基于PCA- TOPSIS的沙地不同林齡榆樹土壤養(yǎng)分評價

李俊杰，李鋼鐵?，麻云霞，張月欣，胡 博，張金旺，王月林

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，010020，呼和浩特；2.內(nèi)蒙古通遼市林業(yè)研究所，028000，內(nèi)蒙古通遼；3.內(nèi)蒙古林業(yè)和草原種苗總站，010051，呼和浩特)

科爾沁沙地是國家生態(tài)環(huán)境重點建設(shè)區(qū)域，屬典型生態(tài)脆弱區(qū)。近年來該區(qū)域沙地風(fēng)蝕沙化和水土流失嚴(yán)重。榆樹林是沙地中最穩(wěn)定的植被類型。它不僅是沙地植被演替的頂極群落，也是最適合當(dāng)?shù)貧夂驐l件的生態(tài)樹種。然而，隨著榆林年齡的增長和林分生長達(dá)到一定階段，由于土壤水分、養(yǎng)分等因素的限制，部分榆樹林生態(tài)功能退化和低效的問題也日益突出。現(xiàn)階段沙地植被恢復(fù)與生態(tài)重建的重點放在現(xiàn)有人工林的管理上，土壤養(yǎng)分的綜合水平和作物養(yǎng)分精準(zhǔn)管理息息相關(guān)[1]。近年來，有關(guān)林下不同林齡土壤養(yǎng)分的研究大多集中于養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)短期變化[2]、有機(jī)碳與其他元素的關(guān)系[3]、影響土壤肥力的主要因子[4]等方面。已有的研究大多集中于某些指標(biāo)數(shù)值和關(guān)系的短期變化情況，而系統(tǒng)地對不同林齡榆樹養(yǎng)分進(jìn)行綜合評價的較少。目前關(guān)于分析和評價方法大多以主成分和方差分析為主，對于土壤養(yǎng)分評價方式過于單一，難以避免冗余的賦值干預(yù)。對于植物土壤養(yǎng)分評價大多以2種分析方法相結(jié)合[5-7]，找出權(quán)重較大的區(qū)域、養(yǎng)分和系數(shù)等因子作為主要評價因素，而忽略指標(biāo)在不同環(huán)境不同變量下差異數(shù)據(jù)，這會影響到最終的評價結(jié)果。筆者選擇PCA- TOPSIS(主成分分析法- 優(yōu)劣解距離法)評價體系，其中主成分分析法先將數(shù)據(jù)集進(jìn)行降維分析，降維后的數(shù)據(jù)在解決大量不同類型數(shù)據(jù)集評價問題上有顯著成效，結(jié)合TOPSIS(優(yōu)劣解距離法)進(jìn)一步探討并評價出在不同林齡土壤養(yǎng)分的動態(tài)得分值，進(jìn)而篩選出沙地適地適齡的養(yǎng)分指標(biāo)，為榆樹林撫育與管理與和沙地土壤生態(tài)恢復(fù)提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

調(diào)查樣地位于內(nèi)蒙古赤峰市翁牛特旗烏丹鎮(zhèn)新河林場，地處E 117°49′～120°43′，N 42°26′～43°25′之間。翁牛特旗年平均氣溫6.4 ℃，全年降水量370 mm，夏季降水量占全年降水總量的75%。年日照時間為2 850～3 000 h。無霜期90～140 d。土壤類型為沙質(zhì)栗鈣土，土層厚度為60～100 cm。林場采取常規(guī)化管理，在每年在4月和7月集中以漫灌方式進(jìn)行2次澆水；每年9月給土壤施1次肥，肥料以速效復(fù)合肥為主，增加樹體越冬前養(yǎng)分積累。主要林下植被有草麻黃(Ephedrasinica)、甘草(Glycyrrhizauralensis)、蒺藜(Tribulusterrestris)等[8]。

2 研究方法

2.1 樣品采集與處理

2020年8月在內(nèi)蒙古赤峰市翁牛特旗林草局新河林場選取3種不同林齡(18，26，32 a)榆樹作為研究對象，按照每個林齡設(shè)置3塊20 m×20 m的樣地，共9塊樣地。每塊樣地隨機(jī)選取長勢均勻的5株榆樹。測量并記錄各樣地的立地條件等基本特征，進(jìn)行每木檢尺，記錄喬木的胸徑、樹高等基本信息(圖1)。在試驗區(qū)9塊樣地內(nèi)，每塊樣地按照“S”型布點法設(shè)置5個取樣點，盡量采集遠(yuǎn)離施肥點的樣本，鉆取土層深度為0～10、10～20和20～40 cm的土樣。將5個點的土壤樣本混合，去除石塊、根系等雜質(zhì)，將土樣充分混合后，裝入自封袋寫上編號帶回實驗室做后續(xù)處理，等量分為4份備用。

2.2 土壤測定方法

土壤養(yǎng)分測定：土壤全氮采用凱氏法消解，借助AA3型連續(xù)流動分析儀測定；土壤全磷的測定采用H2SO4-HClO4消解；有效磷采用NaHCO3浸提- 鉬銻抗比色法；速效氮采用堿解擴(kuò)散法；速效鉀采用NH4OAC浸提- 火焰光度法；土壤有機(jī)碳測定用外加熱—重鉻酸鉀容量法，多酚氧化酶活性采用鄰苯三酚酶促比色法；纖維素酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；土壤硝酸還原酶活性采用酚二磺酸比色法測定[9-10]。

2.3 PCA- TOPSIS主成分熵權(quán)模型

單一的TOPSIS分析方法主要依靠指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行判斷，結(jié)果受人為判斷影響較大。PCA- TOPSIS評價基于主成分分析法和熵權(quán)法結(jié)合，主成分分析法對數(shù)據(jù)集進(jìn)行降維分析。熵權(quán)法根據(jù)評價對象指標(biāo)的數(shù)值來確定每個指標(biāo)所占的權(quán)重，從而對評價對象的數(shù)值距離理想目標(biāo)的接近度進(jìn)行排序。綜上所述筆者利用PCA- TOPSIS的方法對不同林齡下榆樹土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行評價，數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重和信息熵的計算，最后計算土壤養(yǎng)分綜合評價指數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)和圖表使用Excel 2019整理；使用SPSS 26.0標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)；MATLAB R 2017b建立熵權(quán)法模型；Visual Basic解析評價數(shù)據(jù)，各指標(biāo)圖利用Origin 2021和Excel 2019繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林齡榆樹林分生長特征

不同林齡榆樹林平均胸徑、樹高和冠幅隨著林齡的變化如圖1所示。隨著林齡的增大，榆樹林平均胸徑和樹高逐漸增大，在18 a平均胸徑(18.29 cm)和平均樹高(3.87 m)最小，在32 a平均胸徑(23.06)和樹高(6.85 m)最大。而平均冠幅在26 a處最大，為7.05 m，榆樹林平均冠幅隨著林齡呈先增大后減小的趨勢。

同一指標(biāo)不同小寫字母表示不同林齡間差異顯著(P<0.05)，圖4和圖5同。The same index with different lowercase letters indicates significant difference among different ages of stands (P<0. 05). DBH: Diameter at breast height, cm; the same in Fig.4 and Fig.5. 圖1 不同林齡榆樹林生長特征Fig.1 Growth characteristics of elm forests of different stand ages

3.2 不同林齡榆樹林土壤養(yǎng)分質(zhì)量情況

3.2.1 土壤速效氮、速效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化 不同林齡榆樹林土壤速效氮、磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨林齡的變化如圖2所示。土壤速效氮、磷隨著土層深度增加逐漸降低，其中速效氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 0～10 cm下表現(xiàn)為26 a>32 a>18 a，在26 a 處達(dá)到最大值為9.66 mg/kg，10～20 cm下18 a>32 a>26 a；20～40 cm下26 a>18 a>32 a。速效磷的不同林齡質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為13.02～13.20；在20～40 cm處最低。土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加呈上升趨勢，在20～40 cm達(dá)到最大值為72.24 mg/kg，0～10 cm下最小為33.77 mg/kg,32 a>26 a>18 a，10～20 cm下18 a>32 a>26 a。

AN: Content of available nitrogen, mg/kg. AP: Content of available phosphorus, mg/kg. AK: Content of available potassium, mg/kg. The same below. 圖2 不同林齡土壤速效指標(biāo)變化Fig.2 Changes of soil available indexes at different stand ages

3.2.2 土壤全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)和pH的變化 由圖3可知，全氮平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～10 cm土層，為32 a達(dá)到最大值0.79 g/kg；10～20 cm土層在26 a達(dá)到最大值0.84 g/kg；20～40 cm土層在32 a達(dá)到最大值0.89 g/kg。全磷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～10 cm土層為26 a達(dá)到最大值，約為18 a的1.4倍；10～20 cm土層在26 a達(dá)到最大值為0.26 g/kg；20～40 cm土層在32 a達(dá)到最大值為0.25 g/kg，約為18 a的2.27倍。土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～10 cm土層為32 a達(dá)到最大值7.14 g/kg，10～20 cm土層在32 a達(dá)到最大值11.79 g/kg，20～40 cm土層深度下在32 a達(dá)到最大值16.13 g/kg，土壤pH值在0～10 cm土層為26 a達(dá)到最大值7.72，10～20 cm土層在32 a達(dá)到最大值7.48；20～40 cm土層在32 a達(dá)到最大值7.51。

同一指標(biāo)不同林齡間不同大寫字母代表差異極顯著(P<0.01)，不同小寫字母代表差異顯著(P<0.05)，下同。For the same index, the differente of upper case letters between different ages of stands was extremely significant (P<0.01), and the diffence of lower case letters was significant (P<0.05). TN: Content of total nitrogen; TP: content of total phosphorus; SOC: content of soil organic metter. The same below. 圖3 不同林齡全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)和pH的變化Fig.3 Changes of TN, TP, SOC and pH in different stand ages

3.2.3 土壤酶活性變化情況 如圖4所示，土壤多酚氧化酶活性在26 a林齡下要遠(yuǎn)高于另2個林齡，在0～10 cm土層，酶活性都>0.5 mg，26 a林齡遠(yuǎn)高于其他林齡樣地。在10～20 cm土層，所有酶活性均>0.7 mg，其中26 a、32 a林齡樣地遠(yuǎn)高于18 a 林齡樣地。在20～40 cm土層酶活性均有不同程度的增長，其中26 a林齡下最高可達(dá)2.49 mg。土壤纖維素酶活性32 a林齡下要高于另2個林齡，在0～10 cm土層，32 a林齡樣地酶活性最高為25 mg， 遠(yuǎn)高于另2個林齡。20～30 cm土層下，26 a 林齡增長較為穩(wěn)定，20～40 cm土層下，18 a林齡酶活性遠(yuǎn)高于另2個林齡。土壤硝酸還原酶活性在32 a林齡下各土層深度均高于另2個林齡，32 a 林齡下各土層酶活性均≥0.6 mg，遠(yuǎn)高于另2個林齡。

PPO: Ployphenol oxidase; CEL: Cellulase; NR: Nitratase. The same below. 圖4 不同林齡榆樹林土壤酶活性變化Fig.4 Changes of soil enzyme activity in elm forests of different stand ages

3.3 不同林齡榆樹林土壤質(zhì)量指數(shù)

3.3.1 最小數(shù)據(jù)集(minimum data set，MDS)指標(biāo) 特征值和貢獻(xiàn)率是主成分分析判斷和篩選的主要依據(jù)，運(yùn)用主成分PCA法對0～20 cm土層深度下的10個土壤化學(xué)計量指標(biāo)以及3個植物長勢指標(biāo)取平均值進(jìn)行PCA分析(表1)。由表2可知，特征值>1的主成分有3個，前3個主成分累積貢獻(xiàn)率86.745%,>85%，說明前3個主成分可以很好地代表其他各主成分?jǐn)?shù)據(jù)，亦可很好地反映不同林齡之間的相關(guān)信息，綜上選擇速效鉀、速效氮、多酚氧化酶3個指標(biāo)入選MDS，作為不同林齡榆樹林的綜合評價指標(biāo)。

表1 主成分提取分析

表2 主成分因子旋轉(zhuǎn)載荷矩陣、特征值與方差貢獻(xiàn)率

3.3.2 土壤養(yǎng)分質(zhì)量TOPSIS得分 通過加權(quán)TOPSIS計算入選MDS的養(yǎng)分指標(biāo)和植物長勢指標(biāo)，計算結(jié)果評分Ci如圖5所示。土壤速效氮、速效鉀、多酚氧化酶三者PCA累計貢獻(xiàn)率均>0.9，說明其對土壤質(zhì)量發(fā)揮正效應(yīng)，屬于越多越好指標(biāo)。土壤速效氮得分在Z處理(26 a)下最高為1，其次是Y處理(18 a)，為0.467。土壤速效鉀得分最高值落在C處理(32 a)中，為0.84；土壤多酚氧化酶得分最高值為Z處理(1)其次為C處理(0.645)，最低值為Y處理(0.159)。評分結(jié)果結(jié)合榆樹林長勢評分(圖1)與榆樹林長勢指標(biāo)做回歸分析(表3)，速效鉀回歸模型通過F檢驗(F=941.707，P<0.05)，R2=0.998，速效鉀Topsis得分可代表99.8%的長勢指標(biāo)，也即說明樹高、胸徑、冠幅至少有一項可與速效鉀產(chǎn)生關(guān)系。速效氮線性回歸通過F檢驗(F=398.629，P<0.05)，R2=0.996，速效氮TOPSIS得分可代表99.6%的長勢指標(biāo)，說明速效氮是僅次于速效鉀的養(yǎng)分因子。多酚氧化酶R2=0.990，與生長因子回歸擬合度較高，評分值驗證后較為可靠，亦可作為榆樹林土壤正效應(yīng)指標(biāo)。

圖5 不同林齡榆樹土壤最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)的熵權(quán)Ci得分值Fig.5 TOPSIS Ci score of soil minimum dataset index of different forest ages

表3 土壤養(yǎng)分評分線性回歸

4 結(jié)論

1)土壤速效氮磷隨著土層深度增加逐漸減小，在中林齡出現(xiàn)最大值，隨著林齡增大其指標(biāo)逐漸下降。土壤全氮、全磷含量隨著林齡的增大呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。土壤有機(jī)碳含量隨林齡的增大逐漸增高，土壤3種酶的活性隨林齡的增大均呈上升趨勢，但多酚氧化酶和纖維素酶活性最大值均出現(xiàn)在中林齡。

2)通過主成分篩選得出土壤速效氮、速效鉀、多酚氧化酶共3個指標(biāo)共同進(jìn)入MDS最小數(shù)據(jù)集，代表了總成分86.745%的信息。借助主成分最小數(shù)據(jù)集計算加權(quán)TOPSIS不同林齡樣地種植模式下土壤養(yǎng)分的綜合得分，速效氮和多酚氧化酶得分在中林齡處達(dá)到峰值后降低，速效鉀得分隨林齡逐漸增高。

3)建議當(dāng)?shù)貙⑺傩У鳛橛g及成熟林階段重點投入指標(biāo)，針對性的提高氮素比例，以保證后期氮素流失；在不同林齡階段適當(dāng)控制或調(diào)整鉀肥施用比例，進(jìn)一步促進(jìn)土壤酶活性提高，以更好地改善當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)量，為榆樹林可持續(xù)培育提供理論指導(dǎo)。

5 討論

土壤速效氮磷隨著土層深度增加逐漸減小，隨著林齡增大其指標(biāo)逐漸下降。而速效鉀隨著土層深度增加有上升趨勢，并在26 a處達(dá)到最大值。趙丹陽等[11]在其對不同林齡刺槐林養(yǎng)分變化特征研究中速效土壤養(yǎng)分隨林齡和深度的變化趨勢也如此；但對于速效鉀隨深度變化增大，出現(xiàn)這種結(jié)果的原因筆者經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)這與林場施肥鉀含量比例偏高有一定關(guān)系。土壤全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著林齡的增大呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，通過楊曉娟等[4]對不同林齡長白落葉松人工林土壤氮素及磷素的描述統(tǒng)計的變異系數(shù)的研究中也印證這一點。另外各林齡下土壤氮素含量漲幅要高于磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均<0.3 g/kg，結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況推測其一是因為沙地風(fēng)沙土土壤淋溶較為嚴(yán)重，其二是統(tǒng)一施肥管理一般以氮肥和尿素為主，磷含量較低。結(jié)合熵權(quán)法評價結(jié)果和楊霞等[2]對成熟油松的養(yǎng)分調(diào)查結(jié)果，推測磷素也為保證土壤質(zhì)量的首要指標(biāo)，應(yīng)針對性的施用含磷化肥以保證榆樹正常生長。

然而土壤有機(jī)碳含量隨林齡的增大逐漸增高，這與上述研究中有機(jī)碳的變化趨勢稍有不同，以往學(xué)者研究所選的林地密度較大，成熟林中大量的枯落物歸還給土壤，達(dá)到一定程度后養(yǎng)分吸收減緩，有下降趨勢。但進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，也有部分學(xué)者通過試驗發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳的變化隨林齡增大而增大[12-13]，與筆者研究結(jié)果相一致，綜上筆者推測有機(jī)碳含量變化趨勢會受到試驗地土壤和樹種年齡等自然因素影響，導(dǎo)致其出現(xiàn)多種不同變化曲線的情況。土壤3種酶的活性隨林齡的增大均呈上升趨勢，但多酚氧化酶和纖維素酶活性最大值均出現(xiàn)在中林齡，這與牛小云等[14]對油松林齡與酶活性的研究結(jié)果相一致。與之不同的是硝酸還原酶活性隨林齡逐漸增大在成熟林中達(dá)到峰值。針對硝酸還原酶活性變化與上述稍有不同，進(jìn)一步分析可知硝酸還原酶活性主要與氮素循環(huán)有關(guān)，枯落物在表層不斷積累，進(jìn)一步推動硝酸還原酶活性的升高。

筆者引入TOPSIS和主成分分析相結(jié)合的方法對沙地土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合評價，為沙地土壤適地適樹提供理論依據(jù)。這種方法克服單一評價模型容易受多指標(biāo)影響的問題，同時減少大量冗余的數(shù)據(jù)分析，為沙地土壤適地適樹生態(tài)恢復(fù)提供了一個理論方向，該分析模型在其他土壤養(yǎng)分質(zhì)量評價中同樣可用。但是由于本研究中以取樣和土壤調(diào)查為主，容易受氣候和降水等因素影響，在人工種植榆樹苗調(diào)控土壤養(yǎng)分領(lǐng)域還未進(jìn)行研究，關(guān)于人工控制土壤養(yǎng)分調(diào)控土壤質(zhì)量還有待進(jìn)一步研究和驗證。