摘 要：【目的】綜合評價桂西北干熱河谷典型森林類型土壤質量，以期為干熱河谷區(qū)域森林經營管理和資源可持續(xù)利用提供科學參考。【方法】以桂西北干熱河谷林區(qū)內的常綠落葉闊葉混交林、落葉闊葉次生林、落葉闊葉人工林和針葉人工純林4種典型林地為研究對象，測定其土壤物理、化學和生物學指標共14個，運用主成分分析和最小數據集法構建質量評價最小數據集，通過加權綜合指數法開展土壤質量綜合評價。【結果】1）針葉人工純林土壤化學養(yǎng)分和蔗糖酶活性顯著低于闊葉林，闊葉人工林土壤性質與次生林無顯著差異，總體上桂西北干熱河谷林區(qū)土壤呈干旱缺磷的特征；2）篩選出含水率、全磷和全氮構建最小數據集，可以解釋全數據集質量指標的77%，能系統(tǒng)有效地評價研究區(qū)內土壤質量；權重排序為含水率（0.364）>全磷（0.340）>全氮（0.296），含水率和全磷是影響土壤質量的主要指標；3）不同林型土壤質量指數排序為常綠落葉闊葉混交林（0.618）>落葉闊葉人工林（0.598）>落葉闊葉次生林（0.473）>針葉人工純林（0.282），針葉人工純林土壤質量顯著最低（P<0.05）?！窘Y論】針葉人工林土壤質量顯著低于闊葉林，含水率和全磷含量是限制干熱河谷林區(qū)土壤質量的關鍵因素。

關鍵詞：干熱河谷；主成分分析；最小數據集法；土壤質量評價

中圖分類號：S714.8 文獻標志碼：A 文章編號：1673-923X（2024）06-0156-09

基金項目：廣西科技計劃項目（桂科AB21220026）；廣西重點研發(fā)計劃（2023AB26024）；廣西林業(yè)科技項目（桂林科研[2022ZC]第29號）；廣西自籌經費林業(yè)科技項目（桂林科研[2022ZC]第105號）。

Comprehensive evaluation of soil quality of typical forests in dry-hot valley of northwest Guangxi

ZHONG Ping1， LU Zhifeng2， WEI Shuoxing3， HUANG Ling2， GAO Feng3， WANG Zhihui3， CEN Zuozhou2， WANG Guangjun1

（1. College of Life and Environmental Sciences， Central South University of Forestry Technology， Changsha 410004， Hunan， China； 2. Guangxi State-owned Yachang Forest Farm， Baise 533099， Guangxi， China； 3. Guangxi Forestry Research Institute， Nanning 530002， Guangxi， China）

Abstract：【Objective】This study comprehensively evaluated the soil quality of typical forest types in the dry-hot valley of northwest Guangxi， aiming to provide scientific parameters for the management of forested areas and sustainable development of forest resources in this region.【Method】Four typical forest types （evergreen and deciduous broad-leaved mixed forest， deciduous broad-leaved secondary forest， deciduous broad-leaved plantation and pure coniferous plantation） in the dry-hot valley of Northwest Guangxi were selected for the study. Fourteen physical， chemical， and biological soil indicators were measured. The minimum dataset for quality assessment was constructed using principal component analysis and the minimum dataset method. Soil quality comprehensive assessment was conducted using a weighted composite index method.【Result】1） The soil chemical nutrients and sucrase activities of pure coniferous plantations were significantly lower than those of broad-leaved forests， and there was no significant difference between the soil properties of broadleaved plantations and those of secondary forests； 2） The minimum data set of water content， total phosphorus and total nitrogen was screened out to construct the minimum data set， which could explain 77% of the total data quality index， and could effectively and systematically evaluate the soil quality in the study area. The weights were water content （0.364）>total phosphorus （0.340）>total nitrogen （0.296）， highlighting moisture content and total phosphorus as the primary indicators influencing soil quality； 3） The soil quality index ranking across different forest types is as follows： evergreen and deciduous broad-leaved mixed forest （0.618）>deciduous broadleaved plantation （0.598）>deciduous broad-leaved secondary forest （0.473）>pure coniferous plantation （0.282）. The soil quality of coniferous plantations is significantly the lowest （P<0.05）.【Conclusion】The soil quality of coniferous plantations is lower than that of broad-leaved forests. The water content and total phosphorus levels emerge as crucial factors limiting soil quality in the dry-hot valley forested areas.

Keywords： dry-hot valley； principal component analysis； minimum dataset method； soil quality evaluation

干熱河谷是我國西南特殊的地理單元和重要生態(tài)脆弱區(qū)，受季風氣候和西南暖濕氣流及深切山谷地形的交錯影響，具有高溫干熱、季節(jié)性干旱明顯的典型環(huán)境特征[1-2]。準確評價土壤質量和識別主要限制因素，對干熱河谷脆弱森林生態(tài)系統(tǒng)恢復和森林資源可持續(xù)利用具有重要意義。干熱河谷由于氣候干熱、土壤流失嚴重、植被恢復困難等生態(tài)環(huán)境問題[3-4]，加上人為干擾的影響，已成為我國生態(tài)嚴重退化和造林極為困難的典型脆弱區(qū)[5]。植被恢復是干熱河谷生態(tài)環(huán)境重建的基礎，而土壤質量及演化趨勢是植被恢復與重建的關鍵[6-7]。盡管在樹種遴選、植物配置、造林技術方案等方面開展了許多工作[8]，干熱河谷植被退化趨勢得到初步遏制，但仍存在立地困難、生產力低、生態(tài)系統(tǒng)功能退化等諸多問題，這可能與忽視了其土壤質量水平有關。

土壤是植物生長發(fā)育的場所，是森林的重要組成部分。土壤質量是土壤維持植物生長、提高植被生產力、維持森林生態(tài)系統(tǒng)功能及可持續(xù)發(fā)展的能力[9-10]。采用土壤物理、化學和生物學性質進行土壤質量綜合評價已成為全球可持續(xù)發(fā)展的重要內容[11-12]。已有許多學者對東北林區(qū)[13]、華北林地[14]、黃河三角洲濕地[15]、西北草地[16]、黃土高原[12]及亞熱帶森林[17-18]土壤質量評價開展了研究，但關于干熱河谷森林土壤質量綜合評價的研究相對較少。以往的研究主要集中于干熱河谷不同土地利用方式或植被恢復對土壤物理、化學性質的影響[19-20]，對干熱河谷次生林和人工林土壤質量水平和限制因素的綜合分析評價較為缺乏。

以桂西北干熱河谷林區(qū)內常綠落葉闊葉混交林、落葉闊葉次生林、落葉闊葉人工林和針葉人工純林4種典型林地為研究對象，分析不同林型土壤理化性質特征，綜合評價研究區(qū)典型森林土壤質量，以期為干熱河谷區(qū)域森林經營管理和資源可持續(xù)利用提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為廣西壯族自治區(qū)國有雅長林場典型干熱河谷林區(qū)（106o18′E～110°16′，24o56′～24o59′N），位于廣西西北部，西臨南盤江，北靠紅水河。地形為高山峽谷，山高坡陡谷深，海拔375～1 970.9 m。成土母巖為砂巖、砂頁巖和石灰?guī)r，土層較薄，厚度為40～60 cm，礫石含量30%～70%。氣候干熱，光熱資源充足、降水季節(jié)分布不均。年均降水量約1 051.7 mm，雨季集中在5—8月，占全年降水總量的80%以上，9月至翌年4月為旱季，年蒸發(fā)量1 484.7 mm。具有明顯的季節(jié)性干旱和降水少、蒸散率高的干熱河谷氣候特征[21]。隨著全球氣候變暖，近年研究區(qū)內階段性氣象干旱頻發(fā)。

1.2 試驗設計

選取林區(qū)內白櫟-雷公青岡次生林（Quercus fabri-Quercus hui secondary forest）、麻櫟Quercus acutissima次生林、香椿Toona sinensis人工林和馬尾松Pinus massoniana人工林4種典型森林土壤為研究對象，每種林型布設4個25 m×25 m重復樣地。樣地內每木檢尺（3 cm起測），調查記錄樣地海拔、坡度、坡向、人為干擾等林分基本信息。

白櫟-青岡次生林和麻櫟次生林為20世紀90年代封育形成的天然次生林，長年無人為干擾。香椿林和馬尾松林均為1996年造林，造林當年適當施肥，之后無施肥，造林后連續(xù)撫育3 a，間伐1次，至樣地布設采樣時約有10 a未間伐和撫育。

1.3 樣品采集與測定

2023年2月7—11日進行土壤樣品采集，每個樣方五點取樣采集0～15 cm土壤樣品。至采樣前，連續(xù)天晴5 d以上，連續(xù)約150 d不曾下雨下雪。除環(huán)刀土外，每個樣方的同層土壤樣品充分混合，風干過篩后用于化學性質測定。參照《土壤農化分析》[22]和《土壤微生物研究原理與方法》[23]相關要求測定土壤物理化學性質和酶活性。

采用環(huán)刀土烘干法測定土壤含水率、容重和孔隙度；上海雷磁PHS-3C酸度計測定土壤pH值；重鉻酸鉀-水合加熱法測定有機碳；半微量凱氏定氮法測定全氮；凱氏定氮儀堿解蒸餾法測定堿解氮；鉬銻抗比色法測定全磷；火焰光度計測定全鉀和速效鉀；電感耦合等離子體質譜儀測定鈣含量；分光光度法測定土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性。

1.4 土壤質量評價

綜合選取反映土壤物理、化學和生物學性質的指標共14項，運用主成分分析和相關性分析構建質量評價全數據集，基于PCA分析、指標Norm值及指標間相關性[12，24-25]構建最小數據集。采用隸屬度和權重加權求和計算全數據集土壤質量綜合指數和最小數據集土壤質量指數[25]。按等距法將土壤質量指數劃分為低（0～0.2）、較低（0.2～0.4）、中（0.4～0.6）、較高（0.6～0.8）和高（0.8～1.0）質量5個評價等級。

1.5 數據處理

土壤性質和土壤質量指數采用單因素方差分析法，分析不同森林類型間的差異（平均值±標準差，P<0.05）；全數據集和最小數據集土壤質量指數進行Pearson相關性分析，驗證最小數據集的評價效果。

試驗數據處理、分析和圖形繪制分別采用Excel 2021、SPSS 26.0和R4.1.3軟件[27]。

2 結果與分析

2.1 桂西北干熱河谷不同森林類型土壤性質特征

由表2可知，不同森林類型的土壤含水率、容重和孔隙度無顯著差異。研究區(qū)內土壤含水率（7.72%±0.30%）低于10%，水分匱乏，十分干旱。土壤容重（1.32±0.02 g·cm-3）和總孔隙度（59.84%±0.86%）適宜，與全國土壤容重平均水平基本一致[28]。

由表3可知，研究區(qū)內森林土壤pH值呈弱酸性（5.7±0.2），麻櫟次生林土壤pH值最低（4.3±0.2），顯著低于其他林分（P<0.05）。土壤有機碳和全磷在林型間差異不顯著。全氮、速效鉀在白櫟-青岡次生林、麻櫟次生林和香椿人工林間無顯著性差異，均在馬尾松人工林土壤中顯著最低。土壤堿解氮在麻櫟次生林中顯著最高（161.86±29.41 mg·kg-1，P<0.05），白櫟-青岡次生林、香椿人工林和馬尾松人工林間無顯著性差異。香椿人工林全鉀含量最高（10.12±1.81 g·kg-1），次生林次之，馬尾松人工林含量最低（6.06±0.23 g·kg-1）。白櫟-青岡、麻櫟次生林土壤中鈣含量顯著高于香椿和馬尾松人工林土壤，區(qū)域內森林土壤鈣含量為51.5±14.27 mg·kg-1，為低鈣土壤。

由表4可知，土壤脲酶和酸性磷酸酶活性分別為0.31～0.86和0.15～1.51 mg·g-1·d-1，在林型間無顯著性差異。土壤蔗糖酶活性為0.91～42.35 mg·g-1·d-1，在麻櫟次生林與白櫟-青岡次生林、馬尾松人工林間差異顯著（P<0.05）。綜上，pH值、全氮、堿解氮、全鉀、速效鉀、鈣、蔗糖酶活性在4個森林類型間存在顯著差異，其他指標在森林類型間無顯著差異。針葉人工純林土壤化學養(yǎng)分和蔗糖酶活性顯著低于闊葉林土壤。

2.2 桂西北干熱河谷森林土壤最小數據集構建

全數據集的主成分分析結果（表5）表明，特征值≥1的3個主成分方差累計貢獻率達78.59%，構建的全數據集較好地解釋了研究區(qū)內土壤質量變異。依據分組方法（表5和圖1），有機碳、全氮、堿解氮、全鉀、速效鉀、蔗糖酶活性為一組，含水率和全磷為一組。對比組內指標Norm值（表5）及指標間相關性大?。▓D1），篩選出全氮（第1組）、含水率（第2組）和全磷（第2組）共3個指標構建本研究的質量評價最小數據集。與最初考慮的14個指標相比，指標篩選過濾率達78.57%；與全數據集的8個指標相比，指標篩選過濾率達62.50%。說明主成分分析結合最小數據集法有效地避免了指標間信息冗余對質量評價結果的影響。

2.3 桂西北干熱河谷森林土壤質量綜合評價

由圖2可以看出，最小數據集質量指數與全數據集質量指數呈極其顯著正相關（r=0.77，P<0.001），最小數據集對研究區(qū)內土壤質量解釋率達77%，構建的最小數據集評價指標體系可以替代全數據集內評價指標準確表征研究區(qū)森林土壤質量。由圖3可以看出，最小數據集內各指標權重系數表現為含水率（0.364）>全磷（0.340）>全氮（0.296），含水率和全磷對土壤質量存在較高貢獻率，可能是影響研究區(qū)土壤質量的主要指標。

綜合評價結果（圖4）表明，研究區(qū)內典型森林類型土壤質量指數為0.211～0.872，平均土壤質量中等（0.493），不同森林類型土壤質量排序為白櫟-青岡次生林（0.618）>香椿人工林（0.598）>麻櫟次生林（0.473）>馬尾松人工林（0.282）。根據土壤質量分級標準，白櫟-青岡次生林土壤質量較高，香椿人工林、麻櫟次生林土壤質量中等，馬尾松人工林土壤質量較低。白櫟-青岡次生林、香椿人工林、麻櫟次生林土壤質量無顯著性差異，馬尾松人工林土壤質量顯著低于白櫟-青岡次生林和香椿人工林（P<0.05）。研究結果表明，針葉人工純林土壤質量顯著低于落葉闊葉林和常綠落葉闊葉混交林，而闊葉人工林土壤質量與次生林無顯著差異。

3 討 論

指標選取和綜合評價模型的合理構建是土壤質量評價的關鍵。不同評價方法的指標權重計算和評價側重點不同，評價結果和反映的意義不同[29]。主成分分析結合最小數據集法能解決數據冗余問題，從較多指標中更有效地提取對土壤質量有重要影響的因素。崔雪等[30]運用主成分分析和最小數據集法基于8項土壤理化指標篩選出包含土壤有機質、pH值和有效磷3項指標評價天然針闊混交林的土壤質量；王淑琴等[12]運用主成分分析和最小數據集法基于21項土壤理化生指標篩選出包含容重、全氮、速效磷、脲酶和真菌多樣性指數等6項指標的最小數據集，較客觀、系統(tǒng)地評價了黃土高原紫花苜蓿人工草地土壤質量情況。本研究以桂西北干熱河谷區(qū)典型林分土壤為對象，基于涵蓋了土壤物理、化學和土壤酶活性的14項指標，通過主成分分析和相關性分析法篩選構建了土壤含水率、有機碳、全氮、堿解氮、全磷、全鉀、速效鉀和蔗糖酶活性等8個指標的全數據集，進一步通過最小數據集法構建包含含水率、全氮和全磷3項指標的最小數據集評價體系。這與前人的評價指標體系基本一致[12，30]，可較全面、系統(tǒng)、客觀地評價桂西北干熱河谷森林土壤質量。

本研究中，土壤酶活性未進入最小數據集評價體系，可能是由于研究區(qū)土壤質量受微生物和土壤呼吸作用的影響相對較小。土壤含水率對土壤質量貢獻最大，這與該地區(qū)高溫少雨的氣象性干旱環(huán)境有著密切聯系。4個林地的容重、孔隙結構適宜，由于河谷干熱氣候導致土壤含水嚴重虧缺，水分的限制也會降低土壤有效性養(yǎng)分的形成[31]，成為限制該區(qū)土壤質量的關鍵因素。氮、磷、鉀作為植物生長的必需元素是土壤質量評價中的重要因子，在以往大量研究中被頻繁納入評價指標體系。根據全國第2次土壤普查分類標準[32]，研究區(qū)內4種林地速效鉀含量均處于3級中上水平與2級高水平之間，鉀素供應水平較高；4種林地全氮含量處于3級中上至1級極高水平；堿解氮含量除馬尾松林處于5級極低水平外，其他林地均處于3級中上至1級極高水平；氮素供應水平在馬尾松林與其他闊葉林地間存在較大變異，氮素供應可能對土壤質量有明顯影響；全磷含量均處于5級低水平，潛在供磷能力較差，是限制研究區(qū)林地質量的另一關鍵因素。因此，全磷和全氮進入本研究的評價指標體系，而全鉀和速效鉀未被納入最小數據集。研究區(qū)內林地土壤呈“干旱缺磷”的特征，且含水率、全磷對土壤質量存在較高貢獻率，因此含水率和全磷是限制研究區(qū)森林土壤質量的主要因素。建議經營管理時保留間伐撫育剩余物，或添加生物炭覆蓋提高林地保水保肥能力，以延緩氣象性干旱對土壤水分的影響。固氮樹種混交種植有利于土壤氮、磷養(yǎng)分的積累和轉化[33-34]，建議森林經營和人工造林時適當引入鄉(xiāng)土固氮樹種以維持和改善研究區(qū)土壤質量。

評價結果表明，桂北干熱河谷林區(qū)內針葉人工純林土壤質量顯著低于落葉闊葉林和常綠落葉闊葉混交林，而闊葉人工林土壤質量與次生林無顯著差異，這與前人研究結果一致。袁星明等[17]研究報道南亞熱帶闊葉人工林土壤質量顯著優(yōu)于針葉純林；呂瑞恒等[35]研究發(fā)現蒙古櫟天然次生林土壤質量優(yōu)于油松和落葉松人工林；馮嘉儀等[29]研究發(fā)現華南地區(qū)馬尾松林土壤質量顯著低于闊葉混交林。土壤養(yǎng)分是影響土壤質量的主要因素，受到植物凋落物性質和數量的顯著影響[36]，馬尾松人工林樹種組成和地上枯落物種類單一，由于松針角質層發(fā)達、難分解物質含量高[37]，凋落物具有較高C/N[38]，往往比闊葉落葉喬木（白櫟、麻櫟、香椿等）的落葉分解慢，所以土壤養(yǎng)分相對含量低。此外，馬尾松林雖與香椿同年造林，但馬尾松生長更快，養(yǎng)分需求量大且酶活性較低、地被層分解歸還緩慢，引起土壤堿解氮、磷等養(yǎng)分虧缺，評價結果處于較低水平。香椿人工林經過適宜的人工管理，林分內物種豐富，香椿落葉易分解、根系發(fā)達，水解性酶活性較高，對土壤有機碳、全磷、全鉀等養(yǎng)分的積累具有明顯正向作用[39]，土壤質量處于較高水平。天然次生林接近該地區(qū)的頂極群落，樹種組成豐富、群落結構復雜，優(yōu)勢樹種為落葉闊葉喬木（白櫟、麻櫟等），枯枝落葉多且分解速度快，具有較好的養(yǎng)分歸還和養(yǎng)分積蓄能力[29，40]，因此土壤質量較高。這驗證了馮嘉儀等[29]、潘嘉雯等[38]、秦娟等[41]的研究，闊葉混交及針闊混交是比針葉純林更為適宜的林地利用方式?；旖煌ㄟ^較高的物種豐富度和根系豐富度（深淺不一、交叉相錯、根際微生物），為土壤有機質積累提供豐富的物質來源并加快微生物分解活動，顯著增強林地養(yǎng)分循環(huán)，改善土壤質量[18，42-43]。因此，建議在干熱河谷森林經營過程中應加強對現有闊葉混交林的保育和管理，引入適宜樹種開展針葉純林的闊葉化改造。

本研究基于桂西北干熱河谷4種典型森林類型土壤分析其物理、化學和酶活性特征并進行質量綜合評價，僅僅是對研究區(qū)內森林土壤質量水平和限制因素的初步探究，今后可以進一步分析干熱河谷氣候對土壤性質和質量影響的時空尺度效應，并基于群落功能性狀深入揭示干熱氣候區(qū)林地利用方式對植物-土壤生態(tài)反饋過程的影響機制。

4 結 論

1）森林類型對土壤物理性質及有機碳、全磷、脲酶、酸性磷酸酶活性的影響不顯著，對pH值、全氮、堿解氮、全鉀、速效鉀、鈣和蔗糖酶活性的影響顯著。針葉人工純林土壤化學指標和蔗糖酶活性顯著低于闊葉林，闊葉人工林土壤性質與次生林土壤性質無顯著差異。桂西北干熱河谷林區(qū)土壤呈干旱缺磷的特征。

2）基于主成分分析和最小數據集法，篩選出含水率、全氮、全磷構建了研究區(qū)土壤質量評價的最小數據集，可以解釋全數據集質量指標的77%，該最小數據集指標能有效替代全數據集評價桂西北干熱河谷區(qū)森林土壤質量。最小數據集內指標貢獻率排序為含水率（0.364）>全磷（0.340）>全氮（0.296），含水率、全磷是研究區(qū)森林土壤質量的主要限制性因素。

3）不同林型土壤質量指數排序為常綠落葉闊葉混交林（0.618）>落葉闊葉人工林（0.598）>落葉闊葉次生林（0.473）>針葉人工純林（0.282），針葉人工純林土壤質量顯著低于落葉闊葉林和常綠落葉闊葉混交林（P<0.05）。

評價結果表明，針葉人工林土壤質量顯著低于闊葉林，而闊葉人工林土壤質量與次生林無顯著性差異；干旱、貧磷是限制區(qū)域內森林土壤質量的關鍵因素。在干熱河谷林地管理實踐中，應注重土壤水分和磷素的轉化與固定，建議通過保留林內剩余物覆蓋、加強針葉純林的闊葉化改造、引入鄉(xiāng)土固氮樹種以及補植改造等方式提升土壤質量。

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[本文編校：吳 彬]