不同林齡華北落葉松人工林地土壤肥力評(píng)價(jià)

王玲玲 徐福利 王渭玲 趙海燕 孫鵬躍 白小芳

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西楊凌712100；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌712100）

不同林齡華北落葉松人工林地土壤肥力評(píng)價(jià)

王玲玲1徐福利2王渭玲1趙海燕3孫鵬躍1白小芳2

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西楊凌712100；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌712100）

運(yùn)用主成分分析與Norm值、隸屬度函數(shù)結(jié)合的方法，分析評(píng)價(jià)秦嶺地區(qū)不同林齡（5、10和20年生）華北落葉松人工林土壤肥力的大小。結(jié)果表明：土壤有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀、酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶組成了土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集；速效磷隸屬度數(shù)值最小，為0.14，銨態(tài)氮、脲酶次之，為0.26，速效鉀與蔗糖酶的隸屬度數(shù)值最大，分別為0.75、0.74；不同林齡土壤綜合質(zhì)量指數(shù)數(shù)值為0.43～0.57，隨著林齡的增加，土壤肥力呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，即5a＞10a＞20a；華北落葉松人工林樣地磷元素的消耗速率＞氮元素，消耗速率分別為9.94%、1.11%，磷在華北落葉松生長(zhǎng)中的限制作用會(huì)日益凸顯。

華北落葉松；人工林；土壤肥力評(píng)價(jià)；主成分分析；隸屬度函數(shù)

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中維持林木健康生長(zhǎng)的基質(zhì)，其肥力質(zhì)量影響著林木的健康狀態(tài)［1］。然而，目前中國(guó)大部分地區(qū)人工林地土壤均出現(xiàn)不同程度的肥力退化現(xiàn)象［2-4］，因此，科學(xué)、合理、實(shí)用地評(píng)價(jià)土壤肥力可以更好地利用土地資源，為科學(xué)施肥、植物布局調(diào)整以及土地開發(fā)等提供理論依據(jù)。影響土壤肥力高低的土壤屬性指標(biāo)有很多，其中使用頻率最高且具有穩(wěn)定性的土壤肥力因子包括有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、pH、CEC等［5］。除此之外，土壤過氧化氫酶、磷酸酶、蔗糖酶等作為物質(zhì)與土壤營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)換的媒介也受到廣泛關(guān)注［6］。土壤酶活性不僅能反映土壤生物活躍程度的高低、表征土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的快慢，并且在一定程度上能反映土壤的肥力狀況。因此，將土壤營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)與土壤酶活性結(jié)合起來綜合評(píng)價(jià)土壤肥力狀況具有一定的合理性與必要性。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法有很多種，主要包括Fuzzy綜合評(píng)判法［7-8］、指數(shù)和法［9-10］、灰色關(guān)聯(lián)分析法［11］、主成分分析法［12］、投影尋蹤模型法［13］等。其中，主成分分析法是比較成熟的方法［14-15］，其在土壤質(zhì)量定量評(píng)價(jià)中的廣泛應(yīng)用為科學(xué)合理地評(píng)價(jià)不同地區(qū)土壤肥力提供了幫助。

華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）為松科落葉松屬植物，是我國(guó)東北、華北以及內(nèi)蒙古林區(qū)、西南地區(qū)高山針葉林的主要組成樹種。許多研究表明，由于華北落葉松造林密度單一，林下植被稀疏，生物多樣性匱乏等原因，林下土壤衰退嚴(yán)重［2，16］。目前，關(guān)于華北落葉松林下土壤肥力衰退的研究多數(shù)局限于某些指標(biāo)數(shù)值的下降［17-18］，而系統(tǒng)地研究秦嶺地區(qū)不同林齡（幼齡到中齡）華北落葉松人工純林土壤肥力的變化特征及土壤肥力限制原因尚未見詳細(xì)的報(bào)道。本研究采用主成分分析法與隸屬度函數(shù)相結(jié)合對(duì)土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，旨在了解秦嶺不同林齡華北落葉松林下土壤肥力的變化，找出制約華北落葉松正常生長(zhǎng)的限制性因子，為華北落葉松林地科學(xué)施肥及減緩林地土壤肥力退化提供參考依據(jù)。

1 研究方法

1.1 調(diào)查樣地概況

調(diào)查樣地位于陜西省秦嶺北麓的太白縣太白林業(yè)局南灘實(shí)驗(yàn)苗圃林場(chǎng)，地處東經(jīng)107°03′00″～107°46′40″，北緯33°38′13″～34°09′55″，年極端最高氣溫32.8℃，最低氣溫-25.0℃，年均氣溫7.6℃，年均降水量600～1 000 mm，年均無(wú)霜期約158 d，林木生長(zhǎng)期約166 d，屬秦嶺谷地小氣候帶。林下土壤為山地棕壤，土層厚度＜65 cm。林下草本植物有大油芒（Spodiopogon sibiricus）、披針薹草（Carex lancifolia）、鐵桿蒿（Artemisi asacrorum）和黃精（Polygonatum sibiricum）等。2012年選取立地條件基本一致的5、10、20 a的華北落葉松人工林地，每個(gè)林齡設(shè)置20m×20m的標(biāo)準(zhǔn)地3塊，樣地基本特征見表1。

表1 樣地基本特征Tab.1 General characteristic of the sampling plots

1.2 樣品采集與處理

2012—2014年每年7月中旬對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)樣地進(jìn)行土壤樣品采集。取土用土鉆法，在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地沿“S”型采集5個(gè)點(diǎn)的0～20 cm新鮮土壤，挑去活體根系，裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干。土壤風(fēng)干后研磨過60目與18目篩裝袋備用。

1.3 土樣測(cè)定方法

1）土壤養(yǎng)分測(cè)定方法：土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；全氮采用半微量開氏法測(cè)定；全磷采用HClO4-H2SO4消煮，鉬銻抗比色法測(cè)定；硝態(tài)氮、銨態(tài)氮用AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定；速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀采用1 mol/L醋酸銨浸提，火焰光度計(jì)法測(cè)定；pH用1mol/L KCl浸提，DELTA-320pH測(cè)量計(jì)測(cè)定［19］。

2）土壤酶活性測(cè)定方法：過氧化氫酶采用容量法，活性以1 g土消耗0.1mol/L KMnO4的毫升數(shù)表示（mL/（g·20min））；脲酶采用比色法，活性用24 h內(nèi)1 g土壤銨態(tài)氮毫克數(shù)表示（mg/（g·24h））；蔗糖酶采用比色法，活性用24 h內(nèi)1 g土壤葡萄糖毫克數(shù)表示（mg/（g·24h））；酸性磷酸酶采用比色法，活性用2 h后1 g土壤五氧化二磷毫克數(shù)表示（mg/（g·2h））［20］。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel2013整理后，利用SPSS17.0軟件進(jìn)行平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)以及主成分分析，各指標(biāo)雷達(dá)圖利用Excel 2013繪制。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)集合的建立與指標(biāo)權(quán)重確定

2.1 土壤理化性質(zhì)、酶活性統(tǒng)計(jì)特征

研究區(qū)土壤有機(jī)碳平均含量為14.43 g/kg，全氮含量為0.95 g/kg，全磷含量為0.49 g/kg。有機(jī)質(zhì)含量水平處于中等肥力狀況，全氮、全磷含量整體水平較低，小于全國(guó)平均含量標(biāo)準(zhǔn)［21］（表2）；速效磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效鉀含量分別為3.06、25.48、5.69、121.11mg/kg；pH均值為6.35，土壤呈酸性；過氧化氫酶活性為2.81 m L/（g·20 min）、酸性磷酸酶含量為0.25 mg/（g·2 h）、脲酶含量為0.33mg/（g·24 h）、蔗糖酶含量為51.55 mg/（g·24 h）。由變異系數(shù)可知，除pH外，土壤各指標(biāo)整體變異較大。

表2 土壤指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征值Tab.2 Statistical eigenvalues of soil indices

2.2 土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集建立

進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)必須從大量土壤理化指標(biāo)中選出對(duì)土壤質(zhì)量敏感的評(píng)價(jià)參數(shù)組成評(píng)價(jià)指標(biāo)的最小數(shù)據(jù)集（MDS）。目前已知的方法中，主成分分析（PCA）法的應(yīng)用最為廣泛。主成分分析可以將多個(gè)指標(biāo)化為少數(shù)幾個(gè)，實(shí)現(xiàn)降維變換，并且還可以很好地處理變量間的多重相關(guān)性，使相互之間具有獨(dú)立性［22］。但是，其在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)也存在著一定的缺點(diǎn)，即減少參數(shù)因子的同時(shí)也會(huì)引起這些因子包含的土壤質(zhì)量信息在一定程度上的缺失。為避免此缺陷可通過計(jì)算變量的Norm值［23］來彌補(bǔ)。Norm值的幾何意義為該變量在由主成分組成的多維空間中的矢量常模的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，表明該變量對(duì)全部主成分的綜合載荷越大，其解釋綜合信息的能力就越強(qiáng)。Norm值的計(jì)算如下：

式中：Nik是第i個(gè)變量在特征值≥1的前k個(gè)主成分上的綜合載荷；Uik是第i個(gè)變量在第k個(gè)主成分上的載荷；λk是第k個(gè)主成分的特征值。

運(yùn)用PCA法對(duì)所測(cè)定的12項(xiàng)土壤屬性指標(biāo)（硝態(tài)氮、pH、酸性磷酸酶、全磷、速效鉀、蔗糖酶、有機(jī)碳、過氧化氫酶、脲酶、速效磷、全氮、銨態(tài)氮分別用X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12表示）進(jìn)行主成分分析，結(jié)果表明（表3）：特征值≥1的主成分有4個(gè)，前4個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為87.38%，＞85.00%，能夠解釋較多的變異性。同時(shí)依據(jù)土壤屬性的分組原則進(jìn)行分組［22］，將特征值≥1和同一主成分因子載荷≥0.5歸為一組。分組后入選MDS的原則是：每組中每個(gè)參數(shù)的Norm值須在最高Norm值10%范圍內(nèi)，同時(shí)參評(píng)指標(biāo)選取還應(yīng)符合MDS中易測(cè)定性、重現(xiàn)性、主導(dǎo)性、穩(wěn)定性、精確性、實(shí)用性等原則；最后分析每組中所選參數(shù)間的相關(guān)性，若高度相關(guān)（r＞0.5），則選取總分值較高的參數(shù)進(jìn)入最終的MDS，若相關(guān)性很低，則全部進(jìn)入最終的MDS［23］。由表3可知，硝態(tài)氮、pH、酸性磷酸酶、全磷、速效鉀、蔗糖酶同屬于第一主成分，但是，硝態(tài)氮與pH、酸性磷酸酶、全磷有很高的相關(guān)性（表4），同時(shí)pH的Norm值在4者中最大為2.072，其Norm值10%范圍為1.864 8，也就是說Norm值＜1.864 8的指標(biāo)將會(huì)被剔除，全磷Norm值為1.754，因此，可將其剔除。故最終進(jìn)入第1組MDS的參數(shù)指標(biāo)包括硝態(tài)氮、pH、酸性磷酸酶、速效鉀、蔗糖酶；第2組中，有機(jī)碳與過氧化氫酶具有很高的相關(guān)性（0.786），且有機(jī)碳的Norm值＞過氧化氫酶，則過氧化氫酶將被剔除；脲酶的Norm值雖不在最高Norm值的10%范圍（大于1.714）內(nèi)，但是脲酶與有機(jī)碳的相關(guān)性很低，故脲酶也將選入第2組評(píng)價(jià)指標(biāo)，所以第2組的指標(biāo)參數(shù)為有機(jī)碳、脲酶；第3組速效磷與全氮相關(guān)性很低，2者同時(shí)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)入MDS；銨態(tài)氮進(jìn)入第4組。此外，定量評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量宜選擇中度、高度敏感的指標(biāo)，變異系數(shù)＜10%為不敏感界限［24］，由于pH的變異系數(shù)為3.97%，＜10%，故pH也應(yīng)當(dāng)被剔除。綜上所述，本實(shí)驗(yàn)選取的12項(xiàng)土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)最終進(jìn)入MDS的為：硝態(tài)氮、酸性磷酸酶、速效鉀、蔗糖酶、有機(jī)碳、脲酶、速效磷、全氮、銨態(tài)氮。

表3 土壤屬性因子載荷矩陣、公因子方差和Norm值Tab.3 Soil properties of factor pattern，common factor variance，and Norm values

表4 參評(píng)指標(biāo)的Person相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.4 Pearson＇s correlation coefficient of the indices involved in soil quality assessment

2.3 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

權(quán)重是指某個(gè)指標(biāo)在整體評(píng)價(jià)中的相對(duì)重要程度，其系數(shù)的確定是評(píng)價(jià)結(jié)果是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵?；谕寥缹傩宰陨韮?nèi)在的關(guān)系，用表3初始因子載荷矩陣中的數(shù)據(jù)除以相應(yīng)主成分相對(duì)應(yīng)的特征根開平方根便得到4個(gè)主成分中每個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的系數(shù)。得到的4個(gè)主成分如下：

用第一主成分F1中每個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的系數(shù)乘以第一主成分F1所對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率，再除以4個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率之和，加上第二主成分F2中每個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的系數(shù)，乘以第二主成分F2所對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率，再除以提取的4個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率之和加上第三主成分F3中每個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的系數(shù)，乘以第三主成分F3所對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率，再除以提取的4個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率之和，最后加上第四主成分F4中每個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的系數(shù)，乘上第四主成分F4所對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率，再除以所提取4個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率之和，即可得到綜合得分模型：

上式每個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的系數(shù)即每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

3 土壤因子隸屬度與土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

3.1 土壤因子的隸屬度分析

進(jìn)行土壤肥力評(píng)價(jià)首先要對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣進(jìn)行分析。土壤屬性指標(biāo)具有時(shí)間與空間的變異性，對(duì)土壤質(zhì)量的影響也處于動(dòng)態(tài)變化之中，故引入隸屬度函數(shù)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行模糊性評(píng)價(jià)。隸屬度函數(shù)是評(píng)價(jià)指標(biāo)與作物生長(zhǎng)效應(yīng)曲線之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，其隸屬度值表明各指標(biāo)在土壤中的狀態(tài)，通過隸屬度值的大小來體現(xiàn)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣以及對(duì)土壤功能影響的貢獻(xiàn)率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱歸一化，使各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間具有可比性。常見隸屬度函數(shù)有2種類型，即S型和拋物線型［25］。

屬于S型函數(shù)的土壤肥力指標(biāo)有土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效磷、速效鉀以及各微量元素養(yǎng)分等。相應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式為：

屬于拋物線型函數(shù)的土壤肥力指標(biāo)有土壤pH等。相應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式為：

式中：x1、x2、x3、x4為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)在曲線中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

依據(jù)研究區(qū)土壤理化特點(diǎn)參考相關(guān)研究［26-30］，曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)的相應(yīng)取值見表5。

由各指標(biāo)轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值代入公式（2），計(jì)算各指標(biāo)的隸屬度數(shù)值，各數(shù)值大小在雷達(dá)圖中表示（圖1）。雷達(dá)圖常用于多項(xiàng)指標(biāo)的全面分析，具有完整、清晰和直觀的優(yōu)點(diǎn)，雷達(dá)圖坐標(biāo)軸上各個(gè)點(diǎn)的值可以反映各指標(biāo)的狀態(tài)，距原點(diǎn)越近，代表其屬性狀態(tài)越差，相反距坐標(biāo)原點(diǎn)越遠(yuǎn)，代表其屬性狀態(tài)越好。此外，坐標(biāo)軸上各個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的多邊形面積的大小可以代表由參評(píng)因子所組成的評(píng)價(jià)對(duì)象的整體狀況，面積越大，整體的質(zhì)量越高。本研究中，不同林齡華北落葉松人工林地土壤速效磷平均隸屬度數(shù)值距原點(diǎn)最近，數(shù)值最小，為0.14，銨態(tài)氮、脲酶其次，均為0.26；而土壤蔗糖酶隸屬度數(shù)值最大，達(dá)到0.75，速效鉀次之，為0.74（圖1）；不同林齡間（圖1a），各指標(biāo)隨林齡的變化其趨勢(shì)不盡相同。速效磷、銨態(tài)氮、酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性的隸屬度數(shù)值隨著林齡的增加有所降低，即5a＞10a＞20a；有機(jī)碳、速效鉀隨著林齡的增加表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)；全氮、硝態(tài)氮隨著林齡的增加表現(xiàn)為先減小后增加的趨勢(shì)。不同年份間（圖1b），有機(jī)碳、速效磷、硝態(tài)氮的隸屬度數(shù)值隨著年份的增加表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)，全氮變化趨勢(shì)則相反；而銨態(tài)氮、速效鉀、酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶隨著年份的增加而降低。圖1各指標(biāo)組成的九邊形面積比各指標(biāo)處在最佳狀態(tài)的九邊形面積明顯要小，說明研究區(qū)整體的土壤肥力質(zhì)量不高。其中，20a華北落葉松人工林地土壤各指標(biāo)組成的九邊形面積最小（圖1a），說明20 a華北落葉松樣地土壤肥力最差；同理（圖1b），2014年華北落葉松人工林土壤肥力相比前2年較低，表現(xiàn)出了土壤肥力衰退的跡象。

表5 隸屬函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值Tab.5 Values of turning point in membership function

3.2 土壤肥力評(píng)價(jià)

土壤肥力指數(shù)法是目前常用的一種定量評(píng)價(jià)土壤肥力的方法，土壤質(zhì)量指數(shù)能夠很好地反映土壤質(zhì)量的變異信息。本研究采用加權(quán)求和指數(shù)ADD FQI（additive fertility quality index）對(duì)土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。ADD FQI數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Wi、Fi分別是第i個(gè)因子的權(quán)重和隸屬度；n是參評(píng)因子數(shù)。

將前述土壤各指標(biāo)權(quán)重與隸屬度數(shù)值代入公式（4），計(jì)算得出本研究區(qū)土壤肥力的指數(shù)變化情況，結(jié)果見圖2。不同林齡華北落葉松人工林地土壤肥力指數(shù)數(shù)值為0.43～0.57，隨著林齡的增加，土壤肥力總體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。連續(xù)3年的華北落葉松林下土壤肥力的研究結(jié)果顯示，2013年相比于2012年土壤肥力有所增加，但增加不顯著；2014年土壤肥力急劇下降。

3.3 氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素變化量比較

本研究選取12個(gè)土壤肥力指標(biāo)評(píng)價(jià)不同林齡華北落葉松土壤肥力的大小?？傮w來說，12個(gè)指標(biāo)大致歸屬于4大類，分別是與含碳物質(zhì)相關(guān)（有機(jī)碳、蔗糖酶活性）、與氮類物質(zhì)相關(guān)（全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、脲酶活性）、與磷類物質(zhì)相關(guān)（全磷、速效磷、酸性磷酸酶活性）以及與鉀類物質(zhì)相關(guān)（速效鉀）。由土壤指標(biāo)雷達(dá)圖分析知，速效磷、脲酶隸屬度數(shù)值最小，而蔗糖酶、速效鉀的隸屬度數(shù)值最大，表明氮、磷類物質(zhì)是限制土壤肥力增高最重要的因子，而有機(jī)碳、鉀在土壤中大量存在。故本研究中，華北落葉松人工林土壤肥力的衰退與氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素的消耗與流失密切相關(guān)。分析連續(xù)3年土壤中全氮、全磷含量的變化量可知（圖3），華北落葉松人工林地土壤全氮、全磷含量變化均呈下降趨勢(shì)，2013年的下降量分別為6.63%、9.79%；2014年土壤全氮變化量相比于2013年略有回升，但全氮含量仍然低于2012年，全磷含量呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢(shì)，下降量為19.88%。此外，由氮磷含量的變化量數(shù)值計(jì)算可知，全氮、全磷下降量的斜率大小分別為1.11%、9.94%，表明全磷含量的下降趨勢(shì)快于全氮。由此可知，華北落葉松人工林地土壤磷元素消耗較快，華北落葉松的生長(zhǎng)會(huì)越來越受到磷元素的限制。

4 結(jié)論與討論

主成分分析與利用模糊數(shù)學(xué)法相結(jié)合建立各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬函數(shù)近年來被廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)某一地區(qū)土壤肥力的高低［12，31-32］。本研究運(yùn)用主成分分析同時(shí)結(jié)合Norm值確定土壤肥力綜合評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集，篩選出土壤有機(jī)碳、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀等9項(xiàng)作為評(píng)價(jià)秦嶺地區(qū)華北落葉松人工林土壤肥力的指標(biāo)。有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀等指標(biāo)反映了土壤的營(yíng)養(yǎng)狀況，其數(shù)值越大土壤肥力也越高。有機(jī)碳作為重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，土壤的物理、化學(xué)、生物等許多特性都直接或間接地與其存在相關(guān)關(guān)系，而氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為植物的生長(zhǎng)代謝提供了物質(zhì)保障。本研究中，各指標(biāo)對(duì)土壤肥力貢獻(xiàn)程度大小順序?yàn)樗傩р洠救居袡C(jī)碳＞硝態(tài)氮＞銨態(tài)氮＞速效磷。速效磷隸屬度數(shù)值最小，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮次之，3者對(duì)土壤肥力的作用分值最小，是該研究區(qū)土壤肥力質(zhì)量增高的最主要的限制因子。同時(shí)，它們是可被植物直接吸收利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，3者不足勢(shì)必會(huì)對(duì)華北落葉松的生長(zhǎng)造成影響，這與劉勇等［16］、趙亞芳等［33］的研究結(jié)果一致；速效鉀隸屬度數(shù)值較大，鉀元素不是制約華北落葉松生長(zhǎng)的因子，這與陳欽程等［34］研究此地區(qū)華北落葉松得出的結(jié)論一致。脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶在土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量代謝中發(fā)揮著重要的作用。脲酶是一種酰胺酶，可以使有機(jī)物分子中酞鍵水解，最終產(chǎn)生氨和碳酸，從而可以用來表征土壤中有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化狀態(tài)。土壤脲酶與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷等均呈顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系［30］；磷酸酶主要參與有機(jī)磷的轉(zhuǎn)化過程，加速有機(jī)磷的分解，從而增加土壤中磷的有效性；蔗糖酶可加速蔗糖的分解，其產(chǎn)物是土壤中微生物能量的主要來源，最終有效增加土壤中易溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。這3種酶在間接表征土壤肥力方面發(fā)揮著重要的作用。本研究中，3種酶對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)程度大小順序?yàn)檎崽敲福舅嵝粤姿崦福倦迕?。脲酶是一種胞外誘導(dǎo)酶，能將不能被植物吸收的含氮有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)被植物利用，脲酶活性較小，間接表明土壤中含氮有機(jī)物較少。蔗糖酶隸屬度數(shù)值較大，說明此地區(qū)土壤生物活性較強(qiáng)，土壤熟化程度較高。蔗糖酶反應(yīng)底物為蔗糖，蔗糖主要來自于土壤有機(jī)物的分解，在一定程度上可以說明有機(jī)物質(zhì)不會(huì)制約華北落葉松的正常生長(zhǎng)。

20a華北落葉松林多數(shù)土壤屬性指標(biāo)明顯低于5a、10a華北落葉松，各指標(biāo)組成的九邊形面積最小，表現(xiàn)出隨著林齡的增加土壤肥力減弱的趨勢(shì)。此結(jié)果與趙海燕等［29］的研究結(jié)果一致。同時(shí)，通過對(duì)土壤肥力指數(shù)分析可知，此地區(qū)不同林齡華北落葉松人工林地土壤肥力指數(shù)數(shù)值為0.43～0.57，與葉回春等［31］的研究結(jié)果相似，但是略低于吳玉紅等［12］研究的指數(shù)數(shù)值，原因主要是研究的地區(qū)、選取的指標(biāo)以及權(quán)重的計(jì)算方法不同。在華北落葉松生長(zhǎng)的幼、中齡時(shí)期，隨著林齡的增加，林下土壤肥力表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，即5a＞10a＞20a，并且相比于2012年及2013年的土壤肥力，2014年林下土壤肥力明顯下降，這主要是由于硝態(tài)氮含量的大幅度降低以及酸性磷酸酶的活性急劇下降造成的，這也從一方面闡明了隨著華北落葉松的生長(zhǎng)，氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素的限制作用日益明顯。對(duì)不同林齡華北落葉松人工林地氮、磷元素的變化快慢比較，土壤全磷含量的衰退趨勢(shì)高于全氮，磷元素在華北落葉松的生長(zhǎng)中的限制作用會(huì)日趨凸顯。因此，根據(jù)需要在華北落葉松人工林地適當(dāng)補(bǔ)充氮、磷營(yíng)養(yǎng)顯得尤為重要。

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（責(zé)任編輯 趙粉俠）

Assessment of Soil Fertility in Different Aged Larix principis-rupprechtii Plantation

Wang Lingling1，Xu Fuli2，Wang Weiling1，Zhao Haiyan3，Sun Pengyue1，Bai Xiaofang2
（1.College of Life Sciences，Northwest Agriculture and Forest University，Yangling Shaanxi712100，China；2.Institute of Soil and Water Conservation of Chinese Academy of Sciences，Ministry ofWater Resources，Yangling Shaanxi712100，China；3.College of Resources and Environment，Northwest Agriculture and Forest University，Yangling，Shaanxi712100，China）

The level of soil fertility of different aged（5-，10-，and 20-year-old）Larix principis-rupprechtii plantation was assessed by using the method of principal component analysis，Norm value and membership function of fuzzymathematic.The study found that theminimum data set of soil assessment comprises organic carbon，total nitrogen，nitrate nitrogen，ammonium nitrogen，available phosphorus，available potassium，acid phosphatase，urease and invertase.The value of available phosphorus was the smallest，the number was 0.14，and the ammonium nitrogen and urease took the second place，the numberwas0.26.On the contrary，themembership value of available potassium and sucroseweremaximal，reach to0.75 and 0.74，respectively；In differentaged Larix principis-rupprechtii plantation，the value of soil comprehensive quality index fall in between 0.43 and 0.57.Soil fertility showed a declining trend with age，the sequence is 5a＞10a＞20a；The consumption rate of phosphorus wasmore quickly than that of nitrogen，the rate was 9.94%and 1.11%respectively，so the restriction of phosphorus on the growth of Larix principis-rupprechtii will increasingly prominent.

Larix principis-rupprechtii；plantation；soil fertility assessment；principal component analysis（PCA）；membership function

S714.8

A

2095-1914（2016）02-0017-08

10.11929/j.issn.2095-1914.2016.02.003

2015-11-25

“十二五”國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB416902）資助。

第1作者：王玲玲（1990—），女，碩士生。研究方向：植物生理生態(tài)。Email：15236193760@163.com。

王渭玲（1962—），女，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：植物生理生態(tài)。Email：ylwwl@nwsuaf.edu.cn。