基于最小數(shù)據(jù)集的祁連山青海云杉森林土壤質(zhì)量評價

摘 要：為了探究祁連山青海云杉森林土壤質(zhì)量情況，運用經(jīng)典統(tǒng)計方法，分析了祁連山青海云杉森林土壤質(zhì)量各項指標的均值與變化范圍。通過主成分分析法，最小數(shù)據(jù)集篩選出5個指標，計算得到基于最小數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)平均值為0.583，評價結(jié)果表明祁連山青海云杉森林土壤質(zhì)量以低水平和較低水平為主。

關(guān)鍵詞：祁連山青海云杉森林；土壤質(zhì)量評價；主成分分析；最小數(shù)據(jù)集

中圖分類號：S158 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）08–0-03

作為森林生態(tài)系統(tǒng)的主要組成成分，森林土壤面積在全球范圍內(nèi)占有較大比例，為森林生態(tài)系統(tǒng)提供了生存所需的水分、養(yǎng)分、空氣、熱量等物質(zhì)，對森林的健康發(fā)展具有重要作用[1]。近年來，隨著森林生態(tài)系統(tǒng)在森林資源經(jīng)營管理中的地位日益突出，森林土壤在森林生態(tài)系統(tǒng)中的作用也越來越受到關(guān)注[2]。因此，在今后的研究中，應深入探討不同林型的土壤質(zhì)量，為林業(yè)的健康管理和可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

當前，國內(nèi)外已經(jīng)研究出多種評估森林土壤質(zhì)量的方法，主要有層次分析法、最小數(shù)據(jù)集法（MDS）、GIS結(jié)合數(shù)學模型技術(shù)和灰色關(guān)聯(lián)法。劉湘君等[3]研究了基于土壤理化性質(zhì)和剖面特征的黃淮海干旱農(nóng)業(yè)區(qū)耕地土壤質(zhì)量特征，利用主成分分析法，對黃淮海干旱農(nóng)業(yè)區(qū)耕地土壤質(zhì)量進行了評價。當前應用MDS方法所做的品質(zhì)評估多集中在南方林地，而在我國北方鮮有相關(guān)研究。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

位于甘肅省河西走廊中段的馬蹄林區(qū)是研究區(qū)馬蹄自然保護站的一部分，坐落于祁連山國家級自然保護區(qū)的試驗區(qū)，年均氣溫1～3 ℃，日照時間約120 d，年平均降水量在360～490 mm之間[4]。從土壤類型來看，林區(qū)主要為山地灰褐土，優(yōu)勢樹種為青海云杉和祁連圓柏，植被類型和土壤類型具有明顯的垂直分布特征[5]。

1.2 研究方法

1.2.1 主成分分析法

主成分分析方法（PCA）是確定主要數(shù)據(jù)集的一種常用方法，也是評估土壤質(zhì)量的重要手段。全面考慮土壤質(zhì)量參數(shù)對土壤質(zhì)量的影響[6]，利用PCA方法對最小數(shù)據(jù)集進行分析，以篩選出對土壤特性變化敏感的參數(shù)。針對同一主成分的選定測量指標進行相關(guān)性分析，如果指標之間存在顯著的正相關(guān)性，即在保留主要特征的同時，可以消除冗余信息，并且相關(guān)系數(shù)＞0.5，則將正常值作為參考標準，將其納入最小數(shù)據(jù)集[7]。

Nik=（1）

1.2.2 土壤質(zhì)量指數(shù)計算

土壤品質(zhì)綜合評價的計算包括3個步驟：首先，對指標進行標準化處理；其次，利用主成分分析（PCA）確定指標的權(quán)重；最后，通過加權(quán)求和得出土壤品質(zhì)指數(shù)（（SQI））[8-9]。

升型函數(shù)（2）和降型函數(shù)（3）公式為：

（2）

（3）

評價指標的得分f（x）與各指標的測量值x相關(guān)，其中，最大值為U，最小值為L。

Wi=Ci/Ci（4）

式（4）中，Wi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)。

SQI=Wi×fi（5）

式（5）中，SQI為土壤質(zhì)量指數(shù)，fi為各評價指標的得分值，n為各個數(shù)據(jù)集中的土壤質(zhì)量指標數(shù)量。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel軟件進行數(shù)據(jù)和統(tǒng)計分析，借助統(tǒng)計軟件SPSS 26軟件進行主成分分析、方差分析和LSD數(shù)據(jù)的多重比較，使用Origin 2022軟件對處理后的數(shù)據(jù)繪制圖表。

2 土壤質(zhì)量評價

2.1 土壤質(zhì)量指標統(tǒng)計分析

在參考袁程昱[10]等對土壤質(zhì)量指標選擇的基礎(chǔ)上，選取土壤有機質(zhì)（SOM）、孔隙度（POR）、土壤容重（BD）、全磷（TP）、全鉀（TK）、全氮（TN）、水解氮（AN）、速效鉀（AK）、速效磷（AP）和pH值10個因子作為土壤質(zhì)量評價指標（表1）。

由表1結(jié)果可知，祁連山青海云杉森林土壤質(zhì)量指標空間變異性具有明顯差距，其變化范圍在1.18%～65.31%之間，變異系數(shù)從大到小依次為全鉀、水解氮、全磷、土壤有機質(zhì)、速效鉀、全氮、速效磷、土壤容重、孔隙度、土壤pH值。根據(jù)變異系數(shù)分級[11]，土壤容重、土壤pH值和孔隙度是不敏感指標；土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、水解氮、速效磷、速效鉀為低敏感指標；全鉀是中敏感指標。根據(jù)第二次全國土壤普查的養(yǎng)分評價標準[12]，祁連山青海云杉森林土壤氮、磷、鉀含量很高，平均全氮含量為5.92 g/kg，這說明土壤基礎(chǔ)肥力較高。

2.2 最小數(shù)據(jù)集指標的篩選

經(jīng)過對10個土壤指標的主成分分析，發(fā)現(xiàn)各土壤質(zhì)量指標的因子載荷表現(xiàn)出4個主成分，其特征值分別為2.825、1.969、1.314、1.124，均大于1。這些主成分的累計貢獻率達到72.329%，表明這些指標能夠反映土壤質(zhì)量70%左右的信息。

根據(jù)表2，從主成分中挑選出旋轉(zhuǎn)因子載荷絕對值≥0.5的土壤質(zhì)量評價指標。在主成分1中，發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)、全氮和速效鉀這3個指標的載荷值達到了0.5及以上，歸為第一組指標；在主成分2中，土壤容重和孔隙度的因子載荷值比主成分1中的指標更高，劃分為第二組，主成分2中的指標包括土壤容重、全鉀和孔隙度；主成分3中的指標則包括全磷、水解氮和速效磷，為第三組指標；主成分4中僅有土壤pH值這一個指標，歸為第四組。

為進一步減少信息冗余，通過計算得出各土壤指標的正常值。結(jié)果表明：在第一組中，土壤有機質(zhì)Norm值最大，為2.116，其他指標不在土壤有機質(zhì)Norm值的10%范圍內(nèi)因為被剔除；第二組中Norm值最大的是土壤容重，為1.304，孔隙度在其值的10%范圍內(nèi)，且與其顯著相關(guān)（P＞0.01），第二組土壤容重與孔隙度被選入最小數(shù)據(jù)集；第三組全磷Norm值最大，為0.826，水解氮與速效磷不在其Norm值10%的范圍內(nèi)，被剔除；第四組僅包含土壤pH值，入選最小數(shù)據(jù)集。綜上，祁連山青海云杉森林土壤質(zhì)量指標包括土壤有機質(zhì)、土壤容重、孔隙度、全磷和土壤pH值。

2.3 土壤質(zhì)量評價

采用主成分分析方法得到的共同因素方差之和，求出各個數(shù)據(jù)集合中各指標的權(quán)重。利用公式（2）和（3）將各個指標在主分量上的因素負荷的正與負來計算隸屬度，并將所得的隸屬度與加權(quán)值乘以，再由公式（4）算出以整個土壤質(zhì)量指數(shù)為基礎(chǔ)的土壤質(zhì)量指數(shù)SQI-TDS。

祁連山青海云杉森林基于最小數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)平均值為0.583，變化范圍在0.136～0.758之間，變異系數(shù)24.361%，變異系數(shù)較大，屬于中等變異（表4）。

根據(jù)土壤質(zhì)量指數(shù)分級表和上述2個土壤質(zhì)量指數(shù)的平均值和范圍，可以看出祁連山青海云杉森林土壤質(zhì)量主要處于低水平和較低水平。

3 結(jié)論

本研究采用傳統(tǒng)統(tǒng)計方法，研究了祁連山馬蹄自然保護站范圍內(nèi)青海云杉森林土壤質(zhì)量的各項參數(shù)變化。通過應用最小數(shù)據(jù)集（MDS）評估土壤質(zhì)量，得出以下結(jié)論：

（1）祁連山青海云杉森林土壤質(zhì)量基于最小數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)平均值為0.583，變化范圍在0.136～0.758之間。評價結(jié)果表明，祁連山青海云杉森林土壤質(zhì)量以低水平和較低水平為主。

（2）利用主成分析法篩選出的最小數(shù)據(jù)集評估土壤品質(zhì)是一個科學、實用的方法。研究成果為該地區(qū)土地質(zhì)量評估提供了有價值的信息，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化和篩選出精確的土壤指標，從而構(gòu)建全面的土壤質(zhì)量量化評估指標。此項研究將為馬蹄自然保護站下屬地區(qū)的青海云杉森林在土壤和土地管理及規(guī)劃方面提供有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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