主成分分析法在“胶”、“蕉”间种胶园土壤肥力评价中的应用

刘 敏，李建华，刘俊良，李智全，刘志崴，蔡儒学，陈君兴，冀春花*

（1.海南省农垦科学院，海南 海口 570311； 2.海南省天然橡胶产品质量检验站，海南 海口 570206； 3.海南天然橡胶产业集团股份有限公司龙江分公司，海南 白沙 572818）

“胶”、“蕉”间种是利用橡胶中小苗更新地，在1~2龄的橡胶中小苗林下发展香蕉种植的一种林下经济模式，发展“胶”“蕉”间种可提高橡胶小苗行间地的综合利用价值，挖掘土地潜力，解决土地缺乏问题。橡胶、香蕉都是

大水大肥的作物，在加大香蕉肥水管理的同时，橡胶小苗也得到了“肥源”共享，可促进橡胶小苗快长[1]。“胶”、“蕉”间种已经成为一种比较成功的林下经济发展模式在海南各地区得到了大面积推广。目前，对于幼龄胶园间种香蕉高效栽培模式、种植效益等方面的研究较为深入[2-4]，土壤养分含量测定方面也有所涉及[2，5-7]，但对间种模式下胶园土壤肥力水平综合评价的研究未见。本文利用主成分分析法评价了不同间种造数胶园土壤肥力水平，并与未间作胶园进行了比较，以揭示间种与否、间种造数差异对胶园土壤肥力水平的影响，同时建立一种科学的胶园土壤肥力水平评价方法。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区位于海南省国营龙江农场，属白沙黎族自治县境内。场区为广阔的低丘台地，地势南高北低，海拔一般为120~180m，相对高差20~60m，坡度3~10℃。年平均气温23.4℃，月平均气温7月最高为27.9℃，1月最低为17.3℃，极端高温39.6℃，极端低温1.2℃。年平均降雨量1996mm，最多年份达1700mm，最少年份为1283mm。

1.2 样地信息

研究地点位于海南省国营龙江农场龙江、长龙和金波片区。样地1位于龙江23队，橡胶定植时间为2013年11月，间种香蕉1造；样地2位于龙江23队，橡胶定植时间为2012年10月，间种香蕉2造；样地3位于长龙21队，橡胶定植时间为2010年10月，间种香蕉3造。对照样地位于金波38队，橡胶栽植时间为2013年10月，未间作任何作物。所有样地橡胶栽培品种均为PR107，对照样地种植规格为3.3 m×6 m，间种样地1、2和3种植规格为2.8 m×7 m，每年3~5月份待橡胶3蓬叶老化后种植巴西蕉，每条橡胶行间种两行香蕉，香蕉距离橡胶头2.2m以上。香蕉种植采用常规管理，第l季香蕉收获完毕，继续留吸芽，培育第2代、第3代。样地土壤类型均为花岗岩砖红壤。

1.3 土壤样品采集及养分含量测定

土壤样品取样采用五点混合法，取0~20 cm、20~40 cm土壤样品，做好标记。

全部指标的测试工作委托海南农垦中心测试站完成。土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾、有效铜、有效锰、有效铁、有效锌分别依据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测定；交换性钙、交换性镁依据NY/T 1121.13-2006测定。

1.4 土壤肥力评价方法及评价指标选取

利用主成分分析法，选取14个指标对“胶”、“蕉”间种模式土壤肥力进行评价，包括全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾、有效铜、有效锰、有效铁、有效锌、交换性钙、交换性镁、pH和有机质。

1.5 数据分析

数据整理使用Excel 2007，数据计算使用SPSS 19.0，在SPSS 19.0中用主成分分析法对评价指标进行筛选，并计算不同样地的土壤主成分综合得分，从而判定土壤肥力状况。

2 结果与分析

2.1 土壤肥力评价因子相关性分析

对0～20cm、20～40cm两土层各评价因子的数据合并进行相关性分析并统计显著性，各因子间相关性系数如表1所示。结果表明，pH与有效铜呈正相关，与水解性氮、有效铁、有效锌和交换性镁呈极显著正相关；有机质与全钾呈显著正相关，与速效钾呈极显著负相关；水解性氮与有效锌呈显著正相关，与有效铜、有效铁、交换性钙镁呈极显著正相关；有效磷与交换性钙呈显著正相关，与全磷呈极显著负相关；速效钾与有效锰呈极显著正相关，与全钾呈极显著负相关。因此，各评价因子之间关系密切。

*.在 0.05 水平（双侧）上显著相关。

**.在 0.01 水平（双侧）上显著相关。

2.2 土壤各因子的主成分分析及肥力评价

由于土壤各因子之间相关性很强，所以可以使用主成分分析法将各因子进行降维分析，得出用来评价胶园土壤肥力水平的因子群。

两土层深度各主成分特征值、可解释方差、累计方差贡献率如表2所示，根据特征值大于1的原则，两土层均选取前3个主成分。载荷矩阵如表3所示，使用方差将因子载荷换算为特征向量如表4所示。0～20cm土层深度，第一主成分的贡献率为49.112%，主要反映了全钾、水解性氮、有效铜、有效锌、有效铁、交换性钙和交换性镁的信息，第二主成分的贡献率为32.854%，主要反映了pH、全氮、全磷、速效钾和有效锰的信息，第三主成分的贡献率为18.033%，主要反映了有效磷、有机质的信息。20～40cm土层深度，第一主成分的贡献率为52.058%，主要反映了全钾、有效磷、速效钾、有效铜、有效锰、有效铁和交换性镁的信息，第二主成分的贡献率为29.611%，主要反映了有效锌和交换性钙的信息，第三主成分的贡献率为18.331%，主要反映了pH、有机质、全氮、全磷和水解性氮的信息。两土层三个主成分的累计方差贡献率均达到了100%，可用于说明系统的变异信息，能比较准确的反映土壤肥力的综合状况。

表1 土壤健康评价因子相关系数

表2 总方差解释表

表3 主成分载荷矩阵

以各主成分的方差贡献率为权数，对SPSS所提取的因子得分进行加权求和，得到反映土壤肥力水平的综合得分（见表5）。结果表明，0～20cm主成分综合得分：间种一造>间种两造>不间种>间种三造，间种一造的土壤肥力状况最好，两造、不间种次之，三造的健康状况最差。20～40cm主成分综合得分：间种一造>间种两造>间种三造>不间种，间种一造的土壤肥力状况最好，两造、三造次之，不间种的健康状况最差。

表4 主成分特征向量

表5 0～20cm和20～40cm土层土壤肥力水平综合得分

3 讨论

利用主成分分析法对“胶”、“蕉”间种模式土壤肥力水平进行评价，所选评价因子之间具有不同程度的显著正相关和负相关关系，各养分含量之间关系密切，相互促进或制约，可以综合反映土壤肥力水平。其中，pH值与微量元素之间关系密切。pH值与有效铜呈正相关，与有效铁、有效锌和交换性镁呈极显著正相关，与袁颖红、庄伊美、林万树等研究一致[8-10]。土壤pH是与微量元素关系密切，过酸或过碱性环境下，微量元素可发生吸附、流失、固定、沉淀等作用，严重影响微量元素移动能力，降低微量元素有效性[11-13]；此外，大量元素与微量元素之间关系密切。水解性氮与有效铜、有效铁、交换性钙镁呈极显著正相关，与有效锌呈显著正相关，有效磷与交换性钙呈显著正相关，速效钾与有效锰呈极显著正相关。

通过计算系统内主成分综合得分，除了0～20cm间种三造胶园外，橡胶中小苗间种香蕉胶园土壤肥力均高于橡胶单作，橡胶中小苗间种香蕉确实提高了橡胶土壤肥力。主要原因有：（1）间种香蕉可增加胶园土壤覆盖，有保肥保水作用；（2）香蕉凋落物大量回归土壤，再加上间种香蕉需人为施用有机肥，提高了胶园有机质含量；（3）间种香蕉作为胶园行间土壤管理的一种方式，减少了杂草滋生，降低了胶园水分和养分的损耗[5]。间种不同造数香蕉胶园土壤肥力水平由高到低依次为：间作一造>间作两造>间作三造，间种一造的土壤肥力状况最好，两造次之、三造最差。主要原因是随着香蕉种植年限的延长，宿根蕉管理比较粗放和投入少，以及实际种植密度与理论种植密度之间的偏差逐渐增大，造成养分流失增多，肥料利用效率下降[14]，建议海南宿根蕉应加强在施肥、病害等方面的管理，实现土壤养分的良性循环，将有利于橡胶间作香蕉模式的可持续利用与发展。

土壤肥力是土壤物理、化学和生物学性质的综合反应，本研究仅选取了14个化学指标对“胶”、“蕉”间种模式胶园土壤肥力状况进行了评价，要想更全面、准确的反映间种胶园土壤肥力整体水平，还需引入物理指标和生物指标。