輪作作物對連作香蕉園玄武巖磚紅壤綜合質量的影響①

楊 越，賴朝圓，王一鳴，王蓓蓓，趙 艷，洪 珊，劇虹伶，盧 明，阮云澤

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輪作作物對連作香蕉園玄武巖磚紅壤綜合質量的影響①

楊 越，賴朝圓，王一鳴，王蓓蓓，趙 艷，洪 珊，劇虹伶，盧 明，阮云澤*

(海南大學熱帶農林學院，海南省熱帶生物資源可持續利用重點實驗室，海口 570228)

海南玄武巖磚紅壤香蕉園的連作生物障礙嚴重，輪作是緩解香蕉園連作生物障礙最有效的方式之一。本研究使用主成分分析法結合實測數據，根據不同土壤指標的敏感程度以及指標間的相關度篩選出的土壤pH、速效鉀、有效磷、堿解氮、有機質、細菌總數、真菌總數、放線菌總數、線蟲數、香蕉枯萎病病原菌數量10項指標對5種輪作模式下的香蕉園土壤質量進行綜合評價。結果表明：土壤質量綜合評價指數可以較好地反映土壤實際的質量，并能夠在一定程度上反映香蕉的產量及發病狀況，是較為理想的土壤評價指標；用所得到的綜合評價指數對5種輪作模式及香蕉連作進行對比可以發現輪作能有效地提高土壤質量，降低香蕉發病率，提高香蕉產量，其中菠蘿、甘蔗、辣椒、冬瓜4種作物相對適合香蕉的輪作。

香蕉園；輪作與連作；主成分分析；評價；玄武巖磚紅壤

長期連作擾亂了土壤微生態平衡，土壤理化性質及土壤正常的微生物群落和結構被打破，土壤中病原菌數量持續增加，更容易侵染植物并引發植物各種病害[1]，從而導致嚴重的連作生物障礙。香蕉園由于連作而導致香蕉土傳病害的蔓延已經嚴重威脅到香蕉產業的可持續發展。眾多的研究表明，輪作是緩解香蕉連作生物障礙最經濟和有效的措施之一[2-3]。然而，目前關于輪作對連作生物障礙蕉園緩解的效果更多的集中在對土壤中各項單一指標的評價，而缺乏一個系統的評價方法。

在對土壤質量進行綜合評價時，因為所涉及因子眾多，增加了分析研究的工作量，導致了對研究結果的表述更加困難，研究對象本質信息重要性得不到充分體現[4-5]，由此急需一種適當的方法將多數因子轉化為少數因子，在此過程中要保留大部分的信息并不發生數據的重疊，最后以單一化標準化的評價指數來描述土壤質量[6-7]。目前土壤常用的綜合評價方法有偏相關分析法、神經網絡法、通徑分析法等，本研究嘗試建立土壤質量綜合評價指數用以描述土壤綜合質量，以上方法在科研實踐中因為自身的特性難以達到本項目研究的期望，如偏相關分析法和通徑分析法主要關注各因素間的相關關系，而神經網絡法多用于樣本的分類和需求預測等。主成分分析法作為一種新興的多元統計方法在土壤質量評價中被大量應用，它不但能夠將指標變量轉化成不相關的綜合指標，而且轉化的指標能夠用少量的綜合指標提取原始變量大部分信息，最終得到一個綜合指標來反映被評價土壤的整體情況[8-9]。本研究以海南省澄邁縣玄武巖磚紅壤連作香蕉地和輪作地塊為對象，運用SPSS統計軟件及主成分分析法(PCA)對土壤質量進行評價，旨在為海南連作生物障礙蕉園選擇合適的輪作作物提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地屬海南省澄邁縣，位于海南島西北部，地理坐標為19°23′~ 20°01′N，109°45′ ~ 110°15′ E。該區屬熱帶季風氣候，年平均氣溫23.8℃，年均降雨量1 786.1 mm，年平均日照時數2 059 h，雨熱同季，終年基本無霜，土壤類型為玄武巖磚紅壤。

1.2 試驗設計及樣品采集

在澄邁縣福山鎮豐西村140個連作4 季以上地勢平坦的香蕉園設置試驗。在不同作物輪作(菠蘿、甘蔗、辣椒、冬瓜和南瓜)一季后(2015年6月)及再種植香蕉一季采收后采集土壤樣品(2016年6月)。試驗以田塊為單元共采集了100個輪作地塊樣品和40個連作(種植一季其他作物后再種植一季香蕉后留芽)地塊樣品，樣地及樣品信息見表1。香蕉種植期施用土壤改良劑1 800 kg/hm2，普通有機肥2.5 kg/株、生物有機肥0.5 kg/株、香蕉抽蕾期施高鉀復合肥150 g/株，同時配合農民常規施肥，管理措施按農民常規管理。

表1 采樣地塊基本情況

1.3 樣品分析

采用常規分析方法測定土壤 pH及速效鉀、有效磷、堿解氮和有機質含量[10]；土壤細菌、真菌、放線菌數量采用平板涂布計數法測定(細菌使用LB培養基，真菌使用孟加拉紅培養基，放線菌使用高氏1號培養基)[11]；線蟲采用淺盤分離法分離并進行計數[12]；土壤尖孢鐮刀菌數量采用K2培養基，采用平板涂布計數法測定。

1.4 數據處理

試驗數據經Excel整理，利用 SPSS19.0軟件進行描述性統計分析及主成分分析(PCA)，樣本間土壤質量綜合評價指數差異性比較采用單因素方差分析檢驗。

2 結果與分析

2.1 輪作及連作蕉園土壤質量主成分分析

主成分分析的方法較為一致，步驟有一定的標準，其中大部分計算可以采用數據分析軟件進行，通過SPSS19.0對原始數據的處理可得到初步的分析結果[13-16]。

2.1.1 蕉園土壤質量評價指標描述性統計 從表2可以看出，供試土壤微生物指標相對于肥力評價指標的變異系數普遍較高，這與地塊土壤本身的變異較大有關。其中尖孢鐮刀菌指標變異程度最大，是土壤質量綜合評價中的敏感指標，通過對原始數據的方差分析，可以發現土壤尖孢鐮刀菌指標的差異來自于栽培管理措施(不同作物輪作或連作)以及土壤樣地本底間的差異。

2.1.2 蕉園土壤質量評價主成分分析的可行性 對原始數據進行相關分析(表3)，可以看出部分數據有顯著相關性或極顯著相關性，由于這些指標相關性的存在，直接利用它們對輪作及連作蕉園土壤質量狀況進行綜合評價將會產生信息重疊，從而影響評價的準確性[17-18]。

表2 輪作及連作蕉園土壤質量指標描述性統計

表3 土壤質量指標間的相關關系

經過KMO和巴里特球形度檢驗，本文得到原有數據KMO測度>0.5，其對應的因子貢獻率較大，支持進行主成分分析；球形檢驗統計量為471.474，伴隨概率0.000，即相關系數矩陣與單位陣有顯著差異可以進行主成分分析。

變量共同度即原有變量信息中能被所提取的公因子表示的程度，也表現出所提取的公因子對該原始變量的方差貢獻率，變量的共同度平均為0.614 8，由此可見變量在進行主成分分析時保留了較多的信息，使用主成分分析法對本研究原始變量進行分析所得出的結論合理準確。

2.1.3 蕉園土壤質量評價的主成分模型 表4為部分主成分的特征值，根據主成分分析法的要求選取特征值>1的主成分來解釋原始變量，本研究得到3個特征值大于1的主成分，其特征值依次為3.428、1.501、1.219，其方差貢獻率依次為34.28%、15.01%、12.19%，累計貢獻率達到61.48%，即這3個主成分可以解釋土壤大部分的變異，因此，將這3個主成分作為評價140個磚紅壤香蕉園土壤樣品土壤質量的綜合變量。

表4 主成分方差貢獻率

第一主成分方差貢獻率為34.28%，是方差貢獻率最高的主成分，由表5中可見，主成分1與pH、細菌、真菌、放線菌、尖孢鐮刀菌5個指標關系較為密切，可以認為該主成分主要反映了土壤微生物的數量，將其定義為土壤微生物因子；第2主成分方差貢獻率達到15.01%，是僅次于第1主成分的重要影響因子，其與土壤有機質、速效鉀、有效磷、堿解氮之間有顯著的正相關，故將第2主成分定義為土壤養分因子；第3主成分中載荷系數絕對值最高的是線蟲指標，其中線蟲數量為正相關，而pH為負相關，與線蟲數量和土壤pH原始變量間的相關關系一致，將它定義為土壤線蟲因子。

表5 因子載荷矩陣

2.1.4 蕉園土壤質量評價的主成分得分及綜合評價指數 將對應的載荷系數除以特征值的平方根可以得到各成分得分系數(表6)，如pH指標在主成分1中載荷系數為0.676，而主成分1的特征值為3.428，可以計算出此項成分得分系數=–0.676/sqrt(3.428)= 0.365，根據載荷矩陣以及各主成分的特征值計算得到成分得分系數矩陣。

表6 因子得分系數矩陣

將得到的特征向量與標準化后的數據相乘，得到主成分得分表達式：1= 0.3651– 0.1222+ 0.2853+ 0.1094– 0.2635– 0.2576+ 0.4117+ 0.4578– 0.1169+ 0.48010；2= –0.1711+ 0.5792+ 0.2923+ 0.3734+ 0.5495+ 0.1696+ 0.1527+ 0.1278+ 0.0889+ 0.18010；3= –0.3701– 0.4562+ 0.2073+ 0.4194– 0.1505+ 0.0306– 0.0897+ 0.0108+ 0.6299+ 0.09810。1~3為第1 ~ 3主成分得分，1~10為標準化后的數據。以各主成分的方差貢獻率為權重可以得到f=0.342 841+0.150 082+0.121943(f為號樣品的土壤質量綜合評價指數)。

為了驗證主成分分析在土壤質量評價中其指數解釋土壤質量的真實性和正確性，在收獲期采集了部分樣本地塊發病率及產量數據與土壤質量綜合評價指數進行回歸分析(圖1、圖2)，結果表明發病率與綜合評價指數有顯著的線性相關關系，= 19.462+ 24.039(<0.012=0.853)；產量與土壤質量綜合評價指數的回歸方程為= –4.5246+ 15.049(<0.012=0.873)，線性模型擬合度良好。土壤質量綜合評價指數與發病率呈正相關，與產量呈負相關。這說明主成分分析法能適宜于本區域的玄武巖磚紅壤香蕉園土壤質量評價，且評價結果具有客觀性合理性。

圖1 綜合評價指數與香蕉枯萎病發病率的線性回歸分析

圖2 綜合評價指數與香蕉產量的線性回歸分析

2.2 基于主成分分析法的輪作及連作蕉園土壤質量綜合評價

分析并驗證所得到的土壤綜合評價指數，可知土壤綜合評價指數與香蕉枯萎病發病率呈正相關，與香蕉平均單株產量呈負相關，可以認為土壤質量綜合評價指數越低土壤質量越高，對于下一季的香蕉種植越有利。

2.2.1 蕉園土壤質量綜合評價 采用主成分分析法得到輪作及連作蕉園土壤質量綜合評價指數見圖3。由圖3可知，連作土壤樣品與輪作土壤樣品的土壤質量綜合評價指數間有顯著差異，通過描述性統計可知連作香蕉園土壤質量綜合評價指數均值為–0.343 6，而輪作香蕉園土壤質量綜合評價指數均值為–0.623 0，反映了輪作相較于連作對香蕉園土壤質量有明顯的提升作用，對于香蕉的連作障礙有一定的緩解，這也與前人研究結果相符[19-21]。

圖3 輪作及連作蕉園的土壤綜合評價指數

2.2.2 再種香蕉對輪作后蕉園土壤質量綜合評價指數的影響 圖4顯示經過一季香蕉種植后，土壤質量綜合評價指數大幅上升。種植前土壤質量綜合評價指數為–0.575 5，而種植一季香蕉后達到了1.438 7。經過對原始變量的進一步分析發現，重新種植香蕉后土壤中真菌由2.10×104cfu/g干土增加至1.97×105cfu/g干土，而尖孢鐮刀菌由1.76×103cfu/g干土增加至3.98× 104cfu/g干土，而細菌數量則由1.96×107/g干土減少至7.47×106cfu/g干土，從而導致土壤質量大幅度下降，這與已見報道的連作障礙發生機理的結論相一致[22-24]。

圖4 輪作一季后再種植香蕉對香蕉園土壤質量綜合評價指數的影響

2.2.3 不同作物輪作對蕉園土壤質量的影響 如圖5所示，不同作物輪作后香蕉園土壤質量綜合評價指數下降，但各輪作作物之間土壤質量綜合評價指數差異不顯著，然而在輪作再種植一季香蕉之后，輪作對香蕉園土壤質量綜合評價指數的影響產生了差異，其中，南瓜-香蕉輪作體系土壤質量顯著下降，其他下降順序依次是菠蘿、冬瓜、辣椒、甘蔗與香蕉輪作體系。進一步觀察原始變量發現，這一現象主要是由于真菌和尖孢鐮刀菌數量的上升以及細菌數量和堿解氮含量的下降造成的。有研究表明輪作辣椒可以顯著提高土壤細菌數量，降低真菌數量，并對病原菌產生明顯的抑制，甘蔗通過根系分泌物或殘體腐解物調節土壤微生態環境，從而抑制香蕉枯萎病菌，輪作菠蘿的土壤中對于香蕉枯萎病病原菌有拮抗作用的活菌數有顯著增加，且菠蘿植株浸提液對于尖孢鐮刀菌菌絲生長有明顯的抑制作用，由此可見輪作對香蕉連作障礙有一定的緩解效應[25-27]，但輪作作物的選擇至關重要，如果真菌和尖孢鐮刀菌數量得不到有效的控制，那么在下一輪的香蕉種植中土壤質量將會大幅下降。用所得到的綜合評價指數對不同作物與香蕉輪作及香蕉連作進行對比，本研究選擇出辣椒、冬瓜兩種相對適合香蕉的前茬作物，其與前人研究結果相一致[20-26]。但冬瓜和南瓜作為輪作作物對于土壤質量的影響鮮見報道，更加深入的機制機理還有待于進一步研究。

圖5 不同輪作作物香蕉園種植一季香蕉后土壤質量綜合評價指數的變化

近年來，國內外已在土壤質量評價指標體系和評價方法方面開展了大量的研究工作。但目前并沒有統一的土壤質量綜合評價標準，因為不同的評價目，側重的土壤功能不同，決定了評價指標選取的差異[28]。選擇土壤質量評價指標需要綜合考慮生態系統的類型、土壤的功能、土地利用方式等，另外，與評價目的和評價尺度也有關[29]。土壤具有不同等級的質量，這是與土壤的形成因素以及耕作引起的動態變化有關的一種固有屬性，也是土壤條件動態變化的一種指示，它既能反映土壤管理的變化，也能反映土壤退化恢復的能力。

本文土壤數據均來自海南省澄邁縣玄武巖磚紅壤香蕉園，所得到的土壤質量綜合評價指數是否可以成功地應用于不同的土壤類型和其他種植園，還有待進一步實地考察和驗證。目前有關玄武巖磚紅壤香蕉園土壤質量評價方面的研究尚少，香蕉連作土壤質量研究雖已經起步，但還未建立完善的土壤質量評價指標體系，相關工作有待于繼續深入。

3 結論

本研究采用主成分分析的方法對香蕉連作以及不同作物與香蕉輪作土壤進行土壤質量綜合評價，并結合香蕉枯萎病發病率對其可靠性進行驗證，結果證明，得到的綜合評價指數可以較好地反映香蕉園實際的土壤質量，且能夠在一定程度上反映香蕉的枯萎病發病及產量狀況。因此，土壤質量綜合評價指數可用于分析不同栽培措施中香蕉土壤質量的變化規律，預測不同質量香蕉園產量及發病，是較為理想的土壤質量評價指標。

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Effects of Crop Rotation on Basalt Laterite Quality Under Continuous Banana-Cropping

YANG Yue, LAI Chaoyuan, WANG Yiming, WANG Beibei, ZHAO Yan, HONG Shan, JV Hongling, LU Ming, RUAN Yunze*

(Institute of Tropical Agriculture and Forestry, Hainan University, Hainan Key Laboratory for Sustainable Utilization of Tropical Bioresource, Haikou 570228, China)

Continuous cropping obstacle is very serious in the banana plantation with basalt laterite in Hainan, reasonable rotation is one of the most effective methods to alleviate this problem. In this study, 10 indexes including pH, organic matter, available N, P and K, populations of bacteria, fungi, actinomycetes, nematode and pathogenic bacteria of banana wilt were selected to assess basalt laterite quality in bananachardsunder 5 rotation modes by PCA method. The results showed that integrated quality index could actually indicate soil quality and the output and disease status of bananachards, thus is an ideal indicator for soil quality assessment. Crop rotation could effectively improve soil quality, reduce wilt incidence and increase banana yield. Pineapple, sugar cane, chili and white gourd are suitably rotated with banana.

Banana plantation; Rotation and continuous cropping; PCA method; Assessment; Basalt laterite

國家重點基礎研究發展計劃(973 計劃)項目(2015CB1505030)、國家自然科學基金項目(31372142，31672239)和海南耕地改良關鍵技術研究與示范專項(HNGDg1201502)資助。

(yunzeruan@163.com)

楊越(1991—)，男，新疆阿克蘇人，博士研究生，研究方向為土壤微生物區系分析及健康土壤微生物區系構建。E-mail: 1525443010@qq.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.03.027

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