采用主成分分析法评估不同种植年限生甘草地土壤质量.docx

采用主成分分析法评估不同种植年限生甘草地土壤质量土壤和植被是陆地生态系统的重要组成部分,植物通过根系与土壤连成一个整体,与土壤进行着各种物质和能量交换而影响其理化和生物学性质,即影响着土壤质量[1]土壤质量指的是一种特定类型的土壤在自然或有管理的生态系统边界内发挥作用的能力,以维持动植物的生产力,提高水和空气的质量,并保障人类的健康生活[2]作为表征土壤条件动态变化最敏感的指标,土壤质量能反映土壤管理水平,对退化土地的恢复、区域土地资源管理和土地持续利用也具有重要意义[3]国际上常用的土壤质量评价方法包括土壤质量卡片及监测系统[4]、土壤质量指数法[5]和模糊关联法[6]等由于土壤质量评价目的和评价对象尺度不同,且评价工作复杂,易受外界因素干扰,国内外对土壤质量评价并没有建立统一标准[7]甘草为豆科甘草属多年生草本,在我国多分布于宁夏、甘肃、新疆和内蒙古等地区,作为我国传统中药材,具有补脾益气、清热解毒、祛痰止咳和缓急止疼等多种功效前人已对甘草防风效应[8]、有效成分含量[9]、生长发育动态、生理生化特征[10]以及对干旱与盐胁迫的响应等[10,11]进行了大量研究在甘草地土壤特性方面,李昂等[12]研究了种植甘草对土壤次生盐渍化的影响,潘惠霞等[13]研究了甘草根际土壤微生物的种类、数量和分布规律,吴振振等[14,15]研究了甘草对盐碱地土壤理化性质、酶活性及微生物功能多样性的影响,这些研究都集中于甘草对土壤某一特性的影响,而未对甘草地土壤质量进行总体评价。

主成分分析法是一种经典的特征提取和降维方法,它将原来多个变量转化为少数几个不相关且包含的信息不重复的综合指标,即简化了原始高维变量,还最大限度地保留了原始数据信息[16],这一方法被许多学者用于土壤质量评价[17,18,19]鉴于此,本研究采用主成分分析法对不同种植年限的甘草地进行土壤质量评价,以探明甘草种植对土壤的改良效应,为荒漠区沙土的植物改良措施提供参考1、材料与方法1.1研究区概况研究区地处杭锦旗独贵塔拉镇,位于库布齐沙漠北缘,地理坐标为108°31′34.40″E,40°36′58.77″N,海拔1022m该区属于典型温带大陆性干旱气候,季节变化显著,冬季寒冷干燥,夏季温暖少雨年均温9.4℃,极端最高气温38.1℃,极端最低温-30.5℃,年均日照时数3087.4h,≥10℃年积温均值为3198.3℃多年平均降水量为186mm,降水集中于6-9月,占全年降水量的70%,年均蒸发量为降水量的16倍无霜期约140d,年均风速3.2m·s-1境内广泛分布流动沙丘,植被主要由沙柳、花棒、梭梭、柠条锦鸡儿和杨柴等人工沙生灌丛组成1.2研究方法1.2.1样地设置与样品采集于2018年9月在独贵塔拉镇阿木古龙选择1年生(2018年种植)、2年生(2017年种植)、3年生(2016年种植)和4年生(2015年种植)甘草地以及流动沙地(对照)作为样地,在每块样地中设置4个具有代表性的1m×1m的样方,测定样方内甘草的植被盖度、高度和地上生物量等指标。

在各样方内取1份0～30cm土层土样装入自封袋带回实验室测定土壤化学和生物学特性,并在各样方内按0～10cm、10～20cm和20～30cm土层各取3个环刀样以测定土壤物理性质1.2.2测试方法土壤容重、田间持水量、总孔隙度和平均入渗率均用环刀法测定,土壤含水量用烘干法测定,土壤pH值用电位法测定,电导率用电导法测定,有机质用重铬酸钾容量法测定,速效氮用碱解扩散法测定,速效磷用0.5mol·L-1NaHCO3法、速效钾用NH4OAc浸提-火焰光度法测定[20]细菌、真菌与放线菌分别采用牛肉膏蛋白胨培养基(牛肉膏5.0g、蛋白胨10.0g、氯化钠5.0g、琼脂20.0g,加水1000.0mL,调节pH在7.0～7.3之间)、马丁氏培养基(K2HPO41.0g,MgSO4·7H2O0.5g,蛋白胨5.0g,葡萄糖10.0g,琼脂15.0g,水1.0L,1.0L培养液加入1%孟加拉红水溶液0.33mL,临用时每1.0L培养基中加入1%链霉素液3.0mL)与高氏1号培养基(可溶性淀粉20.0g,KNO31.0g,K2HPO40.5g,MgSO4·7H2O0.5g,NaCl0.5g,FeSO4·7H2O0.01g,琼脂20.0g,水1.0L),并用平板表面涂抹法计数[21]。

脱氢酶用三苯基四氮唑氯化物(TTC)比色法测定,脲酶活性用苯酚钠次氯酸钠显色法测定,蔗糖酶活性用3,5-二硝基水杨酸比色法测定,多酚氧化酶用邻苯三酚比色法测定,磷酸酶用磷酸苯二钠比色法测定[22]1.2.3数据统计与分析采用Excel2003进行数据统计和绘图,采用SPSS18.0进行单因素方差分析、LSD多重比较、双变量相关性分析、主成分分析和聚类分析在进行主成分分析时,由于各土壤指标的量纲和数量级不同,为排除其对结果的影响,需对原始数据进行标准化处理标准化后的数据需进行KMO检验和Bartlett’s球状检验KMO检验用于检查变量间的相关性和偏相关性,取值在0～1之间,KMO统计量在0.7以上时效果比较好,当KMO统计量在0.5以下时不适合应用主成分分析Bartlett’s球状检验用于检验各变量是否各自独立,当检验结果显示Sig.<0.05(P<0.05)时,表明适合作主成分分析主成分个数的提取原则是相对应特征值大于1的前m个主成分,且一般要求累计方差贡献率要达到85%2、结果与分析2.1不同年龄甘草地土壤物理性质由表1可知,不同年龄甘草地0～30cm土层土壤含水量差异显著,其大小顺序为3a生>4a生>2a生>1a生>CK,3a生甘草地土壤含水量显著大于其他年限甘草地,CK、1a生和2a生甘草地之间无显著差异。

各年龄甘草地土壤平均入渗率无显著差异,但均显著高于CK;各年龄甘草地土壤容重无显著差异,但均显著低于CK随着甘草种植年限的增加,土壤田间持水量无明显变化,其值在20.83%～23.45%之间各年龄甘草地土壤总孔隙度无显著差异,但均显著高于CK表1不同种植年限甘草地土壤物理性质2.2不同年龄甘草地土壤化学性质由图1可知,本实验区土壤整体偏碱性,土壤pH7.67～8.69,流动沙地的土壤碱性大于各年龄甘草地;1a生和2a生甘草地土壤pH间无显著差异,3a生和4a生甘草地间亦无显著差异,且1a生和2a生甘草地土壤pH均显著小于3a生和4a生甘草地各年龄甘草地、流动沙地间土壤电导率无显著差异1a生甘草地速效钾含量显著大于其他样地,2a生甘草地速效钾含量显著大于3a生和4a生甘草地,各速效钾含量大小顺序为1a>2a>CK>4a>3a随着甘草种植年限的增加,各样地速效氮含量总体呈现增加的趋势,CK速效氮含量最低,3a生甘草地含量最高各年龄甘草地土壤速效磷含量显著高于流动沙地,2a生和3a生甘草地显著高于1a生和4a生甘草地各样地土壤有机质含量大小顺序为4a>2a>3a>1a>CK,4a生甘草地显著大于其他甘草地,流动沙地显著小于各甘草地。

图1不同种植年限甘草地土壤化学性质2.3不同年龄甘草地土壤生物学特性由表2可知,4a生甘草地土壤脱氢酶活性显著高于1a、2a和3a生甘草地,1a、2a和3a生甘草地间的土壤脱氢酶活性较为接近,沙地显著低于各甘草地;各样地土壤脲酶活性的大小顺序为3a>4a>2a>1a>CK,3a生甘草地土壤脲酶活性约为流动沙地的9.6倍各样地土壤蔗糖酶活性和磷酸酶活性总体上随着甘草年龄增加而明显增强,3a和4a生甘草地土壤蔗糖酶活性显著高于流动沙地、1a和2a生甘草地;除了1a和2a生甘草地土壤磷酸酶活性间无显著差异外其他均差异显著流动沙地多酚氧化酶活性显著低于各甘草样地,而各甘草样地间无显著差异由图2可知,随着甘草种植年限的增加,各样地土壤细菌数量总体上呈增加趋势,其中3a生甘草地土壤细菌数量最多,3a和4a生甘草地土壤细菌数量显著多于其他样地流动沙地土壤真菌数量显著多于各甘草样地,各甘草样地间土壤真菌数量无显著差异3a和4a生甘草地土壤放线菌数量显著多于其他样地,其中3a生甘草地最多,1a、2a生和流动沙地间无显著差异在3大类微生物中,各样地土壤放线菌数量所占比例最大,为65.12%～83.26%;除流动沙地外,各甘草样地细菌数量所占比例次之,为19.13%～34.57%;除流动沙地外,各甘草样地真菌数量所占比例最低,为0.25%～1.25%。

1a和2a生甘草地细菌数量所占百分比显著高于3a和4a生甘草地,而3a和4a生甘草地显著高于流动沙地流动沙地真菌数量所占百分比显著高于各甘草样地,流动沙地为甘草地的11.4～57.1倍,各甘草样地间无显著差异1a和2a生甘草地放线菌数量所占百分比显著低于3a、4a生甘草地和流动沙地,3a、4a生甘草地和流动沙地间无显著差异表2不同种植年限甘草地土壤酶活性图2不同种植年限甘草地土壤微生物数量及比例土壤微生物和酶具有较为密切的联系,两者是土壤生态系统代谢的重要动力,也是土壤质量评价的重要指标[23]本研究中,细菌与放线菌具有极强的正相关性,两者与脲酶、蔗糖酶及磷酸酶呈显著正相关;值得注意的是,真菌与细菌、放线菌以及所有酶均呈负相关,且相关性普遍不显著除多酚氧化酶外,其他酶间具有显著正相关关系2.4主成分分析由表4可知,对本研究中的19个土壤指标进行主成分分析,共提取出特征根大于1的主成分4个,4个主成分的贡献率分别为57.594%、28.297%、7.303%和6.806%;第1主成分和第2主成分的方差贡献率较大,第3主成分和第4主成分的方差贡献率相对较小,其他主成分的方差贡献率接近0;4个主成分的累计贡献率为100.000%,表示这4个主成分涵盖了所有的原始数据信息。

表3土壤微生物与土壤酶活性间的相关性矩阵表4主成分分析的特征根与方差贡献率主成分分析中的因子载荷实际上是原始变量与主成分的相关系数,相关系数越大,表明该主成分越能代表该原始变量由表5可知,主成分1与大部分土壤指标的相关系数均在0.7以上,其中,主成分1与总孔隙度、速效氮和有机质极显著正相关,与细菌显著正相关主成分1主要包含了除pH值、速效K、田间持水量和电导率外的土壤信息主成分2与放线菌、pH值、速效K、田间持水量和电导率相关性较好,其中,与pH值显著正相关主成分3与脱氢酶的相关性较强,与其他土壤指标的相关性较低主成分4与电导率相关性最好,与其他指标的相关性较差在主成分分析中,因子得分乘以相应特征根的算术平方根即为主成分得分,综合主成分得分是每个主成分得分与其对应贡献率的乘积的总和,各主成分的贡献率等于各主成分对应的特征根占所有特征根之和的比例本研究中,各主成分得分与综合主成分得分见表6由于主成分5～19的特征之和极小,导致提取出的4个主成分的贡献率与其方差贡献率极为接近;主成分1的贡献率最高(57.594%),主成分2次之(28.297%),主成分4最低(6.806%)各样地主成分1得分中,4a生得分最高,3a生次之,CK最低;主成分2得分中,3a生得分最高,CK生次之,1a生最低;各样地主成分3得分的大小顺序为4a>CK>2a>1a>3a,各样地主成分4得分的大小顺序为2a>CK>3a>4a>1a。

本研究中,各样地主成分综合得分的计算是基于19个土壤指标对各样地土壤质量的综合评价计算结果表明,各样地土壤综合得分大小为4a>3a>2a>1a>CK,从数值上看,3a和4a生甘草地土壤质量明显好于其他样地,流动沙地土壤质量最差表5土壤指标与主成分的相关性表6各主成分得分与排名以主成分分析中提取出的4个主成分得分作为评价土壤综合质量的新指标,用欧氏距离衡量各样地土壤综合质量差异大小,采用组间联接法将各样地土壤按其综合质量的相似程度进行聚类分析在欧氏距离为7处,可将各样。