基于主成分分析的古樹土壤肥力等級評價

劉家雄，湯珧華

(1.上海電力學院數理學院，上海 200093；2.上海城市樹木生態應用工程技術研究中心，上海 200020；3.上海市綠化管理指導站，上海 200020)

古樹是指樹齡百年以上的樹木。古樹是活的文物和人類極其珍貴的歷史遺產，是歷史的見證和重要自然資源[1-2]。古樹保護的研究對了解地區的歷史、文化、氣象、水文、地質、地理、植被以及空氣污染等自然演變具有一定的作用，特別是對植物進化與變異、樹木生態學具有很高的研究價值[3-4]。上海地處長江口沖積平原，城市歷史較短，古樹資源稀少，目前古樹有1 600余株，主要分布在歷史較長的松江、青浦、徐匯、嘉定等區域，因而，古樹的保護更顯重要。

古樹保護的重要方面是維護和改善古樹的生態環境。在影響古樹生長的諸多生態因子中，土壤是樹木賴以生存的物質基礎[5-9]。目前，人們對古樹的保護，較多考慮樹本身，對古樹的地下生長環境，尤其是土壤，考慮得較少，而古樹生長所需的水分和養分由其生長的土壤提供。近年來，上海由于城市建設速度加快，許多古樹的周邊環境發生了巨大的變化，尤其是古樹的土壤因建設而受到嚴重的破壞，嚴重影響古樹生長。因此，對上海古樹土壤的性質進行系統研究與分類，對加強古樹的保護具有極其重要的意義。

1 材料與方法

1.1研究材料根據上海各區古樹的分布情況，選用34個生長點，每個生長點分東、南、西、北4個方向取0～40 cm土壤，共取100多份土壤指標作研究對象。測試指標為pH、電導率、通氣孔隙度、總孔隙度、有機質、全氮、水解氮、全磷、速效磷和金屬元素鈣、鎂、鐵、鋅、銅14個指標。

1.2研究方法

1.2.1測試方法。pH：采用電位法；電導率：采用DDS型電導；毛管孔隙度：采用常規法測定；通氣孔隙度：通氣孔隙度=總孔隙度-毛管孔隙度；有機質：采用重鉻酸鉀法；速效氮：采用擴散吸收法；有效磷：采用碳酸氫鈉法；速效鉀：采用火焰光度法；金屬元素：稱取土樣0.2 g，加入硝酸10 mL、氫氟酸5 mL、高氯酸2 mL，在電熱板上加熱至沸騰，靜置一夜，第2天加熱至澄清，然后將酸蒸干，轉移至50 mL容量瓶并定容待測。

1.2.2數據處理方法。 利用Microsoft Excel 2000建立土壤養分和古樹生長數據庫，用SPSS 16.0軟件進行主成分分析和聚類分析[10-12]。

主成分分析是模式識別中的一種降維映射方法，該法將多維空間的信息在低維空間表現出來，以消除眾多信息中相互重疊部分。它將原始變量進行轉換，使少數幾個新變量為原變量的線性組合，同時又使這些變量盡可能多地表征原變量的數據結構特征而不丟失信息。

系統聚類分析是先將需要聚類的樣品各自看成一類，然后確定類與類之間的相似性統計量，并選擇最接近的2類或若干類合并成一個新類，計算新類與其他各類之間的相似性統計量，再選擇最接近的2類或若干類合并成一個新類，直到所有樣品都合成一類為止。

2 結果與分析

2.1土壤養分主成分分析為有效分析古樹生長點的土壤肥力水平，對土壤進行主成分分析，結果如表1和2。

從表1可知，在上層土中，第一主成分的特征值為4.834，貢獻率為34.526%，第二主成分的特征值為2.550，貢獻率為18.215%，第三主成分的特征值為1.792，貢獻率為12.802%，第四主成分的特征值為1.145，貢獻率為8.177，第五主成分的特征值為1.112，貢獻率為7.943%，五者的累積貢獻率為81.662%，因此可以用5個因子代替14個原始變量，即用這5個因子來反映土壤的肥力水平。

表1 上層土壤主成分的累積貢獻率和特征值

根據因子載荷矩陣(表2)。5個因子的主成分表達式為：

(1)主成分1=-0.739X1+0.691X2+0.705X3+0.651X4-0.607X5-0.690X6-0.672X7-0.332X8-0.612X9+0.637X10+0.662X11+0.512X12+0.039X13+0.003X14

(2)主成分2=-0.472X1+0.462X2+0.098X3+0.274X4+0.213X5+0.358X6+0.293X7+0.606X8+0.387 2X9+0.514X10-0.033X11-0.458X12+0.584X13+0.660X14

(3)主成分3=0.140X1-0.205X2-0.134X3+0.543X4+0.424X5+0.476X6+0.185X7+0.030X8+0.273X9+0.319X10+638X11+0.501X12-0.203X13-0.317X14

(4)主成分4=-0.006X1+0.058X2-0.279X3+0.134X4+0.259X5+0.271X6+0.050X7-0.614X8-0.469 5X9-0.171X10+0.038X11+0.037X12+0.403X13+0.333X14

(5)主成分5=0.383X1-0.399X2+0.385X3-0.164X4-0.172X5-0.028X6-0.143X7+0.057X8+0.190X9+0.011X10+0.131X11+0.378X12+0.518X13+0.337X14

表2 因子荷載量

由表2的因子載荷絕對值可知，因子一基本反映了通氣孔隙度和容重；因子二基本反映了有機質、全氮和速效氮，因子三基本反映了全磷和速效磷，因子四基本反映了pH和電導率，因子五基本反映了鐵、鎂和銅。即因子一反映了以通氣孔隙度為代表的土壤通氣狀況；因子二反映了以有機質為代表的肥力綜合性狀；因子三反映了磷在土壤中的利用狀況；因子四反映了以pH為代表的土壤化學性狀，因子五反映了以鐵為代表的土壤金屬元素。

2.2聚類分析按通氣孔隙度、容重、有機質、全氮4個主因子聚類，聚類結果如圖1所示，圖中的序號為樣點號。

圖1 古樹生長點土壤聚類結果Fig.1 Cluster results of growing point for old trees

在圖1中重標距離5處劃分水平，可將34個生長點的上層土壤劃分為4種肥力類型。同時，根據聚類結果計算4種肥力類型土壤指標的平均值與標準差(表3)。

表34種肥力類型土壤指標的平均值與標準差

Table3Meansandstandarddeviationofsoilindexesfor4fertilizertypes

肥力類型Fertilizertype樣地數Sampleplots通氣孔隙度Soilporosity容重Soilspecificgravity土壤有機質Soilorganicmatterg/kg土壤全氮Soiltotalnitrogeng/kg178.23±0.021.30±0.0235.2±2.017.8±1.9257.82±0.201.35±0.0222.7±1.615.3±1.43146.34±0.181.46±0.0618.0±0.112.6±1.2484.64±0.221.52±0.0212.9±1.19.7±0.8

根據土壤肥力情況，這4個肥力類型情況如下。第1類型：綜合肥力良好型，包含7個采樣點，古樹編號分別為：0054、0848、0160、1273、0159、0849、0850；第2類型：綜合肥力較好型，包含5個采樣點，古樹編號分別為：0101、0851、0001、0821、0858；第3類型：綜合肥力較差型，包含14個采樣點，古樹編號分別為：0182、18-003、0405、0126、0852、0147、0114、0198、1248、0003、0353、0125、0196、0004；第4類型：綜合肥力差型，包含8個采樣點，古樹編號分別為：0071、0797、0052、0002、0863、0347、0346、0103。

根據聚類結果把所測試的34個生長點劃分為4類。第1、2類土壤的綜合肥力較好，尤其是第1類土壤，基本保持了古樹的原生態環境，此處人為活動很少，周圍有河或渠等活水流動，枯枝落葉歸還四周土壤，形成原始生態環境。第3、4類土壤的綜合肥力較差，這些生長點人為干擾較大，造成土壤容重大，養分低，不利于古樹的生長。對生長在第1、2類土壤的古樹，應盡量維持古樹土壤現狀，對第3、4類土壤，可以通過定期松土，增施有機肥，甚至是個別點采取部分換土的方法來改善土壤的結構與養分狀況，盡量恢復到古樹的原生態環境。

3 討論

(1)土壤的主成分分析結果表明，影響土壤肥力的主要因素為全氮、有效氮、速效磷、速效鉀、容重和總孔隙度。說明土壤肥力的好壞，不能用單一的指標來評價，而應綜合考慮各因素，著重考慮土壤的結構與養分。

(2)用聚類分析方法把所測試的古樹生長點劃為4類，基本符合實際情況。第1、2類土壤的綜合肥力較好，這些古樹生長在人為干擾較少的地方，尤其是第1類土壤，基本維持古樹的原生態環境，即古樹生長在高處，此處人為活動很少，周圍有河或渠等活水流動，枯枝落葉歸還四周土壤，形成原始的生態環境。第3、4類土壤的綜合肥力較差，這些古樹生長在人為干擾較大的地方，造成土壤的容重大，養分低，不利于古樹的生長。

(3)對古樹、土壤的保護非常重要，適合古樹生長的土壤環境是容重輕、土壤的有效養分高。對生長在第1、2類土壤的古樹，在保護古樹時，應維持古樹土壤現狀，對第3、4類土壤，可以通過定期松土，增施有機肥的方法，甚至可以采取工程措施的方式來改善土壤的結構與養分狀況，使土壤恢復到古樹的原生態環境。

(4)用聚類分析方法對古樹的土壤進行綜合分類研究，旨在因地制宜地進行土壤管理和古樹日常養護，為古樹提供適生的外界條件，延緩古樹的衰老期。因古樹周圍的土壤人為干擾非常大，因而此類分類只是一個比較切合實際的模擬，通過分類可以大致了解古樹生長點土壤目前所處的狀況。

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