基于主成分和聚类分析的德宏橡胶林土壤肥力评价

陈玉芹 胡永亮 张丽萍 尹红星 黄家卫 李守岭

摘  要  基于德宏橡胶林的78份土壤样本数据，采用主成分分析法和聚类分析法对橡胶林土壤肥力进行综合评价。结果表明：德宏橡胶林土壤pH均值为4.83;土壤有机质、全钾、全氮和碱解氮养分较丰富，变异系数在16.53%～46.90%之间，呈中等变异性;但全磷和有效磷含量普遍低，处于缺磷状态。土壤肥力综合评价结果：橡胶林土壤IFI值范围10.81～25.29，均值为17.24，属于中等以上肥力的土壤占到83.34%。采样区域肥力水平从高到低依次为盈江农场>瑞丽农场>畹町农场>遮放农场。综上，德宏橡胶林土壤肥力总体水平处于良好，应重视测土配方施肥，重点增施磷肥。

关键词  德宏;橡胶;土壤肥力;主成分分析;聚类分析

中图分类号  S794.1; S158.2      文献标识码  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年開始种植橡胶树，是云南边境重要的天然橡胶种植地区之一，种植面积从2010年的1.6万hm2[1]下降到2018年的9840 hm2[2]。多年来，由于橡胶树经济寿命长，随着胶乳的流出，橡胶树均要从土壤中吸收大量的养分，而胶农对橡胶林地土壤的养分状况缺乏认识，对科学施肥的意识及其技术也不够，普遍存在重化肥轻有机肥，重氮肥轻磷肥、钾肥，以致施肥不足和管理不善，导致土壤肥力下降、橡胶产量和品质难以提升。

肥力是土壤的基本属性和本质特征，是衡量土壤能够提供作物生长所需的各种养分的能力，是土壤物理、化学和生物学性质的综合反应。而土壤养分是体现土壤肥力的重要部分，在生产上常用有机质、氮、磷、钾等养分含量来衡量土壤肥力的状况，土壤酸碱度是土壤肥力的重要指标之一，影响土壤肥力形成和质量的演变[3];有机质能增强土壤的系水系肥能力，促进根系对矿物质营养的吸收[4];碱解氮体现氮素的供应情况。以往土壤养分评价侧重定性评价和单因素评价，评价标准不一，存在人为的主观性;随着数值化评价方法的提出，模糊数学方法和多元统计分析方法等现代研究方法得到广泛应用，土壤养分评价逐渐侧重定量评价和多因素的综合评价[5]。近年来，植胶区土壤养分肥力的研究一直是橡胶研究的热点[6-9]，越来越多的学者应用指数和法、主成分分析法、聚类分析法和模糊综合评价法等进行土壤肥力综合评价。戴余波等[10]学者采用主成分分析法评价了热带作物耕地土壤养分肥力情况分为4个等级，提出了需要适当使用复合肥、有机肥来提高土壤的肥力水平;刘少春等[11]学者用主成分综合分析将土壤肥力划分为5个等级，评价出蔗田土壤肥力总体水平偏低;李世瑶等[12]研究表明主成分分析具有较好的代表性与客观性，可用于畦灌灌水质量的评价;安云娜等[13]采用主成分分析将土壤肥力分为5个等级，整体水平较差。本研究旨在了解德宏橡胶林地土壤养分状况并基于主成分和聚类分析对其作出评价，为德宏橡胶林地土壤的改良、培肥提供基础数据资料，对实现德宏橡胶林地土壤可持续利用具有重要意义。

1  材料与方法

1.1  研究区域概况

德宏州在云南省西部中缅边境，位于东经97°31′～98°43′、北纬23°50′～25°20′之间，年降雨量在1400～1700 mm，年平均气温在18.4～20.0 ℃，年日照2281～2453 h，年积温6400～7300 ℃，年陆地蒸发量在1400～1900 mm，干旱指数在0.4～1.2。属于南亚热带半湿润季风气候，地形呈山、丘、坝分布，土壤分为6个土类、11个亚类、19个土层、34个土种，1904年开始种植橡胶树，主要分布在芒市、瑞丽、盈江3个县（市）区，涉及5个国营农场和18个乡镇[14]，橡胶林土壤主要有黄壤、砖红壤、红壤3类。

1.2  方法

1.2.1  土壤样品采集  以德宏盈江农场、遮放农场、瑞丽农场、畹町农场4个农场为采样区域，采用GPS定位，在每个区域选取有代表性的橡胶林地采用混合采样法取20 cm以下耕层土壤样品，每块橡胶林地根据面积大小采5～8个点，混合成一个样，用“四分法”取约1 kg鲜样，经室内风干后剔除异物，过60目和100目尼龙筛，备用（土壤样品采集参照NY/T 1121.1-2006）。

1.2.2  分析项目与方法  土壤pH、有机质、全磷、全氮、碱解氮、有效磷的测定参照《土壤农业化学分析方法》[15]，全钾采用原子吸收分光光度法测定，测定时加入空白样品及标准土壤样品进行分析质量控制。

采用因子分析中提取主成分分析法（PCA）和系统聚类分析，对橡胶土壤养分进行综合评价。PCA法是利用降维的思想，把多指标转化为少数几个因子作分析的一种多元统计方法[5]。采用SPSS软件通过因子分析[16]确定參评土壤指标主成分特征值和特征向量，根据特征值>1选为关键主成分，计算各主成分得分，再利用综合得分公式求出各样点土壤养分综合分值（IFI）。再根据土壤养分综合分值，采用类平均法对土壤样品进行系统聚类分析[17]。

1.3  数据处理

采用SPSS 13.0统计软件对土壤养分进行描述性统计和K-S检验，检验土壤数据是否服从正态分布，对不服从正态分布的数据，剔除异常值数据，直至服从正态分布。

2  结果与分析

2.1  德宏橡胶园土壤指标描述性统计

德宏橡胶林地土壤统计分析结果显示（表1，图1），采样区域的样点土壤pH分布频数较集中介于4.4～5.0，平均pH为4.83呈酸性土壤，变异系数仅有6.32%，属于弱变异。由表1可知，表层土中有机质分布频数较散，主要含量集中在20～40 g/kg，平均含量为30.52 g/kg;全磷含量分布频数集中在0.40～0.60 g/kg，平均含量为    0.50 g/kg;全钾含量分布频数集中在10～25 g/kg，平均含量17.69 g/kg;全氮含量分布频数集中在0.8～1.8 g/kg，平均含量1.42 g/kg;碱解氮含量分布频数集中分布在120～170 mg/kg，平均含量145.27 mg/kg;通过土壤样品的变异系数可以得到，有机质、全磷、全钾、全氮和碱解氮等养分变异系数为16.53%～46.9%呈中等变异性，表明在采样区域内有一定差异，但变化不大。由图1可知，能被作物吸收的有效磷含量分布不集中，较散且平均含量为1.35 mg/kg，变异系数达到81.55%（表1），呈高变异性，说明不同土样中有效磷含量差异巨大，可能受人类活动和土壤酸碱性影响较大。另外，除碱解氮，其有机质、全氮、全钾、有效磷等6个土壤养分指标的中位数均低于其均值，从K-S检验和分布类型来看（表1，图1），有机质、全钾、全氮服从正态分布;全磷、碱解氮、有效磷和pH剔除异常值后服从正态分布，其中，全磷和碱解氮偏度为负值，呈左偏态分布，有机质、全钾、全氮、有效磷和pH偏度为正值，呈右偏态分布。

2.2  橡胶林土壤养分的分级比例

由表2可知，德宏橡胶林土壤中有机质、全钾、全氮、碱解氮等养分含量较高。约有69.3%的样点含有25 g/kg的有机质，仅有12.8%的样点有机质含量低;84.6%的样点全钾含量达到正常水平，52.5%样点全钾含量处于高水平;全氮有93.4%超过0.8 g/kg，仅有6.6%样点处于低水平;碱解氮有78.2%的样点超过120 mg/kg，呈丰富水平。说明采样区域样点土壤具有较好的保水保肥能力和相对较高的氮钾肥力。但全磷和有效磷含量普遍偏低，其中全磷低于0.6 g/kg的样点占总样本的71.4%，有效磷含量低于5 mg/kg的样点占总样本的100%，说明采样区域的橡胶林土壤中全磷和有效磷极度缺乏。另外，从pH来看，85.1%土样pH介于4.5～5.5，属于酸性土壤，有9.5%土样呈强酸性，5.4%土样呈弱酸性，根据pH变异系数较稳定来看（表1），德宏橡胶林采样区域主要呈酸性土壤。

2.3  土壤养分综合评价

2.3.1  指标间相关性检验、KMO和Bartlett球形度检验  因子分析的必要条件是各指标间存在相关性，而SPSS软件中的主成分分析是采用因子分析中的主成分提取，即需对各土壤养分指标进行相关性检验，将土壤全钾、有机质、碱解氮、有效磷、全磷、全氮等养分的原始数据采用描述性统计得到标准化数据，计算其相关系数，从相关系数矩阵（表3）可以看出，有机质、碱解氮、全氮等指标间存在不同程度的显著相关性，说明有部分信息重叠。经KMO和Bartlett球形度检验，KMO值为0.550，Bartlett球形度检验的相伴概率

P<0.05（显著水平）进一步说明本研究中土壤养分各指标间存在相关性。因此，本研究采用PCA分析法评价土壤肥力较合适。

2.3.2  土壤养分主成分分析  由表4中的共同度数据可以看出，主成分包含了各个原始变量至少65%以上的信息，其中全氮指标的信息量损失最大，有机质指标的信息量损失最少。根据提取特征值>1的为主成分，可提取3个主成分并分别解释了34.891%、19.248%、18.326%的方差，累积贡献率达到72.464%（表5），这表明3个主成分集中了原始土壤养分6个变量信息的72.464%。根据因子载荷系数与主成分系数之间的关系（）[18]，可看出土壤养分指标在主成分上的权重比例不同，主成分1主要受有机质、碱解氮、全氮的权重影响，主成分2主要反映全钾和有效磷的权重，主成分3主要体现全磷的权重影响（表6）。

根据主成分得分系数矩阵（表6）可得出主成分的综合得分线性表达式：

2.3.3  德宏橡胶林土壤养分综合评价  按综合评价模型计算出不同采样区域橡胶地土壤养分综合得分进行统计描述。从表7可知，德宏橡胶林土壤综合肥力总体得分范围10.81～25.29，平均分值17.24，变异系数为18.94。从各采样区域来看，盈江农场、畹町农场、瑞丽农场和遮放农场的橡胶林土壤综合肥力得分范围分别为11.51～25.29，14.73～18.59，10.81～22.13，11.85～ 22.06。从高到

低依次为盈江农场>瑞丽农场>畹町农场>遮放农场;另外，4个农场采样区域土壤肥力变异系数来看畹町农场处于低变异性，盈江农场、瑞丽农场、遮放农场3个农场处于中等变异范围，说明各个区域内部土壤肥力状况差异不尽相同。盈江农场土壤肥力水平处于中等水平以上，土壤营养状况较好;畹町农场和瑞丽农场土壤肥力处于中等水平;遮放农场土壤肥力主要处于缺乏到中等水平，需重点开展测土配方施肥。

采用类平均法[19]对土壤综合分值（IFI）进行系统聚类将78个样本分为3类，即第Ⅰ类IFI≥20.79，第Ⅱ类14.19≤IFI≤20.13，第Ⅲ类10.81≤ IFI≤13.68，分别代表土壤肥力高、中、低3个等级（表8）。德宏橡胶林土壤采样点有15.38%和67.95%的土壤肥力为Ⅰ和Ⅱ级，说明土壤养分总体水平良好，但有16.67%的土壤肥力处于低水平，肥力较差。从采样区域肥力土壤所占比例来看，盈江农场有55.88%土壤肥力为Ⅱ级水平，仅有14.71%土壤肥力为Ⅲ级水平;畹町农场整体土壤肥力为Ⅱ级水平;瑞丽农场85.71%土壤肥力为Ⅱ级水平;遮放农场土壤肥力主要为Ⅱ级和Ⅲ级水平。

3  讨论

土壤肥力对橡胶树养分吸收、生长代谢以及乳胶的形成等方面具有重要作用。从统计描述来看，土壤养分频数分布不均匀且具有不同程度的变异性，这可能是因为橡胶产量和品质下降，胶农没有见到实质性的经济效益，小部分橡胶林地长期处于无人管理状态，橡胶林杂草丛生，大部分橡胶林套种了咖啡、茶叶等经济作物得到较好的管理。本研究可看出，德宏橡胶林土壤pH频数分布集中在4.4～5.0，呈酸性土壤，少部分土壤呈强酸性和弱酸性，且变异性小，说明土壤的酸度受长期的耕作管理的影响不大;有机质、全磷、全钾、全氮和碱解氮等养分呈中等变异性与黎小清等[9]学者研究东风农场橡胶园土壤养分呈现的变异性有相似规律。土壤中有机质、全钾、全氮、碱解氮等养分含量较丰富，但此次研究土壤中全磷有71.4%的样点和有效磷全部样点含量极低，处于缺磷状态，验证了何鹏等[20]研究中提到的植胶区土壤普遍缺磷的观点。这可能与磷特有的化学性质，容易被土壤固定而降低有效性以及传统的施肥方式重氮肥轻磷肥钾的施肥习惯，造成土壤中有效磷含量大幅降低。另外，有效磷是反应土壤磷素供应水平的重要指标，橡胶林土壤中能被作物吸收的有效磷含量频数分布不集中，且呈高变异性，说明不同土样中有效磷含量差异巨大，低于橡胶林土壤养分正常5.0～8.0 mg/kg之间[1]，这可能是由于土壤的酸碱度能通过影响矿质盐分的溶解度影响养分的有效性，在土壤酸性条件下，铁、铝活性相对较高，容易与磷发生作用形成难以溶解的铁磷和铝磷，使土壤及人工施入的磷转化为固定态磷，这是有效磷含量较低且变异系数大的原因之一。

选取土壤全钾、有机质、碱解氮、有效磷、全磷、全氮等6个指标进行主成分分析并计算IFI进行系统聚类分析。结果显示，可提取3个主成分且集中体现72.464%原始信息，可见采用主成分分析效果是较好的。综合区域评价来看，橡胶林土壤综合肥力得分从高到低依次为盈江农场>瑞丽农场>畹町农场>遮放农场，其中，盈江农场橡胶林地得到较好的管理并充分利用林地空间与其他作物套种，土壤肥力状况处于中等偏丰富;其次是瑞丽农场和畹町农场土壤肥力状况处于中等水平，遮放农场土壤肥力状况中等水平和缺乏水平比例各占到46.15%，要加强水肥管理。通过本研究可以看出，土壤肥力水平分布不均匀，可能受各区域施肥管理以及农业活动等行为有关。土壤肥力受人为管理影响较大，肥力水平差的应加强科学施肥和测土配方施肥，改善土壤的肥力。

本研究利用主成分分析和聚类分析获得的土壤肥力综合评价可以较好地反映实际土壤质量，与张子龙等[21]研究主成分分析在三七连作土壤质量综合评价中的应用有相似的观点，但是否能推广应用于不同土壤类型还需进一步验证。因为土壤质量受到生态系统的类型、土壤的功能、土壤利用方式、不同作物等的影响。此外，采用主成分分析和聚类分析方法评价土壤肥力，选定指标是土壤肥力评价的核心，直接关系到评价结果的客观性，实际研究中部分指标获取难度较大，实用性差，影响了肥力评价结果在实际中的应用推广。本研究选取的6个评价指标较为有限，需进一步增加土壤质地、微生物、微量元素等指标，更加全面的探讨橡胶园土壤肥力情况。

4  结论

（1）德宏橡胶林土壤pH频数分布集中在4.4～5.0，呈酸性土壤，少部分土壤呈强酸性和弱酸性，且变异性小;有机质、全磷、全钾、全氮和碱解氮等养分变异系数在16.53%～46.90%之间，呈中等变异性;有效磷含量频数分布不集中，较散且平均含量为1.35 mg/kg，变异系数达到81.55%，呈高变异性。

（2）根据橡胶树健康生长所需土壤养分含量来看，目前德宏橡胶林的土壤除了全磷和有效磷处于低水平，其他养分均在正常范围及以上且具有较高的氮钾肥力。

（3）利用PCA分析法计算土壤养分综合分值（IFI），分值范围10.81～25.29，平均分值17.24，标准差3.27，变异系数为18.94，属于中等变异程度。綜合肥力得分从高到低依次为盈江农场>瑞丽农场>畹町农场>遮放农场。

（4）利用系统聚类分析法，德宏橡胶林土壤采样点有83.34%的土壤肥力介于Ⅰ级～Ⅱ级水平之间，说明土壤肥力总体水平良好。

参考文献

王应清， 李守岭， 张丽萍， 等. 云南德宏橡胶园土壤养分分析[J]. 湖南农业科学， 2015（11）： 55-59.

刘小琼， 李守岭， 张丽萍， 等. 胶园间种咖啡对土壤养分的影响[J]. 热带农业科学， 2018， 38（1）： 1-5.

焉  莉， 王  寅， 冯国忠， 等. 吉林省農田土壤肥力现状及变化特征[J]. 中国农业科学， 2015， 48（23）： 4800-4810.

张小琴， 陈  娟， 高秀兵， 等. 贵州重点茶区茶园土壤pH值和主要养分分析[J]. 西南农业学报， 2015（1）： 286-291.

吕苏丹， 汪光宇， 邬亚浪， 等. 东阳万亩园区土壤养分综合评价研究[J]. 浙江大学学报， 2002， 28（3）： 272-276.

杜中杰， 林  电， 许  杰， 等. 海南省橡胶园土壤养分状况研究[J]. 广东农业科学， 2011， 38（11）： 73-77.

丘秀灵， 刘正富， 阮云泽， 等. 海南橡胶土壤肥力评价及影响因素分析[J]. 广东农业科学， 2009， 38（9）： 81-85.

杨  熙， 林  电， 余  爱， 等. 海南省主要橡胶园土壤养分限制因子[J]. 热带作物学报， 2009， 30（12）： 1746-1751.

黎小清， 余凌翔， 李春丽， 等. 云南东风农场橡胶园土壤养分空间分布特征[J]. 西南农业学报， 2015， 28（1）： 292-307.

戴余波， 张丽萍， 李国明， 等. 热带作物耕地土壤养分分析及肥力评价[J]. 现代农业科技， 2017（18）： 155-157.

刘少春， 张跃彬， 郭家文， 等. 基于养分丰缺分级的蔗田土壤肥力主成分综合分析[J]. 西南农业学报， 2016， 29（3）： 611-617.

李世瑶， 蔡焕杰， 陈新明. 基于主成分分析的畦灌质量评价[J]. 农业工程学报， 2013， 29（24）： 86-93.

安云娜， 黄义雄， 官紫玲. 福建东山岛土壤养分综合评价[J]. 安徽农业科学， 2007， 35（13）： 3926-3927.

钏相仙， 白燕冰， 李金涛， 等. 云南德宏、临沧天然橡胶产业现状与发展意见[J]. 热带农业科技， 2015， 35（2）： 9-15.

鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京： 中国农业出版社， 2000.

黄  安， 杨联安， 杜  挺， 等. 基于主成分分析的土壤养分综合评价[J]. 干旱区研究， 2014， 31（5）： 819-825.

赵华富， 周国兰， 刘晓霞， 等. 贵州茶区土壤养分状况综合评价[J]. 中国土壤与肥料， 2012（3）： 30-34.

李小胜， 陈珍珍. 如何正确应用spss软件做主成分分析[J]. 统计研究， 2010， 27（8）： 105-108.

宋勤飞， 牛素贞， 陈正武， 等. 基于主成分分析的花溪古茶树立地土壤养分评价[J]. 浙江农业学报， 2017， 29（11）： 1844-1853.

何  鹏， 吴  敏， 韦家少， 等. 不同磷水平对橡胶树磷吸收利用特性的影响[J]. 中国农学通报， 2011， 27（19）： 14-18.

张子龙， 王文全， 廖作清， 等. 主成分分析在三七连作土壤质量综合评价中的应用[J]. 生态学杂志， 2013， 32（6）： 1636-1644.