崔雪 王海燕 鄒佳何 杜雪 孟海

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

土壤不僅是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，也維持著自然界植物與環(huán)境間的養(yǎng)分平衡[1]。隨著人們對環(huán)境可持續(xù)發(fā)展意識的提高，土壤質(zhì)量水平已被視作衡量植被生長、人類生存條件的重要依據(jù)[2]。森林土壤質(zhì)量與土壤養(yǎng)分水平密切相關(guān)[3]。一方面，林木從土壤中汲取養(yǎng)分供自身生長，土壤養(yǎng)分水平對林木生長以及植被分布具有顯著影響；另一方面，通過植被死亡、凋落物分解將有機質(zhì)及養(yǎng)分歸還給土壤，以維持土壤健康水平[4]。因此，研究森林土壤養(yǎng)分的累積規(guī)律，評價森林土壤質(zhì)量，有助于進行土壤和植被管理，對于維持土壤生產(chǎn)力和森林的可持續(xù)經(jīng)營具有重大意義。

目前土壤質(zhì)量評價方法主要有模型評價法[5-6]、灰色關(guān)聯(lián)法[7]、模糊綜合評價法[8]、空間插值法[9]、主成分分析法[10]和最小數(shù)據(jù)集法(MDS)[11]。其中主成分分析法、模糊數(shù)學(xué)法和灰色關(guān)聯(lián)法通過計算土壤質(zhì)量指數(shù)評價土壤質(zhì)量[12-13]，這些方法在評價指標(biāo)選取和權(quán)重計算時容易受人為主觀因素的干擾，評價結(jié)果的不確定性較高?？臻g插值法通過對采樣區(qū)域內(nèi)圖斑進行空間賦值，能夠清晰地顯示土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性，但不同的采樣密度及插值方法產(chǎn)生的評價結(jié)果具有差異。模型評價法能夠從土壤功能的角度對土壤理化性質(zhì)進行全面、綜合的評價，但計算過程繁瑣且主觀性較強，而且對數(shù)據(jù)進行“降維”過程中容易導(dǎo)致指標(biāo)信息的遺漏，造成評價結(jié)果不準(zhǔn)確[14]。標(biāo)準(zhǔn)值能夠反映指標(biāo)在不同維度的重要性，利用主成分分析結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)值確定最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)的評價方法，彌補了模型評價法的不足[15]。目前應(yīng)用MDS對土壤質(zhì)量的評價多集中在礦區(qū)復(fù)墾區(qū)、典型地貌區(qū)、農(nóng)業(yè)農(nóng)耕區(qū)域以及人工林下的土壤[5，16-19]，對于天然云冷杉闊葉混交林的研究主要集中在凋落物性質(zhì)、林分郁閉度的空間異質(zhì)性和立地因子質(zhì)量評價等方面[20-22]，而對于天然林的土壤質(zhì)量評價較少。因此，以長白山地區(qū)不同采伐強度的天然云冷杉闊葉混交林樣地為研究對象，綜合土壤pH、有機質(zhì)(SOM)、全氮(TN)、全磷(TP)、有效磷(AP)、速效鉀(AK)、土壤密度(BD)和土壤含水量(SMC)等土壤指標(biāo)，應(yīng)用主成分分析和標(biāo)準(zhǔn)值構(gòu)建土壤評價指標(biāo)的MDS，評價影響長白山地區(qū)天然林土壤質(zhì)量的限制性因素，以及不同采伐強度的林地土壤質(zhì)量。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省汪清林業(yè)局金溝嶺林場(129°25′～130°20′E，43°17′～43°25′N)，海拔300～1 200 m，坡度5°～25°，為低山丘陵區(qū)。該區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，全年平均氣溫約為3.9 ℃，年均降水量為547 mm。土壤類型以暗棕壤為主，平均土層厚度為40 cm，成土母質(zhì)為花崗巖、玄武巖及片麻巖的殘積物和堆積物。天然云冷杉闊葉混交林是該區(qū)的主要森林類型，主要樹種包括紅皮云杉(PiceakoraiensisNakai)、魚鱗云杉(Piceajezoensisvar.microsperma(Lindl.) W. C. Cheng et L. K. Fu)、臭冷杉(Abiesnephrolepis(Trautv.) Maxim.)、紅松(PinuskoraiensisSiebold. et Zucc.)、紫椴(TiliaamurensisRupr.)和山楊(PopulusdavidianaDode)等。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集及理化性質(zhì)測定

于2013年在天然云冷杉闊葉混交林內(nèi)設(shè)置面積為1 hm2的12塊方形樣地，2015年1月對樣地進行了采伐作業(yè)，按單位面積采伐蓄積量計算了采伐強度。2018年8月，選取采伐強度分別為6.29%(樣地Ⅰ)和11.22%(樣地Ⅱ)的兩塊樣地(見表1)。在各樣地中，采用網(wǎng)格法設(shè)置100個10 m×10 m的樣方進行采樣。在土層深(h)0

表1 樣地基本概況

將混合土樣帶回實驗室后放至陰涼處，土樣經(jīng)風(fēng)干、研磨和過篩(2.00和0.25 mm)后進行化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)測定。土壤pH采用酸度計法；土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用半微量凱氏法；全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用酸溶-鉬銻抗比色法；有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用氟化銨-鹽酸浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用中性乙酸銨浸提-火焰光度計法。環(huán)刀樣品用于測定土壤密度；土壤含水量采用烘干法測定[23]。

2.2 土壤質(zhì)量評價方法

2.2.1 建立最小數(shù)據(jù)集

主成分通常擁有較大的特征值和因子載荷，結(jié)合累計方差百分比，確定提取的主成分是否足以解釋絕大部分的數(shù)據(jù)。為避免主成分分析過程中造成重要指標(biāo)數(shù)據(jù)的遺漏引入標(biāo)準(zhǔn)值，標(biāo)準(zhǔn)值的大小代表了該指標(biāo)能夠解釋土壤質(zhì)量信息能力的強弱。因此，提取特征值>1，且累計方差百分比≥60%的主成分，從中挑選因子載荷絕對值≥0.5的指標(biāo)分組，選取各組標(biāo)準(zhǔn)值在最大參數(shù)值10%范圍內(nèi)的指標(biāo)進入最小數(shù)據(jù)集。當(dāng)同一主成分中存在多個指標(biāo)滿足要求時，采用Pearson相關(guān)分析；當(dāng)指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)<0.5時(指標(biāo)間相關(guān)性未達到顯著水平)，保留全部指標(biāo)；當(dāng)指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)≥0.5時，選取最大標(biāo)準(zhǔn)值指標(biāo)進入最小數(shù)據(jù)集。采用拉依達法則[24]對數(shù)據(jù)異常值進行剔除，為使各指標(biāo)單位統(tǒng)一，消除由于量綱不一致產(chǎn)生的誤差，對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)值計算公式[15]：

式中：Nik為第i個變量在特征值大于1的前k個主成分的綜合荷載；vik為第i個變量在第k個主成分的荷載；λk為第k個主成分的特征值。

2.2.2 確定線性評分函數(shù)

對所選指標(biāo)的數(shù)據(jù)按線性評分函數(shù)進行評分。根據(jù)各指標(biāo)對土壤功能的貢獻，確定了3種類型的評分函數(shù)，分別為“越多越好”型(M(x))、“越少越好”型(L(x))和“最適”型(R(x))。按照各土壤指標(biāo)的功能性，選定了適合的評分函數(shù)。

(1)

(2)

(3)

式中:M(x)、L(x)、R(x)為土壤指標(biāo)得分;x為土壤指標(biāo)實測值;x1、x2分別為土壤指標(biāo)中的最大值和最小值;r1、r2分別為“最適”評分函數(shù)中指標(biāo)的上、下限值。

本研究中，土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、有效磷和速效鉀等指標(biāo)采用“越多越好”型評分函數(shù)(M(x))，土壤密度、pH和土壤含水量等指標(biāo)采用“最適”型評分函數(shù)(R(x))。

2.2.3 土壤質(zhì)量綜合指數(shù)

土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(ISQ)被廣泛應(yīng)用于確定土壤質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)、評價土壤養(yǎng)分水平、土壤功能穩(wěn)定性以及礦區(qū)、復(fù)墾地土壤的可持續(xù)利用性[25-28]。本研究采用得分和權(quán)重加權(quán)求和法計算ISQ，權(quán)重為各指標(biāo)公因子方差占所有指標(biāo)公因子方差之和的比例。

式中:Bi為第i項土壤指標(biāo)所對應(yīng)的指標(biāo)得分;Wi為第i項土壤指標(biāo)權(quán)重系數(shù)；n為參與評價的土壤指標(biāo)數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

本研究采用拉依達法則對數(shù)據(jù)異常值進行剔除，最終滿足要求的樣本總數(shù)量為340。采用 SPSS 22.0 和Microsoft Excel 2010 進行數(shù)據(jù)處理；應(yīng)用 SPSS 22.0 對數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析、t檢驗、主成分分析和線性回歸分析；利用Microsoft Excel 2010 繪制散點圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤質(zhì)量評價指標(biāo)統(tǒng)計量

由表2可知，研究區(qū)土壤整體呈弱酸性，且樣地Ⅱ(中度采伐)的土壤pH值略高于樣地Ⅰ(輕度采伐)。隨著土壤深度增加，2塊樣地的土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、有效磷、速效鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤含水量均降低，而土壤密度呈逐漸增大的趨勢。變異系數(shù)(CV)可作為評價土壤指標(biāo)敏感度的依據(jù)，變異系數(shù)越大說明土壤指標(biāo)對土壤理化性質(zhì)的差異變化越敏感。依據(jù)變異系數(shù)值進行分類：CV≤10%為不敏感指標(biāo)，10%

表2 土壤指標(biāo)描述性統(tǒng)計分析結(jié)果(N=340)

土層深度(h)/cm統(tǒng)計量樣地ⅡpHSOM質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-1TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-1TP質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-1AP質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1AK質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1BD/g·cm-3SMC/%0

續(xù)(表2)

由表3可知，樣地Ⅰ和樣地Ⅱ相比，土壤的有機質(zhì)、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及pH和土壤含水量均呈極顯著差異(P<0.01)，且樣地Ⅱ高于樣地Ⅰ；而樣地間土壤有效磷、速效鉀和土壤密度無顯著差異(P>0.05)。不同土層間土壤指標(biāo)均呈極顯著差異(P<0.01)，0

表3 土壤指標(biāo)配對樣本t檢驗(N=170)

土層深度(h)/cm0～20cm 土層與20～40cm土層配對土壤指標(biāo)pHSOM質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-1TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-1TP質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-1AP質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1AK質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1BD/g·cm-3SMC/%0

3.2 建立土壤質(zhì)量評價指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集

由表4可知，第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的特征值均大于1，每個主成分至少解釋了18%的數(shù)據(jù)信息，累積方差解釋率為65.71%。因此，利用前兩個主成分建立最小數(shù)據(jù)集。提取的前兩個主成分能夠解釋土壤pH、有機質(zhì)、全氮和全磷指標(biāo)超過70%的數(shù)據(jù)變異。速效鉀的公因子方差最小，為46%，因此，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)對土壤質(zhì)量的貢獻度最小。

依據(jù)指標(biāo)分組標(biāo)準(zhǔn)，將土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、土壤密度和土壤含水量歸為1組，pH、有效磷和速效鉀歸為2組。按照公式計算各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，1組中土壤有機質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值最大，依據(jù)選取各組中標(biāo)準(zhǔn)值在最大值10%范圍內(nèi)的指標(biāo)進入最小數(shù)據(jù)集(MDS)的原則，土壤有機質(zhì)、全氮和土壤含水量符合要求。

表4 土壤質(zhì)量評價指標(biāo)主成分因子載荷及標(biāo)準(zhǔn)值

由表5可知，土壤有機質(zhì)、全氮和土壤含水量呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，土壤有機質(zhì)相關(guān)系數(shù)最大為0.845，因此僅選取土壤有機質(zhì)進入最小數(shù)據(jù)集(MDS)。同樣在第2組中，pH、有效磷、速效鉀的絕對因子載荷值都≥0.5，其中，pH和有效磷的標(biāo)準(zhǔn)值在最大標(biāo)準(zhǔn)值10%范圍內(nèi)，pH和有效磷二者相關(guān)系數(shù)<0.5。因此，選擇pH和有效磷進入最小數(shù)據(jù)集。最終，選取土壤有機質(zhì)、pH和有效磷等3個指標(biāo)進入土壤質(zhì)量評價指標(biāo)的最小數(shù)據(jù)集。

表5 土壤質(zhì)量評價指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

3.3 土壤質(zhì)量評價結(jié)果

選取土壤pH、有機質(zhì)、全氮、全磷、有效磷、速效鉀、土壤密度和土壤含水量等8個指標(biāo)作為總數(shù)據(jù)集。將土壤有機質(zhì)、pH和有效磷等3個指標(biāo)作為最小數(shù)據(jù)集。相關(guān)研究表明全氮是評價森林土壤養(yǎng)分水平的重要指標(biāo)[30]。但在本研究中全氮未進入最小數(shù)據(jù)集，因此，利用全氮替代土壤有機質(zhì)建立最小數(shù)據(jù)集，以檢驗最小數(shù)據(jù)集的合理性。

由表6可知，根據(jù)評分函數(shù)，對篩選出的3個最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)進行評分。對得分進行加權(quán)求和可得到基于最小數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(ISQ-MDS)，同理計算總數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(ISQ-TDS)以及全氮替代土壤有機質(zhì)建立最小數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(ISQ-MDSTN)。樣地Ⅰ的ISQ-MDS、ISQ-TDS、ISQ-MDSTN分別為0.348、0.285、0.326；樣地Ⅱ的ISQ-MDS、ISQ-TDS、ISQ-MDSTN分別為0.370、0.276、0.333。綜合比較3種數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)，樣地Ⅱ均大于樣地Ⅰ(即中度采伐樣地高于輕度采伐樣地)。

表6 土壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集和總數(shù)據(jù)集的公因子方差和權(quán)重

為驗證最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)能否有效代替總數(shù)據(jù)集指標(biāo)進行土壤質(zhì)量評價，對ISQ-MDS、ISQ-TDS及ISQ-MDSTN進行線性回歸分析(見圖1、圖2)。ISQ-MDS與ISQ-TDS呈y=0.436 6x+0.069 2的線性關(guān)系(R2=0.869 2)；ISQ-MDS與ISQ-MDSTN呈y=0.792 6x+0.040 1的線性關(guān)系(R2=0.943 4)。表明MDS與TDS和MDSTN之間的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)變化趨勢一致，R2均大于0.8，線性擬合程度較好，最小數(shù)據(jù)集能夠有效代替總數(shù)據(jù)集對土壤質(zhì)量進行評價。

圖1 最小數(shù)據(jù)集與總數(shù)據(jù)集的關(guān)系

圖2 最小數(shù)據(jù)集與最小數(shù)據(jù)集(全氮)的關(guān)系

4 討論

4.1 土壤指標(biāo)特征

建立最小數(shù)據(jù)集的關(guān)鍵是選擇合適的土壤指標(biāo)。土壤質(zhì)量在土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的交叉作用下形成。土壤生物學(xué)指標(biāo)是描述土壤動態(tài)變化最敏感的指標(biāo)，由于其測定方法復(fù)雜、投入資金大，不同學(xué)者對測定方法和單位具有不同的觀點，研究結(jié)果缺乏可比性[31]。土壤pH在森林演替及不同管理方式下變化顯著，是評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[32]。研究區(qū)土壤pH隨土壤深度的增加而升高，且中度采伐樣地高于輕度采伐樣地(P<0.01)。針葉凋落物含有的難分解成分高，造成地表凋落物堆積，其有機酸成分高于闊葉凋落物[33]。因此，針闊樹種混交比例差異導(dǎo)致研究區(qū)凋落物性質(zhì)和分解速率不同從而影響土壤pH。土壤有機質(zhì)是表征土壤肥力質(zhì)量的重要指標(biāo)。森林土壤有機質(zhì)主要來自于凋落物，采伐通過影響凋落物現(xiàn)存量和分解速率改變土壤有機質(zhì)含量[34-36]。周成軍等[37]研究發(fā)現(xiàn)中度擇伐比未采伐和重度采伐的林分，杉闊混交林凋落物現(xiàn)存量顯著提高。本研究中，中度采伐樣地土壤有機質(zhì)極顯著高于輕度采伐樣地(P<0.01)，各樣地土壤有機質(zhì)均隨土壤深度增加而下降，這與戴雯笑等[38]的研究結(jié)果一致。由于中度采伐強度下凋落物大量積聚為其分解提供條件，從而使表層土壤有機質(zhì)提高。此外，研究區(qū)輕度采伐樣地的林分密度較低，林木對所占空間的利用程度小，林下光照充足，土壤溫度高，促進土壤原有機質(zhì)的分解，使土壤有機質(zhì)含量下降。本研究中，全氮、全磷、有效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨土壤深度增加而減少，全氮、全磷與土壤有機質(zhì)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，這與Shao和楊振其等的研究結(jié)果一致[15，19]。隨著凋落物分解，養(yǎng)分逐漸向深層土壤中淋溶，所以表層土壤養(yǎng)分高于深層[39]。采伐有利于促進林分胸徑生長，全磷和有效磷是影響胸徑生長的主要土壤因子[40-41]。研究區(qū)中度采伐樣地有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于輕度采伐樣地，平均胸徑大于輕度采伐樣地。這與劉曉彤等[42]發(fā)現(xiàn)有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與平均胸徑成正相關(guān)的結(jié)果不一致。這是由于研究區(qū)地理位置和取樣方式不同造成測定結(jié)果略有偏差，不同土層有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有極顯著差異(P<0.01)。參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[43]，樣地土壤有效磷和速效鉀水平均為四級，有效養(yǎng)分水平為中等。適宜的土壤密度能夠增加土壤孔隙，提高土壤的通氣透水性，促進植物根系的伸展。隨著土壤深度的增加，研究區(qū)土壤密度增加，土壤含水量減小(P<0.01)。表層根系聚集改善了0

4.2 MDS方法評價

土壤質(zhì)量評價需要綜合多個指標(biāo)信息，指標(biāo)測定分析過程復(fù)雜且投資大。目前權(quán)重和隸屬度取值方法不統(tǒng)一，受主觀因素影響，不同評價方法對同一樣地的評價結(jié)果具有差異。鄭琦等[45]采用模糊綜合評價法、內(nèi)梅羅加權(quán)綜合污染指數(shù)法和土壤質(zhì)量綜合指數(shù)法評價新疆棉田土壤質(zhì)量，結(jié)果表明不同評價方法間結(jié)果具有差異。鄒輝等[11]利用不同采樣密度與空間插值方法評價江漢平原典型區(qū)土壤質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)采樣密度對土壤屬性空間預(yù)測影響不顯著，而插值方法顯著影響土壤養(yǎng)分指標(biāo)分級。本研究通過主成分分析結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)值確定最小數(shù)據(jù)集，減少了數(shù)據(jù)冗余和人為因素的干擾。姜龍群等[46]利用最小數(shù)據(jù)集結(jié)合因子分析的方法對北京房山平原區(qū)土壤養(yǎng)分進行評價，認為此法更能反映養(yǎng)分空間分布的異同，評價結(jié)果更為可靠。本研究中，采用最小數(shù)據(jù)集能夠有效代替總數(shù)據(jù)集評價土壤質(zhì)量，認為土壤有機質(zhì)和有效磷是土壤質(zhì)量評價或養(yǎng)分評價中最小數(shù)據(jù)集的重要指標(biāo)。

5 結(jié)論

研究區(qū)土壤呈弱酸性，有效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)達中等水平，有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與pH呈極顯著負相關(guān)。中度采伐樣地的土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和土壤含水量極顯著高于輕度采伐樣地。隨著土壤深度增加，兩塊樣地土壤有機質(zhì)、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤含水量均降低，而土壤密度逐漸增加。中度采伐樣地的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)高于輕度采伐樣地，土壤pH、有機質(zhì)和有效磷是長白山天然云冷杉闊葉混交林土壤質(zhì)量的主要限制因子。因此，對天然云冷杉闊葉混交林進行合理采伐，能夠改善研究區(qū)土壤孔隙狀況，提升養(yǎng)分水平，維持森林生態(tài)系統(tǒng)功能的可持續(xù)性和植物生產(chǎn)力。但本研究還缺乏關(guān)于土壤質(zhì)量隨時間變化的評價，有待進一步監(jiān)測研究區(qū)土壤質(zhì)量的長期演變。