基于最小數(shù)據(jù)集的關(guān)帝山典型植被類型土壤質(zhì)量評價

張 垚，白秀梅，郭漢清，楊秀清，亢晨波，劉 洋，馬文碩

（山西農(nóng)業(yè)大學 林學院，山西 太谷 030801）

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其質(zhì)量 狀況是影響森林可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1]。森林土壤質(zhì)量是植被和土壤相互作用的結(jié)果，植物不僅通過根系從土壤中吸收水分和養(yǎng)分，植物還以凋落物的形式對土壤養(yǎng)分進行補充，從而影響土壤性質(zhì)特征[2]。目前，關(guān)于森林土壤質(zhì)量的評價方法很多，如最小數(shù)據(jù)集（MDS）法[3]、層次分析法[4]、灰色關(guān)聯(lián)法[5]和GIS技術(shù)結(jié)合數(shù)學模型[6]等，其中以簡單直觀、定量靈活的最小數(shù)據(jù)集法最為常用。馮瑞琦等[3]采用基于MDS法的線性和非線性評分方法對閩南地區(qū)森林土壤質(zhì)量進行了評價，結(jié)果表明，線性評分方法可更準確地反映天然次生林的土壤質(zhì)量。SHAO等[7]對泰山7種典型植被類型土壤進行評價，結(jié)果表明，土壤持水性、有機質(zhì)和全氮含量是影響該區(qū)域土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因素。另外，采用MDS法進行質(zhì)量評價大多為南方森林土壤，對于北方特別是華北地區(qū)的典型森林土壤鮮有報道。

關(guān)帝山林區(qū)是汾河主要支流文峪河的發(fā)源地，區(qū)內(nèi)現(xiàn)存大面積林相整齊的華北高海拔地帶森林植被，有重要的涵養(yǎng)水源功能和水土保持功能[8]。以往對于關(guān)帝山林地土壤的研究，多集中在土壤理化性質(zhì)方面[9-11]，針對該區(qū)土壤質(zhì)量的研究尚未見報道。

本研究選取關(guān)帝山林區(qū)6種典型植被類型，通過測定林地土壤物理、化學、生物性狀指標，運用主成分分析法，建立土壤質(zhì)量評價MDS體系，對典型植被類型土壤質(zhì)量進行綜合評價并找出關(guān)鍵因子，以期有針對性地為關(guān)帝山林區(qū)土壤質(zhì)量改善提供一定的科學依據(jù)與理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

關(guān)帝山林區(qū)位于山西省西部呂梁山脈中段（111°20′～111°38′E，37°44′～37°58′N），海 拔 為1 600～2 830 m，屬暖溫帶大陸性山地氣候，年平均氣溫4.3℃，年平均降水量822.6 mm。試驗區(qū)內(nèi)森林主要為天然次生林，優(yōu)勢喬木樹種為華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）、油松（Pinustabuliformis）、云杉（包括青扦（Picea w ilsonii）和白扦（Picea meyeriRehd））以及遼東櫟（Quercuswutaishansea）、白樺（Betula platyphylla）、紅樺（Betula albosinensis）和山楊（Populus davidiana）等，林相較為整齊，郁閉 度0.6～0.7，林 齡40～60 a；灌 木 主 要 有 沙 棘（Hippophaerhamnoides）、茶藨子（Ribeskomarovii）、繡線菊（Spiraea salicifolia）等；草本主要有鹿蹄草（Pyrola calliantha）、早 熟 禾（Poa annua）、薹 草（Carexspp）等。

1.2 樣地設(shè)置

試驗樣地基本特征如表1所示。

表1 試驗樣地基本特征Tab.1 Basic characteristics of the test plot

試驗選取關(guān)帝山內(nèi)6種典型植被類型（云杉-華北落葉松針葉混交林（簡稱針葉混交林，Ⅰ）、華北落葉松純林（Ⅱ）、華北落葉松-油松-楊樺針闊混交林（簡稱針闊混交林，Ⅲ）、楊樺闊葉林（Ⅳ）、沙棘灌木林（Ⅴ）、草地（Ⅵ））為研究對象，并在各植被類型內(nèi)選取坡向、坡度基本一致的地段各設(shè)立5個標準樣地。其中，喬木、灌木樣地為20 m×20 m，草地為1 m×1 m，調(diào)查樣地基本特征，并在各樣地內(nèi)隨機選取3個采樣點，共90個采樣點。

1.3 土壤樣品的采集與指標測定

2019—2020年6—9月，分別在各樣地內(nèi)的采樣點劃出20 cm×20 cm小樣方，去除小樣方內(nèi)的草本，測量枯落物層厚度后，帶回實驗室烘干稱質(zhì)量。另外，取各樣方內(nèi)0～20 cm土層土樣，帶回實驗室進行物理、化學和生物指標測定。

土壤容重（BD）和非毛管孔隙度（NCP）采用環(huán)刀法測定；pH值（pH）采用電位法測定；有機質(zhì)（SOM）采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定；全氮（TN）采用半微量凱氏法測定；全磷（TP）采用HClO4-H2SO4鉬銻抗比色法測定；堿解氮（AN）采用堿解擴散法測定；有效磷（AP）采用0.5 mol/L NaHCO3浸提比色法測定；過氧化氫酶活性（CAT）采用高錳酸鉀滴定法測定；磷酸酶活性（PHO）采用磷酸苯二鈉比色法測定；蔗糖酶活性（SUC）采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定；脲酶活性（URE）采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定[12-13]。

1.4 最小數(shù)據(jù)集（MDS）構(gòu)建及土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI）計算

1.4.1 主成分分析法構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集 通過主成分分析（Principal component analysis，PCA）對12項土壤指標進行降維分組，提取特征值≥1的主成分，并選擇指標載荷絕對值≥0.5的為一組，若指標在2個主成分中的載荷量均大于0.5，則將其選入與其他指標相關(guān)性較低的一組。保留各組中Norm值在最高Norm值10%范圍內(nèi)的指標作為最小數(shù)據(jù)集備選指標，若某組中備選指標有多個，則根據(jù)指標的相關(guān)性進一步篩選，若組內(nèi)指標不相關(guān)或負相關(guān)則全部保留，反之則選取Norm值最高的指標納入最小數(shù)據(jù)集[14]。

式中，N ik為第i個指標在前k個主成分上的綜合荷載；U ik為第i個指標在第k個主成分上的荷載；λk為第k個主成分的特征值。

1.4.2 土壤質(zhì)量指數(shù)計算 計算土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI）有3個步驟，首先采用標準評分函數(shù)計算指標得分，其次根據(jù)PCA的公因子方差計算指標權(quán)重，最后通過加權(quán)求和得到土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI）[15-16]。

升型函數(shù)和降型函數(shù)分別如公式（2）、（3）所示。

式中，f(x)為各評價指標的得分；x為各評價指標實測值；U和L分別為各評價指標的最大值和最小值。如非毛管孔隙度、養(yǎng)分含量和酶活性屬于升型函數(shù)；而容重用降型函數(shù)；p H值為酸性時用升型函數(shù)，為堿性時用降型函數(shù)。

式中，W i是各指標的權(quán)重；Ci是各評價指標的公因子方差；n是MDS中包含的指標數(shù)。

式中，fi為各評價指標的得分值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2019進行數(shù)理統(tǒng)計分析；采用SPSS 25.0對數(shù)據(jù)進行主成分分析、方差分析和LSD多重比較；采用Origin 2019b繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型土壤物理、化學和生物學指標統(tǒng)計特征

不同植被類型土壤物理、化學和生物學指標統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 不同植被類型土壤物理、化學和生物學指標統(tǒng)計Tab.2 Statistics of soil physical，chemical and biological indexes of different vegetation types

從表2可以看出，6種植被類型的土壤容重變化范圍為1.23～1.46 g/cm3，大小排序為Ⅵ＞Ⅴ＞Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅳ，其中，Ⅴ、Ⅵ與其余4種植被類型之間差異顯著（P＜0.05）；非毛管孔隙度為12.37%～17.83%，其中，植被類型Ⅰ最大，其次依次為Ⅳ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ，Ⅵ最小，Ⅰ顯著大于Ⅲ、Ⅴ和Ⅵ（P＜0.05）。

6種植被類型的土壤p H值為6.72～7.23，Ⅳ最大，Ⅰ最小，二者間差異顯著（P＜0.05），其他植被類型間差異不顯著。土壤有機質(zhì)19.46～90.03 g/kg，Ⅰ最大，Ⅵ最小，Ⅰ和Ⅱ的有機質(zhì)含量顯著大于Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ（P＜0.05）。土壤全氮含量為0.63～2.80 g/kg，Ⅰ全氮含量最大，Ⅲ最小，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ顯著大于Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ（P＜0.05）。全磷含量為0.96～2.00 g/kg，Ⅰ最大，Ⅲ最小，且二者間差異顯著（P＜0.05），其他植被類型間無顯著差異。堿解氮含量為65.96～233.39 mg/kg，Ⅰ最大，Ⅲ最小，Ⅰ和Ⅱ的堿解氮含量顯著大于Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ（P＜0.05）。有效磷含量為1.22～8.50 mg/kg，Ⅰ的有效磷含量顯著大于Ⅴ、Ⅵ（P＜0.05）。

土壤磷酸酶活性為0.99～2.62 mg/（g·d），Ⅰ最大，Ⅴ最小，Ⅰ和Ⅱ的磷酸酶活性顯著大于Ⅴ（P＜0.05）。蔗糖酶活性為8.63～22.32 mg/（g·d），Ⅰ最大，Ⅴ最小，Ⅰ和Ⅱ的蔗糖酶活性顯著大于Ⅲ、Ⅴ（P＜0.05）。過氧化氫酶和脲酶活性分別為1.44～1.79 mL/g和1.32～2.32 mg/（g·d），過氧化氫酶和脲酶活性在各植被類型間均無顯著差異。

2.2 土壤質(zhì)量評價MDS指標篩選

用主成分分析法對12個土壤質(zhì)量評價指標進行分析，結(jié)果如表3所示，3組特征值大于1的主成分，解釋了研究區(qū)各土壤性質(zhì)指標對土壤質(zhì)量影響的78.175%，每組分別解釋了36.856%、28.789%、18.429%。選擇主成分因子載荷絕對值≥0.5且最大Norm值在10%范圍內(nèi)的指標作為MDS備選指標，其中，第1組包括容重、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、磷酸酶和蔗糖酶；第2組包括非毛管孔隙度、pH值、全磷和有效磷；第3組包括過氧化氫酶和脲酶。

表3 土壤質(zhì)量指標主成分分析結(jié)果Tab.3 Principal component analysis results of soil quality index

根據(jù)指標的Norm值和相關(guān)性分析，第1組堿解氮Norm值最大，而且與其他指標均極顯著相關(guān)，故只保留堿解氮；同樣，第3組保留過氧化氫酶；第2組中全磷Norm值最大，p H值和有效磷與全磷極顯著相關(guān)，非毛管孔隙度與全磷不相關(guān)，故保留全磷和非毛管孔隙度，最終MDS的指標包括堿解氮、全磷、非毛管孔隙度和過氧化氫酶。

2.3 土壤質(zhì)量綜合評價

由圖1可知，6種植被類型的土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI）從大到小排序為：Ⅰ（0.656）＞Ⅱ（0.615）＞Ⅳ（0.521）=Ⅴ（0.521）＞Ⅵ（0.499）＞Ⅲ（0.364）。其中，針葉混交林（Ⅰ）的土壤質(zhì)量指數(shù)最高，針闊混交林（Ⅲ）的土壤質(zhì)量指數(shù)最低。為了更直觀地比較各植被類型的土壤質(zhì)量，將土壤質(zhì)量指數(shù)以0.2為組距分為5個等級，即低（0＜SQI≤0.2）、較低（0.2＜SQI≤0.4）、中（0.4＜SQI≤0.6）、較 高（0.6＜SQI≤0.8）、高（0.8＜SQI＜1.0）[17]。其中，針葉混交林和華北落葉松純林處于較高水平，楊樺闊葉林、沙棘灌木和草地處于中等水平，針闊混交林處于較低水平。進一步分析MDS各指標土壤質(zhì)量指數(shù)平均值可以得出，過氧化氫酶（0.151）＞全磷（0.150）＞非毛管孔隙度（0.133）＞堿解氮（0.098）。其中，針葉混交林和華北落葉松純林的SQI主要受全磷含量影響；而針闊混交林的SQI受過氧化氫酶活性影響較大；楊樺闊葉林（Ⅳ）和沙棘灌木林（Ⅴ）的SQI值相等，但土壤評價指標的貢獻卻不同，全磷對楊樺闊葉林（Ⅳ）SQI的貢獻相對較大，而過氧化氫酶活性對沙棘灌木林（Ⅴ）的SQI影響更大。

為驗證最小數(shù)據(jù)集SQI的準確性，本研究對TDS-SQI與MDS-SQI進行線性擬合（圖2），結(jié)果表明，TDS-SQI與MDS-SQI存在極顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.001），同時，線性擬合方程的R2為0.820，表明所篩選出的土壤質(zhì)量評價MDS指標體系具有較強的代表性，可以較準確地表征研究區(qū)的土壤質(zhì)量。

2.4 海拔與土壤質(zhì)量的回歸分析

已有研究表明，該區(qū)域土壤類型隨海拔呈垂直地帶性分布，降水量隨海拔升高具有明顯增加趨勢[18]，且降水的增加明顯促進了生物多樣性[19]，植被類型由落葉闊葉林和油松為主的針闊混交林逐漸向華北落葉松、云杉針葉混交林演替。為了探究海拔對土壤質(zhì)量的影響，本研究對二者進行回歸，方程為：y=0.000 4x－0.184 3（R2=0.410，P＜0.05，n=90），其中，y為SQI，x為海拔。結(jié)果表明，海拔與土壤質(zhì)量指數(shù)間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，即土壤質(zhì)量隨海拔的升高而增加。

3 討論

3.1 土壤理化和生物性質(zhì)差異

研究區(qū)不同植被類型的土壤物理性質(zhì)有很大差異。各喬木植被類型的土壤容重和非毛管孔隙度均優(yōu)于沙棘灌木林和草地，這是由于喬木根系較豐富且根系活動頻繁，導致其土壤結(jié)構(gòu)較為疏松，通氣性較好。針葉混交林和華北落葉松純林的p H低于其他植被類型，這可能與所處的海拔高度較高及凋落物積累較多有關(guān)，微生物腐化分解后產(chǎn)生大量的有機酸，而且在較高海拔處強烈的淋溶作用導致土壤酸度增加[20]。土壤全磷和速效磷的變化與李潔等[21]對不同植被類型土壤肥力性狀的研究結(jié)果不同，這可能是由于研究區(qū)針葉混交林和華北落葉松林土壤磷酸酶活性較高，磷素轉(zhuǎn)化效率高，使得全磷和有效磷含量高于其他植被類型。本研究結(jié)果表明，3種水解酶活性（磷酸酶、脲酶、蔗糖酶）均為針葉混交林最高，說明該類型林地土壤有效磷的礦化速率最快，土壤堿解氮的轉(zhuǎn)化速度也最快，磷素和氮素供應(yīng)狀況好，而且提供碳源的能力比較強，這與薛文悅[22]對北京山地森林土壤酶活性特征的研究結(jié)果相類似?？傮w來看，研究區(qū)針葉混交林的土壤理化性質(zhì)和生物性質(zhì)優(yōu)于其他植被類型。

3.2 MDS指標篩選

通過主成分分析及各指標的Norm值篩選出MDS指標包括非毛管孔隙度、堿解氮、全磷和過氧化氫酶，其包含了土壤通氣性、養(yǎng)分和生物學性質(zhì)3個方面的指標，能較為全面、客觀地評價關(guān)帝山典型植被類型土壤質(zhì)量。而在馮瑞琦等[3]、劉昊等[23]對閩南、湖南森林土壤進行質(zhì)量評價時選用了土壤容重、總孔隙度、有機質(zhì)、全磷和全鉀等指標，這與本研究篩選出的指標不盡相同，主要是由于紅壤土黏重易板結(jié)不利于土壤通氣透水[24]，且土壤中磷素、鉀素較為缺乏[3]，而本研究區(qū)土壤主要為山地褐土和棕壤土，土壤質(zhì)地較好，土壤非毛管孔隙度能較為直觀真實地表征土壤的物理結(jié)構(gòu)性質(zhì)；本研究區(qū)土壤質(zhì)量較差的林分全磷和堿解氮含量均較缺乏，而且在針葉混交林和華北落葉松純林，全磷含量是主要的影響因子。此外，過氧化氫酶入選了本研究區(qū)的MDS，說明本研究區(qū)域土壤質(zhì)量的主要影響因素除了全磷、堿解氮、非毛管孔隙度之外，土壤呼吸作用和微生物生命活動對土壤質(zhì)量也有顯著影響，這可能與研究區(qū)海拔跨度較大影響土壤呼吸作用和微生物生命活動有關(guān)。

3.3 土壤質(zhì)量評價

研究區(qū)針葉林的凋落物較多，且凋落的針葉密集地覆蓋在土壤表面，形成較為密閉的環(huán)境，有利于養(yǎng)分積累和酶促反應(yīng)進行[21]，使土壤具有較好的通氣性和較高的養(yǎng)分含量，因此，針葉林土壤質(zhì)量高于其他植被類型。楊樺闊葉林的凋落物多為易分解的軟質(zhì)枯落物[25]，有利于植物養(yǎng)分吸收而不利于土壤養(yǎng)分積累，導致該林地土壤質(zhì)量低于針葉林。沙棘灌木林的土壤質(zhì)量與楊樺闊葉林處同一水平，由于沙棘密度較大，根系伸展范圍較廣，利于共生固氮和難溶性養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，而且較高的過氧化氫酶活性也表明該林地土壤呼吸作用和微生物活動較強烈。

本研究中針闊混交林土壤物理性質(zhì)及養(yǎng)分肥力狀況均低于其他植被類型，這與白秀梅等[26]和劉欣等[27]的研究結(jié)果不一致。進一步分析認為，該植被類型下枯落物較薄，且該混交林中油松植株占35%～50%，而油松凋落物具有較高的木質(zhì)素含量和較高的C/N和C/P，阻礙了微生物的腐化，影響了土壤有機質(zhì)有效的積累[28]。另外，該植被類型土壤4種酶活性較低，反映出土壤中有機物質(zhì)分解速率緩慢，進而導致了氮素、磷素積累不足，因此，該植被類型應(yīng)適當施加氮肥、磷肥提高土壤質(zhì)量。

3.4 土壤質(zhì)量與海拔的關(guān)系

本研究表明，林地土壤質(zhì)量隨海拔升高而增加。SHAO等[7]和ZHANG等[29]對不同海拔林地土壤質(zhì)量及有機碳的研究發(fā)現(xiàn)，森林植被群落隨海拔呈現(xiàn)垂直地帶性分布，植被的變化導致了不同的凋落量和凋落物類型[30]。低溫和高降水共同導致海拔較高地區(qū)凋落物分解速率降低、有機碳積累和土壤質(zhì)量提高，這與本研究結(jié)果一致。由于本研究主要基于不同植被類型土壤的理化和生物性質(zhì)，有關(guān)土壤質(zhì)量在時間上的變化并未涉及，因此，今后的研究中應(yīng)設(shè)立長期試驗點監(jiān)測土壤質(zhì)量在時間尺度上的演變特征。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，不同植被類型土壤理化和生物性質(zhì)存在一定差異，針葉混交林的土壤理化和生物性質(zhì)均較優(yōu)，針闊混交林的土壤理化性質(zhì)狀況較差。本研究篩選出土壤全磷、堿解氮、非毛管孔隙度和過氧化氫酶構(gòu)成MDS體系，其中，過氧化氫酶和全磷為影響關(guān)帝山林區(qū)土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因子。不同植被類型的土壤質(zhì)量差異顯著，云杉-華北落葉松針葉混交林＞華北落葉松純林＞楊樺闊葉林=沙棘灌木林＞草地＞華北落葉松-油松-楊樺針闊混交林，總體來看，各林分土壤質(zhì)量大多處于中等及以上水平。海拔與土壤質(zhì)量指數(shù)間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，海拔高度是影響關(guān)帝山林區(qū)土壤質(zhì)量的潛在環(huán)境限制因子。