基于主成分分析的古樹(shù)土壤肥力等級(jí)評(píng)價(jià)

劉家雄，湯珧華

(1.上海電力學(xué)院數(shù)理學(xué)院，上海 200093；2.上海城市樹(shù)木生態(tài)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，上海 200020；3.上海市綠化管理指導(dǎo)站，上海 200020)

古樹(shù)是指樹(shù)齡百年以上的樹(shù)木。古樹(shù)是活的文物和人類(lèi)極其珍貴的歷史遺產(chǎn)，是歷史的見(jiàn)證和重要自然資源[1-2]。古樹(shù)保護(hù)的研究對(duì)了解地區(qū)的歷史、文化、氣象、水文、地質(zhì)、地理、植被以及空氣污染等自然演變具有一定的作用，特別是對(duì)植物進(jìn)化與變異、樹(shù)木生態(tài)學(xué)具有很高的研究?jī)r(jià)值[3-4]。上海地處長(zhǎng)江口沖積平原，城市歷史較短，古樹(shù)資源稀少，目前古樹(shù)有1 600余株，主要分布在歷史較長(zhǎng)的松江、青浦、徐匯、嘉定等區(qū)域，因而，古樹(shù)的保護(hù)更顯重要。

古樹(shù)保護(hù)的重要方面是維護(hù)和改善古樹(shù)的生態(tài)環(huán)境。在影響古樹(shù)生長(zhǎng)的諸多生態(tài)因子中，土壤是樹(shù)木賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)[5-9]。目前，人們對(duì)古樹(shù)的保護(hù)，較多考慮樹(shù)本身，對(duì)古樹(shù)的地下生長(zhǎng)環(huán)境，尤其是土壤，考慮得較少，而古樹(shù)生長(zhǎng)所需的水分和養(yǎng)分由其生長(zhǎng)的土壤提供。近年來(lái)，上海由于城市建設(shè)速度加快，許多古樹(shù)的周邊環(huán)境發(fā)生了巨大的變化，尤其是古樹(shù)的土壤因建設(shè)而受到嚴(yán)重的破壞，嚴(yán)重影響古樹(shù)生長(zhǎng)。因此，對(duì)上海古樹(shù)土壤的性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)研究與分類(lèi)，對(duì)加強(qiáng)古樹(shù)的保護(hù)具有極其重要的意義。

1 材料與方法

1.1研究材料根據(jù)上海各區(qū)古樹(shù)的分布情況，選用34個(gè)生長(zhǎng)點(diǎn)，每個(gè)生長(zhǎng)點(diǎn)分東、南、西、北4個(gè)方向取0～40 cm土壤，共取100多份土壤指標(biāo)作研究對(duì)象。測(cè)試指標(biāo)為pH、電導(dǎo)率、通氣孔隙度、總孔隙度、有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、全磷、速效磷和金屬元素鈣、鎂、鐵、鋅、銅14個(gè)指標(biāo)。

1.2研究方法

1.2.1測(cè)試方法。pH：采用電位法；電導(dǎo)率：采用DDS型電導(dǎo)；毛管孔隙度：采用常規(guī)法測(cè)定；通氣孔隙度：通氣孔隙度=總孔隙度-毛管孔隙度；有機(jī)質(zhì)：采用重鉻酸鉀法；速效氮：采用擴(kuò)散吸收法；有效磷：采用碳酸氫鈉法；速效鉀：采用火焰光度法；金屬元素：稱(chēng)取土樣0.2 g，加入硝酸10 mL、氫氟酸5 mL、高氯酸2 mL，在電熱板上加熱至沸騰，靜置一夜，第2天加熱至澄清，然后將酸蒸干，轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶并定容待測(cè)。

1.2.2數(shù)據(jù)處理方法。 利用Microsoft Excel 2000建立土壤養(yǎng)分和古樹(shù)生長(zhǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，用SPSS 16.0軟件進(jìn)行主成分分析和聚類(lèi)分析[10-12]。

主成分分析是模式識(shí)別中的一種降維映射方法，該法將多維空間的信息在低維空間表現(xiàn)出來(lái)，以消除眾多信息中相互重疊部分。它將原始變量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使少數(shù)幾個(gè)新變量為原變量的線性組合，同時(shí)又使這些變量盡可能多地表征原變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征而不丟失信息。

系統(tǒng)聚類(lèi)分析是先將需要聚類(lèi)的樣品各自看成一類(lèi)，然后確定類(lèi)與類(lèi)之間的相似性統(tǒng)計(jì)量，并選擇最接近的2類(lèi)或若干類(lèi)合并成一個(gè)新類(lèi)，計(jì)算新類(lèi)與其他各類(lèi)之間的相似性統(tǒng)計(jì)量，再選擇最接近的2類(lèi)或若干類(lèi)合并成一個(gè)新類(lèi)，直到所有樣品都合成一類(lèi)為止。

2 結(jié)果與分析

2.1土壤養(yǎng)分主成分分析為有效分析古樹(shù)生長(zhǎng)點(diǎn)的土壤肥力水平，對(duì)土壤進(jìn)行主成分分析，結(jié)果如表1和2。

從表1可知，在上層土中，第一主成分的特征值為4.834，貢獻(xiàn)率為34.526%，第二主成分的特征值為2.550，貢獻(xiàn)率為18.215%，第三主成分的特征值為1.792，貢獻(xiàn)率為12.802%，第四主成分的特征值為1.145，貢獻(xiàn)率為8.177，第五主成分的特征值為1.112，貢獻(xiàn)率為7.943%，五者的累積貢獻(xiàn)率為81.662%，因此可以用5個(gè)因子代替14個(gè)原始變量，即用這5個(gè)因子來(lái)反映土壤的肥力水平。

表1 上層土壤主成分的累積貢獻(xiàn)率和特征值

根據(jù)因子載荷矩陣(表2)。5個(gè)因子的主成分表達(dá)式為：

(1)主成分1=-0.739X1+0.691X2+0.705X3+0.651X4-0.607X5-0.690X6-0.672X7-0.332X8-0.612X9+0.637X10+0.662X11+0.512X12+0.039X13+0.003X14

(2)主成分2=-0.472X1+0.462X2+0.098X3+0.274X4+0.213X5+0.358X6+0.293X7+0.606X8+0.387 2X9+0.514X10-0.033X11-0.458X12+0.584X13+0.660X14

(3)主成分3=0.140X1-0.205X2-0.134X3+0.543X4+0.424X5+0.476X6+0.185X7+0.030X8+0.273X9+0.319X10+638X11+0.501X12-0.203X13-0.317X14

(4)主成分4=-0.006X1+0.058X2-0.279X3+0.134X4+0.259X5+0.271X6+0.050X7-0.614X8-0.469 5X9-0.171X10+0.038X11+0.037X12+0.403X13+0.333X14

(5)主成分5=0.383X1-0.399X2+0.385X3-0.164X4-0.172X5-0.028X6-0.143X7+0.057X8+0.190X9+0.011X10+0.131X11+0.378X12+0.518X13+0.337X14

表2 因子荷載量

由表2的因子載荷絕對(duì)值可知，因子一基本反映了通氣孔隙度和容重；因子二基本反映了有機(jī)質(zhì)、全氮和速效氮，因子三基本反映了全磷和速效磷，因子四基本反映了pH和電導(dǎo)率，因子五基本反映了鐵、鎂和銅。即因子一反映了以通氣孔隙度為代表的土壤通氣狀況；因子二反映了以有機(jī)質(zhì)為代表的肥力綜合性狀；因子三反映了磷在土壤中的利用狀況；因子四反映了以pH為代表的土壤化學(xué)性狀，因子五反映了以鐵為代表的土壤金屬元素。

2.2聚類(lèi)分析按通氣孔隙度、容重、有機(jī)質(zhì)、全氮4個(gè)主因子聚類(lèi)，聚類(lèi)結(jié)果如圖1所示，圖中的序號(hào)為樣點(diǎn)號(hào)。

圖1 古樹(shù)生長(zhǎng)點(diǎn)土壤聚類(lèi)結(jié)果Fig.1 Cluster results of growing point for old trees

在圖1中重標(biāo)距離5處劃分水平，可將34個(gè)生長(zhǎng)點(diǎn)的上層土壤劃分為4種肥力類(lèi)型。同時(shí)，根據(jù)聚類(lèi)結(jié)果計(jì)算4種肥力類(lèi)型土壤指標(biāo)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差(表3)。

表34種肥力類(lèi)型土壤指標(biāo)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差

Table3Meansandstandarddeviationofsoilindexesfor4fertilizertypes

肥力類(lèi)型Fertilizertype樣地?cái)?shù)Sampleplots通氣孔隙度Soilporosity容重Soilspecificgravity土壤有機(jī)質(zhì)Soilorganicmatterg/kg土壤全氮Soiltotalnitrogeng/kg178.23±0.021.30±0.0235.2±2.017.8±1.9257.82±0.201.35±0.0222.7±1.615.3±1.43146.34±0.181.46±0.0618.0±0.112.6±1.2484.64±0.221.52±0.0212.9±1.19.7±0.8

根據(jù)土壤肥力情況，這4個(gè)肥力類(lèi)型情況如下。第1類(lèi)型：綜合肥力良好型，包含7個(gè)采樣點(diǎn)，古樹(shù)編號(hào)分別為：0054、0848、0160、1273、0159、0849、0850；第2類(lèi)型：綜合肥力較好型，包含5個(gè)采樣點(diǎn)，古樹(shù)編號(hào)分別為：0101、0851、0001、0821、0858；第3類(lèi)型：綜合肥力較差型，包含14個(gè)采樣點(diǎn)，古樹(shù)編號(hào)分別為：0182、18-003、0405、0126、0852、0147、0114、0198、1248、0003、0353、0125、0196、0004；第4類(lèi)型：綜合肥力差型，包含8個(gè)采樣點(diǎn)，古樹(shù)編號(hào)分別為：0071、0797、0052、0002、0863、0347、0346、0103。

根據(jù)聚類(lèi)結(jié)果把所測(cè)試的34個(gè)生長(zhǎng)點(diǎn)劃分為4類(lèi)。第1、2類(lèi)土壤的綜合肥力較好，尤其是第1類(lèi)土壤，基本保持了古樹(shù)的原生態(tài)環(huán)境，此處人為活動(dòng)很少，周?chē)泻踊蚯然钏鲃?dòng)，枯枝落葉歸還四周土壤，形成原始生態(tài)環(huán)境。第3、4類(lèi)土壤的綜合肥力較差，這些生長(zhǎng)點(diǎn)人為干擾較大，造成土壤容重大，養(yǎng)分低，不利于古樹(shù)的生長(zhǎng)。對(duì)生長(zhǎng)在第1、2類(lèi)土壤的古樹(shù)，應(yīng)盡量維持古樹(shù)土壤現(xiàn)狀，對(duì)第3、4類(lèi)土壤，可以通過(guò)定期松土，增施有機(jī)肥，甚至是個(gè)別點(diǎn)采取部分換土的方法來(lái)改善土壤的結(jié)構(gòu)與養(yǎng)分狀況，盡量恢復(fù)到古樹(shù)的原生態(tài)環(huán)境。

3 討論

(1)土壤的主成分分析結(jié)果表明，影響土壤肥力的主要因素為全氮、有效氮、速效磷、速效鉀、容重和總孔隙度。說(shuō)明土壤肥力的好壞，不能用單一的指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)，而應(yīng)綜合考慮各因素，著重考慮土壤的結(jié)構(gòu)與養(yǎng)分。

(2)用聚類(lèi)分析方法把所測(cè)試的古樹(shù)生長(zhǎng)點(diǎn)劃為4類(lèi)，基本符合實(shí)際情況。第1、2類(lèi)土壤的綜合肥力較好，這些古樹(shù)生長(zhǎng)在人為干擾較少的地方，尤其是第1類(lèi)土壤，基本維持古樹(shù)的原生態(tài)環(huán)境，即古樹(shù)生長(zhǎng)在高處，此處人為活動(dòng)很少，周?chē)泻踊蚯然钏鲃?dòng)，枯枝落葉歸還四周土壤，形成原始的生態(tài)環(huán)境。第3、4類(lèi)土壤的綜合肥力較差，這些古樹(shù)生長(zhǎng)在人為干擾較大的地方，造成土壤的容重大，養(yǎng)分低，不利于古樹(shù)的生長(zhǎng)。

(3)對(duì)古樹(shù)、土壤的保護(hù)非常重要，適合古樹(shù)生長(zhǎng)的土壤環(huán)境是容重輕、土壤的有效養(yǎng)分高。對(duì)生長(zhǎng)在第1、2類(lèi)土壤的古樹(shù)，在保護(hù)古樹(shù)時(shí)，應(yīng)維持古樹(shù)土壤現(xiàn)狀，對(duì)第3、4類(lèi)土壤，可以通過(guò)定期松土，增施有機(jī)肥的方法，甚至可以采取工程措施的方式來(lái)改善土壤的結(jié)構(gòu)與養(yǎng)分狀況，使土壤恢復(fù)到古樹(shù)的原生態(tài)環(huán)境。

(4)用聚類(lèi)分析方法對(duì)古樹(shù)的土壤進(jìn)行綜合分類(lèi)研究，旨在因地制宜地進(jìn)行土壤管理和古樹(shù)日常養(yǎng)護(hù)，為古樹(shù)提供適生的外界條件，延緩古樹(shù)的衰老期。因古樹(shù)周?chē)耐寥廊藶楦蓴_非常大，因而此類(lèi)分類(lèi)只是一個(gè)比較切合實(shí)際的模擬，通過(guò)分類(lèi)可以大致了解古樹(shù)生長(zhǎng)點(diǎn)土壤目前所處的狀況。

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