亞熱帶泡桐人工林土壤養(yǎng)分利用效率研究

劉鴻宇，蔣承雨，藍 琳，李春華

（中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長沙 410004）

泡桐是一種生長速度快、用途廣泛的樹種。我國擁有上千年的泡桐栽培歷史，它在林業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位[1]，研究土壤中的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為泡桐自身的生物量效率和影響因素對于泡桐營林實踐和可持續(xù)經(jīng)營具有現(xiàn)實參考意義。一直以來，植物養(yǎng)分利用效率（Nutrient use efficiency）受到了國內(nèi)外學(xué)者極大的關(guān)注，一般認為養(yǎng)分利用效率大小主要取決于植物種類和生長類型[2]，不同研究者從不同角度、針對不同品種類型對養(yǎng)分利用效率進行定義。Gerloff[3]認為植物利用每單位營養(yǎng)物質(zhì)能夠固定的二氧化碳量即為養(yǎng)分利用效率；Arets[4]對單個植株進行研究，提出養(yǎng)分利用效率可以表示為葉片最大凈光合量與某一養(yǎng)分元素（主要以N 和P 為主）的比值。Akinrinde 等[5]研究尼日利亞品種甜玉米在不同土壤下的生長狀況，認為養(yǎng)分利用效率可用每單位的甜玉米產(chǎn)量所需要的土壤養(yǎng)分量來表示；Hawkesford[2]認為養(yǎng)分利用效率是用來衡量植物對土壤中可利用的礦物質(zhì)營養(yǎng)元素吸收攝取的情況，從植物生理角度將養(yǎng)分利用效率定義為每單位營養(yǎng)素含量（或肥料）的產(chǎn)量（生物量），Nitschke 等[6]在對加拿大北方森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分利用效率的研究中，把養(yǎng)分利用效率描述為每單位的土壤養(yǎng)分含量（以N 和P 為主）能夠產(chǎn)生的生物量。國內(nèi)植物養(yǎng)分利用效率的研究大多沿用國外的方法。李韻珠等[7]認為植物的土壤養(yǎng)分利用效率是每單位的土壤養(yǎng)分消耗量所對應(yīng)獲得的經(jīng)濟產(chǎn)量；馬祥慶等[8]認為森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分利用效率是林木生產(chǎn)出的干物質(zhì)量所需要的養(yǎng)分含量；劉增文等[9]認為森林生態(tài)系統(tǒng)林木的養(yǎng)分利用效率表示為每一木材成熟后所需要從土壤中攝取的養(yǎng)分?jǐn)?shù)量；盛煒彤等[10]定義杉木人工林養(yǎng)分利用效率為每單位被利用的養(yǎng)分所能夠生產(chǎn)的生物量；吳鵬飛等[11]從植物細胞水平層次以Ca+為胞內(nèi)信號研究人工林的養(yǎng)分利用效率，認為養(yǎng)分利用效率等于林木生物量/土壤養(yǎng)分含量；廖育林等[12]，將南方雙季稻的土壤養(yǎng)分（以N、P 為主）利用效率描述為（施肥條件下水稻籽粒產(chǎn)量-不施肥條件下的籽粒產(chǎn)量）/（施肥量）。在泡桐養(yǎng)分的研究文獻中，丁維新[13]利用對比分析法研究泡桐葉養(yǎng)分含量受土壤影響，結(jié)果表明泡桐葉中P、Fe 與K 之比和土壤中對應(yīng)的比值呈顯著正相關(guān)，盧琦等[14]的研究結(jié)果認為泡桐與小麥間作在一定程度上能積極影響泡桐的生長；朱志文等[15]通過設(shè)置對照組研究湖南省中部泡桐人工林與土壤養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系情況，結(jié)果表明西瓜、泡桐間作地的表層土壤養(yǎng)分含量更低，不利泡桐的養(yǎng)分吸收；Tu 等[16]利用最小數(shù)據(jù)集等方法對湖南省泡桐種植區(qū)的土壤質(zhì)量進行評價，結(jié)果顯示泡桐與杉木、橘樹、油茶間作會造成土壤質(zhì)量下降。

植物生長過程中對養(yǎng)分的吸收利用較為復(fù)雜，會受到諸多因素的影響，這也是國內(nèi)外研究關(guān)注的重要問題。20 世紀(jì)末，Arco 等[17]的研究表明植物葉片脫落時間能夠顯著影響其養(yǎng)分吸收利用效率，一般情況下，葉片凋落時間長的植物對應(yīng)較低的養(yǎng)分利用效率；有研究報道植物體內(nèi)次生代謝過程也會對養(yǎng)分利用效率產(chǎn)生影響，植物通過次生代謝產(chǎn)生其生命活動非必需的有機酸、纖維素、木質(zhì)素等產(chǎn)物，可為植物體內(nèi)一系列生化反應(yīng)提供物質(zhì)基礎(chǔ),但是這些次生代謝物會在一定程度上降低植物養(yǎng)分利用效率[18]；還有研究認為樹木的生長周期會影響其養(yǎng)分吸收，樹木年齡越大，其對應(yīng)的養(yǎng)分利用效率也就越高[19]；邢雪榮等[20]的研究指出土壤中有效養(yǎng)分濃度的大小會顯著影響植物的養(yǎng)分利用效率，這是因為植物盡管能夠從大氣當(dāng)中獲得一部分養(yǎng)分元素（如N 與S），但其生命活動所需養(yǎng)分絕大部分還是得從土壤中獲取；Hawkesford[2]的研究指出植物的遺傳特性差異會顯著影響?zhàn)B分利用效率，可通過良種培育改進養(yǎng)分利用效率；同時，土壤養(yǎng)分條件也會對植物養(yǎng)分利用效率產(chǎn)生影響，他認為這是由于各個土壤養(yǎng)分之間存在物理化學(xué)屬性方面的差異，而且各個養(yǎng)分在植物中的功能也有所不同；此外，施肥時間和方法以及栽培方式也對養(yǎng)分利用效率產(chǎn)生顯著影響[21-23]，最后，Bridgeham、Aerts、Hawkesford 等研究認為環(huán)境因素光照、溫度、降水、土壤受污染程度也是影響植物養(yǎng)分利用效率的因素[2,4,24]。

綜上分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究主要從植物體養(yǎng)分元素或者生物量（產(chǎn)量）與土壤中各個養(yǎng)分元素比率對養(yǎng)分利用效率進行定義，然而，土壤中的養(yǎng)分元素與非養(yǎng)分元素存在密切的相互作用，土壤肥力是他們組成的養(yǎng)分因子決定的，肥力質(zhì)量決定了林木的生長狀況。因此，本研究中養(yǎng)分利用效率包含非養(yǎng)分元素利用效率，試圖利用擴展的養(yǎng)分效率模型評價亞熱帶泡桐人工林養(yǎng)分利用狀況，并且找出影響?zhàn)B分利用效率的關(guān)鍵因素。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

研究地位于湖南省邵陽、攸縣、湘陰、茶陵、 瀏陽5縣市，111°23′06′′～113°51′59′′ E、26°52′22″～28°32′39″ N之間，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均日照時數(shù)為1 300～1 800 h、年平均氣溫在15～18 ℃之間，年平均降水量 1 200～1 700 mm，主要土壤類型為第四紀(jì)紅壤，富鋁化、偏酸性（圖1）。

圖1 研究區(qū)及樣地位置Fig.1 Study area and sample location

1.2 土壤采樣及指標(biāo)測定

1.2.1 樣地土壤采樣

本研究中每個樣地設(shè)置9 個地塊，共計72 地塊；對每個地塊進行編號，其中編號為1～18 均位于湘陰，為泡桐與油菜間作地；編號為19～27位于攸縣，地塊編號28～36 位于邵陽、地塊37～45 位于茶陵，3 個樣地均為泡桐純林種植地；地塊46～54 位于茶陵，為泡桐、油茶間作地，地塊55～63 位于攸縣、為泡桐橘樹間作地；地塊64～72 位于瀏陽，為泡桐杉木間作地；土壤樣品在20 m×20 m 泡桐樣地，土層深度在0～20 cm并以“W”形路徑取得，每一種土壤樣品根據(jù)不同的泡桐種植間作類型重復(fù)進行9 次隨機采樣；為使得所取的土壤樣品更具有代表性，不在過濕、過干以及被嚴(yán)重壓實的土壤區(qū)采樣，采樣后把樣品帶回實驗室置于陰涼處風(fēng)干，將其研磨，并進行2、1、0.149 mm的過篩，最后將樣品存放在玻璃瓶中備用。

1.2.2 指標(biāo)選擇及測定

樣地土壤考慮土壤的物理、營養(yǎng)、生理3 個方面的屬性，共計25 項，土壤及泡桐生長各項指標(biāo)測定方法如下：1）物理指標(biāo)：土壤容重（BD）、總孔隙率（TOP）使用環(huán)刀取土法[25]測定；坡向（Slope）由一個地理羅盤測出、坡地法[26]計算土壤厚度（ST）。2）營養(yǎng)指標(biāo):用凱氏定氮法[27]測定總氮含量（TN），用酸度計法[28]測土壤pH值,反射測量法[29]測定硝態(tài)氮（Nitrate-N）,消解法[30]測定全鉀含量（TK），全磷含量（TP）通過一個離散化學(xué)分析儀利用消解法[31]測出，速效鉀（AK）通過Mehlich3、焰色反應(yīng)法[31]測出，有機質(zhì)（SOM）用重鉻酸鹽濕法燃燒法和可見分光光度[32]測出，用鈉飽和法[33]測出陽離子交換量（CEC），有效硼（AB）用熱水提取法[34]測出，有效硫（AS）用磷酸鈣溶液法[34]測出，有效磷（mg/kg）、有效鎂（AMg）、有效銅（ACu）、有效鋅（AZn）、有效鐵（AFe）、有效鈣（ACa）都是利用Mehlich3 法，離散化學(xué)分析儀[35]測出。3）生理指標(biāo)：脲酶（Urease）由氨釋放法[36]測出，β-葡萄糖苷（BG）、酸性磷酸酶（ACP）由硝基苯基葡糖苷釋放法[37]測出，脫氫酶（DH）由對硝基苯磷酸酯釋放法[38]測出。4）泡桐生長指標(biāo)：包括泡桐的胸徑（DBH）和樹高（TH）；在立木平均密度為4 m×4 m 的標(biāo)準(zhǔn)地塊中通過激光測距法[39]測量泡桐的胸徑和樹高。

1.3 統(tǒng)計方法

1）土壤主要肥力要素的地域差異采用方差分析方法，使用SPSS22.0 實現(xiàn)；2）由于樣本指標(biāo)數(shù)較多，采用主成分與數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型（DEA,Data envelopment analysis）結(jié)合方法[40]計算土壤養(yǎng)分利用效率；3）結(jié)構(gòu)方程模型（Structure equation models）是一種協(xié)方差結(jié)構(gòu)分析方法，可用于構(gòu)建和分析觀測變量和潛變量之間以及潛變量間相互關(guān)系[41]，采用該模型分析泡桐生長與肥力要素的關(guān)系，擬合矩陣類型為樣本的協(xié)方差矩陣，統(tǒng)計分析過程在LISREL8.8 中進行。

1.4 養(yǎng)分利用效率及計算

傳統(tǒng)的養(yǎng)分利用效率指植物器官養(yǎng)分元素的含量或者生長量與土壤中對應(yīng)元素的比例，這種定義簡單易于計算，但是只能分析單個元素的利用效率，同時也未能分析與養(yǎng)分利用密切關(guān)聯(lián)的土壤非養(yǎng)分元素對植物養(yǎng)分利用的影響。基于此，本研究利用數(shù)據(jù)包絡(luò)模型方法，采用植物生長指標(biāo)加權(quán)和與土壤養(yǎng)分和非養(yǎng)分元素加權(quán)和比例來計算植物養(yǎng)分利用效率，它顯示植物生長對土壤養(yǎng)分狀況的響應(yīng)程度，這種定義的顯著優(yōu)點是既能分析植物單要素養(yǎng)分的利用效率，也能計算各種養(yǎng)分元素與非養(yǎng)分元素的綜合效率，能克服傳統(tǒng)養(yǎng)分利用效率計算中生物量估算的難題。

2 結(jié)果和分析

2.1 泡桐林地土壤養(yǎng)分特性分析

用方差分析方法對不同泡桐人工林地的各個土壤特性指標(biāo)進行單因素方差分析，顯示72 塊泡桐林地土壤的物理、營養(yǎng)和生理特征的差異（表1）。

表1 單因素方差分析結(jié)果Table1 One-way ANOVA results

表1顯示，土壤的營養(yǎng)指標(biāo)中，顯著性取值大于0.05 的有總氮（TN）、全鉀（TK）、全磷含量（TP）、有效鎂（AMg）、有效銅（ACu）、硝態(tài)氮（Nitrate-N）、有效鈣（ACa），表明這些土壤養(yǎng)分要素在各個地塊間沒有顯著差異；但有效磷（AP）、有效鎂（AMg）、有效鐵（AFe）、有效硼（AB）、有效硫（AS）、有效銅（ACu）、有效鋅（AZn）、有效鐵（AFe）、有效鈣（ACa）、速效鉀（AK）、有機質(zhì)（SOM）的顯著性取值均小于0.05，表明以上土壤養(yǎng)分指標(biāo)在地塊間存在顯著差異；生理指標(biāo)中，脲酶（Urease）、β-葡萄糖苷（BG）、酸性磷酸酶（ACP）、脫氫酶（DH）和pH 值、陽離子交換量（CEC）的顯著性取值均小于0.05，表明各個泡桐林地的土壤生理指標(biāo)存在差異；土壤的物理指標(biāo)中，土壤容重（BD）、總孔隙率（TOP）的顯著性取值分別為0.001、0.002，小于0.05，表明72 個地塊的土壤容重和總孔隙率存在顯著差異；而土壤厚度（ST）、坡向（Slope）的顯著性取值分別為0.053、0.067，大于0.05，因此各泡桐林地的土壤厚度和坡向沒有顯著差異。

2.2 土壤主要養(yǎng)分要素分析

土壤質(zhì)量評價涉及眾多指標(biāo)，出于突出主要信息和減小成本考慮，通常采用統(tǒng)計方法篩選關(guān)鍵指標(biāo)構(gòu)成土壤肥力數(shù)據(jù)集，本研究利用SPSS22.0統(tǒng)計軟件分別對原始投入數(shù)據(jù)進行主成分分析，并根據(jù)累計方差大于85%的原則以及研究的實際需要，提取第一主成分中因子載荷系數(shù)大于0.8 的指標(biāo)[42]；各指標(biāo)的在第一成分中的因子載荷系數(shù)結(jié)果如表2所示。

由表2分析各個因子載荷系數(shù)可見，養(yǎng)分指標(biāo)中，速效鉀（AK）載荷因子最大，為0.93，其次為土壤有機質(zhì)（SOM），其值為0.83；生理指標(biāo)中因子載荷系數(shù)最大的是脫氫酶DH，為0.87，達到0.8 以上的有土壤pH 值（0.84）和陽離子交換量CEC（0.84）；物理指標(biāo)中，因子載荷系數(shù)最大的是土壤容重（BD）,大小0.88。以上指標(biāo)構(gòu)成了泡桐肥力因子的最小數(shù)據(jù)集，它們作為評價泡桐養(yǎng)分利用效率的投入指標(biāo)集。

2.3 養(yǎng)分利用效率評價

將以上篩選出的土壤養(yǎng)分元素與非養(yǎng)分因子作為數(shù)據(jù)包絡(luò)模型的投入要素，其主要數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征如表3，它們需要進行歸一化處理，對于泡桐生長有合適的范圍的適度指標(biāo)，如pH 值，最佳適應(yīng)范圍在5.5～7.2 之間，其值過高或過低都會限制泡桐的生長；土壤容重BD(kg·m-3）的最優(yōu)范圍在0～1 之間，這類指標(biāo)采用拋物線型隸屬度函數(shù)進行標(biāo)準(zhǔn)化，其它在一定范圍內(nèi)土壤肥力質(zhì)量隨測定值的增加而增加或者降低的指標(biāo)，大于或者小于該值范圍后，土壤肥力達到最高水平且趨于穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)化借鑒土壤質(zhì)量評價速查表和Atanu M(2014)等的研究方法[43]，采用S 型隸屬度函數(shù)進行標(biāo)準(zhǔn)化?；跇?biāo)準(zhǔn)化值計算的湖南主要泡桐人工林土壤養(yǎng)分利用效率值及主要統(tǒng)計特征如表3。

利用以上數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)包絡(luò)模型計算的各樣地泡桐養(yǎng)分利用效率及其統(tǒng)計特征如表4和表5。

表2 土壤因素的因子載荷系數(shù)結(jié)果Table2 Factor loading results of soil factor

表3 投入產(chǎn)出指標(biāo)及統(tǒng)計性特征Table3 Input-output index system

表4 各地塊泡桐養(yǎng)分利用效率得分值Table4 Nutrient use efficiency scores of Paulownia spot

表5 地域養(yǎng)分利用效率差異Table5 Nutrient use efficiencies in different sites

從表4、表5可得出以下結(jié)果：研究地72 樣地的土壤養(yǎng)分利用效率得分平均值為0.88，30 個地塊達到養(yǎng)分有效利用，百分比為42%，整體水平較高，表明研究地泡桐的土壤養(yǎng)分平均水平較好，整體上有利于泡桐對養(yǎng)分的吸收利用。各個樣地的效率得分平均值大小情況分別為：湘陰1 ＞茶陵2 ＞ 邵陽＞攸縣1 ＞湘陰2 ＞茶陵1 ＞攸縣2 ＞瀏陽，湘陰1 的效率得分平均值最高，DEA 有效百分比也達到100%，遠高于研究地的平均水平，這表明湘陰1 泡桐的養(yǎng)分利用效率最好，湘陰2 的平均得分值為0.92，也比平均水平高，而湘陰泡桐林為泡桐、油菜間作地，表明湘陰縣的土壤養(yǎng)分條件最利于泡桐的生長，且與油菜間作能夠有效提高泡桐對土壤養(yǎng)分的吸收利用。其次，邵陽、攸縣1 為泡桐純林種植地，效率得分平均值分別為0.94、0.93，均高于整個研究地平均水平，表明邵陽的土壤養(yǎng)分條件要優(yōu)于攸縣，且純林種植下的土壤養(yǎng)分環(huán)境有利于泡桐對土壤養(yǎng)分的吸收利用。茶陵2（泡桐、油茶間作）的效率得分平均值為0.962，有效百分比為66.67%；而茶陵1（泡桐純林）得分平均值為0.844，略低于研究區(qū)平均水平，經(jīng)過對此二地的比較，發(fā)現(xiàn)茶陵縣的土壤養(yǎng)分環(huán)境利于泡桐的生長，但是油茶間作下泡桐養(yǎng)分利用效率高于純林種植。 攸縣2（泡桐、橘樹間作）的效率得分平均值為0.79，低于研究地平均水平，表明橘樹與泡桐間作不利于泡桐對土壤中養(yǎng)分的吸收利用。瀏陽的效率得分平均值僅為0.601，僅1 塊子樣地達到DEA 有效，此處所有地塊均為杉木泡桐間作，表明瀏陽在所有研究地中土壤養(yǎng)分條件最差，且與杉木間作極不利于泡桐對養(yǎng)分的吸收。

綜上可知，所有研究地塊泡桐的養(yǎng)分利用效率平均水平較高（均值0.88）；湘陰縣的土壤養(yǎng)分條件最優(yōu)，其次為茶陵、邵陽、攸縣、瀏陽；泡桐與油菜、油茶間作或純林種植能夠提高其養(yǎng)分利用效率，但與杉木、橘樹間作不能促進泡桐對土壤養(yǎng)分的有效利用。

2.4 影響因素分析

2.4.1 模型構(gòu)建

將篩選的pH 值、土壤容重（BD）、速效鉀（AK）、土壤有機質(zhì)（SOM）、陽離子交換量（CEC）、脫氫酶（DH）6 項指標(biāo)作為影響泡桐養(yǎng)分利用效率的因素，這些指標(biāo)作為SEM 模型的觀測變量。泡桐林地土壤肥力狀況作為潛變量，此外，將泡桐的樹高和胸徑二者也作為潛變量，據(jù)此構(gòu)建泡桐養(yǎng)分利用和影響因素分析模型，選取線型結(jié)構(gòu)方程模型對影響泡桐養(yǎng)分利用效率的因子載荷程度進行分析驗證，同時，也對結(jié)構(gòu)方程模型的外生觀測變量進行誤差處理，即；設(shè)定土壤養(yǎng)分利用效率為外生潛變量，泡桐生長量為內(nèi)生潛變量，內(nèi)生觀測變量為泡桐樹高（Tree height）、胸徑（DBH）。構(gòu)建的結(jié)構(gòu)方程如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)方程模型Fig.2 Structure equation model

在圖2的結(jié)構(gòu)方程模型中，δi(i=1,2,…,6)為外生觀測變量的測量誤差，ε1、ε2為內(nèi)生觀測變量的測量誤差，ti(i=1,2,…,8)為路徑系數(shù)，ζ則為潛變量之間的隨機誤差。

2.4.2 模型評估和結(jié)果

結(jié)構(gòu)方程模型使用以下參數(shù)檢驗其總體擬合度：擬合優(yōu)度指數(shù)（GFI）、正態(tài)擬合指數(shù)（NFI）、可比擬合指數(shù)（CFI）、均方根誤差（RMSEA）、增量擬合指數(shù)（IFI）[38]。相應(yīng)的指數(shù)參考標(biāo)準(zhǔn)和擬合結(jié)果如表6所示，各擬合參數(shù)的結(jié)果均大于參考標(biāo)準(zhǔn)，顯示本研究結(jié)構(gòu)方程模型擬合程度較好，能夠較好地對各變量之間的關(guān)系進行度量。

表6 結(jié)構(gòu)方程模型結(jié)果Table6 Structure equation model results

分析表6發(fā)現(xiàn)：1）在測量模型中，泡桐土壤pH 值與肥力狀況負相關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)大為0.36，誤差為0.75；綜合表6的pH 統(tǒng)計數(shù)據(jù)及土壤條件的最佳范圍，植物生長的土壤pH 最佳范圍是5.5～7.2，樣地的pH 值的平均值4.22，土壤呈酸性，這是由于土壤酸性大影響泡桐根際細菌的活性，從而不利于泡桐對土壤養(yǎng)分的利用。土壤容重（BD）對泡桐的土壤肥力影響為正，標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)大小為0.50，測量誤差為0.75，表明土壤容重（BD）能夠促進泡桐對土壤養(yǎng)分的利用。速效鉀（AK）對土壤肥力的影響為正，標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)為0.71，誤差為0.49。土壤有機質(zhì)與泡桐土壤肥力正相關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)為0.55，誤差為0.69。陽離子交換量與土壤肥力正相關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)為0.06，誤差為1。土壤脫氫酶（DH）也與土壤肥力正相關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)為0.29，誤差為0.92。2）影響泡桐土壤肥力的6 個指標(biāo)中，路徑系數(shù)最大的為速效鉀AK（0.71），其次為有機質(zhì)SOM（0.55）、土壤容重BD（0.50）、脫氫酶DH（0.29）、陽離子交換量CEC（0.06）、土壤pH 值，表明速效鉀（AK）對于泡桐土壤肥力的貢獻程度最大，有機質(zhì)以及土壤容重次之，意味著在泡桐的營林實踐中要注意土壤的保鉀情況；對于養(yǎng)分利用效率較低的地塊，施加適量鉀肥、有機肥可促進泡桐對養(yǎng)分的吸收利用，使其生長效果更好。在測量模型中，泡桐胸徑、樹高均正向地對其生物量產(chǎn)生影響，二者的路徑系數(shù)分別為1.16、0.64，測量誤差分別為0.34、0.59，表明本研究以樹高和胸徑作為衡量泡桐生物量的指標(biāo)現(xiàn)實可行，研究結(jié)果具有一定的指導(dǎo)意義。

在結(jié)構(gòu)模型中，土壤肥力狀況顯著正向影響泡桐生物量，路徑系數(shù)大小為0.73，誤差項為0.46，這表明在泡桐生長的過程中，泡桐能夠有效地將土壤提供的養(yǎng)分條件充分利用轉(zhuǎn)化為自身的生物量，這也反映出本研究中將養(yǎng)分利用效率定義為每單位的土壤養(yǎng)分所能夠獲得的泡桐生物量具有可行性。

3 討 論

泡桐養(yǎng)分利用效率反映了它們生存策略的多樣性，本研究確定的泡桐林地土壤關(guān)鍵指標(biāo)不再局限于氮和磷等大量元素，能夠很好地解釋泡桐養(yǎng)分利用問題，并能避免指標(biāo)之間重復(fù)冗余問題[2,44]。應(yīng)用數(shù)據(jù)包絡(luò)模型從地塊尺度評價泡桐的土壤養(yǎng)分利用效率，其研究單元不再局限于Craig等、劉增文等、吳鵬飛等從生態(tài)系統(tǒng)或者是細胞分子水平尺度，為養(yǎng)分利用效率的研究提供了一個新的角度[6,9,11]；此外，本研究發(fā)現(xiàn)不同樣地下的土壤養(yǎng)分特性是影響泡桐養(yǎng)分利用效率的因素，這證實了Bridgeham、Aerts、Hawkesford 等人的研究結(jié)果[2,4,24]，并且本研究發(fā)現(xiàn)油菜與泡桐間作種植能夠有效地促進泡桐對土壤養(yǎng)分的吸收利用，這與Tu 等[16]人研究結(jié)果一致，表明在營林實踐中泡桐與油菜間作有利于其養(yǎng)分的吸收利用；最后，本研究通過構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型擬合出各個土壤特性在泡桐養(yǎng)分吸收利用中的貢獻程度，其結(jié)果驗證了Hawkesford 的研究結(jié)論[2]。

但是，泡桐的養(yǎng)分利用效率是一個復(fù)雜的過程，根據(jù)植物生理學(xué)的觀點，養(yǎng)分利用效率分為植物從土壤獲取營養(yǎng)成分的效率、養(yǎng)分在植物體內(nèi)的傳輸效率以及植物將養(yǎng)分利用后同化為生物量的效率；因此其影響因素除土壤養(yǎng)分特性之外，泡桐品種遺傳特性、體內(nèi)次生代謝過程、根系特性、溫度、光照或者降水也會對其養(yǎng)分利用效率產(chǎn)生影響[2,4]。本研究只著重分析了土壤養(yǎng)分特性對泡桐養(yǎng)分利用效率的影響機制，沒有對泡桐養(yǎng)分吸收后的一系列生理過程進行分析，這必然導(dǎo)致研究結(jié)果的片面性。在應(yīng)用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型的過程中，由于各個養(yǎng)分指標(biāo)參考范圍獲取的限制性，本研究采用絕大多數(shù)植物生長所需養(yǎng)分條件的適宜區(qū)間作為泡桐所需養(yǎng)分的最優(yōu)范圍，且只設(shè)置了土壤pH 值和容重（BD）的最優(yōu)上下限，這也造成了研究結(jié)果的局限性。

4 結(jié) 論

1）植物養(yǎng)分利用因素復(fù)雜多樣，本研究擴大傳統(tǒng)養(yǎng)分利用效率的外延，把土壤非養(yǎng)分元素納入養(yǎng)分利用效率的分析范疇，但是，眾多指標(biāo)之間存在冗余信息，為了節(jié)省測試時間和經(jīng)濟成本，采用主成分分析方法對樣地土壤主要屬性指標(biāo)進行篩選，用土壤容重（BD）、pH 值、速效鉀（AK）、陽離子交換量（CEC）、土壤有機質(zhì)（SOM）、脫氫酶（DH）這6 個對泡桐生長有顯著影響的指標(biāo)組成評價泡桐養(yǎng)分利用效率的最小數(shù)據(jù)集。

2）利用主成分分析方法篩選主要土壤元素作為土壤-植被系統(tǒng)的投入，泡桐的樹高和胸徑等生長量指標(biāo)作為產(chǎn)出，用數(shù)據(jù)包絡(luò)模型方法基于地塊尺度評價泡桐養(yǎng)分利用效率，發(fā)現(xiàn)湘陰縣所有地塊泡桐的養(yǎng)分利用效率均達到DEA 有效，表明湘陰縣的土壤養(yǎng)分條件最優(yōu)，其次為茶陵、邵陽、攸縣、瀏陽，表明地域差異會造成泡桐養(yǎng)分利用效率水平不一，同時泡桐與不同作物的間作類型對養(yǎng)分利用效率也產(chǎn)生顯著影響，分析過程顯示數(shù)據(jù)包絡(luò)模型評價泡桐養(yǎng)分利用效率不僅簡單易行，而且能分析多種要素的利用效率。

3）結(jié)構(gòu)方程模型綜合回歸分析、因子分析、路徑分析等多種方法的優(yōu)勢，在處理變量多重相互關(guān)系的同時，將變量關(guān)系的檢驗?zāi)芰奶剿餍苑治鲛D(zhuǎn)變?yōu)轵炞C性分析，在統(tǒng)計假設(shè)檢驗上給出強大的理論支撐，而且允許自變量和因變量存在測量誤差，為分析潛在變量之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系提供了可能，本研究引入該方法分析泡桐養(yǎng)分利用的影響因素，得出速效鉀（AK）對泡桐養(yǎng)分利用效率的影響最大，其次為土壤有機質(zhì)（SOM）、土壤容重（BD）、脫氫酶（DH）、陽離子交換量（CEC）和土壤pH，表明泡桐地塊土壤中各個養(yǎng)分特性由于存在物理與生理方面的差異，在泡桐生長過程中所發(fā)揮的作用各異，從而影響其養(yǎng)分利用效率，意味著在泡桐的營林實踐中對于養(yǎng)分利用較低的地塊可以適當(dāng)使用鉀肥、有機肥，并且選擇與油菜或油茶間作能夠促進泡桐對土壤養(yǎng)分的吸收利用。