基于IDW和因子分析的海南省火龙果园土壤养分空间分布预测

范声浓,李华东,王烁衡,谭梦怡,孟 鑫,葛梅红,林 电

( 1.海南大学热带作物学院,海口 570100;2.中化化肥有限公司海南分公司,海口 570100)

【研究意义】火龙果(HylocereusundulatusBritt)属仙人掌目仙人掌科,量天尺属植物,起源于中南美洲热带森林,在20世纪90年代被世界各地广泛引入种植[1]。我国台湾地区于20世纪80年代率先引种火龙果,而大陆各地区于20世纪90年代陆续开始种植火龙果[2]。由于火龙果有较高的经济价值,近几年火龙果产业发展迅猛,目前在我国广西、广东、福建、贵州、云南、海南等省区均有种植。随着近年来海南“国际旅游岛”“热带水果生产基地”等项目的实施,海南火龙果的生产、种植、市场前景也日益受到重视[3],据不完全统计,海南省火龙果种植面积超6.67×107m2,主要集中分布在东方市、乐东县、三亚市和陵水县。【前人研究进展】掌握土壤养分状况是测土配方施肥的关键,通常使用养分等级评价法和综合评价法研究土壤养分状况,黄雁飞等[4]和柴冠群等[5]分别对广西和贵州主要火龙果园土壤采用养分等级评价法研究发现两地果园土壤都呈弱酸性,存在养分分布不均等问题。因子分析是综合评价土壤养分状况常用的方法[6],它通过降维的方式从具有错综复杂关系的变量中提取少数影响变量的公共因子来解释原始数据,相关性较强的变量归为一类形成新的变量,新的变量作为公共因子具有较强的实际代表意义,提取出来的几个公共因子能够反映原变量的大部分信息[7-8]。高宏艳等[7]研究认为因子分析结合聚类分析是最适合内蒙古平原灌区耕地土壤养分肥力分级评价的综合评价法。杨文娜等[9]通过主成分分析和模糊综合评价对喀斯特土壤进行综合评价得出了不同土地利用方式和不同地形部位土壤的肥力水平大小关系。然而,目前国内鲜有将综合评价法应用到火龙果园土壤养分调查评价。使用因子分析结合反距离权重插值法(Inverse distance weighted,IDW)可以得到土壤养分空间分布图从而直观地展示土壤养分的空间分布状况和各区土壤综合肥力状况[10]。【本研究切入点】作为新兴果树,火龙果栽培技术仍不成熟,果农在施肥时盲目跟风或凭个人经验容易导致土壤养分失衡,火龙果的产量和品质受土壤养分和肥料配比很大的影响[11],有关海南省火龙果园土壤养分空间分布状况和养分丰缺程度的研究未见有学者报道。【拟解决的关键问题】通过对海南岛南部火龙果主产区火龙果园土壤进行采样调查分析,并且运用因子分析和IDW分析预测海南省火龙果园养分的空间分布状况,旨在初步探明海南省火龙果园综合肥力状况,为果园改土施肥提供理论指导和建议。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

根据海南省火龙果种植园空间分布特点,于2020年1—7月采集海南岛目前火龙果主产区的乐东县、东方市、三亚市和陵水县4个市县果园0～20 cm土层土壤混合样品60个,用GPS定位系统记录下采样点的经纬度信息。每个果园采样时均采用蛇形采样法采集火龙果种植垄上的土壤,避开沟渠和路边,每个土壤样品为15个点的土样混合均匀后经四分法取土1 kg,样品采回实验室后磨细过筛备用。各采样点位置如图1所示。

图1 火龙果园土壤采样点分布Fig.1 Distribution of soil sampling sites in pitaya orchards

1.2 测定方法

测定指标及其测定方法如表1所示。

表1 土壤样品测定指标和方法Table 1 Measurement indicators and methods of soil samples

1.3 火龙果园土壤养分丰缺评价标准

对海南省调查区火龙果园土壤pH、有机质和其他各养分分级指标参照全国第二次土壤普查指定的土壤养分分级标准[12]测定(表2),土壤pH按照<4.5为强酸性,4.5～5.5为酸性,5.5～6.5为微酸性,6.5～7.5为中性,>7.5为碱性。

表2 海南省火龙果园土壤养分分级标准Table 2 Soil nutrient grading standards for pitaya orchards in Hainan province

1.4 反距离权重插值法(IDW)

反距离权重是一种全局加权平均插值方法,最初是由Shepard[13]提出,后来经过不断改进发展完善。该法认为研究区内的每一个观测点对于插值点都会有局部影响,任意一个观测点的值对插值点值的影响都是随着距离的增加不断减弱[14]。

IDW的数学表达式:

(1)

式中,Z*(S0)为S0点处的预测值,N为用于插值的周围样点的个数,Z(Si)为样点Si处的实测值,λi为第i个样点对预测点的权重。

(2)

式中,di0为预测点S0与各样点间的距离,p为距离的幂,即随样点与预测点距离的增加,样点对预测点权重的影响按指数规律减少,权重值的总和为1[15]。

1.5 因子分析

通过因子分析确定各土壤养分指标的特征值和特征向量,根据各因子贡献率提取公因子并计算其综合得分IFI,其具体步骤为:①对评价指标数据进行相关性分析,KMO和巴特利球形度检验;②对原数据进行标准化处理;③选择主成分法对标准化后的数据进行因子分析;④提取特征值大于1的因子作为公共因子;⑤计算各公共因子的表达式,最后根据式(3)得出综合因子IFI得分模型。

(3)

式中,Vi/P为方差贡献率,Fi为各公共因子的得分。

1.6 数据处理

使用SPSS 20.0和Excel 2019软件对实验数据进行处理和统计分析,利用ArcGIS 10.2软件进行IDW法作图。

2 结果与分析

2.1 土壤pH

土壤pH是土壤重要的理化性质之一,土壤pH对土壤养分的有效性、作物的生长、土壤的物理性质以及土壤微生物种类、数量等有较大影响。由表3可知,海南省火龙果园土壤酸碱度大部分集中在中性和酸性范围内,中性和微酸土壤样品占总样品的90%,6.67%的土壤样品pH小于5.5,全采样区土壤pH均值为6.5,变异系数为9.08%(小于10%),属于弱变异。从海南省火龙果园主产区土壤pH的预测(图2)可以看出,东方市、陵水县和乐东县部分地区土壤呈中性,三亚市和乐东县小部分地区土壤偏酸。

表3 海南省火龙果园土壤pHTable 3 Soil pH of pitaya orchards in Hainan province

图2 基于IDW插值法的海南省火龙果园土壤pH分布Fig.2 The soil pH distribution of the pitaya orchards in Hainan province based on the IDW

2.2 土壤有机质含量

土壤有机质是影响土壤肥力的重要因素之一,可以改善土壤的物理性质和微生物环境。由表4可以看出,海南省火龙果园土壤有机质含量集中分布于中等偏低水平,即含量在10～30 g/kg,有53.33%土壤样品有机质含量低于20 g/kg。有10%土壤样品有机质含量小于10 g/kg,处于极缺乏水平,只有8.33%土壤样品有机质含量高于30 g/kg,处于丰富水平。全部土壤样本土壤有机质均值为19.25 g/kg,变异系数为39.57%,属于中等变异。整体来说,海南省火龙果园土壤有机质含量处于中等偏低水平,有机质含量不足的果园占大部分,只有少数果园土壤有机质含量丰富。从有机质的预测分布图(图3-a)可以看出,乐东县和三亚市大部分火龙果园土壤有机质处于低或者极低水平,东方市火龙果园土壤有机质处于中等偏高水平。

2.3 土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量

土壤碱解氮是土壤当季作物可以吸收利用的氮素,反映土壤的供氮能力。由表4可以看出,海南省火龙果园碱解氮含量均较低,均值为79.17 mg/kg,变异系数为38.04%,属中等变异。碱解氮含量达丰富水平的(即120 mg/kg以上)样本只有8.33%,碱解氮含量达到极低水平(即小于60 mg/kg)的样本占30%。由图3-b可以看出,乐东县全区和三亚市部分果园碱解氮处于极低水平,只有东方市小部分地区火龙果园土壤碱解氮含量丰富。

土壤有效磷是指作物当季可以吸收利用的磷,了解土壤有效磷含量对于指导果园磷肥施用和磷素的环境风险评价具有重要意义。海南省火龙果园有效磷含量普遍偏高,土壤有效磷含量达到极高水平(即在40 mg/kg以上)的土壤样品数占83.33%,全部采样点的有效磷含量均值为119.06 mg/kg,变异系数为60.08%,属中等变异。由图3-c可以看出,整个采样区的有效磷都处于极高水平,只有陵水县部分地区有效磷含量处于中等水平。

图3 基于IDW插值法海南省火龙果园土壤养分分布Fig.3 Distribution of soil nutrients in pitaya orchards in Hainan province based on the IDW

钾元素作为作物的品质元素,适量的钾素供应对火龙果的生长发育有至关重要的作用,土壤速效钾即反映土壤供钾能力的强弱。海南省火龙果园土壤速效钾含量处于高和极高水平(即大于150 mg/kg)的土壤样品数占85%,总样品的土壤速效钾含量均值高达307.35 mg/kg,处于极高水平,变异系数为50.31%,属于中等变异。由图3-d可以看出,乐东县部分火龙果园土壤速效钾含量中等偏低,整个研究区域整体上速效钾含量丰富,陵水县一带速效钾含量处于极高水平。

2.4 土壤中微量元素含量

海南省火龙果园土壤交换性钙含量变异较大,整个研究区域果园土壤交换性钙含量均值为1851.18 mg/kg,变异系数为97.75%,属中等变异,已接近100%,接近强变异。研究区果园土壤交换性钙含量达到高水平(即大于1000 mg/kg)的占68.33%,表明海南省大部分火龙果园土壤交换性钙含量非常丰富。由图3-e可以看出,东方市与陵水县果园土壤交换性钙含量极高,乐东县与三亚市果园土壤交换性钙低。

海南省火龙果园交换性镁含量在高水平(即100～200 mg/kg)的样本较多,占总样本的46.67%,含量超过200 mg/kg的样本数占总样本的36.67%,整体来说海南省火龙果园土壤交换性镁含量处于高水平,均值为218.44 mg/kg,变异系数为74.86%,属中等变异。由图3-f可以看出,乐东县、三亚市与陵水县小部分地区火龙果园土壤交换性镁含量处于低水平,陵水县大部分地区交换性镁含量处于极高水平,东方市火龙果园交换性镁处于中等偏高水平。

海南省火龙果园土壤有效铜含量变异较大,均值为1.52 mg/kg,变异系数为103.55%,属于强变异。调查区土壤有效铜含量范围为0.16～8.10 mg/kg,含量变化大。由图3-g可以看出,只有陵水火龙果园土壤有效铜含量处于极高水平,乐东县、东方市与三亚市部分地区火龙果园土壤有效铜含量处于低水平。

采样区土壤有效锌平均含量为16.24 mg/kg,大于4 mg/kg的分级值,处于极高水平的样品占83.33%,变异系数为77.92%,属于中等变异,整个采样区土壤有效锌含量丰富。由图3-h可以看出,只有乐东县火龙果园土壤有效锌含量处于中等水平,其它地区果园土壤有效锌含量极高,尤其是三亚市与陵水县一带。

2.5 因子分析

土壤各养分之间具有一定程度的相关性是进行因子分析的前提。在对火龙果园土壤进行因子分析之前,先对土壤各养分指标进行相关性分析(表5)。pH和交换性钙,有机质和速效钾、有效铜,有效磷和有效锌,速效钾和交换性钙,交换性钙和有效锌之间存在显著相关关系。pH和交换性镁,有机质和碱解氮、交换性钙、交换性镁、有效锌,碱解氮和速效钾、交换性钙、交换性镁、有效铜、有效锌,速效钾和交换性镁,交换性钙和交换性镁,有效锌和交换性镁、有效铜之间存在极显著相关关系。可以看出火龙果园大部分养分指标间具有显著相关关系,数据符合因子分析的前提条件。通过KMO和Bartlett检验发现,火龙果园土壤养分数据的KMO值为0.631(大于0.6),说明各变量之间相关性较强,Bartlett球形检验概率sig为0.00(小于0.05),表示数据取自正态分布,数据适合进行因子分析。

表5 火龙果园土壤养分相关性分析Table 5 Correlation analysis of soil nutrients in pitaya orchards

通过对火龙果园土壤指标数据标准化后进行因子分析。因子分析所得的特征值反映对应因子对变量影响程度的大小,如果特征值小于1,则其对应的因子解释力度太低甚至不如原变量[16],因此本研究选取特征值大于1的3个因子作为主因子,分别为F1、F2、F3,其累计方差贡献率为70.785%,这3个主因子提取出的信息量可以反映大部分原始数据的信息量。

由旋转因子载荷矩阵(表6)可知,因子F1在有机质、碱解氮、有效铜、有效锌这4个指标上有较高的载荷,说明因子F1是反映有机质、碱解氮、有效铜和有效锌的影响因子;因子F2在pH、交换性钙、交换性镁3个指标上有着较高的载荷,即因子F2是反映pH、交换性钙和交换性镁的影响因子;因子F3在有效磷和速效钾2个指标上有着较高的载荷,即说明因子F3是反映有效磷和速效钾的影响因子。

表6 旋转因子载荷矩阵和方差贡献率Table 6 Rotation factor loading matrix and variance contribution rate

每个指标对应的3个主因子的载荷值除以对应主因子特征值的开平方根所得的值称为每个指标对应主因子的特征向量(表7),将特征向量和标准化的数据相乘,得出3个主因子表达式:

表7 主因子各指标特征向量矩阵Table 7 The eigenvector matrix of each index of the main factor

F1=-0.08zx1+0.38zx2+0.47zx3+0.07zx4+0.13zx5+0.13zx6+0.15zx7+0.42zx8+0.41zx9

F2=0.47zx1+0.39zx2+0.16zx3-0.03zx4+0.24zx5+0.65zx6+0.64zx7+0.19zx8-0.2zx9

F3=-0.08zx1-0.03zx2-0.12zx3+0.85zx4-0.51zx5+0.06zx6-0.14zx7+0.33zx8-0.09zx9

其中,zx1～zx9为标准化后的pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁、有效铜、有效锌数据。

以3个主因子对应的方差贡献率为权重,根据式(3)计算得出综合得分IFI,其模型为:

IFI=0.403 58F1+0.190 54F2+0.113 73F3

(4)

根据式(4)将每个采样点的各个指标对应的综合得分计算出来,此综合得分可以在一定程度上反映火龙果园综合肥力的高低,再利用反距离权重法对火龙果园的土壤肥力进行预测,由图4可知,研究区养分综合得分在-1.45～2.05,其中陵水、三亚市海棠区和三亚市吉阳区火龙果园土壤养分综合得分处于中高水平,东方市大部分火龙果园土壤养分综合得分处于中等水平,东方市小部分地区火龙果园土壤养分综合得分处于高水平,而乐东县、三亚市崖州区和三亚市天涯区火龙果园土壤养分综合得分相对较低。

图4 基于IDW插值法海南省火龙果园土壤养分综合评分预测Fig.4 Prediction of comprehensive soil nutrient scores for pitaya orchards in Hainan province based on the IDW

3 讨 论

土壤适宜的酸碱度是作物高效吸收土壤养分的前提,不同作物对土壤pH的需求与敏感程度不同[17-19]。火龙果适宜生长的土壤pH范围为6.0～7.5[4],本次调查发现海南省火龙果园土壤pH均值为6.5,大部分在适宜火龙果生长的范围内。海南省南部沿海土壤多为砖红壤和燥红壤,呈酸性反应,吴小芳等[18]也验证了海南省果园土壤大多呈酸性或弱酸性,而本次调查结果表明海南省火龙果园土壤大多呈中性或弱酸性,原因可能是火龙果栽培中会施用谷壳灰,并施用钙镁磷肥作为基肥和追肥[20],谷壳灰[21]和钙镁磷肥[22]可以中和土壤酸从而提高土壤pH,土壤pH和土壤交换性钙呈显著正相关,与交换性镁呈极显著正相关也证实了这一点,这与文星等[23]和吕永华等[24]研究结果相一致。三亚和乐东小部分地区土壤pH偏低,乐东县与三亚市土壤交换性钙镁含量相对偏低,可以通过增施石灰或钙镁磷肥来补充土壤中量元素以及调节土壤酸碱度,保证火龙果适宜生长的土壤酸碱度环境。

本研究调查区火龙果园土壤有机质含量均值为19.25 g/kg,有53.33%的火龙果园土壤有机质含量小于20 g/kg,黄雁飞等[4]调查发现广西火龙果主产区土壤有机质均值高达26.1 g/kg,相比之下,海南省部分火龙果园土壤有机质偏低,需要重视有机肥的投入。有机质含量与土壤碱解氮、速效钾、交换性钙镁、有效铜锌都呈显著正相关,说明有机物料的投入可以增加这些养分的含量。火龙果园土壤有机质的主要来源为有机肥料的施入和行间间作植物与土壤动物残体的腐解,有机肥料的施入能带入中微量元素,增加土壤盐基离子的积累,王擎运等[25]和龙光强等[26]的研究也认为施入有机肥料能增加土壤中微量元素含量。本次调查中土壤有效磷和土壤有效铜、锌都普遍偏高,且土壤有效磷含量和土壤有效锌含量呈显著正相关,可能是因为土壤中的磷酸根离子可通过沉淀反应降低铜、锌在土层中的迁移行为,提高了其在土壤表层中的含量,尤其对锌的影响较为明显[25,27]。乐东县和三亚市大部分火龙果园土壤有机质含量较低,整个调查区的火龙果园土壤交换性钙镁和有效铜锌都处于较高水平,乐东县和三亚市果园中微量元素处于偏低水平,因此仍需注意中微量元素的补充。

土壤磷素过高会导致磷素向地表水体迁移导致水体富营养化,造成农业面源污染[28-30]。调查区83.33%的火龙果园土壤有效磷含量处于极高水平,均值为119.06 mg/kg,前人研究认为60 mg/kg为土壤有效磷的环境风险阈值[31-32],调查区火龙果园土壤有效磷含量远远超过该阈值。吴小芳等[18]调查也发现海南省果园土壤有效磷含量普遍偏高,可能原因为第二次土壤普查之前我国土壤有效磷含量偏低,随后农民为了增产,大量使用磷肥并且不按果树需求盲目投入养分比例固定的复合肥料,导致土壤磷素累积,海南省火龙果园应按照土壤有效磷的实际情况减少磷肥投入甚至不施磷肥。研究区火龙果园土壤碱解氮含量偏低,速效钾含量丰富,可能是由于火龙果为高钾作物[33],果农钾肥投入量大所致。向当地果农调查了解发现,火龙果园多施用等量氮磷钾或高钾的复合肥料,肥料养分比例过于单一且不符合火龙果的养分需求规律和当地土壤养分肥力情况。

根据因子分析所得的综合得分模型,以综合得分高低来评价火龙果园土壤肥力水平分高低,用IDW插值法对整个采样区火龙果园土壤肥力进行预测,结果表明,乐东县、三亚崖州区和三亚天涯区火龙果园土壤养分肥力水平较低,东方市火龙果园土壤处于中高肥力水平,陵水县、三亚海棠区和三亚吉阳区火龙果园土壤肥力综合得分较高,属于高肥力水平,此预测结果与各养分单独的预测结果相一致,说明用此方法来预测评价火龙果园综合养分空间分布是可行的。

4 结 论

海南省火龙果园主产区土壤东西部地区肥力高,中部地区土壤肥力较低。三亚市与乐东县小部分地区果园土壤pH偏酸,其有机质和交换性钙镁和有效铜锌处于较低水平,建议这部分地区火龙果园增施有机肥或用石灰来改良土壤pH,增加土壤中微量元素。果园整体上速效钾含量丰富,有效磷含量极高超过其环境风险阈值,碱解氮含量不足,建议果园增施氮肥,按果园实际情况减施或不施磷肥。