基于主成分分析的古樹土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

葉少萍, 李鋌, 張俊濤, 曹芳怡

基于主成分分析的古樹土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

葉少萍, 李鋌, 張俊濤*, 曹芳怡

廣州市林業(yè)和園林科學(xué)研究院, 廣東廣州國(guó)家城市林業(yè)科技示范園區(qū), 廣州 510405

以廣州市海珠區(qū)登記在冊(cè)的40株古樹為研究對(duì)象, 調(diào)查其生長(zhǎng)狀況, 采集土壤測(cè)定pH、EC值、容重、通氣度、有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K、水解N、有效P、速效K含量等11項(xiàng)理化指標(biāo), 采用主成分分析和聚類分析對(duì)古樹土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明: 海珠區(qū)大多數(shù)古樹土壤EC值偏低(＜0.35 mS·cm-1), 表現(xiàn)為強(qiáng)變異; 土壤有機(jī)質(zhì)、全N、水解N、有效P、速效K含量充足, 土壤全P和全K分別有65.71%、40.00%樣本處于低含量水平。土壤全P和全K隸屬度函數(shù)值低于其他指標(biāo), 表明全P和全K是影響古樹土壤肥力的限制性因子。主成分分析結(jié)果顯示古樹土壤有機(jī)質(zhì)的權(quán)重系數(shù)最大(0.111), 而且與EC值、全P、速效K呈顯著正相關(guān)(＜0.05), 與全N、水解N、速效P呈極顯著正相關(guān)(＜0.01), 表明有機(jī)質(zhì)含量在古樹土壤肥力中起重要的作用, 并與土壤養(yǎng)分供應(yīng)密切相關(guān)。古樹土壤肥力綜合得分為0.483—0.924, 聚類分析將古樹土壤肥力分為3類, 土壤肥力良好(第1類)占比94.29%。綜上可知, 海珠區(qū)古樹土壤肥力水平整體良好, 土壤肥力偏低的古樹需要加強(qiáng)日常養(yǎng)護(hù)。

古樹; 土壤肥力; 主成分分析; 聚類分析; 綜合評(píng)價(jià)

0 前言

古樹是指樹齡在一百年以上的樹木, 具有極高的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。我國(guó)古樹資源十分豐富, 然而古樹是一種獨(dú)特的、不可替代、不可再生的風(fēng)景資源, 科學(xué)保護(hù)古樹顯得非常重要。研究指出, 古樹健康狀況與樹齡、立地條件、人為活動(dòng)等因素密切相關(guān)[1–2]。一方面, 古樹樹齡增加, 其吸收代謝能力有所下降, 無(wú)法從土壤中吸收更多的養(yǎng)分供自身利用, 導(dǎo)致生長(zhǎng)緩慢[3]。另一方面, 土壤質(zhì)量對(duì)古樹生長(zhǎng)有直接的影響, 土壤物理和化學(xué)性質(zhì)變差容易引起古樹長(zhǎng)勢(shì)衰弱甚至瀕危等問題。上海市部分松柏古樹長(zhǎng)勢(shì)不良, 調(diào)查顯示其土壤存在容重偏大、通氣孔隙度小、通氣不良等現(xiàn)象[4]。廣州市沙面古樹群土壤則普遍出現(xiàn)pH偏堿性、土壤氮磷養(yǎng)分不足、有機(jī)質(zhì)含量低等問題[5]。從影響因素來看, 人為活動(dòng)的干擾對(duì)古樹土壤質(zhì)量影響最大, 例如往土壤中排放污染物、過度壓實(shí)土壤或者過量使用密封硬質(zhì)鋪裝等導(dǎo)致土壤質(zhì)量變差[6–7], 從而不利于古樹根系生長(zhǎng)及其對(duì)養(yǎng)分的吸收和運(yùn)輸[8–9], 加之古樹土壤普遍缺少科學(xué)的監(jiān)測(cè)與養(yǎng)護(hù), 古樹健康常常面臨著極大的挑戰(zhàn)。因此, 研究古樹健康狀況, 需要加強(qiáng)土壤質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。

土壤肥力是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最基本的指標(biāo), 科學(xué)評(píng)價(jià)土壤肥力能夠?yàn)橛行Ю煤捅Ｗo(hù)土壤資源提供指導(dǎo)[10]。土壤肥力指標(biāo)通常包括物理、化學(xué)和生物指標(biāo), 土壤肥力評(píng)價(jià)需要綜合分析各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)肥力的影響程度。定量化綜合評(píng)價(jià)是土壤肥力評(píng)價(jià)方法研究的熱點(diǎn), 目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道的土壤肥力綜合評(píng)價(jià)方法包括相關(guān)關(guān)系法、主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、內(nèi)梅羅指數(shù)法等[11–14]。主成分分析是將多個(gè)指標(biāo)化為少數(shù)幾個(gè)指標(biāo)、實(shí)現(xiàn)降維的一種統(tǒng)計(jì)方法, 能夠更有效地提取出對(duì)土壤肥力有重要影響的因素, 目前在農(nóng)田、林地、綠地等土壤肥力評(píng)價(jià)中都有報(bào)道[13–16]。劉家雄和湯珧華[17]采用主成分分析法評(píng)價(jià)上海市古樹土壤肥力, 發(fā)現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)與養(yǎng)分指標(biāo)對(duì)于古樹土壤肥力評(píng)價(jià)有重要影響。本項(xiàng)目選擇海珠區(qū)古樹為研究對(duì)象, 調(diào)查古樹的生長(zhǎng)現(xiàn)狀和土壤理化性質(zhì), 并采用主成分分析和聚類分析方法對(duì)土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià), 為古樹的科學(xué)養(yǎng)護(hù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域海珠區(qū)位于廣州市中部(東經(jīng)113°14′—113°23′、北緯23°3′—23°16′), 四面為珠江廣州河段前、后航道環(huán)繞, 區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密布, 總面積90.40 km2, 其中2/3的面積屬珠江三角洲沖積平原, 其余1/3為低丘、臺(tái)地; 地帶性土壤為赤紅壤, 母質(zhì)為砂頁(yè)巖, 形成砂頁(yè)巖赤紅壤。海珠區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū), 海洋性氣候特征顯著, 具有溫暖多雨、光熱充足、溫差較小、夏季長(zhǎng)、霜期短等氣候特征, 年平均氣溫為21.6 ℃, 年平均降雨量達(dá)1694 mm, 年平均相對(duì)濕度為77%, 年平均日照為1916 h, 由于水熱同期, 利于作物生長(zhǎng)。

2019年海珠區(qū)登記在冊(cè)的古樹有40株(編號(hào)NO.01—NO.40), 隸屬6科6屬9種, 包括榕樹(L. f.)、木棉(Linnaeus)、黃葛樹(Aiton)、心葉榕(Bl.)、樟((L.) Presl)、秋楓(Bl.)、蘋婆(Smith)、斜葉榕(subsp.(Bl.) Corner)、鷹爪花((L. f.) Bhandari)。古樹估測(cè)樹齡采用“三段計(jì)算法”[18]測(cè)定, 最高、最低估測(cè)樹齡分別為435、107年, 平均樹齡為212年, 樹齡較高的心葉榕、斜葉榕和鷹爪花生長(zhǎng)在廣州海幢寺內(nèi)。

1.2 樣品采集與分析

2019年10月, 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量單株古樹株高、胸圍、冠幅, 并采集距離古樹樹頭50 cm、深度0—30 cm的樹穴土壤測(cè)定理化性質(zhì)。采樣前清理地表凋落物、伴生植物等, 使用土鉆在樹頭東、南、西、北4個(gè)方向分別采集1個(gè)土樣, 將4個(gè)土樣混勻?yàn)橐粋€(gè)樣品。共采集35株古樹土壤樣品, 編號(hào)NO.08、NO.10、NO.25、NO.31、NO.35古樹由于樹頭周圍是密封硬質(zhì)鋪裝而無(wú)法采集土壤樣品。土壤樣品自然風(fēng)干后研磨過篩, 用于測(cè)定理化性質(zhì)[19]: pH采用臺(tái)式pH離子計(jì)測(cè)定, 電導(dǎo)率(EC值)采用DDS—307電導(dǎo)率儀測(cè)定, 容重、通氣度測(cè)定采用環(huán)刀法, 有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法, 全氮(N)、全磷(P)、全鉀(K)測(cè)定分別采用凱氏定氮法、硫酸消煮—紫外分光光度法、硫酸消煮—火焰分光光度法, 水解N、有效P、速效K測(cè)定分別采用堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法、乙酸銨浸提—火焰光度計(jì)法。

1.3 土壤肥力評(píng)價(jià)方法

1.3.1 土壤肥力單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)

根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[20]及駱玉珍等[16]方法, 對(duì)海珠區(qū)古樹土壤pH、EC值、有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K、水解N、有效P、速效K含量等進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià), 并采用雷達(dá)圖對(duì)比古樹土壤單項(xiàng)指標(biāo)肥力水平[13]。

1.3.2 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

首先對(duì)海珠區(qū)古樹土壤11項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以消除指標(biāo)量綱差別。

(1)土壤pH、容重過大和過小時(shí)都不利于植物生長(zhǎng), 故采用拋物線型隸屬度函數(shù)[13, 16], 隸屬度函數(shù)值的計(jì)算公式為:

<x或≥x時(shí),=0.1;

x≤<x時(shí),=0.1+0.9(-x)/(x-x);

x≤<x時(shí),=1.0-0.9(-x)/(x-x);

x≤<x時(shí),=1.0。

(2)EC值屬于戒下型隸屬度函數(shù)[21], 隸屬度函數(shù)值的計(jì)算公式為:

<x時(shí),=1.0;

x≤<x時(shí),=0.1+0.9(x-)/(x-x);

≥x時(shí),=0.1。

(3)通氣度、有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K、水解N、有效P、速效K均屬于S型隸屬度函數(shù)[13], 隸屬度函數(shù)值的計(jì)算公式為:

<x時(shí),=0.1;

x≤<x時(shí),=0.1+0.9(-x)/(x-x);

≥x時(shí),=1.0。

式中,為土壤指標(biāo)測(cè)定值,x、x、x、x為函數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值, 根據(jù)方海蘭等[10]、馮嘉儀等[13]、駱玉珍等[16]報(bào)道選擇轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值如表1所示。

其次對(duì)土壤11項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)檢驗(yàn)和Bartlett球形檢驗(yàn), 判斷是否適宜進(jìn)行主成分分析, 然后采用主成分分析法計(jì)算出各項(xiàng)土壤指標(biāo)的公因子方差, 進(jìn)一步計(jì)算出各個(gè)公因子方差占公因子方差總和的比例, 將其作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重a。土壤肥力綜合得分的計(jì)算公式為[13]:

表1 隸屬度函數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值

式中,a為第個(gè)土壤肥力指標(biāo)的權(quán)重系數(shù),為指標(biāo)數(shù)量,為土壤指標(biāo)的隸屬度值。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用IBM SPSS Statistics 21.0軟件對(duì)海珠區(qū)古樹生長(zhǎng)指標(biāo)和土壤理化性質(zhì)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析、主成分分析和雙變量相關(guān)性分析, 采用聚類分析對(duì)土壤肥力綜合指標(biāo)進(jìn)行樣品聚類, 圖形繪制采用WPS表格。

2 結(jié)果與分析

2.1 海珠區(qū)古樹生長(zhǎng)指標(biāo)

海珠區(qū)不同樹種古樹生長(zhǎng)指標(biāo)存在差異。古樹株高在4.8—25.0 m之間, 平均值為15.8 m, 其中木棉株高(18.7 m)最高, 其次為心葉榕(18.3 m)、秋楓(17.1 m); 胸圍在1.5—10.8 m之間, 平均值為5.2 m, 其中心葉榕、黃葛樹胸圍較高, 分別為7.7 m、7.6 m; 冠幅在7.0—31.0 m之間, 平均值為18.3 m, 其中黃葛樹冠幅最大, 為21.5 m(表2)。

2.2 海珠區(qū)古樹土壤肥力指標(biāo)分析

由表3可知, 海珠區(qū)古樹土壤pH在5.67—8.05之間, 平均值為7.26, 變異系數(shù)為6.20%, 屬于弱變異。對(duì)比pH值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(圖1), 65.71%土壤pH呈中性(6.5—7.5), 28.57%呈堿性(7.5—8.5), 5.71%呈酸性(5.5—6.5)。土壤EC值在0.05—1.50 mS·cm-1之間, 平均值為0.25 mS·cm-1, 其中34.29%土壤EC值小于0.12 mS·cm-1, 45.71%介于0.12—0.35 mS·cm-1之間, 17.14%介于0.35—1.0 mS·cm-1之間, 2.86%大于1.5 mS·cm-1。土壤EC值變異系數(shù)為106.68%, 表現(xiàn)為強(qiáng)變異, 最大值與最小值之間相差30.00倍。土壤容重在0.69—1.53 g·cm-3之間, 平均值為1.16 g·cm-3, 變異系數(shù)為13.79%, 為中等變異; 土壤通氣度變幅為19.2%—44.9%, 平均值為34.1%, 變異系數(shù)為20.53%, 為中等變異。

表2 海珠區(qū)不同樹種古樹株高、胸圍和冠幅

注: 表中所示數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤, 以下相同。

土壤有機(jī)質(zhì)含量為19.10—210.87 g·kg-1, 平均值69.65 g·kg-1, 最大值與最小值之間相差11.04倍, 變異系數(shù)為56.93%, 屬于中等變異; 其中88.57%土壤有機(jī)質(zhì)含量處于一級(jí)水平(＞40 g·kg-1), 含量處于三級(jí)(20—30 g·kg-1)和四級(jí)(10—20 g·kg-1)的樣本分別為8.57%和2.86%。土壤全N、全P和全K含量變幅分別為0.67—15.66 g·kg-1、0.01—0.98 g·kg-1、1.60—24.33 g·kg-1, 平均值分別為3.22 g·kg-1、0.34 g·kg-1、11.89 g·kg-1, 變異系數(shù)在49.79%—77.95%之間, 均為中等變異。土壤全N含量處于一級(jí)(＞2.0 g·kg-1)和二級(jí)(1.5—2.0 g·kg-1)的樣本分別為77.14%和14.29%, 含量在四級(jí)(1.0—1.5 g·kg-1)的樣本占5.71%, 含量在五級(jí)(0.5—0.75 g·kg-1)的樣本占2.86%。此外, 土壤全P含量65.71%樣本處于低含量水平(＜0.4 g·kg-1), 31.43%處于中等含量水平(0.4—0.8 g·kg-1), 處于高含量水平(0.8—1.0 g·kg-1)的僅為2.86%; 土壤全K含量處于低含量(＜10 g·kg-1)、中等含量(10—20 g·kg-1)、高含量(20—25 g·kg-1)水平的分別為40.00%、48.57%、11.43%?？傮w上土壤全N含量水平較高, 而全P、全K含量則處于中等偏低水平。

表3 海珠區(qū)古樹土壤肥力指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)

此外, 土壤水解N、有效P和速效K含量分別在15.28—776.71 mg·kg-1、2.48—94.38 mg·kg-1、82.94—604.59 mg·kg-1之間, 平均值分別為186.64 mg·kg-1、22.66 mg·kg-1、198.86 mg·kg-1, 變異系數(shù)分別為70.74%、75.15%、54.54%, 均為中等變異。其中, 85.72%土壤水解N含量處于高含量水平(＞120 mg·kg-1), 8.57%處于中等含量水平(60—120 mg·kg-1), 5.72%則處于低含量水平(＜60 mg·kg-1); 土壤有效P含量則主要集中在20—40 mg·kg-1和10—20 mg·kg-1之間, 分別為45.71%和28.57%, 含量處于極度豐富(＞40 mg·kg-1)和極度缺乏(＜3 mg·kg-1)的樣本分別占8.57%和5.71%; 土壤速效K含量均達(dá)到中等含量水平(＞50 mg·kg-1)以上, 含量在50—100 mg·kg-1的樣本占8.57%, 100—150 mg·kg-1占31.43%, 150—200 mg·kg-1占22.86%, 含量高于200 mg·kg-1的樣本占37.14%?？傮w上, 土壤水解N、有效P、速效K含量分別有85.72%、54.28%、60.00%樣本達(dá)到高含量水平, 表明土壤速效氮、磷、鉀養(yǎng)分供應(yīng)充足。

2.3 海珠區(qū)古樹土壤肥力單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)

雷達(dá)圖坐標(biāo)軸各個(gè)點(diǎn)的值可以反映各項(xiàng)指標(biāo)的狀態(tài), 每個(gè)坐標(biāo)軸上的點(diǎn)越向原點(diǎn)靠近, 所反映的單一指標(biāo)的肥力水平越低, 反之離原點(diǎn)越遠(yuǎn), 所反映的單一指標(biāo)的肥力水平越高[22]。由圖2可知, 海珠區(qū)古樹土壤肥力指標(biāo)隸屬度值從大到小分別為通氣度(0.998)＞有機(jī)質(zhì)(0.979)＞全N(0.959)＞EC值(0.930)＞pH(0.929)＞水解N(0.912)＞速效K(0.891)＞有效P(0.764)＞容重(0.703)＞全K(0.379)＞全P(0.252)。

2.4 海珠區(qū)古樹土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

古樹11個(gè)土壤肥力指標(biāo)的KMO檢驗(yàn)結(jié)果為0.520, Bartlett球形檢驗(yàn)的顯著性系數(shù)為0.00(＜0.05), 說明數(shù)據(jù)適合進(jìn)行主成分分析。特征值表示主成分影響力度大小, 因此將特征值＞1.000 作為主成分個(gè)數(shù)的提取原則。由表4主成分分析結(jié)果可知, 前5個(gè)成分特征值分別為3.166、1.801、1.379、1.068、1.020, 方差貢獻(xiàn)率分別為28.782%、16.370%、12.539%、9.708%、9.269%, 累積貢獻(xiàn)率達(dá)76.668%, 表明5個(gè)主成分涵蓋了原始數(shù)據(jù)信息總量的76.668%, 5個(gè)主成分信息足以代表原始數(shù)據(jù)信息。因此, 將5個(gè)主成分作為綜合變量來評(píng)價(jià)海珠古樹土壤肥力狀況。第1主成分有機(jī)質(zhì)、全N、水解N、有效P、速效K的系數(shù)明顯大于其他指標(biāo), 表明其反映的主要是有機(jī)質(zhì)、全N、水解N、有效P、速效K狀況; 第2主成分EC值、全P(取絕對(duì)值)的系數(shù)較大, 反映的是EC值和全P狀況; 第3主成分反映的是pH; 第4主成分反映的是全K狀況; 第5主成分則反映的是容重和通氣度狀況(表5)?；诠蜃臃讲钋蟪龅臋?quán)重系數(shù)表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)(0.111)＞全K(0.105)＞全N(0.103)＞pH(0.101)＞通氣度(0.097)＞水解N(0.092)＞EC值(0.090)＞全P(0.089)＞有效P(0.080)＞容重(0.065)=速效K(0.065), 表明有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)率最大, 其次為全K和全N含量。

圖1 海珠區(qū)古樹土壤肥力指標(biāo)分布特征

Figure 1 Distribution characteristics of soil fertility indices of ancient trees in Haizhu district

圖2 海珠區(qū)古樹土壤肥力指標(biāo)隸屬度函數(shù)值雷達(dá)圖

Figure 2 Radar pot of membership function values of soil fertility indices of ancient trees in Haizhu district

表4 海珠區(qū)古樹土壤主成分的特征值和貢獻(xiàn)率

土壤肥力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示, 海珠區(qū)古樹土壤肥力綜合得分在0.483—0.924之間, 平均分值為0.793, 其中NO.21榕樹土壤肥力得分最高, NO.19榕樹得分最低(表6)。以5個(gè)主成分得分作為新指標(biāo), 以歐式距離衡量古樹土壤肥力的差異, 將相近土壤肥力水平的樣本進(jìn)行系統(tǒng)聚類[23]。根據(jù)系聚類分析結(jié)果, 將海珠區(qū)古樹土壤肥力分為3個(gè)類型: 第1類包括33個(gè)樣本, 平均土壤肥力綜合得分為0.806, 土壤肥力良好; 第2類為NO.29榕樹, 土壤肥力中等; 第3類為NO.19榕樹, 土壤肥力較差(圖3)。

2.5 海珠區(qū)古樹生長(zhǎng)、土壤指標(biāo)相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果顯示, 古樹株高與土壤EC值相關(guān)性系數(shù)為0.412, 呈顯著正相關(guān)(＜0.05); 胸圍、冠幅與土壤指標(biāo)之間則不存在顯著相關(guān)關(guān)系(＞0.05)。由表7結(jié)果可知, 古樹土壤pH與EC值、水解N分別呈顯著(＜0.05)、極顯著(＜0.01)負(fù)相關(guān), 與容重呈顯著正相關(guān)(＜0.05); EC值與容重、全K分別呈顯著(＜0.05)、極顯著(＜0.01)負(fù)相關(guān), 與有機(jī)質(zhì)、水解N和有效P呈顯著正相關(guān)(＜0.05), 與全P正相關(guān)達(dá)極顯著水平(＜0.01)。從土壤養(yǎng)分指標(biāo)來看, 全N與有機(jī)質(zhì)、水解N、速效K呈極顯著正相關(guān)(＜0.01); 全P與有效P呈極顯著正相關(guān)(＜0.01), 與有機(jī)質(zhì)、全N則呈顯著正相關(guān)(＜0.05); 全K與有機(jī)質(zhì)、全N呈極顯著負(fù)相關(guān)(＜0.01), 與有效P含量呈顯著負(fù)相關(guān)(＜0.05); 水解N與有機(jī)質(zhì)、有效P、速效K呈極顯著正相關(guān)(＜0.01); 有效P與有機(jī)質(zhì)、全N、速效K呈極顯著正相關(guān)(＜0.01); 速效K與有機(jī)質(zhì)正相關(guān)達(dá)顯著水平(＜0.05)。

表5 海珠區(qū)古樹土壤肥力指標(biāo)主成分特征向量

表6 海珠區(qū)古樹土壤肥力綜合得分

圖3 海珠區(qū)古樹土壤肥力系統(tǒng)聚類分析結(jié)果

Figure 3 Hierarchical cluster analysis results of soil fertility of ancient trees in Haizhu district

表7 海珠區(qū)古樹土壤肥力指標(biāo)相關(guān)性分析

注: *表示相關(guān)性顯著(＜0.05), **表示相關(guān)性極顯著(＜0.01)。

3 討論

土壤質(zhì)量是古樹生長(zhǎng)的重要基礎(chǔ)。一般認(rèn)為, 土壤質(zhì)量下降, 在一定程度上不利于古樹健康生長(zhǎng)。例如土壤缺乏有機(jī)質(zhì)、全N、速效P以及滲水性能差、堿性偏大、鈉離子含量偏高等不良因素對(duì)油松古樹長(zhǎng)勢(shì)影響較大[8]。上海市松柏古樹土壤容重和通氣狀況等土壤結(jié)構(gòu)變差, 其根系活力和根系菌根侵染率則降低[4]。鄒瑀琦等[24]發(fā)現(xiàn)北京地區(qū)側(cè)柏古樹健康狀況與土壤礦質(zhì)元素含量有顯著相關(guān)性, 尤其是土壤鋅含量越高古樹健康等級(jí)則越高, 鎂含量增加則健康狀況下降。然而, 有學(xué)者認(rèn)為土壤質(zhì)量不能作為評(píng)價(jià)古樹生長(zhǎng)狀況的關(guān)鍵指標(biāo), 例如不同長(zhǎng)勢(shì)側(cè)柏古樹土壤pH、水分含量、氮、磷、鉀、鈣和鎂的含量差異不顯著[25]。

本研究調(diào)查發(fā)現(xiàn), 海珠區(qū)古樹土壤容重(1.16 g·cm-3)偏大, 說明土壤偏緊實(shí); 土壤EC值整體偏低(＜0.35 mS·cm-1), 全N、水解N含量偏高, 有效P、速效K含量處于中等偏上水平, 全P、全K含量則是處于中等偏下水平。一般認(rèn)為, 土壤EC值低說明土壤養(yǎng)分缺乏, 容易影響植物生長(zhǎng)質(zhì)量[4]。海珠區(qū)古樹土壤EC值與株高呈顯著正相關(guān)(＜0.05), 可見土壤EC值偏低, 在一定程度上不利于古樹株高的增長(zhǎng)。此外, 古樹土壤全P和全K分別有65.71%、40.00%樣本處于低含量水平, 其隸屬度函數(shù)值均明顯低于其他肥力指標(biāo), 表明全P和全K是古樹土壤肥力的限制性因子。土壤全P、全K含量低, 則容易引起土壤磷、鉀素供應(yīng)不足[26]。海珠古樹土壤全P與速效P呈極顯著正相關(guān)(＜0.01), 可見全P含量降低在一定程度上會(huì)阻礙速效P的供應(yīng)。土壤養(yǎng)分供應(yīng)與土壤pH也有密切聯(lián)系, 研究表明土壤pH能夠影響土壤養(yǎng)分元素存在形態(tài)以及土壤微生物活性, 從而影響土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率[27]。陳玉芹等[14]認(rèn)為土壤pH能通過影響礦質(zhì)養(yǎng)分的溶解度來影響?zhàn)B分的有效性, 例如酸性條件下活性較高的鐵、鋁容易與磷發(fā)生作用形成難溶解的鐵磷和鋁磷。然而, 城市綠地土壤受建筑垃圾等堿性物質(zhì)的影響, pH普遍呈堿化趨勢(shì)[10,28], 廣州、上海等城市古樹土壤pH也同樣存在堿性偏大的情況[5,29]。宋路有等[29]發(fā)現(xiàn)古樹土壤速效N、速效P含量隨著pH的增大呈現(xiàn)降低的趨勢(shì), 堿性土壤環(huán)境不利于古樹根系生長(zhǎng)。海珠區(qū)古樹土壤pH(7.26)整體呈中性偏堿, 與土壤EC值、水解N分別呈顯著(＜0.05)、極顯著(＜0.01)負(fù)相關(guān), 表明土壤堿性增大將對(duì)土壤養(yǎng)分尤其是水解N的供應(yīng)產(chǎn)生影響。

土壤有機(jī)質(zhì)是全球碳循環(huán)過程中非常重要的碳源, 也是土壤養(yǎng)分的重要來源, 在改善土壤物理、化學(xué)性質(zhì)方面起著重要作用, 因此土壤有機(jī)質(zhì)被認(rèn)為是土壤肥力質(zhì)量的重要指標(biāo)[30–31]。土壤有機(jī)質(zhì)的形成過程復(fù)雜, 普遍認(rèn)為植物殘?bào)w是土壤有機(jī)質(zhì)的初始來源, 枯枝落葉、根系以及樹穴伴生植物組織等經(jīng)過腐殖化作用和土壤膠體吸附作用轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì), 同時(shí)土壤微生物死亡殘?bào)w對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)的積累也具有重要意義[32]。馮嘉儀等[13]對(duì)不同林分類型的林下土壤肥力進(jìn)行主成分分析, 發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)率最大。本研究中古樹土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富, 其中88.57%樣本處于一級(jí)水平(＞40 g·kg-1), 主成分分析結(jié)果顯示有機(jī)質(zhì)權(quán)重系數(shù)(0.111)最大, 表明有機(jī)質(zhì)在古樹土壤肥力中起重要的作用。此外, 古樹土壤有機(jī)質(zhì)與EC值、全P、速效K呈顯著正相關(guān)(＜0.05), 與全N、水解N、速效P呈極顯著正相關(guān)(＜0.01), 可見土壤有機(jī)質(zhì)與氮、磷、鉀養(yǎng)分供應(yīng)密切相關(guān)。研究表明, 土壤有機(jī)質(zhì)主要靠土壤微生物來分解, 土壤微生物對(duì)養(yǎng)分的礦化和轉(zhuǎn)化推動(dòng)著養(yǎng)分循環(huán)[32]。一方面, 土壤微生物通過生物固氮、氮礦化、硝化、反硝化等氮循環(huán)過程影響土壤氮供應(yīng), 土壤中99%氮素來源于有機(jī)質(zhì); 另一方面, 土壤微生物能夠快速分離植物殘?bào)w和有機(jī)質(zhì)中的磷, 合成占土壤總磷約2%—10%的微生物磷, 滿足植物對(duì)磷的吸收利用[33–34]。由此可知, 在土壤全P、全K含量偏低的情況下, 古樹土壤微生物活動(dòng)能夠通過分解豐富的土壤有機(jī)質(zhì), 釋放出氮、磷元素供給古樹吸收利用。此外, 植物根系分泌活動(dòng)為微生物提供了重要的能源, 其分泌物種類和數(shù)量能夠影響微生物的種類和數(shù)量, 并且對(duì)土壤物理性質(zhì)和酸堿度產(chǎn)生影響[35–36]。古樹隨著樹齡的增長(zhǎng), 根系吸收代謝與分泌活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生變化, 其土壤理化性質(zhì)和微生物群落組成也會(huì)隨之作出響應(yīng)。研究指出, 側(cè)柏的生長(zhǎng)改變了微生物群落和土壤養(yǎng)分組成, 古樹土壤養(yǎng)分含量普遍高于幼樹, 并且土壤微生物群落對(duì)土壤養(yǎng)分變化敏感[37]。陳俊琦[18]則發(fā)現(xiàn)北京市樹齡大于300年的側(cè)柏、油松、白皮松和國(guó)槐古樹土壤理化性質(zhì)較差。因此, 在評(píng)價(jià)土壤肥力指標(biāo)時(shí), 有必要深入分析古樹根系分泌活動(dòng)以及根際土壤微生物群落變化, 為闡釋土壤肥力變化機(jī)制提供依據(jù)。

土壤肥力是土壤各項(xiàng)指標(biāo)的綜合表現(xiàn), 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)方法常常在評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇、評(píng)價(jià)方法確認(rèn)等方面存在差異。古樹土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)是一個(gè)綜合的過程, 目前評(píng)價(jià)指標(biāo)一般以物理性質(zhì)、化學(xué)特性為主。主成分分析在評(píng)價(jià)指標(biāo)較多時(shí)能更有效地提取出對(duì)土壤肥力有重要影響的因素, 因此常用于評(píng)價(jià)不同類型土壤肥力[13]。本研究采用主成分分析法, 對(duì)11項(xiàng)海珠區(qū)古樹土壤肥力指標(biāo)提取了5個(gè)主成分, 涵蓋了76.668%原始信息。第1主成分反映了土壤有機(jī)質(zhì)、全N、水解N、有效P、速效K狀況, 第2主成分反映了土壤EC值和全P狀況, 第3主成分反映了土壤pH, 第4主成分反映了土壤全K狀況, 第5主成分反映了土壤容重和通氣度狀況。對(duì)5個(gè)主成分聚類分析結(jié)果表明, 海珠區(qū)古樹土壤肥力分為3類: NO.29榕樹和NO.19榕樹單獨(dú)聚為一類, 分別為土壤肥力中等(第2類)和較差(第3類); 其余33株古樹聚為一類, 土壤肥力良好(第1類)?？偟膩砜? 海珠區(qū)古樹土壤肥力綜合得分為0.483—0.924, 土壤肥力水平整體良好。然而, 古樹土壤受人為干擾影響較大, 尤其是樹穴被硬質(zhì)鋪裝覆蓋、自身枯枝落葉被過度清理以及缺乏施肥養(yǎng)護(hù)等問題, 均不利于古樹土壤有機(jī)質(zhì)的積累。調(diào)查發(fā)現(xiàn)海珠區(qū)有少數(shù)古樹土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低(＜20 g·kg-1), 其土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分含量也偏低, 建議采取施加有機(jī)改良劑、鋪設(shè)樹穴有機(jī)覆蓋物以及定期補(bǔ)充有機(jī)肥等措施[38–39]提升其土壤有機(jī)質(zhì)含量, 從而提高古樹土壤肥力。

4 結(jié)論

綜上所述, 海珠區(qū)大多數(shù)古樹土壤有機(jī)質(zhì)、全N、水解N、有效P、速效K含量充足, 而土壤EC值、全P、全K含量偏低, 其中全P和全K是影響古樹土壤肥力的限制性因子。古樹土壤pH增大, 不利于土壤養(yǎng)分尤其是水解N的供應(yīng)。此外, 土壤主成分分析提取前5個(gè)成分涵蓋了原始數(shù)據(jù)信息總量的76.668%, 說明主成分分析法用于評(píng)價(jià)古樹土壤肥力具有可行性。有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)率最大, 同時(shí)與土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分供應(yīng)密切相關(guān)。海珠區(qū)古樹土壤肥力整體良好, 但是不同古樹之間土壤肥力存在一定的差異, 聚類分析將古樹土壤肥力分為3類, 其中NO.19榕樹土壤肥力較差(第3類), 需要重點(diǎn)提升土壤肥力。

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Comprehensive evaluation of soil fertility for ancient trees based on principal component analysis

YE Shaoping, LI Ting, ZHANG Juntao*, Cao Fangyi

Guangzhou Institute of Forestry and Landscape Architecture, Guangdong Guangzhou National Urban Forestry Science and Technology Demonstration Park, Guangzhou 510405, China

In this study, the growth status and the soil physical and chemical properties (including soil pH, EC value, bulk density, aeration, organic matter, total N, total P, total K, hydrolyzed N, available P and available K contents) of 40 ancient trees in Haizhu District of Guangzhou Citywere analyzed, and the soil fertilities of ancient trees werecomprehensively evaluated by principal component analysis and cluster analysis. The results showed that the soil EC valuesbelonging to strong variabilityof most ancient trees werelow (<0.35 mS·cm-1); the contents of soil organic matter, total N, hydrolyzed N, available P and available K were sufficient, while 65.71% of soil total P samples and 40.00% of total K samples were at low levels. The membership function values of soil total P and total K were both lower than other indices, indicating that the total P and total K contents were limiting factors affecting soil fertility of ancient trees. Meanwhile, the soil organic matter with the largestweight coefficient (0.111) in principal component analysiswas significantly positively correlated with the EC value, total P and available K (<0.05), and also highly significantly positively correlated with the total N, hydrolyzed N and available P (<0.01), which was evident that the organic matter might play an important role in soil fertility and was closely related to the soil nutrient supply for ancient trees. The comprehensive evaluation score of soil fertility of ancient trees ranged from 0.483 to 0.924, which was divided into three categories by cluster analysis, and the proportion of high soil fertility (the first category) was 94.29%. In conclusion, the soil fertility level of ancient trees in Haizhu District is generally good, and the technical maintenance measures for ancient trees with poor soil fertility should be strengthened.

ancient tree; soil fertility; principal component analysis; cluster analysis; comprehensive evaluation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.01.022

葉少萍, 李鋌, 張俊濤, 等. 基于主成分分析的古樹土壤肥力綜合評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(1): 196–205.

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S714.8

A

1008-8873(2022)01-196-10

2020-10-11;

2020-12-21

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011B020401009; 2013B030700001)

葉少萍(1985—), 女, 碩士, 高級(jí)工程師, 主要從事土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)與修復(fù)改良研究, E-mail: yshp08@163.com

張俊濤, 男, 正高級(jí)工程師, 主要從事土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)與修復(fù)改良研究, E-mail: 350965652@qq.com