趙金滿 韓馨悅 程瑞明 張志東

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué),保定,071000)

目前,全球人工林面積和蓄積量呈不斷增長,人工林在供應(yīng)木材、改善生態(tài)環(huán)境、調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等方面發(fā)揮重要作用[1]。中國的人工林面積居世界首位,單一樹種人工純林占所有人工林80%以上。單一樹種人工純林面臨樹種結(jié)構(gòu)單一、抗災(zāi)害能力弱、地力衰退嚴(yán)重、土壤肥力下降等問題[2]。評估林分土壤質(zhì)量能夠及時了解土壤肥力變化趨勢,為如何開展有效的地力維持提供參考[3]。

常用的土壤質(zhì)量評價(jià)方法包括土壤質(zhì)量指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法等。目前,國內(nèi)外學(xué)者通用的評價(jià)方法是基于最小數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)法,通過選取大量土壤物理、化學(xué)及生物指標(biāo),建立全數(shù)據(jù)集。采用主成分分析、模糊評價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)度模型、相關(guān)性分析、提取矢量常模值等多種方法相結(jié)合的方式,篩選土壤質(zhì)量評價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)來建立最小數(shù)據(jù)集,同時,對選定指標(biāo)進(jìn)行評分,最后將得分整合成單一指數(shù),即土壤質(zhì)量指數(shù)。常用評分方法主要為線性評分方法和非線性評分方法[4-7]。該方法簡單易行且在指標(biāo)數(shù)量上具有靈活性,但數(shù)據(jù)集中的評價(jià)指標(biāo)過多及指標(biāo)間存在顯著相關(guān)性等問題,會造成土壤評價(jià)信息冗余[8-9]。有研究表明,最小數(shù)據(jù)集與全數(shù)據(jù)集計(jì)算所得的土壤質(zhì)量指數(shù)呈相同變化趨勢,最小數(shù)據(jù)集能很好地反映土壤質(zhì)量評價(jià)信息[10-11]。Dai et al.[12]篩選出孔隙度、土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、過氧化氫酶6個指標(biāo)來建立最小數(shù)據(jù)集后對青藏高原土壤進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)。Huang et al.[5]確定了評價(jià)福建南平亞熱帶杉木(Cunninghamialanceolata)人工林土壤質(zhì)量最小數(shù)據(jù)集的關(guān)鍵指標(biāo)為全磷及活性碳庫。劉昊等[13]從31個土壤指標(biāo)中篩選出土壤密度、有機(jī)質(zhì)、全鉀、有效磷、微生物生物量磷、磷酸酶6個指標(biāo)來構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集,該研究發(fā)現(xiàn)針闊混交林和闊葉林的土壤質(zhì)量顯著高于針葉林。以往研究可以證明,通過建立最小數(shù)據(jù)集來降低評價(jià)過程中對大量土壤指標(biāo)的需求,從而減少原始數(shù)據(jù)集的信息冗余是有必要的。針對最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)與評分方法的選擇,因研究目的不同而有所差異。李霞等[14]采用主成分分析法篩選出非毛管孔隙度、土壤密度、有機(jī)質(zhì)、碳氮比4個指標(biāo),使用線性評分方法對大渡河中游干暖河谷草地進(jìn)行土壤質(zhì)量評價(jià);Qiu et al.[15]、劉慧敏等[16]均采用非線性評分方法對華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林進(jìn)行土壤肥力質(zhì)量評價(jià);馮瑞琦等[17]研究得出,線性評分方法更適合閩楠(Phoebebournei)天然次生林土壤質(zhì)量評價(jià)。可見,針對不同研究區(qū)域開展土壤質(zhì)量評價(jià),需根據(jù)實(shí)際情況和研究對象選擇適合的研究方法構(gòu)建土壤質(zhì)量指數(shù)。

塞罕壩自然保護(hù)區(qū)含有大量的人工林,其中以華北落葉松和樟子松(Pinussylvestris)人工純林為主。由于嚴(yán)格的保護(hù)區(qū)條例限制,塞罕壩保護(hù)區(qū)內(nèi)的人工林尚未開展大規(guī)模的森林經(jīng)營活動。因此,如今該地區(qū)林分密度大、樹種結(jié)構(gòu)簡單、地力衰退等問題日漸突出。2020年,人工林生態(tài)撫育技術(shù)研究與示范研究課題在塞罕壩保護(hù)區(qū)的試驗(yàn)區(qū)首次實(shí)施。為有效研建人工林質(zhì)量提升技術(shù),需了解保護(hù)區(qū)林分的土壤肥力現(xiàn)狀。本研究以不同林齡和林分密度的華北落葉松、樟子松人工林為研究對象,選取大量土壤取樣數(shù)據(jù),通過建立最小數(shù)據(jù)集的方式構(gòu)建土壤質(zhì)量指數(shù),并在此基礎(chǔ)上,開展土壤質(zhì)量評價(jià),為保護(hù)區(qū)人工林的地力維持提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省最北部的塞罕壩機(jī)械林場(42°2′～42°36′N,116°51′～117°39′E),海拔1 100～1 940 m,全年晝夜溫差大,年均氣溫-1.3 ℃,年均降水量460 mm,屬溫帶大陸季風(fēng)氣候。土壤類型主要為山地棕壤土、風(fēng)沙土、灰色森林土。主要喬木樹種有華北落葉松、樟子松、云杉(Piceaasperata)、白樺(Betulaplatyphylla)等;灌木有黑果栒子(Cotoneastermelanocarpus)、耬斗葉繡線菊(Spiraeaaquilegifolia)、大葉小檗(Berberisferdinandi-coburgii)等;草本植物有歪頭菜(Viciaunijuga)、并頭黃芩(Scutellariascordifolia)、小花糖芥(Erysimumcheiranthoides)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與樣品采集

2020年8月,在對保護(hù)區(qū)進(jìn)行實(shí)地考察的基礎(chǔ)上,依據(jù)典型性和代表性原則,同時考慮林分密度、林齡、林分分化程度,選取能反映區(qū)域地塊特征的樣地。根據(jù)分層隨機(jī)取樣方法,在華北落葉松林、樟子松林各設(shè)置18塊30 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)地,每種林分按林齡劃分為中齡林(林齡為20～30 a,9塊)和近熟林(>30 a,9塊),共36塊(表1)。自2002年該地劃定為省級保護(hù)區(qū)后,近20 a從未進(jìn)行過撫育,各樣地受人為干擾較小,海拔、坡度基本一致。對所有樣地的喬木進(jìn)行每木檢尺,記錄樹種名稱、胸徑、樹高、冠幅等因子。每塊樣地內(nèi)隨機(jī)選取5個土壤采樣點(diǎn),采用環(huán)刀法取表層土(0～20 cm),土壤過20目網(wǎng)篩。將同一樣地的土樣等量混合,取1 kg左右裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室。

表1 樣地基本情況

土壤樣品在室溫干燥后進(jìn)行化學(xué)性質(zhì)測定。有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定;全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用凱氏定氮-消煮法測定;全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用酸溶-鉬銻抗比色法測定;全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定;pH采用電位法測定;有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用碳酸氫鈉溶液浸提-鉬銻抗比色法測定;速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用堿解擴(kuò)散法測定;速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用乙酸銨溶液浸提-火焰光度法測定[18]。

2.2 土壤質(zhì)量評價(jià)方法

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況,選取8個土壤化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)作為全數(shù)據(jù)集指標(biāo)。通過主成分分析,減少參與土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)的數(shù)量,根據(jù)特征值≥1的原則得到幾個主成分,將各主成分中因子載荷絕對值≥0.5的土壤指標(biāo)劃分為一組,若存在土壤指標(biāo)在不同主成分中因子載荷絕對值均≥0.5的情況,則進(jìn)行各指標(biāo)間的相關(guān)性分析,將該指標(biāo)劃分到與其他指標(biāo)相關(guān)性低的一組[14,17]。計(jì)算各組指標(biāo)的矢量常模值,矢量常模值代表解釋總體土壤質(zhì)量信息的能力,能極大幫助降低指標(biāo)信息冗余的問題[19]。篩選出每組最高矢量常模值≥90%的指標(biāo)作為高因子載荷指標(biāo),若組內(nèi)僅1個高因子載荷指標(biāo),則該指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集;若組內(nèi)有多個高因子載荷指標(biāo),則進(jìn)行各指標(biāo)間的相關(guān)性分析。其中,若各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)(R)>0.7,則保留相關(guān)系數(shù)最大且矢量常模值最高的指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集;若各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)<0.7,則各指標(biāo)均進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集[20]。矢量常模值計(jì)算公式如下:

式中:Uik為第i個指標(biāo)在第k個主成分上的因子載荷值;λk為第k個主成分的特征值;Nik為第i個指標(biāo)在第k個主成分上的累加因子載荷值(矢量常模值)。

采用非線性評分法對土壤指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,使其轉(zhuǎn)換成0～1的分值。公式如下:

式中:SN為非線性的分值;a為得分最大值1;x為指標(biāo)實(shí)際值;x0為每個指標(biāo)的平均值;b為方程的斜率值,針對“越大越好”指標(biāo),b取值為-2.5,針對“越小越好”指標(biāo),b取值為2.5[10]。

通過對各指標(biāo)得分與權(quán)重加權(quán)求和,得出土壤質(zhì)量指數(shù),公式如下:

式中:SQ為土壤質(zhì)量指數(shù);Wi為指標(biāo)的權(quán)重,即主成分分析中第i個指標(biāo)公因子方差占總方差的比值;Si為指標(biāo)得分;n為最小數(shù)據(jù)集中的土壤指標(biāo)個數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

通過R軟件對各土壤指標(biāo)進(jìn)行主成分分析、單因素方差分析、多重比較、皮爾遜相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分類型土壤化學(xué)性質(zhì)分析

從表2可以看出,不同林分類型的土壤pH均小于7,屬于酸性土壤。除樟子松中齡林土壤pH顯著高于華北落葉松中齡林及近熟林外,其他林分類型間土壤pH均無顯著差異。不同林齡的樟子松林土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于華北落葉松林,然而相同林分不同林齡間均無顯著差異。土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在樟子松中齡林達(dá)到最高,且與其他林分類型間存在顯著差異。樟子松近熟林與華北落葉松中齡林及近熟林間土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在顯著差異,且樟子松中齡林土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于華北落葉松近熟林,樟子松近熟林及華北落葉松中齡林間土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異。

表2 不同林分類型土壤化學(xué)性質(zhì)

3.2 不同林分類型土壤質(zhì)量評價(jià)

3.2.1 最小數(shù)據(jù)集的指標(biāo)篩選及指標(biāo)得分權(quán)重

由表3可知,根據(jù)特征值≥1原則,共提取2個主成分,貢獻(xiàn)率分別為66.557%、14.958%;累計(jì)貢獻(xiàn)率為81.516%,表明所提取的主成分能夠解釋所有土壤指標(biāo)80%以上的信息。將各主成分中因子載荷絕對值≥0.5的土壤指標(biāo)劃分為一組。第一組的土壤指標(biāo)有全氮、全磷、有機(jī)碳、速效氮、速效鉀、土壤pH,第二組的土壤指標(biāo)包括全鉀、有效磷。篩選出每組最高矢量常模值≥90%的指標(biāo)作為進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集的預(yù)選指標(biāo)。第一組矢量常模值為2.036～2.262,預(yù)選指標(biāo)有全氮、全磷、有機(jī)碳、速效氮。根據(jù)相關(guān)性分析可知(表4),這4個指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)均大于0.7且存在極顯著相關(guān)性(P<0.01),因此,選擇相關(guān)系數(shù)最大且矢量常模值最高的速效氮進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集;第二組矢量常模值為1.232～1.369,預(yù)選指標(biāo)僅為有效磷,直接進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。因此,本研究中土壤質(zhì)量評價(jià)的最小數(shù)據(jù)集由土壤速效氮和有效磷2個指標(biāo)組成。

表3 土壤指標(biāo)主成分分析結(jié)果

表4 土壤各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

根據(jù)主成分分析所得公因子方差計(jì)算全數(shù)據(jù)集及最小數(shù)據(jù)集各指標(biāo)權(quán)重(表3)。最小數(shù)據(jù)集中的速效氮和有效磷權(quán)重均為0.5。通過非線性評分方程將指標(biāo)轉(zhuǎn)換成0～1的分值,數(shù)值越大則代表土壤質(zhì)量越好。根據(jù)各指標(biāo)在主成分上因子載荷值的正負(fù)性,確定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、有效磷、速效鉀為“越大越好”的指標(biāo),土壤全鉀、土壤pH為“越小越好”的指標(biāo)。

3.2.2 土壤質(zhì)量評價(jià)

線性回歸分析表明,基于最小數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)與全數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.001),決定系數(shù)達(dá)到0.93(圖1),說明最小數(shù)據(jù)集能夠較好反映全數(shù)據(jù)集對研究區(qū)不同林分類型土壤質(zhì)量評價(jià)的信息,其能夠代替全數(shù)據(jù)集用于塞罕壩自然保護(hù)區(qū)土壤質(zhì)量評價(jià)。

圖1 最小數(shù)據(jù)集與全數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)的線性回歸結(jié)果

塞罕壩自然保護(hù)區(qū)不同林分類型的土壤質(zhì)量指數(shù)為0.50～0.70;華北落葉松林的土壤質(zhì)量指數(shù)為0.53～0.70;樟子松林的土壤質(zhì)量指數(shù)為0.50～0.60。整體來看,華北落葉松林土壤質(zhì)量優(yōu)于樟子松林(圖2)。不同林齡華北落葉松林的土壤質(zhì)量指數(shù)均顯著高于樟子松林,而樟子松中齡林與近熟林間、落葉松中齡林與近熟林間無顯著差異(表2)。隨著林齡的增加,2種林分類型的土壤質(zhì)量指數(shù)均呈增長趨勢;隨著林分密度增加,2種林分類型的土壤質(zhì)量指數(shù)呈降低趨勢。

圖2 塞罕壩自然保護(hù)區(qū)不同林分類型的土壤質(zhì)量指數(shù)

4 結(jié)論與討論

對林分進(jìn)行土壤質(zhì)量評估可以及時監(jiān)測土壤變化的不良趨勢,以便及時采取有效措施改善土壤狀況,這一舉措對林分的地力維持及森林的健康發(fā)展至關(guān)重要。本研究采用主成分分析、相關(guān)性分析并結(jié)合矢量常模值的方法,從土壤速效鉀、速效氮、有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、有效磷、土壤pH 8個指標(biāo)中,篩選出土壤速效氮和有效磷這2個指標(biāo)來建立塞罕壩自然保護(hù)區(qū)典型林分類型土壤質(zhì)量評價(jià)的最小數(shù)據(jù)集,并對基于最小數(shù)據(jù)集和全數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行線性回歸分析,研究發(fā)現(xiàn),最小數(shù)據(jù)集可以代替全數(shù)據(jù)集評價(jià)研究區(qū)土壤質(zhì)量。

本研究結(jié)果表明,不同林分類型的土壤pH均在5.83～6.77,隨著林齡的增加,華北落葉松林和樟子松林的土壤pH呈降低趨勢。原因是由于近熟林所積累的凋落物較中齡林多,其在分解過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸一定程度增強(qiáng)了土壤酸性[13,21]。相關(guān)研究表明,土壤微生物的適宜pH為6.5～7.5,土壤酸性過強(qiáng)會抑制土壤微生物活動,而土壤微生物又是影響土壤肥力變化的關(guān)鍵因素[22]。因此,需采取自然措施來調(diào)整土壤pH,以防土壤酸化導(dǎo)致土壤肥力下降。本研究中,樟子松中齡林的土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大,且隨著林齡增加,2種林分的土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈降低趨勢。淑敏等[23]研究發(fā)現(xiàn),樟子松林土壤有機(jī)碳、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨林齡增加呈逐漸升高的趨勢。有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀等指標(biāo)反映了土壤的營養(yǎng)狀況,其數(shù)值越大代表土壤肥力越高,反之則會直接或間接抑制林分生長[24]。此外,相關(guān)性分析表明,2種林分類型的土壤速效鉀、速效氮、有效磷、有機(jī)碳、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系,這主要是由于土壤表層的動植物殘?bào)w、凋落葉及根系分解產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)為土壤提供了各種營養(yǎng)元素[25]。隨著林齡的增加,林下積累的枯落物通過微生物分解進(jìn)入土壤,提高了土壤養(yǎng)分含量,進(jìn)一步改善土壤質(zhì)量,所以林地土壤質(zhì)量和林分生長在很大程度受土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響[26-27]。

本研究進(jìn)一步表明,華北落葉松林和樟子松林的土壤質(zhì)量指數(shù)隨著林齡的增加呈增長趨勢,隨林分密度的增加則呈降低趨勢。相較于中齡林階段,成熟林通過自然整枝或間伐措施改善了林內(nèi)光照條件,促使逐年積累的地表凋落物快速分解,進(jìn)而提高土壤養(yǎng)分從而改善土壤質(zhì)量[28]。紀(jì)文婧等[29]的研究指出,在華北落葉松人工林中,相較于幼齡林和成熟林階段,中近熟林的營養(yǎng)元素積累量和年存留量較高。這一現(xiàn)象間接表明,本研究區(qū)的人工林土壤肥力會隨林齡的增加而不斷提升,但到一定時期后,其土壤肥力會呈下降趨勢。與此同時,林分密度過大會出現(xiàn)林分郁閉度高及林下光照不足的情況,影響土壤的水熱條件,而低溫會減弱微生物分解速率導(dǎo)致養(yǎng)分無法及時歸還,加劇土壤養(yǎng)分消耗,從而導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降,引起土壤退化[30]。因此,建議對林齡較高的林分進(jìn)行合理疏伐,通過調(diào)整林分密度的方式,改善林內(nèi)微生境,進(jìn)而提升林分土壤質(zhì)量。本研究表明,華北落葉松林的土壤質(zhì)量優(yōu)于樟子松林。究其原因,一方面,不同發(fā)育階段的樟子松林的林分密度普遍高于華北落葉松林,另一方面,出現(xiàn)該現(xiàn)象與不同樹種的凋落物分解速率有關(guān)。目前,研究區(qū)人工林均為純林,存在樹種單一,林分密度過大、土壤質(zhì)量下降等問題,調(diào)控林分密度和改變林分結(jié)構(gòu)是解決這些問題的重要手段。對過密林分進(jìn)行合理地?fù)嵊g伐,能調(diào)節(jié)林內(nèi)光照環(huán)境,促進(jìn)林下植物生長,改善土壤養(yǎng)分,提高林地土壤質(zhì)量[31]。已有研究表明[6,32-33],闊葉林的土壤質(zhì)量高于針葉林,相較于純林,營造針闊混交林能有效改善土壤環(huán)境并提高土壤肥力,這是因?yàn)殚熑~樹種能通過改變凋落物成分來提高凋落物分解速率,且闊葉樹種發(fā)達(dá)的根系能夠加快土壤養(yǎng)分循環(huán),促進(jìn)林分的良性生長。

華北落葉松林和樟子松林均為弱酸性土壤,土壤pH、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨林齡的增加呈降低趨勢。然而,2種林分類型的土壤速效鉀、速效氮、有效磷、有機(jī)碳、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨林齡增加而呈逐漸升高的趨勢,各養(yǎng)分指標(biāo)間為顯著正相關(guān)關(guān)系。華北落葉松林的土壤質(zhì)量優(yōu)于樟子松林,土壤質(zhì)量狀況均表現(xiàn)為隨林分密度的增加而下降,隨林齡的增加而升高。調(diào)控林分密度和營造針闊混交林有利于維持華北落葉松和樟子松人工林的土壤質(zhì)量。