基于主成分分析的古树土壤肥力等级评价

刘家雄，汤珧华

(1.上海电力学院数理学院，上海 200093；2.上海城市树木生态应用工程技术研究中心，上海 200020；3.上海市绿化管理指导站，上海 200020)

古树是指树龄百年以上的树木。古树是活的文物和人类极其珍贵的历史遗产，是历史的见证和重要自然资源[1-2]。古树保护的研究对了解地区的历史、文化、气象、水文、地质、地理、植被以及空气污染等自然演变具有一定的作用，特别是对植物进化与变异、树木生态学具有很高的研究价值[3-4]。上海地处长江口冲积平原，城市历史较短，古树资源稀少，目前古树有1 600余株，主要分布在历史较长的松江、青浦、徐汇、嘉定等区域，因而，古树的保护更显重要。

古树保护的重要方面是维护和改善古树的生态环境。在影响古树生长的诸多生态因子中，土壤是树木赖以生存的物质基础[5-9]。目前，人们对古树的保护，较多考虑树本身，对古树的地下生长环境，尤其是土壤，考虑得较少，而古树生长所需的水分和养分由其生长的土壤提供。近年来，上海由于城市建设速度加快，许多古树的周边环境发生了巨大的变化，尤其是古树的土壤因建设而受到严重的破坏，严重影响古树生长。因此，对上海古树土壤的性质进行系统研究与分类，对加强古树的保护具有极其重要的意义。

1 材料与方法

1.1研究材料根据上海各区古树的分布情况，选用34个生长点，每个生长点分东、南、西、北4个方向取0～40 cm土壤，共取100多份土壤指标作研究对象。测试指标为pH、电导率、通气孔隙度、总孔隙度、有机质、全氮、水解氮、全磷、速效磷和金属元素钙、镁、铁、锌、铜14个指标。

1.2研究方法

1.2.1测试方法。pH：采用电位法；电导率：采用DDS型电导；毛管孔隙度：采用常规法测定；通气孔隙度：通气孔隙度=总孔隙度-毛管孔隙度；有机质：采用重铬酸钾法；速效氮：采用扩散吸收法；有效磷：采用碳酸氢钠法；速效钾：采用火焰光度法；金属元素：称取土样0.2 g，加入硝酸10 mL、氢氟酸5 mL、高氯酸2 mL，在电热板上加热至沸腾，静置一夜，第2天加热至澄清，然后将酸蒸干，转移至50 mL容量瓶并定容待测。

1.2.2数据处理方法。 利用Microsoft Excel 2000建立土壤养分和古树生长数据库，用SPSS 16.0软件进行主成分分析和聚类分析[10-12]。

主成分分析是模式识别中的一种降维映射方法，该法将多维空间的信息在低维空间表现出来，以消除众多信息中相互重叠部分。它将原始变量进行转换，使少数几个新变量为原变量的线性组合，同时又使这些变量尽可能多地表征原变量的数据结构特征而不丢失信息。

系统聚类分析是先将需要聚类的样品各自看成一类，然后确定类与类之间的相似性统计量，并选择最接近的2类或若干类合并成一个新类，计算新类与其他各类之间的相似性统计量，再选择最接近的2类或若干类合并成一个新类，直到所有样品都合成一类为止。

2 结果与分析

2.1土壤养分主成分分析为有效分析古树生长点的土壤肥力水平，对土壤进行主成分分析，结果如表1和2。

从表1可知，在上层土中，第一主成分的特征值为4.834，贡献率为34.526%，第二主成分的特征值为2.550，贡献率为18.215%，第三主成分的特征值为1.792，贡献率为12.802%，第四主成分的特征值为1.145，贡献率为8.177，第五主成分的特征值为1.112，贡献率为7.943%，五者的累积贡献率为81.662%，因此可以用5个因子代替14个原始变量，即用这5个因子来反映土壤的肥力水平。

表1 上层土壤主成分的累积贡献率和特征值

根据因子载荷矩阵(表2)。5个因子的主成分表达式为：

(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 因子荷载量

由表2的因子载荷绝对值可知，因子一基本反映了通气孔隙度和容重；因子二基本反映了有机质、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和电导率，因子五基本反映了铁、镁和铜。即因子一反映了以通气孔隙度为代表的土壤通气状况；因子二反映了以有机质为代表的肥力综合性状；因子三反映了磷在土壤中的利用状况；因子四反映了以pH为代表的土壤化学性状，因子五反映了以铁为代表的土壤金属元素。

2.2聚类分析按通气孔隙度、容重、有机质、全氮4个主因子聚类，聚类结果如图1所示，图中的序号为样点号。

图1 古树生长点土壤聚类结果Fig.1 Cluster results of growing point for old trees

在图1中重标距离5处划分水平，可将34个生长点的上层土壤划分为4种肥力类型。同时，根据聚类结果计算4种肥力类型土壤指标的平均值与标准差(表3)。

表34种肥力类型土壤指标的平均值与标准差

Table3Meansandstandarddeviationofsoilindexesfor4fertilizertypes

肥力类型Fertilizertype样地数Sampleplots通气孔隙度Soilporosity容重Soilspecificgravity土壤有机质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

根据土壤肥力情况，这4个肥力类型情况如下。第1类型：综合肥力良好型，包含7个采样点，古树编号分别为：0054、0848、0160、1273、0159、0849、0850；第2类型：综合肥力较好型，包含5个采样点，古树编号分别为：0101、0851、0001、0821、0858；第3类型：综合肥力较差型，包含14个采样点，古树编号分别为：0182、18-003、0405、0126、0852、0147、0114、0198、1248、0003、0353、0125、0196、0004；第4类型：综合肥力差型，包含8个采样点，古树编号分别为：0071、0797、0052、0002、0863、0347、0346、0103。

根据聚类结果把所测试的34个生长点划分为4类。第1、2类土壤的综合肥力较好，尤其是第1类土壤，基本保持了古树的原生态环境，此处人为活动很少，周围有河或渠等活水流动，枯枝落叶归还四周土壤，形成原始生态环境。第3、4类土壤的综合肥力较差，这些生长点人为干扰较大，造成土壤容重大，养分低，不利于古树的生长。对生长在第1、2类土壤的古树，应尽量维持古树土壤现状，对第3、4类土壤，可以通过定期松土，增施有机肥，甚至是个别点采取部分换土的方法来改善土壤的结构与养分状况，尽量恢复到古树的原生态环境。

3 讨论

(1)土壤的主成分分析结果表明，影响土壤肥力的主要因素为全氮、有效氮、速效磷、速效钾、容重和总孔隙度。说明土壤肥力的好坏，不能用单一的指标来评价，而应综合考虑各因素，着重考虑土壤的结构与养分。

(2)用聚类分析方法把所测试的古树生长点划为4类，基本符合实际情况。第1、2类土壤的综合肥力较好，这些古树生长在人为干扰较少的地方，尤其是第1类土壤，基本维持古树的原生态环境，即古树生长在高处，此处人为活动很少，周围有河或渠等活水流动，枯枝落叶归还四周土壤，形成原始的生态环境。第3、4类土壤的综合肥力较差，这些古树生长在人为干扰较大的地方，造成土壤的容重大，养分低，不利于古树的生长。

(3)对古树、土壤的保护非常重要，适合古树生长的土壤环境是容重轻、土壤的有效养分高。对生长在第1、2类土壤的古树，在保护古树时，应维持古树土壤现状，对第3、4类土壤，可以通过定期松土，增施有机肥的方法，甚至可以采取工程措施的方式来改善土壤的结构与养分状况，使土壤恢复到古树的原生态环境。

(4)用聚类分析方法对古树的土壤进行综合分类研究，旨在因地制宜地进行土壤管理和古树日常养护，为古树提供适生的外界条件，延缓古树的衰老期。因古树周围的土壤人为干扰非常大，因而此类分类只是一个比较切合实际的模拟，通过分类可以大致了解古树生长点土壤目前所处的状况。

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