黃土丘陵區人工林典型林分土壤肥力綜合評價

朱家晸，秦富倉*，李 龍，楊振奇，芳 菲，趙 琦

（1．內蒙古農業大學沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2．荒漠生態系統保護與修復國家林業和草原局重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010000；3．阿拉善左旗科學技術和林業草原局，內蒙古 阿拉善盟 750300）

生態人工林主要為滿足保護和改善人類生存環境、維護生態平衡、保存物種資源、科學試驗等需要，其主要作用是增強森林涵養水源能力、調節當地小氣候以及保持生態平衡等［1］。根據第九次全國森林資源清查內蒙古自治區清查結果，內蒙古現有森林面積2614.85 萬hm2，其中人工林面積600.01萬hm2，占22.94%，面積巨大。這其中，土壤作為森林生態系統的重要組成部分，對森林生態系統的養分循環及健康發育均有著重要影響［2］。

林下土壤作為供應樹木成長所需營養的重要基質，對林木的生長和分布狀況有著重要作用［3］。林下土壤肥力是森林土壤性能的重要指標。國內外研究表明，土壤肥力主要受土壤的物質組成、結構、環境等因素的影響，是土壤理化性質的綜合反映［4］。土壤肥力狀況能夠反映植物從土壤中吸取養分的潛力，主要包括土壤的機械組成、有機質含量、氮、磷和鉀的全量和有效量，這些指標對樹木的生長有著重要影響。不同林分由于樹種、造林模式、郁閉度等組成條件的不同，會導致土壤理化性質發生變化，進而影響森林生態系統結構變化，土壤抵抗鹽堿化的能力也隨之改變，并可能最終改變森林演替軌跡［5-6］。因此，深入研究不同林分類型的土壤肥力狀況，對評價土壤質量狀況、科學利用土地資源、合理進行森林經營管理以及維護森林生態系統平衡均具有重要意義。

目前常用的傳統土壤肥力評價方法主要分為經驗權重法和統計權重法［7-10］。不同評價方法采用的體系和側重點不同［11-12］，其最終得出的結果也就有所不同。本文主要采用更側重于數據本身體現的統計學意義和數理統計方法的統計權重中的主成分分析法和相關性分析法。

為研究不同林分類型的土壤肥力狀況，本研究以內蒙古自治區清水河縣公益林區內的油松林、落葉松林、山杏林、喬灌混交林（油松+檸條）、針闊混交林（銀白楊+落葉松）5 種主要林分人工林林下土壤為研究對象，采用相關性分析法［10］以及主成分分析法［13］對土壤肥力進行綜合評價。旨在探討對比不同林分類型下人工林土壤肥力的狀況。為黃土丘陵區生態公益林管理和對森林土壤資源的科學管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

清水河縣位于內蒙古自治區呼和浩特市最南端（111°21′～112°07′E，39°35′～40°11′N），海拔960 ～1837 m。縣境內平川95 km2，山地974 km2，丘陵1499 km2，構成了溝壑和平原并存的地貌類型。林木保存面積8.8 萬hm2，森林覆蓋率30.8%，主要樹種有油松、落葉松、檸條、沙棘、杏等。清水河縣地處中溫帶，屬典型的溫帶大陸性季風氣候；雨熱同季，雨量集中；主要集中在6 ～9 月，占年降水量的80%；歷年平均降水量413.8 mm，平均降水日數為75 d，全縣年蒸發量達2577.2 mm；年平均氣溫7.1℃。主要有栗鈣土、栗褐土、灰褐土、潮土、風沙土、沼澤土、鹽土、石質土8 個土類；地帶性土壤為栗鈣土。

1.2 土壤樣品采集

在查閱文獻和實地調查的基礎上，于2020年7 ～9 月在清水河縣公益林區內，根據樹種分布現狀和數量，篩選出立地條件相同、具有代表性的5 種典型林分類型，包括油松林、落葉松林、山杏林、喬灌混交林（油松+檸條）、針闊混交林（銀白楊+落葉松），林齡均在15 年以上，在其中選取具有代表性的區域，并在每種林分代表區域中隨機設置5 個樣地斑塊，共計25塊樣地，每塊樣地面積均為20 m×20 m，在樣地對角線上設置3 個采樣點，每個采樣點面積為1 m×1 m；收集0 ～20 cm 土層的土壤，去除表層腐殖質、殘根等，平均分成4 份共收集1 kg 的樣品，編號后帶回實驗室，風干后過篩備用。樣地基本情況見表1。

1.3 土壤化學性質測定

土壤pH 值采用混合指示劑比色法測定；有機質含量采用重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化法測定；有效磷含量用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；全磷、全氮含量采用HClO4-H2SO4消化法測定；速效鉀含量采用中性乙酸銨浸提法測定；堿解氮含量用堿解擴散法測定［14］。

表1 樣地基本情況

1.4 評價方法

1.4.1 指標標準化處理

在進行評價之前，因為各項待評價指標的量綱數據具有差異性，因而需要解決其統一標準化的問題，進而完成各項評價指標的數據統一化，使各評價指標間具備可比性［4］。因此，需要創建出各項評價指標的隸屬度函數，并計算各指標的隸屬度函數值。按照相關文獻記載以及不同樹種的實際生長情況，可將隸屬度函數分為拋物線型和S 型。

拋物線型隸屬度函數：評價指標體系中具備一定范圍的樹木最佳生長區間。假設其指標數據離開此區間，則認定不適于樹木的生長。指標數據的偏離程度可以反映其對樹木生長的影響，pH 指標離散程度較低，適用于此函數。隸屬度函數值F（x）的計算公式為：式中，x 為測定評價指標的實際值，xa、xb、xc、xd為函數曲線轉折點的取值。

S 型隸屬度函數：S 型隸屬度函數的曲線特征是，指標假定在一固定數值區間內增長時，可以反映出評價指標對樹種的生長具有較大影響，一旦低于或高于此區間，則評價指標影響較小，適用于數據離散程度較大的土壤有機質、全氮、全磷、有效磷、速效鉀、堿解氮含量。式中，x 為測定的評價指標的實際值，xa、xb為函數曲線轉折點取值。

綜上，根據公式（1）和（2）可將指標數據轉化為0.1 ～1.0 的無綱量化數值，數值越接近1.0 表明指標對樹木成長的影響越大。依據全國第二次土壤普查數據［15］和查閱相關的文獻［16-17］。函數曲線轉折點的取值如表2 所示。

表2 隸屬度函數的轉折點取值

1.4.2 綜合評價方法

采用下列2 種評價方法對5 種林分類型進行土壤肥力綜合評價。

（1）主成分分析法：運用SPSS 22.0 對評價指標實際值進行降維處理，重新組合成一組獨立的綜合指標，采用加權求和法計算公因子方差，進一步計算各個公因子方差占公因子方差總和的比例［18］，將其作為指標的權重αi。土壤肥力綜合得分C 計算公式為：

式中，αi為第i 個土壤肥力指標占總體的權重，n為指標數量，F（i）為某一林分類型各項指標的隸屬度值。

（2）相關性分析法：主要研究兩個或兩個以上處于同等地位的隨機變量間的相關關系的統計分析方法。在存在多變量的情況下，由于變量之間存在著直接或間接的影響，所以需要消除其他變量的影響。在土壤肥力評價體系中，在控制其他指標的影響后，可根據各指標間的相關程度，建立偏相關系數矩陣，計算其平均值，求出該平均值占所有指標平均值之和的百分比。最終求得單項肥力指標在表征土壤肥力狀況中的貢獻率，即權重系數Wi［19］，最終基于Wi和各指標的隸屬度函數值可求得綜合指數IFI［20］：

式中，Wi為第i 個土壤肥力指標的權重系數，n 為指標數量，F（i）為某一林分類型各項指標的隸屬度值。

1.5 數據分析

數據處理采用Excel 2010，使用拋物線型和S型曲線，對實際觀測數據進行統一化處理，使用SPSS 22.0 進行數據分析，對評價指標進行描述性統計及相關性分析，利用相關性分析法以及主成分分析法分析計算得出不同林分類型林下土壤肥力分值。

2 結果與分析

2.1 不同林分類型土壤肥力指標分析

根據表3 顯示的各項土壤肥力指標的描述性統計結果顯示，數據均呈正態分布，變異系數由大到小為速效鉀＞全氮＞堿解氮＞有效磷＞全磷＞有機質＞pH。其中pH、有機質為低于10%的弱變異，數據離散程度較小，說明5 種林分土壤pH、有機質兩項指標數據較為接近；其他6 項指標均屬中等變異，速效鉀為最高，說明5 種林分的土壤速效鉀含量差異較大。

表3 土壤指標描述性統計

不同林分類型的土壤肥力指標測定值如表4 所示，土壤pH 平均值為8.28，表明研究區土壤為堿性土壤。根據全國第二次土壤普查分類標準［16］（表5），5 種林分類型中，5 種林分的土壤全磷、有效磷含量均為三級，屬于中上水平；堿解氮含量平均為68.19 ～88.66 mg·kg-1，均為四級中下水平，整體含量偏低；落葉松林、山杏林的有機質、全氮含量為四級，油松林、喬灌混交林、針闊混交林為三級；針闊混交林的速效鉀含量為二級較高水平，油松林、山杏林、喬灌混交林為三級，落葉松林為四級。

表4 不同林分類型土壤肥力指標測定值

表5 全國第二次土壤普查養分分級標準

由表4 可得，除pH 外，以落葉松+楊樹混交為主要樹種的針闊混交林的各項肥力指標數值均高于其他4 種林分，土壤肥力狀況較其他林分更好，5 種林分中，山杏林肥力狀況為最差。且數據顯示，混交林的土壤肥力要優于純林。5 種林分的土壤全磷、有效磷含量整體較豐富，其中針闊混交林與山杏林的有效磷含量差異顯著，差值達到4.69 mg·kg-1。速效鉀含量整體差異較大，平均值為156.16 ～97.65 mg·kg-1，其中油松林、山杏林和喬灌混交林之間無顯著差異，落葉松林與針闊混交林差異顯著。5 種林分有機質、全氮和堿解氮含量平均值分 別 為18.06 ～19.84 g·kg-1、0.82 ～1.00 g·kg-1和68.19 ～88.66 mg·kg-1，整體無顯著差異。

2.2 土壤肥力單項指標評價

根據雷達圖的幾何意義，坐標點離原點越遠表明指標的狀態越好，各坐標點圍成的面積越大，則表明其評價對象的整體狀態更佳。因此，雷達圖可更加直觀地反映出單項土壤肥力指標在土壤中的狀態及土壤肥力的整體情況［3］，5 種林分各項土壤肥力指標隸屬度函數值如圖1 所示。5 種林分類型各項土壤肥力指標的隸屬度值最小的均為pH，隸屬度值基本在0.5 左右，說明pH 對林下土壤質量的作用分值較小。隸屬度值最高為全氮，隸屬度值基本在0.7 ～0.8 之間，作用分值較大。其他指標隸屬度值基本在0.55 ～0.7 之間，處于中間狀態。其中，最高的pH 隸屬度值出現在落葉松林，最高的有機質、全磷、全氮、有效磷、速效鉀和堿解氮隸屬度值均出現在針闊混交林，說明針闊混交林的整體土壤肥力狀況較其他4 種林分更好。

圖1 中各項指標隸屬度值圍合而成的面積能夠直觀反映出各項指標對土壤肥力的作用影響，總體上，面積越大，林下土壤肥力情況越好。但是，以上數據僅是依據土壤肥力指標反映了土壤肥力的狀態且是建立在土壤肥力相等的前提下，實際上，由于指標間對土壤肥力的影響具有差異性，有必要結合單一土壤肥力指標的綜合平均貢獻率進一步驗證。

圖1 各項土壤肥力指標隸屬度函數值雷達圖

對不同林分類型的土壤肥力指標隸屬度值進行相關分析，并通過相關系數逆矩陣求得各指標的權重系數，進而可知各項土壤肥力指標對土壤肥力的貢獻率，結果如圖 2 所示。不同林分類型各項指標綜合平均貢獻率從大到小為：全氮（0.199）＞全磷（0.163）＞有效磷（0.108）＞堿解氮（0.099）＞有機質（0.090）＞速效鉀（0.088）＞pH（0.078）。由此可以看出，全氮與全磷對改善土壤肥力有著重要作用。

圖2 各項土壤肥力指標隸屬度函數值綜合平均貢獻率雷達圖

2.3 土壤肥力綜合評價

2.3.1 主成分分析法

運用SPSS 22.0 對7 項土壤肥力指標進行檢驗，KMO 測 驗 結 果 為0.611（＞0.6），Bartlett 球 形檢驗的顯著系數為0.00（＜0.05），說明數據適宜進行主成分分析。經過主成分分析得到各主成分數據值（表6），共提取出3 個主成分，各主成分的特征值分別為3.152、1.360 和1.054，前3 個主成分的累計方差貢獻率分別達39.562%、63.740%和79.510%。第1 主成分包括有機質、全磷、有效磷和堿解氮，第2 主成分包括pH 和速效鉀，第3 主成分為全氮。基于公因子方差求出的權重系數表現為全氮（0.161）＞有效磷（0.159）＞全磷（0.153）＞速效鉀（0.139）＞堿解氮（0.135）＞有機質（0.127）＞pH（0.123），全氮對土壤肥力的貢獻率最大，其次為有效磷和全磷。

按照各林分類型的隸屬度函數值（圖1）以及求出各指標的權重（表6），通過對其加權計算，可得到的土壤肥力綜合評價值如表7 所示，綜合得分為0.586 ～0.737，大小順序為針闊混交林＞喬灌混交林＞油松林＞落葉松林＞山杏林，針闊混交林分值最高，山杏林最小。

2.3.2 相關性分析法

基于各項指標的隸屬度函數值（圖1）和各指標對土壤肥力的貢獻率（圖2）進行加權計算，對不同林分類型各項土壤肥力指標進行綜合評價，結果如表7 所示。綜合指數為0.495 ～0.629，與主成分分析法結果一致。大小順序為針闊混交林＞喬灌混交林＞油松林＞落葉松林＞山杏林，針闊混交林肥力狀況最好，山杏林最差。

綜上，兩種評價方法進行土壤肥力綜合評價的最終結果一致，均為針闊混交林＞喬灌混交林＞油松林＞落葉松林＞山杏林，說明數據本身對兩種方法體現出統一性，更具有說服力，且兩種方法適用于土壤肥力的綜合評價。二者最終得出的評價分值實際較為接近，但指標權重有一定差別，例如相關性分析法得出的全磷平均綜合貢獻率在所有指標中排名第2，為0.163，但主成分分析法得出的權重為0.153，在指標中位列第3，說明不同評價方法偏重的內容有所不同。主成分分析法主要是通過降維將原來具有一定相關性的變量重新組合成一組新的相互無關的幾個綜合變量，在盡可能多地保留原始變量信息的情況下，從中導出少數幾個主成分［21］；而相關性分析法更多的是考察多個變量間的相關性，通過指標之間的敏感度大小來確定指標權重［3］。所以，在方法的選擇上，還應根據指標體系的具體情況來點定。

表6 土壤肥力指標的主成分分析

表7 不同林分類型的土壤肥力綜合評價

3 結論與討論

本研究結果表明，研究區內蒙古清水河縣生態公益林區土壤pH 平均值為8.35，屬于堿性土壤，這與以往關于黃土丘陵區土壤pH 值研究結果一致［22］。其中，混交林的土壤肥力狀況要高于純林。混交林中針闊混交林（喬木混交）土壤肥力優于喬灌混交林，純林中油松林＞落葉松林＞山杏林。

混交林土壤肥力表現較純林更好，基本與前人研究結果一致［23-24］，分析原因是由于人為對林分結構進行改造，改變了樹木的空間分布格局［25］，使其能夠更加合理地吸收土壤養分，使土壤通透性增加，土壤結構發生改變，更有利于養分的積累［26］；且混交林林內枯落物較純林更為豐富，成分復雜，為林下土壤微生物的活動提供有利條件［27］，使得土壤微生物更為活躍，加速了枯落物的分解和養分釋放的速度，改良了土壤理化性質，進而提高了土壤肥力。5 種林分中，山杏林土壤肥力表現最差，原因主要是山杏成長速度比其余樹種快，在生長過程中對營養的需求量較大，且林下植被稀少，最終導致枯落物蓄積量較少，只是表層養分積累，土壤整體肥力狀況不佳。但也有研究表明，山杏林土壤肥力狀況較油松等針葉林更好［28］，推測可能與當地撫育管理措施有關。綜上所述，在植被恢復和撫育管理人工林的過程中，在遵從自然規律以及因地制宜的原則上，可以適當增加混交林所占比例，引入適宜的混交樹種，并根據土壤肥力狀況進行科學的土壤養分管理。

由主成分分析法計算出的單項指標權重及雷達圖所呈現的貢獻率均說明全氮在當地土壤肥力中貢獻最大，其含量的大小與土壤養分環境密切相關［29］，可在今后作為指示土壤肥力的第一因素。pH 是土壤化學性質的綜合體現［30-31］，對土壤養分的存在形態有直接影響［32］。本研究表明，pH 是土壤肥力的第一限制性因子，因此應注意調節土壤pH，可在土壤中適當添加以石膏或磷石膏為主的土壤改良劑用以降低土壤堿性［33］。