基于主成分分析的昭平县桉树人工林土壤肥力质量评价.pdf

年月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第 卷第 期收稿日期:作者简介:黄媛凤(),女,工程师,主要从事森林培育研究.基基于于主主成成分分分分析析的的昭昭平平县县桉桉树树人人工工林林土土壤壤肥肥力力质质量量评评价价黄媛凤(广西壮族自治区昭平县林业局,广西 昭平 )摘要:桉树具有较高的经济价值,在带动区域经济发展、保障国家木材供应等方面具有显著优势.为研究评价桉树人工林的土壤肥力,给桉树及其下游产业的可持续发展提供保障.选择代表土壤肥力状况的个指标,并采用主成分分析、因子分析等方法对其肥力状况进行了评价.结果表明:该区域土壤呈酸性,有机质含量为 g/k g,处于较高水平.土壤养分状况方面,氮、钾元素含量处于中等偏上水平,主要问题在于土壤全磷、有效磷含量较低,需要针对性补充土壤磷元素含量,同时配合保肥保水措施,以保障桉树人工林的可持续发展.关键词:土壤质量;人工林;可持续发展;肥力指标中图分类号:S 文献标识码:A文章编号:()E v a l u a t i o no fS o i lF e r t i l i t yQ u a l i t yo fE u c a l y p t u sP l a n t a t i o ni nZ h a o p i n gC o u n t yo fH e z h o uB a s e do nP r i n c i p a lC o m p o n e n tA n a l y s i sH u a n gY u a n f e n g(Z h a o p i n gC o u n t yF o r e s t r yB u r e a u,Z h a o p i n g,G u a n g x i ,C h i n a)A b s t r a c t:E u c a l y p t u sh a sh i g he c o n o m i cv a l u ea n ds i g n i f i c a n t a d v a n t a g e s i nd r i v i n gr e g i o n a l e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n de n s u r i n gn a t i o n a lw o o ds u p p l y T h ep u r p o s eo f t h i s s t u d y i s t oe v a l u a t e t h e s o i l f e r t i l i t yo fE u c a l y p t u sp l a n t a t i o n s a n dp r o v i d eg u a r a n t e e f o r t h e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t o fE u c a l y p t u s a n d i t sd o w n s t r e a mi n d u s t r i e s I n t h i s s t u d y,e i g h t i n d i c a t o r s r e p r e s e n t i n gs o i l f e r t i l i t yw e r e s e l e c t e d,a n d t h e i r f e r t i l i t ys t a t u sw a se v a l u a t e db yp r i n c i p a l c o m p o n e n t a n a l y s i s,f a c t o ra n a l y s i sa n do t h e rm e t h o d s T h er e s u l t si n d i c a t e t h a t t h e s o i l i n t h i s a r e a i s a c i d i c,w i t ha no r g a n i cm a t t e r c o n t e n t o f g/k g,w h i c h i s a t ah i g hl e v e l I nt e r m so f s o i l n u t r i e n t s t a t u s,t h e c o n t e n t o fn i t r o g e na n dp o t a s s i u me l e m e n t s i s a t am o d e r a t e t ou p p e r l e v e l T h em a i np r o b l e ml i e s i n t h e l o wc o n t e n t o f t o t a l p h o s p h o r u s a n da v a i l a b l ep h o s p h o r u s i n t h es o i l,w h i c hr e q u i r e s t a r g e t e ds u p p l e m e n t a t i o no f s o i l p h o s p h o r u s c o n t e n t A t t h e s a m e t i m e,i t i sn e c e s s a r yt oc o o p e r a t ew i t hf e r t i l i z e ra n dw a t e rc o n s e r v a t i o nm e a s u r e st oe n s u r et h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fE u c a l y p t u sp l a n t a t i o n s K e yw o r d s:s o i l q u a l i t y;a r t i f i c i a l f o r e s t s;s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t;f e r t i l i t y i n d e x 引言桉树(E u c a l y p t u s)是一种常绿乔木,原产于澳大利亚,是世界上最重要、最广泛种植的林木之一,也是全球木材市场上的主要品种之一.由于桉树长速快、生产周期短、适应性强、木材质量好等优点,成为广西重要的林木资源,.同时,桉树林的存在也为当地环境保护、土地改良和生态建设提供了重要帮助.然而,在长期的经济增长以及大规模林木采伐的过程中,许多桉树人工林已出现土壤质量下降、生长量减少等问题,提高土壤质量是保障桉树人工林的生态、可持续发展的关键.土壤是农、林业生产的基础,为植物提供了养分、水分和空气等必要元素,这些元素对于植物的生长和发育至关重要.土壤肥力质量是指土壤中养分的含量和有效性,以及土壤对植物生长的支持能力.肥沃的土壤应该含有足够的氮、磷、钾等主要养分,并且这些养分应该以可用的形式存 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期在,即可以被植物根系吸收利用.此外,土壤中的有机质含量、微生物活性、p H值等因素也会影响土壤肥力质量.土壤肥力质量的好坏会直接影响作物的产量和品质.如果土壤肥力质量较差,作物就会受到限制,无法充分生长和发展,导致产量低下.因此,为了保证农作物的高产和优质,需要采取措施来提高土壤肥力质量,例如施肥、改良土壤结构、增加有机质含量等.土壤肥力质量评价是通过采集土壤样品进行实验室分析,确定其中的氮、磷、钾等主要养分含量和有效性,并采用数学方法计算出土壤肥力指数,可以较为客观地获取土壤肥力质量状况.目前较为常用的土壤肥力质量的评价方法有主成分分析法、模糊数学法、内梅罗指数法、灰色关联分析等,其中主成分分析法计算过程简单,适用性较强,评价结果科学性良好,本研究采用主成分分析法开展土壤肥力质量评价.综上所述,本研究以贺州市昭平县桉树人工林为研究对象,采集并测定土壤养分性质,通过主成分分析进行土壤肥力质量评价,旨在通过以上研究,科学、客观地获取该区域土壤肥力质量指数,为桉树人工林合理经营提供基础数据,保障广西桉树人工林及其下游产业的生态、可持续发展.材料与方法 研究区概况昭平县位于广西壮族自治区北部,属于亚热带湿润季风气候区.具有典型的南亚热带季风气候特点,全境气温适宜,降雨丰沛,四季分明,无严寒季节.年 平 均 气 温 为 .年 降 雨 量 mm.昭平县地貌复杂,南部山地起伏,北部为丘陵和平原相间.地质构造复杂,主要由太古代、元古代花岗岩、片麻岩及侵入花岗岩、侵入岩等组成,研究区的地形地貌以山地、丘陵、河流和岩溶地貌为主要类型.土壤类型多样,主要有山地黄壤、山地灰钙土、山地紫色土、丘陵黄壤等.土地利用以耕地和林地为主,其中以稻田为主的农业用地占比较高.土壤样品采集土壤样品采集参照测土配方施肥技术规程,采用网格化方法确定采样点,“S”形取样法采集个样点的 c m土壤,挑除植物根系、石砾后将土壤均匀混合,用四分法选取k g土壤装入自封袋保存,带回实验室进行风干、过 目筛用于测定土壤化学性质.化学指标测定土壤p H值是指土壤中氢离子的浓度,采用电位法进行测定.有机质采用重铬酸钾外加热法进行测定.全氮和碱解氮含量,常采用半微量凯氏定氮法测定.全磷含量的测定方法是先将样品硝化,然后使用全自动间断分析仪进行测定.有效磷含量的测定方法是使用M 溶液先进行浸提,然后再用全自动间断化学分析仪测定.全钾含量常采用碱溶火焰光度法测定,而速效钾则通过醋酸铵浸提火焰光度计法进行测定,.土壤肥力质量评价主成分分析(P C A)是一种常用的多变量数据分析方法,可以将多个相关变量转换为少数几个不相关的主成分,以便于数据处理和分析,同时可以缩小数据量,实现关键因子的土壤肥力质量评价.主要包括以下步骤:标准化处理,将原始数据通过减去均值并除以标准差的方式进行标准化处理;求协方差矩阵,将标准化后的数据求出p个变量之间的协方差矩阵;求特征值及特征向量,通过对协方差矩阵进行特征值分解或奇异值分解;主成分构造,根据特征值和特征向量,可以计算出q个主成分;计算各指标的综合得分.结果与分析 土壤肥力指标含量特征本研究选择了主要土壤肥力评价指标,包括p H值、有机质、全氮、全磷、全钾、有效氮、有效磷和有效钾等,其含量特征如表所示.p H平均值为 ,标准差为 ,变异系数为 ,表明土壤酸碱度相对稳定;有机质的平均值为 ,标准差为 ,变异系数为 ,表明土壤有机质含量存在较大的差异;全氮、全磷和全钾的平均值分别为 、和 ,且变异系数分别为 、和 ,表明这几种营养元素在土壤中含量存在一定的差异;有效氮、有效磷和有效钾的平均值分别为 、和 ,标准差分别为 、和 ,变异系数分别为 、和 .表土壤肥力评价指标含量描述性统计指标最大值最小值平均值标准差变异系数/p H值 有机质 全氮 全磷 全钾 有效氮 有效磷 有效钾 主成分分析土壤是支撑着植物生长和发展的基础,其理化性质的评价对于农业生产非常重要.传统土壤理化性质测试方法繁琐,耗时费力,而主成分分析法黄媛凤:基于主成分分析的昭平县桉树人工林土壤肥力质量评价资源与产业可以简化指标体系,并挖掘隐藏在原始数据中的信息,土壤肥力评价指标主成分分析结果如表所示.P C A结果表明,前个主成分对于解释原始数据中的信息达到 ,能够较好地反映样品整体的代表性.具体地,在主成分中,正向权系数较高的是p H值(),负向权系数较高的为全氮(),这个指标是第一主成分的主要影响因素,而土壤有机质()是影响主成分的主导因素,有效氮()含量是影响主成分的主导因素.相关性分析通过相关性分析,能够了解不同指标之间的相互关系,进而为农业生产、土壤调查等工作提供科学依据,各指标间相关系数如表所示.从相关系数矩阵中可以看出,有机质与有效氮之间的相关系数最为显著,为 ,呈现明显的负相关性.而全氮与有效氮之间的相关系数最高,为 ,呈现明显的正相关性.此外,p H值与各指标之间的相关性相对较弱,其中只有与全磷呈现明显的负相关性,并且相关系数为 .这些结果说明土壤中不同指标之间的相关性具有差异,需要根据实际情况进行进一步分析和解释.表土壤肥力评价指标主成分分析主成分p H值 有机质 全氮 全磷 全钾 有效氮 有效磷 有效钾 方差贡献率/累积方差贡献率/表各土壤肥力评价指标相关系数指标p H值有机质全氮全磷全钾有效氮有效磷有效钾p H值有机质 全氮 全磷 全钾 有效氮 有效磷 有效钾 土壤肥力综合得分土壤肥力综合评价结果如表所示.该区域土壤整体肥力状况处于中等偏上的水平,p H值为 ,略高于中性,但仍处于适宜种植大多数作物的范围内.有机质含量得分较高,为 ,说明该区域土壤富含有机物,这对土壤保持肥力和改善土壤结构有着重要的作用.全氮含量为 ,相对 较 低,可 能 限 制 了 植 物 生 长.全 磷 含 量 为 ,有效磷含量为,处于较低水平,需要大量施 用 磷 肥 才 能 满 足 作 物 需 求.全 钾 含 量 为 ,处于中等水平,可以满足作物需求.有效氮含量较高,达到 ,这是因为有机质分解产生的氮素部分已被转化为有效态氮,提供给作物吸收利用.有效钾含量为 ,较高,可以满足作物需求.综合得分为 ,表明该区域土壤肥力状况较好,但仍有提高的空间.表土壤肥力指标及综合得分指标名p H值有机质全氮全磷全钾有效氮有效磷有效钾综合得分标准得分 讨论与结论本研究选择了代表土壤肥力状况的个指标,并采用主成分分析、因子分析等方法对其肥力状况进行评价,结果表明该区域土壤肥力水平处于中等偏上,能够支撑大部分作物的生长发育.从各指标来看,p H值是衡量土壤酸碱度的指标,受土壤母质及气候 条 件 影 响,该 区 域 土 壤p H平 均 值 为 ,偏酸性.土壤酸碱度直接影响着土壤中养分的有效性和微生物的存活,需要实施一定的改良措施,防止土壤进一步酸化.有机质含量是衡量土壤肥力的关键指标,同时也对土壤团粒稳定性、保水性、透气性和化学性质有着重要影响.该区域土壤平均值为 g/k g,变异系数为 ,说 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期明土壤有机质含量存在高度的变异性,需要针对不同区域土壤提升其有机质含量.氮在植物生长中具有很重要的作用,可加快叶绿素合成、促进根系发育和提升植物对病虫害及逆境的抵抗力.该区域土壤全氮含量标准差为 ,说明区域间差异较小.磷是植物营养必需元素之一,参与体内多种代谢过程,在植物生长过程中起着至关重要的作用,由于母岩与气候条件,强烈的脱硅富铝作用导致磷元素大量流失,造成该区域土壤磷与有效磷含量偏低,需要加强土壤的保肥保水管理措施.钾是植物吸收的主要离子之一,参与植物代谢活动,增强植物的抵抗力,该区域土壤全钾含量水平较低,但有效钾含量较高,需要及时补充以保证钾元素的持续供给能力.整体而言,该区域土壤肥力水平可以支撑桉树人工林的生长发育,但该区域土壤部分元素含量较低,同时存在较大的空间变异性,需要针对特定元素含量进行补充,较好的方式是通过测土配方施肥测定区域土壤养分元素含量,并针对不同区域开展配方施肥,以保障桉树人工林的健康、可持续发展.参考文献 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