黄土丘陵区人工林典型林分土壤肥力综合评价

朱家晸，秦富仓*，李 龙，杨振奇，芳 菲，赵 琦

（1．内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2．荒漠生态系统保护与修复国家林业和草原局重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010000；3．阿拉善左旗科学技术和林业草原局，内蒙古 阿拉善盟 750300）

生态人工林主要为满足保护和改善人类生存环境、维护生态平衡、保存物种资源、科学试验等需要，其主要作用是增强森林涵养水源能力、调节当地小气候以及保持生态平衡等［1］。根据第九次全国森林资源清查内蒙古自治区清查结果，内蒙古现有森林面积2614.85 万hm2，其中人工林面积600.01万hm2，占22.94%，面积巨大。这其中，土壤作为森林生态系统的重要组成部分，对森林生态系统的养分循环及健康发育均有着重要影响［2］。

林下土壤作为供应树木成长所需营养的重要基质，对林木的生长和分布状况有着重要作用［3］。林下土壤肥力是森林土壤性能的重要指标。国内外研究表明，土壤肥力主要受土壤的物质组成、结构、环境等因素的影响，是土壤理化性质的综合反映［4］。土壤肥力状况能够反映植物从土壤中吸取养分的潜力，主要包括土壤的机械组成、有机质含量、氮、磷和钾的全量和有效量，这些指标对树木的生长有着重要影响。不同林分由于树种、造林模式、郁闭度等组成条件的不同，会导致土壤理化性质发生变化，进而影响森林生态系统结构变化，土壤抵抗盐碱化的能力也随之改变，并可能最终改变森林演替轨迹［5-6］。因此，深入研究不同林分类型的土壤肥力状况，对评价土壤质量状况、科学利用土地资源、合理进行森林经营管理以及维护森林生态系统平衡均具有重要意义。

目前常用的传统土壤肥力评价方法主要分为经验权重法和统计权重法［7-10］。不同评价方法采用的体系和侧重点不同［11-12］，其最终得出的结果也就有所不同。本文主要采用更侧重于数据本身体现的统计学意义和数理统计方法的统计权重中的主成分分析法和相关性分析法。

为研究不同林分类型的土壤肥力状况，本研究以内蒙古自治区清水河县公益林区内的油松林、落叶松林、山杏林、乔灌混交林（油松+柠条）、针阔混交林（银白杨+落叶松）5 种主要林分人工林林下土壤为研究对象，采用相关性分析法［10］以及主成分分析法［13］对土壤肥力进行综合评价。旨在探讨对比不同林分类型下人工林土壤肥力的状况。为黄土丘陵区生态公益林管理和对森林土壤资源的科学管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

清水河县位于内蒙古自治区呼和浩特市最南端（111°21′～112°07′E，39°35′～40°11′N），海拔960 ～1837 m。县境内平川95 km2，山地974 km2，丘陵1499 km2，构成了沟壑和平原并存的地貌类型。林木保存面积8.8 万hm2，森林覆盖率30.8%，主要树种有油松、落叶松、柠条、沙棘、杏等。清水河县地处中温带，属典型的温带大陆性季风气候；雨热同季，雨量集中；主要集中在6 ～9 月，占年降水量的80%；历年平均降水量413.8 mm，平均降水日数为75 d，全县年蒸发量达2577.2 mm；年平均气温7.1℃。主要有栗钙土、栗褐土、灰褐土、潮土、风沙土、沼泽土、盐土、石质土8 个土类；地带性土壤为栗钙土。

1.2 土壤样品采集

在查阅文献和实地调查的基础上，于2020年7 ～9 月在清水河县公益林区内，根据树种分布现状和数量，筛选出立地条件相同、具有代表性的5 种典型林分类型，包括油松林、落叶松林、山杏林、乔灌混交林（油松+柠条）、针阔混交林（银白杨+落叶松），林龄均在15 年以上，在其中选取具有代表性的区域，并在每种林分代表区域中随机设置5 个样地斑块，共计25块样地，每块样地面积均为20 m×20 m，在样地对角线上设置3 个采样点，每个采样点面积为1 m×1 m；收集0 ～20 cm 土层的土壤，去除表层腐殖质、残根等，平均分成4 份共收集1 kg 的样品，编号后带回实验室，风干后过筛备用。样地基本情况见表1。

1.3 土壤化学性质测定

土壤pH 值采用混合指示剂比色法测定；有机质含量采用重铬酸钾-硫酸溶液氧化法测定；有效磷含量用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；全磷、全氮含量采用HClO4-H2SO4消化法测定；速效钾含量采用中性乙酸铵浸提法测定；碱解氮含量用碱解扩散法测定［14］。

表1 样地基本情况

1.4 评价方法

1.4.1 指标标准化处理

在进行评价之前，因为各项待评价指标的量纲数据具有差异性，因而需要解决其统一标准化的问题，进而完成各项评价指标的数据统一化，使各评价指标间具备可比性［4］。因此，需要创建出各项评价指标的隶属度函数，并计算各指标的隶属度函数值。按照相关文献记载以及不同树种的实际生长情况，可将隶属度函数分为抛物线型和S 型。

抛物线型隶属度函数：评价指标体系中具备一定范围的树木最佳生长区间。假设其指标数据离开此区间，则认定不适于树木的生长。指标数据的偏离程度可以反映其对树木生长的影响，pH 指标离散程度较低，适用于此函数。隶属度函数值F（x）的计算公式为：式中，x 为测定评价指标的实际值，xa、xb、xc、xd为函数曲线转折点的取值。

S 型隶属度函数：S 型隶属度函数的曲线特征是，指标假定在一固定数值区间内增长时，可以反映出评价指标对树种的生长具有较大影响，一旦低于或高于此区间，则评价指标影响较小，适用于数据离散程度较大的土壤有机质、全氮、全磷、有效磷、速效钾、碱解氮含量。式中，x 为测定的评价指标的实际值，xa、xb为函数曲线转折点取值。

综上，根据公式（1）和（2）可将指标数据转化为0.1 ～1.0 的无纲量化数值，数值越接近1.0 表明指标对树木成长的影响越大。依据全国第二次土壤普查数据［15］和查阅相关的文献［16-17］。函数曲线转折点的取值如表2 所示。

表2 隶属度函数的转折点取值

1.4.2 综合评价方法

采用下列2 种评价方法对5 种林分类型进行土壤肥力综合评价。

（1）主成分分析法：运用SPSS 22.0 对评价指标实际值进行降维处理，重新组合成一组独立的综合指标，采用加权求和法计算公因子方差，进一步计算各个公因子方差占公因子方差总和的比例［18］，将其作为指标的权重αi。土壤肥力综合得分C 计算公式为：

式中，αi为第i 个土壤肥力指标占总体的权重，n为指标数量，F（i）为某一林分类型各项指标的隶属度值。

（2）相关性分析法：主要研究两个或两个以上处于同等地位的随机变量间的相关关系的统计分析方法。在存在多变量的情况下，由于变量之间存在着直接或间接的影响，所以需要消除其他变量的影响。在土壤肥力评价体系中，在控制其他指标的影响后，可根据各指标间的相关程度，建立偏相关系数矩阵，计算其平均值，求出该平均值占所有指标平均值之和的百分比。最终求得单项肥力指标在表征土壤肥力状况中的贡献率，即权重系数Wi［19］，最终基于Wi和各指标的隶属度函数值可求得综合指数IFI［20］：

式中，Wi为第i 个土壤肥力指标的权重系数，n 为指标数量，F（i）为某一林分类型各项指标的隶属度值。

1.5 数据分析

数据处理采用Excel 2010，使用抛物线型和S型曲线，对实际观测数据进行统一化处理，使用SPSS 22.0 进行数据分析，对评价指标进行描述性统计及相关性分析，利用相关性分析法以及主成分分析法分析计算得出不同林分类型林下土壤肥力分值。

2 结果与分析

2.1 不同林分类型土壤肥力指标分析

根据表3 显示的各项土壤肥力指标的描述性统计结果显示，数据均呈正态分布，变异系数由大到小为速效钾＞全氮＞碱解氮＞有效磷＞全磷＞有机质＞pH。其中pH、有机质为低于10%的弱变异，数据离散程度较小，说明5 种林分土壤pH、有机质两项指标数据较为接近；其他6 项指标均属中等变异，速效钾为最高，说明5 种林分的土壤速效钾含量差异较大。

表3 土壤指标描述性统计

不同林分类型的土壤肥力指标测定值如表4 所示，土壤pH 平均值为8.28，表明研究区土壤为碱性土壤。根据全国第二次土壤普查分类标准［16］（表5），5 种林分类型中，5 种林分的土壤全磷、有效磷含量均为三级，属于中上水平；碱解氮含量平均为68.19 ～88.66 mg·kg-1，均为四级中下水平，整体含量偏低；落叶松林、山杏林的有机质、全氮含量为四级，油松林、乔灌混交林、针阔混交林为三级；针阔混交林的速效钾含量为二级较高水平，油松林、山杏林、乔灌混交林为三级，落叶松林为四级。

表4 不同林分类型土壤肥力指标测定值

表5 全国第二次土壤普查养分分级标准

由表4 可得，除pH 外，以落叶松+杨树混交为主要树种的针阔混交林的各项肥力指标数值均高于其他4 种林分，土壤肥力状况较其他林分更好，5 种林分中，山杏林肥力状况为最差。且数据显示，混交林的土壤肥力要优于纯林。5 种林分的土壤全磷、有效磷含量整体较丰富，其中针阔混交林与山杏林的有效磷含量差异显著，差值达到4.69 mg·kg-1。速效钾含量整体差异较大，平均值为156.16 ～97.65 mg·kg-1，其中油松林、山杏林和乔灌混交林之间无显著差异，落叶松林与针阔混交林差异显著。5 种林分有机质、全氮和碱解氮含量平均值分 别 为18.06 ～19.84 g·kg-1、0.82 ～1.00 g·kg-1和68.19 ～88.66 mg·kg-1，整体无显著差异。

2.2 土壤肥力单项指标评价

根据雷达图的几何意义，坐标点离原点越远表明指标的状态越好，各坐标点围成的面积越大，则表明其评价对象的整体状态更佳。因此，雷达图可更加直观地反映出单项土壤肥力指标在土壤中的状态及土壤肥力的整体情况［3］，5 种林分各项土壤肥力指标隶属度函数值如图1 所示。5 种林分类型各项土壤肥力指标的隶属度值最小的均为pH，隶属度值基本在0.5 左右，说明pH 对林下土壤质量的作用分值较小。隶属度值最高为全氮，隶属度值基本在0.7 ～0.8 之间，作用分值较大。其他指标隶属度值基本在0.55 ～0.7 之间，处于中间状态。其中，最高的pH 隶属度值出现在落叶松林，最高的有机质、全磷、全氮、有效磷、速效钾和碱解氮隶属度值均出现在针阔混交林，说明针阔混交林的整体土壤肥力状况较其他4 种林分更好。

图1 中各项指标隶属度值围合而成的面积能够直观反映出各项指标对土壤肥力的作用影响，总体上，面积越大，林下土壤肥力情况越好。但是，以上数据仅是依据土壤肥力指标反映了土壤肥力的状态且是建立在土壤肥力相等的前提下，实际上，由于指标间对土壤肥力的影响具有差异性，有必要结合单一土壤肥力指标的综合平均贡献率进一步验证。

图1 各项土壤肥力指标隶属度函数值雷达图

对不同林分类型的土壤肥力指标隶属度值进行相关分析，并通过相关系数逆矩阵求得各指标的权重系数，进而可知各项土壤肥力指标对土壤肥力的贡献率，结果如图 2 所示。不同林分类型各项指标综合平均贡献率从大到小为：全氮（0.199）＞全磷（0.163）＞有效磷（0.108）＞碱解氮（0.099）＞有机质（0.090）＞速效钾（0.088）＞pH（0.078）。由此可以看出，全氮与全磷对改善土壤肥力有着重要作用。

图2 各项土壤肥力指标隶属度函数值综合平均贡献率雷达图

2.3 土壤肥力综合评价

2.3.1 主成分分析法

运用SPSS 22.0 对7 项土壤肥力指标进行检验，KMO 测 验 结 果 为0.611（＞0.6），Bartlett 球 形检验的显著系数为0.00（＜0.05），说明数据适宜进行主成分分析。经过主成分分析得到各主成分数据值（表6），共提取出3 个主成分，各主成分的特征值分别为3.152、1.360 和1.054，前3 个主成分的累计方差贡献率分别达39.562%、63.740%和79.510%。第1 主成分包括有机质、全磷、有效磷和碱解氮，第2 主成分包括pH 和速效钾，第3 主成分为全氮。基于公因子方差求出的权重系数表现为全氮（0.161）＞有效磷（0.159）＞全磷（0.153）＞速效钾（0.139）＞碱解氮（0.135）＞有机质（0.127）＞pH（0.123），全氮对土壤肥力的贡献率最大，其次为有效磷和全磷。

按照各林分类型的隶属度函数值（图1）以及求出各指标的权重（表6），通过对其加权计算，可得到的土壤肥力综合评价值如表7 所示，综合得分为0.586 ～0.737，大小顺序为针阔混交林＞乔灌混交林＞油松林＞落叶松林＞山杏林，针阔混交林分值最高，山杏林最小。

2.3.2 相关性分析法

基于各项指标的隶属度函数值（图1）和各指标对土壤肥力的贡献率（图2）进行加权计算，对不同林分类型各项土壤肥力指标进行综合评价，结果如表7 所示。综合指数为0.495 ～0.629，与主成分分析法结果一致。大小顺序为针阔混交林＞乔灌混交林＞油松林＞落叶松林＞山杏林，针阔混交林肥力状况最好，山杏林最差。

综上，两种评价方法进行土壤肥力综合评价的最终结果一致，均为针阔混交林＞乔灌混交林＞油松林＞落叶松林＞山杏林，说明数据本身对两种方法体现出统一性，更具有说服力，且两种方法适用于土壤肥力的综合评价。二者最终得出的评价分值实际较为接近，但指标权重有一定差别，例如相关性分析法得出的全磷平均综合贡献率在所有指标中排名第2，为0.163，但主成分分析法得出的权重为0.153，在指标中位列第3，说明不同评价方法偏重的内容有所不同。主成分分析法主要是通过降维将原来具有一定相关性的变量重新组合成一组新的相互无关的几个综合变量，在尽可能多地保留原始变量信息的情况下，从中导出少数几个主成分［21］；而相关性分析法更多的是考察多个变量间的相关性，通过指标之间的敏感度大小来确定指标权重［3］。所以，在方法的选择上，还应根据指标体系的具体情况来点定。

表6 土壤肥力指标的主成分分析

表7 不同林分类型的土壤肥力综合评价

3 结论与讨论

本研究结果表明，研究区内蒙古清水河县生态公益林区土壤pH 平均值为8.35，属于碱性土壤，这与以往关于黄土丘陵区土壤pH 值研究结果一致［22］。其中，混交林的土壤肥力状况要高于纯林。混交林中针阔混交林（乔木混交）土壤肥力优于乔灌混交林，纯林中油松林＞落叶松林＞山杏林。

混交林土壤肥力表现较纯林更好，基本与前人研究结果一致［23-24］，分析原因是由于人为对林分结构进行改造，改变了树木的空间分布格局［25］，使其能够更加合理地吸收土壤养分，使土壤通透性增加，土壤结构发生改变，更有利于养分的积累［26］；且混交林林内枯落物较纯林更为丰富，成分复杂，为林下土壤微生物的活动提供有利条件［27］，使得土壤微生物更为活跃，加速了枯落物的分解和养分释放的速度，改良了土壤理化性质，进而提高了土壤肥力。5 种林分中，山杏林土壤肥力表现最差，原因主要是山杏成长速度比其余树种快，在生长过程中对营养的需求量较大，且林下植被稀少，最终导致枯落物蓄积量较少，只是表层养分积累，土壤整体肥力状况不佳。但也有研究表明，山杏林土壤肥力状况较油松等针叶林更好［28］，推测可能与当地抚育管理措施有关。综上所述，在植被恢复和抚育管理人工林的过程中，在遵从自然规律以及因地制宜的原则上，可以适当增加混交林所占比例，引入适宜的混交树种，并根据土壤肥力状况进行科学的土壤养分管理。

由主成分分析法计算出的单项指标权重及雷达图所呈现的贡献率均说明全氮在当地土壤肥力中贡献最大，其含量的大小与土壤养分环境密切相关［29］，可在今后作为指示土壤肥力的第一因素。pH 是土壤化学性质的综合体现［30-31］，对土壤养分的存在形态有直接影响［32］。本研究表明，pH 是土壤肥力的第一限制性因子，因此应注意调节土壤pH，可在土壤中适当添加以石膏或磷石膏为主的土壤改良剂用以降低土壤碱性［33］。