主成分分析法在“膠”、“蕉”間種膠園土壤肥力評價中的應用

劉 敏，李建華，劉俊良，李智全，劉志崴，蔡儒學，陳君興，冀春花*

（1.海南省農墾科學院，海南 海口 570311； 2.海南省天然橡膠產品質量檢驗站，海南 海口 570206； 3.海南天然橡膠產業集團股份有限公司龍江分公司，海南 白沙 572818）

“膠”、“蕉”間種是利用橡膠中小苗更新地，在1~2齡的橡膠中小苗林下發展香蕉種植的一種林下經濟模式，發展“膠”“蕉”間種可提高橡膠小苗行間地的綜合利用價值，挖掘土地潛力，解決土地缺乏問題。橡膠、香蕉都是

大水大肥的作物，在加大香蕉肥水管理的同時，橡膠小苗也得到了“肥源”共享，可促進橡膠小苗快長[1]。“膠”、“蕉”間種已經成為一種比較成功的林下經濟發展模式在海南各地區得到了大面積推廣。目前，對于幼齡膠園間種香蕉高效栽培模式、種植效益等方面的研究較為深入[2-4]，土壤養分含量測定方面也有所涉及[2，5-7]，但對間種模式下膠園土壤肥力水平綜合評價的研究未見。本文利用主成分分析法評價了不同間種造數膠園土壤肥力水平，并與未間作膠園進行了比較，以揭示間種與否、間種造數差異對膠園土壤肥力水平的影響，同時建立一種科學的膠園土壤肥力水平評價方法。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區位于海南省國營龍江農場，屬白沙黎族自治縣境內。場區為廣闊的低丘臺地，地勢南高北低，海拔一般為120~180m，相對高差20~60m，坡度3~10℃。年平均氣溫23.4℃，月平均氣溫7月最高為27.9℃，1月最低為17.3℃，極端高溫39.6℃，極端低溫1.2℃。年平均降雨量1996mm，最多年份達1700mm，最少年份為1283mm。

1.2 樣地信息

研究地點位于海南省國營龍江農場龍江、長龍和金波片區。樣地1位于龍江23隊，橡膠定植時間為2013年11月，間種香蕉1造；樣地2位于龍江23隊，橡膠定植時間為2012年10月，間種香蕉2造；樣地3位于長龍21隊，橡膠定植時間為2010年10月，間種香蕉3造。對照樣地位于金波38隊，橡膠栽植時間為2013年10月，未間作任何作物。所有樣地橡膠栽培品種均為PR107，對照樣地種植規格為3.3 m×6 m，間種樣地1、2和3種植規格為2.8 m×7 m，每年3~5月份待橡膠3蓬葉老化后種植巴西蕉，每條橡膠行間種兩行香蕉，香蕉距離橡膠頭2.2m以上。香蕉種植采用常規管理，第l季香蕉收獲完畢，繼續留吸芽，培育第2代、第3代。樣地土壤類型均為花崗巖磚紅壤。

1.3 土壤樣品采集及養分含量測定

土壤樣品取樣采用五點混合法，取0~20 cm、20~40 cm土壤樣品，做好標記。

全部指標的測試工作委托海南農墾中心測試站完成。土壤pH、有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、有效銅、有效錳、有效鐵、有效鋅分別依據NY/T 1121.2-2006、NY/T1121.6-2006、NY/T 53-1987、NY/T 88-1988、NY/T 87-1988、LY/T 1229-1999、NY/T 112.7-2006、LY/T1236-1999、LY/T 1260-1999、LY/T 1263-1999、LY/T 1262-1999、LY/T 1261-1999測定；交換性鈣、交換性鎂依據NY/T 1121.13-2006測定。

1.4 土壤肥力評價方法及評價指標選取

利用主成分分析法，選取14個指標對“膠”、“蕉”間種模式土壤肥力進行評價，包括全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、有效銅、有效錳、有效鐵、有效鋅、交換性鈣、交換性鎂、pH和有機質。

1.5 數據分析

數據整理使用Excel 2007，數據計算使用SPSS 19.0，在SPSS 19.0中用主成分分析法對評價指標進行篩選，并計算不同樣地的土壤主成分綜合得分，從而判定土壤肥力狀況。

2 結果與分析

2.1 土壤肥力評價因子相關性分析

對0～20cm、20～40cm兩土層各評價因子的數據合并進行相關性分析并統計顯著性，各因子間相關性系數如表1所示。結果表明，pH與有效銅呈正相關，與水解性氮、有效鐵、有效鋅和交換性鎂呈極顯著正相關；有機質與全鉀呈顯著正相關，與速效鉀呈極顯著負相關；水解性氮與有效鋅呈顯著正相關，與有效銅、有效鐵、交換性鈣鎂呈極顯著正相關；有效磷與交換性鈣呈顯著正相關，與全磷呈極顯著負相關；速效鉀與有效錳呈極顯著正相關，與全鉀呈極顯著負相關。因此，各評價因子之間關系密切。

*.在 0.05 水平（雙側）上顯著相關。

**.在 0.01 水平（雙側）上顯著相關。

2.2 土壤各因子的主成分分析及肥力評價

由于土壤各因子之間相關性很強，所以可以使用主成分分析法將各因子進行降維分析，得出用來評價膠園土壤肥力水平的因子群。

兩土層深度各主成分特征值、可解釋方差、累計方差貢獻率如表2所示，根據特征值大于1的原則，兩土層均選取前3個主成分。載荷矩陣如表3所示，使用方差將因子載荷換算為特征向量如表4所示。0～20cm土層深度，第一主成分的貢獻率為49.112%，主要反映了全鉀、水解性氮、有效銅、有效鋅、有效鐵、交換性鈣和交換性鎂的信息，第二主成分的貢獻率為32.854%，主要反映了pH、全氮、全磷、速效鉀和有效錳的信息，第三主成分的貢獻率為18.033%，主要反映了有效磷、有機質的信息。20～40cm土層深度，第一主成分的貢獻率為52.058%，主要反映了全鉀、有效磷、速效鉀、有效銅、有效錳、有效鐵和交換性鎂的信息，第二主成分的貢獻率為29.611%，主要反映了有效鋅和交換性鈣的信息，第三主成分的貢獻率為18.331%，主要反映了pH、有機質、全氮、全磷和水解性氮的信息。兩土層三個主成分的累計方差貢獻率均達到了100%，可用于說明系統的變異信息，能比較準確的反映土壤肥力的綜合狀況。

表1 土壤健康評價因子相關系數

表2 總方差解釋表

表3 主成分載荷矩陣

以各主成分的方差貢獻率為權數，對SPSS所提取的因子得分進行加權求和，得到反映土壤肥力水平的綜合得分（見表5）。結果表明，0～20cm主成分綜合得分：間種一造>間種兩造>不間種>間種三造，間種一造的土壤肥力狀況最好，兩造、不間種次之，三造的健康狀況最差。20～40cm主成分綜合得分：間種一造>間種兩造>間種三造>不間種，間種一造的土壤肥力狀況最好，兩造、三造次之，不間種的健康狀況最差。

表4 主成分特征向量

表5 0～20cm和20～40cm土層土壤肥力水平綜合得分

3 討論

利用主成分分析法對“膠”、“蕉”間種模式土壤肥力水平進行評價，所選評價因子之間具有不同程度的顯著正相關和負相關關系，各養分含量之間關系密切，相互促進或制約，可以綜合反映土壤肥力水平。其中，pH值與微量元素之間關系密切。pH值與有效銅呈正相關，與有效鐵、有效鋅和交換性鎂呈極顯著正相關，與袁穎紅、莊伊美、林萬樹等研究一致[8-10]。土壤pH是與微量元素關系密切，過酸或過堿性環境下，微量元素可發生吸附、流失、固定、沉淀等作用，嚴重影響微量元素移動能力，降低微量元素有效性[11-13]；此外，大量元素與微量元素之間關系密切。水解性氮與有效銅、有效鐵、交換性鈣鎂呈極顯著正相關，與有效鋅呈顯著正相關，有效磷與交換性鈣呈顯著正相關，速效鉀與有效錳呈極顯著正相關。

通過計算系統內主成分綜合得分，除了0～20cm間種三造膠園外，橡膠中小苗間種香蕉膠園土壤肥力均高于橡膠單作，橡膠中小苗間種香蕉確實提高了橡膠土壤肥力。主要原因有：（1）間種香蕉可增加膠園土壤覆蓋，有保肥保水作用；（2）香蕉凋落物大量回歸土壤，再加上間種香蕉需人為施用有機肥，提高了膠園有機質含量；（3）間種香蕉作為膠園行間土壤管理的一種方式，減少了雜草滋生，降低了膠園水分和養分的損耗[5]。間種不同造數香蕉膠園土壤肥力水平由高到低依次為：間作一造>間作兩造>間作三造，間種一造的土壤肥力狀況最好，兩造次之、三造最差。主要原因是隨著香蕉種植年限的延長，宿根蕉管理比較粗放和投入少，以及實際種植密度與理論種植密度之間的偏差逐漸增大，造成養分流失增多，肥料利用效率下降[14]，建議海南宿根蕉應加強在施肥、病害等方面的管理，實現土壤養分的良性循環，將有利于橡膠間作香蕉模式的可持續利用與發展。

土壤肥力是土壤物理、化學和生物學性質的綜合反應，本研究僅選取了14個化學指標對“膠”、“蕉”間種模式膠園土壤肥力狀況進行了評價，要想更全面、準確的反映間種膠園土壤肥力整體水平，還需引入物理指標和生物指標。