基于最小數據集的閩楠天然次生林土壤質量評價

馮瑞琦，潘 萍，歐陽勛志*，臧 顥，具琳靜，李堅鋒

（1.鄱陽湖流域森林生態(tài)系統(tǒng)保護與修復國家林業(yè)和草原局重點實驗室，江西 南昌 330045；2.江西農業(yè)大學 林學院，江西 南昌 330045）

【研究意義】土壤作為陸地和森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，是調節(jié)養(yǎng)分吸收、轉化分解、供水以及促進林地生產力的重要媒介[1]，為地上植物的生長提供必需養(yǎng)分。土壤質量是土壤維持動、植物以及環(huán)境健康的能力體現[2]，其變化對森林群落的演替具有重要的調控作用[3]。由于土壤與植被間的關系密切，開展森林土壤質量的評價研究將有助于土壤的可持續(xù)管理和森林的可持續(xù)經營。【前人研究進展】近年來，諸多學者圍繞土壤質量展開了大量研究，但由于土壤自身功能和相關關系的復雜性，有關土壤質量評價指標的選擇仍沒有一個統(tǒng)一的標準[4]，這可能主要是由于土壤質量與其所在的區(qū)域位置[5]、土壤類型[6-7]以及植被[2]等因素關系密切有關。土壤質量是土壤多種因子的綜合體現，其變化不能僅靠單一指標衡量，而最小數據集（MDS）是具有代表性的土壤指標最小集合，能反映土壤屬性的大部分信息[6]，在土壤質量評價體系中被廣泛應用，但評價指標的選取也因其研究目的而異。如曾憲禮等[8]對毛竹林進行土壤肥力研究時，選擇容重、有機質、非毛管孔隙度、N 和P 含量等評價指標；陳夢迪等[9]為反映不同枯落物管理的云南松林土壤質量變化，則選用了較為靈敏的土壤酶和微生物指標進行研究。此外，不同學者對土壤質量評價所采用的方法也不盡相同，如邵國棟等[10]采用線性評分方法對昆崳山森林土壤質量進行了評價；Li等[11]采用非線性評分方法對土壤質量進行了評價；Nabiollahi 等[12]基于線性和非線性兩種評分方法表明，非線性評分方法對于伊朗不同土地利用方式土壤質量的評價結果較為準確，而Gopal等[13]則得出線性評分方法結果更為可靠?？梢?，對特定區(qū)域的土壤質量開展評價研究時，選擇合適的評價方法至關重要。而為了探究土壤質量的影響因素，不少學者引入障礙因子診斷模型分析影響土壤質量的主要因素，如王琪琪等[14]研究發(fā)現，較低的總有機碳、全氮和黏粒含量是江蘇省如東縣灘涂圍墾區(qū)土壤質量的主要制約因子，并表明提高其土壤質量水平可通過改善土壤結構和增加養(yǎng)分含量實現。

【本研究切入點】閩楠（Phoebe bournei）是樟科常綠喬木，為我國Ⅱ級珍稀漸危樹種，目前僅在江西、廣西、湖南、福建等地的低海拔山林中有少量分布[15-16]，其中，江西是閩楠自然分布較典型的省份之一。國內有學者從化學計量[17]、林分結構[18]、天然更新[19]、種間關聯性[20]、生物量[21]、林木競爭[22]、種群結構[16]等方面對閩楠天然次生林開展了相關研究，但對其土壤質量的現狀及其影響因子尚不清楚。近年來，江西省積極營造珍貴樹種，不少縣市都開展了閩楠人工造林，而目前對其造林地的選擇及經營等還沒有形成較為完整的技術體系?！緮M解決的關鍵問題】本研究基于土壤物理、化學指標，通過相關性分析、主成分分析等方法構建土壤質量評價MDS 對全省閩楠天然次生林林地土壤質量進行評價并探明其影響因子，可為閩楠天然次生林的可持續(xù)經營以及人工閩楠林營造立地的選擇及經營等提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為江西省安?？h、遂川縣、井岡山市、三清山、婺源縣和修水縣，地貌以丘陵、山地為主，土壤類型主要為紅壤、黃紅壤和黃壤等，母巖以砂巖、花崗巖、頁巖和板巖等為主；屬于亞熱帶溫暖濕潤季風氣候，年均氣溫14.2～18.1 ℃；年均降水量1 421～1 962 mm，降水主要集中在春季和夏初，雨量充沛，年無霜期為247～284 d。森林覆蓋率均為70%以上，森林植被類型豐富，主要有常綠闊葉林、針葉林、針闊混交林和竹林等。

1.2 樣地設置與調查

通過森林資源二類調查資料以及從林業(yè)主管部門的了解，選擇了閩楠分布較多的安福縣、遂川縣、井岡山市、三清山、婺源縣和修水縣為調查區(qū)域。2015—2018年7-8月分別對區(qū)域內閩楠分布地進行踏查，在此基礎上，共選擇30個人為干擾程度輕且在立地、林木生長等方面能夠代表當地閩楠次生林平均水平的地塊設置典型樣地，其面積依據地形和閩楠種群分布特征而定，為400 m2（20 m×20 m）或600 m2（20 m×30 m），調查樣地內包括樹種、郁閉度、林分密度、胸徑和樹高等林分因子以及坡度、坡向、腐殖質層厚度、土壤類型、海拔和坡位等立地因子，其中，樣地土壤類型均為紅壤，同時調查其林下植被、凋落物等因子。

1.3 土壤樣品的采集與測定

土壤物理性質的取樣采用剖面法，在樣地內選擇能代表其植被和土壤平均水平的地段（一般為樣地中央位置）挖取土壤剖面，并分別于0～10 cm、10～20 cm 土層打環(huán)刀，在環(huán)刀周圍用鋁盒分別取土樣約10 g 用于土壤容重、孔隙度以及土壤水分等物理性質的分析。土壤化學性質的取樣則采用土鉆法，依據地形分別在樣地內坡上、坡中和坡下方位置選擇取樣點進行0～10 cm 和10～20 cm 土層土壤樣品的采集，將每層樣品充分混勻后取1 kg 左右裝袋帶回，待風干過篩、清除雜質后進行土壤化學性質測定。一般認為0～20 cm 土層代表土壤表層[10]，因此本研究以0～10 cm 和10～20 cm 土層的均值作為0～20 cm 土壤指標數據進行分析。

土壤含水量的測定采用酒精燃燒法；土壤容重、最大持水量、毛管持水量、田間持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度采用環(huán)刀法測定；有機質的測定采用重鉻酸鉀硫酸氧化—硫酸亞鐵滴定法，全氮采用硫酸消煮—半微量凱氏定氮法測定；全磷采用酸溶—鉬銻抗比色法測定；全鉀采用氫氧化鈉熔融—火焰光度法測定；速效氮采用堿解擴散法測定；速效磷采用氟化銨鹽酸比色法測定；速效鉀采用醋酸銨提取—火焰光度法測定；pH值采用電位法測定[23]。

1.4 土壤質量評價方法

1.4.1 最小數據集的建立 土壤理化性質是反映土壤基本屬性的指標，也是體現土壤肥力質量的關鍵指標。因此，本研究參考前人對林地土壤質量評價選擇的相關土壤指標[3,6]，以及根據相關研究得出的閩楠對土壤的要求進行實地調查測定的指標，選取了土壤物理、化學共16 個指標作為全數據集（TDS）指標。由于指標比較多，綜合考慮敏感性、實用性以及穩(wěn)定性等原則，采用主成分分析法（PCA）進行指標篩選，同時結合Norm值的計算得到最小數據集（MDS）指標。Norm值的計算可以盡可能避免土壤數據冗余，并能最大程度地保留其土壤指標信息，其計算公式為[6]：式中：k是特征值≥1的主成分個數；λk則表示第k個主成分的特征值；Njk是j指標在k個主成分的累加因子荷載值；ujk是j指標的單個因子荷載，體現其重要性。

首先，對各土壤指標進行組別劃分，即以特征值≥1為提取原則，通過主成分分析得到幾個主成分，再將其中荷載值為0.5以上的指標劃為一組，如存在指標載荷值在不同主成分中均大于0.5，則根據各指標間的相關分析系數，將其劃入相關性較低的組別中[6]。其次，選出每組中最高Norm 值90%以上的指標，如該組中各指標間存在顯著相關性（r＞0.5），則保留最高Norm 值指標到MDS，而對于每組中相關性不顯著的指標則均保留到MDS[24]。最終，確定MDS。

1.4.2 土壤質量評分方程的建立 非線性評分方程。通過非線性評分方程將土壤指標無量綱化，轉換為0～1的分值，方程如下[12-13]：

式中：SNL是非線性得分值，取值為0～1；a取1，表示最大得分值；x是各指標實際測量的數值；x0是各指標均值；b表示方程斜率，“越大越好”指標取值為-2.5，“越小越好”指標則取值為2.5。

線性評分方程。通過方程計算將各指標轉化為介于0～1的線性得分值，方程如下[13]：

式中：SL是介于0～1 的得分值；x是指標實際測量的數值；L是指標實測最小值；H是指標實測最大值。其中，“越大越好”指標采用公式（3）計算，“越小越好”指標采用公式（4）。

1.4.3 土壤質量指數的計算 土壤質量指數（SQI）是由各指標得分值和權重采用加權求和方法計算得出，其公式如下[5]：

式中：SQI是土壤質量指數；Sj是第j個土壤指標的得分值；Wj是由主成分分析中第j個指標公因子方差與總方差的比值計算得出，表征其所占權重大小；n是土壤指標的個數。

1.4.4 障礙因子診斷模型 引入障礙因子診斷模型對影響土壤質量的障礙因子進行分析。其公式為[25]：

式中：Mij是第i個樣地第j個指標的障礙度大??；Mj是j指標在所有樣地的平均障礙度值，體現該指標的障礙程度大?。籔ij=1-Sij，表示土壤單項指標與理想值1 的差距，數值越大對土壤質量越不利，Sij是第i個樣地第j個指標的得分值大小；Wj是該指標所占權重值。

1.5 數據分析

通過SPSS19.0 軟件進行土壤各指標描述性統(tǒng)計分析、主成分分析法和Pearson 相關分析，所有的圖表制作以及數據處理、計算均在Excel 2010中完成。

2 結果與分析

2.1 土壤指標描述性分析

由土壤16 個理化指標描述性分析可知（表1），8 個物理指標的變異系數介于12.49%～44.38%，對各指標變異系數進行等級劃分，CV 小于10%為弱變異，介于10%～100%為中等變異，CV 大于100%為強變異[26]，可知其物理指標均屬于中等變異。在化學指標中，pH 值3.85～4.81，土壤酸性較強，變異系數為5.77%，為弱變異；而其他指標均表現為中等變異，其變異系數為28.36%～62.32%。參考全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準和林業(yè)土壤養(yǎng)分含量可知，其有機質、全氮和速效氮含量總體較為豐富，全鉀和速效磷含量處于中等水平，而全磷和速效鉀含量則相對偏低，其均值分別為0.34 g/kg 和87.07 mg/kg。

表1 土壤理化指標描述性統(tǒng)計特征分析Tab.1 The descriptive statistical analysis of soil physical and chemical indexes

2.2 最小數據集指標的篩選

由表2 可知，根據特征值≥1 的提取原則，通過主成分分析共得到前5 個主成分，其貢獻率分別為40.478%、17.126%、13.278%、8.015%和6.896%，累計貢獻率為85.794%，說明這5 個主成分可解釋閩楠天然次生林土壤屬性的85%以上的信息。一般來說，指標因子載荷值越大，其所占主成分權重越大，對土壤影響越大。因此，根據各土壤指標的因子載荷值和相關性將其劃分為5 個組別，由公式（1）計算得到各指標的Norm 值，結果見表2。由表2 可知，第1 組指標有田間持水量、毛管持水量、土壤含水量、最大持水量、毛管孔隙度、全氮和全鉀，其主要反映了土壤水分性質和氮素水平，結合Norm 值大小進行指標選取，第1 組進入MDS 的預選指標有毛管持水量、田間持水量、最大持水量和土壤含水量4 個指標，而通過指標間的相關系數（表3）可知，這些指標間的相關性均達到極顯著水平（P＜0.01），因此，選擇Norm 值最大的田間持水量進入MDS；第2 組指標有土壤容重、速效磷、非毛管孔隙度和pH 值，其主要體現土壤質地和磷素含量，而第2 組進入MDS 的預選指標只有土壤容重，其是反映土壤質地的關鍵指標，直接選入MDS；第3 組指標有總孔隙度、有機質和速效氮，其主要反映土壤養(yǎng)分含量，其中，總孔隙度和有機質Norm 值均較大，且兩者相關性較小，故全部進入MDS；第4 組和第5 組分別只有速效鉀和全磷符合條件，故保留進入MDS。因此，最終選擇的MDS 是田間持水量、土壤容重、總孔隙度、有機質、速效鉀和全磷6 個指標。

表2 土壤指標主成分因子載荷及Norm值Tab.2 The principal component factor load and Norm values of soil indicators

表3 土壤理化指標相關性分析Tab.3 The correlation analysis of soil physical and chemical indicators

2.3 土壤質量評價

2.3.1 土壤質量評價分析 根據表1各指標值的范圍，土壤容重介于0.88～1.55 g/cm3，在這個范圍內土壤容重較小，且在主成分分析中，其主要為負載荷值，故在計算得分值時，土壤容重采用“越小越好”，類似的，其他指標依據其值的范圍，采用“越大越好”計算。同時，由于各評價指標對土壤質量的影響程度存在差異，因此根據主成分分析法得出的公因子方差計算各評價指標的權重系數，區(qū)分不同指標影響作用的大小。將MDS指標進行主成分分析計算指標權重[6]，結果見表4。由表4可知，MDS中田間持水量所占權重最大，其次為土壤容重和全磷含量，速效鉀為最小，這表明土壤物理性質指標對土壤質量影響較大。

表4 土壤質量評價指標權重Tab.4 Weight of soil quality evaluation indicators

根據公式（5）分別計算得出MDS 線性土壤質量指數（SQI1-L）和非線性土壤質量指數（SQI2-NL），見表5。由表5 可知，SQI1-L 的均值為0.443，變異系數為36.12%，屬于中等變異；SQI2-NL 的均值為0.475，變異系數為21.26%，同屬于中等變異。根據趙川等[27]土壤質量分級并結合閩楠次生林地土壤質量狀況，按土壤質量指數大小將土壤質量劃分為優(yōu)（0.8～1.0）、良（0.6～0.8）、中（0.4～0.6）和差（0～0.4）4個等級。由表5可以看出，線性與非線性方法對土壤質量等級評價的結果雖然總體上都是以中等為主，但還是存在一定的差異，SQI1-L 表明63.33%的樣地土壤質量處于中等及以上水平，而SQI2-NL 的結果則得出73.33%的樣地處于中等及以上水平。

表5 最小數據集兩種土壤質量指數統(tǒng)計特征值Tab.5 Statistical eigenvalues of soil quality index in minimum data sets

采用上述方法分別計算TDS指標得分和權重系數（表4），得出TDS線性土壤質量指數（SQI3-L）和非線性土壤質量指數（SQI4-NL）對兩種方法的適用性進行驗證。由公式（5）計算得出，SQI3-L 變化范圍為0.211～0.653，均值為0.421，變異系數為33.25%；SQI4-NL 的變化范圍為0.341～0.619，均值為0.473，變異系數為16.07%。對線性和非線性評分方法的TDS 和MDS 土壤質量指數進行線性擬合，結果見圖1。由圖1 可知，線性和非線性兩種評分方法的MDS 和TDS 土壤質量指數間均存在較高的相關性，F檢驗結果均為差異極顯著（F=181.456 和F=98.735，P＜0.01），但線性評分方法土壤質量指數間的決定系數（R2=0.866）大于非線性評分方法的決定系數（R2=0.779），這表明線性評分方法所得回歸方程更為顯著，線性土壤質量指數對土壤質量的變化具有更高的解釋度，擬合效果更優(yōu)；同時，SQI1-L 的變化范圍和變異系數均大于SQI2-NL、SQI3-L 和SQI4-NL，這表明基于MDS 的SQI1-L 更能準確反映閩楠天然次生林土壤質量的變化。

圖1 兩種評分方法最小數據集與全數據集土壤質量指數分析Fig.1 Analysis of soil quality index between minimum data set and total data set of two grading methods

2.3.2 土壤質量障礙因子分析 運用障礙因子診斷模型計算MDS 指標對土壤質量的障礙程度，見圖2。由圖2 可知，土壤指標障礙度總排序為全磷（0.239）＞土壤容重（0.189）＞田間持水量（0.168）＞速效鉀（0.151）＞有機質（0.134）＞總孔隙度（0.119）。在土壤質量差的樣地中，土壤容重障礙度（0.210）最大，其次為田間持水量（0.194）和全磷（0.189），速效鉀障礙度（0.122）最小，其田間持水量和土壤容重等物理性狀的障礙程度占據主導地位。相比之下，在土壤質量為良、中的樣地中，土壤容重、田間持水量、有機質和總孔隙度的障礙程度均有所降低，全磷和速效鉀等養(yǎng)分指標障礙度則有上升趨勢，全磷障礙度均占據首要地位?？偟膩砜矗缀屯寥廊葜卣系K度較大，是影響閩楠天然次生林土壤質量的主要制約因子。

圖2 土壤指標障礙度雷達圖Fig.2 Radar plot of barriers to soil indicators

3 討論

選擇合適且具有代表性的指標是土壤質量評價工作的重要環(huán)節(jié)[6]。根據前人研究表明，基于主成分分析法篩選的MDS 可以解決數據冗余問題，使評價結果更具有代表性[8-9]，本研究通過主成分分析法篩選的MDS 指標包括田間持水量、土壤容重、總孔隙度、有機質、全磷和速效鉀，其包括了表征土壤水分、質地和養(yǎng)分3 方面特征的指標，能較為全面、客觀地評價閩楠天然次生林土壤質量。然而，由于研究對象的差異，相關學者選取的土壤質量評價指標也不盡相同，如劉昊等[28]、王嘉琛等[29]進行土壤質量研究時均選用了容重、有機質、孔隙度、磷和鉀等指標，土壤容重和孔隙度是體現土壤質地和松緊度的關鍵指標，有機質、磷素和鉀素可以很好地反映土壤C、P、K 等養(yǎng)分水平，故被廣泛選用，這與本研究結果基本一致，且由于本研究區(qū)域土壤全磷和速效鉀含量偏低，其變化一定程度上可以反映土壤養(yǎng)分的變化；而楊振奇等[6]在對砒砂巖區(qū)不同人工林地土壤質量進行評價時選用土層厚度、土壤含水量等作為評價指標，這主要是由于該區(qū)域較為干旱，土層淺薄且土壤侵蝕嚴重，土壤含水量能夠較為靈敏的體現其土壤水分的變化，而本研究區(qū)域雨量充沛，所篩選的田間持水量不易受季節(jié)性降水影響[30]，能較為客觀真實的表征土壤的物理水分性質。此外，不少研究表明生物學指標在衡量土壤質量、肥力和生產力方面較為靈敏[3,10]，但其對于反映閩楠天然次生林土壤質量的敏感度如何，這有待今后進一步調查研究。

本研究發(fā)現，基于線性評分方法的MDS 和TDS 土壤質量指數間比非線性評分方法具有更優(yōu)的擬合效果，這表明線性土壤質量指數間具有更高的解釋度，線性評分方法所得結果更為準確。這與Gopal等[13]和Askari 等[31]研究結果一致，線性評分方法采用土壤實測指標的最大值和最小值作為指標閾值，與指標間相關性更高[32]，更能準確的反映土壤質量變化；同時，本研究中，4 種土壤質量指數的變化范圍和變異系數均表現為SQI1-L＞SQI3-L＞SQI2-NL＞SQI4-NL，變異系數的大小一定程度上可以體現其對土壤質量變化的響應程度[6]，系數越大其響應程度越高，線性評分方法所得結果均大于非線性評分方法，而這也表明線性評分方法更為敏感，對評價閩楠天然次生林土壤質量的變化適用性更高。但也有研究認為，非線性評分方法能更好地反映土壤的功能[33-34]，如劉鑫[35]等對青藏高原草地土壤質量則得出非線性評分方法評價結果更為準確，這可能與研究區(qū)域、土壤類型、植被、人為干擾程度以及選取的評價指標不同有關。

土壤質量的變化受到多種因素的影響，如許安妮等[36]對四川常綠闊葉林的研究發(fā)現氮素和磷素缺乏是影響土壤質量的主要因子，這主要與其林分結構復雜，土壤微生物分解速率快，導致氮、磷元素消耗過快有關；而趙川等[27]則得出pH 值和速效鉀是制約7 種不同恢復林地土壤質量提升的關鍵?？梢?，針對不同的研究對象，其土壤質量主要影響因素也可能存在差異。本研究中，約有36.67%的閩楠林地土壤質量處于差等水平，其土壤容重障礙度最大，是影響土壤質量的主要因子。有研究表明土壤容重與土壤類型關系密切[37]，紅壤土黏重易板結且淋溶作用強[25]，不利于土壤透水和養(yǎng)分的轉化積累，是導致土壤容重成為主要制約因子的原因。而對于土壤質量中、良的閩楠天然次生林，土壤容重、孔隙度、田間持水量等指標的障礙度均有所降低，這可能與閩楠生長及其豐富的林下植被有關，植物發(fā)達的根系有助于降低土壤密度，改善土壤孔隙狀況和持水性能[8]；同時，地表枯落物以及活躍的微生物活動也可能對表層土壤結構質地的改善存在一定積極作用[2]。但值得注意的是，土壤容重的制約作用依舊顯著，今后可適當輔助一定人為措施促進土壤質地的改善。此外，閩楠天然次生林土壤全磷含量均值為0.34 g/kg，多為磷元素供應不足，尤其在土壤質量中等及以上的林分，全磷含量成為主要制約因子，究其原因，一方面可能與植物的吸收利用以及磷素易被鐵、鋁等氧化物固定而有效性降低的化學特性有關[38]，且隨著時間的增加，其磷素固定作用也會逐漸增強，而這與趙其國等[39]得出的酸性紅壤土普遍缺磷的結論一致；另一方面，閩楠天然次生林中幼樹幼苗較多，其生長消耗的養(yǎng)分大于凋落物分解以及有機質向磷素轉化的速率，不利于土壤養(yǎng)分的循環(huán)，從而也可能導致土壤磷素缺乏，因此，適當施加磷肥有利于提高閩楠次生林的土壤質量。土壤質量的變化是一個復雜的過程，雖然通過土壤指標可以反映土壤質量，但林下植被[5]、凋落物層[36]、立地[6,40]等環(huán)境因子對土壤質量的影響也不容忽視，其作用機理有待進一步研究。

4 結論

通過對反映閩楠天然次生林土壤物理、化學性質16 個指標的相關性分析、主成分分析并結合Norm值篩選出田間持水量、土壤容重、總孔隙度、有機質、全磷和速效鉀為土壤質量評價的最小數據集（MDS）指標；基于MDS的線性土壤質量指數（SQI1-L）更適用于閩楠天然次生林土壤質量評價，其土壤質量總體處于中等水平；全磷和土壤容重是影響閩楠天然次生林土壤質量的主要因子。因此，今后可適當通過施加磷肥等人為措施促進土壤質量的改善。