基于主成分分析和模糊數學法的桉樹人工林土壤肥力質量評價

覃祚玉，曹繼釗，唐健，鄧小軍,，潘波，宋賢沖

（1.廣西林業科學研究院，廣西 南寧 530002；2.國家林業局中南速生材繁育實驗室，廣西 南寧 530002；3.廣西優良用材林資源培育重點實驗室，廣西 南寧 530002）

桉樹Eucalyptus是南方國家儲備林的重要樹種，是廣西主要用材樹種，在緩解我國木材供需矛盾、維護國家木材安全、增加森林碳匯、應對氣候變化方面具有突出貢獻[1]。目前，廣西桉樹種植面積達256萬hm2，其桉樹木材供給量約占全國木材供給量的1/3，面積和產量均居全國前列。然而，由于桉樹速生豐產和人為不科學經營所帶來的土壤退化和木材單位產量下降問題也日益突出。土壤是木材生產的基礎，其質量的好壞直接影響到桉樹產量及其可持續經營，其中土壤肥力是土壤的本質屬性，因此，掌握其土壤養分貧瘠化狀況是桉樹人工林土壤“提質”的重要前提，對實現林地可持續利用具有重要意義。從2017年開始，廣西通過測土配方、增施有機肥、免煉山整地等沃土技術措施率先在全區18個單位（涉及8個市的11個貧困縣和7家區直林場）的商品用材林地和經濟林開展“林業沃土工程”，建設規模為1.293萬hm2，其中桉樹沃土示范林建設6 388 hm2，涉及8個試點單位（上思縣平廣林場、東門林場、博白林場、玉林市福綿區大義林場、大桂山林場、六萬林場、黃冕林場、雅長林場）。

目前，應用在桉樹人工林地土壤肥力評價方法有很多，其中應用較為廣泛的為灰色關聯度法[2-3]、主成分分析[4-5]和內梅羅指數[6-7]等方法。土壤肥力評價的科學性基于其評價過程的科學性，主要包括土壤樣品的采集、評價單元和評價尺度的選擇、評價指標以及評價方法的選擇，每一個過程均對評價結果的準確度造成影響[8]。近年來，隨著數值化評價方法的提出及多元統計分析方法和模糊數學方法等[9-11]的廣泛應用，土壤肥力綜合評價也日趨定量化和標準化，其評價結果也更客觀、更切合實際。本文以廣西2017年林業沃土工程8家試點單位的桉樹人工林地為研究區域，采用主成分分析、聚類分析法結合模糊數學方法全面地對廣西桉樹人工林地的土壤肥力質量進行綜合評價，摸清廣西桉樹人工林土壤肥力現狀，為桉樹人工林地力退化防治和桉樹人工林的科學經營提供依據。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集與分析

2017年11—12月，采集廣西上思縣平廣林場、東門林場、博白林場、玉林市福綿區大義林場、大桂山林場、六萬林場、黃冕林場、雅長林場1～ 2年生桉樹人工林的土壤。根據桉樹種植情況，成片性好的林地每5～ 20 hm2為一取樣點，較為分散林地每1～ 5 hm2為一取樣點，共采集具有代表性的土樣270個，覆蓋面積有6 388 hm2，其中萌芽林有5 773 hm2，新造林有616 hm2，各采樣區的基本情況見表1。每個樣點按S形采集0～ 40 cm層土壤，將采集的10～ 15個采樣點的土壤用四分法混合成一個樣品，去除石礫和植物根系后，風干，獲得待測土壤樣品，用于測定土壤pH和有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀、交換性鈣、交換性鎂、有效銅、有效鋅、有效硼、有效鐵、有效錳含量等養分指標，各指標參照《中華人民共和國林業行業標準LY/T—1999》進行測定，3次重復，結果取均值。

表1 采樣區基本情況Table 1 Information on sampling sites

1.2 土壤肥力模糊綜合評價

1.2.1 評價指標的選擇 本文選取土壤pH和土壤有機質、堿解N、有效P、速效K、全N、全P、全K含量、交換性Ca、交換性Mg、有效Cu、有效Zn、有效B、有效Fe、有效Mn含量共15項指標作為土壤肥力質量的評價指標，利用主成分分析法和模糊數學方法，對廣西桉樹人工林林地土壤肥力進行綜合評價。土壤肥力評價指標的影響程度用隸屬度函數來表示。

1.2.2 評價指標的數值化 土壤肥力評價指標對林地土壤綜合肥力的影響程度及其量綱不一，需對各項指標值進行數值化處理，建立各評價指標的隸屬度函數，常用的隸屬函數有兩類：S型和拋物線型，其隸屬函數形式分別見公式（1）和公式（2）。根據前人的研究[12-14]結果，土壤有機質、全N、全P、全K、堿解N、速效P、速效K、交換性Ca、交換性Mg、有效Cu、有效Zn、有效B、有效Fe、有效Mn含量屬于S型隸屬度函數，而pH值屬于拋物線型隸屬度函數。

式中，U（x）為評價指標隸屬度值，x為評價指標實測值；a為隸屬函數下限值；b、c為隸屬函數最優值；d為隸屬函數上限值。隸屬函數轉折點取值（表2）參考前人研究成果[15-17]并結合研究區實際土壤性質狀況進行確定。

表2 隸屬函數曲線中評價指標的轉折點取值Table 2 Turning point in membership function for evaluating indicators

1.2.3 權重的確定 由于土壤肥力各評價指標對土壤綜合肥力的貢獻率不同，在土壤綜合評價中往往需要對各項評價指標賦予一定的權重系數。在前人的研究中，普遍采用因子分析法、專家打分法、聚類分析法、主成分分析法、灰色關聯度法、層次分析等方法確定權重系數[18-21]。為避免人為主觀因素影響，本研究采用主成分分析法來確定各指標的權重。

1.2.4 土壤肥力質量綜合指標值的確定 本文采用加權求和法按照公式（3）計算出土壤肥力質量綜合指標值（integrated fertility index，IFI）：

式中，Wi、μi分別表示第i種養分指標的隸屬度值和權重系數。

1.3 數據處理

采用Excel軟件對試驗數據進行統計分析；使用SPSS 19.0軟件對檢測數據進行描述性統計、因子分析，確定權重；采用系統聚類分析法劃分綜合肥力指標值等級。

2 結果與分析

2.1 桉樹人工林地土壤性狀描述性統計

變異系數（CV）代表觀察值的離散程度或變異程度，通常認為，CV≤10%時為弱變異性，10%＜CV＜100%時為中等變異性，CV≥100%時為強變異性[22]。由表3可知，廣西桉樹人工林地土壤pH值在4.04～ 6.72之間，CV為10.39%，在15項指標中的變異程度最小，土壤呈現強酸性到中性特征，說明桉樹適宜在酸性土壤中生長且適應性較廣；土壤大量元素含量中的全N、全P、全K、堿解N、速效K含量的CV介于37.56%～ 79.05%之間，屬于中度變異程度，而有效P含量的CV則高達418.85%，為強變異性。桉樹人工林土壤中微量元素含量變異程度不一，土壤交換性Ca和交換性Mg含量屬于強變異性，其CV均超過190%；微量元素含量中變異較大的為有效Fe含量，其CV為181.10%，其次是有效B和有效Mn含量，其CV分別為146.64%和139.26%，三者均為較強變異性，而有效Cu和有效Zn含量的變異強度不大，屬于中等變異性。

表3 土壤屬性的統計特征值Table 3 Statistical characteristics of soil fertility factors

2.2 桉樹人工林土壤肥力質量綜合評價

2.2.1 肥力評價指標權重的確定 對15項指標進行因子分析，并確定各土壤評價指標的權重（表4）。

表4 土壤屬性主成分因子載荷矩陣和因子權重Table 4 Factor loadings matrix and weight of soil fertility factors by principal component analysis

由表4可知，特征值大于1的主成分（PC）共有5個，其累計貢獻率達到75.248%，說明這5個主成分基本上可以反映廣西桉樹人工林土壤肥力質量的主要影響因素。第1主成分由土壤有機質、全N、堿解N、有效B、有效Fe含量構成，貢獻率達到26.595%；第二主成分由pH值和全K、有效P、速效K含量4項土壤因子構成，大致反映了土壤大量元素的速效養分特征。土壤全量養分、速效養分含量分別反映土壤養分的供應容量和供應強度，而土壤有機質含量則是土壤綜合肥力的重要反映指標。因此，第1、第2 主成分實質上是土壤生境、土壤養分供應容量和供應強度的綜合反映，可概括為土壤保肥、供肥因子和土壤活性因子。

2.2.2 土壤綜合肥力指標值計算 根據肥力指標隸屬函數公式計算出各指標的隸屬度，通過雷達圖可以更清晰、完整和直觀判斷各肥力指標的狀態。圖1為不同區域桉樹人工林地各土壤肥力指標所對應的隸屬度均值雷達圖，隸屬度均值越大表示該項指標的肥力水平越高。從整體上看，桉樹人工林地土壤中pH值和有效Zn、有效Cu、交換性Ca、全量N、堿解N含量的隸屬度值較大，而土壤中速效K和有效P含量的隸屬度值均最低，是影響林地土壤肥力的主要限制因子。對土壤肥力綜合指標值與影響土壤肥力的15個指標進行相關分析得出：土壤肥力綜合指標值與土壤有機質、全N、有效P、速效K、有效Fe及有效B含量呈極顯著正相關，與有效Mn、交換性Mg含量呈顯著正相關，與pH值呈顯著負相關。影響廣西桉樹人工林土壤肥力相關系數大小依次為：有機質含量（0.662）＞堿解N含量（0.614）＞有效P含量（0.556）＞有效B含量（0.517）＞有效Fe含量（0.496）＞速效K含量（0.458）＞交換性Mg含量（0.351）。因此，在桉樹生產經營過程中應注重增施有機肥，及時補充P、K肥和B、Fe元素，并通過有效的沃土措施，提高林地養分供應容量和元素有效成分。

圖1 各土壤肥力指標平均隸屬度雷達圖Figure 1 Radar map of average membership degree of soil fertility factors

IFI的大小表示土壤養分綜合肥力等級，可以全面反映某一林地的土壤養分狀況。根據公式（3）計算得出各土壤樣品的IFI。對270個樣點的土壤IFI進行描述性統計與單一樣本K-S檢驗，結果見表5。

表5 廣西桉樹人工林土壤肥力綜合評價標準及評價結果Table 5 Comprehensive evaluation standard and result of soil fertility in Eucalyptus plantations

由表5結果表明，廣西桉樹人工林土壤IFI變幅在0.160～ 0.687，處于較差等級，平均值為0.358，標準差為0.133，CV為269.78%，IFI屬于強度變異性，并服從正態分布。國有林場（除雅長林場外）的IFI的CV在80.96%～ 94.28%，屬于中度變異性，這與林場林地比較集中，林地基礎肥力差異小，經營措施一致有關，而市縣林場和雅長林場林地土壤IFI的CV均大于100%，這與縣級林場和雅長林場桉樹人工林為場外造林，林地分散且基礎地力差異性較大有關。不同種植區的桉樹人工林地土壤肥力不同，其肥力由大到小的次序為：玉林市福綿區大義林場＞大桂山林場＞黃冕林場＞東門林場＞雅長林場＞六萬林場＞上思縣平廣林場＞博白林場。總的來說，廣西桉樹人工林地土壤肥力東部較西部好，南部較北部好。這種土壤肥力分布與廣西實際地形地貌等自然條件相對應，廣西東部和南部大多為低山及丘陵，土壤類型主要為紅壤、磚紅壤，而廣西北部和西部林地海拔較高，土壤類型主要為石灰巖土、紅壤、磚紅壤。

2.2.3 土壤肥力水平等級的劃分 為了避免人為干擾及等距劃分等級帶來的誤差，本研究采用系統聚類分析法將計算出的土壤IFI劃分為5個等級：Ⅰ級為優（IFI＞0.610），Ⅱ級為良（IFI＞0.510～ 0.610），Ⅲ級為中（IFI＞0.400～ 0.510），Ⅳ級為較差（IFI＞0.300～ 0.400），Ⅴ級為差（IFI≤0.300）。由圖2可以看出，廣西桉樹人工林土壤肥力從Ⅴ級到Ⅰ級的樣品呈階梯狀逐級遞減，分別占總樣品的33.3%、27.8%、23.3%、12.2%和3.3%，桉樹人工林地土壤肥力等級處于中等以下的占總樣品的84.4%，Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級三個等級所占面積較為均衡，約占總面積的25%。桉樹人工林在長期高強度、不科學的經營管理下，土壤退化嚴重，本研究調查的8個研究區中僅有雅長林場的少數土壤位點的土壤質量處于優等。上思縣平廣林場、東門林場、博白林場3個林場的桉樹人工林土壤質量全部處于中等以下。總的來說，博白林場、上思縣平廣林場的桉樹人工林地土壤肥力為Ⅴ級，東門林場、黃冕林場、雅長林場和六萬林場桉樹人工林地土壤肥力為Ⅳ級，而大桂山林場和玉林市福綿區大義林場的桉樹人工林地土壤肥力則為Ⅲ級。

圖2 廣西不同種植區桉樹人工林土壤質量指數分級分布情況Figure 2 Distribution of soil fertility grades in different region of Eucalyptus plantations in Guangxi

3 結論與討論

土壤性質描述性統計和單因素肥力評價結果表明，廣西桉樹人工林土壤均為酸性土壤，土壤中的交換性Ca含量較為豐富，土壤有機質、全N氮、全K鉀、堿解N氮、交換性鎂Mg、有效銅Cu、有效Zn鋅、有效硼B、有效Mn錳含量適中，而全P磷、有效P磷、速效K鉀、有效Fe鐵處于貧乏水平。因此，廣西桉樹人工林土壤養分缺乏，尤其是P元素。這與鄭洲翔等和研究結果一致[23]，可能與廣西桉樹種植區多處于紅壤區有關，紅壤中可變電荷礦物（Al3+、Fe3+）大量存在，對土壤中P元素具有強烈的固持作用[24]，同時土壤的低pH值加劇了P的固定過程[25]，導致可供植物吸收利用的游離態磷（HPO42-、H2PO4-）不足。與馬涪等[26]對廣西桉樹林地的研究結果（桉樹土壤微量元素B、Cu、Zn較為缺乏，尤其是B含量處于極貧狀況）相比，本文中桉樹人工林土壤B、Cu、Zn含量有所提高，處于中等水平，這可能與近幾年廣西普遍性施肥配方有關，其肥料中注重添加了B、Cu、Zn、Fe等微量元素。

通過主成分分析，廣西桉樹人工林土壤肥力限制因子為：土壤有機質＞堿解N＞有效P＞有效B＞有效Fe＞速效K。這與馮嘉儀等[6]對華南地區典型桉樹林分土壤肥力綜合評價結果一致，有機質在桉樹人工林土壤肥力中起著最重要的作用，有效P、速效K是影響土壤肥力的限制性因子。建議低肥力土壤林地應增施有機肥，依據適地適樹原則，適量補充N、P、K肥，針對性添加施用Fe肥和B肥。目前，我國80%以上桉樹人工林采取短周期連栽方式，輪伐期比世界其他國家普遍要短，一般為5～ 7 a[27]，從而加劇了桉樹人工林土壤肥力的下降。合理種植如低代次、低密度、混交林等形式的桉樹人工林，可減少土壤破壞，提高土壤有機質含量，提高土壤質量[28]。

廣西桉樹不同產區土壤肥力差異較大。大多數研究土壤的肥力處于中等偏下水平。模糊綜合評價結果表明，不同區域桉樹人工林土壤肥力質量由好到差依次為：玉林市福綿區大義林場＞大桂山林場＞黃冕林場＞東門林場＞雅長林場＞六萬林場＞上思縣平廣林場＞博白林場。廣西桉樹人工林土壤綜合肥力指數為0.160～ 0.687，處于優良水平的土壤僅有15.5%，土壤肥力質量整體屬于較差等級。鄧富春等[2]對廣西不同林齡的桉樹林地肥力調查評價結果表明，桉樹人工林土壤肥力整體水平處于較差等級，中齡林至成熟林則處于差等級，而1～ 2年生的桉樹人工林仍處于中等水平。但本文對廣西1～ 2年生桉樹人工林土壤綜合肥力評價結果表明，目前桉樹林地土壤肥力已處于較差等級，土壤退化趨勢初顯。因此，在桉樹生產經營過程中需重視林地地力建設，避免林地土壤進一步的退化，同時要采取一定的沃土保育措施盡快恢復并提高其基本地力和重建生產力，桉樹產區土壤肥力提升應側重于利用當地產生的資源（如有機資源、磷礦）改善土壤有機質、有效磷等參數，以降低成本提高土壤肥力及林地生產力。