基于主成分分析的橡胶种植适宜性评价

苏文地　张培松　罗微

摘 要 选取土壤及气候资源，根据前人的研究成果及专家经验选择确定评价因子，运用模糊数学方法来量化评价因子，采用主成分分析方法对海南省儋州市的橡胶种植适宜性进行评价。结果表明：儋州市最适宜橡胶种植的面积为43 029.58 hm2，占农用地面积的14.99%；适宜面积为57 770.90 hm2，占20.12%，次适宜面积为40 934.9 hm2，占14.26%。该评价结果可以从宏观上实现儋州市的橡胶收益最大化以及为橡胶种植的区划提供决策参考。

关键词 橡胶树 ；适宜性 ；种植 ；主成分分析

分类号 S794.1

Abstract This paper selects the soil and climate resources， according to the previous research results and the expertise to determine the evaluation factor. Use the fuzzy mathematical method to quantify the evaluation factors， and then evaluated the planting suitability of rubber in Danzhou City by the method of principal component analysis. The results showed that the most suitable area for rubber planting is 43 029.58 ha， accounting for 14.99 % of the total agricultural land in Danzhou City； the suitable area for planting is 57 770.90 ha， accounting for 20.12 %； the less suitable area for planting is 40 934.9 ha， accounting for 14.26 %. The evaluation results not only bring the maximum benefit of the rubber at the macro， but also provide a reference for the zoning of the rubber plantations in Danzhou City.

Keywords rubber tree ； suitability ； planting ； principal component analysis

橡胶是关乎国计民生和国防安全的重要战略物资，是四大工业原料中唯一可再生的资源[1]。海南省是我国最大的天然橡胶生产基地，橡胶产业不仅是海南农民的重要经济来源，也是海南省的基础产业、支柱产业和优势产业[2]。随着我国人民的生活水平日益提高以及经济全球化和区域经济一体化，人们对天然橡胶的需求随之增加。面临国际市场的竞争，如何在有限的土地上将橡胶的效益最大化，且最大限度地保护土壤资源、挖掘农业资源的潜力，已成为橡胶生产管理部门迫切需要解决的问题[3]。虽然近年来海南橡胶种植的发展势头良好，但是在橡胶种植生产中还存在着一些问题：有些农户仍然过着靠天吃饭的日子或者凭着经验从事橡胶生产，有些农户由于文化素质较低而大量的施肥以片面地追求产量。这些生产模式并非是最好的，还忽略了生态效益；再有儋州市的橡胶实际种植面积及产量位居海南省（农垦除外）第一，但是平均产量却位居全省第六[4]。为了实现橡胶产量的提高，且在不增加种植面积的情况下，增加橡胶的总产量，这就要求逐步提高橡胶的单产。因此，因地制宜地种植橡胶已成为海南橡胶种植管理的热点。

鉴于上述原因，本研究针对海南省儋州市的橡胶种植进行了适宜性分析评价，以提高橡胶的单产，实现橡胶生产的经济效益最大化，增加农民的收入。通过橡胶种植的适宜性评价为橡胶种植区划作出理论依据，为农业管理者提供科学准确的区划参考。

1 材料与方法

1.1 材料

儋州市位于海南岛的西北部，是海南省土地面积最大、人口最多的市（县级市），它濒临北部湾，地处东经108°56′～109°46′，北纬19°11′～19°52′，是海南西部的经济、交通、通信和文化中心。儋州市陆地面积3 265 km2，人口106.86万（2010年底）[4]。由于地处东亚大陆季风气候的南缘，属热带季风气候。年平均气温23.3℃，年平均日照时数在2 000 h以上，西部沿海日照达2 500 h左右；降雨量充沛：全市各地降雨量为900～2 500 mm/a，平均降雨量为1 800 mm/a；全市全年雨量分布不均，冬春季节雨量稀少，夏秋季节雨量充沛。全市地表年径流量达到189亿m3。全市全年水热资源丰富，适宜多种农作物生长繁殖。2010年全市热带作物面积46 646 hm2，其中橡胶种植面积45 605.07 hm2[4]。

空间数据：1∶50 000儋州市行政区界图、土壤类型图、土地利用现状图、数字高程模型等；

文本数据：儋州市气象统计数据、儋州市“测土配方施肥”项目的采样调查分析结果，包括采样点坐标、基本情况、土壤农化分析数据，以及儋州市其他相关资料与数据。

1.2 数据处理方法

数据处理软件：SPSS 统计分析软件、GIS 地理信息系统软件。

2 结果与分析

2.1 基于主成分方法的橡胶种植适宜性评价

2.1.1 评价单元的划分

评价单元是橡胶种植适宜性评价的最基本单元，本研究的评价单元划分采用土壤图、土地利用现状图、行政区划图叠置构成。相同的土壤类型、土地利用现状及行政区划组成一个评价单元，以便于评价结果的应用。其中土壤类型划分到土属，土地利用现状提取农用地，行政区划划分到行政村。通过叠加分析处理后得到儋州市的11 761个评价单元。endprint

2.1.2 评价指标的选取及量化

参评的指标主要分为两类：一类是连续型指标（即定量化的指标），包括土壤养分值、土层厚度、容重、风速、降雨量等；一类是离散型指标（即定性、概念型指标），包括质地，成土母质、剖面构型等。由于参评指标不能够简洁地表明该因素对橡胶适宜性影响的大小，所以本研究采用“隶属度”来界定[5]。

2.1.2.1 隶属函数

由于参评的指标是渐变的，固本文采用模糊数学的方法来建立隶属函数。根据前人的研究经验和数学原理来建立函数，为了避免计算时零值过多，隶属函数定为0.1～1.0，最大值1.0表示该指标完全适合作物生长，最低值0.1表示该指标不利于作物生长。建立相应的函数模型[6-8]：

2.1.2.2 指标的选择以及指标临界值的确定

根据橡胶正常生长对环境条件的相关研究，结合专家经验法和理论分析，确定各评价因子的隶属函数的临界值和阈值及散点型函数的隶属度[9-13]。如表1。

2.1.3 评价因子属性数据库建立

利用儋州市各气象站点的空间位置（纬度、经度）及其观测的数据，建立风速、年降水量数据库。采用反距离权重插值模型对气候要素数据进行模拟空间处理，建立风速、年降水量等栅格空间数据库。利用儋州市DEM模型，借助GIS 相关模块自动生成坡度、坡向、海拔高度等地形因子栅格空间及其属性数据库。利用土壤普查、测土配方施肥调查样点的资料和DEM模型，建立调查样点及其相关属性数据库。采用克里格插值法生成儋州市土壤耕层有机质、有效磷、速效钾等栅格数据库；利用ArcGIS进行区域统计，作为评价单元相关因子的属性数据。

2.1.4 主成分分析的计算步骤

（1）各量化指标数据标准化

将采集p维随机向量x=（x1，x2，...，xp）T）n个样品

xi=（xi1，xi2，...，xipT ，i=1，2，…，n，n>p，构造成样本阵，接着对样本阵元进行标准化转换；如下：zij=，i=1，2，…，n；j=1，2，…，p；其中=≥， 得到标准化阵Z。

（2）按照公式R=|Tij|pxp=；其中，rij=，i，j=1，2，…，p；求标准化阵Z的相关系数，并构造相关系数矩阵R。

（3）计算出样本的相关系数矩阵R的特征方程|R-λIp|=0得m个特征根，确定主成分的个数。按≥0.85确定所需的m值，使信息的利用率达85%以上，对每个λj，j=1，2，...，m，解方程组Rb=λjb得单位特征向量b0j。

（4）根据Uij=ZTiB0j，j=1，2，...，m；其中：U1为第一主成分；U2为第二主成分；…，Up为第p主成分。计算各个主成分的得分。

（5）对求得的m个主成分分别进行评价，得到m个主成分的评价分值。再将每个主成分的评价分值与每个主成分的方差贡献率（即权重）相乘累加，计算评价的综合得分。

2.1.5 评价结果

根据指标的临界值和阈值及散点型函数的隶属度，将指标全部通过隶属函数量化于同一水平上。然后利用数据分析软件SPSS16.0和Excel完成主成分分析的相关计算。得到橡胶主成分分析对应的特征根、贡献率及其累计方差贡献率（表2）。

从表2可以看出，当m=8时，累计方差贡献率85.207%>85%，因此可以利用前8个主成分代替原变量进行分析[14]。从表2可知，橡胶的8个主成分与全部的14个指标的线性关系公式为：

根据评价函数模型，将评价单元数据代入上述公式中，计算每个评价单元的综合F值。将所有评价单元的综合得分F作累积频率曲线，并把频率曲线的拐点作为相邻等级的临界值[15]。以最适宜、适宜、次适宜和不适宜对橡胶适宜性综合指数进行归类，从而对适宜性进行定性评价。橡胶的适宜性划分标准见表3。

在橡胶种植适宜性综合指数划分基础上，遵循种植区集中连片且顾及行政区划界线等原则，结合海南限制橡胶生长的自然环境条件：高程高于300 m，风速高于3 m/s[10]等。将评价单元进行适宜性定性评价，并在GIS中，将评价单元图与定性评价结果相衔接，最后得到儋州市橡胶适宜性面积统计表（表4）及适应性评价结果图（图1、2）。

2.1.6 结果分析

从图1可以看出，儋州市中部区域橡胶种植适宜性较高，从中间往东南、西北两边呈适宜递减趋势。橡胶种植适宜区域主要集中在那大镇附近，不适宜区主要集中在沿海及松涛水库附近。

结合表4和图1，可以清楚的看到儋州市橡胶种植的适宜区域：

（1）最适宜区域。橡胶种植最适宜区域的面积为43 029.58 hm2，占农用地面积的14.99%。此类区域分布较为集中，主要分布在大成、和庆、那大、南丰四镇以及八一、兰洋、西联、西流、西培、西庆等农场。此区域农用地的主要特点是地势平坦、土层较厚、风速较小、降雨量充足、土壤酸碱度适宜且养分充足。对于此类农用地，应当切实加强保护，尽量避免建设用地等占用此类耕地，同时注意做好养地，合理调整化肥施用量和投入比，防止土壤酸化和盐渍化。

（2）适宜区域。橡胶种植适宜区域的面积为57 770.9 hm2，占农用地面积的20.13%。此类耕地主要分布在大成、和庆、那大、雅星等乡镇以及西华、西联、西流、西培、西庆、新盈等农场。此类农用地环境与最适宜区域农用地相差不大，影响橡胶种植的不利因素主要是水和养分，尤其是有机质和全氮等养分的含量不高，处于中等或中等偏下水平。由于适宜种植面积较最适宜面积广，因此加强此类耕地的管理和保护是儋州市实现橡胶高产、稳产的保证。针对适宜耕地养分特别是有效磷含量低的特点，可因时适量增加磷肥用量，合理调配复合肥比例，以提高土壤有效磷含量，改善土壤养分结构，达到以磷增氮的效果，消除农业生产中的不利因素。endprint

（3）次适宜区域。次适宜种植橡胶的面积为40 934.9 hm2，占14.26%；该类农用地集中分布在雅星、王五、东城、光村、峨蔓、木棠等乡镇以及红岭、西华、西联、新盈等农场。其影响橡胶种植的不利因素主要是降水量较小、风速较大、土壤养分含量不高，虽然其地势较低，但最重要的是此类土壤有机质和全氮等养分含量低，难以维持橡胶正常生长的生理需要。对于此类区域可以选择抗风性较强的橡胶品种种植，并且加强农田水利设施的建设，调节水分状况，增施有机肥等，使之满足橡胶生长需要。

（4）不适宜区域。不适宜种植橡胶的面积为145 317.6 hm2，占农用地面积的50.62%。该类农用地面积较大，主要分布在沿海以及松涛水库一带。沿海地区由于降雨量较小、风速较大等气候条件以及养分含量低等条件限制而无法种植；在松涛水库虽然土壤养分充足，但由于其地势较高、坡度较大等条件限制橡胶的种植，且缺少管理，这些都使得松涛水库附近的大片区域不适宜种植橡胶。

（5）由于八一农场在儋州市橡胶生产中占有较大比重，且农场在规划、管理上较为精细，因此以八一农场来检验橡胶适宜性评价结果。根据资料数据[4]计算得到儋州市的橡胶单产为2.5 kg/年·株。结合八一农场的实际情况，将八一农场的橡胶产量进行分等定级，将干胶大于3.0 kg/年·株的地块确定为最适宜种植，适宜种植为2.5～3.0 kg/年·株，次宜种植为2.0～2.5 kg/年·株，小于2.0 kg/年·株的为不适宜种植。将确定好的橡胶产量水平和评价结果进行对应性比较，得到图2。

（6）从图2中不难看出，对应“相同”的区域（17 855.8 hm2）明显多于“不相同”区域（2 454.9 hm2），“相同”区域占验证区域的87.9%。对应性结果表明：图1的评价结果对于八一农场橡胶的种植具有较高的适用性。

3 讨论与结论

（1）种植适宜性评价涉及土地众多性状，即使所选的因子相同，采用不同的评价方法，其评价结果也有所不同。本研究从儋州市出发，以村一级为研究尺度，采用模糊数学的方法，根据橡胶树正常生长对环境条件的相关研究来确定各评价因子的隶属函数的临界值和阈值及散点型函数的隶属度。并运用主成分分析法，对橡胶种植适宜性进行综合评价，并制作了适宜性种植图。通过适宜性评价，因地制宜的发展橡胶树种植产业，从而提高橡胶的产出率，进而创造出最大的经济、生态和社会效益。

此方法在实际应用中仍有一些问题需要注意。首先，数据资料的获取是本方法应用的制约因素，一些重要的评价因子数据将在很大程度上影响评价结果的科学性；其次，评价因子的确定具有一定的局限性，因为评价因子及隶属函数是根据数据资料以及专家意见加以平衡得出的，受影响较大。另外， 在评价过程中获得的基础数据越多、真实性越高， 所得出的评价单元将越零碎。出于评价目的的考虑， 为了更好地为农业管理部门提供决策参考，对于种植适宜性评价结果， 在评价单元（地块）上，还有待进一步的研究。

（2）在今后的研究中，建立、完善一套科学、可行的适宜性评价方法仍有很多工作需要去做。同时，还应加强人员的管理以及肥料的合理使用，以确保橡胶稳产、高产。

参考文献

[1] 许海平，傅国华. 我国天然橡胶产业发展趋势[J]. 中国热带农业，2007，（2）：15-16.

[2] 许道顺，许升锋. 经济一体化背景下海南省橡胶产业的发展战略[J]. 海南金融，2006，（9）：25-28.

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[15] 韩永学. 特尔斐法与“拿来主义”[J]. 哈尔滨师专学报，2000（2）：67-68.endprint

（3）次适宜区域。次适宜种植橡胶的面积为40 934.9 hm2，占14.26%；该类农用地集中分布在雅星、王五、东城、光村、峨蔓、木棠等乡镇以及红岭、西华、西联、新盈等农场。其影响橡胶种植的不利因素主要是降水量较小、风速较大、土壤养分含量不高，虽然其地势较低，但最重要的是此类土壤有机质和全氮等养分含量低，难以维持橡胶正常生长的生理需要。对于此类区域可以选择抗风性较强的橡胶品种种植，并且加强农田水利设施的建设，调节水分状况，增施有机肥等，使之满足橡胶生长需要。

（4）不适宜区域。不适宜种植橡胶的面积为145 317.6 hm2，占农用地面积的50.62%。该类农用地面积较大，主要分布在沿海以及松涛水库一带。沿海地区由于降雨量较小、风速较大等气候条件以及养分含量低等条件限制而无法种植；在松涛水库虽然土壤养分充足，但由于其地势较高、坡度较大等条件限制橡胶的种植，且缺少管理，这些都使得松涛水库附近的大片区域不适宜种植橡胶。

（5）由于八一农场在儋州市橡胶生产中占有较大比重，且农场在规划、管理上较为精细，因此以八一农场来检验橡胶适宜性评价结果。根据资料数据[4]计算得到儋州市的橡胶单产为2.5 kg/年·株。结合八一农场的实际情况，将八一农场的橡胶产量进行分等定级，将干胶大于3.0 kg/年·株的地块确定为最适宜种植，适宜种植为2.5～3.0 kg/年·株，次宜种植为2.0～2.5 kg/年·株，小于2.0 kg/年·株的为不适宜种植。将确定好的橡胶产量水平和评价结果进行对应性比较，得到图2。

（6）从图2中不难看出，对应“相同”的区域（17 855.8 hm2）明显多于“不相同”区域（2 454.9 hm2），“相同”区域占验证区域的87.9%。对应性结果表明：图1的评价结果对于八一农场橡胶的种植具有较高的适用性。

3 讨论与结论

（1）种植适宜性评价涉及土地众多性状，即使所选的因子相同，采用不同的评价方法，其评价结果也有所不同。本研究从儋州市出发，以村一级为研究尺度，采用模糊数学的方法，根据橡胶树正常生长对环境条件的相关研究来确定各评价因子的隶属函数的临界值和阈值及散点型函数的隶属度。并运用主成分分析法，对橡胶种植适宜性进行综合评价，并制作了适宜性种植图。通过适宜性评价，因地制宜的发展橡胶树种植产业，从而提高橡胶的产出率，进而创造出最大的经济、生态和社会效益。

此方法在实际应用中仍有一些问题需要注意。首先，数据资料的获取是本方法应用的制约因素，一些重要的评价因子数据将在很大程度上影响评价结果的科学性；其次，评价因子的确定具有一定的局限性，因为评价因子及隶属函数是根据数据资料以及专家意见加以平衡得出的，受影响较大。另外， 在评价过程中获得的基础数据越多、真实性越高， 所得出的评价单元将越零碎。出于评价目的的考虑， 为了更好地为农业管理部门提供决策参考，对于种植适宜性评价结果， 在评价单元（地块）上，还有待进一步的研究。

（2）在今后的研究中，建立、完善一套科学、可行的适宜性评价方法仍有很多工作需要去做。同时，还应加强人员的管理以及肥料的合理使用，以确保橡胶稳产、高产。

参考文献

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[15] 韩永学. 特尔斐法与“拿来主义”[J]. 哈尔滨师专学报，2000（2）：67-68.endprint

（3）次适宜区域。次适宜种植橡胶的面积为40 934.9 hm2，占14.26%；该类农用地集中分布在雅星、王五、东城、光村、峨蔓、木棠等乡镇以及红岭、西华、西联、新盈等农场。其影响橡胶种植的不利因素主要是降水量较小、风速较大、土壤养分含量不高，虽然其地势较低，但最重要的是此类土壤有机质和全氮等养分含量低，难以维持橡胶正常生长的生理需要。对于此类区域可以选择抗风性较强的橡胶品种种植，并且加强农田水利设施的建设，调节水分状况，增施有机肥等，使之满足橡胶生长需要。

（4）不适宜区域。不适宜种植橡胶的面积为145 317.6 hm2，占农用地面积的50.62%。该类农用地面积较大，主要分布在沿海以及松涛水库一带。沿海地区由于降雨量较小、风速较大等气候条件以及养分含量低等条件限制而无法种植；在松涛水库虽然土壤养分充足，但由于其地势较高、坡度较大等条件限制橡胶的种植，且缺少管理，这些都使得松涛水库附近的大片区域不适宜种植橡胶。

（5）由于八一农场在儋州市橡胶生产中占有较大比重，且农场在规划、管理上较为精细，因此以八一农场来检验橡胶适宜性评价结果。根据资料数据[4]计算得到儋州市的橡胶单产为2.5 kg/年·株。结合八一农场的实际情况，将八一农场的橡胶产量进行分等定级，将干胶大于3.0 kg/年·株的地块确定为最适宜种植，适宜种植为2.5～3.0 kg/年·株，次宜种植为2.0～2.5 kg/年·株，小于2.0 kg/年·株的为不适宜种植。将确定好的橡胶产量水平和评价结果进行对应性比较，得到图2。

（6）从图2中不难看出，对应“相同”的区域（17 855.8 hm2）明显多于“不相同”区域（2 454.9 hm2），“相同”区域占验证区域的87.9%。对应性结果表明：图1的评价结果对于八一农场橡胶的种植具有较高的适用性。

3 讨论与结论

（1）种植适宜性评价涉及土地众多性状，即使所选的因子相同，采用不同的评价方法，其评价结果也有所不同。本研究从儋州市出发，以村一级为研究尺度，采用模糊数学的方法，根据橡胶树正常生长对环境条件的相关研究来确定各评价因子的隶属函数的临界值和阈值及散点型函数的隶属度。并运用主成分分析法，对橡胶种植适宜性进行综合评价，并制作了适宜性种植图。通过适宜性评价，因地制宜的发展橡胶树种植产业，从而提高橡胶的产出率，进而创造出最大的经济、生态和社会效益。

此方法在实际应用中仍有一些问题需要注意。首先，数据资料的获取是本方法应用的制约因素，一些重要的评价因子数据将在很大程度上影响评价结果的科学性；其次，评价因子的确定具有一定的局限性，因为评价因子及隶属函数是根据数据资料以及专家意见加以平衡得出的，受影响较大。另外， 在评价过程中获得的基础数据越多、真实性越高， 所得出的评价单元将越零碎。出于评价目的的考虑， 为了更好地为农业管理部门提供决策参考，对于种植适宜性评价结果， 在评价单元（地块）上，还有待进一步的研究。

（2）在今后的研究中，建立、完善一套科学、可行的适宜性评价方法仍有很多工作需要去做。同时，还应加强人员的管理以及肥料的合理使用，以确保橡胶稳产、高产。

参考文献

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