基于主成分分析的片麻巖山地新栽幼樹不同保水措施評價

劉 洋, 趙 爽, 李 寒, 齊國輝, 張雪梅, 郭素萍

(1.河北農業大學 林學院, 河北 保定 071000; 2.河北省核桃工程技術研究中心, 河北 臨城 054300)

基于主成分分析的片麻巖山地新栽幼樹不同保水措施評價

劉 洋1,2, 趙 爽1,2, 李 寒1,2, 齊國輝1,2, 張雪梅1,2, 郭素萍1,2

(1.河北農業大學 林學院, 河北 保定 071000; 2.河北省核桃工程技術研究中心, 河北 臨城 054300)

[目的] 探索北方退化干旱山地新栽幼樹適宜的土壤保水措施,為北方干旱退化山地發展高效節水經濟林產業提供科學依據。[方法] 以2年生“綠嶺”核桃嫁接幼樹為試材,進行保水劑、秸稈覆蓋和地膜覆蓋等保水措施的不同組合處理,研究不同保水措施對土壤環境狀況及新栽核桃幼樹生長的影響,并采用主成分分析法對保水措施進行科學的綜合評價。[結果] 用土壤理化性質、土壤微生物數量和新栽幼樹生長狀況3個層次的17個指標構建了片麻巖山地新栽幼樹保水措施的篩選模型,將原始數據標準化,提取出了4個主成分,可反映保水措施93.453%的綜合效果。[結論] 地膜覆蓋是片麻巖山地新栽幼樹最佳的保水措施。

核桃; 保水措施; 主成分分析; 綜合評價

中國是一個嚴重干旱缺水的國家，淡水資源總量為2.80×1012m3，占到全球淡水資源的6%，但是由于人口眾多，人均擁有淡水資源僅為世界平均水平的1/4，是全球人均水資源最貧乏的國家之一[1-2]，這種狀況于北方山區更加嚴峻。發展經濟林產業是帶動北方山區農民脫貧致富的有效途徑，但北方山區水資源匱乏是發展經濟林產業的主要制約因素。因此，如何提高山區水資源利用率是解決這一問題的關鍵所在。土壤保水措施能夠有效地減少土壤水從地表蒸發散失，是水資源高效利用的有效途徑。在北方干旱山地栽植果樹或種植農作物時施用保水劑[3-6]，采取地面覆蓋等[7-9]措施可以有效減少土壤水分蒸發，提高水分利用效率，還具有調節地表溫度[10-11]，改善土壤理化性狀[12]，防止水土流失[13]的作用，并可以顯著提高栽植成活率，促進植物生長發育。但目前關于保水措施研究多是針對不同保水處理之間保水效果的研究，在這些研究中，我們可以了解到某個保水措施的優缺點，但關于如何評價保水措施優劣的研究還未見報道。為了探索北方片麻巖山地果園適宜的土壤保水模式，本試驗擬以2年生“綠嶺”核桃嫁接幼樹為試材，研究不同保水措施組合對土壤環境及新栽核桃幼樹生長的影響，從土壤理化性質、土壤微生物數量和新栽核桃幼樹生長狀況等3個指標層次，運用主成分分析法綜合評價不同保水措施的效果，以期為北方干旱退化山地發展高效節水經濟林產業提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設在河北省中部太行山東麓、滹沱河上游的平山縣銀泰葫蘆峪農業科技開發有限公司的核桃生產基地。地理位置為東經114°5′38″—114°7′33″，北緯38°26′5″—38°27′47″。該地區屬暖溫帶半干旱季風大陸性氣候，年平均氣溫12.7 ℃，年較差29.5 ℃。無霜期170～183 d，年太陽輻射總能量為548～582 kJ/cm2，多年平均日照時數2 611 h，年有效積溫4 853.5 ℃。多年平均降水量543.3 mm，多年平均汛期降水量430 mm，占全年降水量的70.6%。多年平均水面蒸發量1 815.4 mm，年平均干燥度1.38。

1.2 試驗設計與試驗方法

試驗以2年生“綠嶺”核桃嫁接幼樹為試材。試驗設清耕(CK)、栽植坑內施用保水劑(以下簡稱保水劑)、秸稈覆蓋(以下簡稱秸稈)、地膜覆蓋(以下簡稱地膜)、栽植坑內施用保水劑+秸稈覆蓋(以下簡稱保+秸)、栽植坑內施用保水劑+地膜覆蓋(以下簡稱保+地)、秸稈覆蓋+地膜覆蓋(以下簡稱秸+地)、栽植坑內施用保水劑+秸稈覆蓋+地膜覆蓋(以下簡稱保+秸+地)，共8個處理。每處理每個小區30株樹，采用隨機區組排列，3次重復。2015年3月24日栽植。保水劑為從北京漢力淼新技術有限公司購進的XL型保水劑(粒徑4～6 mm)，施用量20 g/株；秸稈為花生殼，覆蓋厚度10 cm；地膜為普通農用黑色PE薄膜。栽植前每個栽植坑內施入25 kg腐熟雞糞，與土壤充分混勻。采用小管出流節水灌溉系統進行灌水，灌溉次數由土壤含水量決定，在土壤容積含水量低于20%(長時間低于此含水量會導致核桃幼樹缺水而死)時對相應處理的核桃樹進行補水灌溉，每次灌水量為25 kg/株。

1.3 測定內容及方法

土壤容積含水量：采用TRIME-T3 TDR土壤含水量測量系統進行測定，從4月份開始，每10日測定1次。并計算其生長期均值。

(1) 成活率。在9月份，統計不同保水措施處理下的核桃幼樹的成活株數，計算成活率。

(2) 新梢長度。在不同處理中隨機選取5棵樹，從核桃幼樹萌芽起到落葉前，每10 d測定一次全樹所有新梢的長度。

(3) 土壤理化性質測定。土壤水分采用烘干法；土壤pH值采用電位計法測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法；全氮采用凱氏定氮法；全磷采用鉬銻抗比色法；速效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法；全鉀和速效鉀采用原子吸收分光光度法[14]。

(4) 土壤微生物數量測定。土壤微生物采用平板計數法，細菌、真菌、放線菌、纖維素分解菌所用培養基分別為牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基、馬丁氏培養基、高氏1號培養基、CMC-Na瓊脂培養基。

1.4 數據分析方法

采用主成分分析法[15]建立保水措施效果綜合評價模型。設反映保水措施綜合評估值的p個指標為X1，X2，…，Xp，n個保水措施的p項指標構成了原始數據矩陣X=[Xij]n×p，其中Xij為第i個保水措施的第j項指標數據(i=1，2，…，n;j=1，2，…，p)。

(1) 原始數據標準化，目的是為了消除量綱和數量級的影響。

(1)

(2) 確定主成分，將標準化的數據用SPSS軟件處理，從總方差分析表選取累計貢獻率≥85%的前m個主成分，然后建立m個主成分和標準化變量的關系，公式為:

(2)

式中：Yk——第k個主成分(k=1，2，3，…，m)；uk1——第k個主成分的因子荷載。

(3) 確定權重，用第k個主成分的貢獻率與選取的m個主成分的總貢獻率的比值來確定每個主成分的權重:

(3)

式中：wk——第k個主成分的權重；λk——第k個主成分的貢獻率。

(4) 構造綜合評價函數，根據式(2)得到的前m個主成分和式(3)中確定的權重構造綜合評價函數:

(4)

式中：F——保水措施綜合評價得分，綜合得分越高，表明此種保水措施的綜合效果越好。

2 結果與分析

2.1 不同保水措施的單項指標評價

本研究中保水措施采用了保水劑、秸稈和地膜3種保水材料，運用不同組合對片麻巖山地新栽核桃幼樹進行保水處理。為了綜合評價每個保水措施的效果，選取土壤理化性質、土壤微生物數量和新栽核桃幼樹生長狀況作為評價指標。在對各評價指標進行主成分分析前首先要用式(1)對各個指標做標準化處理，處理結果見表1—3。

從土壤物化性質角度來看，采用保水措施后，土壤含水量均有不同程度的提高，所施用的措施越多，土壤含水量越高；總體來看，保水措施均可以改善土壤環境狀況，各保水措施對土壤密度、孔隙度的影響程度不盡相同；地膜覆蓋在促進幼樹快速生長，加速了土壤中的營養消耗，故土壤養分有所降低，秸稈覆蓋后，腐爛后會增加土壤養分含量。

從微生物角度看，土壤微生物有助于土壤粒子形成大的團粒結構，對土壤的形成和發育有密切關系。還可以分解有機質和礦物質，增加土壤可利用養分含量，進而促進林木生長。故微生物情況也應作為反映保水措施優劣的指標。由表3可見，有地膜覆蓋而沒有秸稈覆蓋的處理(地膜和保+地)的土壤微生物數量低于對照，有秸稈覆蓋的處理(秸稈、保+秸、秸+地、保+秸+地)土壤微生物數量均高于對照，說明地膜覆蓋對微生物的繁殖有一定抑制作用，秸稈覆蓋促進了微生物的繁殖發育。

從新栽幼樹生長角度來看，保水措施實施的目的是為了節水，但前提卻是在保證成活率和幼樹正常生長。所以新栽幼樹的生長情況對評價保水措施的效果至關重要。好的保水措施不僅可以提高新栽幼樹成活率，還應該最大地增加生長量。在本試驗中，有地膜覆蓋而沒有秸稈覆蓋的處理增加了新栽核桃幼樹的成活率，其中保+地處理的成活率最高，有秸稈覆蓋的處理因為阻礙了地溫升高使新栽核桃幼樹成活率降低；所有保水措施均可以增加新栽幼樹的新梢生長量，不同措施之間差異顯著，保+秸處理的新栽核桃苗的新梢長度最大。

表1 不同保水措施的土壤物理性質標準化數據

表2 不同保水措施的土壤化學性質標準化數據

表3 不同保水措施的土壤微生物和新栽核桃樹生長狀況標準化數據

2.2 基于主成分分析的不同保水措施的綜合評價

將標準化數據進行主成分分析，總方差分析見表4。前4個主成分的累計貢獻率為93.453%(大于85%)，選取前4個主成分就足以反映所需要的評價信息。所提取的前4個主成分的因子荷載見表5。其中第1個主成分因子荷載量較大的指標有有機質含量、全氮含量、全磷含量、有效磷含量、速效鉀含量、細菌數量、放線菌數量、成活率、新梢長度；第2個主成分因子荷載量較大的指標有土壤含水量、非毛管孔隙度、全鉀含量、真菌數量；第3個主成分因子荷載量較大的指標有土壤密度、總孔隙度、毛管孔隙度；第4個主成分因子荷載量較大的指標為纖維分解菌數量。

表4 標準化數據的總方差分析

表5 因子載荷

首先根據因子荷載值計算每個主成分與標準化變量的結果，計算公式如式(2)，計算結果見表6；然后確定權重，根據式(3)，4個主成分的權重依次為w(0.500,0.212,0.178,0.094);最后構造綜合評價函數，將表6所得的結果與計算的權重根據公式(4)計算，計算結果見表7。由表7的綜合評價結果可知：地膜覆蓋的綜合效果最好，其次是秸稈，然后是保+地、秸+地、保+秸、對照、保+秸+地、保水劑。

表6 主成分與標準化變量的關系

表7 綜合評價結果

3 結論與討論

經濟林是北方山區農民的主要收入來源，在山區和丘陵區，灌溉條件差，土壤瘠薄和干旱缺水是限制經濟林優質、豐產的兩大自然因素。提高水分利用效率對發展山區經濟林產業有著十分重要的意義。本試驗對山地新栽核桃幼樹采取不同保水措施處理后，表明保水措施可有效地減少土壤水分蒸發和利用自然降雨，提高水分利用效率，這與張義等[16]和揣俊峰等[17]的研究結果基本一致。保水措施在改變土壤含水量的同時，對土壤溫度也產生了一定的影響，地膜覆蓋大幅度減少了土壤與外界的水分交換，從而降低了潛熱交換的損失，同時也減弱了土壤與外界的顯熱交換，使土壤熱通量增大，從而實現增溫，這與員學鋒等[18]和孫仕軍等[19]的研究結果基本一致；秸稈覆蓋在土壤表面形成了一道物理阻隔層，能攔截并吸收太陽輻射，阻礙了土壤和大氣間的水熱交換，從而能使土壤溫度保持一個相對穩定的狀態，這與Roger-Estrade J等[20]的研究結果基本一致。不同土壤保水措施處理后引起土壤水分、溫度的變化，從而對土壤養分、土壤微生物產生一定的影響。秸稈覆蓋為土壤提供了一個更加溫和的環境，更有利于微生物的繁殖，同時秸稈腐爛會增加土壤有機質和氮磷鉀的含量。

水熱條件是影響作物生長發育最重要的因素，植物的生長發育往往是二者綜合作用的結果，本研究也證實了這一點。春季時，秸稈覆蓋的土壤水分并不比地膜覆蓋的低，但地膜覆蓋的新梢生長速率要遠快于秸稈覆蓋，究其原因在于核桃根系于10 ℃地溫即開始生長，地溫17～19 ℃為根系生長的適溫[21-22]，在低溫少雨的春季，地膜可增高土壤溫度和保持水分，有利于新栽核桃幼樹根系活動，使得萌芽提前，有利于根系和新梢的生長，這與趙長增等[23]的研究結果基本一致，秸稈覆蓋會降低白天的土壤溫度，不利于核桃根系活動，使得萌芽延遲，降低了新栽核桃幼樹的成活率。夏季時，地膜覆蓋的土壤水分也并不比秸稈覆蓋的低多少，但新梢生長速率遠慢于后者，其原因在于在一定土壤溫度范圍內，根系水分傳導隨土壤溫度增加而增加；但超過此范圍后，其根系水分傳導隨溫度增加而降低[24]。進入高溫多雨的夏季后，地膜覆蓋會使白天時的土壤溫度過高，會損傷新栽核桃幼樹的根系，從而抑制核桃幼樹的生長，許樹寧等[25]在試驗中也得出了相似的結論。而秸稈覆蓋可降低白天的土壤溫度，使核桃根系免受高溫的危害，而且可以有效地利用降雨，從而促進了新梢的快速生長，這在花永輝等[26]的試驗中也得到了驗證。

如果僅僅以土壤含水量來衡量保水措施保水效果的好壞就失去了實施保水措施的初衷，保水措施的目的是為了在節約水資源的同時不影響樹體的正常生長或對樹體的生長影響較小，即以最少的用水量獲得最大的樹體生長量。所以樹體的生長指標對于評價保水措施的好壞也是至關重要的。同時保水措施也會對土壤密度、孔隙度、養分含量等狀況產生一定的影響，這些指標的改變也會影響土壤含水量和樹體的生長，故在評價保水措施優劣時也應考慮這些因素。每種保水措施都有其優缺點，不能簡單的以某一項指標衡量保水措施的優劣?；谥鞒煞址治鼍C合評價片麻巖山地新栽幼樹保水措施，將土壤理化性質、土壤微生物數量和新栽幼樹生長狀況3個層次的指標納入該模型，將原始數據標準化，計算綜合評價體系的主成分，構建片麻巖山地保水措施的篩選模型，評價保水措施的優劣，篩選出片麻巖山地新栽幼樹最佳的土壤保水措施。本試驗中得出的結果顯示，地膜覆蓋處理是片麻巖山地新栽幼樹最適宜的保水措施。

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EvaluationofWaterConservationMeasuresonNewlyPlantedTreesinGneissMountainBasedonPrincipalComponentAnalysis

LIU Yang1,2, ZHAO Shuang1,2, LI Han1,2,QI Guohui1,2, ZHANG Xuemei1,2, GUO Suping1,2

(1.CollegeofForestry,HeibeiAgriculturalUniversity,Baoding,Heibei071000,China; 2.ResearchCenterforWalnutEngineeringandTechnologyofHebei,Lincheng,Heibei053400,China)

[Objective] To find out suitable soil water conservation measures in arid and degradation mountain regions in North China, in order to provide scientific basis for the development of efficient water-saving forest industry in the northern arid degraded mountainous areas. [Methods] Two years old “Lüling” grafted walnut seedlings were used as materials to study the effects of different combinations of aquasorb, straw and plastic film mulching on soil environment and growth of newly planted young walnut trees. Principal component analysis was used for the comprehensive evaluation of water conservation measures. [Results] Seventeen indices of physical and chemical properties of soil, soil microbial quantity and newly planted tree growth status were used to construct the screening model of water conservation measures on newly planted trees in gneiss mountains. Using the standardized data, four principal components were extracted from 17 indices, which can explain 93.453% of the comprehensive effect of water conservation measures. [Conclusion] The plastic film mulching is the best water conservation measure for newly planted tree in gneiss mountains.

walnut;waterconversationmeasures;principalcomponentanalysis;comprehensiveevaluation

B

1000-288X(2017)05-0284-06

S152.7+1

文獻參數： 劉洋, 趙爽, 李寒, 等.基于主成分分析的片麻巖山地新栽幼樹不同保水措施評價[J].水土保持通報，2017,37(5)：284-289.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.048； Liu Yang, Zhao Shuang, Li Han, et al. Evaluation of water conservation measures on newly planted trees in gneiss mountain based on principal component analysis[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：284-289.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.048

2017-04-10

2017-04-27

林業公益性行業科研專項經費項目“太行山干旱退化山地旱澇災害生態調控技術研究”(201504408); 河北省科技計劃項目“河北省山區核桃近自然生產技術創新與示范”(16236810D)

劉洋(1991—),男(漢族),河北省高陽縣人,博士研究生,主要研究方向為經濟林栽培生理。E-mail:1203110893@qq.com。

齊國輝(1969—),女(漢族),河北省遵化市人,博士,教授,主要從事經濟林栽培教學及科研工作。E-mail:bdqgh@sina.com。