基于主成分分析法的廣西人工林土壤肥力評價

譚潤男，安 冰，陳虎，陸星任

(1.廣西國有派陽山林場, 廣西 寧明 532500；2.廣西壯族自治區林業科學研究院國家林業局馬尾松工程技術研究中心，廣西馬尾松工程技術研究中心，廣西 南寧 530002；3.廣西華沃特集團股份有限公司，廣西 南寧 530000)

1 引言

保護利用好林地土壤，使之健康、可持續經營與發展，是確保林業高質量發展，變綠水青山為金山銀山的重要手段[1]。廣西人工林面積居全國首位，占全國1/10的面積、產出全國45%的木材，是為數不多人工林面積與蓄積量雙增長的林業大省，有著金不換的生態優勢[2，3]。但大面積人工林、速生林培育、不合理使用農藥化肥，會導致林地土壤酸化、沙化、退化、污染和地力逐年下降，林地生產力力難以維持的嚴重后果[4，5]。35年來，在廣西林業蓬勃發展的同時，林地土壤是否實現可持續發展？通過土壤監測與評價，指導和服務人工林經營，是迫在眉睫的研究課題。

目前，應用在地土壤肥力評價方法有很多，其中應用較為廣泛的有灰色關聯度法、主成分分析和內梅羅指數等方法[6]。其中主成分分析是一種合理、實用、科學的土壤肥力評價方法，優勢為客觀確定變量權數，避免主觀隨意性[7]。本研究根據森林氣候和土壤類型分布，將全區土壤劃分為的7個區域，采用主成分分析，利用1983～2020年廣西人工林土壤數據庫中的土壤調查數據，評價各區域土壤綜合肥力，為人工林精準施肥提供數據支撐，為全區尤其是直屬13家大型國有林場合理利用林地資源、充分發揮地區資源優勢提供科學依據。

2 材料與方法

2.1 數據來源

試驗現狀土壤數據為2016～2020年的廣西人工林土壤數據，共650個樣點，8000個養分指標；對比歷史數據從廣西林用新型肥料研發中心土壤數據庫中收集，采用1983～2013年30年間的廣西人工林土壤數據，共34000個樣點，410000個養分指標。

廣西土壤類型數據由中國科學院南京土壤研究所提供。

2.2 土壤評價和區劃方法

根據全國第二次土壤普查分類系統，評價全區人工林土壤肥力。對全區土壤進行區劃，原則以森林氣候類型相對一致性為主，土壤類型相對一致性為輔，和石媛媛研究方法一致[2]，區劃后采用主成分分析法定級評價。

2.3 數據處理

采用Microsoft Excel和SPSS17.0 軟件分析數據。

3 結果與分析

3.1 廣西林地土壤主要類型

根據廣西第二次土壤普查的結果，廣西土壤分18類、34亞類，共計109土屬、327土種。其中磚紅壤、紅壤和赤紅壤是面積前3的類型，在林業生產中占有重要地位，廣西主要土壤類型見表1。

自治區直屬林場是廣西生態建設中堅力量，廣西13家直屬林場森林面積49.23萬hm2，占森林總面積33.56%，活立木蓄積量1980.7萬m3，占總數34.86%[8]。分布圖可見13家直屬林場類屬不同土壤類型，森林營林和精準施肥應采取相對應的模式。

3.2 廣西人工林土壤養分

根據全國土壤養分含量分級標準，分析2016～2020年廣西人工林土壤養分，結果表明(表2)廣西人工林土壤pH平均值為4. 41，屬強酸性土壤；有機質含量31.24 g/kg，屬二級水平；堿解氮含量137.73 mg/kg，屬二級水平；有效磷含量1.89 mg/kg，屬六級水平；速效鉀含量60.65 mg/kg，屬四級水平。有效鐵一級水平，有效鋅二級水平，有效銅和錳三級水平，有效硼四級水平，交換性鈣和鎂五級水平。其中交換性鈣、有效鐵、堿解氮和交換性鎂變異性大，全區分布不均，這與其他研究結果一致[2,9,10]。

3.3 廣西森林氣候因子評價

以森林氣候類型相對一致性為主，土壤類型相對一致性為輔的原則，參照石媛媛研究方法[2]，將全區分為7個區，分別為北熱帶季雨林赤紅壤西區和東區、南亞熱帶常綠闊葉林紅壤區、赤紅壤區和石灰(巖)土區、中亞熱帶常綠闊葉林紅壤西區和東區。

按照區劃分別提取氣象因子(表3)，結果表明森林氣象因子經向分界線，與年均降雨量變化趨勢線基本一致，均呈現南高北低，低海拔區域高、高海拔區域低的趨勢。

表3 廣西森林分區氣候因子情況

3.4 廣西人工林土壤肥力區域化評價

根據廣西人工林土壤肥力區劃，分別提取各分區近5年(2016～2020年)主要土壤養分均值，對比同區歷史(1983～2013年)進行分析(表4)。利用巴特利特Bartlett進行檢驗(表5)，KMO值為0.795，表明該數據比較適合主成分分析。相關性分析表明(表6)，各養分存在顯著的正負相關性。有機質、堿解氮和有效磷間相關系數均大于0.8，說明這3個養分指標間有極大的相關性，pH值與其他指標呈負相關。

表4 廣西人工林肥力分區主要土壤養分含量平均值對比

表5 KMO及Bartlett球形度檢驗結果

表6 各指標相關系數矩陣

主成分分析將多個變量化解為幾個變量，通過降維，增加各指標間獨立性[11]。各主成分分數系數見表7，按照特征值>1為提取主成分最有利的原則，提取的兩個主成分特征根λ1=3.167、λ2=1.357，方差貢獻率為63.338%和27.138%，累積貢獻率90.476%，說明提取的2個主成分包括了原始數據90.476%的信息，可以代表原始數據信息。主成分載荷值旋轉計算分析所得的各變量在相應主成分上的因子負荷，成分貢獻系數矩陣見表8，各主成分的線性函數表達式如下：

表7 解釋的總方差

表8 主成分分析表及各主成分得分

F1=-0.186X1+0.295X2+0.294X3+0.300X4+0.131X5

(1)

F2=0.557X1-0.013X2+0.136X3-0.540X4+0.637X5

(2)

將標準化處理的土壤養分指標數據代入式(1)、(2)，計算各區域得分，再根據公式(3)獲得函數表達式，計算求得綜合得分F綜(表9)。

公式：F=ΣzjFj=z1F1+z2F2+z3F3+…+zkFk(z為貢獻率)

(3)

表達式：F綜=0.63338F1+0.27138F2

(4)

從表9可見，廣西人工林各分區土壤pH值比歷史均有不同程度的下降，有機質均為上升，其中南亞熱帶赤紅壤區有機質含量上升比例最高達59.63%。堿解氮和有效磷、速效鉀(除紅壤東區)均比歷史上升，其中南亞熱帶赤紅壤區堿解氮含量上升比例最高達103.89%，速效鉀含量赤紅壤東、西區分別上升106.89%和121.68%。

表9 不同區域土壤養分主成分得分及綜合得分

4 討論與結論

從研究結果來看，近5年(2016～2020年)與歷史30年(1983～2013年)對照，全區土壤肥力有效提升，各分區土壤養分主成分綜合排名紅壤東區和西區均排第一和第二，赤紅壤西區末尾。其他區域有所變化，南亞熱帶赤紅壤區土壤肥力上升最大。 這說明可持續經營和發展人工林，采用測土肥配方和精準施肥模式，可有效提升林地生產力，本文結果與其他研究一致[12～14]。

廣西赤紅壤東區特點為高溫、高濕、高酸、中肥，赤紅壤西區則高溫、少雨、少肥，南亞熱帶赤紅壤區為高溫、高酸、中肥，半濕潤紅壤區表現出低溫、少雨、低酸、低肥，石灰(巖)土區各指標均相對中等，紅壤東、西區屬低溫、高肥，與其他研究得到類似結果[2]。針對肥力特征和氣候條件，合理經營人工林，開展針對性的肥料研發，改進不同樹種肥料配方，是促進區直林場乃至全區林業施肥方式轉變，提升科學施肥水平，提高林地生產力和可持續發展能力的有效手段[15～19]。