Evaluation of soil chemical fertility in Hainan rubber plantations based on principal component analysis

海南橡胶主产区主要有7个市县(澄迈县、临高县、儋州市、屯昌县、琼海市、琼中县和白沙县),各市县年平均气温、年平均降水量、成土母质及土壤类型等基本情况见表1。

从每个市县中挑选1～3个乡镇采集土壤样品（表2），每个镇选取10～12个胶园，每个胶园按照“S”形选取8个采样点，采集0～20 cm土层的土壤混合为１个土壤样品，共采集144个土壤样品。

土壤样品采集完毕后送至实验室内自然风干，研磨过筛（孔径1 mm）。土壤pH采用电位法测定；土壤有机质采用重铬酸钾容量法－外加热法测定；土壤全氮采用半微量凯氏定氮仪蒸馏法测定；土壤速效磷采用HCL-NH₄F浸提钼蓝比色法测定；土壤速效钾采用醋酸铵浸提火焰光度计法测定^[17]。

主成分分析评价方法对海南省主要植胶区的土壤肥力的主要评价^[18-19]过程为：（1）土壤肥力评价指标的确定；（2）土壤化学肥力评价指标的标准化和协方差矩阵的建立；（3）特征值、主成分贡献率和累计贡献率的计算以及主成分个数的确定；（4）因子载荷矩阵的建立和主成分得分系数的计算；（5）综合得分的计算和评价等级的确定^[20]。

本研究选择土壤pH、有机质全氮、速效磷和速效钾为评价指标（表3）。

为了消除各项指标之间在量纲化和数量级上的差别，对指标数据进行标准化，标准化公式为：

式中，$ {x}_{i} $为原始数值，$ \stackrel{-}{x} $为原始值的平均值，$ s $为原始变量的标准偏差。根据标准化数据矩阵建立协方差矩阵R（R_ij=R_ji），其可反映标准化变量之间相关关系密切程度，R值越大，说明变量之间相关性越强，其中，R_ij（i, j=1, 2$ ,\cdots, $ p）是原始变量X_i与X_j的相关系数。

利用SAS软件计算协方差矩阵R的特征向量（表4）和特征值（表5），然后根据特征值计算每个主成分的贡献率以及累计贡献率。根据累积贡献率大于85%的原则^[21]，提取4个前成分。其中，第一主成分贡献率为40.11%；第二主成分贡献率为21.44%；第三主成分贡献率为19.71%；第四主成分贡献率为16.88%；这4个主成分可以集中原始变量的98.14%。

因子载荷是主成分Z_i与原始指标X_i的相关系数R（Z_i，X_i），揭示了主成分与各土壤养分指标之间的相关程度。由因子载荷矩阵（表6）可知，第一主成分主要由土壤有机质、全氮影响；第二主成分主要由速效磷和速效钾影响；第三和第四主成分都主要由pH影响。因子载荷矩阵并不是主成分得分系数，主成分得分系数是各自因子载荷向量除以各自因子特征值的算数平方根^[22]，即:

式中，$ {R}_{i} $为因子载荷，$ {\lambda }_{i} $为对应特征根。主成分得分系数见表5。

根据主成分得分系数矩阵（表6），可得出每个主成分综合得分线性表达式：

式中，X₁～X₅分别代表标准化的土壤pH、有机质、全氮含量、速效磷含量、速效钾含量。

根据主成分贡献率，海南省橡胶园土样的综合评价模型为IFI=0.3991F1+0.2147F2+0.1972F3+0.1685F4。IFI值越高，说明土壤肥力高，反之，则表示土壤肥力低。依据综合指数，采用ward聚类法对海南橡胶园土壤肥力进行等级划分。

采用ward聚类法可将海南岛橡胶园土壤化学肥力划分为高（Ⅰ类）、中（Ⅱ类）、低（Ⅲ类）3个等级。第Ⅰ类土壤样本数为37个，占全部样本的25.69%，IFI变化范围为3.29～16.79；第Ⅱ类土壤样本数有51个，占全部样本的35.42%，IFI变化范围为−1.8～2.74；第Ⅲ类土壤样本数为56个，占全部样本的38.89%，IFI变化范围为−9.08～−2.0。

对不同肥力等级的土壤肥力指标进行多重比较（表7），可见第Ⅰ类土壤pH显著（P < 0.05）高于第Ⅱ类和第Ⅲ类；第Ⅰ类土壤有机质含量最高，均值为20.6 g·kg⁻¹，且与第Ⅱ类、第Ⅲ类土壤有机质存在显著差异（P < 0.05），第Ⅱ类土壤有机质与第Ⅲ类土壤有机质也存在显著差异（P < 0.05）；土壤全氮、速效磷、速效钾含量由大到小均依次为：Ⅰ > Ⅱ > Ⅲ。其中，第Ⅰ类与第Ⅱ类均有显著差异（P < 0.05），第Ⅱ类与第Ⅲ类也存在显著差异（P < 0.05），速效磷除外。

海南省橡胶园土壤养分指标与橡胶树适宜种植土壤养分范围（pH 4.5～5.5、有机质20～25 g·kg⁻¹、全氮0.8～1.4 g·kg⁻¹、速效磷5～8 mg·kg⁻¹、速效钾40～60 mg·kg⁻¹）相比^[1]，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类土壤pH均在适宜种植范围内；就土壤有机质而言，只有第Ⅰ类土壤达到适宜种植范围，第Ⅱ类、第Ⅲ类均小于20 g·kg⁻¹的适宜标准（20 g·kg⁻¹）；土壤全氮含量与土壤有机质相似，也只有第Ⅰ类于适宜范围，而第Ⅱ类、第Ⅲ类均低于阈值标准（0.8 g·kg⁻¹）；第Ⅰ类、第Ⅱ类土壤速效磷含量高于适宜上限（8 mg·kg⁻¹），含量比较丰富，第Ⅲ类土壤速效磷含量为6.54 mg·kg⁻¹，处于正常范围（5～8 mg·kg⁻¹）；第Ⅰ类土壤速效钾含量为55.61 mg·kg⁻¹，处于40～60 mg·kg⁻¹的正常值(40～60 mg·kg⁻¹)范围内，第Ⅱ类土壤速效钾含量为45.62 mg·kg⁻¹，虽然也处于适宜值范围之内，但已经比较接近该范围的下限值，3类土壤对比说明第Ⅱ类土壤速效钾含量有逐渐缺乏的趋势，而第Ⅲ类土壤的速效钾含量为31.6 mg·kg⁻¹，低于适宜种植范围。由上述分析结果可以看出，有机质和全氮是海南岛橡胶园土壤化学肥力的主要限制因子，其次是速效钾。这和主成分分析的结果也是相一致的，即影响第一主成分的主要是有机质和全氮，而影响第二主成分的是速效钾和速效磷。

本研究采集的土壤样品中有82.64%的样点土壤有机质含量低于20 g·kg⁻¹，说明海南省主要植胶区县土壤有机质很缺乏，其主要原因可能是有机肥投入量少。施肥情况调查表明，受访农户中施有机肥的用户不足10%，而且施有机肥的方式多数是将杂草或枯枝落叶堆填在施肥穴中，该方式投入的有机质含量较低。土壤全氮与有机质呈极显著正相关（P < 0.01），相关系数为0.897。因此，土壤有机质含量偏低是造成全氮含量缺乏的原因之一。李彭怡等^[24]统计2014–2016年广东省茂名市橡胶园土壤养分情况，结果表明，橡胶园有机质含量有88.25%样品表现缺乏，低于全氮含量正常指标的样品也高达82.02%^[24]。宋艳红等^[25-26]也发现，随着橡胶种植年限延长，土壤有机质呈下降趋势，种植30 a橡胶林地土壤有机质含量低至14.51 g·kg⁻¹。

采集的土壤样品中有47.92%的土壤样点速效钾含量低于正常养分含量，原因可能是钾肥投入量少。施肥农户绝大部分施用肥料为15-15-15复合肥，开割橡胶树标准施肥量约为2 kg·株^[27]，按照养分配比计算，钾元素投入量应为0.5 kg·株。调查问卷结果表明，开割橡胶树钾元素投入量为0.267 kg·株，大约为标准投入量的50%；且钾肥的价格偏高。因此，没有农户单施钾肥或在施用复合肥的基础上追施钾肥。其次，橡胶林生态系统中的钾元素除了满足橡胶树正常生长外，大部分被生产割胶和采种带走，其余部分则因高温多雨导致淋溶和水土流失造成土壤钾元素损失^[28]，导致土壤中速效钾含量降低。

各市县植胶区的土壤化学肥力综合得分以及相应肥力等级如表8所示。从表8可以看出，澄迈县、临高县橡胶园土壤肥力整体偏低，高肥力水平占比均不足10%。儋州市、屯昌县大部分土壤化学肥力维持在中等水平。琼海市、琼中县土壤肥力状况较好，高肥力水平分别占44.44%、50%。白沙县土壤肥力呈两极化，高肥力水平和低肥力水平占比均较大。

（1）本研究采用主成分分析和ward聚类法对海南岛橡胶园土壤化学肥力进行综合平价，评价结果较好地反映海南省橡胶园土壤肥力的实际状况。不同市县橡胶园土壤化学肥力存在较大差异，其中琼中县和琼海市土壤化学肥力最高，屯昌县和儋州市大部分胶园土壤化学肥力处于中等水平，临高县和澄迈县胶园土壤化学肥力最低，白沙县胶园土壤肥力出现两级分化，高土壤肥力与低土壤肥力所占比例都比较高。

（2）橡胶园土壤肥力评价结果和主成分分析结果都表明，土壤有机质和全氮是海南岛橡胶园土壤化学肥力的主要限制性因子，速效钾是次级限制性因子。在今后的橡胶园土壤肥力管理中，应注重有机肥、氮肥和钾肥的投入以培肥土壤，保证天然橡胶的稳产和高产。