基于因子與聚類分析的不同林分土壤理化性質評價

陳 琳，趙陟峰，趙廷寧，王 娟

（北京林業(yè)大學 水土保持學院 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京 100083）

半干旱黃土地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡劣，土壤貧瘠，人工植被恢復顯得尤為重要。土壤理化性質在植被恢復生態(tài)系統(tǒng)范圍內，可維持林木生長、防治水土流失、保護環(huán)境質量以及促進動植物健康［1］。土壤理化性質與土壤形成因素及不同植被配置引起的動態(tài)變化有關。不同森林配置結構對土壤擾動迥異，從而對土壤理化性質改良也具有差異性，張俊華等［2］、彭文英等［3］、黃和平等［4］、陸樹華等［5］對南北方地區(qū)不同時期植被恢復對土壤理化性質改良做了相關研究，王樹力［6］在東北地區(qū)研究了不同經營類型紅松林對土壤性質的影響，在黃土地區(qū)不同學者對理化性質的相關性、不同土壤類型、不同土地利用對土壤理化性質差異對比做了諸多研究。

本文通過研究區(qū)10個典型人工林配置模式，采取因子分析法、系統(tǒng)聚類法等定量分析方法，對不同林下土壤理化性質進行系統(tǒng)的對比研究，旨在科學地評價不同人工林模式對土壤理化性質的影響，以期在人工林配置上有更深入的認識，為半干旱黃土丘陵地區(qū)生態(tài)恢復與重建，人工林森林改造工程持續(xù)開展，提供可靠的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗基地在山西省方山縣土橋溝流域，北緯37°36′58″，東經111°02′55″，該區(qū)屬典型黃土丘陵溝壑地貌，地表大部分為新生代第四紀馬蘭黃土所覆蓋，厚度為50～100 cm，土壤為黃綿土。該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候，平均氣溫7.93℃，年平均降水516.16 mm，且年內分配非常不均，6－9月降水占全年的72.71%；年平均水面蒸發(fā)量高于1 857.7 mm，最大蒸發(fā)量出現(xiàn)在4－6月，明顯大于同期降水。人工林中喬木樹種主要有油松（Pinustabulaeformis）、刺槐（Robiniapseudoacacia）、白榆（Ulmuspumila）、華北落葉松（Laixprincipisruprechtii）、側柏（Platycladusorientalis）等，林下主要野生灌木有黃刺玫（Rosa xanthina）、沙棘（Hippophaerhamnoides）等，草本層植物以菊科和禾本科為主（表1）。

2 研究方法

2.1 篩選樣地及樣品采集

本文對研究區(qū)33塊人工林固定標準地，篩選出10塊具有相似地形特征的樣地作為研究對象，即林齡均為25～30 a，坡度為30°以下的陽坡樣地，分別為油松純林（YS）、油松×刺槐混交（YH／CH）、落葉松×油松（LYS／YS）、不同配置密度刺槐純林（CH1、CH2、CH3、CH4、CH5）、側柏純林（CB）、白榆純林（BY）10個人工林配置模式。對林下土壤分層（20 cm）取樣，3個重復，將重復的同層土樣混和均勻后立即裝入樣品袋，帶回并風干過篩待用。本文以表層土壤（0－20 cm）各項理化指標研究不同林分對土壤理化性質的影響。

表1 樣地基本特征

2.2 研究指標測定方法

土壤養(yǎng)分采用常規(guī)方法測定［7］，其中p H用電位測定法，有機質用重鉻酸鉀容量法——外加熱法，全氮用高氯酸－硫酸消化法，速效磷采用0.5 mol／L Na HCO3浸提鉬銻抗比色法，速效鉀用NH4OAC浸提，火焰光度法；土壤含水量用烘干法，容重用環(huán)刀法，毛管孔隙度及非毛管孔隙度由計算得出。

2.3 數(shù)據(jù)處理及分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0軟件對原始數(shù)據(jù)進行標準化，利用因子分析（Factor Analysis），根據(jù)新變量進行聚類分析（Cluster Analysis）數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

3 評價指標體系建立

3.1 基本指標選取及基本特征分析

鑒于不同林分對不同土層理化性質改良存在的差異性，且植被對表層土壤影響更為顯著，本文將表層土壤（0－20 cm）數(shù)據(jù)作為評價對象，建立土壤理化性質綜合評價指標體系，土壤物理性質包括容重、毛管孔隙度及非毛管孔隙度和自然含水量；化學性質包括養(yǎng)分因子（有機質、全氮、速效磷、鉀）和鹽分因子（p H值）。本文將篩選9個能夠反映土壤結構及養(yǎng)分的指標，其中X1為p H，X2為全氮（%），X3為速效磷（mg／kg），X4為有機質（%），X5速效鉀（mg／kg），X6土壤自然含水量（g／cm3），X7為土壤容重，X8為毛管孔隙度CP（%），X9為非毛管孔隙度（%），具體指標見表2。

表2 不同林分土壤理化性質分析結果

土壤理化性質作為下墊面因素，直接影響林木的生長［8］及林下植被的更替。當土壤條件欠佳，植物生長受阻時，會造成植被結構生產力低下、結構簡單、生態(tài)效益與經濟效益較差［9－10］。人工造林有利于改良土壤理化性質，繼而有利于林下植被更新，提高群落結構的穩(wěn)定性，并且改善林地的土壤養(yǎng)分狀況，對防止土地退化及防止土壤流失具有明顯的作用。

從表2可以看出，p H、速效鉀、土壤容重、毛細孔隙度變異相對較小，說明在區(qū)域范圍內變化相對均一，而全氮、速效磷、有機質、土壤水分、非毛管孔隙度變異較大。

不同林分林下土壤p H普遍呈弱堿性，基本上為闊葉林＜針闊混交＜針葉林，主要因為闊葉林枯落物更易分解，表層腐殖質積累較多，礦化后引起H＋的釋放，降低土壤p H值［11］。全氮是土壤氮素養(yǎng)分的儲備指標，在一定程度上說明了土壤氮的供應能力，速效磷與速效鉀（r＝0.818）、p H（r＝0.308）具有較高的相關性，與土壤的其他土壤性質的相關性較低，說明速效鉀、速效磷的含量主要取決于該區(qū)域的母質母巖特性與土壤的酸堿程度。土壤中磷元素遷移性小，加之下墊面母質相對一致，速效磷變異系數(shù)較大（50.77%），這也是不同植被對速效磷吸收養(yǎng)分不等引起的差異；土壤表層的有機質積累主要是植被的枯落物分解腐爛形式歸還土壤的結果，有機質變異系數(shù)比較大（34.61%），主要是不同樹種、枯落物分解存在差異等原因，使得有機質表層富集存在明顯差異；土壤含水量受毛管孔隙度的影響（r＝0.442），能反映林內濕潤狀況，并影響枯落物物質分解轉化、能量流通及養(yǎng)分的淋溶等過程；土壤容重反映出土壤透水性、通氣性和根系伸展時的阻力狀況。與土壤的有機質含量、黏粒含量、結構狀況以及植被類型的根系組織對土壤的穿插和擾動程度有關［12］。影響著土壤的滲透性和保水能力，與非毛管孔隙度相關（r＝0.659）。土壤孔隙是水分和空氣的通道和儲存所，是土壤肥力的基本因素之一，直接影響土壤水、熱及通氣狀況與物質轉化的速度與方向，對林木生長起著主要的作用。

3.2 不同林分下土壤理化性質因子分析

3.2.1 因子分析法 各樣地的土壤理化性質指標建立原始數(shù)據(jù)矩陣，將其進行標準化，根據(jù)主成分因子貢獻率≥85%的原則提取公因子，若是公因子意義不明，可對標準矩陣進行旋轉，本研究運用方差最大法（Varimax）對初始因子旋轉，將各林分的土壤理化公因子進行得分及排名，并將貢獻率作為權重計算各林分土壤理化性質的綜合得分及排名，隨后對標準化原始矩陣或公因子新變量通過系統(tǒng)聚類法對不同林分進行分類。本研究經過因子分析，出現(xiàn)4個公因子，對樣本方差的貢獻率為84.03%，滿足土壤分析要求［13］，即4個公因子代表原來的9個指標，各因子的特征值、貢獻率及累計貢獻率見表3。

通過旋轉因子載荷表（表3）得知：p H（X1）、全氮（X2）、速效磷（X3）、有機質（X4）、速效鉀（X5）、土壤自然含水量（X6）、土壤容重（X7）、毛管孔隙度（X8）、非毛管孔隙度（X9）進行因子分析。其主因子方程分別為

表3 旋轉因子載荷矩陣

第一個主因子F1具有高載荷的指標有速效鉀（X5）、速效磷（X3）、有機質（X4），其中速效鉀、速效磷反映了土壤供給速效養(yǎng)分能力的大小，直接影響植物的現(xiàn)實生產力［14］，有機質對土壤物理、化學和生物學性質有重要的影響，因此將主因子F1命名為土壤速效養(yǎng)分供應因子；第二個主因子F2具有高載荷的指標有全氮（X2）、p H（X1）；全氮是土壤貯存養(yǎng)分能力的大小，p H對土壤肥力性狀影響較大。且與全氮具有較高的相關性，可將F2命名為土壤全氮及p H因子。第三主因子F3有毛管孔隙度（X8）、土壤自然含水量（X6）、非毛管孔隙度（X9），毛管孔隙通常和土壤的持水能力相關，反映土壤結構狀況；植物根系切割作用是非毛管孔隙度最重要的因素，反映土壤結構透水通氣持水的能力，因此命名為土壤結構持水因子；第四主因子F4具有高載荷的指標有土壤容重（X7），土壤容重對土壤的透氣性、入滲性能、持水能力、溶質遷移特征以及土壤的抗侵蝕能力都有非常大的影響，命名為土壤容重因子。

3.2.2 不同林分土壤理化性質得分及排名 采用線性回歸計算各因子的得分，因子得分函數(shù)為

式中：Fi——各因子得分；X——不同因子；bi——因子分析得分矩陣第i列向量，見表4。不同林分林下土壤理化性質在各主分量上存在很大的差異，不同樹種對土壤理化性質的改良側重不同。

將各因子特征值的貢獻率作為權重進行加權求和可得到綜合評價指標。

式中：vi／p——為旋轉因子對Xi方差；Fi——各因子得分。

表4 因子得分系數(shù)矩陣

由表5可以看出，不同林分各因子得分表現(xiàn)差異較大，從F1（土壤速效養(yǎng)分供給因子）看出，得分最高的依次是 CH2（刺槐2）、CH1（刺槐1）、YS／CH（油松／刺槐混交），說明以上3種林分，在速效鉀、速效磷、有機質上具有較高的優(yōu)勢，刺槐及以刺槐為主的混交林土壤速效養(yǎng)分供給能力比較強，主要原因是刺槐生長迅速，枯落物疏松易分解，養(yǎng)分返還快；得分較低的有CB（側柏）、LYS／YS（落葉松／油松）、CH4（刺槐4），主要是林分密度小、林木冠幅小等原因，枯落物不足或分解不足，土壤速效養(yǎng)分方面并沒有表現(xiàn)出優(yōu)勢。從F2（土壤全氮及p H因子）上看，得分較高的是CH5（刺槐5）、CH4（刺槐4）、BY（白榆），主要是刺槐水平根分布相對較淺，多集中在表土層內，且根部有固氮功能的根瘤菌，對表層土壤氮素提高有重要的影響作用，白榆抗逆性極佳，長勢迅速，對土壤全氮改良也有積極的作用。從F3（土壤結構及持水因子）上看，CB（側柏）、CH5（刺槐5）、CH2（刺槐2）得分最高，細根生長及分解可以改善土壤的孔隙狀況，且三種林分密度均為1 200～1 625株／hm2，說明在適宜的林分密度條件下，根系切割對土壤結構、土壤持水能力有較強的影響作用。從F4（土壤容重因子）上看，BY（白榆）、CB（側柏）、CH1（刺槐1）排名較高，白榆、側柏對降低土壤容重、疏松土壤的作用有比較突出的優(yōu)勢。

綜上所述，對各林分林下土壤理化性質進行綜合排名評價，排名前三位的均為刺槐，CH2、CH1、CH5均高于其他林分，主要是選取的刺槐林為適宜的密度（1 200～1 700株／hm2），林分已郁閉成林，冠層覆蓋減少土壤水分自然蒸發(fā)，枯落物分解及根系作用較大，在一定程度上可以改良表層的土壤理化性質。而排名較低LYS／YS、YS／CH、CB，以針葉林為主，植被根系作用對表層影響不大，冠幅窄小，枯落物含有單寧及難分解的物質，造成養(yǎng)分轉化時期較長等原因，土壤理化性質綜合評分不高。也是檢驗土壤理化性質的實踐方式，將林下植被的多樣性指標作為檢驗土壤理化性質的依據(jù)。

表5 各因子得分及不同林分土壤質量綜合得分

由圖1看出，不同林分植被綜合得分排序依次為CH2＞CH1＞CH5＞BY＞CH4＞YS＞CH3＞CB＞YS／CH＞LYS／YS，不同林分理化性質與林下植被多樣性變化趨勢基本吻合，說明因子分析在評價土壤理化性質方面符合客觀現(xiàn)實，基于因子分析的土壤評價結果可作為客觀評價指標認識土壤理化性質的依據(jù)。

圖1 不同林分林下植被多樣性指數(shù)

將各林分進行系統(tǒng)聚類，同一類林分土壤理化性質就具有相似的特征，為體現(xiàn)不同林分差異（見圖2），將距離閾值設為6，第1類為CH4（刺槐4）、CH5（刺槐5）、YS（油松）、第2類為CB（側柏）、CH3（刺槐3），第3類CH1（刺槐1）、CH2（刺槐2），第4類 YS／CH（油松／刺槐），第5類BY（白榆），第6類為LYS／YS（落葉／松油松）。

第1類的特點是全氮及p H得分較高，說明此類林分配置對土壤含氮量及改良土壤p H方面比較占優(yōu)勢；第2類在改善土壤結構、土壤容重方面表現(xiàn)俱佳；第3類速效養(yǎng)分方面占據(jù)優(yōu)勢；第4類各項指標表現(xiàn)中庸，在改良土壤結構及增加土壤含水量方面表現(xiàn)不佳，可能是油松屬于深根性加之枯落物難以分解，因此對表層土壤理化性質的改良表現(xiàn)一般；第5類在土壤結構、土壤持水特性及改良土壤方面表現(xiàn)俱佳，但是在土壤養(yǎng)分方面表現(xiàn)不盡人意，將白榆納入黃土高原水土保持樹種的同時，也要結合其生態(tài)學特征，進行科學的配置；第6類在各項指標都表現(xiàn)欠佳，需要考慮是否對表層土壤影響不足，或亟需人工進行改造和撫育。

圖2 不同林分土壤理化性質評價聚類圖

結合各林分因子得分，將聚類結果進行劃分等級，1等＝｛CH1，CH2｝；2 等 ＝｛BY｝；3 等 ＝｛CH4，CH5，YS｝；4等＝｛CB，CH3｝，5等＝｛YS／CH｝；6等＝｛LYS／YS｝。在試驗區(qū)，各類水土保持樹種在改良土壤理化性質方面各有側重，通過合理配置密度及模式，可將改良土壤理化性質方面的優(yōu)勢更加突出。

4 結論

通過對不同配置模式林分條件下土壤的理化狀況進行因子分析，可以客觀、清晰、準確地分析不同林分對土壤理化性質的改良作用，不同林分對土壤理化性質的改良側重不同，適宜密度的刺槐林（林分密度1 200～1 700株／hm2）及油松林在土壤中養(yǎng)分儲量大，供給養(yǎng)分及土壤持水性較佳，側柏林對改良土壤孔隙度、土壤水分、降低土壤容重方面改良效果佳，此處為徑流林業(yè)試驗樣地，對于干旱缺水的黃土地區(qū)，此類植被配置模式顯得尤為重要；白榆林在土壤氮素供應及降低土壤容重方面優(yōu)勢突出；油松刺槐混交林除了在土壤供給養(yǎng)分方面表現(xiàn)良好，在其他因子上的表現(xiàn)一般。本文只是針對表層土壤進行了研究，此配置模式在深層次土壤理化性質改良方面的研究還有待探討。此外，試驗區(qū)刺槐、油松、白榆等優(yōu)勢樹種在因子評分中表現(xiàn)俱佳，說明在黃土高原人工造林取得了實踐性的成功。

聚類分析表明同一類林分對土壤理化性質方面的改良差異較小，并在土壤理化性質某些主因子方面存在相似性，聚類結果與因子分析結果基本吻合，且不同林分下林下植被多樣性也與因子得分地基本一致，說明因子分析及聚類結果能更客觀、定量化地反映土壤的質量，有助于進行人工造林時根據(jù)不同樹種對土壤理化性質改良方向上配置不同的措施。

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