許業(yè)洲，侯義梅，袁 慧，余 義，劉 星，杜超群

（1.湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430075；2.建始縣林業(yè)科學(xué)研究所，湖北 建始 445300；3.咸寧市林業(yè)科學(xué)院，湖北 咸寧 437100）

土壤是農(nóng)林業(yè)最基本的生產(chǎn)資料和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在維持森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能方面發(fā)揮著重要作用[1-3]，在貯存養(yǎng)分、維持植物生長、保護(hù)生物多樣性、涵養(yǎng)水源和凈化環(huán)境等方面扮演著重要角色[4-7]。土壤肥力是土壤供應(yīng)與協(xié)調(diào)植物正常生長發(fā)育所需的養(yǎng)分和水、空氣、熱的能力，是土壤質(zhì)量綜合量度的重要內(nèi)容，而土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[2-3,8]。為了更準(zhǔn)確地認(rèn)知森林土壤本質(zhì)并更好地利用土壤資源，對(duì)森林土壤的科學(xué)研究和客觀評(píng)價(jià)越來越為國內(nèi)外林學(xué)專家和森林經(jīng)營者所重視，特別是生態(tài)環(huán)境問題的出現(xiàn)和不合理經(jīng)營所造成的林地生產(chǎn)力退化，開展人工林土壤肥力研究，對(duì)揭示人工林土壤肥力演變規(guī)律與趨勢(shì)，維護(hù)、保持以至提高人工林土壤肥力，促進(jìn)人工林的可持續(xù)發(fā)展有著極其重要的意義[9-10]。目前土壤健康或土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法主要有綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法、灰色聚類法、主成分分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等方法，不同森林土壤肥力評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)都具有不同的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，符合不同的生產(chǎn)目的或者評(píng)價(jià)需求[8,11]。

杉木Cunninghamialanceolata是我國南方特有的重要速生用材樹種，是湖北低山丘陵地區(qū)主要造林樹種和重要針葉用材樹種，在全省30多個(gè)縣市均有分布，栽培面積為25萬hm2。針對(duì)杉木人工林純林、連栽、短輪伐期等經(jīng)營方式導(dǎo)致生態(tài)功能等級(jí)較低、地力衰退等問題，許多學(xué)者從不同林分類型、不同林齡結(jié)構(gòu)或林分改造等方面對(duì)杉木人工林土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究，如鄧小軍等[8]對(duì)包括杉木在內(nèi)的不同用材林林地土壤肥力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)和比較，黃宇等[10]對(duì)連栽杉木、杉闊混交等進(jìn)行了土壤質(zhì)量狀況的比較分析和直觀評(píng)價(jià)，王旭琴等[12]研究分析了天然次生林更新為杉木人工林后土壤性質(zhì)的變化，吳永鈴等[13]分析了不同杉木人工林不同發(fā)育階段土壤性質(zhì)的變化并對(duì)其土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，余明等[14]研究了林分改造對(duì)杉木林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響、不同坡位間的土壤化學(xué)性質(zhì)差異及其響應(yīng)。湖北屬全國杉木分布的北部邊緣產(chǎn)區(qū)，由于氣候和水熱條件一般，杉木人工林幼林期生長較快，但后期生長明顯不足，大部分林分生長量指標(biāo)難以達(dá)到速生豐產(chǎn)林的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致單位面積木材產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益水平較低，造成林地資源浪費(fèi)，極大地制約了人工林的建設(shè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，立地選擇和土壤肥力維持是該區(qū)域人工林高效栽培的重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵措施，但目前還未在該區(qū)域開展有針對(duì)性的杉木人工林林地土壤資源調(diào)研及土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，關(guān)于林地土壤肥力狀況及其對(duì)人工林經(jīng)營的作用與影響方面的研究均為空白。本研究分別在分布區(qū)內(nèi)的5個(gè)縣市采集杉木人工林土壤樣品，在進(jìn)行不同區(qū)域空間分布和不同土層垂直變化比較分析的基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)后的Nemerow法、主成分分析和隸屬度函數(shù)相結(jié)合的模糊性綜合評(píng)價(jià)方法，分別對(duì)研究區(qū)域林地土壤單項(xiàng)肥力和綜合肥力以及不同縣市土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，較為全面系統(tǒng)地了解湖北杉木人工林林地土壤肥力狀況，為該區(qū)域杉木人工林林地立地選擇、土壤管理及經(jīng)營措施提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

湖北省位于中國中部偏南、長江中游，地跨108°21′42″～116°07′50″E、29°01′53″～33°6′47″N。全省地勢(shì)大致為東、西、北三面環(huán)山，中間低平，略呈向南敞開的不完整盆地，全省總面積中山地占56%，丘陵占24%，平原湖區(qū)占20%。全省除高山地區(qū)外，大部分為亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，光能充足，熱量豐富，無霜期長，降水充沛，雨熱同季。全省年平均氣溫15～17℃，夏季降水量300～700 mm，冬季降水量30～190 mm。湖北杉木人工林主要分布于鄂東南低山丘陵地區(qū)，本研究區(qū)域包括?？?、谷城、咸安、通城、陽新5縣市區(qū)，其中?？?、谷城地處鄂西北，為湖北杉木一般產(chǎn)區(qū)，而咸安、通城、陽新地處鄂東南，為湖北杉木主要產(chǎn)區(qū)，以此為代表對(duì)全省杉木人工林林地土壤進(jìn)行肥力調(diào)查和綜合評(píng)價(jià)。保康、谷城屬襄陽市管轄，兩縣接壤，境內(nèi)主要山脈為荊山山脈，山巒重疊，地勢(shì)起伏多變，山地、丘陵占總面積的90%，均屬北亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，冬冷夏熱，四季分明，降水集中，年均降水量800～1 200 mm，年均氣溫15.4℃，極端高溫41.4℃，極端低溫-19℃，年日照時(shí)數(shù)1 894.2 h，無霜期234 d；咸安、通城屬咸寧市，陽新屬黃石市，三縣市區(qū)地處鄂東南，長江中游南岸，湘鄂贛三省交界處，屬鄂東南低山丘陵區(qū)，是幕阜山向長江沖積平原的過渡地帶，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，春暖夏熱，秋涼冬寒，光照充足，雨熱同季，熱量豐富，雨量充足，冬季多西北風(fēng)，夏季多西南風(fēng)，年均氣溫16.8℃，1月平均氣溫4℃，7月平均氣溫29.2℃，≥10℃活動(dòng)積溫5 345.4℃，無霜期255～263 d。

1.2 數(shù)據(jù)來源

采取典型抽樣方式，在林相完整、集中成片的杉木人工林中設(shè)置面積為600 m2（20 m×30 m）的標(biāo)準(zhǔn)地，記錄地理位置、環(huán)境因子等基本信息，每木測(cè)量胸徑、樹高、枝下高、冠幅等生長指標(biāo)。每塊標(biāo)準(zhǔn)地中沿對(duì)角線按上中下設(shè)置3個(gè)樣點(diǎn)，開挖深度1 m左右的標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面，分別按10 cm分層采集各層土樣，將3個(gè)土壤剖面相同土層的土樣混合，混合土樣不少于200 g，掛好標(biāo)牌帶回室內(nèi)自然風(fēng)干。土壤檢測(cè)參數(shù)包括pH值（pH）、有機(jī)質(zhì)（OM）、全氮（TN）、全鉀（TK）、全磷（TP）、水解性氮（AN）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）、有效鐵（AFe）、交換性鈣（ACa）、交換性鎂（AMg）等，檢測(cè)方法按林業(yè)行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，其中pH值（pH）、有機(jī)質(zhì)（OM）、全鉀（TK）、速效鉀（AK）的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)依次為LY/T 1239—1999、LY/T 1237—1999、LY/T 1256—1999、LY/T 1234—1999，全氮（TN）、水解性氮（AN）的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為LY/T 1228—2015，全磷（TP）、有效磷（AP）的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為LY/T 1232—2015，交換性鈣（ACa）、交換性鎂（AMg）的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為LY/T 1245—1999，有效鐵（AFe）按中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)（200905—202004）。取樣地點(diǎn)、數(shù)量及基本情況見表1。

表1 樣地分布及基本情況Table 1 Sample plots distribution and basic information

1.3 土壤肥力評(píng)價(jià)方法

1.3.1 改進(jìn)后的Nemerow法

分別按式（1）～（2）計(jì)算各單項(xiàng)肥力指數(shù)和綜合肥力指數(shù)[8,15]：

式中：Pi、P綜分別為土壤指標(biāo)i的單項(xiàng)肥力指標(biāo)和綜合肥力指標(biāo)；Ci和Si分別為土壤指標(biāo)i的實(shí)測(cè)值和參考標(biāo)準(zhǔn)值。pH單項(xiàng)肥力指數(shù)Pi分別取值1.0（pH≤5.0）或1.5（5.0＜pH≤5.5）。Pave和Pmin分別為土壤各指標(biāo)單項(xiàng)肥力指標(biāo)的平均值和最小值；n為土壤指標(biāo)個(gè)數(shù)；當(dāng)Pi＞3時(shí)以Pi=3計(jì)。

1.3.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法

指標(biāo)權(quán)重：采用主成分分析法對(duì)肥力指標(biāo)降維，根據(jù)特征值＞1.0提取主成分，用各肥力指標(biāo)的得分系數(shù)與對(duì)應(yīng)主成分特征值，按式（3）～（4）計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重[16-18]。

式中：βi、Wi分別為第i個(gè)指標(biāo)的得分值和權(quán)重；αij、λj分別為第i個(gè)指標(biāo)對(duì)第j個(gè)主成分的得分系數(shù)；m、n分別為指標(biāo)和主成分個(gè)數(shù)。

隸屬度值：確定曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)的相應(yīng)取值，計(jì)算出各指標(biāo)0.1～1.0之間的隸屬度值，采用S型曲線為各指標(biāo)隸屬度函數(shù)（5）[1,16-17]：

式中：x為各指標(biāo)測(cè)定值；x1、x2為評(píng)價(jià)指標(biāo)在曲線中的轉(zhuǎn)折值。

綜合指數(shù)：將土壤各指標(biāo)權(quán)重和隸屬度值代入公式（6），得出各指標(biāo)加權(quán)求和指數(shù)FQI并對(duì)土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[1]。

式中：Wi、Fi分別是第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度值；m為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所得數(shù)據(jù)用Excel 2007軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，用SPSS 16.0軟件進(jìn)行方差分析和（One-way ANOVA）Duncan多重比較及主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤肥力基本情況與差異性分析

計(jì)算不同指標(biāo)各土層檢測(cè)平均值，以標(biāo)準(zhǔn)地為單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不同縣市杉木人工林林地土壤pH值比較接近，變異系數(shù)最?。?.86%），平均值為4.38，均為較強(qiáng)酸性（表2）。全鉀、速效鉀、有效鐵、全磷、水解性氮、全氮的變異系數(shù)依次增大，但均在30%～50%范圍內(nèi)，有機(jī)質(zhì)、有效磷、交換性鎂的變異系數(shù)為70%～90%，而交換性鈣的變異系數(shù)甚至超過100%，差異非常明顯，最大值是最小值的134倍。分別計(jì)算各樣地0～10 cm和10～20 cm兩土層各指標(biāo)值之和，以及0～100 cm各土層各指標(biāo)總和，0～20 cm土層中的有機(jī)質(zhì)含量占總含量的37.4%，全氮、水解性氮、有效磷的比例分別為33.3%、33.2%、33.1%，其它指標(biāo)占比范圍為20.6%～27.1%，土壤有機(jī)質(zhì)和主要養(yǎng)分有明顯的表聚現(xiàn)象[19]。

表2 各樣地林地土壤檢測(cè)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of soil sample test indexes

將土層按20 cm重新分為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5個(gè) 層 級(jí)，原10 cm分層的各檢測(cè)值并入對(duì)應(yīng)層級(jí)并計(jì)算其平均值，作為重新分層后該土層的單項(xiàng)肥力指標(biāo)。方差分析結(jié)果（表3）表明，重新分層后所有單項(xiàng)肥力指標(biāo)在不同縣市間均存在極顯著差異；除交換性鈣、交換性鎂、全鉀、全磷4個(gè)指標(biāo)外，其它指標(biāo)在不同土層間均存在顯著或極顯著差異。

表3 不同地點(diǎn)、不同土層土壤肥力指標(biāo)方差分析Table 3 Variance analysis of soil fertility indexes in different sites and soil layers

從多重比較結(jié)果（表4）可以看出，研究區(qū)域杉木人工林的pH值陽新、?？捣謩e與其它地區(qū)存在顯著差異，有機(jī)質(zhì)、全氮和水解性氮含量較高的通城是咸安的2.5～3.0倍，通城的全磷含量最高并與含量其次的?？岛洼^低的其它三縣市均存在顯著差異，有效磷則以谷城含量最高且比含量最低的咸安高出5倍多，保康、谷城的交換性鈣含量是通城、咸安、陽新的3～5倍，通城的交換性鎂含量最低并與最高的保康相差6倍左右，?？档娜浐孔罡卟⑴c最低的谷城相差近2倍，速效鉀則以咸安和陽新較高而?？岛凸瘸禽^低，有效鐵含量最高和最低的分別為谷城和咸安。不同土層之間pH值一般呈現(xiàn)隨土層加深而以2%～6%的幅度逐漸增大的變化趨勢(shì)，有機(jī)質(zhì)、全氮在0～20 cm土層的含量比20～40 cm土層高30%～48%且兩者差異顯著，水解性氮、速效鉀和有效磷的含量及其變化幅度均表現(xiàn)出隨土層加深而減小的趨勢(shì)且表層土與深層土間差異顯著，交換性鈣、交換性鎂、全鉀、全磷、有效鐵含量變化幅度較小且變化規(guī)律不明顯。

表4 各縣市及不同土層土壤單項(xiàng)肥力指標(biāo)多重比較?Table 4 Multiple comparison of single fertility indexes of different soil layers in different sites

續(xù)表4Continuation of table 4

2.2 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

以各樣點(diǎn)0～20 cm土層各檢測(cè)參數(shù)值作為土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)，參照《南方地區(qū)耕地土壤肥力診斷與評(píng)價(jià)》[15]、鄧小軍等[8]土壤肥力單項(xiàng)與綜合指數(shù)法并確定各指標(biāo)參考標(biāo)準(zhǔn)值，采用改進(jìn)后的Nemerow法，按式（1）計(jì)算各單項(xiàng)肥力指數(shù)Pi（表5），其平均指數(shù)范圍為0.02～3.68，單項(xiàng)肥力指數(shù)較高的前3項(xiàng)分別為有機(jī)質(zhì)（3.68）、全氮（2.11）和水解性氮（1.60），較低的2項(xiàng)分別為全鉀（0.6）、全磷（0.59），而最低的2項(xiàng)為交換性鈣（0.08）和交換性鎂（0.02），表明土壤有機(jī)質(zhì)及氮肥含量較豐富，磷鉀含量較低，而交換性陽離子（鈣、鎂）極度貧乏，總體肥力狀況為富氮而缺磷鉀，且因交換性陽離子貧乏而導(dǎo)致土壤偏酸性。按式（2）計(jì)算綜合肥力指數(shù)P綜為0.656，屬土壤肥力等級(jí)Ⅲ級(jí)（P綜＜0.9），土壤肥力偏低。

表5 各單項(xiàng)肥力指數(shù)與隸屬度值計(jì)算結(jié)果?Table 5 The calculation results of each single fertility index and membership value

采用主成分分析法對(duì)11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行降維，根據(jù)特征值＞1.0提取主成分，可提取4個(gè)主因子，前4個(gè)主因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率為85.229%，可解釋原始數(shù)據(jù)的較多信息，滿足提取要求（表6）。第1主成分中有機(jī)質(zhì)、水解性氮、全氮得分系數(shù)均超過0.22，具有較大正向載荷，是影響土壤肥力的主要因素；第2主成分中較大正向載荷依次為交換性鈣、pH值、有效磷、交換性鎂，是土壤肥力的重要影響因子；第3主成分中以全磷和全鉀為最大正向載荷，而第4主成分中速效鉀為極大正向載荷，均為土壤肥力的重要影響因子。用各評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分系數(shù)與對(duì)應(yīng)主成分特征值，按式（3）～（4）計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重[16]，結(jié)果見表7。

表6 各主成分特征值及方差貢獻(xiàn)率Table 6 The characteristic value and variance contribution rate of principal components

根據(jù)駱伯勝等[17]、王玲玲等[1]已有研究成果確定隸屬度函數(shù)曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)的相應(yīng)取值（表7），利用公式（5）計(jì)算出各單項(xiàng)肥力指標(biāo)隸屬度值Fi（表5），平均隸屬度值較高的指標(biāo)分別為有機(jī)質(zhì)、全氮、水解性氮，而全鉀、速效鉀、有效磷和有效鐵均明顯低于前3項(xiàng)，最低的單項(xiàng)僅為0.1左右，分別是全磷、交換性鎂和交換性鈣，說明土壤有機(jī)質(zhì)和氮肥較豐富而磷肥和交換陽離子貧乏。將各指標(biāo)權(quán)重和隸屬度值代入公式（6），得出各指標(biāo)加權(quán)求和指數(shù)FQI為0.358，參照駱伯勝等[14]的土壤肥力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，本研究區(qū)域總體土壤肥力水平較低（Ⅳ級(jí)，0.2～0.4）。

表7 各成分得分系數(shù)矩陣及指標(biāo)權(quán)重Table 7 The score coefficient matrix and index weight of each component

單項(xiàng)肥力指數(shù)Pi和隸屬度值Fi對(duì)于本研究區(qū)域土壤單項(xiàng)肥力的評(píng)價(jià)結(jié)果及其總體變化規(guī)律基本一致，均表明土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解性氮含量豐富，而全磷、交換性陽離子（鈣、鎂）貧乏，盡管其它指標(biāo)在兩種評(píng)價(jià)方法中的排序并不完全一致，其中以pH值、有效鐵、速效鉀的變化較大，但均處于中等或偏低水平，對(duì)各單項(xiàng)肥力指標(biāo)豐缺度的評(píng)判影響不大。兩種方法的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果P綜和FQI指數(shù)均表明土壤肥力處于較低等級(jí)?？傮w而言，本研究區(qū)域土壤富氮缺磷，且因交換性陽離子（鈣、鎂）貧乏而導(dǎo)致土壤偏酸，土壤肥力水平偏低。

2.3 不同縣市土壤肥力評(píng)價(jià)與分析

利用0～20 cm土層各檢測(cè)參數(shù)值分別計(jì)算各樣點(diǎn)土壤肥力綜合指數(shù)P綜和加權(quán)求和指數(shù)FQI（圖1），31個(gè)樣點(diǎn)P綜的范圍為0.361～0.917，平均值為0.656，變異系數(shù)為22.46%，其中2個(gè)樣點(diǎn)的P綜＞0.9，土壤肥力為中等水平（Ⅱ級(jí)，0.9≤P綜＜1.7），僅占樣點(diǎn)總數(shù)的6.5%，其它樣點(diǎn)土壤肥力均為較低水平（Ⅲ級(jí)，P綜＜0.9）；FQI的范圍為0.16～0.49，平均值為0.356，變異系數(shù)為16.85%，有5個(gè)樣點(diǎn)FQI＞0.4，土壤肥力為中等水平（Ⅲ級(jí)，0.4～0.6），1個(gè)樣地FQI＜0.2，土壤肥力為低水平（Ⅴ級(jí)，0～0.2），其它樣點(diǎn)土壤肥力均為較低水平（Ⅵ級(jí)，0.2～0.4），分別占總數(shù)的16.1%、80.7%和3.2%。從圖1可以看出，兩種評(píng)價(jià)方法得出的土壤肥力綜合指數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致，但P綜的變化幅度明顯大于加權(quán)求和指數(shù)FQI，前者的變異系數(shù)明顯大于后者，這可能與不同評(píng)價(jià)方法對(duì)不同肥力指標(biāo)的主觀賦值的差異有關(guān)，而主成分分析的權(quán)重確定方法可能降低了綜合評(píng)價(jià)過程的主觀性[18]，隸屬度函數(shù)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理后更具可比性，加權(quán)求和指數(shù)FQI能更準(zhǔn)確、客觀反映土壤肥力綜合狀況。然而，兩種評(píng)價(jià)方法中土壤肥力處于各水平等級(jí)的樣點(diǎn)數(shù)量和比例存在一定差別，特別是僅有1個(gè)樣點(diǎn)（谷城8）同時(shí)達(dá)到兩種方法評(píng)價(jià)的中等水平（圖1），表明不同評(píng)價(jià)方法對(duì)某一樣點(diǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異或不一致，盡管可能與不同評(píng)價(jià)方法及其等級(jí)劃分有關(guān)，但這一問題值得關(guān)注并作進(jìn)一步的比較分析和研究。

圖1 各樣點(diǎn)土壤肥力綜合指數(shù)比較Fig.1 Comparison of soil fertility indices at different sample plots

以不同方法對(duì)各縣市土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)（表8），綜合指數(shù)P綜范圍為0.412～0.783，變異系數(shù)為21.88%，各縣市土壤肥力均處于低肥力水平（Ⅲ級(jí)，P綜＜0.9），其中僅谷城有2個(gè)樣點(diǎn)土壤肥力為中等水平（Ⅱ級(jí)，0.9≤P綜＜1.7），占該縣樣點(diǎn)總數(shù)的22.2%。各縣市間存在極顯著差異，谷城杉木人工林肥力綜合指數(shù)最大，與除通城以外的其它縣市差異顯著，而咸安肥力綜合指數(shù)最小，與其它各縣市差異顯著。各縣市土壤肥力加權(quán)求和指數(shù)FQI范圍為0.231～0.392，變異系數(shù)為19.25%，各縣市土壤肥力均為較低水平（Ⅵ級(jí)，0.2～0.4），其中谷城、陽新、?？捣謩e有2個(gè)、2個(gè)和1個(gè)樣點(diǎn)土壤肥力為中等水平（Ⅲ級(jí)，0.4～0.6），分別占其樣點(diǎn)總數(shù)的22.2%、50%和16.7%，而咸安有1個(gè)樣點(diǎn)土壤肥力為低水平（Ⅴ級(jí)，0～0.2），占其總數(shù)的33.3%。各縣市間存在極顯著差異，谷城、陽新、通城和?？捣柿C合指數(shù)均在0.35以上，相互之間無顯著差異，而咸安最低，與其它縣市差異顯著。

表8 各縣市土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Table 8 Comprehensive evaluation index of soil fertility in every site

盡管兩種評(píng)價(jià)方法對(duì)于部分縣市的評(píng)價(jià)結(jié)果和差異性并不完全相同，但總體評(píng)價(jià)結(jié)論和土壤肥力水平基本一致，除陽新和通城綜合指數(shù)排序互換外，其它縣市排序保持不變，且咸安與其它縣市間均存在顯著差異，表明兩種評(píng)價(jià)方法均可對(duì)不同縣市的土壤肥力狀況作出適度的綜合評(píng)價(jià)。相比較而言，加權(quán)求和指數(shù)FQI各縣市間及其樣點(diǎn)間的變異系數(shù)更小（除咸安外），其評(píng)價(jià)結(jié)果可能更客觀。

本研究中咸安區(qū)杉木人工林以培育小徑材為經(jīng)營目標(biāo)，造林密度一般在4 500株/hm2左右（表1），10 a左右主伐，全墾整地后連栽，形成具有典型地域特色、類似農(nóng)作物種植的杉木超短周期栽培模式，其林分郁閉度較高，林下植被稀少，在0～20 cm土層各檢測(cè)參數(shù)中，其有機(jī)質(zhì)、全氮、水解性氮、有效磷和有效鐵的含量均為最低值，且與其它地點(diǎn)存在顯著差異（表3～4）。從幾個(gè)主要肥力指標(biāo)的單項(xiàng)肥力指數(shù)和隸屬度值（圖2）來看，咸安林地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、有效磷明顯偏低。利用兩種評(píng)價(jià)方法均得出咸安3個(gè)樣點(diǎn)的土壤肥力綜合指數(shù)明顯低于其它縣市的結(jié)論（圖1），客觀反映出該栽培模式對(duì)林地土壤肥力的消耗極大，其經(jīng)營過程中的深耕整地、施足基肥、林糧間作、超短輪伐期等措施對(duì)于保證林地肥力供給具有重要作用。相比較而言，谷城、陽新、通城三地均為林齡超過25 a的成熟林（表1），且經(jīng)過撫育間伐或自然稀疏導(dǎo)致林分密度較小（1 500 株/hm2或以下），土壤各檢測(cè)參數(shù)及肥力指數(shù)相對(duì)較高，土壤肥力明顯好于咸安。

圖2 不同縣市主要單項(xiàng)肥力指數(shù)（A）和隸屬度值（B）比較Fig.2 Comparison of major single fertility index (A) and membership value (B) in different sities

3 討 論

pH值能夠顯著影響土壤養(yǎng)分的有效性，而土壤有機(jī)質(zhì)和土壤氮、磷、鉀是植物生長過程中的重要因素，體現(xiàn)了它們影響森林發(fā)育的潛在能力，被廣泛用作評(píng)價(jià)土壤營養(yǎng)狀況的重要指標(biāo)[20]。本研究區(qū)域林地土壤pH值平均為4.38，為酸性土壤，南方因降水量豐富而發(fā)生較強(qiáng)風(fēng)化淋溶現(xiàn)象導(dǎo)致土壤呈酸性，與鄧小軍等[8]、余明等[14]的研究結(jié)論一致。本研究中，土壤有機(jī)質(zhì)及氮肥含量較豐富，磷鉀含量較低，所有單項(xiàng)肥力指標(biāo)在不同縣市間均存在極顯著差異，可能與地域跨度較大、土壤類型不同、林分結(jié)構(gòu)差異等不同因素的共同影響有關(guān)；除交換性陽離子、全鉀、全磷外，其它指標(biāo)在不同土層間均存在顯著或極顯著差異，0～20 cm土層中的有機(jī)質(zhì)含量、全氮、水解性氮、有效磷的比例均在30%以上，土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分有明顯的表聚現(xiàn)象，即表層土壤含量高于下層[19]。

采用改進(jìn)后的Nemerow法對(duì)研究區(qū)域杉木林地0～20 cm土層土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，各單項(xiàng)肥力指數(shù)范圍為0.02～3.68，土壤肥力綜合指數(shù)為0.656，土壤肥力Ⅲ級(jí)（P綜＜0.9），低于鄧小軍等[8]評(píng)價(jià)的大桂山林場(chǎng)杉木林地肥力綜合指數(shù)（0.9）和肥力等級(jí)（Ⅱ級(jí)），盡管采用的肥力指標(biāo)不盡相同，但也較客觀地反映出邊緣產(chǎn)區(qū)與中心產(chǎn)區(qū)杉木林地土壤肥力狀況的差異。采用主成分分析方法將11個(gè)肥力指標(biāo)提取4個(gè)主因子，累計(jì)貢獻(xiàn)率為85.229%，通過轉(zhuǎn)換計(jì)算出各指標(biāo)權(quán)重（0.073～0.110），利用“S”隸屬函數(shù)計(jì)算出各指標(biāo)隸屬度值（0.10～0.92），總體土壤肥力綜合指數(shù)FQI為0.358，土壤肥力水平較低（Ⅳ級(jí)，0.2～0.4）。兩種方法對(duì)研究區(qū)域林地土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果具有一致性，均表明土壤有機(jī)質(zhì)和氮含量較富足，而全鉀、全磷和交換性陽離子貧乏，土壤肥力處于低水平狀態(tài)。氮、磷、鉀是植物生長必需的大量元素，但磷、鉀在南方林地土壤中含量普遍偏低[19]，在湖北杉木人工林高效栽培中補(bǔ)充磷、鉀肥以及鈣、鎂肥是十分必要的。

改進(jìn)后的Nemerow法避免了采用加和法、平均值法、加權(quán)平均法等主觀因素的影響[21]，具有方法簡單、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，不僅可以反映單項(xiàng)肥力指標(biāo)，而且在考慮因子短板效應(yīng)下進(jìn)行土壤肥力綜合評(píng)價(jià)，可根據(jù)生產(chǎn)需求和林木營養(yǎng)需求規(guī)律調(diào)整評(píng)價(jià)指標(biāo)，提供更直觀更適時(shí)的參考數(shù)據(jù)和指標(biāo)[8]。主成分分析與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合建立各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)近年來被廣泛應(yīng)用于土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)[1,22-23]，主成分分析可實(shí)現(xiàn)降維并使相互之間具有獨(dú)立性[24]，而隸屬度函數(shù)可對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行模糊性評(píng)價(jià)，通過隸屬度值實(shí)現(xiàn)指標(biāo)量綱歸一化和可比性，從而體現(xiàn)出各指標(biāo)的優(yōu)劣及其影響大小[1]。盡管兩種評(píng)價(jià)方法對(duì)各單項(xiàng)肥力指數(shù)、綜合肥力指數(shù)以及不同林地土壤肥力的評(píng)價(jià)結(jié)果并不完全相同，但總體評(píng)價(jià)結(jié)論和土壤肥力水平基本一致，兩種評(píng)價(jià)方法均可對(duì)不同縣市的土壤肥力狀況作出適當(dāng)?shù)木C合評(píng)價(jià)。相比較而言，改進(jìn)后的Nemerow法更為簡單實(shí)用，而模糊性評(píng)價(jià)結(jié)果可能更客觀，但如何比較不同評(píng)價(jià)方法的差異或精度，以及如何選擇更適合的評(píng)價(jià)方法，均還有待更深入的研究。

本研究分別采取兩種評(píng)價(jià)方法對(duì)各縣市0～20 cm土層土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，31個(gè)樣點(diǎn)綜合肥力指數(shù)P綜和FQI范圍分別為0.361～0.917和0.162～0.490，各縣市平均綜合指數(shù)P綜和FQI范圍分別為0.412～0.753、0.231～0.392，且均存在極顯著差異，但各縣市土壤肥力均處于低肥力水平（Ⅲ級(jí)，P綜＜0.9；Ⅵ級(jí)，0.2～0.4），其中谷城綜合指數(shù)最高而咸安最低，咸安與其它縣市均存在顯著差異，除不同樣點(diǎn)或縣市的立地條件差異外，不同林分年齡、林分結(jié)構(gòu)與經(jīng)營狀況也可能是影響不同區(qū)域土壤肥力差異的重要因素，而咸安高密度、短周期栽培模式及其林地利用方法與其它區(qū)域具有明顯差異，可能直接導(dǎo)致土壤肥力的大量消耗和土壤肥力不足?？傮w而言，湖北杉木人工林林地土壤處于低肥力水平，杉木栽培應(yīng)以中小徑材為主要經(jīng)營目標(biāo)，補(bǔ)充磷、鉀肥是十分必要的，可有效促進(jìn)林木生長和生產(chǎn)效益。

由于土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)具有目的性和針對(duì)性，不同研究者所利用的指標(biāo)也有所不同[25]，但養(yǎng)分有效性指標(biāo)的使用是比較穩(wěn)定的[26]。本研究選擇目前我國土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中使用頻率較高的有機(jī)質(zhì)、速效N、有效P、速效K和全N、全P、全K等肥力因子作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)[25]，但土壤綜合肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)除了土壤化學(xué)性質(zhì)外，還包括物理性質(zhì)指標(biāo)、生物化學(xué)（如酶活性、微生物）指標(biāo)。本研究計(jì)算得出的林地土壤肥力綜合指數(shù)只是對(duì)不同區(qū)域杉木林林地土壤潛在肥力的一種評(píng)價(jià)和比較，并不能完全代表林地實(shí)際生產(chǎn)力，更完善、更精確的土壤肥力評(píng)價(jià)還需將土壤理化性質(zhì)與林地生產(chǎn)力相結(jié)合，開展土壤養(yǎng)分與植物營養(yǎng)及產(chǎn)量等相關(guān)研究，這也是筆者下一步研究的重點(diǎn)。

4 結(jié) 論

改進(jìn)Nemerow法和主成分分析與隸屬度函數(shù)相結(jié)合的模糊綜合評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，單項(xiàng)肥力指數(shù)Pi和隸屬度值Fi分別為0.02～3.68和0.10～0.92，均反映出該區(qū)域杉木人工林土壤富氮缺磷鉀且交換性陽離子貧乏的狀況，而平均綜合指數(shù)和FQI分別為0.656和0.358，說明湖北杉木人工林林地土壤肥力處于較低水平，杉木栽培應(yīng)以中小徑材為主要經(jīng)營目標(biāo)，栽培過程中補(bǔ)充磷、鉀肥是十分必要的。各縣市土壤肥力綜合指數(shù)和FQI分別為0.412～0.783和0.231～0.392，均存在極顯著差異，兩種評(píng)價(jià)方法均表明谷城土壤肥力相對(duì)最好而咸安最差，可能與后者林分年齡小、密度大及其短周期經(jīng)營模式有關(guān)。