李俊杰，李鋼鐵?，麻云霞，張月欣，胡 博，張金旺，王月林

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學沙漠治理學院，010020，呼和浩特；2.內(nèi)蒙古通遼市林業(yè)研究所，028000，內(nèi)蒙古通遼；3.內(nèi)蒙古林業(yè)和草原種苗總站，010051，呼和浩特)

科爾沁沙地是國家生態(tài)環(huán)境重點建設(shè)區(qū)域，屬典型生態(tài)脆弱區(qū)。近年來該區(qū)域沙地風蝕沙化和水土流失嚴重。榆樹林是沙地中最穩(wěn)定的植被類型。它不僅是沙地植被演替的頂極群落，也是最適合當?shù)貧夂驐l件的生態(tài)樹種。然而，隨著榆林年齡的增長和林分生長達到一定階段，由于土壤水分、養(yǎng)分等因素的限制，部分榆樹林生態(tài)功能退化和低效的問題也日益突出?，F(xiàn)階段沙地植被恢復與生態(tài)重建的重點放在現(xiàn)有人工林的管理上，土壤養(yǎng)分的綜合水平和作物養(yǎng)分精準管理息息相關(guān)[1]。近年來，有關(guān)林下不同林齡土壤養(yǎng)分的研究大多集中于養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)短期變化[2]、有機碳與其他元素的關(guān)系[3]、影響土壤肥力的主要因子[4]等方面。已有的研究大多集中于某些指標數(shù)值和關(guān)系的短期變化情況，而系統(tǒng)地對不同林齡榆樹養(yǎng)分進行綜合評價的較少。目前關(guān)于分析和評價方法大多以主成分和方差分析為主，對于土壤養(yǎng)分評價方式過于單一，難以避免冗余的賦值干預。對于植物土壤養(yǎng)分評價大多以2種分析方法相結(jié)合[5-7]，找出權(quán)重較大的區(qū)域、養(yǎng)分和系數(shù)等因子作為主要評價因素，而忽略指標在不同環(huán)境不同變量下差異數(shù)據(jù)，這會影響到最終的評價結(jié)果。筆者選擇PCA- TOPSIS(主成分分析法- 優(yōu)劣解距離法)評價體系，其中主成分分析法先將數(shù)據(jù)集進行降維分析，降維后的數(shù)據(jù)在解決大量不同類型數(shù)據(jù)集評價問題上有顯著成效，結(jié)合TOPSIS(優(yōu)劣解距離法)進一步探討并評價出在不同林齡土壤養(yǎng)分的動態(tài)得分值，進而篩選出沙地適地適齡的養(yǎng)分指標，為榆樹林撫育與管理與和沙地土壤生態(tài)恢復提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

調(diào)查樣地位于內(nèi)蒙古赤峰市翁牛特旗烏丹鎮(zhèn)新河林場，地處E 117°49′～120°43′，N 42°26′～43°25′之間。翁牛特旗年平均氣溫6.4 ℃，全年降水量370 mm，夏季降水量占全年降水總量的75%。年日照時間為2 850～3 000 h。無霜期90～140 d。土壤類型為沙質(zhì)栗鈣土，土層厚度為60～100 cm。林場采取常規(guī)化管理，在每年在4月和7月集中以漫灌方式進行2次澆水；每年9月給土壤施1次肥，肥料以速效復合肥為主，增加樹體越冬前養(yǎng)分積累。主要林下植被有草麻黃(Ephedrasinica)、甘草(Glycyrrhizauralensis)、蒺藜(Tribulusterrestris)等[8]。

2 研究方法

2.1 樣品采集與處理

2020年8月在內(nèi)蒙古赤峰市翁牛特旗林草局新河林場選取3種不同林齡(18，26，32 a)榆樹作為研究對象，按照每個林齡設(shè)置3塊20 m×20 m的樣地，共9塊樣地。每塊樣地隨機選取長勢均勻的5株榆樹。測量并記錄各樣地的立地條件等基本特征，進行每木檢尺，記錄喬木的胸徑、樹高等基本信息(圖1)。在試驗區(qū)9塊樣地內(nèi)，每塊樣地按照“S”型布點法設(shè)置5個取樣點，盡量采集遠離施肥點的樣本，鉆取土層深度為0～10、10～20和20～40 cm的土樣。將5個點的土壤樣本混合，去除石塊、根系等雜質(zhì)，將土樣充分混合后，裝入自封袋寫上編號帶回實驗室做后續(xù)處理，等量分為4份備用。

2.2 土壤測定方法

土壤養(yǎng)分測定：土壤全氮采用凱氏法消解，借助AA3型連續(xù)流動分析儀測定；土壤全磷的測定采用H2SO4-HClO4消解；有效磷采用NaHCO3浸提- 鉬銻抗比色法；速效氮采用堿解擴散法；速效鉀采用NH4OAC浸提- 火焰光度法；土壤有機碳測定用外加熱—重鉻酸鉀容量法，多酚氧化酶活性采用鄰苯三酚酶促比色法；纖維素酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；土壤硝酸還原酶活性采用酚二磺酸比色法測定[9-10]。

2.3 PCA- TOPSIS主成分熵權(quán)模型

單一的TOPSIS分析方法主要依靠指標權(quán)重進行判斷，結(jié)果受人為判斷影響較大。PCA- TOPSIS評價基于主成分分析法和熵權(quán)法結(jié)合，主成分分析法對數(shù)據(jù)集進行降維分析。熵權(quán)法根據(jù)評價對象指標的數(shù)值來確定每個指標所占的權(quán)重，從而對評價對象的數(shù)值距離理想目標的接近度進行排序。綜上所述筆者利用PCA- TOPSIS的方法對不同林齡下榆樹土壤養(yǎng)分指標進行評價，數(shù)據(jù)經(jīng)標準化后進行指標權(quán)重和信息熵的計算，最后計算土壤養(yǎng)分綜合評價指數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)和圖表使用Excel 2019整理；使用SPSS 26.0標準化數(shù)據(jù)；MATLAB R 2017b建立熵權(quán)法模型；Visual Basic解析評價數(shù)據(jù)，各指標圖利用Origin 2021和Excel 2019繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林齡榆樹林分生長特征

不同林齡榆樹林平均胸徑、樹高和冠幅隨著林齡的變化如圖1所示。隨著林齡的增大，榆樹林平均胸徑和樹高逐漸增大，在18 a平均胸徑(18.29 cm)和平均樹高(3.87 m)最小，在32 a平均胸徑(23.06)和樹高(6.85 m)最大。而平均冠幅在26 a處最大，為7.05 m，榆樹林平均冠幅隨著林齡呈先增大后減小的趨勢。

同一指標不同小寫字母表示不同林齡間差異顯著(P<0.05)，圖4和圖5同。The same index with different lowercase letters indicates significant difference among different ages of stands (P<0. 05). DBH: Diameter at breast height, cm; the same in Fig.4 and Fig.5. 圖1 不同林齡榆樹林生長特征Fig.1 Growth characteristics of elm forests of different stand ages

3.2 不同林齡榆樹林土壤養(yǎng)分質(zhì)量情況

3.2.1 土壤速效氮、速效磷、速效鉀質(zhì)量分數(shù)的變化 不同林齡榆樹林土壤速效氮、磷、鉀質(zhì)量分數(shù)隨林齡的變化如圖2所示。土壤速效氮、磷隨著土層深度增加逐漸降低，其中速效氮的質(zhì)量分數(shù)在 0～10 cm下表現(xiàn)為26 a>32 a>18 a，在26 a 處達到最大值為9.66 mg/kg，10～20 cm下18 a>32 a>26 a；20～40 cm下26 a>18 a>32 a。速效磷的不同林齡質(zhì)量分數(shù)變化范圍為13.02～13.20；在20～40 cm處最低。土壤速效鉀質(zhì)量分數(shù)隨土層深度增加呈上升趨勢，在20～40 cm達到最大值為72.24 mg/kg，0～10 cm下最小為33.77 mg/kg,32 a>26 a>18 a，10～20 cm下18 a>32 a>26 a。

AN: Content of available nitrogen, mg/kg. AP: Content of available phosphorus, mg/kg. AK: Content of available potassium, mg/kg. The same below. 圖2 不同林齡土壤速效指標變化Fig.2 Changes of soil available indexes at different stand ages

3.2.2 土壤全氮、全磷、有機質(zhì)和pH的變化 由圖3可知，全氮平均質(zhì)量分數(shù)在0～10 cm土層，為32 a達到最大值0.79 g/kg；10～20 cm土層在26 a達到最大值0.84 g/kg；20～40 cm土層在32 a達到最大值0.89 g/kg。全磷平均質(zhì)量分數(shù)在0～10 cm土層為26 a達到最大值，約為18 a的1.4倍；10～20 cm土層在26 a達到最大值為0.26 g/kg；20～40 cm土層在32 a達到最大值為0.25 g/kg，約為18 a的2.27倍。土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)在0～10 cm土層為32 a達到最大值7.14 g/kg，10～20 cm土層在32 a達到最大值11.79 g/kg，20～40 cm土層深度下在32 a達到最大值16.13 g/kg，土壤pH值在0～10 cm土層為26 a達到最大值7.72，10～20 cm土層在32 a達到最大值7.48；20～40 cm土層在32 a達到最大值7.51。

同一指標不同林齡間不同大寫字母代表差異極顯著(P<0.01)，不同小寫字母代表差異顯著(P<0.05)，下同。For the same index, the differente of upper case letters between different ages of stands was extremely significant (P<0.01), and the diffence of lower case letters was significant (P<0.05). TN: Content of total nitrogen; TP: content of total phosphorus; SOC: content of soil organic metter. The same below. 圖3 不同林齡全氮、全磷、有機質(zhì)和pH的變化Fig.3 Changes of TN, TP, SOC and pH in different stand ages

3.2.3 土壤酶活性變化情況 如圖4所示，土壤多酚氧化酶活性在26 a林齡下要遠高于另2個林齡，在0～10 cm土層，酶活性都>0.5 mg，26 a林齡遠高于其他林齡樣地。在10～20 cm土層，所有酶活性均>0.7 mg，其中26 a、32 a林齡樣地遠高于18 a 林齡樣地。在20～40 cm土層酶活性均有不同程度的增長，其中26 a林齡下最高可達2.49 mg。土壤纖維素酶活性32 a林齡下要高于另2個林齡，在0～10 cm土層，32 a林齡樣地酶活性最高為25 mg， 遠高于另2個林齡。20～30 cm土層下，26 a 林齡增長較為穩(wěn)定，20～40 cm土層下，18 a林齡酶活性遠高于另2個林齡。土壤硝酸還原酶活性在32 a林齡下各土層深度均高于另2個林齡，32 a 林齡下各土層酶活性均≥0.6 mg，遠高于另2個林齡。

PPO: Ployphenol oxidase; CEL: Cellulase; NR: Nitratase. The same below. 圖4 不同林齡榆樹林土壤酶活性變化Fig.4 Changes of soil enzyme activity in elm forests of different stand ages

3.3 不同林齡榆樹林土壤質(zhì)量指數(shù)

3.3.1 最小數(shù)據(jù)集(minimum data set，MDS)指標 特征值和貢獻率是主成分分析判斷和篩選的主要依據(jù)，運用主成分PCA法對0～20 cm土層深度下的10個土壤化學計量指標以及3個植物長勢指標取平均值進行PCA分析(表1)。由表2可知，特征值>1的主成分有3個，前3個主成分累積貢獻率86.745%,>85%，說明前3個主成分可以很好地代表其他各主成分數(shù)據(jù)，亦可很好地反映不同林齡之間的相關(guān)信息，綜上選擇速效鉀、速效氮、多酚氧化酶3個指標入選MDS，作為不同林齡榆樹林的綜合評價指標。

表1 主成分提取分析

表2 主成分因子旋轉(zhuǎn)載荷矩陣、特征值與方差貢獻率

3.3.2 土壤養(yǎng)分質(zhì)量TOPSIS得分 通過加權(quán)TOPSIS計算入選MDS的養(yǎng)分指標和植物長勢指標，計算結(jié)果評分Ci如圖5所示。土壤速效氮、速效鉀、多酚氧化酶三者PCA累計貢獻率均>0.9，說明其對土壤質(zhì)量發(fā)揮正效應(yīng)，屬于越多越好指標。土壤速效氮得分在Z處理(26 a)下最高為1，其次是Y處理(18 a)，為0.467。土壤速效鉀得分最高值落在C處理(32 a)中，為0.84；土壤多酚氧化酶得分最高值為Z處理(1)其次為C處理(0.645)，最低值為Y處理(0.159)。評分結(jié)果結(jié)合榆樹林長勢評分(圖1)與榆樹林長勢指標做回歸分析(表3)，速效鉀回歸模型通過F檢驗(F=941.707，P<0.05)，R2=0.998，速效鉀Topsis得分可代表99.8%的長勢指標，也即說明樹高、胸徑、冠幅至少有一項可與速效鉀產(chǎn)生關(guān)系。速效氮線性回歸通過F檢驗(F=398.629，P<0.05)，R2=0.996，速效氮TOPSIS得分可代表99.6%的長勢指標，說明速效氮是僅次于速效鉀的養(yǎng)分因子。多酚氧化酶R2=0.990，與生長因子回歸擬合度較高，評分值驗證后較為可靠，亦可作為榆樹林土壤正效應(yīng)指標。

圖5 不同林齡榆樹土壤最小數(shù)據(jù)集指標的熵權(quán)Ci得分值Fig.5 TOPSIS Ci score of soil minimum dataset index of different forest ages

表3 土壤養(yǎng)分評分線性回歸

4 結(jié)論

1)土壤速效氮磷隨著土層深度增加逐漸減小，在中林齡出現(xiàn)最大值，隨著林齡增大其指標逐漸下降。土壤全氮、全磷含量隨著林齡的增大呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。土壤有機碳含量隨林齡的增大逐漸增高，土壤3種酶的活性隨林齡的增大均呈上升趨勢，但多酚氧化酶和纖維素酶活性最大值均出現(xiàn)在中林齡。

2)通過主成分篩選得出土壤速效氮、速效鉀、多酚氧化酶共3個指標共同進入MDS最小數(shù)據(jù)集，代表了總成分86.745%的信息。借助主成分最小數(shù)據(jù)集計算加權(quán)TOPSIS不同林齡樣地種植模式下土壤養(yǎng)分的綜合得分，速效氮和多酚氧化酶得分在中林齡處達到峰值后降低，速效鉀得分隨林齡逐漸增高。

3)建議當?shù)貙⑺傩У鳛橛g及成熟林階段重點投入指標，針對性的提高氮素比例，以保證后期氮素流失；在不同林齡階段適當控制或調(diào)整鉀肥施用比例，進一步促進土壤酶活性提高，以更好地改善當?shù)赝寥蕾|(zhì)量，為榆樹林可持續(xù)培育提供理論指導。

5 討論

土壤速效氮磷隨著土層深度增加逐漸減小，隨著林齡增大其指標逐漸下降。而速效鉀隨著土層深度增加有上升趨勢，并在26 a處達到最大值。趙丹陽等[11]在其對不同林齡刺槐林養(yǎng)分變化特征研究中速效土壤養(yǎng)分隨林齡和深度的變化趨勢也如此；但對于速效鉀隨深度變化增大，出現(xiàn)這種結(jié)果的原因筆者經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)這與林場施肥鉀含量比例偏高有一定關(guān)系。土壤全氮、全磷質(zhì)量分數(shù)隨著林齡的增大呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，通過楊曉娟等[4]對不同林齡長白落葉松人工林土壤氮素及磷素的描述統(tǒng)計的變異系數(shù)的研究中也印證這一點。另外各林齡下土壤氮素含量漲幅要高于磷質(zhì)量分數(shù)，土壤全磷質(zhì)量分數(shù)均<0.3 g/kg，結(jié)合當?shù)貙嶋H情況推測其一是因為沙地風沙土土壤淋溶較為嚴重，其二是統(tǒng)一施肥管理一般以氮肥和尿素為主，磷含量較低。結(jié)合熵權(quán)法評價結(jié)果和楊霞等[2]對成熟油松的養(yǎng)分調(diào)查結(jié)果，推測磷素也為保證土壤質(zhì)量的首要指標，應(yīng)針對性的施用含磷化肥以保證榆樹正常生長。

然而土壤有機碳含量隨林齡的增大逐漸增高，這與上述研究中有機碳的變化趨勢稍有不同，以往學者研究所選的林地密度較大，成熟林中大量的枯落物歸還給土壤，達到一定程度后養(yǎng)分吸收減緩，有下降趨勢。但進一步研究發(fā)現(xiàn)，也有部分學者通過試驗發(fā)現(xiàn)有機碳的變化隨林齡增大而增大[12-13]，與筆者研究結(jié)果相一致，綜上筆者推測有機碳含量變化趨勢會受到試驗地土壤和樹種年齡等自然因素影響，導致其出現(xiàn)多種不同變化曲線的情況。土壤3種酶的活性隨林齡的增大均呈上升趨勢，但多酚氧化酶和纖維素酶活性最大值均出現(xiàn)在中林齡，這與牛小云等[14]對油松林齡與酶活性的研究結(jié)果相一致。與之不同的是硝酸還原酶活性隨林齡逐漸增大在成熟林中達到峰值。針對硝酸還原酶活性變化與上述稍有不同，進一步分析可知硝酸還原酶活性主要與氮素循環(huán)有關(guān)，枯落物在表層不斷積累，進一步推動硝酸還原酶活性的升高。

筆者引入TOPSIS和主成分分析相結(jié)合的方法對沙地土壤養(yǎng)分進行綜合評價，為沙地土壤適地適樹提供理論依據(jù)。這種方法克服單一評價模型容易受多指標影響的問題，同時減少大量冗余的數(shù)據(jù)分析，為沙地土壤適地適樹生態(tài)恢復提供了一個理論方向，該分析模型在其他土壤養(yǎng)分質(zhì)量評價中同樣可用。但是由于本研究中以取樣和土壤調(diào)查為主，容易受氣候和降水等因素影響，在人工種植榆樹苗調(diào)控土壤養(yǎng)分領(lǐng)域還未進行研究，關(guān)于人工控制土壤養(yǎng)分調(diào)控土壤質(zhì)量還有待進一步研究和驗證。