基于Nemerow法和隸屬度函數(shù)的湖北杉木人工林土壤肥力評價

許業(yè)洲，侯義梅，袁 慧，余 義，劉 星，杜超群

（1.湖北省林業(yè)科學研究院，湖北 武漢 430075；2.建始縣林業(yè)科學研究所，湖北 建始 445300；3.咸寧市林業(yè)科學院，湖北 咸寧 437100）

土壤是農(nóng)林業(yè)最基本的生產(chǎn)資料和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在維持森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能方面發(fā)揮著重要作用[1-3]，在貯存養(yǎng)分、維持植物生長、保護生物多樣性、涵養(yǎng)水源和凈化環(huán)境等方面扮演著重要角色[4-7]。土壤肥力是土壤供應與協(xié)調(diào)植物正常生長發(fā)育所需的養(yǎng)分和水、空氣、熱的能力，是土壤質(zhì)量綜合量度的重要內(nèi)容，而土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[2-3,8]。為了更準確地認知森林土壤本質(zhì)并更好地利用土壤資源，對森林土壤的科學研究和客觀評價越來越為國內(nèi)外林學專家和森林經(jīng)營者所重視，特別是生態(tài)環(huán)境問題的出現(xiàn)和不合理經(jīng)營所造成的林地生產(chǎn)力退化，開展人工林土壤肥力研究，對揭示人工林土壤肥力演變規(guī)律與趨勢，維護、保持以至提高人工林土壤肥力，促進人工林的可持續(xù)發(fā)展有著極其重要的意義[9-10]。目前土壤健康或土壤質(zhì)量評價方法主要有綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學綜合評判法、灰色聚類法、主成分分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等方法，不同森林土壤肥力評價方法和指標都具有不同的特點和優(yōu)勢，符合不同的生產(chǎn)目的或者評價需求[8,11]。

杉木Cunninghamialanceolata是我國南方特有的重要速生用材樹種，是湖北低山丘陵地區(qū)主要造林樹種和重要針葉用材樹種，在全省30多個縣市均有分布，栽培面積為25萬hm2。針對杉木人工林純林、連栽、短輪伐期等經(jīng)營方式導致生態(tài)功能等級較低、地力衰退等問題，許多學者從不同林分類型、不同林齡結(jié)構(gòu)或林分改造等方面對杉木人工林土壤的理化性質(zhì)進行了大量的研究，如鄧小軍等[8]對包括杉木在內(nèi)的不同用材林林地土壤肥力進行了綜合評價和比較，黃宇等[10]對連栽杉木、杉闊混交等進行了土壤質(zhì)量狀況的比較分析和直觀評價，王旭琴等[12]研究分析了天然次生林更新為杉木人工林后土壤性質(zhì)的變化，吳永鈴等[13]分析了不同杉木人工林不同發(fā)育階段土壤性質(zhì)的變化并對其土壤肥力進行綜合評價，余明等[14]研究了林分改造對杉木林土壤化學性質(zhì)的影響、不同坡位間的土壤化學性質(zhì)差異及其響應。湖北屬全國杉木分布的北部邊緣產(chǎn)區(qū)，由于氣候和水熱條件一般，杉木人工林幼林期生長較快，但后期生長明顯不足，大部分林分生長量指標難以達到速生豐產(chǎn)林的標準，導致單位面積木材產(chǎn)量和經(jīng)濟效益水平較低，造成林地資源浪費，極大地制約了人工林的建設(shè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，立地選擇和土壤肥力維持是該區(qū)域人工林高效栽培的重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵措施，但目前還未在該區(qū)域開展有針對性的杉木人工林林地土壤資源調(diào)研及土壤質(zhì)量綜合評價，關(guān)于林地土壤肥力狀況及其對人工林經(jīng)營的作用與影響方面的研究均為空白。本研究分別在分布區(qū)內(nèi)的5個縣市采集杉木人工林土壤樣品，在進行不同區(qū)域空間分布和不同土層垂直變化比較分析的基礎(chǔ)上，采用改進后的Nemerow法、主成分分析和隸屬度函數(shù)相結(jié)合的模糊性綜合評價方法，分別對研究區(qū)域林地土壤單項肥力和綜合肥力以及不同縣市土壤肥力進行綜合評價，較為全面系統(tǒng)地了解湖北杉木人工林林地土壤肥力狀況，為該區(qū)域杉木人工林林地立地選擇、土壤管理及經(jīng)營措施提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

湖北省位于中國中部偏南、長江中游，地跨108°21′42″～116°07′50″E、29°01′53″～33°6′47″N。全省地勢大致為東、西、北三面環(huán)山，中間低平，略呈向南敞開的不完整盆地，全省總面積中山地占56%，丘陵占24%，平原湖區(qū)占20%。全省除高山地區(qū)外，大部分為亞熱帶季風性濕潤氣候，光能充足，熱量豐富，無霜期長，降水充沛，雨熱同季。全省年平均氣溫15～17℃，夏季降水量300～700 mm，冬季降水量30～190 mm。湖北杉木人工林主要分布于鄂東南低山丘陵地區(qū)，本研究區(qū)域包括保康、谷城、咸安、通城、陽新5縣市區(qū)，其中保康、谷城地處鄂西北，為湖北杉木一般產(chǎn)區(qū)，而咸安、通城、陽新地處鄂東南，為湖北杉木主要產(chǎn)區(qū)，以此為代表對全省杉木人工林林地土壤進行肥力調(diào)查和綜合評價。?？?、谷城屬襄陽市管轄，兩縣接壤，境內(nèi)主要山脈為荊山山脈，山巒重疊，地勢起伏多變，山地、丘陵占總面積的90%，均屬北亞熱帶大陸性季風氣候，冬冷夏熱，四季分明，降水集中，年均降水量800～1 200 mm，年均氣溫15.4℃，極端高溫41.4℃，極端低溫-19℃，年日照時數(shù)1 894.2 h，無霜期234 d；咸安、通城屬咸寧市，陽新屬黃石市，三縣市區(qū)地處鄂東南，長江中游南岸，湘鄂贛三省交界處，屬鄂東南低山丘陵區(qū)，是幕阜山向長江沖積平原的過渡地帶，屬北亞熱帶季風氣候，四季分明，春暖夏熱，秋涼冬寒，光照充足，雨熱同季，熱量豐富，雨量充足，冬季多西北風，夏季多西南風，年均氣溫16.8℃，1月平均氣溫4℃，7月平均氣溫29.2℃，≥10℃活動積溫5 345.4℃，無霜期255～263 d。

1.2 數(shù)據(jù)來源

采取典型抽樣方式，在林相完整、集中成片的杉木人工林中設(shè)置面積為600 m2（20 m×30 m）的標準地，記錄地理位置、環(huán)境因子等基本信息，每木測量胸徑、樹高、枝下高、冠幅等生長指標。每塊標準地中沿對角線按上中下設(shè)置3個樣點，開挖深度1 m左右的標準土壤剖面，分別按10 cm分層采集各層土樣，將3個土壤剖面相同土層的土樣混合，混合土樣不少于200 g，掛好標牌帶回室內(nèi)自然風干。土壤檢測參數(shù)包括pH值（pH）、有機質(zhì)（OM）、全氮（TN）、全鉀（TK）、全磷（TP）、水解性氮（AN）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）、有效鐵（AFe）、交換性鈣（ACa）、交換性鎂（AMg）等，檢測方法按林業(yè)行業(yè)相關(guān)標準執(zhí)行，其中pH值（pH）、有機質(zhì)（OM）、全鉀（TK）、速效鉀（AK）的執(zhí)行標準依次為LY/T 1239—1999、LY/T 1237—1999、LY/T 1256—1999、LY/T 1234—1999，全氮（TN）、水解性氮（AN）的執(zhí)行標準為LY/T 1228—2015，全磷（TP）、有效磷（AP）的執(zhí)行標準為LY/T 1232—2015，交換性鈣（ACa）、交換性鎂（AMg）的執(zhí)行標準為LY/T 1245—1999，有效鐵（AFe）按中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所土壤有效態(tài)成分分析標準（200905—202004）。取樣地點、數(shù)量及基本情況見表1。

表1 樣地分布及基本情況Table 1 Sample plots distribution and basic information

1.3 土壤肥力評價方法

1.3.1 改進后的Nemerow法

分別按式（1）～（2）計算各單項肥力指數(shù)和綜合肥力指數(shù)[8,15]：

式中：Pi、P綜分別為土壤指標i的單項肥力指標和綜合肥力指標；Ci和Si分別為土壤指標i的實測值和參考標準值。pH單項肥力指數(shù)Pi分別取值1.0（pH≤5.0）或1.5（5.0＜pH≤5.5）。Pave和Pmin分別為土壤各指標單項肥力指標的平均值和最小值；n為土壤指標個數(shù)；當Pi＞3時以Pi=3計。

1.3.2 模糊綜合評價法

指標權(quán)重：采用主成分分析法對肥力指標降維，根據(jù)特征值＞1.0提取主成分，用各肥力指標的得分系數(shù)與對應主成分特征值，按式（3）～（4）計算各指標權(quán)重[16-18]。

式中：βi、Wi分別為第i個指標的得分值和權(quán)重；αij、λj分別為第i個指標對第j個主成分的得分系數(shù)；m、n分別為指標和主成分個數(shù)。

隸屬度值：確定曲線中轉(zhuǎn)折點的相應取值，計算出各指標0.1～1.0之間的隸屬度值，采用S型曲線為各指標隸屬度函數(shù)（5）[1,16-17]：

式中：x為各指標測定值；x1、x2為評價指標在曲線中的轉(zhuǎn)折值。

綜合指數(shù)：將土壤各指標權(quán)重和隸屬度值代入公式（6），得出各指標加權(quán)求和指數(shù)FQI并對土壤肥力進行綜合評價[1]。

式中：Wi、Fi分別是第i個指標的權(quán)重和隸屬度值；m為指標個數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所得數(shù)據(jù)用Excel 2007軟件進行統(tǒng)計處理，用SPSS 16.0軟件進行方差分析和（One-way ANOVA）Duncan多重比較及主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤肥力基本情況與差異性分析

計算不同指標各土層檢測平均值，以標準地為單元進行統(tǒng)計，不同縣市杉木人工林林地土壤pH值比較接近，變異系數(shù)最小（8.86%），平均值為4.38，均為較強酸性（表2）。全鉀、速效鉀、有效鐵、全磷、水解性氮、全氮的變異系數(shù)依次增大，但均在30%～50%范圍內(nèi)，有機質(zhì)、有效磷、交換性鎂的變異系數(shù)為70%～90%，而交換性鈣的變異系數(shù)甚至超過100%，差異非常明顯，最大值是最小值的134倍。分別計算各樣地0～10 cm和10～20 cm兩土層各指標值之和，以及0～100 cm各土層各指標總和，0～20 cm土層中的有機質(zhì)含量占總含量的37.4%，全氮、水解性氮、有效磷的比例分別為33.3%、33.2%、33.1%，其它指標占比范圍為20.6%～27.1%，土壤有機質(zhì)和主要養(yǎng)分有明顯的表聚現(xiàn)象[19]。

表2 各樣地林地土壤檢測指標統(tǒng)計Table 2 Statistics of soil sample test indexes

將土層按20 cm重新分為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5個 層 級，原10 cm分層的各檢測值并入對應層級并計算其平均值，作為重新分層后該土層的單項肥力指標。方差分析結(jié)果（表3）表明，重新分層后所有單項肥力指標在不同縣市間均存在極顯著差異；除交換性鈣、交換性鎂、全鉀、全磷4個指標外，其它指標在不同土層間均存在顯著或極顯著差異。

表3 不同地點、不同土層土壤肥力指標方差分析Table 3 Variance analysis of soil fertility indexes in different sites and soil layers

從多重比較結(jié)果（表4）可以看出，研究區(qū)域杉木人工林的pH值陽新、?？捣謩e與其它地區(qū)存在顯著差異，有機質(zhì)、全氮和水解性氮含量較高的通城是咸安的2.5～3.0倍，通城的全磷含量最高并與含量其次的?？岛洼^低的其它三縣市均存在顯著差異，有效磷則以谷城含量最高且比含量最低的咸安高出5倍多，?？?、谷城的交換性鈣含量是通城、咸安、陽新的3～5倍，通城的交換性鎂含量最低并與最高的保康相差6倍左右，保康的全鉀含量最高并與最低的谷城相差近2倍，速效鉀則以咸安和陽新較高而?？岛凸瘸禽^低，有效鐵含量最高和最低的分別為谷城和咸安。不同土層之間pH值一般呈現(xiàn)隨土層加深而以2%～6%的幅度逐漸增大的變化趨勢，有機質(zhì)、全氮在0～20 cm土層的含量比20～40 cm土層高30%～48%且兩者差異顯著，水解性氮、速效鉀和有效磷的含量及其變化幅度均表現(xiàn)出隨土層加深而減小的趨勢且表層土與深層土間差異顯著，交換性鈣、交換性鎂、全鉀、全磷、有效鐵含量變化幅度較小且變化規(guī)律不明顯。

表4 各縣市及不同土層土壤單項肥力指標多重比較?Table 4 Multiple comparison of single fertility indexes of different soil layers in different sites

續(xù)表4Continuation of table 4

2.2 土壤肥力綜合評價

以各樣點0～20 cm土層各檢測參數(shù)值作為土壤肥力評價指標，參照《南方地區(qū)耕地土壤肥力診斷與評價》[15]、鄧小軍等[8]土壤肥力單項與綜合指數(shù)法并確定各指標參考標準值，采用改進后的Nemerow法，按式（1）計算各單項肥力指數(shù)Pi（表5），其平均指數(shù)范圍為0.02～3.68，單項肥力指數(shù)較高的前3項分別為有機質(zhì)（3.68）、全氮（2.11）和水解性氮（1.60），較低的2項分別為全鉀（0.6）、全磷（0.59），而最低的2項為交換性鈣（0.08）和交換性鎂（0.02），表明土壤有機質(zhì)及氮肥含量較豐富，磷鉀含量較低，而交換性陽離子（鈣、鎂）極度貧乏，總體肥力狀況為富氮而缺磷鉀，且因交換性陽離子貧乏而導致土壤偏酸性。按式（2）計算綜合肥力指數(shù)P綜為0.656，屬土壤肥力等級Ⅲ級（P綜＜0.9），土壤肥力偏低。

表5 各單項肥力指數(shù)與隸屬度值計算結(jié)果?Table 5 The calculation results of each single fertility index and membership value

采用主成分分析法對11個指標進行降維，根據(jù)特征值＞1.0提取主成分，可提取4個主因子，前4個主因子的累計貢獻率為85.229%，可解釋原始數(shù)據(jù)的較多信息，滿足提取要求（表6）。第1主成分中有機質(zhì)、水解性氮、全氮得分系數(shù)均超過0.22，具有較大正向載荷，是影響土壤肥力的主要因素；第2主成分中較大正向載荷依次為交換性鈣、pH值、有效磷、交換性鎂，是土壤肥力的重要影響因子；第3主成分中以全磷和全鉀為最大正向載荷，而第4主成分中速效鉀為極大正向載荷，均為土壤肥力的重要影響因子。用各評價指標的得分系數(shù)與對應主成分特征值，按式（3）～（4）計算各指標權(quán)重[16]，結(jié)果見表7。

表6 各主成分特征值及方差貢獻率Table 6 The characteristic value and variance contribution rate of principal components

根據(jù)駱伯勝等[17]、王玲玲等[1]已有研究成果確定隸屬度函數(shù)曲線中轉(zhuǎn)折點的相應取值（表7），利用公式（5）計算出各單項肥力指標隸屬度值Fi（表5），平均隸屬度值較高的指標分別為有機質(zhì)、全氮、水解性氮，而全鉀、速效鉀、有效磷和有效鐵均明顯低于前3項，最低的單項僅為0.1左右，分別是全磷、交換性鎂和交換性鈣，說明土壤有機質(zhì)和氮肥較豐富而磷肥和交換陽離子貧乏。將各指標權(quán)重和隸屬度值代入公式（6），得出各指標加權(quán)求和指數(shù)FQI為0.358，參照駱伯勝等[14]的土壤肥力分級標準，本研究區(qū)域總體土壤肥力水平較低（Ⅳ級，0.2～0.4）。

表7 各成分得分系數(shù)矩陣及指標權(quán)重Table 7 The score coefficient matrix and index weight of each component

單項肥力指數(shù)Pi和隸屬度值Fi對于本研究區(qū)域土壤單項肥力的評價結(jié)果及其總體變化規(guī)律基本一致，均表明土壤有機質(zhì)、全氮、水解性氮含量豐富，而全磷、交換性陽離子（鈣、鎂）貧乏，盡管其它指標在兩種評價方法中的排序并不完全一致，其中以pH值、有效鐵、速效鉀的變化較大，但均處于中等或偏低水平，對各單項肥力指標豐缺度的評判影響不大。兩種方法的綜合評價結(jié)果P綜和FQI指數(shù)均表明土壤肥力處于較低等級?？傮w而言，本研究區(qū)域土壤富氮缺磷，且因交換性陽離子（鈣、鎂）貧乏而導致土壤偏酸，土壤肥力水平偏低。

2.3 不同縣市土壤肥力評價與分析

利用0～20 cm土層各檢測參數(shù)值分別計算各樣點土壤肥力綜合指數(shù)P綜和加權(quán)求和指數(shù)FQI（圖1），31個樣點P綜的范圍為0.361～0.917，平均值為0.656，變異系數(shù)為22.46%，其中2個樣點的P綜＞0.9，土壤肥力為中等水平（Ⅱ級，0.9≤P綜＜1.7），僅占樣點總數(shù)的6.5%，其它樣點土壤肥力均為較低水平（Ⅲ級，P綜＜0.9）；FQI的范圍為0.16～0.49，平均值為0.356，變異系數(shù)為16.85%，有5個樣點FQI＞0.4，土壤肥力為中等水平（Ⅲ級，0.4～0.6），1個樣地FQI＜0.2，土壤肥力為低水平（Ⅴ級，0～0.2），其它樣點土壤肥力均為較低水平（Ⅵ級，0.2～0.4），分別占總數(shù)的16.1%、80.7%和3.2%。從圖1可以看出，兩種評價方法得出的土壤肥力綜合指數(shù)的變化趨勢基本一致，但P綜的變化幅度明顯大于加權(quán)求和指數(shù)FQI，前者的變異系數(shù)明顯大于后者，這可能與不同評價方法對不同肥力指標的主觀賦值的差異有關(guān)，而主成分分析的權(quán)重確定方法可能降低了綜合評價過程的主觀性[18]，隸屬度函數(shù)對各指標進行無量綱化處理后更具可比性，加權(quán)求和指數(shù)FQI能更準確、客觀反映土壤肥力綜合狀況。然而，兩種評價方法中土壤肥力處于各水平等級的樣點數(shù)量和比例存在一定差別，特別是僅有1個樣點（谷城8）同時達到兩種方法評價的中等水平（圖1），表明不同評價方法對某一樣點的評價結(jié)果存在差異或不一致，盡管可能與不同評價方法及其等級劃分有關(guān)，但這一問題值得關(guān)注并作進一步的比較分析和研究。

圖1 各樣點土壤肥力綜合指數(shù)比較Fig.1 Comparison of soil fertility indices at different sample plots

以不同方法對各縣市土壤肥力進行綜合評價（表8），綜合指數(shù)P綜范圍為0.412～0.783，變異系數(shù)為21.88%，各縣市土壤肥力均處于低肥力水平（Ⅲ級，P綜＜0.9），其中僅谷城有2個樣點土壤肥力為中等水平（Ⅱ級，0.9≤P綜＜1.7），占該縣樣點總數(shù)的22.2%。各縣市間存在極顯著差異，谷城杉木人工林肥力綜合指數(shù)最大，與除通城以外的其它縣市差異顯著，而咸安肥力綜合指數(shù)最小，與其它各縣市差異顯著。各縣市土壤肥力加權(quán)求和指數(shù)FQI范圍為0.231～0.392，變異系數(shù)為19.25%，各縣市土壤肥力均為較低水平（Ⅵ級，0.2～0.4），其中谷城、陽新、?？捣謩e有2個、2個和1個樣點土壤肥力為中等水平（Ⅲ級，0.4～0.6），分別占其樣點總數(shù)的22.2%、50%和16.7%，而咸安有1個樣點土壤肥力為低水平（Ⅴ級，0～0.2），占其總數(shù)的33.3%。各縣市間存在極顯著差異，谷城、陽新、通城和保康肥力綜合指數(shù)均在0.35以上，相互之間無顯著差異，而咸安最低，與其它縣市差異顯著。

表8 各縣市土壤肥力綜合評價指數(shù)Table 8 Comprehensive evaluation index of soil fertility in every site

盡管兩種評價方法對于部分縣市的評價結(jié)果和差異性并不完全相同，但總體評價結(jié)論和土壤肥力水平基本一致，除陽新和通城綜合指數(shù)排序互換外，其它縣市排序保持不變，且咸安與其它縣市間均存在顯著差異，表明兩種評價方法均可對不同縣市的土壤肥力狀況作出適度的綜合評價。相比較而言，加權(quán)求和指數(shù)FQI各縣市間及其樣點間的變異系數(shù)更?。ǔ贪餐猓湓u價結(jié)果可能更客觀。

本研究中咸安區(qū)杉木人工林以培育小徑材為經(jīng)營目標，造林密度一般在4 500株/hm2左右（表1），10 a左右主伐，全墾整地后連栽，形成具有典型地域特色、類似農(nóng)作物種植的杉木超短周期栽培模式，其林分郁閉度較高，林下植被稀少，在0～20 cm土層各檢測參數(shù)中，其有機質(zhì)、全氮、水解性氮、有效磷和有效鐵的含量均為最低值，且與其它地點存在顯著差異（表3～4）。從幾個主要肥力指標的單項肥力指數(shù)和隸屬度值（圖2）來看，咸安林地土壤有機質(zhì)、全氮、有效氮、有效磷明顯偏低。利用兩種評價方法均得出咸安3個樣點的土壤肥力綜合指數(shù)明顯低于其它縣市的結(jié)論（圖1），客觀反映出該栽培模式對林地土壤肥力的消耗極大，其經(jīng)營過程中的深耕整地、施足基肥、林糧間作、超短輪伐期等措施對于保證林地肥力供給具有重要作用。相比較而言，谷城、陽新、通城三地均為林齡超過25 a的成熟林（表1），且經(jīng)過撫育間伐或自然稀疏導致林分密度較?。? 500 株/hm2或以下），土壤各檢測參數(shù)及肥力指數(shù)相對較高，土壤肥力明顯好于咸安。

圖2 不同縣市主要單項肥力指數(shù)（A）和隸屬度值（B）比較Fig.2 Comparison of major single fertility index (A) and membership value (B) in different sities

3 討 論

pH值能夠顯著影響土壤養(yǎng)分的有效性，而土壤有機質(zhì)和土壤氮、磷、鉀是植物生長過程中的重要因素，體現(xiàn)了它們影響森林發(fā)育的潛在能力，被廣泛用作評價土壤營養(yǎng)狀況的重要指標[20]。本研究區(qū)域林地土壤pH值平均為4.38，為酸性土壤，南方因降水量豐富而發(fā)生較強風化淋溶現(xiàn)象導致土壤呈酸性，與鄧小軍等[8]、余明等[14]的研究結(jié)論一致。本研究中，土壤有機質(zhì)及氮肥含量較豐富，磷鉀含量較低，所有單項肥力指標在不同縣市間均存在極顯著差異，可能與地域跨度較大、土壤類型不同、林分結(jié)構(gòu)差異等不同因素的共同影響有關(guān)；除交換性陽離子、全鉀、全磷外，其它指標在不同土層間均存在顯著或極顯著差異，0～20 cm土層中的有機質(zhì)含量、全氮、水解性氮、有效磷的比例均在30%以上，土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分有明顯的表聚現(xiàn)象，即表層土壤含量高于下層[19]。

采用改進后的Nemerow法對研究區(qū)域杉木林地0～20 cm土層土壤肥力進行綜合評價，各單項肥力指數(shù)范圍為0.02～3.68，土壤肥力綜合指數(shù)為0.656，土壤肥力Ⅲ級（P綜＜0.9），低于鄧小軍等[8]評價的大桂山林場杉木林地肥力綜合指數(shù)（0.9）和肥力等級（Ⅱ級），盡管采用的肥力指標不盡相同，但也較客觀地反映出邊緣產(chǎn)區(qū)與中心產(chǎn)區(qū)杉木林地土壤肥力狀況的差異。采用主成分分析方法將11個肥力指標提取4個主因子，累計貢獻率為85.229%，通過轉(zhuǎn)換計算出各指標權(quán)重（0.073～0.110），利用“S”隸屬函數(shù)計算出各指標隸屬度值（0.10～0.92），總體土壤肥力綜合指數(shù)FQI為0.358，土壤肥力水平較低（Ⅳ級，0.2～0.4）。兩種方法對研究區(qū)域林地土壤肥力的綜合評價結(jié)果具有一致性，均表明土壤有機質(zhì)和氮含量較富足，而全鉀、全磷和交換性陽離子貧乏，土壤肥力處于低水平狀態(tài)。氮、磷、鉀是植物生長必需的大量元素，但磷、鉀在南方林地土壤中含量普遍偏低[19]，在湖北杉木人工林高效栽培中補充磷、鉀肥以及鈣、鎂肥是十分必要的。

改進后的Nemerow法避免了采用加和法、平均值法、加權(quán)平均法等主觀因素的影響[21]，具有方法簡單、實用性強等優(yōu)勢，不僅可以反映單項肥力指標，而且在考慮因子短板效應下進行土壤肥力綜合評價，可根據(jù)生產(chǎn)需求和林木營養(yǎng)需求規(guī)律調(diào)整評價指標，提供更直觀更適時的參考數(shù)據(jù)和指標[8]。主成分分析與模糊數(shù)學相結(jié)合建立各評價指標的隸屬度函數(shù)近年來被廣泛應用于土壤肥力的綜合評價[1,22-23]，主成分分析可實現(xiàn)降維并使相互之間具有獨立性[24]，而隸屬度函數(shù)可對各指標進行模糊性評價，通過隸屬度值實現(xiàn)指標量綱歸一化和可比性，從而體現(xiàn)出各指標的優(yōu)劣及其影響大小[1]。盡管兩種評價方法對各單項肥力指數(shù)、綜合肥力指數(shù)以及不同林地土壤肥力的評價結(jié)果并不完全相同，但總體評價結(jié)論和土壤肥力水平基本一致，兩種評價方法均可對不同縣市的土壤肥力狀況作出適當?shù)木C合評價。相比較而言，改進后的Nemerow法更為簡單實用，而模糊性評價結(jié)果可能更客觀，但如何比較不同評價方法的差異或精度，以及如何選擇更適合的評價方法，均還有待更深入的研究。

本研究分別采取兩種評價方法對各縣市0～20 cm土層土壤肥力進行綜合評價，31個樣點綜合肥力指數(shù)P綜和FQI范圍分別為0.361～0.917和0.162～0.490，各縣市平均綜合指數(shù)P綜和FQI范圍分別為0.412～0.753、0.231～0.392，且均存在極顯著差異，但各縣市土壤肥力均處于低肥力水平（Ⅲ級，P綜＜0.9；Ⅵ級，0.2～0.4），其中谷城綜合指數(shù)最高而咸安最低，咸安與其它縣市均存在顯著差異，除不同樣點或縣市的立地條件差異外，不同林分年齡、林分結(jié)構(gòu)與經(jīng)營狀況也可能是影響不同區(qū)域土壤肥力差異的重要因素，而咸安高密度、短周期栽培模式及其林地利用方法與其它區(qū)域具有明顯差異，可能直接導致土壤肥力的大量消耗和土壤肥力不足?？傮w而言，湖北杉木人工林林地土壤處于低肥力水平，杉木栽培應以中小徑材為主要經(jīng)營目標，補充磷、鉀肥是十分必要的，可有效促進林木生長和生產(chǎn)效益。

由于土壤質(zhì)量評價具有目的性和針對性，不同研究者所利用的指標也有所不同[25]，但養(yǎng)分有效性指標的使用是比較穩(wěn)定的[26]。本研究選擇目前我國土壤質(zhì)量評價中使用頻率較高的有機質(zhì)、速效N、有效P、速效K和全N、全P、全K等肥力因子作為主要評價指標[25]，但土壤綜合肥力評價指標除了土壤化學性質(zhì)外，還包括物理性質(zhì)指標、生物化學（如酶活性、微生物）指標。本研究計算得出的林地土壤肥力綜合指數(shù)只是對不同區(qū)域杉木林林地土壤潛在肥力的一種評價和比較，并不能完全代表林地實際生產(chǎn)力，更完善、更精確的土壤肥力評價還需將土壤理化性質(zhì)與林地生產(chǎn)力相結(jié)合，開展土壤養(yǎng)分與植物營養(yǎng)及產(chǎn)量等相關(guān)研究，這也是筆者下一步研究的重點。

4 結(jié) 論

改進Nemerow法和主成分分析與隸屬度函數(shù)相結(jié)合的模糊綜合評價方法的評價結(jié)果基本一致，單項肥力指數(shù)Pi和隸屬度值Fi分別為0.02～3.68和0.10～0.92，均反映出該區(qū)域杉木人工林土壤富氮缺磷鉀且交換性陽離子貧乏的狀況，而平均綜合指數(shù)和FQI分別為0.656和0.358，說明湖北杉木人工林林地土壤肥力處于較低水平，杉木栽培應以中小徑材為主要經(jīng)營目標，栽培過程中補充磷、鉀肥是十分必要的。各縣市土壤肥力綜合指數(shù)和FQI分別為0.412～0.783和0.231～0.392，均存在極顯著差異，兩種評價方法均表明谷城土壤肥力相對最好而咸安最差，可能與后者林分年齡小、密度大及其短周期經(jīng)營模式有關(guān)。