基于最小数据集的关帝山典型植被类型土壤质量评价

张 垚，白秀梅，郭汉清，杨秀清，亢晨波，刘 洋，马文硕

（山西农业大学 林学院，山西 太谷 030801）

土壤是森林生态系统的重要组成部分，其质量 状况是影响森林可持续发展的重要因素[1]。森林土壤质量是植被和土壤相互作用的结果，植物不仅通过根系从土壤中吸收水分和养分，植物还以凋落物的形式对土壤养分进行补充，从而影响土壤性质特征[2]。目前，关于森林土壤质量的评价方法很多，如最小数据集（MDS）法[3]、层次分析法[4]、灰色关联法[5]和GIS技术结合数学模型[6]等，其中以简单直观、定量灵活的最小数据集法最为常用。冯瑞琦等[3]采用基于MDS法的线性和非线性评分方法对闽南地区森林土壤质量进行了评价，结果表明，线性评分方法可更准确地反映天然次生林的土壤质量。SHAO等[7]对泰山7种典型植被类型土壤进行评价，结果表明，土壤持水性、有机质和全氮含量是影响该区域土壤质量的关键因素。另外，采用MDS法进行质量评价大多为南方森林土壤，对于北方特别是华北地区的典型森林土壤鲜有报道。

关帝山林区是汾河主要支流文峪河的发源地，区内现存大面积林相整齐的华北高海拔地带森林植被，有重要的涵养水源功能和水土保持功能[8]。以往对于关帝山林地土壤的研究，多集中在土壤理化性质方面[9-11]，针对该区土壤质量的研究尚未见报道。

本研究选取关帝山林区6种典型植被类型，通过测定林地土壤物理、化学、生物性状指标，运用主成分分析法，建立土壤质量评价MDS体系，对典型植被类型土壤质量进行综合评价并找出关键因子，以期有针对性地为关帝山林区土壤质量改善提供一定的科学依据与理论参考。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

关帝山林区位于山西省西部吕梁山脉中段（111°20′～111°38′E，37°44′～37°58′N），海 拔 为1 600～2 830 m，属暖温带大陆性山地气候，年平均气温4.3℃，年平均降水量822.6 mm。试验区内森林主要为天然次生林，优势乔木树种为华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）、油松（Pinustabuliformis）、云杉（包括青扦（Picea w ilsonii）和白扦（Picea meyeriRehd））以及辽东栎（Quercuswutaishansea）、白桦（Betula platyphylla）、红桦（Betula albosinensis）和山杨（Populus davidiana）等，林相较为整齐，郁闭 度0.6～0.7，林 龄40～60 a；灌 木 主 要 有 沙 棘（Hippophaerhamnoides）、茶藨子（Ribeskomarovii）、绣线菊（Spiraea salicifolia）等；草本主要有鹿蹄草（Pyrola calliantha）、早 熟 禾（Poa annua）、薹 草（Carexspp）等。

1.2 样地设置

试验样地基本特征如表1所示。

表1 试验样地基本特征Tab.1 Basic characteristics of the test plot

试验选取关帝山内6种典型植被类型（云杉-华北落叶松针叶混交林（简称针叶混交林，Ⅰ）、华北落叶松纯林（Ⅱ）、华北落叶松-油松-杨桦针阔混交林（简称针阔混交林，Ⅲ）、杨桦阔叶林（Ⅳ）、沙棘灌木林（Ⅴ）、草地（Ⅵ））为研究对象，并在各植被类型内选取坡向、坡度基本一致的地段各设立5个标准样地。其中，乔木、灌木样地为20 m×20 m，草地为1 m×1 m，调查样地基本特征，并在各样地内随机选取3个采样点，共90个采样点。

1.3 土壤样品的采集与指标测定

2019—2020年6—9月，分别在各样地内的采样点划出20 cm×20 cm小样方，去除小样方内的草本，测量枯落物层厚度后，带回实验室烘干称质量。另外，取各样方内0～20 cm土层土样，带回实验室进行物理、化学和生物指标测定。

土壤容重（BD）和非毛管孔隙度（NCP）采用环刀法测定；pH值（pH）采用电位法测定；有机质（SOM）采用重铬酸钾外加热氧化法测定；全氮（TN）采用半微量凯氏法测定；全磷（TP）采用HClO4-H2SO4钼锑抗比色法测定；碱解氮（AN）采用碱解扩散法测定；有效磷（AP）采用0.5 mol/L NaHCO3浸提比色法测定；过氧化氢酶活性（CAT）采用高锰酸钾滴定法测定；磷酸酶活性（PHO）采用磷酸苯二钠比色法测定；蔗糖酶活性（SUC）采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定；脲酶活性（URE）采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定[12-13]。

1.4 最小数据集（MDS）构建及土壤质量指数（SQI）计算

1.4.1 主成分分析法构建最小数据集 通过主成分分析（Principal component analysis，PCA）对12项土壤指标进行降维分组，提取特征值≥1的主成分，并选择指标载荷绝对值≥0.5的为一组，若指标在2个主成分中的载荷量均大于0.5，则将其选入与其他指标相关性较低的一组。保留各组中Norm值在最高Norm值10%范围内的指标作为最小数据集备选指标，若某组中备选指标有多个，则根据指标的相关性进一步筛选，若组内指标不相关或负相关则全部保留，反之则选取Norm值最高的指标纳入最小数据集[14]。

式中，N ik为第i个指标在前k个主成分上的综合荷载；U ik为第i个指标在第k个主成分上的荷载；λk为第k个主成分的特征值。

1.4.2 土壤质量指数计算 计算土壤质量指数（SQI）有3个步骤，首先采用标准评分函数计算指标得分，其次根据PCA的公因子方差计算指标权重，最后通过加权求和得到土壤质量指数（SQI）[15-16]。

升型函数和降型函数分别如公式（2）、（3）所示。

式中，f(x)为各评价指标的得分；x为各评价指标实测值；U和L分别为各评价指标的最大值和最小值。如非毛管孔隙度、养分含量和酶活性属于升型函数；而容重用降型函数；p H值为酸性时用升型函数，为碱性时用降型函数。

式中，W i是各指标的权重；Ci是各评价指标的公因子方差；n是MDS中包含的指标数。

式中，fi为各评价指标的得分值。

1.5 数据处理

数据采用Excel 2019进行数理统计分析；采用SPSS 25.0对数据进行主成分分析、方差分析和LSD多重比较；采用Origin 2019b绘图。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型土壤物理、化学和生物学指标统计特征

不同植被类型土壤物理、化学和生物学指标统计结果如表2所示。

表2 不同植被类型土壤物理、化学和生物学指标统计Tab.2 Statistics of soil physical，chemical and biological indexes of different vegetation types

从表2可以看出，6种植被类型的土壤容重变化范围为1.23～1.46 g/cm3，大小排序为Ⅵ＞Ⅴ＞Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅳ，其中，Ⅴ、Ⅵ与其余4种植被类型之间差异显著（P＜0.05）；非毛管孔隙度为12.37%～17.83%，其中，植被类型Ⅰ最大，其次依次为Ⅳ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ，Ⅵ最小，Ⅰ显著大于Ⅲ、Ⅴ和Ⅵ（P＜0.05）。

6种植被类型的土壤p H值为6.72～7.23，Ⅳ最大，Ⅰ最小，二者间差异显著（P＜0.05），其他植被类型间差异不显著。土壤有机质19.46～90.03 g/kg，Ⅰ最大，Ⅵ最小，Ⅰ和Ⅱ的有机质含量显著大于Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ（P＜0.05）。土壤全氮含量为0.63～2.80 g/kg，Ⅰ全氮含量最大，Ⅲ最小，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ显著大于Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ（P＜0.05）。全磷含量为0.96～2.00 g/kg，Ⅰ最大，Ⅲ最小，且二者间差异显著（P＜0.05），其他植被类型间无显著差异。碱解氮含量为65.96～233.39 mg/kg，Ⅰ最大，Ⅲ最小，Ⅰ和Ⅱ的碱解氮含量显著大于Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ（P＜0.05）。有效磷含量为1.22～8.50 mg/kg，Ⅰ的有效磷含量显著大于Ⅴ、Ⅵ（P＜0.05）。

土壤磷酸酶活性为0.99～2.62 mg/（g·d），Ⅰ最大，Ⅴ最小，Ⅰ和Ⅱ的磷酸酶活性显著大于Ⅴ（P＜0.05）。蔗糖酶活性为8.63～22.32 mg/（g·d），Ⅰ最大，Ⅴ最小，Ⅰ和Ⅱ的蔗糖酶活性显著大于Ⅲ、Ⅴ（P＜0.05）。过氧化氢酶和脲酶活性分别为1.44～1.79 mL/g和1.32～2.32 mg/（g·d），过氧化氢酶和脲酶活性在各植被类型间均无显著差异。

2.2 土壤质量评价MDS指标筛选

用主成分分析法对12个土壤质量评价指标进行分析，结果如表3所示，3组特征值大于1的主成分，解释了研究区各土壤性质指标对土壤质量影响的78.175%，每组分别解释了36.856%、28.789%、18.429%。选择主成分因子载荷绝对值≥0.5且最大Norm值在10%范围内的指标作为MDS备选指标，其中，第1组包括容重、有机质、全氮、碱解氮、磷酸酶和蔗糖酶；第2组包括非毛管孔隙度、pH值、全磷和有效磷；第3组包括过氧化氢酶和脲酶。

表3 土壤质量指标主成分分析结果Tab.3 Principal component analysis results of soil quality index

根据指标的Norm值和相关性分析，第1组碱解氮Norm值最大，而且与其他指标均极显著相关，故只保留碱解氮；同样，第3组保留过氧化氢酶；第2组中全磷Norm值最大，p H值和有效磷与全磷极显著相关，非毛管孔隙度与全磷不相关，故保留全磷和非毛管孔隙度，最终MDS的指标包括碱解氮、全磷、非毛管孔隙度和过氧化氢酶。

2.3 土壤质量综合评价

由图1可知，6种植被类型的土壤质量指数（SQI）从大到小排序为：Ⅰ（0.656）＞Ⅱ（0.615）＞Ⅳ（0.521）=Ⅴ（0.521）＞Ⅵ（0.499）＞Ⅲ（0.364）。其中，针叶混交林（Ⅰ）的土壤质量指数最高，针阔混交林（Ⅲ）的土壤质量指数最低。为了更直观地比较各植被类型的土壤质量，将土壤质量指数以0.2为组距分为5个等级，即低（0＜SQI≤0.2）、较低（0.2＜SQI≤0.4）、中（0.4＜SQI≤0.6）、较 高（0.6＜SQI≤0.8）、高（0.8＜SQI＜1.0）[17]。其中，针叶混交林和华北落叶松纯林处于较高水平，杨桦阔叶林、沙棘灌木和草地处于中等水平，针阔混交林处于较低水平。进一步分析MDS各指标土壤质量指数平均值可以得出，过氧化氢酶（0.151）＞全磷（0.150）＞非毛管孔隙度（0.133）＞碱解氮（0.098）。其中，针叶混交林和华北落叶松纯林的SQI主要受全磷含量影响；而针阔混交林的SQI受过氧化氢酶活性影响较大；杨桦阔叶林（Ⅳ）和沙棘灌木林（Ⅴ）的SQI值相等，但土壤评价指标的贡献却不同，全磷对杨桦阔叶林（Ⅳ）SQI的贡献相对较大，而过氧化氢酶活性对沙棘灌木林（Ⅴ）的SQI影响更大。

为验证最小数据集SQI的准确性，本研究对TDS-SQI与MDS-SQI进行线性拟合（图2），结果表明，TDS-SQI与MDS-SQI存在极显著相关关系（P＜0.001），同时，线性拟合方程的R2为0.820，表明所筛选出的土壤质量评价MDS指标体系具有较强的代表性，可以较准确地表征研究区的土壤质量。

2.4 海拔与土壤质量的回归分析

已有研究表明，该区域土壤类型随海拔呈垂直地带性分布，降水量随海拔升高具有明显增加趋势[18]，且降水的增加明显促进了生物多样性[19]，植被类型由落叶阔叶林和油松为主的针阔混交林逐渐向华北落叶松、云杉针叶混交林演替。为了探究海拔对土壤质量的影响，本研究对二者进行回归，方程为：y=0.000 4x－0.184 3（R2=0.410，P＜0.05，n=90），其中，y为SQI，x为海拔。结果表明，海拔与土壤质量指数间存在显著正相关关系，即土壤质量随海拔的升高而增加。

3 讨论

3.1 土壤理化和生物性质差异

研究区不同植被类型的土壤物理性质有很大差异。各乔木植被类型的土壤容重和非毛管孔隙度均优于沙棘灌木林和草地，这是由于乔木根系较丰富且根系活动频繁，导致其土壤结构较为疏松，通气性较好。针叶混交林和华北落叶松纯林的p H低于其他植被类型，这可能与所处的海拔高度较高及凋落物积累较多有关，微生物腐化分解后产生大量的有机酸，而且在较高海拔处强烈的淋溶作用导致土壤酸度增加[20]。土壤全磷和速效磷的变化与李洁等[21]对不同植被类型土壤肥力性状的研究结果不同，这可能是由于研究区针叶混交林和华北落叶松林土壤磷酸酶活性较高，磷素转化效率高，使得全磷和有效磷含量高于其他植被类型。本研究结果表明，3种水解酶活性（磷酸酶、脲酶、蔗糖酶）均为针叶混交林最高，说明该类型林地土壤有效磷的矿化速率最快，土壤碱解氮的转化速度也最快，磷素和氮素供应状况好，而且提供碳源的能力比较强，这与薛文悦[22]对北京山地森林土壤酶活性特征的研究结果相类似。总体来看，研究区针叶混交林的土壤理化性质和生物性质优于其他植被类型。

3.2 MDS指标筛选

通过主成分分析及各指标的Norm值筛选出MDS指标包括非毛管孔隙度、碱解氮、全磷和过氧化氢酶，其包含了土壤通气性、养分和生物学性质3个方面的指标，能较为全面、客观地评价关帝山典型植被类型土壤质量。而在冯瑞琦等[3]、刘昊等[23]对闽南、湖南森林土壤进行质量评价时选用了土壤容重、总孔隙度、有机质、全磷和全钾等指标，这与本研究筛选出的指标不尽相同，主要是由于红壤土黏重易板结不利于土壤通气透水[24]，且土壤中磷素、钾素较为缺乏[3]，而本研究区土壤主要为山地褐土和棕壤土，土壤质地较好，土壤非毛管孔隙度能较为直观真实地表征土壤的物理结构性质；本研究区土壤质量较差的林分全磷和碱解氮含量均较缺乏，而且在针叶混交林和华北落叶松纯林，全磷含量是主要的影响因子。此外，过氧化氢酶入选了本研究区的MDS，说明本研究区域土壤质量的主要影响因素除了全磷、碱解氮、非毛管孔隙度之外，土壤呼吸作用和微生物生命活动对土壤质量也有显著影响，这可能与研究区海拔跨度较大影响土壤呼吸作用和微生物生命活动有关。

3.3 土壤质量评价

研究区针叶林的凋落物较多，且凋落的针叶密集地覆盖在土壤表面，形成较为密闭的环境，有利于养分积累和酶促反应进行[21]，使土壤具有较好的通气性和较高的养分含量，因此，针叶林土壤质量高于其他植被类型。杨桦阔叶林的凋落物多为易分解的软质枯落物[25]，有利于植物养分吸收而不利于土壤养分积累，导致该林地土壤质量低于针叶林。沙棘灌木林的土壤质量与杨桦阔叶林处同一水平，由于沙棘密度较大，根系伸展范围较广，利于共生固氮和难溶性养分的转化，而且较高的过氧化氢酶活性也表明该林地土壤呼吸作用和微生物活动较强烈。

本研究中针阔混交林土壤物理性质及养分肥力状况均低于其他植被类型，这与白秀梅等[26]和刘欣等[27]的研究结果不一致。进一步分析认为，该植被类型下枯落物较薄，且该混交林中油松植株占35%～50%，而油松凋落物具有较高的木质素含量和较高的C/N和C/P，阻碍了微生物的腐化，影响了土壤有机质有效的积累[28]。另外，该植被类型土壤4种酶活性较低，反映出土壤中有机物质分解速率缓慢，进而导致了氮素、磷素积累不足，因此，该植被类型应适当施加氮肥、磷肥提高土壤质量。

3.4 土壤质量与海拔的关系

本研究表明，林地土壤质量随海拔升高而增加。SHAO等[7]和ZHANG等[29]对不同海拔林地土壤质量及有机碳的研究发现，森林植被群落随海拔呈现垂直地带性分布，植被的变化导致了不同的凋落量和凋落物类型[30]。低温和高降水共同导致海拔较高地区凋落物分解速率降低、有机碳积累和土壤质量提高，这与本研究结果一致。由于本研究主要基于不同植被类型土壤的理化和生物性质，有关土壤质量在时间上的变化并未涉及，因此，今后的研究中应设立长期试验点监测土壤质量在时间尺度上的演变特征。

4 结论

本研究结果表明，不同植被类型土壤理化和生物性质存在一定差异，针叶混交林的土壤理化和生物性质均较优，针阔混交林的土壤理化性质状况较差。本研究筛选出土壤全磷、碱解氮、非毛管孔隙度和过氧化氢酶构成MDS体系，其中，过氧化氢酶和全磷为影响关帝山林区土壤质量的关键因子。不同植被类型的土壤质量差异显著，云杉-华北落叶松针叶混交林＞华北落叶松纯林＞杨桦阔叶林=沙棘灌木林＞草地＞华北落叶松-油松-杨桦针阔混交林，总体来看，各林分土壤质量大多处于中等及以上水平。海拔与土壤质量指数间存在显著正相关关系，海拔高度是影响关帝山林区土壤质量的潜在环境限制因子。