黑木相思家系適地適樹(shù)品種綜合評(píng)價(jià)

趙玥橋，黃曉霞，張露月，高文晶，程 諾，丁國(guó)昌，賴(lài)日文＊

(1. 福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院，福建 福州 350002；2. 福建農(nóng)林大學(xué) 藝術(shù)園林學(xué)院，福建 福州 350002)

杉木（Cunninghamia lanceolate（Lamb.）Hook.）、桉樹(shù)（Eucalyptus robustaSmith）是福建省重要的速生樹(shù)種，因其近年來(lái)高度集約經(jīng)營(yíng)和連載代次的遞增導(dǎo)致人工林出現(xiàn)生產(chǎn)力和生物多樣性下降等嚴(yán)峻的生態(tài)問(wèn)題[1-2]，嚴(yán)重影響林木生長(zhǎng)和人工林的持續(xù)經(jīng)營(yíng)[3]。研究顯示：連栽后土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)能力下降，養(yǎng)分丟失比率為200%，養(yǎng)分積累率不足60%[4]。隨著連栽次數(shù)增加，林地土壤可溶性有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀等均呈遞減的變化趨勢(shì)，土壤肥力質(zhì)量逐代降低[5-6]已成為人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的主要障礙[7]。黑木相思（Acacia melanoxylonR.Br.）是亞熱帶地區(qū)重要鄉(xiāng)土樹(shù)種，因其具有很強(qiáng)的固氮能力及較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，被作為改土樹(shù)種引入當(dāng)?shù)匾愿纳仆寥蕾|(zhì)量。在長(zhǎng)期觀察中發(fā)現(xiàn)，杉木轉(zhuǎn)換為固氮樹(shù)種黑木相思會(huì)顯著提高土壤碳氮含量及化學(xué)計(jì)量，有助于土壤養(yǎng)分的改善[8]。黑木相思不僅可以在閩南地區(qū)低產(chǎn)低效、嚴(yán)重退化的貧瘠山地上快速成林，還能有效地改善低產(chǎn)林分，有效提高林地的肥力和地力[9]，而且相較于馬占相思，黑木相思的幼齡植株未發(fā)現(xiàn)葉白粉病及其他蟲(chóng)害。至今我國(guó)黑木相思已成功引種20 多個(gè)家系[10-11]，但黑木相思成熟期較長(zhǎng)，通過(guò)認(rèn)定的優(yōu)良品種較少，基于“適地適樹(shù)”理論，植物與土壤間存在極強(qiáng)的相互作用，品種的改變勢(shì)必會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分產(chǎn)生重要影響，在此土壤條件下適應(yīng)性和改土效果優(yōu)良的黑山相思家系還尚未明確。眾多學(xué)者的研究表明黑木相思在水土保持、地力改良等方面具有非常大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)黑木相思的研究主要集中在引種栽培區(qū)劃、遺傳分析方面[12-15]。國(guó)外則是側(cè)重對(duì)相思入侵?jǐn)U散制約因素的調(diào)查[16]和木材的利用[17-18]。綜上對(duì)黑木相思的綜合特性主要在整體林分或幼齡林階段，但缺乏針對(duì)多種家系（種源）生長(zhǎng)表現(xiàn)的深入研究，特別是對(duì)其生長(zhǎng)的環(huán)境因子影響的研究極少，開(kāi)展適地適品種的研究是林分質(zhì)量精準(zhǔn)提升的根本途徑。鑒于此，本文以種植在上坡、中坡和下坡3 個(gè)立地的15 年生7 個(gè)黑木相思家系試驗(yàn)林為研究對(duì)象，對(duì)林木生長(zhǎng)性狀、土壤理化性質(zhì)進(jìn)行綜合分析，為不同立地篩選出適宜種植的相思家系，研究結(jié)果對(duì)指導(dǎo)相思適地適樹(shù)造林具有一定的意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省福清市靈石國(guó)有林場(chǎng)朱山工區(qū)(119°27' E、25°67' N），平均海拔為230 m，地形主要以山地丘陵為主，地形起伏較大。亞熱帶季風(fēng)氣候顯著，屬南亞熱帶氣候帶閩東南沿海海洋性季風(fēng)氣候，有冬季較短、冬暖夏涼的氣候特點(diǎn)，年均氣溫19.7 ℃，年均日照2 000 h 左右，無(wú)霜期340～360 d。雨季、干季分明，降水集中于3 月—9 月，年均降水量1 780 mm。土壤類(lèi)型主要為紅壤。林地主要植被類(lèi)型是紅壤類(lèi)的灌叢、竹林等，也有少量人工營(yíng)造的杉木林及人工經(jīng)濟(jì)林，以及人工營(yíng)造的黑木相思林和竹林及杉-黑木輪作林種等。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

黑木相思家系試驗(yàn)林營(yíng)造：本試驗(yàn)林黑木相思家系來(lái)源于澳大利亞昆士蘭州地區(qū)的黑木相思優(yōu)良天然林中所選的優(yōu)樹(shù)，黑木相思試驗(yàn)地前身為26 年生杉木林，于2007 年4 月砍伐后造林，造林密度為100 株·畝-1，每小區(qū)每家系種植36 株，造林坡度在12°～18°間，在不同家系小區(qū)間和試驗(yàn)地外圍設(shè)置尾巨桉間隔行，造林后對(duì)試驗(yàn)林地定期進(jìn)行追肥鋤草。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)原則，分別在3 個(gè)區(qū)域設(shè)黑木相思家系試驗(yàn)林，每個(gè)重復(fù)區(qū)組按照上、中、下坡劃分，在不同坡位上設(shè)7 個(gè)小區(qū)分別種植不同家系，即7 個(gè)家系在3 個(gè)坡位上均有3 次重復(fù)，如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)家系及土壤采樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 Distribution of families and Soil sampling points in the study area

土壤樣品采集：對(duì)各家系小區(qū)設(shè)置1 塊面積為20.0 m × 20.0 m 的標(biāo)準(zhǔn)地。研究區(qū)分布及采樣點(diǎn)分布如圖1 所示。按對(duì)角線布點(diǎn)法在各標(biāo)準(zhǔn)地布設(shè)3 個(gè)采樣點(diǎn)，采用剖面法分2 個(gè)土層（0～10 cm、10～20 cm）采集土壤樣品；每個(gè)土層平行取3 個(gè)約1 kg 土壤并混合均勻，采用四分法取1 kg 土樣裝袋保存用冰袋儲(chǔ)存帶回。利用100 cm3環(huán)刀在不同土層采集3 個(gè)樣品用于測(cè)定物理性質(zhì)。對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)用手持定位儀進(jìn)行定位記錄其坡向、海拔、經(jīng)緯度等立地信息。同時(shí)對(duì)各小區(qū)布設(shè)5.0 m × 5.0 m 樣方，記錄胸徑大于5 cm 的黑木相思的家系名稱(chēng)、胸徑（DBH）、樹(shù)高（H）、枝下高等基本情況。

土壤理化性質(zhì)根據(jù)中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：《森林土壤分析法》。采用環(huán)刀法測(cè)定土壤密度、通氣度等物理性質(zhì)；pH 值水土溶液浸提，酸度計(jì)測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)（SOC）采用重鉻酸鉀加熱法；全氮（TN）用碳氮元素分析儀測(cè)定；硝態(tài)氮（NO3--N）和銨態(tài)氮（NH4+-N）用流動(dòng)分析儀測(cè)定；全磷（TP）、有效磷（AP）采用鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀（TK）、速效鉀（AK）用火焰光度計(jì)測(cè)定；可溶性有機(jī)碳（DOC）和可溶性有機(jī)氮（DON）采用碳氮分析儀測(cè)定。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與初步計(jì)算，應(yīng)用SPSS25.0 軟件對(duì)土壤理化性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行描述性分析、單因素方差分析；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)采用單樣本Kolmogorov-Smimov 檢驗(yàn)；LSD最小顯著差異法檢驗(yàn)差異顯著性，顯著性水平設(shè)定為p＜0.05；相關(guān)關(guān)系采用pearson 相關(guān)分析。采用GS + 18.0、ArcGIS10.3 軟件進(jìn)行土壤養(yǎng)分地統(tǒng)計(jì)分析、趨勢(shì)分析和Kriging 空間插值。

3 結(jié)果分析

3.1 土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性研究

對(duì)土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計(jì)分析測(cè)定結(jié)果可得研究區(qū)pH 均值為4.68，呈酸性土壤；TP、AP 均值分別為0.18 g·kg-1、4.74 mg·kg-1，處于偏低水平；TK、AK 含量均達(dá)到中等水平。各土壤養(yǎng)分的變化幅度不同，土壤SOC、TN、DON、NO3--N 和NH4+-N 的變化幅度較大，相對(duì)數(shù)據(jù)離散程度較高，pH 值的變化幅度最小，數(shù)據(jù)較集中。變異系數(shù)（CV）是衡量變量變異程度的重要參數(shù)，研究區(qū)pH 值變異系數(shù)最低CV≤10%屬于弱變異性，其他指標(biāo)10%＜CV＜100%屬于中等變異性，其中AP 變異系數(shù)最高，說(shuō)明AP 的空間變異程度較高且受人為活動(dòng)或外界環(huán)境影響可能性大。pH 值、DON、NO3--N 和NH4+-N 的偏態(tài)系數(shù)為負(fù)值，表明其正態(tài)曲線圖左尾較長(zhǎng)，極端異常值為左偏分布；其他養(yǎng)分指標(biāo)的偏態(tài)系數(shù)均為正值，正態(tài)曲線圖右尾較長(zhǎng)。DON、NO3--N、NH4+-N、AP 4 個(gè)指標(biāo)的峰度均小于0，其分布相較于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布更為扁平，其他養(yǎng)分指標(biāo)的峰度均大于0，峰高相較于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布更為陡峭。

趨勢(shì)面分析可以精確展示養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)在南北、東西方向的變化趨勢(shì)，通過(guò)擬合趨勢(shì)來(lái)判斷全局趨勢(shì)。如果擬合趨勢(shì)線呈“U”型時(shí)表明變量存在二階趨勢(shì)，傾斜的直線表明變量存在一階趨勢(shì)，平直線表明變量沒(méi)有趨勢(shì)存在。pH 值自西向東緩慢上升的趨勢(shì)，總體呈直線，表明分布較均勻；在南北方向有細(xì)微凸形。SOC 含量呈自西向東平滑上升；南北方向平滑下降。DOC 含量在東西分布較均勻；在南北方向呈中間高的趨勢(shì)。TN 含量在北部略高。DON 含量自北向南平滑下降。NO3--N 含量自西向東平滑上升，變化較慢；在南北方向呈凹形特征。NH4+-N 含量在東西方向較穩(wěn)定；南高北低中部略微隆起，但總體呈直線。TP 含量在東西方向呈凸形；自北向南平滑下降。AP 含量表現(xiàn)為整體下凹特征。TK 含量含量分布東高西低；在南北方向中間略高于兩邊。AK 含量在東西方向平滑上升，在南部略高但總體呈直線。綜上表明，SOC、TN、DON、NH4+-N 和AK 均存在一階趨勢(shì)，pH 值、DOC、NO3--N、TP、AP 和TK 存在明顯的二階趨勢(shì)，在計(jì)算半變異函數(shù)及Kringing 插值時(shí)需要對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)使用相應(yīng)多項(xiàng)式進(jìn)行擬合來(lái)移除趨勢(shì)。

地統(tǒng)計(jì)分析可以定量描述區(qū)域范圍內(nèi)變量的結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性，反映區(qū)域內(nèi)不同距離變量之間的空間變異規(guī)律和空間依賴(lài)性。以最大間距1/2（90 m）為樣本變化范圍，以最小間距10 m 為步長(zhǎng)，進(jìn)行土壤養(yǎng)分的半變異擬合，并以決定系數(shù)和殘差和交叉驗(yàn)證模型精度。如表1 所示，11 個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)的C0（塊金值）在0.003～0.127 之間，均較小，說(shuō)明在小尺度內(nèi)由隨機(jī)因子如施肥、撫育管理等實(shí)驗(yàn)誤差或人為因素引起的誤差較小[19]，C0+C（基臺(tái)值）在0.070～0.276 之間，表明由結(jié)構(gòu)性因子如地形、氣候等非人為因素引起的變異值也較小。NO3--N 基臺(tái)值最大，總體范圍變異程度相較于其他指標(biāo)空間異質(zhì)性最高[20]；11 個(gè)指標(biāo)的塊金系數(shù)為28.37%～49.54%，均在25%～75%之間，表現(xiàn)出中等程度的空間自相關(guān)，說(shuō)明其空間變異受隨機(jī)性因子和結(jié)構(gòu)性因子共同影響。A（變程）衡量變量的空間自相關(guān)范圍大小，樣本位置間距小于變程存在空間自相關(guān)時(shí)，間距越小空間自相關(guān)越強(qiáng)[21]。11 個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的變程范圍為23.4～95.6 m，其變程均大于采樣點(diǎn)距離10 m，說(shuō)明對(duì)該試驗(yàn)地進(jìn)行無(wú)偏估計(jì)是可信的。AK、pH 值、AP、TK、NO3--N、DOC、TN的變程表明其空間自相關(guān)性范圍較大且連續(xù)性較好，其中，AK 的變程最大，pH 值次之，但在小尺度上可能存在規(guī)律性不顯著的現(xiàn)象；SOC、NH4+-N、TP、DON 的變程分別為23.4、28.2、37.1、37.7 m，表明其空間依賴(lài)性較強(qiáng)。

表1 土壤養(yǎng)分半變異函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù) Table 1 Soil nutrient semivariogram model and related parameters

3.2 土壤養(yǎng)分空間分布特征

在半變異函數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行Kriging 空間插值，可以更加直觀地反映出研究區(qū)土壤養(yǎng)分的空間變異特征（圖2～4）。從3 個(gè)區(qū)組土壤養(yǎng)分空間分布圖可知土壤各養(yǎng)分指標(biāo)均呈現(xiàn)坡上向坡下遞增的總體趨勢(shì)，高值區(qū)主要出現(xiàn)在下坡中部。DON、NH4+-N、TP 整體呈不規(guī)則斑塊狀分布，低值區(qū)主要集中在正北方向M2、M3 區(qū)，高值區(qū)主要集中在正南中部；TN 含量呈不規(guī)則斑塊或零碎的環(huán)狀分布，區(qū)組一TN 含量高值區(qū)主要集中在中部偏北M5、M3、M2 區(qū)域，其余區(qū)組主要分布在南部M7、M6 區(qū)，而低值區(qū)主要集中在東北或西北角；區(qū)組二、三的TK、AK 含量呈條帶狀分布，其中在正南方向M7、M6 和M5 區(qū)域表現(xiàn)出明顯高值，正北M1、M2、M3 區(qū)域表現(xiàn)出大面積低量范圍；SOC 含量整體呈近似條帶狀分布，在正南方向M7、M5 區(qū)域出明顯高值，向北方向逐級(jí)遞減并在各家系區(qū)域表現(xiàn)出大面積低值范圍；區(qū)組一和二的土壤pH 值呈不規(guī)則塊狀分布，區(qū)組三的呈條帶狀分布，中部偏南區(qū)域的pH 值整體較高，總體在4.02～5.14 酸性范圍內(nèi)波動(dòng)變化幅度不大，可能與不同微生境下有機(jī)酸的釋放、土壤含水量、地形等差異有關(guān)；DOC、NO3--N、AP 均呈條帶與斑塊鑲嵌分布，在中部偏南M7、M6、M5 區(qū)域出現(xiàn)環(huán)狀高值區(qū)，并向正北方向兩側(cè)逐漸遞減，在正北方向M1、M2 和M1 區(qū)域形成低值區(qū)。將插值圖和上述養(yǎng)分的差異顯著性分析相結(jié)合，可以清晰的表達(dá)不同家系間化學(xué)性質(zhì)差異及分布情況。總體來(lái)說(shuō)研究區(qū)各養(yǎng)分含量總體呈塊狀或條帶狀分布，表現(xiàn)出從東北和西北方向往南方向遞增的趨勢(shì)，除pH 值其余土壤養(yǎng)分含量在中部偏南M7、M6、M5 區(qū)域有明顯的表聚現(xiàn)象，在中部偏北方向的東北方向M2、M3、M4 和中部M7 區(qū)域表現(xiàn)出明顯低值。

圖2 區(qū)組一土壤養(yǎng)分空間分布圖Fig. 2 Spatial distribution of soil nutrients in block one

圖4 區(qū)組三土壤養(yǎng)分空間分布圖Fig. 4 Spatial distribution of soil nutrients in block three

3.3 黑木相思家系綜合評(píng)價(jià)選優(yōu)

3.3.1 基于因子分析法黑木相思家系綜合評(píng)價(jià)對(duì)7 個(gè)黑木相思家系在不同坡位上的各項(xiàng)生長(zhǎng)和土壤理化指標(biāo)進(jìn)行KMO 和巴特利特檢驗(yàn)，KMO 值為0.891，且顯著性小于0.05，可用因子分析法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。綜合不同黑木相思家系的土壤理化性質(zhì)及生長(zhǎng)性狀共23 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。公因子方差均大于0.7，介于0.706～0.964 之間，說(shuō)明提取的公因子方差可以很好的表達(dá)所有指標(biāo)的信息值。以特征值大于1 作為主成分提取了5 個(gè)公共因子，由表2 可見(jiàn)，5 個(gè)公因子的累積貢獻(xiàn)率達(dá)83.814%，表明選定的5 個(gè)公因子可以解釋黑木相思家系生長(zhǎng)性狀和土壤理化性質(zhì)的大量信息。

表2 變量特征值和方差貢獻(xiàn)率Table 2 Variable eigenvalues and variance contribution rates

根據(jù)公因子與各變量關(guān)系可得，第一公因子方差貢獻(xiàn)率達(dá)34.109%，第二公因子達(dá)22.971%，第三公因子12.875%，第四公因子7.517%，第五公因子僅在pH 上具有較大載荷，方差貢獻(xiàn)率為6.342%。根據(jù)成分得分矩陣,構(gòu)建得到5 個(gè)公因子的計(jì)算模型：

其因子綜合得分記為F，計(jì)算公式為：

式中F1、 F2、 F3、 F4、 F5分別表示第1～5 個(gè)主成分的特征向量權(quán)重值，X1、X2、X3、.....、X23分別代表胸徑、樹(shù)高、單木材積、土壤密度、質(zhì)量含水量、通氣度、毛管孔隙、非毛管孔隙、總孔隙、最大持水量、田間持水量、毛管持水量、pH、SOC、DOC、TN、DON、NO3--N、NH4+-N、TP、AP、TK、AK 的結(jié)果。

7 個(gè)黑木相思家系（M1～M7）在3 個(gè)坡位上公因子及綜合得分如圖5 所示，在上坡位7 個(gè)黑木相思家系排名為M7＞M6＞M5＞M3＞M1＞M4＞M2，M7 綜合得分最高為-0.143，主要受一、四、五公因子影響導(dǎo)致得分為負(fù)值；上坡位7 個(gè)家系綜合得分均為負(fù)值，5 個(gè)公因子得分中均存在負(fù)值，指標(biāo)不均衡。在中坡位7 個(gè)黑木相思家系排名為M6＞M4＞M5＞M7＞M2＞M3＞M1，M6 綜合得分最高為0.294，主要受二、三、四公因子的影響；M4 的綜合得分為0.223，排名第2，雖排名較高但受第一公因子得分較差而影響其綜合得分。在下坡位M7 綜合得分最高為1.148，其中M7、M6和M53 個(gè)家系的5 個(gè)公因子得分均為正值，表明該3 個(gè)家系較其他家系的各項(xiàng)生長(zhǎng)或土壤指標(biāo)較為均衡。綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)M7 在上、下坡位的生長(zhǎng)及對(duì)土壤理化性質(zhì)的改良效果整體優(yōu)于其他家系，M6 在中坡位整體優(yōu)于其他家系。

圖5 各公因子及綜合得分Fig. 5 Common factors and comprehensive scores

3.3.2 基于模糊評(píng)價(jià)法黑木相思家系綜合評(píng)價(jià)本研究以生長(zhǎng)性狀和土壤理化性質(zhì)共23 個(gè)指標(biāo)作為模糊評(píng)價(jià)法的最小數(shù)據(jù)集的候選參數(shù)集。單木材積、非毛管孔隙和AP 的變異系數(shù)介于40%～100%間，說(shuō)明該3 個(gè)指標(biāo)是研究區(qū)綜合評(píng)價(jià)的中度敏感指標(biāo)。對(duì)23 個(gè)候選參數(shù)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果如表3 所示，依據(jù)分組原則通過(guò)每組參數(shù)間的相關(guān)性分析及Norm 值的對(duì)比，進(jìn)入綜合評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集包括單木材積、總孔隙度、田間持水量、非毛管孔隙、SOC、AP、TN。通過(guò)歸一化處理后得到各變量的權(quán)重，7 個(gè)指標(biāo)均呈正相關(guān)關(guān)系。采用升型分布函數(shù)計(jì)算各指標(biāo)的隸屬度值，結(jié)果顯示不同黑木相思家系在不同坡位對(duì)維護(hù)和改善其土壤質(zhì)量的能力存在差異，不同家系在不同坡位的田間持水量和土壤有機(jī)質(zhì)的隸屬度值較大，研究區(qū)整體保水性以及土壤有機(jī)質(zhì)含量較高。

表3 各指標(biāo)的主成分分析、Norm 值和權(quán)重值 Table 3 Principal component analysis, Norm value and weight value of each indicator

7 個(gè)黑木相思家系的綜合評(píng)價(jià)值如圖6 所示，7 個(gè)黑木相思家系在上坡位的綜合評(píng)價(jià)值表現(xiàn)為M7＞M5＞M6＞M4＞M1＞M3＞M2，綜合評(píng)價(jià)值在0.131～0.159；在中坡位表現(xiàn)為M6＞M5＞M4＞M7＞M2＞M1＞M3，綜合評(píng)價(jià)值在0.142～0.164；在下坡位表現(xiàn)為M7＞M5＞M6＞M3＞M1＞M4＞M2，綜合評(píng)價(jià)值在0.150～0.223，其中以M7 的優(yōu)勢(shì)度最大，其值達(dá)0.223；表明在上、下坡位黑木相思家系M7 的生長(zhǎng)以及對(duì)土壤理化性質(zhì)的改良效果最佳，而在中坡位黑木相思家系M6 最佳。

圖6 不同坡位黑木相思家系的綜合評(píng)價(jià)值Fig. 6 Comprehensive evaluation value of Acacia melanoxylon family in different slopes

目前，綜合評(píng)價(jià)法在優(yōu)良家系中的選擇在國(guó)內(nèi)外尚無(wú)公認(rèn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，本文采用兩種方法評(píng)價(jià)可以在一定程度上避免結(jié)果存在偏向性?；谝蜃臃治龇ê湍：u(píng)價(jià)法對(duì)7 個(gè)黑木相思家系在不同坡位的綜合評(píng)價(jià)可以發(fā)現(xiàn)，在上、下坡位黑木相思家系M7 的綜合評(píng)價(jià)值最高，中坡位家系M6 最高，表明兩個(gè)家系種在對(duì)應(yīng)坡位上的生長(zhǎng)對(duì)土壤理化性質(zhì)的改良效果最佳。但其他家系分別在兩種方法的評(píng)分排名不同，可能與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建有關(guān)。從整體來(lái)看，兩種方法均較為真實(shí)地反應(yīng)了黑木相思家系之間及其在不同坡位上的優(yōu)良程度。

4 討論

根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[22]，研究區(qū)TN 含量達(dá)到較高水平，除TP 和AP 含量處于偏低水平外其他養(yǎng)分指標(biāo)含量都處于中等或較高水平，符合我國(guó)南方普遍性缺乏磷的現(xiàn)狀，這是由于研究區(qū)黑木相思處于中齡生長(zhǎng)期，黑木相思作為固氮樹(shù)種，可以有效改良土壤，促進(jìn)土壤中氮素的轉(zhuǎn)化，同時(shí)作為常綠闊葉樹(shù)種凋落物量大，現(xiàn)存量較高，其葉片相較杉木等針葉樹(shù)種分解速度快，碳?xì)w還作用強(qiáng)，使得養(yǎng)分含量總體處于較高狀態(tài)，這與趙文東等[8]在閩南山地杉木轉(zhuǎn)換為黑木相思和桉樹(shù)后土壤有機(jī)碳和全氮含量顯著提高的結(jié)果一致；pH 的變異系數(shù)為5.75%，屬于弱變異，這與賴(lài)壯杰等[23]、Long Linli 等[24]研究得到土壤pH 值變異性較低的結(jié)論一致，說(shuō)明土壤pH 值是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的因素，研究區(qū)pH 值在各坡位各家系林地雖表現(xiàn)出不同程度的差異，但均在酸性范圍內(nèi)，這也驗(yàn)證了南方土壤普遍呈酸性這一結(jié)論[25]；其他土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)都屬于中等強(qiáng)度變異，這與熊凱等[26]研究結(jié)果相一致，說(shuō)明這些指標(biāo)受隨機(jī)因素和人為因素的共同影響。趨勢(shì)面分析可以揭示各性狀的地理趨勢(shì)。土壤物化性狀的地理變異受兩方向的雙重控制，以南北變異為主，呈連續(xù)的漸變地理變異模式。SOC、TN、DON、NH4+-N 和AK 是相對(duì)穩(wěn)定的含量。土壤各養(yǎng)分指標(biāo)分布趨勢(shì)在東西、南北方向存在顯著差異，這可能與研究區(qū)地形、不同土壤養(yǎng)分抗人為活動(dòng)干擾程度以及不同黑木相思家系對(duì)養(yǎng)分的利用有關(guān)，從而影響其空間分布格局，這與孫國(guó)軍等[27]和楊士凱等[28]的研究結(jié)果相一致。這種顯著的地理變異模式也是黑木相思在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中為適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境而產(chǎn)生與之相適應(yīng)的遺傳變異結(jié)果。本研究小空間尺度上，pH值和SOC、TN 等10 個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的RSS 值接近于0，R2介于0.546～0.967 之間，表明各指標(biāo)模型可以很好地?cái)M合其分布規(guī)律，同時(shí)各養(yǎng)分指標(biāo)的塊金系數(shù)為28.37%～49.54%，表明其主要受隨機(jī)性因子和結(jié)構(gòu)性因子的共同影響，與姚雄等[29]的研究結(jié)果相一致，即氣候條件較為一致的情況下，微地形、坡位、凋落物量、人為活動(dòng)是各養(yǎng)分指標(biāo)空間變異的主要原因。11 個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的變程均大于采樣距離（10 m），其空間自相關(guān)范圍差異也較大，其中AK 的生態(tài)過(guò)程在95.60 m尺度上起作用，SOC、TN、TP、DON、NH4+-N變程在23.40～42.50 m，pH 值、AP、TK、DOC、NO3--N 變程在53.90～74.60 m，表明本研究在該小尺度下設(shè)置的采樣間距是合理的，可以很好地反映其空間異質(zhì)性，同時(shí)各土壤養(yǎng)分生態(tài)過(guò)程基本在相同尺度上起作用。

坡位和黑木相思家系是土壤養(yǎng)分空間變異的重要影響因素，就坡位方面，研究區(qū)土壤養(yǎng)分高值區(qū)出現(xiàn)在坡中下位置，整體上表現(xiàn)出自坡下至坡上呈逐漸減小的趨勢(shì)，產(chǎn)生這一原因可能是因?yàn)楹谀鞠嗨嫉蚵湮锪看笄腋捣纸馑俾士焓峭寥鲤B(yǎng)分的重要來(lái)源[30]，但由于研究區(qū)常年降雨量大導(dǎo)致大量養(yǎng)分沖刷至坡下匯集[31]，這也使得坡中下部草本灌木生長(zhǎng)旺盛，郁閉度高，有利于林木生長(zhǎng)及土壤有機(jī)質(zhì)積累[32]，進(jìn)而形成中下坡位高值區(qū)的出現(xiàn)。整體來(lái)看，研究區(qū)土壤養(yǎng)分破碎斑塊區(qū)域較少，塊狀或條帶狀面積較多且明顯，表明黑木相思人工林地土壤養(yǎng)分的離散程度較低、連續(xù)性較好，具有明顯的空間異質(zhì)性。從各黑木相思家系的空間插值圖中可以發(fā)現(xiàn)，SOC、DOC、NO3--N、AP、AK 空間分布與黑木相思家系區(qū)域的水體分布、地形及凋落物分解特性差異等有關(guān)[33]，中部偏南方向M7、M6、M5 家系生長(zhǎng)較好,可能區(qū)域海拔較低，坡度較緩，土壤含水量較高，有利于養(yǎng)分的積累[34]，產(chǎn)生凋落物量大，使得養(yǎng)分易富集。TP 含量在南部7 個(gè)黑木相思家系區(qū)域均較高，海拔低且少受徑流影響，使得全磷得到充分歸還；區(qū)組二在東側(cè)樣地家系的全磷含量較其他家系高，這可能與灌木草本豐富度有關(guān)[35]。pH 值呈北部低南部高的分布格局，與研究區(qū)地形趨勢(shì)相吻合，與土壤水分海拔差異有關(guān)，但土壤酸性均在一定范圍內(nèi)。TN、DON、NH4+-N、TP 在各家系的空間插值圖較破碎，空間異質(zhì)性明顯，可能與其移動(dòng)性、植物吸收利用等有關(guān)[36]。SOC 與pH 值的分布規(guī)律相似，其高值區(qū)主要分布在東南方向M7、M5、M2 區(qū)域，并向其他家系區(qū)域呈條帶狀遞減趨勢(shì)，可能與水平遷移能力有關(guān)。

綜合評(píng)價(jià)值的計(jì)算可以反映諸多因子共同作用的結(jié)果，也能夠較好地反映出在坡位影響下各黑木相思家系的優(yōu)勢(shì)程度。樹(shù)高、胸徑和材積是林木生長(zhǎng)最為重要的性狀指標(biāo)，其所體現(xiàn)出的穩(wěn)定性和差異，主要是家系遺傳性、環(huán)境以及相互間效應(yīng)的綜合結(jié)果，是家系生長(zhǎng)性狀分析以及綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)[37]。土壤養(yǎng)分是林木生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，對(duì)不同黑木相思家系所在林地進(jìn)行土壤多因子綜合比較可以有效反映其土壤肥力的演化方向和程度，是評(píng)價(jià)家系林分土壤肥力的重要內(nèi)容[38-39]。通過(guò)因子分析法和模糊評(píng)價(jià)法綜合評(píng)價(jià)7 個(gè)黑木相思家系（M1～M7）的研究結(jié)果表明，在上、下坡位黑木相思家系M7 的生長(zhǎng)以及對(duì)土壤理化性質(zhì)的改良效果最佳，而在中坡位黑木相思家系M6 最佳，這與王繆琦[40]對(duì)生長(zhǎng)初期的7 個(gè)黑木相思家系進(jìn)行綜合優(yōu)良篩選結(jié)果一致。與陳啟恩的研究結(jié)果不符：評(píng)選家系優(yōu)良得出M4＞M2＞M7＞M3＞M5＞M1，這是因?yàn)橹桓鶕?jù)連年生長(zhǎng)量平均值進(jìn)行評(píng)價(jià)沒(méi)有考慮到土壤理化性質(zhì)改良效果因素。不同品種的林木生長(zhǎng)與維護(hù)和改善其土壤質(zhì)量的能力存在差異，林木遺傳效應(yīng)不同，其表現(xiàn)出的根系生長(zhǎng)發(fā)育狀況，凋落物數(shù)量、成分及分解速率等都存在一定差異；受遺傳效應(yīng)的作用，優(yōu)良的種源或家系種在樹(shù)高、胸徑、冠幅和單株材積上具有優(yōu)勢(shì)[41]。與其他黑木相思家系相比，M7 根系發(fā)展好，凋落物量較大，林下植被多樣性較豐富，產(chǎn)生較高的土壤有機(jī)質(zhì)和其他養(yǎng)分水平[42-43]，不僅對(duì)土壤理化性質(zhì)有明顯的改善，對(duì)大徑材培育也具有重要意義，而在中坡位M6 最佳。本研究了解了福建山地黑木相思家系在不同坡位的生長(zhǎng)狀況和土壤養(yǎng)分變化規(guī)律，評(píng)價(jià)篩選出適合于福建立地的優(yōu)良家系，為黑木相思家系林分的科學(xué)引種、造林地選擇及合理擴(kuò)大其種植規(guī)模提供理論依據(jù)。

5 結(jié)論

本研究采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與 GIS 技術(shù)相結(jié)合，探討了7 個(gè)黑木相思家系在空間和坡位上的土壤理化性質(zhì)變化，并對(duì)其進(jìn)行綜合優(yōu)選。結(jié)果表明，坡位和黑木相思家系是土壤養(yǎng)分空間變異的重要影響因素，養(yǎng)分高值區(qū)出現(xiàn)在中下坡位置，整體上表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性。另外，綜合評(píng)價(jià)值可以反映多個(gè)因素的綜合效應(yīng)，也能夠體現(xiàn)不同坡位對(duì)各黑木相思家系的優(yōu)勢(shì)度。黑木相思家系M7 對(duì)土壤理化性質(zhì)的改良效果最好，在中坡位M6 最佳。本研究結(jié)果研究成果將為我國(guó)南方山區(qū)可持續(xù)利用及合理的經(jīng)營(yíng)策略提供科學(xué)依據(jù)。