基于主成分分析的古树土壤肥力综合评价

叶少萍, 李铤, 张俊涛, 曹芳怡

基于主成分分析的古树土壤肥力综合评价

叶少萍, 李铤, 张俊涛*, 曹芳怡

广州市林业和园林科学研究院, 广东广州国家城市林业科技示范园区, 广州 510405

以广州市海珠区登记在册的40株古树为研究对象, 调查其生长状况, 采集土壤测定pH、EC值、容重、通气度、有机质、全N、全P、全K、水解N、有效P、速效K含量等11项理化指标, 采用主成分分析和聚类分析对古树土壤肥力进行综合评价。结果表明: 海珠区大多数古树土壤EC值偏低(＜0.35 mS·cm-1), 表现为强变异; 土壤有机质、全N、水解N、有效P、速效K含量充足, 土壤全P和全K分别有65.71%、40.00%样本处于低含量水平。土壤全P和全K隶属度函数值低于其他指标, 表明全P和全K是影响古树土壤肥力的限制性因子。主成分分析结果显示古树土壤有机质的权重系数最大(0.111), 而且与EC值、全P、速效K呈显著正相关(＜0.05), 与全N、水解N、速效P呈极显著正相关(＜0.01), 表明有机质含量在古树土壤肥力中起重要的作用, 并与土壤养分供应密切相关。古树土壤肥力综合得分为0.483—0.924, 聚类分析将古树土壤肥力分为3类, 土壤肥力良好(第1类)占比94.29%。综上可知, 海珠区古树土壤肥力水平整体良好, 土壤肥力偏低的古树需要加强日常养护。

古树; 土壤肥力; 主成分分析; 聚类分析; 综合评价

0 前言

古树是指树龄在一百年以上的树木, 具有极高的生态、社会和经济价值。我国古树资源十分丰富, 然而古树是一种独特的、不可替代、不可再生的风景资源, 科学保护古树显得非常重要。研究指出, 古树健康状况与树龄、立地条件、人为活动等因素密切相关[1–2]。一方面, 古树树龄增加, 其吸收代谢能力有所下降, 无法从土壤中吸收更多的养分供自身利用, 导致生长缓慢[3]。另一方面, 土壤质量对古树生长有直接的影响, 土壤物理和化学性质变差容易引起古树长势衰弱甚至濒危等问题。上海市部分松柏古树长势不良, 调查显示其土壤存在容重偏大、通气孔隙度小、通气不良等现象[4]。广州市沙面古树群土壤则普遍出现pH偏碱性、土壤氮磷养分不足、有机质含量低等问题[5]。从影响因素来看, 人为活动的干扰对古树土壤质量影响最大, 例如往土壤中排放污染物、过度压实土壤或者过量使用密封硬质铺装等导致土壤质量变差[6–7], 从而不利于古树根系生长及其对养分的吸收和运输[8–9], 加之古树土壤普遍缺少科学的监测与养护, 古树健康常常面临着极大的挑战。因此, 研究古树健康状况, 需要加强土壤质量的监测与评价。

土壤肥力是土壤质量评价最基本的指标, 科学评价土壤肥力能够为有效利用和保护土壤资源提供指导[10]。土壤肥力指标通常包括物理、化学和生物指标, 土壤肥力评价需要综合分析各项指标对肥力的影响程度。定量化综合评价是土壤肥力评价方法研究的热点, 目前国内外报道的土壤肥力综合评价方法包括相关关系法、主成分分析法、灰色关联分析法、内梅罗指数法等[11–14]。主成分分析是将多个指标化为少数几个指标、实现降维的一种统计方法, 能够更有效地提取出对土壤肥力有重要影响的因素, 目前在农田、林地、绿地等土壤肥力评价中都有报道[13–16]。刘家雄和汤珧华[17]采用主成分分析法评价上海市古树土壤肥力, 发现土壤结构与养分指标对于古树土壤肥力评价有重要影响。本项目选择海珠区古树为研究对象, 调查古树的生长现状和土壤理化性质, 并采用主成分分析和聚类分析方法对土壤肥力进行综合评价, 为古树的科学养护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域海珠区位于广州市中部(东经113°14′—113°23′、北纬23°3′—23°16′), 四面为珠江广州河段前、后航道环绕, 区内河网密布, 总面积90.40 km2, 其中2/3的面积属珠江三角洲冲积平原, 其余1/3为低丘、台地; 地带性土壤为赤红壤, 母质为砂页岩, 形成砂页岩赤红壤。海珠区属南亚热带季风气候区, 海洋性气候特征显著, 具有温暖多雨、光热充足、温差较小、夏季长、霜期短等气候特征, 年平均气温为21.6 ℃, 年平均降雨量达1694 mm, 年平均相对湿度为77%, 年平均日照为1916 h, 由于水热同期, 利于作物生长。

2019年海珠区登记在册的古树有40株(编号NO.01—NO.40), 隶属6科6属9种, 包括榕树(L. f.)、木棉(Linnaeus)、黄葛树(Aiton)、心叶榕(Bl.)、樟((L.) Presl)、秋枫(Bl.)、苹婆(Smith)、斜叶榕(subsp.(Bl.) Corner)、鹰爪花((L. f.) Bhandari)。古树估测树龄采用“三段计算法”[18]测定, 最高、最低估测树龄分别为435、107年, 平均树龄为212年, 树龄较高的心叶榕、斜叶榕和鹰爪花生长在广州海幢寺内。

1.2 样品采集与分析

2019年10月, 现场测量单株古树株高、胸围、冠幅, 并采集距离古树树头50 cm、深度0—30 cm的树穴土壤测定理化性质。采样前清理地表凋落物、伴生植物等, 使用土钻在树头东、南、西、北4个方向分别采集1个土样, 将4个土样混匀为一个样品。共采集35株古树土壤样品, 编号NO.08、NO.10、NO.25、NO.31、NO.35古树由于树头周围是密封硬质铺装而无法采集土壤样品。土壤样品自然风干后研磨过筛, 用于测定理化性质[19]: pH采用台式pH离子计测定, 电导率(EC值)采用DDS—307电导率仪测定, 容重、通气度测定采用环刀法, 有机质测定采用重铬酸钾氧化—外加热法, 全氮(N)、全磷(P)、全钾(K)测定分别采用凯氏定氮法、硫酸消煮—紫外分光光度法、硫酸消煮—火焰分光光度法, 水解N、有效P、速效K测定分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法、乙酸铵浸提—火焰光度计法。

1.3 土壤肥力评价方法

1.3.1 土壤肥力单项指标评价

根据全国第二次土壤普查养分分级标准[20]及骆玉珍等[16]方法, 对海珠区古树土壤pH、EC值、有机质、全N、全P、全K、水解N、有效P、速效K含量等进行分级评价, 并采用雷达图对比古树土壤单项指标肥力水平[13]。

1.3.2 土壤肥力综合评价

首先对海珠区古树土壤11项指标进行标准化处理以消除指标量纲差别。

(1)土壤pH、容重过大和过小时都不利于植物生长, 故采用抛物线型隶属度函数[13, 16], 隶属度函数值的计算公式为:

<x或≥x时,=0.1;

x≤<x时,=0.1+0.9(-x)/(x-x);

x≤<x时,=1.0-0.9(-x)/(x-x);

x≤<x时,=1.0。

(2)EC值属于戒下型隶属度函数[21], 隶属度函数值的计算公式为:

<x时,=1.0;

x≤<x时,=0.1+0.9(x-)/(x-x);

≥x时,=0.1。

(3)通气度、有机质、全N、全P、全K、水解N、有效P、速效K均属于S型隶属度函数[13], 隶属度函数值的计算公式为:

<x时,=0.1;

x≤<x时,=0.1+0.9(-x)/(x-x);

≥x时,=1.0。

式中,为土壤指标测定值,x、x、x、x为函数转折点取值, 根据方海兰等[10]、冯嘉仪等[13]、骆玉珍等[16]报道选择转折点取值如表1所示。

其次对土壤11项评价指标的标准化数据进行Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)检验和Bartlett球形检验, 判断是否适宜进行主成分分析, 然后采用主成分分析法计算出各项土壤指标的公因子方差, 进一步计算出各个公因子方差占公因子方差总和的比例, 将其作为评价指标的权重a。土壤肥力综合得分的计算公式为[13]:

表1 隶属度函数的转折点取值

式中,a为第个土壤肥力指标的权重系数,为指标数量,为土壤指标的隶属度值。

1.4 数据处理与分析

采用IBM SPSS Statistics 21.0软件对海珠区古树生长指标和土壤理化性质进行描述性统计分析、主成分分析和双变量相关性分析, 采用聚类分析对土壤肥力综合指标进行样品聚类, 图形绘制采用WPS表格。

2 结果与分析

2.1 海珠区古树生长指标

海珠区不同树种古树生长指标存在差异。古树株高在4.8—25.0 m之间, 平均值为15.8 m, 其中木棉株高(18.7 m)最高, 其次为心叶榕(18.3 m)、秋枫(17.1 m); 胸围在1.5—10.8 m之间, 平均值为5.2 m, 其中心叶榕、黄葛树胸围较高, 分别为7.7 m、7.6 m; 冠幅在7.0—31.0 m之间, 平均值为18.3 m, 其中黄葛树冠幅最大, 为21.5 m(表2)。

2.2 海珠区古树土壤肥力指标分析

由表3可知, 海珠区古树土壤pH在5.67—8.05之间, 平均值为7.26, 变异系数为6.20%, 属于弱变异。对比pH值分级标准(图1), 65.71%土壤pH呈中性(6.5—7.5), 28.57%呈碱性(7.5—8.5), 5.71%呈酸性(5.5—6.5)。土壤EC值在0.05—1.50 mS·cm-1之间, 平均值为0.25 mS·cm-1, 其中34.29%土壤EC值小于0.12 mS·cm-1, 45.71%介于0.12—0.35 mS·cm-1之间, 17.14%介于0.35—1.0 mS·cm-1之间, 2.86%大于1.5 mS·cm-1。土壤EC值变异系数为106.68%, 表现为强变异, 最大值与最小值之间相差30.00倍。土壤容重在0.69—1.53 g·cm-3之间, 平均值为1.16 g·cm-3, 变异系数为13.79%, 为中等变异; 土壤通气度变幅为19.2%—44.9%, 平均值为34.1%, 变异系数为20.53%, 为中等变异。

表2 海珠区不同树种古树株高、胸围和冠幅

注: 表中所示数值为平均值±标准误, 以下相同。

土壤有机质含量为19.10—210.87 g·kg-1, 平均值69.65 g·kg-1, 最大值与最小值之间相差11.04倍, 变异系数为56.93%, 属于中等变异; 其中88.57%土壤有机质含量处于一级水平(＞40 g·kg-1), 含量处于三级(20—30 g·kg-1)和四级(10—20 g·kg-1)的样本分别为8.57%和2.86%。土壤全N、全P和全K含量变幅分别为0.67—15.66 g·kg-1、0.01—0.98 g·kg-1、1.60—24.33 g·kg-1, 平均值分别为3.22 g·kg-1、0.34 g·kg-1、11.89 g·kg-1, 变异系数在49.79%—77.95%之间, 均为中等变异。土壤全N含量处于一级(＞2.0 g·kg-1)和二级(1.5—2.0 g·kg-1)的样本分别为77.14%和14.29%, 含量在四级(1.0—1.5 g·kg-1)的样本占5.71%, 含量在五级(0.5—0.75 g·kg-1)的样本占2.86%。此外, 土壤全P含量65.71%样本处于低含量水平(＜0.4 g·kg-1), 31.43%处于中等含量水平(0.4—0.8 g·kg-1), 处于高含量水平(0.8—1.0 g·kg-1)的仅为2.86%; 土壤全K含量处于低含量(＜10 g·kg-1)、中等含量(10—20 g·kg-1)、高含量(20—25 g·kg-1)水平的分别为40.00%、48.57%、11.43%。总体上土壤全N含量水平较高, 而全P、全K含量则处于中等偏低水平。

表3 海珠区古树土壤肥力指标描述性统计

此外, 土壤水解N、有效P和速效K含量分别在15.28—776.71 mg·kg-1、2.48—94.38 mg·kg-1、82.94—604.59 mg·kg-1之间, 平均值分别为186.64 mg·kg-1、22.66 mg·kg-1、198.86 mg·kg-1, 变异系数分别为70.74%、75.15%、54.54%, 均为中等变异。其中, 85.72%土壤水解N含量处于高含量水平(＞120 mg·kg-1), 8.57%处于中等含量水平(60—120 mg·kg-1), 5.72%则处于低含量水平(＜60 mg·kg-1); 土壤有效P含量则主要集中在20—40 mg·kg-1和10—20 mg·kg-1之间, 分别为45.71%和28.57%, 含量处于极度丰富(＞40 mg·kg-1)和极度缺乏(＜3 mg·kg-1)的样本分别占8.57%和5.71%; 土壤速效K含量均达到中等含量水平(＞50 mg·kg-1)以上, 含量在50—100 mg·kg-1的样本占8.57%, 100—150 mg·kg-1占31.43%, 150—200 mg·kg-1占22.86%, 含量高于200 mg·kg-1的样本占37.14%。总体上, 土壤水解N、有效P、速效K含量分别有85.72%、54.28%、60.00%样本达到高含量水平, 表明土壤速效氮、磷、钾养分供应充足。

2.3 海珠区古树土壤肥力单项指标评价

雷达图坐标轴各个点的值可以反映各项指标的状态, 每个坐标轴上的点越向原点靠近, 所反映的单一指标的肥力水平越低, 反之离原点越远, 所反映的单一指标的肥力水平越高[22]。由图2可知, 海珠区古树土壤肥力指标隶属度值从大到小分别为通气度(0.998)＞有机质(0.979)＞全N(0.959)＞EC值(0.930)＞pH(0.929)＞水解N(0.912)＞速效K(0.891)＞有效P(0.764)＞容重(0.703)＞全K(0.379)＞全P(0.252)。

2.4 海珠区古树土壤肥力综合评价

古树11个土壤肥力指标的KMO检验结果为0.520, Bartlett球形检验的显著性系数为0.00(＜0.05), 说明数据适合进行主成分分析。特征值表示主成分影响力度大小, 因此将特征值＞1.000 作为主成分个数的提取原则。由表4主成分分析结果可知, 前5个成分特征值分别为3.166、1.801、1.379、1.068、1.020, 方差贡献率分别为28.782%、16.370%、12.539%、9.708%、9.269%, 累积贡献率达76.668%, 表明5个主成分涵盖了原始数据信息总量的76.668%, 5个主成分信息足以代表原始数据信息。因此, 将5个主成分作为综合变量来评价海珠古树土壤肥力状况。第1主成分有机质、全N、水解N、有效P、速效K的系数明显大于其他指标, 表明其反映的主要是有机质、全N、水解N、有效P、速效K状况; 第2主成分EC值、全P(取绝对值)的系数较大, 反映的是EC值和全P状况; 第3主成分反映的是pH; 第4主成分反映的是全K状况; 第5主成分则反映的是容重和通气度状况(表5)。基于公因子方差求出的权重系数表现为有机质(0.111)＞全K(0.105)＞全N(0.103)＞pH(0.101)＞通气度(0.097)＞水解N(0.092)＞EC值(0.090)＞全P(0.089)＞有效P(0.080)＞容重(0.065)=速效K(0.065), 表明有机质对土壤肥力的贡献率最大, 其次为全K和全N含量。

图1 海珠区古树土壤肥力指标分布特征

Figure 1 Distribution characteristics of soil fertility indices of ancient trees in Haizhu district

图2 海珠区古树土壤肥力指标隶属度函数值雷达图

Figure 2 Radar pot of membership function values of soil fertility indices of ancient trees in Haizhu district

表4 海珠区古树土壤主成分的特征值和贡献率

土壤肥力综合评价结果显示, 海珠区古树土壤肥力综合得分在0.483—0.924之间, 平均分值为0.793, 其中NO.21榕树土壤肥力得分最高, NO.19榕树得分最低(表6)。以5个主成分得分作为新指标, 以欧式距离衡量古树土壤肥力的差异, 将相近土壤肥力水平的样本进行系统聚类[23]。根据系聚类分析结果, 将海珠区古树土壤肥力分为3个类型: 第1类包括33个样本, 平均土壤肥力综合得分为0.806, 土壤肥力良好; 第2类为NO.29榕树, 土壤肥力中等; 第3类为NO.19榕树, 土壤肥力较差(图3)。

2.5 海珠区古树生长、土壤指标相关性分析

相关性分析结果显示, 古树株高与土壤EC值相关性系数为0.412, 呈显著正相关(＜0.05); 胸围、冠幅与土壤指标之间则不存在显著相关关系(＞0.05)。由表7结果可知, 古树土壤pH与EC值、水解N分别呈显著(＜0.05)、极显著(＜0.01)负相关, 与容重呈显著正相关(＜0.05); EC值与容重、全K分别呈显著(＜0.05)、极显著(＜0.01)负相关, 与有机质、水解N和有效P呈显著正相关(＜0.05), 与全P正相关达极显著水平(＜0.01)。从土壤养分指标来看, 全N与有机质、水解N、速效K呈极显著正相关(＜0.01); 全P与有效P呈极显著正相关(＜0.01), 与有机质、全N则呈显著正相关(＜0.05); 全K与有机质、全N呈极显著负相关(＜0.01), 与有效P含量呈显著负相关(＜0.05); 水解N与有机质、有效P、速效K呈极显著正相关(＜0.01); 有效P与有机质、全N、速效K呈极显著正相关(＜0.01); 速效K与有机质正相关达显著水平(＜0.05)。

表5 海珠区古树土壤肥力指标主成分特征向量

表6 海珠区古树土壤肥力综合得分

图3 海珠区古树土壤肥力系统聚类分析结果

Figure 3 Hierarchical cluster analysis results of soil fertility of ancient trees in Haizhu district

表7 海珠区古树土壤肥力指标相关性分析

注: *表示相关性显著(＜0.05), **表示相关性极显著(＜0.01)。

3 讨论

土壤质量是古树生长的重要基础。一般认为, 土壤质量下降, 在一定程度上不利于古树健康生长。例如土壤缺乏有机质、全N、速效P以及渗水性能差、碱性偏大、钠离子含量偏高等不良因素对油松古树长势影响较大[8]。上海市松柏古树土壤容重和通气状况等土壤结构变差, 其根系活力和根系菌根侵染率则降低[4]。邹瑀琦等[24]发现北京地区侧柏古树健康状况与土壤矿质元素含量有显著相关性, 尤其是土壤锌含量越高古树健康等级则越高, 镁含量增加则健康状况下降。然而, 有学者认为土壤质量不能作为评价古树生长状况的关键指标, 例如不同长势侧柏古树土壤pH、水分含量、氮、磷、钾、钙和镁的含量差异不显著[25]。

本研究调查发现, 海珠区古树土壤容重(1.16 g·cm-3)偏大, 说明土壤偏紧实; 土壤EC值整体偏低(＜0.35 mS·cm-1), 全N、水解N含量偏高, 有效P、速效K含量处于中等偏上水平, 全P、全K含量则是处于中等偏下水平。一般认为, 土壤EC值低说明土壤养分缺乏, 容易影响植物生长质量[4]。海珠区古树土壤EC值与株高呈显著正相关(＜0.05), 可见土壤EC值偏低, 在一定程度上不利于古树株高的增长。此外, 古树土壤全P和全K分别有65.71%、40.00%样本处于低含量水平, 其隶属度函数值均明显低于其他肥力指标, 表明全P和全K是古树土壤肥力的限制性因子。土壤全P、全K含量低, 则容易引起土壤磷、钾素供应不足[26]。海珠古树土壤全P与速效P呈极显著正相关(＜0.01), 可见全P含量降低在一定程度上会阻碍速效P的供应。土壤养分供应与土壤pH也有密切联系, 研究表明土壤pH能够影响土壤养分元素存在形态以及土壤微生物活性, 从而影响土壤中物质的转化效率[27]。陈玉芹等[14]认为土壤pH能通过影响矿质养分的溶解度来影响养分的有效性, 例如酸性条件下活性较高的铁、铝容易与磷发生作用形成难溶解的铁磷和铝磷。然而, 城市绿地土壤受建筑垃圾等碱性物质的影响, pH普遍呈碱化趋势[10,28], 广州、上海等城市古树土壤pH也同样存在碱性偏大的情况[5,29]。宋路有等[29]发现古树土壤速效N、速效P含量随着pH的增大呈现降低的趋势, 碱性土壤环境不利于古树根系生长。海珠区古树土壤pH(7.26)整体呈中性偏碱, 与土壤EC值、水解N分别呈显著(＜0.05)、极显著(＜0.01)负相关, 表明土壤碱性增大将对土壤养分尤其是水解N的供应产生影响。

土壤有机质是全球碳循环过程中非常重要的碳源, 也是土壤养分的重要来源, 在改善土壤物理、化学性质方面起着重要作用, 因此土壤有机质被认为是土壤肥力质量的重要指标[30–31]。土壤有机质的形成过程复杂, 普遍认为植物残体是土壤有机质的初始来源, 枯枝落叶、根系以及树穴伴生植物组织等经过腐殖化作用和土壤胶体吸附作用转化为有机质, 同时土壤微生物死亡残体对于土壤有机质的积累也具有重要意义[32]。冯嘉仪等[13]对不同林分类型的林下土壤肥力进行主成分分析, 发现有机质对土壤肥力的贡献率最大。本研究中古树土壤有机质含量丰富, 其中88.57%样本处于一级水平(＞40 g·kg-1), 主成分分析结果显示有机质权重系数(0.111)最大, 表明有机质在古树土壤肥力中起重要的作用。此外, 古树土壤有机质与EC值、全P、速效K呈显著正相关(＜0.05), 与全N、水解N、速效P呈极显著正相关(＜0.01), 可见土壤有机质与氮、磷、钾养分供应密切相关。研究表明, 土壤有机质主要靠土壤微生物来分解, 土壤微生物对养分的矿化和转化推动着养分循环[32]。一方面, 土壤微生物通过生物固氮、氮矿化、硝化、反硝化等氮循环过程影响土壤氮供应, 土壤中99%氮素来源于有机质; 另一方面, 土壤微生物能够快速分离植物残体和有机质中的磷, 合成占土壤总磷约2%—10%的微生物磷, 满足植物对磷的吸收利用[33–34]。由此可知, 在土壤全P、全K含量偏低的情况下, 古树土壤微生物活动能够通过分解丰富的土壤有机质, 释放出氮、磷元素供给古树吸收利用。此外, 植物根系分泌活动为微生物提供了重要的能源, 其分泌物种类和数量能够影响微生物的种类和数量, 并且对土壤物理性质和酸碱度产生影响[35–36]。古树随着树龄的增长, 根系吸收代谢与分泌活动会产生变化, 其土壤理化性质和微生物群落组成也会随之作出响应。研究指出, 侧柏的生长改变了微生物群落和土壤养分组成, 古树土壤养分含量普遍高于幼树, 并且土壤微生物群落对土壤养分变化敏感[37]。陈俊琦[18]则发现北京市树龄大于300年的侧柏、油松、白皮松和国槐古树土壤理化性质较差。因此, 在评价土壤肥力指标时, 有必要深入分析古树根系分泌活动以及根际土壤微生物群落变化, 为阐释土壤肥力变化机制提供依据。

土壤肥力是土壤各项指标的综合表现, 土壤肥力综合评价方法常常在评价指标选择、评价方法确认等方面存在差异。古树土壤质量评价是一个综合的过程, 目前评价指标一般以物理性质、化学特性为主。主成分分析在评价指标较多时能更有效地提取出对土壤肥力有重要影响的因素, 因此常用于评价不同类型土壤肥力[13]。本研究采用主成分分析法, 对11项海珠区古树土壤肥力指标提取了5个主成分, 涵盖了76.668%原始信息。第1主成分反映了土壤有机质、全N、水解N、有效P、速效K状况, 第2主成分反映了土壤EC值和全P状况, 第3主成分反映了土壤pH, 第4主成分反映了土壤全K状况, 第5主成分反映了土壤容重和通气度状况。对5个主成分聚类分析结果表明, 海珠区古树土壤肥力分为3类: NO.29榕树和NO.19榕树单独聚为一类, 分别为土壤肥力中等(第2类)和较差(第3类); 其余33株古树聚为一类, 土壤肥力良好(第1类)。总的来看, 海珠区古树土壤肥力综合得分为0.483—0.924, 土壤肥力水平整体良好。然而, 古树土壤受人为干扰影响较大, 尤其是树穴被硬质铺装覆盖、自身枯枝落叶被过度清理以及缺乏施肥养护等问题, 均不利于古树土壤有机质的积累。调查发现海珠区有少数古树土壤有机质含量偏低(＜20 g·kg-1), 其土壤氮、磷、钾养分含量也偏低, 建议采取施加有机改良剂、铺设树穴有机覆盖物以及定期补充有机肥等措施[38–39]提升其土壤有机质含量, 从而提高古树土壤肥力。

4 结论

综上所述, 海珠区大多数古树土壤有机质、全N、水解N、有效P、速效K含量充足, 而土壤EC值、全P、全K含量偏低, 其中全P和全K是影响古树土壤肥力的限制性因子。古树土壤pH增大, 不利于土壤养分尤其是水解N的供应。此外, 土壤主成分分析提取前5个成分涵盖了原始数据信息总量的76.668%, 说明主成分分析法用于评价古树土壤肥力具有可行性。有机质对土壤肥力的贡献率最大, 同时与土壤氮、磷、钾养分供应密切相关。海珠区古树土壤肥力整体良好, 但是不同古树之间土壤肥力存在一定的差异, 聚类分析将古树土壤肥力分为3类, 其中NO.19榕树土壤肥力较差(第3类), 需要重点提升土壤肥力。

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Comprehensive evaluation of soil fertility for ancient trees based on principal component analysis

YE Shaoping, LI Ting, ZHANG Juntao*, Cao Fangyi

Guangzhou Institute of Forestry and Landscape Architecture, Guangdong Guangzhou National Urban Forestry Science and Technology Demonstration Park, Guangzhou 510405, China

In this study, the growth status and the soil physical and chemical properties (including soil pH, EC value, bulk density, aeration, organic matter, total N, total P, total K, hydrolyzed N, available P and available K contents) of 40 ancient trees in Haizhu District of Guangzhou Citywere analyzed, and the soil fertilities of ancient trees werecomprehensively evaluated by principal component analysis and cluster analysis. The results showed that the soil EC valuesbelonging to strong variabilityof most ancient trees werelow (<0.35 mS·cm-1); the contents of soil organic matter, total N, hydrolyzed N, available P and available K were sufficient, while 65.71% of soil total P samples and 40.00% of total K samples were at low levels. The membership function values of soil total P and total K were both lower than other indices, indicating that the total P and total K contents were limiting factors affecting soil fertility of ancient trees. Meanwhile, the soil organic matter with the largestweight coefficient (0.111) in principal component analysiswas significantly positively correlated with the EC value, total P and available K (<0.05), and also highly significantly positively correlated with the total N, hydrolyzed N and available P (<0.01), which was evident that the organic matter might play an important role in soil fertility and was closely related to the soil nutrient supply for ancient trees. The comprehensive evaluation score of soil fertility of ancient trees ranged from 0.483 to 0.924, which was divided into three categories by cluster analysis, and the proportion of high soil fertility (the first category) was 94.29%. In conclusion, the soil fertility level of ancient trees in Haizhu District is generally good, and the technical maintenance measures for ancient trees with poor soil fertility should be strengthened.

ancient tree; soil fertility; principal component analysis; cluster analysis; comprehensive evaluation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.01.022

叶少萍, 李铤, 张俊涛, 等. 基于主成分分析的古树土壤肥力综合评价[J]. 生态科学, 2022, 41(1): 196–205.

YE Shaoping, LI Ting, ZHANG Juntao, et al. Comprehensive evaluation of soil fertility for ancient trees based on principal component analysis[J]. Ecological Science, 2022, 41(1): 196–205.

S714.8

A

1008-8873(2022)01-196-10

2020-10-11;

2020-12-21

广东省科技计划项目(2011B020401009; 2013B030700001)

叶少萍(1985—), 女, 硕士, 高级工程师, 主要从事土壤质量评价与修复改良研究, E-mail: yshp08@163.com

张俊涛, 男, 正高级工程师, 主要从事土壤质量评价与修复改良研究, E-mail: 350965652@qq.com