基于多變量分析的天祝金強(qiáng)河地區(qū)退化高寒草甸土壤因子分類模型

牛雪娜，豐驍，姚拓

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院數(shù)量生物學(xué)研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.天水市秦州區(qū)畜牧獸醫(yī)局，甘肅 天水 741000；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

天祝金強(qiáng)河地區(qū)緊臨祁連山分水嶺烏鞘嶺，具有獨(dú)特的區(qū)位特征，是黃河上游的重要水源涵養(yǎng)地以及生態(tài)屏障.近年來，在全球氣溫變化背景下，青藏高原的邊緣區(qū)成為敏感影響區(qū)和脆弱區(qū)，區(qū)域植物資源區(qū)系特征也面臨著新的挑戰(zhàn).加上牧民不同利用方式和放牧強(qiáng)度，導(dǎo)致金強(qiáng)河地區(qū)草地不同程度退化.退化草地是由一切自然因素和非自然因素的擾動(dòng)所引起的牧草質(zhì)量和數(shù)量下降、土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)變差，經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)服務(wù)功能降低，使草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)功能減弱或喪失恢復(fù)功能等的現(xiàn)象.草地是一種可再生的資源，不僅對(duì)水源涵養(yǎng)地和水土保持區(qū)起到重要作用，它還是西部地區(qū)防風(fēng)固沙的天然綠色屏障，是農(nóng)牧民賴以生存和發(fā)展的基本生產(chǎn)資料[1].由于草地的退化呈現(xiàn)出不連續(xù)性，環(huán)境的改變和人為擾動(dòng)的影響，草地呈現(xiàn)出不同退化程度.眾多學(xué)者從不同角度提出了退化草地的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以及生物環(huán)境條件和各個(gè)級(jí)別的表現(xiàn)，但高寒草甸退化草地的分類及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)仍沒有獨(dú)立的體系.董全民和馬玉壽等[2]以凸斑地比例和可食牧草比例作為黑土灘退化草地分類的主要指標(biāo)，采用聚類分析和主成分分析將其分為輕度、中度和重度3個(gè)等級(jí).干文芝等[3]將植物群落的生物產(chǎn)量下降率，優(yōu)質(zhì)草種群產(chǎn)量下降率，優(yōu)勢植物衰減率，可食植物產(chǎn)量下降率，退化演替指示植物增長率、株叢高度下降率，群落蓋度下降率，輕質(zhì)土壤侵蝕程度，中重質(zhì)土壤容重硬度增高和可恢復(fù)年限這10個(gè)指標(biāo)作為草地退化程度的評(píng)價(jià)指標(biāo).任繼周[4]根據(jù)放牧過程中草地植物的負(fù)荷對(duì)策的表現(xiàn)，提出了草地退化的5個(gè)級(jí)別，即輕度退化、明顯退化、嚴(yán)重退化、極度退化、徹底破壞，以及判斷草地等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，這些退化草地的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及其生物環(huán)境指示在退化草地理論研究和實(shí)踐應(yīng)用上發(fā)揮著重要作用.蘇大學(xué)、張自和等[5]提出以植物群落的特征、結(jié)構(gòu)、植物地上生物量和可食生物量等為必須監(jiān)測指標(biāo)，以土壤理化指標(biāo)和土壤養(yǎng)分作為輔助監(jiān)測指標(biāo)將退化草地進(jìn)行分類。草原科學(xué)隨著科技的不斷發(fā)展和與其他相關(guān)學(xué)科相互滲透，本研究嘗試性地以土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、速效磷、速效鉀和pH值為輔助監(jiān)測指標(biāo)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)金強(qiáng)河地區(qū)退化高寒草甸建立分類模型，科學(xué)地驗(yàn)證實(shí)地考察定性分類結(jié)果的合理性，旨在探究不同退化高寒草甸土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、速效磷、速效鉀和pH值的變化規(guī)律及對(duì)退化高寒草甸的影響程度，以期為合理利用和保護(hù)高寒草甸資源提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

金強(qiáng)河流域是祁連山最重要的1條外流河，位于黃河一級(jí)支流莊浪河的中上游段,整個(gè)流域位于天祝縣境內(nèi).區(qū)域內(nèi)常年高寒陰濕、降水豐沛、灌木叢生、牧草豐茂，植被蓋度極高,海拔2 950～4 300 m，年平均氣溫為-2 ℃，年平均降水量560 mm，夏季最高氣溫24 ℃，屬于典型的寒冷、干旱、半干旱高原性氣候.本試驗(yàn)區(qū)位于天?？h西南烏鞘嶺腳下，地處N 37°11′～37°12′，E 102°29′～102°33′，東西長約30 km，南北約4～10 km形成東西的狹長地帶，西高東低，有明顯的河谷、山地、撂荒地、人工草地分布.

1.2 樣地設(shè)置及退化情況

1.2.1 樣地設(shè)置 樣地設(shè)置在金強(qiáng)河地區(qū)不同高度、不同類型、不同利用程度的草地上，見表1.選取圍欄草地：不同植被類型草地，以矮嵩草+珠芽蓼型植被草地，坡底(樣地1)、坡中(樣地2)、坡頂(樣地3)；以珠芽蓼+線葉嵩草型植被草地，坡底(樣地4)坡中(樣地5)、坡頂(樣地6)；以嵩草+雜類草型植被草地，坡底(樣地7)、坡頂(樣地8)；選取重度利用草地：賽馬灘(樣地9)；選取灌叢地：杜鵑灌叢(樣地10)、金露梅灌叢(樣地11)；選取撂荒地：撂荒地陰坡(樣地12)、撂荒地陽坡(樣地13)；選取人工草地：燕麥地(樣地14).

表1 樣地概況

1.2.2 退化情況 基于一些學(xué)者、專家的研究[6]及依據(jù)《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB 19377-2003)》[7]，將研究區(qū)內(nèi)的樣地分為3種不同退化程度的草地.

輕度退化草地：以圍欄草地為主，包括矮嵩草+珠芽蓼型植被草地、珠芽蓼+線葉嵩草型植被草地、嵩草+雜類草型植被草地.主要伴生種有禾草、陰山扁蓿豆、矮生嵩草、委陵菜、球花蒿、龍膽、乳白香青、毛茛，禾草以垂穗披堿草、賴草、紫花針茅、洽草為主，禾草包括垂穗披堿草、洽草、針茅、羊茅，毒草棘豆比例上升.

中度退化草地：以灌叢地和撂荒地為主，包括杜鵑灌叢、金露梅灌叢、撂荒地陽坡、陰坡.主要伴生種有矮生嵩草、陰山扁蓿豆、委陵菜、球花蒿、乳白香青、藍(lán)花韭、高山紫菀，并有毒草棘豆、大戟、高山唐松草出現(xiàn).

重度退化草地：以賽馬灘和燕麥地為主.雜類草型植被，主要伴生種有龍膽、線葉嵩草、禾草、陰山扁蓿豆、矮生嵩草、球花蒿、委陵菜，禾草包括垂穗披堿草、洽草、針茅、羊茅，毒草狼毒、棘豆大量出現(xiàn)；其中瑞香科耐干旱的多年生草本植物狼毒生活力極強(qiáng)，視為草地退化的指示植物.

1.3 土壤采集及測定方法

以植被生長旺盛期7月進(jìn)行土壤樣品采集，采取0～10、10～20、20～30 cm深度的土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室后風(fēng)干、去雜，過篩后供土壤養(yǎng)分測定.土壤有機(jī)質(zhì)采用K2Cr2O7測定；土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定；土壤水解氮采用堿解擴(kuò)散法；速效磷采用碳酸氫鈉法；速效鉀采用醋酸銨提取、原子吸收分光光度計(jì)測定；pH值采用酸度計(jì)測定.

1.4 研究方法

1.4.1 Pearson相關(guān)性分析 Pearson相關(guān)分析法[8]適用于評(píng)價(jià)兩個(gè)連續(xù)變量是否線性相關(guān).相關(guān)系數(shù)r介于-1和1之間，絕對(duì)相關(guān)系數(shù)越接近于1，數(shù)據(jù)點(diǎn)越緊密地落于一條直線上.如果相關(guān)系數(shù)接近于0，則表明不存在線性關(guān)系.

1.4.2 主成分分析 主成分分析法[9]是在尋找?guī)讉€(gè)能解釋原有變量xi的線性組合函數(shù)(主成分)，這些線性組合，一方面必須能夠保有原來變量的信息，且主成分之間必須相互獨(dú)立不會(huì)重疊，更重要的是要能以“較少”的主成分代替原來“多個(gè)”解釋變量，以達(dá)到降維的目的.

1.4.3 聚類分析 聚類分析[9]是一種根據(jù)資料性質(zhì)進(jìn)行“自然”分組的統(tǒng)計(jì)方法，在進(jìn)行分析時(shí)，使用的分類變量不同，結(jié)果就會(huì)不同.因此，在進(jìn)行聚類分析時(shí)，根據(jù)理論和相關(guān)文獻(xiàn)來選擇變量，并且注意所選擇的變量應(yīng)遵循：(1)能夠顯示出觀測值的特征；(2)與聚類分析的目標(biāo)有一定程度的關(guān)聯(lián).

在聚類分析中也要解決多重共線性問題.因?yàn)榫垲惙治鰧?duì)觀測值分類的原理，是先計(jì)算觀測值在所有要分類變量上的距離或相似性，再根據(jù)距離的遠(yuǎn)近或相似程度進(jìn)行分類工作.如果導(dǎo)入2個(gè)相關(guān)系數(shù)接近于1的共線性變量，將會(huì)使得計(jì)算量加倍，擴(kuò)大了實(shí)際的距離或相似性，會(huì)嚴(yán)重影響分類結(jié)果.

1.4.4 多變量方差分析 多變量方差分析[10](MANOVA)是檢驗(yàn)自變量在不同處理水平或類別的樣本在等距以上因變量的測量值的差異情形.在進(jìn)行MANOVA時(shí)，必須符合下列3個(gè)基本假設(shè)：總體中各樣本在因變量上的測量值應(yīng)該要彼此獨(dú)立；樣本所來自的總體在因變量上的概率分布呈正態(tài)分布；方差齊性.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分和土壤pH值的相關(guān)性分析

首先，對(duì)土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、速磷、速鉀和pH值這6個(gè)指標(biāo)做Pearson相關(guān)性分析.由表2可以看出，有機(jī)質(zhì)和全氮，有機(jī)質(zhì)和水解氮，全氮和水解氮，速鉀和全氮，速鉀和水解氮具有正線性相關(guān)性且高度顯著，而速磷和水解氮，速鉀和速磷，速磷和pH值之間的線性相關(guān)性是顯著的.因此，反映土壤特征的6個(gè)指標(biāo)之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，如果直接采用這些指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行樣地的分類，必然造成信息的重疊，從而影響分類結(jié)果的客觀性，解決此問題的方法是，先用主成分分析法把這6個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)不相關(guān)的綜合指標(biāo)，再進(jìn)行聚類分析.

表2 土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

2.2 退化草地的影響因素

由于土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、速磷、速鉀是極大型指標(biāo)，pH值是中間型指標(biāo)，因此利用MATLAB2014a軟件對(duì)中間型指標(biāo)pH值進(jìn)行極大化處理，這樣就使所有指標(biāo)同趨勢.然后，利用SPSS 20.0對(duì)天祝金強(qiáng)河地區(qū)的14塊樣地的預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，得到如表3～4所示結(jié)果.

一般地，主成分個(gè)數(shù)的提取依據(jù)是特征值大于1或是累積貢獻(xiàn)率大于80%的主成分，由于本研究的變量個(gè)數(shù)小于20，所以將上述2種方法結(jié)合起來使用來選取主成分的個(gè)數(shù).由表2看到前2個(gè)主成分F1、F2對(duì)應(yīng)的特征值大于1并且累積貢獻(xiàn)率為80.013%，其值大于80%，所以，選取F1為第一主成分，F(xiàn)2為第二主成分，這2個(gè)主成分基本上保留了原有的信息，能很好地概括這組數(shù)據(jù).

變量x1,x2,x3,x4,x5,x6分別表示指標(biāo)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、速磷、速鉀、PH值.表4中2個(gè)主成分F1和F2對(duì)應(yīng)的值是x1,x2,x3,x4,x5,x6在主成分上的加權(quán)系數(shù)，而不是在主成分上的系數(shù)，因此需要對(duì)表4 中F1和F2的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整.將表4中第2列和第3列的每個(gè)值分別除以第一主成分F1和第二主成分F2所對(duì)應(yīng)特征值的平方根，可以得到主成分所對(duì)應(yīng)的特征向量，其分量分別為x1,x2,x3,x4,x5,x6的系數(shù)值C1、C2，如表4所示.

表3 解釋的總方差

表4 主成分矩陣及對(duì)應(yīng)的特征向量

建立第一主成分和第二主成分的線性組合為：

FAC1=0.412 4x1+0.474 8x2+0.478 4x3+0.373 8x4+0.396 4x5+0.280 4x6

(1)

FAC2=0.336 7x1-0.060 9x2+0.039 3x3-0.335 7x4-0.511 4x5+0.712 6x6

(2)

(1)和(2)式可以看出，第一主成分F1所對(duì)應(yīng)的特征向量的各個(gè)分量值在0.5[9]附近的有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮且都是正值，而變量在主成分上的系數(shù)值越大，代表該變量在主成分上的重要性越高，因此命名第一主成分為土壤養(yǎng)分，即有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮；同理，第二主成分F2所對(duì)應(yīng)的特征向量的各個(gè)分量值僅有pH值大于0.5，因此命名第二主成分為土壤pH值.

表5 主成分得分

將各變量對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后代入(1)式和(2)式，得到14塊樣地的主成分得分，結(jié)果如表5所示.

其中，F(xiàn)AC1表示土壤養(yǎng)分的得分，F(xiàn)AC2表示土壤pH值的得分，現(xiàn)用表5的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析.

2.3 樣地的分類結(jié)果

主成分分析法解決了多重共線性問題，所以利用SPSS 20.0將表5中的14塊樣地進(jìn)行聚類，也就是系統(tǒng)聚類法中的Q型聚類，得到分類結(jié)果如圖1所示.

圖1 退化高寒草甸土壤養(yǎng)分和pH值的樹狀圖Figure 1 Tree map of soil nutrients and soil pH in degraded grassland

即14塊樣地分為4類的結(jié)果為：{1}為第一類；{2,3,4,5,6,7}為第二類；{8,9,10,12}為第三類；{11,13,14}為第四類.

由于聚類分析是一種描述性的多變量分析方法，并且完全依照觀測值在變量上的性質(zhì)進(jìn)行“自然”的分類，因此，這里要對(duì)分類的效度進(jìn)行檢驗(yàn).

2.4 分類結(jié)果的驗(yàn)證

用多變量方差分析法對(duì)聚類分析的結(jié)果做檢驗(yàn)，表6中的P值為0.999 5(>0.05)，并未達(dá)到顯著性水平，表示這4組樣地在土壤養(yǎng)分和土壤pH值的方差具有齊性，并未違反MANOVA的基本假設(shè).表7的4種檢驗(yàn)方法得到P值都是小于0.05的，說明4類草地在土壤養(yǎng)分、土壤pH值上的平均數(shù)有顯著差異，因此聚類分析的結(jié)果是合理的.

表6 方差齊性的Box檢驗(yàn)

表7 多變量檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步找出平均數(shù)的顯著差異體現(xiàn)在哪一個(gè)主成分上，本研究作了單變量方差分析，由表8可知，4類退化草地在土壤養(yǎng)分上的平均數(shù)差異是顯著的(P<0.05)，而在土壤pH值上的平均數(shù)差異不顯著(P>0.05)，再由表3得到，2個(gè)主成分F1和F2分別解釋了62.71%與17.3%的變量變異量，第一個(gè)主成分的重要性顯著高于第二個(gè)主成分，即土壤因子特征的反映主要在土壤養(yǎng)分上，也就是說對(duì)退化高寒草甸分類主要也是反映在“土壤養(yǎng)分”這個(gè)主成分上.利用MATLAB2014a軟件將圖1的分類結(jié)果直觀的展現(xiàn)出來，如圖2所示.將圖2的分類結(jié)果以表格的形式給出，如表9所示.

圖2 退化高寒草甸的分類Figure 2 Classification of degraded grassland

3 討論

大多數(shù)研究者一直采用植物群落作為評(píng)價(jià)草地退化的主要指標(biāo)，而另一個(gè)草地退化的主要表現(xiàn)是土壤理化性質(zhì)和土壤養(yǎng)分的變化.植被的變化比土壤理化性質(zhì)和土壤養(yǎng)分的變化要直觀[3]，因其從輕度退化草地—重度退化草地，植物群落特征(地上生物量、密度、高度、頻度和總蓋度)整體呈現(xiàn)降低的趨勢[11].李博[12]以植物蓋度、地上生物量、土壤狀況及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所得到的數(shù)據(jù)，對(duì)草地的退化程度分為4個(gè)等級(jí)：輕度、中度、重度和極度退化；柳小妮等[13]也提出了以植被—生境學(xué)分類方法屬于定性的分類方法，主要依據(jù)野外實(shí)地調(diào)查結(jié)果，對(duì)類的生物學(xué)特征描述準(zhǔn)確詳細(xì)，比較直觀，可操作性較強(qiáng)，實(shí)際應(yīng)用較為廣泛.因此，在野外采樣主要也是通過觀察植被和環(huán)境地變化情況而進(jìn)行定性分類，但草地退化會(huì)呈現(xiàn)出地上植物群落與土壤同步退化，相對(duì)于地上植被的退化，土壤退化呈現(xiàn)出一定的滯后性[14]，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，對(duì)于一些土壤因子(如氮、磷和pH等)的測定也較為容易，因此以土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、速效磷、速效鉀和pH值為輔助監(jiān)測指標(biāo)，利用主成分分析法和聚類分析法對(duì)天祝金強(qiáng)河地區(qū)的退化高寒草甸進(jìn)行定量分類，避免一些人為因素帶來的主觀性。魏淑珍等[15]以SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，倪長健等[16]以投影尋蹤動(dòng)態(tài)聚類法對(duì)天然草地進(jìn)行分類，但對(duì)分類結(jié)果的合理性并未驗(yàn)證，基于此本文對(duì)聚類分析的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，分類的結(jié)果通過了多變量方差分析的檢驗(yàn)，研究表明分類結(jié)果與李鳳霞和張德罡[6]及蘇大學(xué)等[7]所給的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)基本一致。定性和定量的分類方法均有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，在今后地研究中可將植物群落的特征、結(jié)構(gòu)、植物地上生物量、可食生物量等為必須監(jiān)測指標(biāo)和土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分為輔助監(jiān)測指標(biāo)相結(jié)合將退化高寒草甸進(jìn)行分類，以期更加科學(xué)、準(zhǔn)確地揭示退化高寒草甸與土壤因子之間的關(guān)系.

表9 退化高寒草甸的分類

由于土壤中的氮、磷、鉀等11種礦物質(zhì)是供給植物生長所必須的營養(yǎng)元素[17]，而各種養(yǎng)分在不同退化草地貢獻(xiàn)率也不同，基于王景升等[18]采用TWINSPAN數(shù)量分類和DCA、CCA排序的方法不僅科學(xué)地對(duì)藏北高原草地群落進(jìn)行數(shù)量分類與排序，且得出了影響群落空間分布的因素為水分和溫度。本研究中以天?？h金強(qiáng)河地區(qū)退化高寒草甸中的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、速效磷、速效鉀、pH值為指標(biāo)運(yùn)用主成分分析法和聚類分析法建立天祝金強(qiáng)河地區(qū)退化高寒草甸的分類模型，研究結(jié)果表明，水解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)對(duì)高寒草甸退化的影響較大，這與馬源等[19]、李亞娟等[20]以及劉學(xué)敏等[21]的研究結(jié)果基本一致，表明高寒草甸退化主要受到氮的限制，而有機(jī)質(zhì)次之。其次，隨著高寒草甸退化程度地不斷加重，土壤養(yǎng)分含量在相應(yīng)減少，土壤pH值逐漸升高后又緩慢下降，但pH值對(duì)退化高寒草甸的影響不顯著，這一研究結(jié)果與張建貴等[11]以及李玲等[22]基本一致?，F(xiàn)從土壤理化特性的視野豐富了退化高寒草甸的分類方法，并揭示了影響退化高寒草甸主要指標(biāo)，為相似地區(qū)的草地資源利用和保護(hù)策略的制定提供理論依據(jù)和案例參考.

4 結(jié)論

本文針對(duì)試驗(yàn)中土壤的物理和化學(xué)的6個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析法和樣本聚類法對(duì)金強(qiáng)河地區(qū)的高寒草甸進(jìn)行了分類。將分類結(jié)果與野外調(diào)查結(jié)果做了對(duì)比分析，兩者的結(jié)果基本一致，通過了多變量方差分析法的驗(yàn)證。最后，得出退化高寒草甸的差異性主要體現(xiàn)在水解氮、全氮、有機(jī)質(zhì)中，而pH值對(duì)其影響是不顯著的。因此，以多變量分析方法所建立的分類模型既可以客觀、快速和有效地解決退化高寒草甸的分類問題，同時(shí)還可以利用試驗(yàn)測量的相關(guān)指標(biāo)對(duì)不同區(qū)域的退化草地作出科學(xué)分析與評(píng)價(jià)研究.