基于主成分和聚類分析的德宏橡膠林土壤肥力評價

陳玉芹 胡永亮 張麗萍 尹紅星 黃家衛(wèi) 李守嶺

摘 ?要 ?基于德宏橡膠林的78份土壤樣本數(shù)據，采用主成分分析法和聚類分析法對橡膠林土壤肥力進行綜合評價。結果表明：德宏橡膠林土壤pH均值為4.83;土壤有機質、全鉀、全氮和堿解氮養(yǎng)分較豐富，變異系數(shù)在16.53%～46.90%之間，呈中等變異性;但全磷和有效磷含量普遍低，處于缺磷狀態(tài)。土壤肥力綜合評價結果：橡膠林土壤IFI值范圍10.81～25.29，均值為17.24，屬于中等以上肥力的土壤占到83.34%。采樣區(qū)域肥力水平從高到低依次為盈江農場>瑞麗農場>畹町農場>遮放農場。綜上，德宏橡膠林土壤肥力總體水平處于良好，應重視測土配方施肥，重點增施磷肥。

關鍵詞 ?德宏;橡膠;土壤肥力;主成分分析;聚類分析

中圖分類號 ?S794.1; S158.2 ?????文獻標識碼 ?A

Abstract ?The soil fertility of rubber plantation by principal component and cluster analysis based on 78 soil samples of rubber plantation in Dehong was evaluated. The results showed that the pH value was 4.83， the content of soil organic matter， total potassium， total nitrogen and alkaline nitrogen was sufficient and moderate variability， the CV was between 16.53% to 46.90%. But the content of total phosphorus and available phosphorus was very low. Comprehensive assessment of soil fertility revealed that the integrated fertility index IFI was 17.24， ranged in 10.8125.29. There were 83.34% soils belonged to moderate fertility. The soil fertility level was in the order downward Yingjiang Farm， Ruili Farm， Wanding Farm， Zhefang Farm. The soil fertility of rubber plantation is moderate and phosphate should be applied in Dehong.

Keywords ?Dehong; rubber; soil fertility; principal component analysis; cluster analysis

DOI ?10.3969/j.issn.1000-2561.2019.08.001

德宏1904年開始種植橡膠樹，是云南邊境重要的天然橡膠種植地區(qū)之一，種植面積從2010年的1.6萬hm2[1]下降到2018年的9840 hm2[2]。多年來，由于橡膠樹經濟壽命長，隨著膠乳的流出，橡膠樹均要從土壤中吸收大量的養(yǎng)分，而膠農對橡膠林地土壤的養(yǎng)分狀況缺乏認識，對科學施肥的意識及其技術也不夠，普遍存在重化肥輕有機肥，重氮肥輕磷肥、鉀肥，以致施肥不足和管理不善，導致土壤肥力下降、橡膠產量和品質難以提升。

肥力是土壤的基本屬性和本質特征，是衡量土壤能夠提供作物生長所需的各種養(yǎng)分的能力，是土壤物理、化學和生物學性質的綜合反應。而土壤養(yǎng)分是體現(xiàn)土壤肥力的重要部分，在生產上常用有機質、氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量來衡量土壤肥力的狀況，土壤酸堿度是土壤肥力的重要指標之一，影響土壤肥力形成和質量的演變[3];有機質能增強土壤的系水系肥能力，促進根系對礦物質營養(yǎng)的吸收[4];堿解氮體現(xiàn)氮素的供應情況。以往土壤養(yǎng)分評價側重定性評價和單因素評價，評價標準不一，存在人為的主觀性;隨著數(shù)值化評價方法的提出，模糊數(shù)學方法和多元統(tǒng)計分析方法等現(xiàn)代研究方法得到廣泛應用，土壤養(yǎng)分評價逐漸側重定量評價和多因素的綜合評價[5]。近年來，植膠區(qū)土壤養(yǎng)分肥力的研究一直是橡膠研究的熱點[6-9]，越來越多的學者應用指數(shù)和法、主成分分析法、聚類分析法和模糊綜合評價法等進行土壤肥力綜合評價。戴余波等[10]學者采用主成分分析法評價了熱帶作物耕地土壤養(yǎng)分肥力情況分為4個等級，提出了需要適當使用復合肥、有機肥來提高土壤的肥力水平;劉少春等[11]學者用主成分綜合分析將土壤肥力劃分為5個等級，評價出蔗田土壤肥力總體水平偏低;李世瑤等[12]研究表明主成分分析具有較好的代表性與客觀性，可用于畦灌灌水質量的評價;安云娜等[13]采用主成分分析將土壤肥力分為5個等級，整體水平較差。本研究旨在了解德宏橡膠林地土壤養(yǎng)分狀況并基于主成分和聚類分析對其作出評價，為德宏橡膠林地土壤的改良、培肥提供基礎數(shù)據資料，對實現(xiàn)德宏橡膠林地土壤可持續(xù)利用具有重要意義。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究區(qū)域概況

德宏州在云南省西部中緬邊境，位于東經97°31′～98°43′、北緯23°50′～25°20′之間，年降雨量在1400～1700 mm，年平均氣溫在18.4～20.0?℃，年日照2281～2453 h，年積溫6400～7300?℃，年陸地蒸發(fā)量在1400～1900 mm，干旱指數(shù)在0.4～1.2。屬于南亞熱帶半濕潤季風氣候，地形呈山、丘、壩分布，土壤分為6個土類、11個亞類、19個土層、34個土種，1904年開始種植橡膠樹，主要分布在芒市、瑞麗、盈江3個縣（市）區(qū)，涉及5個國營農場和18個鄉(xiāng)鎮(zhèn)[14]，橡膠林土壤主要有黃壤、磚紅壤、紅壤3類。

1.2 ?方法

1.2.1 ?土壤樣品采集 ?以德宏盈江農場、遮放農場、瑞麗農場、畹町農場4個農場為采樣區(qū)域，采用GPS定位，在每個區(qū)域選取有代表性的橡膠林地采用混合采樣法取20 cm以下耕層土壤樣品，每塊橡膠林地根據面積大小采5～8個點，混合成一個樣，用“四分法”取約1 kg鮮樣，經室內風干后剔除異物，過60目和100目尼龍篩，備用（土壤樣品采集參照NY/T 1121.1-2006）。

1.2.2 ?分析項目與方法 ?土壤pH、有機質、全磷、全氮、堿解氮、有效磷的測定參照《土壤農業(yè)化學分析方法》[15]，全鉀采用原子吸收分光光度法測定，測定時加入空白樣品及標準土壤樣品進行分析質量控制。

采用因子分析中提取主成分分析法（PCA）和系統(tǒng)聚類分析，對橡膠土壤養(yǎng)分進行綜合評價。PCA法是利用降維的思想，把多指標轉化為少數(shù)幾個因子作分析的一種多元統(tǒng)計方法[5]。采用SPSS軟件通過因子分析[16]確定參評土壤指標主成分特征值和特征向量，根據特征值>1選為關鍵主成分，計算各主成分得分，再利用綜合得分公式求出各樣點土壤養(yǎng)分綜合分值（IFI）。再根據土壤養(yǎng)分綜合分值，采用類平均法對土壤樣品進行系統(tǒng)聚類分析[17]。

1.3 ?數(shù)據處理

采用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件對土壤養(yǎng)分進行描述性統(tǒng)計和K-S檢驗，檢驗土壤數(shù)據是否服從正態(tài)分布，對不服從正態(tài)分布的數(shù)據，剔除異常值數(shù)據，直至服從正態(tài)分布。

2 ?結果與分析

2.1 ?德宏橡膠園土壤指標描述性統(tǒng)計

德宏橡膠林地土壤統(tǒng)計分析結果顯示（表1，圖1），采樣區(qū)域的樣點土壤pH分布頻數(shù)較集中介于4.4～5.0，平均pH為4.83呈酸性土壤，變異系數(shù)僅有6.32%，屬于弱變異。由表1可知，表層土中有機質分布頻數(shù)較散，主要含量集中在20～40 g/kg，平均含量為30.52 g/kg;全磷含量分布頻數(shù)集中在0.40～0.60 g/kg，平均含量為 ???0.50 g/kg;全鉀含量分布頻數(shù)集中在10～25 g/kg，平均含量17.69 g/kg;全氮含量分布頻數(shù)集中在0.8～1.8 g/kg，平均含量1.42 g/kg;堿解氮含量分布頻數(shù)集中分布在120～170 mg/kg，平均含量145.27 mg/kg;通過土壤樣品的變異系數(shù)可以得到，有機質、全磷、全鉀、全氮和堿解氮等養(yǎng)分變異系數(shù)為16.53%～46.9%呈中等變異性，表明在采樣區(qū)域內有一定差異，但變化不大。由圖1可知，能被作物吸收的有效磷含量分布不集中，較散且平均含量為1.35 mg/kg，變異系數(shù)達到81.55%（表1），呈高變異性，說明不同土樣中有效磷含量差異巨大，可能受人類活動和土壤酸堿性影響較大。另外，除堿解氮，其有機質、全氮、全鉀、有效磷等6個土壤養(yǎng)分指標的中位數(shù)均低于其均值，從K-S檢驗和分布類型來看（表1，圖1），有機質、全鉀、全氮服從正態(tài)分布;全磷、堿解氮、有效磷和pH剔除異常值后服從正態(tài)分布，其中，全磷和堿解氮偏度為負值，呈左偏態(tài)分布，有機質、全鉀、全氮、有效磷和pH偏度為正值，呈右偏態(tài)分布。

2.2 ?橡膠林土壤養(yǎng)分的分級比例

由表2可知，德宏橡膠林土壤中有機質、全鉀、全氮、堿解氮等養(yǎng)分含量較高。約有69.3%的樣點含有25 g/kg的有機質，僅有12.8%的樣點有機質含量低;84.6%的樣點全鉀含量達到正常水平，52.5%樣點全鉀含量處于高水平;全氮有93.4%超過0.8 g/kg，僅有6.6%樣點處于低水平;堿解氮有78.2%的樣點超過120 mg/kg，呈豐富水平。說明采樣區(qū)域樣點土壤具有較好的保水保肥能力和相對較高的氮鉀肥力。但全磷和有效磷含量普遍偏低，其中全磷低于0.6 g/kg的樣點占總樣本的71.4%，有效磷含量低于5 mg/kg的樣點占總樣本的100%，說明采樣區(qū)域的橡膠林土壤中全磷和有效磷極度缺乏。另外，從pH來看，85.1%土樣pH介于4.5～5.5，屬于酸性土壤，有9.5%土樣呈強酸性，5.4%土樣呈弱酸性，根據pH變異系數(shù)較穩(wěn)定來看（表1），德宏橡膠林采樣區(qū)域主要呈酸性土壤。

2.3 ?土壤養(yǎng)分綜合評價

2.3.1 ?指標間相關性檢驗、KMO和Bartlett球形度檢驗 ?因子分析的必要條件是各指標間存在相關性，而SPSS軟件中的主成分分析是采用因子分析中的主成分提取，即需對各土壤養(yǎng)分指標進行相關性檢驗，將土壤全鉀、有機質、堿解氮、有效磷、全磷、全氮等養(yǎng)分的原始數(shù)據采用描述性統(tǒng)計得到標準化數(shù)據，計算其相關系數(shù)，從相關系數(shù)矩陣（表3）可以看出，有機質、堿解氮、全氮等指標間存在不同程度的顯著相關性，說明有部分信息重疊。經KMO和Bartlett球形度檢驗，KMO值為0.550，Bartlett球形度檢驗的相伴概率

P<0.05（顯著水平）進一步說明本研究中土壤養(yǎng)分各指標間存在相關性。因此，本研究采用PCA分析法評價土壤肥力較合適。

2.3.2 ?土壤養(yǎng)分主成分分析 ?由表4中的共同度數(shù)據可以看出，主成分包含了各個原始變量至少65%以上的信息，其中全氮指標的信息量損失最大，有機質指標的信息量損失最少。根據提取特征值>1的為主成分，可提取3個主成分并分別解釋了34.891%、19.248%、18.326%的方差，累積貢獻率達到72.464%（表5），這表明3個主成分集中了原始土壤養(yǎng)分6個變量信息的72.464%。根據因子載荷系數(shù)與主成分系數(shù)之間的關系（）[18]，可看出土壤養(yǎng)分指標在主成分上的權重比例不同，主成分1主要受有機質、堿解氮、全氮的權重影響，主成分2主要反映全鉀和有效磷的權重，主成分3主要體現(xiàn)全磷的權重影響（表6）。

根據主成分得分系數(shù)矩陣（表6）可得出主成分的綜合得分線性表達式：

2.3.3 ?德宏橡膠林土壤養(yǎng)分綜合評價 ?按綜合評價模型計算出不同采樣區(qū)域橡膠地土壤養(yǎng)分綜合得分進行統(tǒng)計描述。從表7可知，德宏橡膠林土壤綜合肥力總體得分范圍10.81～25.29，平均分值17.24，變異系數(shù)為18.94。從各采樣區(qū)域來看，盈江農場、畹町農場、瑞麗農場和遮放農場的橡膠林土壤綜合肥力得分范圍分別為11.51～25.29，14.73～18.59，10.81～22.13，11.85～ 22.06。從高到

低依次為盈江農場>瑞麗農場>畹町農場>遮放農場;另外，4個農場采樣區(qū)域土壤肥力變異系數(shù)來看畹町農場處于低變異性，盈江農場、瑞麗農場、遮放農場3個農場處于中等變異范圍，說明各個區(qū)域內部土壤肥力狀況差異不盡相同。盈江農場土壤肥力水平處于中等水平以上，土壤營養(yǎng)狀況較好;畹町農場和瑞麗農場土壤肥力處于中等水平;遮放農場土壤肥力主要處于缺乏到中等水平，需重點開展測土配方施肥。

采用類平均法[19]對土壤綜合分值（IFI）進行系統(tǒng)聚類將78個樣本分為3類，即第Ⅰ類IFI≥20.79，第Ⅱ類14.19≤IFI≤20.13，第Ⅲ類10.81≤ IFI≤13.68，分別代表土壤肥力高、中、低3個等級（表8）。德宏橡膠林土壤采樣點有15.38%和67.95%的土壤肥力為Ⅰ和Ⅱ級，說明土壤養(yǎng)分總體水平良好，但有16.67%的土壤肥力處于低水平，肥力較差。從采樣區(qū)域肥力土壤所占比例來看，盈江農場有55.88%土壤肥力為Ⅱ級水平，僅有14.71%土壤肥力為Ⅲ級水平;畹町農場整體土壤肥力為Ⅱ級水平;瑞麗農場85.71%土壤肥力為Ⅱ級水平;遮放農場土壤肥力主要為Ⅱ級和Ⅲ級水平。

3 ?討論

土壤肥力對橡膠樹養(yǎng)分吸收、生長代謝以及乳膠的形成等方面具有重要作用。從統(tǒng)計描述來看，土壤養(yǎng)分頻數(shù)分布不均勻且具有不同程度的變異性，這可能是因為橡膠產量和品質下降，膠農沒有見到實質性的經濟效益，小部分橡膠林地長期處于無人管理狀態(tài)，橡膠林雜草叢生，大部分橡膠林套種了咖啡、茶葉等經濟作物得到較好的管理。本研究可看出，德宏橡膠林土壤pH頻數(shù)分布集中在4.4～5.0，呈酸性土壤，少部分土壤呈強酸性和弱酸性，且變異性小，說明土壤的酸度受長期的耕作管理的影響不大;有機質、全磷、全鉀、全氮和堿解氮等養(yǎng)分呈中等變異性與黎小清等[9]學者研究東風農場橡膠園土壤養(yǎng)分呈現(xiàn)的變異性有相似規(guī)律。土壤中有機質、全鉀、全氮、堿解氮等養(yǎng)分含量較豐富，但此次研究土壤中全磷有71.4%的樣點和有效磷全部樣點含量極低，處于缺磷狀態(tài)，驗證了何鵬等[20]研究中提到的植膠區(qū)土壤普遍缺磷的觀點。這可能與磷特有的化學性質，容易被土壤固定而降低有效性以及傳統(tǒng)的施肥方式重氮肥輕磷肥鉀的施肥習慣，造成土壤中有效磷含量大幅降低。另外，有效磷是反應土壤磷素供應水平的重要指標，橡膠林土壤中能被作物吸收的有效磷含量頻數(shù)分布不集中，且呈高變異性，說明不同土樣中有效磷含量差異巨大，低于橡膠林土壤養(yǎng)分正常5.0～8.0 mg/kg之間[1]，這可能是由于土壤的酸堿度能通過影響礦質鹽分的溶解度影響?zhàn)B分的有效性，在土壤酸性條件下，鐵、鋁活性相對較高，容易與磷發(fā)生作用形成難以溶解的鐵磷和鋁磷，使土壤及人工施入的磷轉化為固定態(tài)磷，這是有效磷含量較低且變異系數(shù)大的原因之一。

選取土壤全鉀、有機質、堿解氮、有效磷、全磷、全氮等6個指標進行主成分分析并計算IFI進行系統(tǒng)聚類分析。結果顯示，可提取3個主成分且集中體現(xiàn)72.464%原始信息，可見采用主成分分析效果是較好的。綜合區(qū)域評價來看，橡膠林土壤綜合肥力得分從高到低依次為盈江農場>瑞麗農場>畹町農場>遮放農場，其中，盈江農場橡膠林地得到較好的管理并充分利用林地空間與其他作物套種，土壤肥力狀況處于中等偏豐富;其次是瑞麗農場和畹町農場土壤肥力狀況處于中等水平，遮放農場土壤肥力狀況中等水平和缺乏水平比例各占到46.15%，要加強水肥管理。通過本研究可以看出，土壤肥力水平分布不均勻，可能受各區(qū)域施肥管理以及農業(yè)活動等行為有關。土壤肥力受人為管理影響較大，肥力水平差的應加強科學施肥和測土配方施肥，改善土壤的肥力。

本研究利用主成分分析和聚類分析獲得的土壤肥力綜合評價可以較好地反映實際土壤質量，與張子龍等[21]研究主成分分析在三七連作土壤質量綜合評價中的應用有相似的觀點，但是否能推廣應用于不同土壤類型還需進一步驗證。因為土壤質量受到生態(tài)系統(tǒng)的類型、土壤的功能、土壤利用方式、不同作物等的影響。此外，采用主成分分析和聚類分析方法評價土壤肥力，選定指標是土壤肥力評價的核心，直接關系到評價結果的客觀性，實際研究中部分指標獲取難度較大，實用性差，影響了肥力評價結果在實際中的應用推廣。本研究選取的6個評價指標較為有限，需進一步增加土壤質地、微生物、微量元素等指標，更加全面的探討橡膠園土壤肥力情況。

4 ?結論

（1）德宏橡膠林土壤pH頻數(shù)分布集中在4.4～5.0，呈酸性土壤，少部分土壤呈強酸性和弱酸性，且變異性小;有機質、全磷、全鉀、全氮和堿解氮等養(yǎng)分變異系數(shù)在16.53%～46.90%之間，呈中等變異性;有效磷含量頻數(shù)分布不集中，較散且平均含量為1.35 mg/kg，變異系數(shù)達到81.55%，呈高變異性。

（2）根據橡膠樹健康生長所需土壤養(yǎng)分含量來看，目前德宏橡膠林的土壤除了全磷和有效磷處于低水平，其他養(yǎng)分均在正常范圍及以上且具有較高的氮鉀肥力。

（3）利用PCA分析法計算土壤養(yǎng)分綜合分值（IFI），分值范圍10.81～25.29，平均分值17.24，標準差3.27，變異系數(shù)為18.94，屬于中等變異程度。綜合肥力得分從高到低依次為盈江農場>瑞麗農場>畹町農場>遮放農場。

（4）利用系統(tǒng)聚類分析法，德宏橡膠林土壤采樣點有83.34%的土壤肥力介于Ⅰ級～Ⅱ級水平之間，說明土壤肥力總體水平良好。

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