基于主成分分析和模糊数学法的桉树人工林土壤肥力质量评价

覃祚玉，曹继钊，唐健，邓小军,，潘波，宋贤冲

（1.广西林业科学研究院，广西 南宁 530002；2.国家林业局中南速生材繁育实验室，广西 南宁 530002；3.广西优良用材林资源培育重点实验室，广西 南宁 530002）

桉树Eucalyptus是南方国家储备林的重要树种，是广西主要用材树种，在缓解我国木材供需矛盾、维护国家木材安全、增加森林碳汇、应对气候变化方面具有突出贡献[1]。目前，广西桉树种植面积达256万hm2，其桉树木材供给量约占全国木材供给量的1/3，面积和产量均居全国前列。然而，由于桉树速生丰产和人为不科学经营所带来的土壤退化和木材单位产量下降问题也日益突出。土壤是木材生产的基础，其质量的好坏直接影响到桉树产量及其可持续经营，其中土壤肥力是土壤的本质属性，因此，掌握其土壤养分贫瘠化状况是桉树人工林土壤“提质”的重要前提，对实现林地可持续利用具有重要意义。从2017年开始，广西通过测土配方、增施有机肥、免炼山整地等沃土技术措施率先在全区18个单位（涉及8个市的11个贫困县和7家区直林场）的商品用材林地和经济林开展“林业沃土工程”，建设规模为1.293万hm2，其中桉树沃土示范林建设6 388 hm2，涉及8个试点单位（上思县平广林场、东门林场、博白林场、玉林市福绵区大义林场、大桂山林场、六万林场、黄冕林场、雅长林场）。

目前，应用在桉树人工林地土壤肥力评价方法有很多，其中应用较为广泛的为灰色关联度法[2-3]、主成分分析[4-5]和内梅罗指数[6-7]等方法。土壤肥力评价的科学性基于其评价过程的科学性，主要包括土壤样品的采集、评价单元和评价尺度的选择、评价指标以及评价方法的选择，每一个过程均对评价结果的准确度造成影响[8]。近年来，随着数值化评价方法的提出及多元统计分析方法和模糊数学方法等[9-11]的广泛应用，土壤肥力综合评价也日趋定量化和标准化，其评价结果也更客观、更切合实际。本文以广西2017年林业沃土工程8家试点单位的桉树人工林地为研究区域，采用主成分分析、聚类分析法结合模糊数学方法全面地对广西桉树人工林地的土壤肥力质量进行综合评价，摸清广西桉树人工林土壤肥力现状，为桉树人工林地力退化防治和桉树人工林的科学经营提供依据。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集与分析

2017年11—12月，采集广西上思县平广林场、东门林场、博白林场、玉林市福绵区大义林场、大桂山林场、六万林场、黄冕林场、雅长林场1～ 2年生桉树人工林的土壤。根据桉树种植情况，成片性好的林地每5～ 20 hm2为一取样点，较为分散林地每1～ 5 hm2为一取样点，共采集具有代表性的土样270个，覆盖面积有6 388 hm2，其中萌芽林有5 773 hm2，新造林有616 hm2，各采样区的基本情况见表1。每个样点按S形采集0～ 40 cm层土壤，将采集的10～ 15个采样点的土壤用四分法混合成一个样品，去除石砾和植物根系后，风干，获得待测土壤样品，用于测定土壤pH和有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮、全磷、全钾、交换性钙、交换性镁、有效铜、有效锌、有效硼、有效铁、有效锰含量等养分指标，各指标参照《中华人民共和国林业行业标准LY/T—1999》进行测定，3次重复，结果取均值。

表1 采样区基本情况Table 1 Information on sampling sites

1.2 土壤肥力模糊综合评价

1.2.1 评价指标的选择 本文选取土壤pH和土壤有机质、碱解N、有效P、速效K、全N、全P、全K含量、交换性Ca、交换性Mg、有效Cu、有效Zn、有效B、有效Fe、有效Mn含量共15项指标作为土壤肥力质量的评价指标，利用主成分分析法和模糊数学方法，对广西桉树人工林林地土壤肥力进行综合评价。土壤肥力评价指标的影响程度用隶属度函数来表示。

1.2.2 评价指标的数值化 土壤肥力评价指标对林地土壤综合肥力的影响程度及其量纲不一，需对各项指标值进行数值化处理，建立各评价指标的隶属度函数，常用的隶属函数有两类：S型和抛物线型，其隶属函数形式分别见公式（1）和公式（2）。根据前人的研究[12-14]结果，土壤有机质、全N、全P、全K、碱解N、速效P、速效K、交换性Ca、交换性Mg、有效Cu、有效Zn、有效B、有效Fe、有效Mn含量属于S型隶属度函数，而pH值属于抛物线型隶属度函数。

式中，U（x）为评价指标隶属度值，x为评价指标实测值；a为隶属函数下限值；b、c为隶属函数最优值；d为隶属函数上限值。隶属函数转折点取值（表2）参考前人研究成果[15-17]并结合研究区实际土壤性质状况进行确定。

表2 隶属函数曲线中评价指标的转折点取值Table 2 Turning point in membership function for evaluating indicators

1.2.3 权重的确定 由于土壤肥力各评价指标对土壤综合肥力的贡献率不同，在土壤综合评价中往往需要对各项评价指标赋予一定的权重系数。在前人的研究中，普遍采用因子分析法、专家打分法、聚类分析法、主成分分析法、灰色关联度法、层次分析等方法确定权重系数[18-21]。为避免人为主观因素影响，本研究采用主成分分析法来确定各指标的权重。

1.2.4 土壤肥力质量综合指标值的确定 本文采用加权求和法按照公式（3）计算出土壤肥力质量综合指标值（integrated fertility index，IFI）：

式中，Wi、μi分别表示第i种养分指标的隶属度值和权重系数。

1.3 数据处理

采用Excel软件对试验数据进行统计分析；使用SPSS 19.0软件对检测数据进行描述性统计、因子分析，确定权重；采用系统聚类分析法划分综合肥力指标值等级。

2 结果与分析

2.1 桉树人工林地土壤性状描述性统计

变异系数（CV）代表观察值的离散程度或变异程度，通常认为，CV≤10%时为弱变异性，10%＜CV＜100%时为中等变异性，CV≥100%时为强变异性[22]。由表3可知，广西桉树人工林地土壤pH值在4.04～ 6.72之间，CV为10.39%，在15项指标中的变异程度最小，土壤呈现强酸性到中性特征，说明桉树适宜在酸性土壤中生长且适应性较广；土壤大量元素含量中的全N、全P、全K、碱解N、速效K含量的CV介于37.56%～ 79.05%之间，属于中度变异程度，而有效P含量的CV则高达418.85%，为强变异性。桉树人工林土壤中微量元素含量变异程度不一，土壤交换性Ca和交换性Mg含量属于强变异性，其CV均超过190%；微量元素含量中变异较大的为有效Fe含量，其CV为181.10%，其次是有效B和有效Mn含量，其CV分别为146.64%和139.26%，三者均为较强变异性，而有效Cu和有效Zn含量的变异强度不大，属于中等变异性。

表3 土壤属性的统计特征值Table 3 Statistical characteristics of soil fertility factors

2.2 桉树人工林土壤肥力质量综合评价

2.2.1 肥力评价指标权重的确定 对15项指标进行因子分析，并确定各土壤评价指标的权重（表4）。

表4 土壤属性主成分因子载荷矩阵和因子权重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个，其累计贡献率达到75.248%，说明这5个主成分基本上可以反映广西桉树人工林土壤肥力质量的主要影响因素。第1主成分由土壤有机质、全N、碱解N、有效B、有效Fe含量构成，贡献率达到26.595%；第二主成分由pH值和全K、有效P、速效K含量4项土壤因子构成，大致反映了土壤大量元素的速效养分特征。土壤全量养分、速效养分含量分别反映土壤养分的供应容量和供应强度，而土壤有机质含量则是土壤综合肥力的重要反映指标。因此，第1、第2 主成分实质上是土壤生境、土壤养分供应容量和供应强度的综合反映，可概括为土壤保肥、供肥因子和土壤活性因子。

2.2.2 土壤综合肥力指标值计算 根据肥力指标隶属函数公式计算出各指标的隶属度，通过雷达图可以更清晰、完整和直观判断各肥力指标的状态。图1为不同区域桉树人工林地各土壤肥力指标所对应的隶属度均值雷达图，隶属度均值越大表示该项指标的肥力水平越高。从整体上看，桉树人工林地土壤中pH值和有效Zn、有效Cu、交换性Ca、全量N、碱解N含量的隶属度值较大，而土壤中速效K和有效P含量的隶属度值均最低，是影响林地土壤肥力的主要限制因子。对土壤肥力综合指标值与影响土壤肥力的15个指标进行相关分析得出：土壤肥力综合指标值与土壤有机质、全N、有效P、速效K、有效Fe及有效B含量呈极显著正相关，与有效Mn、交换性Mg含量呈显著正相关，与pH值呈显著负相关。影响广西桉树人工林土壤肥力相关系数大小依次为：有机质含量（0.662）＞碱解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）＞交换性Mg含量（0.351）。因此，在桉树生产经营过程中应注重增施有机肥，及时补充P、K肥和B、Fe元素，并通过有效的沃土措施，提高林地养分供应容量和元素有效成分。

图1 各土壤肥力指标平均隶属度雷达图Figure 1 Radar map of average membership degree of soil fertility factors

IFI的大小表示土壤养分综合肥力等级，可以全面反映某一林地的土壤养分状况。根据公式（3）计算得出各土壤样品的IFI。对270个样点的土壤IFI进行描述性统计与单一样本K-S检验，结果见表5。

表5 广西桉树人工林土壤肥力综合评价标准及评价结果Table 5 Comprehensive evaluation standard and result of soil fertility in Eucalyptus plantations

由表5结果表明，广西桉树人工林土壤IFI变幅在0.160～ 0.687，处于较差等级，平均值为0.358，标准差为0.133，CV为269.78%，IFI属于强度变异性，并服从正态分布。国有林场（除雅长林场外）的IFI的CV在80.96%～ 94.28%，属于中度变异性，这与林场林地比较集中，林地基础肥力差异小，经营措施一致有关，而市县林场和雅长林场林地土壤IFI的CV均大于100%，这与县级林场和雅长林场桉树人工林为场外造林，林地分散且基础地力差异性较大有关。不同种植区的桉树人工林地土壤肥力不同，其肥力由大到小的次序为：玉林市福绵区大义林场＞大桂山林场＞黄冕林场＞东门林场＞雅长林场＞六万林场＞上思县平广林场＞博白林场。总的来说，广西桉树人工林地土壤肥力东部较西部好，南部较北部好。这种土壤肥力分布与广西实际地形地貌等自然条件相对应，广西东部和南部大多为低山及丘陵，土壤类型主要为红壤、砖红壤，而广西北部和西部林地海拔较高，土壤类型主要为石灰岩土、红壤、砖红壤。

2.2.3 土壤肥力水平等级的划分 为了避免人为干扰及等距划分等级带来的误差，本研究采用系统聚类分析法将计算出的土壤IFI划分为5个等级：Ⅰ级为优（IFI＞0.610），Ⅱ级为良（IFI＞0.510～ 0.610），Ⅲ级为中（IFI＞0.400～ 0.510），Ⅳ级为较差（IFI＞0.300～ 0.400），Ⅴ级为差（IFI≤0.300）。由图2可以看出，广西桉树人工林土壤肥力从Ⅴ级到Ⅰ级的样品呈阶梯状逐级递减，分别占总样品的33.3%、27.8%、23.3%、12.2%和3.3%，桉树人工林地土壤肥力等级处于中等以下的占总样品的84.4%，Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级三个等级所占面积较为均衡，约占总面积的25%。桉树人工林在长期高强度、不科学的经营管理下，土壤退化严重，本研究调查的8个研究区中仅有雅长林场的少数土壤位点的土壤质量处于优等。上思县平广林场、东门林场、博白林场3个林场的桉树人工林土壤质量全部处于中等以下。总的来说，博白林场、上思县平广林场的桉树人工林地土壤肥力为Ⅴ级，东门林场、黄冕林场、雅长林场和六万林场桉树人工林地土壤肥力为Ⅳ级，而大桂山林场和玉林市福绵区大义林场的桉树人工林地土壤肥力则为Ⅲ级。

图2 广西不同种植区桉树人工林土壤质量指数分级分布情况Figure 2 Distribution of soil fertility grades in different region of Eucalyptus plantations in Guangxi

3 结论与讨论

土壤性质描述性统计和单因素肥力评价结果表明，广西桉树人工林土壤均为酸性土壤，土壤中的交换性Ca含量较为丰富，土壤有机质、全N氮、全K钾、碱解N氮、交换性镁Mg、有效铜Cu、有效Zn锌、有效硼B、有效Mn锰含量适中，而全P磷、有效P磷、速效K钾、有效Fe铁处于贫乏水平。因此，广西桉树人工林土壤养分缺乏，尤其是P元素。这与郑洲翔等和研究结果一致[23]，可能与广西桉树种植区多处于红壤区有关，红壤中可变电荷矿物（Al3+、Fe3+）大量存在，对土壤中P元素具有强烈的固持作用[24]，同时土壤的低pH值加剧了P的固定过程[25]，导致可供植物吸收利用的游离态磷（HPO42-、H2PO4-）不足。与马涪等[26]对广西桉树林地的研究结果（桉树土壤微量元素B、Cu、Zn较为缺乏，尤其是B含量处于极贫状况）相比，本文中桉树人工林土壤B、Cu、Zn含量有所提高，处于中等水平，这可能与近几年广西普遍性施肥配方有关，其肥料中注重添加了B、Cu、Zn、Fe等微量元素。

通过主成分分析，广西桉树人工林土壤肥力限制因子为：土壤有机质＞碱解N＞有效P＞有效B＞有效Fe＞速效K。这与冯嘉仪等[6]对华南地区典型桉树林分土壤肥力综合评价结果一致，有机质在桉树人工林土壤肥力中起着最重要的作用，有效P、速效K是影响土壤肥力的限制性因子。建议低肥力土壤林地应增施有机肥，依据适地适树原则，适量补充N、P、K肥，针对性添加施用Fe肥和B肥。目前，我国80%以上桉树人工林采取短周期连栽方式，轮伐期比世界其他国家普遍要短，一般为5～ 7 a[27]，从而加剧了桉树人工林土壤肥力的下降。合理种植如低代次、低密度、混交林等形式的桉树人工林，可减少土壤破坏，提高土壤有机质含量，提高土壤质量[28]。

广西桉树不同产区土壤肥力差异较大。大多数研究土壤的肥力处于中等偏下水平。模糊综合评价结果表明，不同区域桉树人工林土壤肥力质量由好到差依次为：玉林市福绵区大义林场＞大桂山林场＞黄冕林场＞东门林场＞雅长林场＞六万林场＞上思县平广林场＞博白林场。广西桉树人工林土壤综合肥力指数为0.160～ 0.687，处于优良水平的土壤仅有15.5%，土壤肥力质量整体属于较差等级。邓富春等[2]对广西不同林龄的桉树林地肥力调查评价结果表明，桉树人工林土壤肥力整体水平处于较差等级，中龄林至成熟林则处于差等级，而1～ 2年生的桉树人工林仍处于中等水平。但本文对广西1～ 2年生桉树人工林土壤综合肥力评价结果表明，目前桉树林地土壤肥力已处于较差等级，土壤退化趋势初显。因此，在桉树生产经营过程中需重视林地地力建设，避免林地土壤进一步的退化，同时要采取一定的沃土保育措施尽快恢复并提高其基本地力和重建生产力，桉树产区土壤肥力提升应侧重于利用当地产生的资源（如有机资源、磷矿）改善土壤有机质、有效磷等参数，以降低成本提高土壤肥力及林地生产力。