李金濤，李守嶺，王曉媛，李慶聰，陳玉芹，戴余波，李國(guó)明，劉小瓊

(云南省德宏熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，云南 瑞麗 678600)

土壤是橡膠樹生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，土壤養(yǎng)分是評(píng)價(jià)土壤肥力重要指標(biāo)之一，土壤肥力是衡量土壤生產(chǎn)力的綜合指標(biāo)，是影響橡膠樹長(zhǎng)勢(shì)和橡膠品質(zhì)的重要因素，能夠準(zhǔn)確了解膠園土壤養(yǎng)分狀況和科學(xué)合理綜合評(píng)價(jià)膠園的土壤肥力，對(duì)于橡膠樹的栽培管理和科學(xué)合理施肥具有重要理論和實(shí)際意義。

近年來(lái)有多種方法被用于評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量，運(yùn)用因子分析法、聚類分析法、主成分分析法等方法綜合評(píng)價(jià)土壤肥力。張亞鴿等[1,2]研究表明，在土壤質(zhì)量定量分析評(píng)價(jià)中應(yīng)用最為廣泛的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法是主成分分析方法(PCA)，它能夠準(zhǔn)確客觀地反映出土壤屬性的變異性。由于影響土壤肥力的因素很多，并且各個(gè)因素之間存在一定的相關(guān)性，因此反映土壤肥力狀況的若干因素之間存在部分信息重疊。在土壤肥力分析中運(yùn)用主成分分析方法獲得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，能夠充分利用所得數(shù)據(jù)中的信息，從復(fù)雜的土壤肥力因子找到綜合規(guī)律，得出客觀和細(xì)致的結(jié)論，方法簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。

巴西橡膠樹(Heveabrasiliensis)原產(chǎn)于巴西亞馬遜河流域，1904年引種到中國(guó)，迄今為止栽培歷史已經(jīng)有100多年。橡膠樹種植區(qū)主要分布于廣東、云南、海南，云南擁有發(fā)展橡膠得天獨(dú)厚的環(huán)境資源優(yōu)勢(shì)，成為我國(guó)橡膠主產(chǎn)省份，到2015年底，云南橡膠種植面積已經(jīng)達(dá)到57.35萬(wàn)hm2[3]。橡膠林下間作經(jīng)濟(jì)作物，能夠充分利用林下空間資源，提高土壤的綜合利用率，增加膠園生物的多樣性，改善膠農(nóng)的經(jīng)濟(jì)收入狀況。橡膠間作模式國(guó)內(nèi)始于20世紀(jì)50年代，發(fā)展經(jīng)歷了經(jīng)濟(jì)作物間作、抗風(fēng)抗災(zāi)間作、生態(tài)膠園間作3個(gè)階段。橡膠樹種植后，有較長(zhǎng)的幼齡期，為了充分利用橡膠林下資源，在橡膠林下種植其它經(jīng)濟(jì)作物，關(guān)于幼齡膠園間作胡椒、草豆蔻、砂仁、生姜、甘蔗等經(jīng)濟(jì)作物對(duì)土壤養(yǎng)分及土壤肥力影響的研究較多，吳志祥[4]研究表明，幼齡膠園間作香蕉或葛藤，增加了土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量及脲酶、磷酸酶、纖維素酶、蔗糖酶活性，膠園土壤肥力得到提高，微環(huán)境得到改善。間作香蕉能夠提高凈光合速率和蒸騰速率，促進(jìn)土壤微生物呼吸，明顯促進(jìn)土壤微生物氨化作用，顯著提高土壤微生物生物量，有利于橡膠樹本身的生長(zhǎng)，提高橡膠樹生長(zhǎng)率，縮短開(kāi)割年限[5,6]。羅萍等[7-9]研究了幼齡膠園間作菠蘿、香蕉分別對(duì)幼齡膠園土壤養(yǎng)分的影響，結(jié)果表明間種菠蘿、香蕉土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量分別較未間作膠園提高了5.4%、0.4%、8.4%和107.7%、89.4%、91.0%；間作菠蘿、香蕉降低了土壤速效磷、速效鉀含量，從而減慢了橡膠樹年增粗率。M.D.Jessy等[10]在印度喀拉拉邦Chethackal橡膠中心實(shí)驗(yàn)站開(kāi)展試驗(yàn)，研究了橡膠園間作香料、農(nóng)作物、藥用植物和蔬菜在內(nèi)的多種作物對(duì)土壤肥力和橡膠樹的影響，幼齡膠園分別間作藤黃、咖啡、香草、肉豆蔻5年，混合間種模式增加了橡膠樹生長(zhǎng)量，對(duì)土壤養(yǎng)分狀況(有效磷、速效鉀、有機(jī)碳、鈣、鎂)、橡膠葉片營(yíng)養(yǎng)狀況、橡膠產(chǎn)量無(wú)影響。Cathy Clermont-Dauphin等[11]研究了泰國(guó)東北部(Isan)Phra Yuen區(qū)Ban Non Tun村幼齡橡膠園間作豆科植物野葛和香根草對(duì)橡膠樹的影響，表明在淺層土壤中間作豆科植物的橡膠樹有更快的生長(zhǎng)速率、更高的葉片養(yǎng)分含量和更深的土壤細(xì)根長(zhǎng)度密度，支持自適應(yīng)根系響應(yīng)的假設(shè)，增加了抗旱性；而間作香根草的橡膠樹沒(méi)有表現(xiàn)出這種作用。

然而有關(guān)成齡膠園間作對(duì)土壤養(yǎng)分狀況及土壤肥力影響的報(bào)道和研究較少。我們對(duì)德宏墾區(qū)橡膠不同間作模式下土壤養(yǎng)分含量及其土壤肥力特點(diǎn)進(jìn)行了比較研究，運(yùn)用主成分分析方法分析了間作不同作物對(duì)土壤養(yǎng)分含量及土壤肥力的影響規(guī)律，并篩選出適宜的橡膠間作種植模式，可為間作作物品種的選擇以及橡膠園合理高效的管理提供科學(xué)的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)區(qū)概況 試驗(yàn)區(qū)位于云南省德宏州盈江縣農(nóng)場(chǎng)的橡膠林，地處北緯24.50°～24.79°，東經(jīng)97.72°～98.08°，該區(qū)屬于南亞熱帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年日照2300 h以上，年均溫18.7～20.0 ℃，最冷月均溫11.0～13.2 ℃，年降水量1415～1724 mm。橡膠林屬于低丘陵和緩坡地區(qū)，土壤主要為沙壤土和壤土，橡膠林下間作咖啡、茶葉、香蕉、堅(jiān)果、益智、火龍果、胡椒等。

1.1.2 樣地選擇 試驗(yàn)在云南省德宏州盈江農(nóng)場(chǎng)橡膠林進(jìn)行，選取了4塊條件相似的橡膠林地，4種橡膠間作模式分別為橡膠×咖啡、橡膠×茶葉、橡膠×堅(jiān)果×香蕉、橡膠×咖啡×茶葉，橡膠品種為云研77-2，土壤質(zhì)地類型均為壤土。對(duì)橡膠各間作模式的日常管理措施一致，定期進(jìn)行除草、灌溉、施肥，基本情況見(jiàn)表1。

表1 樣地的基本情況

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品采集 土壤樣品采集時(shí)避開(kāi)施肥穴，土層深度為0～20 cm，每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)重復(fù)，分別采集3個(gè)混合土樣。為了確保土壤樣品具有代表性，每個(gè)土壤樣品均隨機(jī)采集6～20個(gè)點(diǎn)進(jìn)行混合，后采用四分法分選1 kg左右的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室。將帶回實(shí)驗(yàn)室的土樣去除雜質(zhì)，攤成薄薄的一層，放置于室內(nèi)桌面通風(fēng)處陰干、磨細(xì)，過(guò)20、60、100目篩后，保存于密封塑料袋中供分析檢測(cè)用[12,13]。

1.2.2 樣品測(cè)定項(xiàng)目及分析方法 檢測(cè)土樣水分、pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、全量銅、全量鋅、全量鎂共11項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)。采用重量法測(cè)定土壤水分[14]；采用電位法測(cè)定pH[15]；采用重鉻酸鉀溶解法—外加熱法測(cè)定有機(jī)質(zhì)[16]；采用半微量凱氏法測(cè)定全氮[17]；采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮[17]；采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定全磷[18]；采用NH4F-HCl法測(cè)定有效磷[19]；采用原子吸收分光光度計(jì)法測(cè)定全鉀、全量銅、全量鋅、全量鎂[20-22]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2003和SPSS 19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理性質(zhì)分析

土壤水分含量作為土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)，是土壤肥力的基本因素，參與土壤中物質(zhì)的代謝與轉(zhuǎn)化，能夠直接影響橡膠對(duì)水分的需要，同時(shí)影響土壤養(yǎng)分、空氣及熱量等肥力因素。橡膠×茶葉模式、橡膠×咖啡×茶葉模式的土壤水分含量分別與其它3種模式存在顯著差異，但橡膠×咖啡模式與橡膠×堅(jiān)果×香蕉間作模式差異不顯著。對(duì)于橡膠的4種間作模式，橡膠×咖啡×茶葉間作模式的土壤水分含量顯著高于其他間作模式(P<0.05)(表2)。這可能與間作作物的種類有關(guān)，每種作物的貯水能力和作物根系的保水能力不同，同時(shí)間作咖啡和茶葉增強(qiáng)了土壤的水分蓄持能力，從而增加了土壤的含水量。

2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)分析

2.2.1 不同間作模式對(duì)土壤pH的影響 土壤pH對(duì)土壤肥力性質(zhì)尤其是土壤養(yǎng)分有較大的影響，4種間作模式的土壤pH大小順序?yàn)椋合鹉z×咖啡×茶葉模式>橡膠×茶葉模式>橡膠×堅(jiān)果×香蕉模式>橡膠×咖啡模式，各間作模式之間土壤pH存在顯著差異(P<0.05)(表2)，表明橡膠同時(shí)間作咖啡、茶葉這種模式能有效地減弱土壤的酸性。

表2 不同間作模式的土壤理化性質(zhì)

2.2.2 不同間作模式對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響 土壤有機(jī)質(zhì)含量是表征土壤肥力和質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，是土壤各種營(yíng)養(yǎng)元素特別是氮、磷、鉀的重要來(lái)源，也是土壤微生物必不可少的碳源和能源[23]。4種間作模式中橡膠×茶葉間作模式土壤有機(jī)質(zhì)含量大小順序：橡膠×咖啡模式>橡膠×咖啡×茶葉模式>橡膠×堅(jiān)果×香蕉模式>橡膠×茶葉模式，其中橡膠×咖啡模式有機(jī)質(zhì)含量最大，其次是橡膠×咖啡×茶葉模式，各間作模式之間有機(jī)質(zhì)含量存在顯著差異(P<0.05)(表2)。

2.2.3 不同間作模式對(duì)土壤氮、磷、鉀含量的影響 土壤氮、磷、鉀含量是土壤養(yǎng)分中作物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)。從表2可知，在4種間作模式中，橡膠×咖啡模式土壤的堿解氮含量顯著高于其它間作模式；橡膠×堅(jiān)果×香蕉模式土壤的全磷含量顯著高于其它間作模式；橡膠×茶葉模式土壤的有效磷、全鉀含量顯著高于其它間作模式；橡膠×茶葉模式土壤的全氮含量最高，但各間作模式之間差異不顯著(P>0.05)(表2)。

2.2.4 不同間作模式對(duì)土壤微量元素(全量銅、全量鋅、全量鎂)含量的影響 土壤微量元素是作物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要組成部分，參與作物光合、呼吸、氧化還原等生理生化機(jī)制，其豐缺狀況、供應(yīng)強(qiáng)度和各養(yǎng)分間的協(xié)調(diào)程度直接影響著作物的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)[24,25]。從圖1可以看出，在4種間作模式中，橡膠×咖啡×茶葉間作模式的土壤全量銅、全量鋅元素含量顯著高于其它間作模式；橡膠×茶葉模式的土壤全量鎂含量顯著高于其它間作模式；4種間作模式之間全量銅、全量鋅、全量鎂含量存在顯著差異(P<0.05)。

圖1 不同間作模式膠園土壤微量元素含量

2.3 不同間作模式各土壤肥力指標(biāo)的相關(guān)性分析

選取土壤水分、pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、全量銅、全量鋅和全量鎂11個(gè)土壤理化指標(biāo)(分別用x1，x2，…，x11表示)，運(yùn)用SPSS軟件對(duì)土壤各肥力指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。從表3可以看出：全氮與全磷、有效磷、全鉀肥力指標(biāo)間存在正相關(guān)關(guān)系，與其他肥力指標(biāo)間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系；有機(jī)質(zhì)與水分、堿解氮、全量鋅肥力指標(biāo)間存在正相關(guān)關(guān)系，與其他肥力指標(biāo)間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系；在多個(gè)土壤肥力指標(biāo)間表現(xiàn)出顯著性或極顯著性相關(guān)。由上可知，如果僅憑單個(gè)肥力指標(biāo)與其他肥力指標(biāo)的相關(guān)性對(duì)土壤肥力進(jìn)行評(píng)價(jià)，往往得到的結(jié)果不全面，從而不能對(duì)橡膠園不同間作模式下土壤肥力進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)。本研究通過(guò)對(duì)土壤11個(gè)肥力指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，評(píng)價(jià)了橡膠園不同間作模式下土壤肥力。

表3 各土壤肥力指標(biāo)間的相關(guān)性分析結(jié)果

2.4 不同間作模式的土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

運(yùn)用主成分分析方法可以從多個(gè)互相關(guān)聯(lián)的復(fù)雜土壤肥力指標(biāo)體系篩選出一些不相關(guān)的綜合性指標(biāo)，能夠反映出原來(lái)全部指標(biāo)所提供的大部分信息。因此選取土壤水分、pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、全量銅、全量鋅和全量鎂11個(gè)土壤肥力指標(biāo)(分別用x1，x2，…，x11表示)，運(yùn)用主成分分析方法對(duì)4種橡膠園間作模式的土壤肥力進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)，并獲取主成分得分，然后以每個(gè)主成分所對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率之和的比例作為權(quán)重計(jì)算綜合得分，定性、定量評(píng)價(jià)橡膠園4種間作模式的優(yōu)劣。

2.4.1 特征值與方差貢獻(xiàn)率 根據(jù)主成分分析方法的原理，當(dāng)特征值大于1和累積貢獻(xiàn)率大于85%時(shí)，可反映系統(tǒng)的變異信息，同時(shí)特征值在某種意義上也可看作反映各主成分影響度大小的指標(biāo)。從表4可以看出前3個(gè)主成分的特征值均大于1；第1主成分貢獻(xiàn)率為43.015%，解釋了數(shù)據(jù)的部分變異；第2主成分貢獻(xiàn)率為37.247%；第3主成分貢獻(xiàn)率為12.024%；前3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)達(dá)到92.286%，表明基本解釋了數(shù)據(jù)的全部變異，所以選取前3個(gè)主成分作為主要因子，可以較好地反映土壤肥力的綜合水平。

表4 主成分分析的特征值與方差貢獻(xiàn)率

2.4.2 因子載荷矩陣及主成分表達(dá)式 由表5可知，水分、pH、全磷、全量銅、全量鋅、全量鎂含量在第一主成分上有較高載荷，方差貢獻(xiàn)率最大(42.682%)，說(shuō)明第一主成分基本反映了這6個(gè)指標(biāo)信息，且這6個(gè)指標(biāo)是影響土壤肥力最主要的因素；全氮、有效磷、全鉀在第二主成分上有較高載荷，說(shuō)明第二主成分基本反映了這3個(gè)指標(biāo)的信息，這3個(gè)指標(biāo)是影響土壤肥力的另外幾個(gè)重要因素；有機(jī)質(zhì)在第三主成分上有較高載荷，說(shuō)明第三主成分基本反映了這1個(gè)指標(biāo)的信息，有機(jī)質(zhì)也是影響土壤肥力的重要因素，所以提取這3個(gè)主成分能夠基本反映全部指標(biāo)的信息。對(duì)主成分因子進(jìn)行載荷換算得到特征向量(表5)，將特征向量與標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)(Zxi，i=1，2，…，11)相乘，得出反映土壤肥力的主成分線性表達(dá)式：

表5 初始因子載荷矩陣及特征向量

F1=0.295Zx1+0.384Zx2-0.275Zx3-0.045Zx4-0.396Zx5+0.345Zx6-0.081Zx7-0.073Zx8+0.444Zx9+0.282Zx10+0.351Zx11

F2=-0.327Zx1-0.004Zx2-0.371Zx3+0.162Zx4-0.249Zx5+0.016Zx6+0.434Zx7+0.484Zx8-0.082Zx9-0.371Zx10+0.315Zx11

F3=0.309Zx1+0.429Zx2+0.210Zx3-0.433Zx4-0.013Zx5-0.529Zx6+0.375Zx7+0.078Zx8+0.142Zx9-0.203Zx10-0.026Zx11

3 討論與結(jié)論

本研究采用土壤水分、pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、全磷、全鉀、全量銅、全量鋅和全量鎂這11個(gè)指標(biāo)對(duì)4種橡膠不同間種模式下土壤肥力進(jìn)行了對(duì)比分析和綜合評(píng)價(jià)。在土壤物理性質(zhì)分析中，橡膠×咖啡×茶葉模式的土壤含水量最高。在土壤化學(xué)性質(zhì)方面，橡膠×咖啡模式的土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量高于其它模式，橡膠×茶葉模式土壤全氮、全鉀、有效磷、全量鎂含量高于其它模式，與其它間作模式之間pH、有機(jī)質(zhì)、全磷、有效磷、全鉀、全量銅、全量鋅、全量鎂含量存在顯著差異。袁媛等[4,7,8,9,28]研究表明橡膠×菠蘿模式、橡膠×香蕉模式、橡膠×砂仁模式、橡膠×葛根模式可以顯著提高膠林土壤中的全氮含量，而橡膠×益智模式則會(huì)加大土壤中全氮的消耗，降低膠林土壤中的全氮含量。膠園間作不同的作物對(duì)土壤全氮影響不同，表明土壤全氮含量與間作物種種類有關(guān)。土壤全鉀含量與含水量及pH有一定的相關(guān)性[29]。橡膠×茶葉模式的土壤含水量最小，對(duì)鉀素固定和釋放的影響最小，同時(shí)pH較大，有利于土壤中鉀的固定，導(dǎo)致全鉀含量高。土壤有效磷供磷能力是由土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率確定的[30]，表明膠園間作土壤中有效磷含量與土壤中有機(jī)質(zhì)的分解速率有關(guān)，較低的C/P比是磷有效性高的一個(gè)指標(biāo)，有效磷含量與含水量呈負(fù)相關(guān)，橡膠×茶葉模式含水量最小，且有較低的C/P比，導(dǎo)致有效磷含量高。土壤全量鎂含量與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)，橡膠×茶葉模式的土壤有機(jī)質(zhì)含量最小，因此其全量鎂含量最高。

通過(guò)主成分分析法研究表明：水分、pH、全磷、全量銅、全量鋅、全量鎂含量這6個(gè)指標(biāo)對(duì)間作模式土壤肥力影響極其重要。各間作模式土壤肥力大小的順序?yàn)椋合鹉z×茶葉>橡膠×咖啡×茶葉>橡膠×堅(jiān)果×香蕉>橡膠×咖啡。本研究結(jié)果與其他研究結(jié)果一致，表明茶葉是橡膠適宜的間作作物，在膠園間作茶葉能促進(jìn)氮磷鉀的循環(huán)，部分改善土壤養(yǎng)分狀況，提高土壤肥力。橡膠×茶葉間作模式[31-33]含有兩層人工群落結(jié)構(gòu)，減少了水土流失，改善了土壤微生物生物量，增強(qiáng)了土壤地表呼吸強(qiáng)度，改善了土壤結(jié)構(gòu)性能，從而促進(jìn)了團(tuán)聚體形成，提高了土壤肥力，具有較好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

茶樹是喜光耐蔭忌強(qiáng)光的作物，特別是在幼苗期，必須在蔭蔽的環(huán)境下才能正常生長(zhǎng)；到開(kāi)花結(jié)果時(shí)又需要一定的陽(yáng)光，因此，茶樹可能是最合適的間作植物，借助橡膠樹的遮蔭，能為茶樹生長(zhǎng)提供蔭蔽環(huán)境；橡膠×茶葉間作模式具有空間配置合理、種間關(guān)系協(xié)調(diào)、對(duì)環(huán)境資源的充分利用有良好生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)[31，34]，所以膠園間作茶樹后能共生雙贏，既可以充分利用空間和營(yíng)養(yǎng)，提高土壤肥力，又可以帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益，是一種值得推廣的橡膠間作模式。