唐賢慧，郭澎濤，羅 微，茶正早，楊紅竹，貝美容，劉銳金，何長輝

（1. 海南大學 熱帶作物學院，海口 570228; 2. 中國熱帶農業(yè)科學院橡膠研究所，?？?571101）

天然橡膠是重要的工業(yè)原料，也是十分重要的戰(zhàn)略物資，特別在航空航天和軍工業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。天然橡膠主要來源于橡膠樹，而橡膠樹是典型的資源約束性樹種，對生長環(huán)境具有很高的要求，在我國主要分布于水熱資源較好的海南、云南和廣東[1-2]。海南島是我國橡膠樹的主要種植區(qū)，種植面積占全國種植面積的一半。海南島雖地處熱帶，但橡膠樹種植區(qū)仍然位于北緯18o以北，屬于非典型植膠區(qū)，即植膠區(qū)環(huán)境并不非常適宜橡膠樹的生長，為此人為管理措施在保證天然橡膠穩(wěn)產和高產方面發(fā)揮著極為重要的作用。為保障人為管理措施的合理實施首先必需掌握橡膠園的土壤肥力狀況。我國自從20世紀50年代初期開始大規(guī)模植膠。為促進我國天然橡膠事業(yè)的發(fā)展，從開始植膠至20世紀90年代，研究人員[3-4]陸續(xù)開展了一些土壤肥力評估工作。進入21世紀，自2006年開始至2012年結束，海南農墾依托“農業(yè)部測土配方施肥補貼項目”以及“海南墾區(qū)膠園土壤地力提升技術研發(fā)與示范推廣”項目開展了橡膠園地力評價工作，期間一些學者進行了橡膠園土壤肥力評估的研究[5-7]。如吳敏等[5]以土壤pH、有機質、大量元素、微量元素和土壤酶為評價指標，采用模糊數學方法對海南島土壤肥力進行了評價，發(fā)現海南島橡膠園土壤肥力綜合質量指數介于0.30～0.66之間，土壤肥力屬于中等偏下水平。唐群鋒等[7]進一步以更加全面的評價指標體系（理化性狀、立地條件、剖面性狀、養(yǎng)分狀況）結合特爾斐法、模糊數學理論和層次分析法對海南農墾花崗巖類多雨區(qū)的橡膠園土壤肥力進行了評價，發(fā)現土壤有機質和有效磷含量已不能滿足研究區(qū)橡膠樹正常生長的需要。雖然前人已經在海南島開展了一些較為完善的橡膠園土壤肥力評價研究，但這些研究至少是7年前開展的[8-9]，他們的評價結果只能反映當時的土壤肥力狀況[10-11]；而且當時的土壤化學肥力隨時間推移，受到了施肥以及其他人為管理因素的影響，已發(fā)生較明顯的變化，當年的土壤化學肥力與橡膠樹當年的生長和產膠關系極為密切[12]。定期對橡膠園的土壤化學肥力進行評價，可為橡膠樹的合理施肥和科學管理提供可靠依據。主成分分析是一種對數據進行降維的多變量統(tǒng)計方法[13-14]。它利用正交變換方法將一組存在相關性的多個變量轉化為少數幾個可以反映原始全部變量絕大部分信息的綜合變量（主成分），這些轉換后的綜合變量之間互不相關，但能夠反映全部指標綜合信息的綜合指標，使分析結果更加簡明清晰且有說服力[15-16]。因此，本研究利用主成分分析方法結合化學肥力指標對海南島橡膠園進行肥力評價。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況海南橡膠主產區(qū)主要有7個市縣(澄邁縣、臨高縣、儋州市、屯昌縣、瓊海市、瓊中縣和白沙縣),各市縣年平均氣溫、年平均降水量、成土母質及土壤類型等基本情況見表1。

表1 研究區(qū)海南各市縣基本情況

1.2 樣品采集及化學分析從每個市縣中挑選1～3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)采集土壤樣品（表2），每個鎮(zhèn)選取10～12個膠園，每個膠園按照“S”形選取8個采樣點，采集0～20 cm土層的土壤混合為1個土壤樣品，共采集144個土壤樣品。

表2 土壤樣品分布信息

土壤樣品采集完畢后送至實驗室內自然風干，研磨過篩（孔徑1 mm）。土壤pH采用電位法測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法－外加熱法測定；土壤全氮采用半微量凱氏定氮儀蒸餾法測定；土壤速效磷采用HCL-NH4F浸提鉬藍比色法測定；土壤速效鉀采用醋酸銨浸提火焰光度計法測定[17]。

1.3 方法主成分分析評價方法對海南省主要植膠區(qū)的土壤肥力的主要評價[18-19]過程為：（1）土壤肥力評價指標的確定；（2）土壤化學肥力評價指標的標準化和協(xié)方差矩陣的建立；（3）特征值、主成分貢獻率和累計貢獻率的計算以及主成分個數的確定；（4）因子載荷矩陣的建立和主成分得分系數的計算；（5）綜合得分的計算和評價等級的確定[20]。

1.3.1 土壤肥力評價指標的確定本研究選擇土壤pH、有機質全氮、速效磷和速效鉀為評價指標（表3）。

表3 橡膠園土壤相關性分析

1.3.2 土壤化學肥力評價指標的標準化和協(xié)方差矩陣的建立為了消除各項指標之間在量綱化和數量級上的差別，對指標數據進行標準化，標準化公式為：

式中，xi為原始數值，為原始值的平均值，s為原始變量的標準偏差。根據標準化數據矩陣建立協(xié)方差矩陣R（Rij=Rji），其可反映標準化變量之間相關關系密切程度，R值越大，說明變量之間相關性越強，其中，Rij（i,j=1, 2, ···,p）是原始變量Xi與Xj的相關系數。

1.3.3 特征值、主成分貢獻率和累計貢獻率的計算以及主成分個數的確定利用SAS軟件計算協(xié)方差矩陣R的特征向量（表4）和特征值（表5），然后根據特征值計算每個主成分的貢獻率以及累計貢獻率。根據累積貢獻率大于85%的原則[21]，提取4個前成分。其中，第一主成分貢獻率為40.11%；第二主成分貢獻率為21.44%；第三主成分貢獻率為19.71%；第四主成分貢獻率為16.88%；這4個主成分可以集中原始變量的98.14%。

表4 特征向量

表5 各主成分的方差貢獻率

1.3.4 因子載荷矩陣的建立和主成分得分系數的計算因子載荷是主成分Zi與原始指標Xi的相關系數R（Zi，Xi），揭示了主成分與各土壤養(yǎng)分指標之間的相關程度。由因子載荷矩陣（表6）可知，第一主成分主要由土壤有機質、全氮影響；第二主成分主要由速效磷和速效鉀影響；第三和第四主成分都主要由pH影響。因子載荷矩陣并不是主成分得分系數，主成分得分系數是各自因子載荷向量除以各自因子特征值的算數平方根[22]，即:

表6 因子載荷與主成分得分系數矩陣

式中，Ri為因子載荷， λi為對應特征根。主成分得分系數見表5。

1.3.5 綜合得分的計算和評價等級的確定根據主成分得分系數矩陣（表6），可得出每個主成分綜合得分線性表達式：

式中，X1～X5分別代表標準化的土壤pH、有機質、全氮含量、速效磷含量、速效鉀含量。

根據主成分貢獻率，海南省橡膠園土樣的綜合評價模型為IFI=0.399 1F1+0.214 7F2+0.197 2F3+0.168 5F4。IFI值越高，說明土壤肥力高，反之，則表示土壤肥力低。依據綜合指數，采用ward聚類法對海南橡膠園土壤肥力進行等級劃分。

2 結果與分析

2.1 橡膠園土壤化學肥力評價結果采用ward聚類法可將海南島橡膠園土壤化學肥力劃分為高（Ⅰ類）、中（Ⅱ類）、低（Ⅲ類）3個等級。第Ⅰ類土壤樣本數為37個，占全部樣本的25.69%，IFI變化范圍為3.29～16.79；第Ⅱ類土壤樣本數有51個，占全部樣本的35.42%，IFI變化范圍為-1.8～2.74；第Ⅲ類土壤樣本數為56個，占全部樣本的38.89%，IFI變化范圍為-9.08～-2.0。

對不同肥力等級的土壤肥力指標進行多重比較（表7），可見第Ⅰ類土壤pH顯著（P＜ 0.05）高于第Ⅱ類和第Ⅲ類；第Ⅰ類土壤有機質含量最高，均值為20.6 g·kg-1，且與第Ⅱ類、第Ⅲ類土壤有機質存在顯著差異（P＜ 0.05），第Ⅱ類土壤有機質與第Ⅲ類土壤有機質也存在顯著差異（P＜ 0.05）；土壤全氮、速效磷、速效鉀含量由大到小均依次為：Ⅰ ＞ Ⅱ ＞ Ⅲ。其中，第Ⅰ類與第Ⅱ類均有顯著差異（P＜ 0.05），第Ⅱ類與第Ⅲ類也存在顯著差異（P＜0.05），速效磷除外。

表7 海南省橡膠園不同肥力等級土壤養(yǎng)分指標

海南省橡膠園土壤養(yǎng)分指標與橡膠樹適宜種植土壤養(yǎng)分范圍（pH 4.5～5.5、有機質20～25 g·kg-1、全氮0.8～1.4 g·kg-1、速效磷5～8 mg·kg-1、速效鉀40～60 mg·kg-1）相比[1]，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類土壤pH均在適宜種植范圍內；就土壤有機質而言，只有第Ⅰ類土壤達到適宜種植范圍，第Ⅱ類、第Ⅲ類均小于20 g·kg-1的適宜標準（20 g·kg-1）；土壤全氮含量與土壤有機質相似，也只有第Ⅰ類于適宜范圍，而第Ⅱ類、第Ⅲ類均低于閾值標準（0.8 g·kg-1）；第Ⅰ類、第Ⅱ類土壤速效磷含量高于適宜上限（8 mg·kg-1），含量比較豐富，第Ⅲ類土壤速效磷含量為6.54 mg·kg-1，處于正常范圍（5～8 mg·kg-1）；第Ⅰ類土壤速效鉀含量為55.61 mg·kg-1，處于40～60 mg·kg-1的正常值(40～60 mg·kg-1)范圍內，第Ⅱ類土壤速效鉀含量為45.62 mg·kg-1，雖然也處于適宜值范圍之內，但已經比較接近該范圍的下限值，3類土壤對比說明第Ⅱ類土壤速效鉀含量有逐漸缺乏的趨勢，而第Ⅲ類土壤的速效鉀含量為31.6 mg·kg-1，低于適宜種植范圍。由上述分析結果可以看出，有機質和全氮是海南島橡膠園土壤化學肥力的主要限制因子，其次是速效鉀。這和主成分分析的結果也是相一致的，即影響第一主成分的主要是有機質和全氮，而影響第二主成分的是速效鉀和速效磷。

本研究采集的土壤樣品中有82.64%的樣點土壤有機質含量低于20 g·kg-1，說明海南省主要植膠區(qū)縣土壤有機質很缺乏，其主要原因可能是有機肥投入量少。施肥情況調查表明，受訪農戶中施有機肥的用戶不足10%，而且施有機肥的方式多數是將雜草或枯枝落葉堆填在施肥穴中，該方式投入的有機質含量較低。土壤全氮與有機質呈極顯著正相關（P＜ 0.01），相關系數為0.897。因此，土壤有機質含量偏低是造成全氮含量缺乏的原因之一。李彭怡等[24]統(tǒng)計2014-2016年廣東省茂名市橡膠園土壤養(yǎng)分情況，結果表明，橡膠園有機質含量有88.25%樣品表現缺乏，低于全氮含量正常指標的樣品也高達82.02%[24]。宋艷紅等[25-26]也發(fā)現，隨著橡膠種植年限延長，土壤有機質呈下降趨勢，種植30 a橡膠林地土壤有機質含量低至14.51 g·kg-1。

采集的土壤樣品中有47.92%的土壤樣點速效鉀含量低于正常養(yǎng)分含量，原因可能是鉀肥投入量少。施肥農戶絕大部分施用肥料為15-15-15復合肥，開割橡膠樹標準施肥量約為2 kg·株[27]，按照養(yǎng)分配比計算，鉀元素投入量應為0.5 kg·株。調查問卷結果表明，開割橡膠樹鉀元素投入量為0.267 kg·株，大約為標準投入量的50%；且鉀肥的價格偏高。因此，沒有農戶單施鉀肥或在施用復合肥的基礎上追施鉀肥。其次，橡膠林生態(tài)系統(tǒng)中的鉀元素除了滿足橡膠樹正常生長外，大部分被生產割膠和采種帶走，其余部分則因高溫多雨導致淋溶和水土流失造成土壤鉀元素損失[28]，導致土壤中速效鉀含量降低。

2.2 膠園土壤肥力狀況各市縣植膠區(qū)的土壤化學肥力綜合得分以及相應肥力等級如表8所示。從表8可以看出，澄邁縣、臨高縣橡膠園土壤肥力整體偏低，高肥力水平占比均不足10%。儋州市、屯昌縣大部分土壤化學肥力維持在中等水平。瓊海市、瓊中縣土壤肥力狀況較好，高肥力水平分別占44.44%、50%。白沙縣土壤肥力呈兩極化，高肥力水平和低肥力水平占比均較大。

表8 海南省各市縣土壤肥力綜合值及肥力分布頻率

3 結 論

（1）本研究采用主成分分析和ward聚類法對海南島橡膠園土壤化學肥力進行綜合平價，評價結果較好地反映海南省橡膠園土壤肥力的實際狀況。不同市縣橡膠園土壤化學肥力存在較大差異，其中瓊中縣和瓊海市土壤化學肥力最高，屯昌縣和儋州市大部分膠園土壤化學肥力處于中等水平，臨高縣和澄邁縣膠園土壤化學肥力最低，白沙縣膠園土壤肥力出現兩級分化，高土壤肥力與低土壤肥力所占比例都比較高。

（2）橡膠園土壤肥力評價結果和主成分分析結果都表明，土壤有機質和全氮是海南島橡膠園土壤化學肥力的主要限制性因子，速效鉀是次級限制性因子。在今后的橡膠園土壤肥力管理中，應注重有機肥、氮肥和鉀肥的投入以培肥土壤，保證天然橡膠的穩(wěn)產和高產。