）最適宜區域。橡膠種植最適宜區域的面積為43 029.58 hm2，占農用地面積的14.99%。此類區域分布較為集中，主要分布在大成、和慶、那大、南豐四鎮以及八一、蘭洋、西聯、西流、西培、西慶等農場。此區域農用地的主要特點是地勢平坦、土層較厚、風速較小、降雨量充足、土壤酸堿度適宜且養分充足。對于此類農用地，應當切實加強保護，盡量避免建設用地等占用此類耕地，同時注意做好養地，合理調整化肥施用量和投入比，防止土壤酸化和鹽漬化。

（2）適宜區域。橡膠種植適宜區域的面積為57 770.9 hm2，占農用地面積的20.13%。此類耕地主要分布在大成、和慶、那大、雅星等鄉鎮以及西華、西聯、西流、西培、西慶、新盈等農場。此類農用地環境與最適宜區域農用地相差不大，影響橡膠種植的不利因素主要是水和養分，尤其是有機質和全氮等養分的含量不高，處于中等或中等偏下水平。由于適宜種植面積較最適宜面積廣，因此加強此類耕地的管理和保護是儋州市實現橡膠高產、穩產的保證。針對適宜耕地養分特別是有效磷含量低的特點，可因時適量增加磷肥用量，合理調配復合肥比例，以提高土壤有效磷含量，改善土壤養分結構，達到以磷增氮的效果，消除農業生產中的不利因素。endprint

（3）次適宜區域。次適宜種植橡膠的面積為40 934.9 hm2，占14.26%；該類農用地集中分布在雅星、王五、東城、光村、峨蔓、木棠等鄉鎮以及紅嶺、西華、西聯、新盈等農場。其影響橡膠種植的不利因素主要是降水量較小、風速較大、土壤養分含量不高，雖然其地勢較低，但最重要的是此類土壤有機質和全氮等養分含量低，難以維持橡膠正常生長的生理需要。對于此類區域可以選擇抗風性較強的橡膠品種種植，并且加強農田水利設施的建設，調節水分狀況，增施有機肥等，使之滿足橡膠生長需要。

（4）不適宜區域。不適宜種植橡膠的面積為145 317.6 hm2，占農用地面積的50.62%。該類農用地面積較大，主要分布在沿海以及松濤水庫一帶。沿海地區由于降雨量較小、風速較大等氣候條件以及養分含量低等條件限制而無法種植；在松濤水庫雖然土壤養分充足，但由于其地勢較高、坡度較大等條件限制橡膠的種植，且缺少管理，這些都使得松濤水庫附近的大片區域不適宜種植橡膠。

（5）由于八一農場在儋州市橡膠生產中占有較大比重，且農場在規劃、管理上較為精細，因此以八一農場來檢驗橡膠適宜性評價結果。根據資料數據[4]計算得到儋州市的橡膠單產為2.5 kg/年·株。結合八一農場的實際情況，將八一農場的橡膠產量進行分等定級，將干膠大于3.0 kg/年·株的地塊確定為最適宜種植，適宜種植為2.5～3.0 kg/年·株，次宜種植為2.0～2.5 kg/年·株，小于2.0 kg/年·株的為不適宜種植。將確定好的橡膠產量水平和評價結果進行對應性比較，得到圖2。

（6）從圖2中不難看出，對應“相同”的區域（17 855.8 hm2）明顯多于“不相同”區域（2 454.9 hm2），“相同”區域占驗證區域的87.9%。對應性結果表明：圖1的評價結果對于八一農場橡膠的種植具有較高的適用性。

3 討論與結論

（1）種植適宜性評價涉及土地眾多性狀，即使所選的因子相同，采用不同的評價方法，其評價結果也有所不同。本研究從儋州市出發，以村一級為研究尺度，采用模糊數學的方法，根據橡膠樹正常生長對環境條件的相關研究來確定各評價因子的隸屬函數的臨界值和閾值及散點型函數的隸屬度。并運用主成分分析法，對橡膠種植適宜性進行綜合評價，并制作了適宜性種植圖。通過適宜性評價，因地制宜的發展橡膠樹種植產業，從而提高橡膠的產出率，進而創造出最大的經濟、生態和社會效益。

此方法在實際應用中仍有一些問題需要注意。首先，數據資料的獲取是本方法應用的制約因素，一些重要的評價因子數據將在很大程度上影響評價結果的科學性；其次，評價因子的確定具有一定的局限性，因為評價因子及隸屬函數是根據數據資料以及專家意見加以平衡得出的，受影響較大。另外， 在評價過程中獲得的基礎數據越多、真實性越高， 所得出的評價單元將越零碎。出于評價目的的考慮， 為了更好地為農業管理部門提供決策參考，對于種植適宜性評價結果， 在評價單元（地塊）上，還有待進一步的研究。

（2）在今后的研究中，建立、完善一套科學、可行的適宜性評價方法仍有很多工作需要去做。同時，還應加強人員的管理以及肥料的合理使用，以確保橡膠穩產、高產。

參考文獻

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[15] 韓永學. 特爾斐法與“拿來主義”[J]. 哈爾濱師專學報，2000（2）：67-68.endprint

（3）次適宜區域。次適宜種植橡膠的面積為40 934.9 hm2，占14.26%；該類農用地集中分布在雅星、王五、東城、光村、峨蔓、木棠等鄉鎮以及紅嶺、西華、西聯、新盈等農場。其影響橡膠種植的不利因素主要是降水量較小、風速較大、土壤養分含量不高，雖然其地勢較低，但最重要的是此類土壤有機質和全氮等養分含量低，難以維持橡膠正常生長的生理需要。對于此類區域可以選擇抗風性較強的橡膠品種種植，并且加強農田水利設施的建設，調節水分狀況，增施有機肥等，使之滿足橡膠生長需要。

（4）不適宜區域。不適宜種植橡膠的面積為145 317.6 hm2，占農用地面積的50.62%。該類農用地面積較大，主要分布在沿海以及松濤水庫一帶。沿海地區由于降雨量較小、風速較大等氣候條件以及養分含量低等條件限制而無法種植；在松濤水庫雖然土壤養分充足，但由于其地勢較高、坡度較大等條件限制橡膠的種植，且缺少管理，這些都使得松濤水庫附近的大片區域不適宜種植橡膠。

（5）由于八一農場在儋州市橡膠生產中占有較大比重，且農場在規劃、管理上較為精細，因此以八一農場來檢驗橡膠適宜性評價結果。根據資料數據[4]計算得到儋州市的橡膠單產為2.5 kg/年·株。結合八一農場的實際情況，將八一農場的橡膠產量進行分等定級，將干膠大于3.0 kg/年·株的地塊確定為最適宜種植，適宜種植為2.5～3.0 kg/年·株，次宜種植為2.0～2.5 kg/年·株，小于2.0 kg/年·株的為不適宜種植。將確定好的橡膠產量水平和評價結果進行對應性比較，得到圖2。

（6）從圖2中不難看出，對應“相同”的區域（17 855.8 hm2）明顯多于“不相同”區域（2 454.9 hm2），“相同”區域占驗證區域的87.9%。對應性結果表明：圖1的評價結果對于八一農場橡膠的種植具有較高的適用性。

3 討論與結論

（1）種植適宜性評價涉及土地眾多性狀，即使所選的因子相同，采用不同的評價方法，其評價結果也有所不同。本研究從儋州市出發，以村一級為研究尺度，采用模糊數學的方法，根據橡膠樹正常生長對環境條件的相關研究來確定各評價因子的隸屬函數的臨界值和閾值及散點型函數的隸屬度。并運用主成分分析法，對橡膠種植適宜性進行綜合評價，并制作了適宜性種植圖。通過適宜性評價，因地制宜的發展橡膠樹種植產業，從而提高橡膠的產出率，進而創造出最大的經濟、生態和社會效益。

此方法在實際應用中仍有一些問題需要注意。首先，數據資料的獲取是本方法應用的制約因素，一些重要的評價因子數據將在很大程度上影響評價結果的科學性；其次，評價因子的確定具有一定的局限性，因為評價因子及隸屬函數是根據數據資料以及專家意見加以平衡得出的，受影響較大。另外， 在評價過程中獲得的基礎數據越多、真實性越高， 所得出的評價單元將越零碎。出于評價目的的考慮， 為了更好地為農業管理部門提供決策參考，對于種植適宜性評價結果， 在評價單元（地塊）上，還有待進一步的研究。

（2）在今后的研究中，建立、完善一套科學、可行的適宜性評價方法仍有很多工作需要去做。同時，還應加強人員的管理以及肥料的合理使用，以確保橡膠穩產、高產。

參考文獻

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[15] 韓永學. 特爾斐法與“拿來主義”[J]. 哈爾濱師專學報，2000（2）：67-68.endprint

（3）次適宜區域。次適宜種植橡膠的面積為40 934.9 hm2，占14.26%；該類農用地集中分布在雅星、王五、東城、光村、峨蔓、木棠等鄉鎮以及紅嶺、西華、西聯、新盈等農場。其影響橡膠種植的不利因素主要是降水量較小、風速較大、土壤養分含量不高，雖然其地勢較低，但最重要的是此類土壤有機質和全氮等養分含量低，難以維持橡膠正常生長的生理需要。對于此類區域可以選擇抗風性較強的橡膠品種種植，并且加強農田水利設施的建設，調節水分狀況，增施有機肥等，使之滿足橡膠生長需要。

（4）不適宜區域。不適宜種植橡膠的面積為145 317.6 hm2，占農用地面積的50.62%。該類農用地面積較大，主要分布在沿海以及松濤水庫一帶。沿海地區由于降雨量較小、風速較大等氣候條件以及養分含量低等條件限制而無法種植；在松濤水庫雖然土壤養分充足，但由于其地勢較高、坡度較大等條件限制橡膠的種植，且缺少管理，這些都使得松濤水庫附近的大片區域不適宜種植橡膠。

（5）由于八一農場在儋州市橡膠生產中占有較大比重，且農場在規劃、管理上較為精細，因此以八一農場來檢驗橡膠適宜性評價結果。根據資料數據[4]計算得到儋州市的橡膠單產為2.5 kg/年·株。結合八一農場的實際情況，將八一農場的橡膠產量進行分等定級，將干膠大于3.0 kg/年·株的地塊確定為最適宜種植，適宜種植為2.5～3.0 kg/年·株，次宜種植為2.0～2.5 kg/年·株，小于2.0 kg/年·株的為不適宜種植。將確定好的橡膠產量水平和評價結果進行對應性比較，得到圖2。

（6）從圖2中不難看出，對應“相同”的區域（17 855.8 hm2）明顯多于“不相同”區域（2 454.9 hm2），“相同”區域占驗證區域的87.9%。對應性結果表明：圖1的評價結果對于八一農場橡膠的種植具有較高的適用性。

3 討論與結論

（1）種植適宜性評價涉及土地眾多性狀，即使所選的因子相同，采用不同的評價方法，其評價結果也有所不同。本研究從儋州市出發，以村一級為研究尺度，采用模糊數學的方法，根據橡膠樹正常生長對環境條件的相關研究來確定各評價因子的隸屬函數的臨界值和閾值及散點型函數的隸屬度。并運用主成分分析法，對橡膠種植適宜性進行綜合評價，并制作了適宜性種植圖。通過適宜性評價，因地制宜的發展橡膠樹種植產業，從而提高橡膠的產出率，進而創造出最大的經濟、生態和社會效益。

此方法在實際應用中仍有一些問題需要注意。首先，數據資料的獲取是本方法應用的制約因素，一些重要的評價因子數據將在很大程度上影響評價結果的科學性；其次，評價因子的確定具有一定的局限性，因為評價因子及隸屬函數是根據數據資料以及專家意見加以平衡得出的，受影響較大。另外， 在評價過程中獲得的基礎數據越多、真實性越高， 所得出的評價單元將越零碎。出于評價目的的考慮， 為了更好地為農業管理部門提供決策參考，對于種植適宜性評價結果， 在評價單元（地塊）上，還有待進一步的研究。

（2）在今后的研究中，建立、完善一套科學、可行的適宜性評價方法仍有很多工作需要去做。同時，還應加強人員的管理以及肥料的合理使用，以確保橡膠穩產、高產。

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