基于主成分分析法的廣西人工林土壤肥力評價

譚潤男，安 冰，陳虎，陸星任

(1.廣西國有派陽山林場, 廣西 寧明 532500；2.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院國家林業(yè)局馬尾松工程技術(shù)研究中心，廣西馬尾松工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530002；3.廣西華沃特集團股份有限公司，廣西 南寧 530000)

1 引言

保護利用好林地土壤，使之健康、可持續(xù)經(jīng)營與發(fā)展，是確保林業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，變綠水青山為金山銀山的重要手段[1]。廣西人工林面積居全國首位，占全國1/10的面積、產(chǎn)出全國45%的木材，是為數(shù)不多人工林面積與蓄積量雙增長的林業(yè)大省，有著金不換的生態(tài)優(yōu)勢[2，3]。但大面積人工林、速生林培育、不合理使用農(nóng)藥化肥，會導(dǎo)致林地土壤酸化、沙化、退化、污染和地力逐年下降，林地生產(chǎn)力力難以維持的嚴重后果[4，5]。35年來，在廣西林業(yè)蓬勃發(fā)展的同時，林地土壤是否實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展？通過土壤監(jiān)測與評價，指導(dǎo)和服務(wù)人工林經(jīng)營，是迫在眉睫的研究課題。

目前，應(yīng)用在地土壤肥力評價方法有很多，其中應(yīng)用較為廣泛的有灰色關(guān)聯(lián)度法、主成分分析和內(nèi)梅羅指數(shù)等方法[6]。其中主成分分析是一種合理、實用、科學(xué)的土壤肥力評價方法，優(yōu)勢為客觀確定變量權(quán)數(shù)，避免主觀隨意性[7]。本研究根據(jù)森林氣候和土壤類型分布，將全區(qū)土壤劃分為的7個區(qū)域，采用主成分分析，利用1983～2020年廣西人工林土壤數(shù)據(jù)庫中的土壤調(diào)查數(shù)據(jù)，評價各區(qū)域土壤綜合肥力，為人工林精準施肥提供數(shù)據(jù)支撐，為全區(qū)尤其是直屬13家大型國有林場合理利用林地資源、充分發(fā)揮地區(qū)資源優(yōu)勢提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

試驗現(xiàn)狀土壤數(shù)據(jù)為2016～2020年的廣西人工林土壤數(shù)據(jù)，共650個樣點，8000個養(yǎng)分指標；對比歷史數(shù)據(jù)從廣西林用新型肥料研發(fā)中心土壤數(shù)據(jù)庫中收集，采用1983～2013年30年間的廣西人工林土壤數(shù)據(jù)，共34000個樣點，410000個養(yǎng)分指標。

廣西土壤類型數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院南京土壤研究所提供。

2.2 土壤評價和區(qū)劃方法

根據(jù)全國第二次土壤普查分類系統(tǒng)，評價全區(qū)人工林土壤肥力。對全區(qū)土壤進行區(qū)劃，原則以森林氣候類型相對一致性為主，土壤類型相對一致性為輔，和石媛媛研究方法一致[2]，區(qū)劃后采用主成分分析法定級評價。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel和SPSS17.0 軟件分析數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 廣西林地土壤主要類型

根據(jù)廣西第二次土壤普查的結(jié)果，廣西土壤分18類、34亞類，共計109土屬、327土種。其中磚紅壤、紅壤和赤紅壤是面積前3的類型，在林業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，廣西主要土壤類型見表1。

自治區(qū)直屬林場是廣西生態(tài)建設(shè)中堅力量，廣西13家直屬林場森林面積49.23萬hm2，占森林總面積33.56%，活立木蓄積量1980.7萬m3，占總數(shù)34.86%[8]。分布圖可見13家直屬林場類屬不同土壤類型，森林營林和精準施肥應(yīng)采取相對應(yīng)的模式。

3.2 廣西人工林土壤養(yǎng)分

根據(jù)全國土壤養(yǎng)分含量分級標準，分析2016～2020年廣西人工林土壤養(yǎng)分，結(jié)果表明(表2)廣西人工林土壤pH平均值為4. 41，屬強酸性土壤；有機質(zhì)含量31.24 g/kg，屬二級水平；堿解氮含量137.73 mg/kg，屬二級水平；有效磷含量1.89 mg/kg，屬六級水平；速效鉀含量60.65 mg/kg，屬四級水平。有效鐵一級水平，有效鋅二級水平，有效銅和錳三級水平，有效硼四級水平，交換性鈣和鎂五級水平。其中交換性鈣、有效鐵、堿解氮和交換性鎂變異性大，全區(qū)分布不均，這與其他研究結(jié)果一致[2,9,10]。

3.3 廣西森林氣候因子評價

以森林氣候類型相對一致性為主，土壤類型相對一致性為輔的原則，參照石媛媛研究方法[2]，將全區(qū)分為7個區(qū)，分別為北熱帶季雨林赤紅壤西區(qū)和東區(qū)、南亞熱帶常綠闊葉林紅壤區(qū)、赤紅壤區(qū)和石灰(巖)土區(qū)、中亞熱帶常綠闊葉林紅壤西區(qū)和東區(qū)。

按照區(qū)劃分別提取氣象因子(表3)，結(jié)果表明森林氣象因子經(jīng)向分界線，與年均降雨量變化趨勢線基本一致，均呈現(xiàn)南高北低，低海拔區(qū)域高、高海拔區(qū)域低的趨勢。

表3 廣西森林分區(qū)氣候因子情況

3.4 廣西人工林土壤肥力區(qū)域化評價

根據(jù)廣西人工林土壤肥力區(qū)劃，分別提取各分區(qū)近5年(2016～2020年)主要土壤養(yǎng)分均值，對比同區(qū)歷史(1983～2013年)進行分析(表4)。利用巴特利特Bartlett進行檢驗(表5)，KMO值為0.795，表明該數(shù)據(jù)比較適合主成分分析。相關(guān)性分析表明(表6)，各養(yǎng)分存在顯著的正負相關(guān)性。有機質(zhì)、堿解氮和有效磷間相關(guān)系數(shù)均大于0.8，說明這3個養(yǎng)分指標間有極大的相關(guān)性，pH值與其他指標呈負相關(guān)。

表4 廣西人工林肥力分區(qū)主要土壤養(yǎng)分含量平均值對比

表5 KMO及Bartlett球形度檢驗結(jié)果

表6 各指標相關(guān)系數(shù)矩陣

主成分分析將多個變量化解為幾個變量，通過降維，增加各指標間獨立性[11]。各主成分分數(shù)系數(shù)見表7，按照特征值>1為提取主成分最有利的原則，提取的兩個主成分特征根λ1=3.167、λ2=1.357，方差貢獻率為63.338%和27.138%，累積貢獻率90.476%，說明提取的2個主成分包括了原始數(shù)據(jù)90.476%的信息，可以代表原始數(shù)據(jù)信息。主成分載荷值旋轉(zhuǎn)計算分析所得的各變量在相應(yīng)主成分上的因子負荷，成分貢獻系數(shù)矩陣見表8，各主成分的線性函數(shù)表達式如下：

表7 解釋的總方差

表8 主成分分析表及各主成分得分

F1=-0.186X1+0.295X2+0.294X3+0.300X4+0.131X5

(1)

F2=0.557X1-0.013X2+0.136X3-0.540X4+0.637X5

(2)

將標準化處理的土壤養(yǎng)分指標數(shù)據(jù)代入式(1)、(2)，計算各區(qū)域得分，再根據(jù)公式(3)獲得函數(shù)表達式，計算求得綜合得分F綜(表9)。

公式：F=ΣzjFj=z1F1+z2F2+z3F3+…+zkFk(z為貢獻率)

(3)

表達式：F綜=0.63338F1+0.27138F2

(4)

從表9可見，廣西人工林各分區(qū)土壤pH值比歷史均有不同程度的下降，有機質(zhì)均為上升，其中南亞熱帶赤紅壤區(qū)有機質(zhì)含量上升比例最高達59.63%。堿解氮和有效磷、速效鉀(除紅壤東區(qū))均比歷史上升，其中南亞熱帶赤紅壤區(qū)堿解氮含量上升比例最高達103.89%，速效鉀含量赤紅壤東、西區(qū)分別上升106.89%和121.68%。

表9 不同區(qū)域土壤養(yǎng)分主成分得分及綜合得分

4 討論與結(jié)論

從研究結(jié)果來看，近5年(2016～2020年)與歷史30年(1983～2013年)對照，全區(qū)土壤肥力有效提升，各分區(qū)土壤養(yǎng)分主成分綜合排名紅壤東區(qū)和西區(qū)均排第一和第二，赤紅壤西區(qū)末尾。其他區(qū)域有所變化，南亞熱帶赤紅壤區(qū)土壤肥力上升最大。 這說明可持續(xù)經(jīng)營和發(fā)展人工林，采用測土肥配方和精準施肥模式，可有效提升林地生產(chǎn)力，本文結(jié)果與其他研究一致[12～14]。

廣西赤紅壤東區(qū)特點為高溫、高濕、高酸、中肥，赤紅壤西區(qū)則高溫、少雨、少肥，南亞熱帶赤紅壤區(qū)為高溫、高酸、中肥，半濕潤紅壤區(qū)表現(xiàn)出低溫、少雨、低酸、低肥，石灰(巖)土區(qū)各指標均相對中等，紅壤東、西區(qū)屬低溫、高肥，與其他研究得到類似結(jié)果[2]。針對肥力特征和氣候條件，合理經(jīng)營人工林，開展針對性的肥料研發(fā)，改進不同樹種肥料配方，是促進區(qū)直林場乃至全區(qū)林業(yè)施肥方式轉(zhuǎn)變，提升科學(xué)施肥水平，提高林地生產(chǎn)力和可持續(xù)發(fā)展能力的有效手段[15～19]。