基于主成分分析的片麻巖山地新栽幼樹不同保水措施評(píng)價(jià)

劉 洋, 趙 爽, 李 寒, 齊國(guó)輝, 張雪梅, 郭素萍

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河北 保定 071000; 2.河北省核桃工程技術(shù)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(píng)價(jià)

劉 洋1,2, 趙 爽1,2, 李 寒1,2, 齊國(guó)輝1,2, 張雪梅1,2, 郭素萍1,2

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河北 保定 071000; 2.河北省核桃工程技術(shù)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(fā)展高效節(jié)水經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。[方法] 以2年生“綠嶺”核桃嫁接幼樹為試材,進(jìn)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(duì)土壤環(huán)境狀況及新栽核桃幼樹生長(zhǎng)的影響,并采用主成分分析法對(duì)保水措施進(jìn)行科學(xué)的綜合評(píng)價(jià)。[結(jié)果] 用土壤理化性質(zhì)、土壤微生物數(shù)量和新栽幼樹生長(zhǎng)狀況3個(gè)層次的17個(gè)指標(biāo)構(gòu)建了片麻巖山地新栽幼樹保水措施的篩選模型,將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,提取出了4個(gè)主成分,可反映保水措施93.453%的綜合效果。[結(jié)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(píng)價(jià)

中國(guó)是一個(gè)嚴(yán)重干旱缺水的國(guó)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(guó)家之一[1-2]，這種狀況于北方山區(qū)更加嚴(yán)峻。發(fā)展經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)業(yè)是帶動(dòng)北方山區(qū)農(nóng)民脫貧致富的有效途徑，但北方山區(qū)水資源匱乏是發(fā)展經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)業(yè)的主要制約因素。因此，如何提高山區(qū)水資源利用率是解決這一問題的關(guān)鍵所在。土壤保水措施能夠有效地減少土壤水從地表蒸發(fā)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(nóng)作物時(shí)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(fā)，提高水分利用效率，還具有調(diào)節(jié)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(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育。但目前關(guān)于保水措施研究多是針對(duì)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(gè)保水措施的優(yōu)缺點(diǎn)，但關(guān)于如何評(píng)價(jià)保水措施優(yōu)劣的研究還未見報(bào)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(yàn)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(duì)土壤環(huán)境及新栽核桃幼樹生長(zhǎng)的影響，從土壤理化性質(zhì)、土壤微生物數(shù)量和新栽核桃幼樹生長(zhǎng)狀況等3個(gè)指標(biāo)層次，運(yùn)用主成分分析法綜合評(píng)價(jià)不同保水措施的效果，以期為北方干旱退化山地發(fā)展高效節(jié)水經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)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(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司的核桃生產(chǎn)基地。地理位置為東經(jīng)114°5′38″—114°7′33″，北緯38°26′5″—38°27′47″。該地區(qū)屬暖溫帶半干旱季風(fēng)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(shí)數(shù)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(fā)量1 815.4 mm，年平均干燥度1.38。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以2年生“綠嶺”核桃嫁接幼樹為試材。試驗(yàn)設(shè)清耕(CK)、栽植坑內(nèi)施用保水劑(以下簡(jiǎn)稱保水劑)、秸稈覆蓋(以下簡(jiǎn)稱秸稈)、地膜覆蓋(以下簡(jiǎn)稱地膜)、栽植坑內(nèi)施用保水劑+秸稈覆蓋(以下簡(jiǎn)稱保+秸)、栽植坑內(nèi)施用保水劑+地膜覆蓋(以下簡(jiǎn)稱保+地)、秸稈覆蓋+地膜覆蓋(以下簡(jiǎn)稱秸+地)、栽植坑內(nèi)施用保水劑+秸稈覆蓋+地膜覆蓋(以下簡(jiǎn)稱保+秸+地)，共8個(gè)處理。每處理每個(gè)小區(qū)30株樹，采用隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)。2015年3月24日栽植。保水劑為從北京漢力淼新技術(shù)有限公司購(gòu)進(jìn)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(nóng)用黑色PE薄膜。栽植前每個(gè)栽植坑內(nèi)施入25 kg腐熟雞糞，與土壤充分混勻。采用小管出流節(jié)水灌溉系統(tǒng)進(jìn)行灌水，灌溉次數(shù)由土壤含水量決定，在土壤容積含水量低于20%(長(zhǎng)時(shí)間低于此含水量會(huì)導(dǎo)致核桃幼樹缺水而死)時(shí)對(duì)相應(yīng)處理的核桃樹進(jìn)行補(bǔ)水灌溉，每次灌水量為25 kg/株。

1.3 測(cè)定內(nèi)容及方法

土壤容積含水量：采用TRIME-T3 TDR土壤含水量測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定，從4月份開始，每10日測(cè)定1次。并計(jì)算其生長(zhǎng)期均值。

(1) 成活率。在9月份，統(tǒng)計(jì)不同保水措施處理下的核桃幼樹的成活株數(shù)，計(jì)算成活率。

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

(3) 土壤理化性質(zhì)測(cè)定。土壤水分采用烘干法；土壤pH值采用電位計(jì)法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)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(shù)量測(cè)定。土壤微生物采用平板計(jì)數(shù)法，細(xì)菌、真菌、放線菌、纖維素分解菌所用培養(yǎng)基分別為牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基、馬丁氏培養(yǎng)基、高氏1號(hào)培養(yǎng)基、CMC-Na瓊脂培養(yǎng)基。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用主成分分析法[15]建立保水措施效果綜合評(píng)價(jià)模型。設(shè)反映保水措施綜合評(píng)估值的p個(gè)指標(biāo)為X1，X2，…，Xp，n個(gè)保水措施的p項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成了原始數(shù)據(jù)矩陣X=[Xij]n×p，其中Xij為第i個(gè)保水措施的第j項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)(i=1，2，…，n;j=1，2，…，p)。

(1) 原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，目的是為了消除量綱和數(shù)量級(jí)的影響。

(1)

(2) 確定主成分，將標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)用SPSS軟件處理，從總方差分析表選取累計(jì)貢獻(xiàn)率≥85%的前m個(gè)主成分，然后建立m個(gè)主成分和標(biāo)準(zhǔn)化變量的關(guān)系，公式為:

(2)

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

(3) 確定權(quán)重，用第k個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率與選取的m個(gè)主成分的總貢獻(xiàn)率的比值來確定每個(gè)主成分的權(quán)重:

(3)

式中：wk——第k個(gè)主成分的權(quán)重；λk——第k個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率。

(4) 構(gòu)造綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，根據(jù)式(2)得到的前m個(gè)主成分和式(3)中確定的權(quán)重構(gòu)造綜合評(píng)價(jià)函數(shù):

(4)

式中：F——保水措施綜合評(píng)價(jià)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(jié)果與分析

2.1 不同保水措施的單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)

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(yùn)用不同組合對(duì)片麻巖山地新栽核桃幼樹進(jìn)行保水處理。為了綜合評(píng)價(jià)每個(gè)保水措施的效果，選取土壤理化性質(zhì)、土壤微生物數(shù)量和新栽核桃幼樹生長(zhǎng)狀況作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。在對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析前首先要用式(1)對(duì)各個(gè)指標(biāo)做標(biāo)準(zhǔn)化處理，處理結(jié)果見表1—3。

從土壤物化性質(zhì)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(huán)境狀況，各保水措施對(duì)土壤密度、孔隙度的影響程度不盡相同；地膜覆蓋在促進(jìn)幼樹快速生長(zhǎng)，加速了土壤中的營(yíng)養(yǎng)消耗，故土壤養(yǎng)分有所降低，秸稈覆蓋后，腐爛后會(huì)增加土壤養(yǎng)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(tuán)粒結(jié)構(gòu)，對(duì)土壤的形成和發(fā)育有密切關(guān)系。還可以分解有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)，增加土壤可利用養(yǎng)分含量，進(jìn)而促進(jìn)林木生長(zhǎng)。故微生物情況也應(yīng)作為反映保水措施優(yōu)劣的指標(biāo)。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(shù)量低于對(duì)照，有秸稈覆蓋的處理(秸稈、保+秸、秸+地、保+秸+地)土壤微生物數(shù)量均高于對(duì)照，說明地膜覆蓋對(duì)微生物的繁殖有一定抑制作用，秸稈覆蓋促進(jìn)了微生物的繁殖發(fā)育。

從新栽幼樹生長(zhǎng)角度來看，保水措施實(shí)施的目的是為了節(jié)水，但前提卻是在保證成活率和幼樹正常生長(zhǎng)。所以新栽幼樹的生長(zhǎng)情況對(duì)評(píng)價(jià)保水措施的效果至關(guān)重要。好的保水措施不僅可以提高新栽幼樹成活率，還應(yīng)該最大地增加生長(zhǎng)量。在本試驗(yàn)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?yàn)樽璧K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(zhǎng)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(zhǎng)度最大。

表1 不同保水措施的土壤物理性質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

表2 不同保水措施的土壤化學(xué)性質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

表3 不同保水措施的土壤微生物和新栽核桃樹生長(zhǎng)狀況標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

2.2 基于主成分分析的不同保水措施的綜合評(píng)價(jià)

將標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，總方差分析見表4。前4個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為93.453%(大于85%)，選取前4個(gè)主成分就足以反映所需要的評(píng)價(jià)信息。所提取的前4個(gè)主成分的因子荷載見表5。其中第1個(gè)主成分因子荷載量較大的指標(biāo)有有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量、有效磷含量、速效鉀含量、細(xì)菌數(shù)量、放線菌數(shù)量、成活率、新梢長(zhǎng)度；第2個(gè)主成分因子荷載量較大的指標(biāo)有土壤含水量、非毛管孔隙度、全鉀含量、真菌數(shù)量；第3個(gè)主成分因子荷載量較大的指標(biāo)有土壤密度、總孔隙度、毛管孔隙度；第4個(gè)主成分因子荷載量較大的指標(biāo)為纖維分解菌數(shù)量。

表4 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的總方差分析

表5 因子載荷

首先根據(jù)因子荷載值計(jì)算每個(gè)主成分與標(biāo)準(zhǔn)化變量的結(jié)果，計(jì)算公式如式(2)，計(jì)算結(jié)果見表6；然后確定權(quán)重，根據(jù)式(3)，4個(gè)主成分的權(quán)重依次為w(0.500,0.212,0.178,0.094);最后構(gòu)造綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，將表6所得的結(jié)果與計(jì)算的權(quán)重根據(jù)公式(4)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表7。由表7的綜合評(píng)價(jià)結(jié)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(duì)照、保+秸+地、保水劑。

表6 主成分與標(biāo)準(zhǔn)化變量的關(guān)系

表7 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié)論與討論

經(jīng)濟(jì)林是北方山區(qū)農(nóng)民的主要收入來源，在山區(qū)和丘陵區(qū)，灌溉條件差，土壤瘠薄和干旱缺水是限制經(jīng)濟(jì)林優(yōu)質(zhì)、豐產(chǎn)的兩大自然因素。提高水分利用效率對(duì)發(fā)展山區(qū)經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)業(yè)有著十分重要的意義。本試驗(yàn)對(duì)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(fā)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(jié)果基本一致。保水措施在改變土壤含水量的同時(shí)，對(duì)土壤溫度也產(chǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)增溫，這與員學(xué)鋒等[18]和孫仕軍等[19]的研究結(jié)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(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，這與Roger-Estrade J等[20]的研究結(jié)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(duì)土壤養(yǎng)分、土壤微生物產(chǎn)生一定的影響。秸稈覆蓋為土壤提供了一個(gè)更加溫和的環(huán)境，更有利于微生物的繁殖，同時(shí)秸稈腐爛會(huì)增加土壤有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀的含量。

水熱條件是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育最重要的因素，植物的生長(zhǎng)發(fā)育往往是二者綜合作用的結(jié)果，本研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。春季時(shí)，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(zhǎng)速率要遠(yuǎn)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(zhǎng)，地溫17～19 ℃為根系生長(zhǎng)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(dòng)，使得萌芽提前，有利于根系和新梢的生長(zhǎng)，這與趙長(zhǎng)增等[23]的研究結(jié)果基本一致，秸稈覆蓋會(huì)降低白天的土壤溫度，不利于核桃根系活動(dòng)，使得萌芽延遲，降低了新栽核桃幼樹的成活率。夏季時(shí)，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(zhǎng)速率遠(yuǎn)慢于后者，其原因在于在一定土壤溫度范圍內(nèi)，根系水分傳導(dǎo)隨土壤溫度增加而增加；但超過此范圍后，其根系水分傳導(dǎo)隨溫度增加而降低[24]。進(jìn)入高溫多雨的夏季后，地膜覆蓋會(huì)使白天時(shí)的土壤溫度過高，會(huì)損傷新栽核桃幼樹的根系，從而抑制核桃幼樹的生長(zhǎng)，許樹寧等[25]在試驗(yàn)中也得出了相似的結(jié)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(jìn)了新梢的快速生長(zhǎng)，這在花永輝等[26]的試驗(yàn)中也得到了驗(yàn)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(shí)施保水措施的初衷，保水措施的目的是為了在節(jié)約水資源的同時(shí)不影響樹體的正常生長(zhǎng)或?qū)潴w的生長(zhǎng)影響較小，即以最少的用水量獲得最大的樹體生長(zhǎng)量。所以樹體的生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)于評(píng)價(jià)保水措施的好壞也是至關(guān)重要的。同時(shí)保水措施也會(huì)對(duì)土壤密度、孔隙度、養(yǎng)分含量等狀況產(chǎn)生一定的影響，這些指標(biāo)的改變也會(huì)影響土壤含水量和樹體的生長(zhǎng)，故在評(píng)價(jià)保水措施優(yōu)劣時(shí)也應(yīng)考慮這些因素。每種保水措施都有其優(yōu)缺點(diǎn)，不能簡(jiǎn)單的以某一項(xiàng)指標(biāo)衡量保水措施的優(yōu)劣?；谥鞒煞址治鼍C合評(píng)價(jià)片麻巖山地新栽幼樹保水措施，將土壤理化性質(zhì)、土壤微生物數(shù)量和新栽幼樹生長(zhǎng)狀況3個(gè)層次的指標(biāo)納入該模型，將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算綜合評(píng)價(jià)體系的主成分，構(gòu)建片麻巖山地保水措施的篩選模型，評(píng)價(jià)保水措施的優(yōu)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(yàn)中得出的結(jié)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(xiàn)參數(shù)： 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(píng)價(jià)[J].水土保持通報(bào)，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(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“太行山干旱退化山地旱澇災(zāi)害生態(tài)調(diào)控技術(shù)研究”(201504408); 河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目“河北省山區(qū)核桃近自然生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)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?yàn)榻?jīng)濟(jì)林栽培生理。E-mail:1203110893@qq.com。

齊國(guó)輝(1969—),女(漢族),河北省遵化市人,博士,教授,主要從事經(jīng)濟(jì)林栽培教學(xué)及科研工作。E-mail:bdqgh@sina.com。