唐菲菲 ，鄧艷林 ，鄭 茂 ，郭 徽 ，曹福祥 ，吳立潮

（中南林業(yè)科技大學(xué) a.經(jīng)濟(jì)林培育與保護(hù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.經(jīng)濟(jì)林育種與栽培國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.經(jīng)濟(jì)林培育與利用湖南省2011協(xié)同創(chuàng)新中心；d.生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

基于灰色關(guān)聯(lián)分析的湘西北石漠化區(qū)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

唐菲菲a，b，c，鄧艷林a，b，c，鄭 茂a，b，c，郭 徽a，b，c，曹福祥d，吳立潮a，b，c

（中南林業(yè)科技大學(xué) a.經(jīng)濟(jì)林培育與保護(hù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.經(jīng)濟(jì)林育種與栽培國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.經(jīng)濟(jì)林培育與利用湖南省2011協(xié)同創(chuàng)新中心；d.生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

在對(duì)湖南省西北部3縣4種不同石漠化程度的13個(gè)樣地進(jìn)行植被調(diào)查及土壤樣品分析的基礎(chǔ)上，采用主成分分析和指標(biāo)相關(guān)性分析的方法，構(gòu)建了評(píng)價(jià)土壤肥力的土壤屬性指標(biāo)的最小數(shù)據(jù)集，并對(duì)30項(xiàng)土壤屬性指標(biāo)進(jìn)行分析，通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度分析法最終確定了各樣地的土壤質(zhì)量得分。結(jié)果表明：（1）湘西北石漠化區(qū)土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集（MDS）為：土層厚度（ST）、A層厚度（AT）、土壤粗粉粒（Silt-1）、總孔隙度（BP）、全氮（TN）、有效鉀（AK）、陽(yáng)離子交換量（CEC）、微生物量氮（MBN）、微生物量磷（MBP）、C/N比。（2）潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化、重度石漠化對(duì)應(yīng)等級(jí)下的土壤肥力灰色關(guān)聯(lián)度均值分別為0.649、0.523、0.555、0.519，表現(xiàn)為潛在石漠化＞中度石漠化＞輕度石漠化＞重度石漠化。（3）石門、慈利、龍山三地的石漠化區(qū)土壤肥力質(zhì)量綜合加權(quán)關(guān)聯(lián)度值得分分別為0.571、0.555、0.550，表現(xiàn)為石門＞慈利＞龍山，其變異系數(shù)為1.90%。（4）TN和BP與各樣地加權(quán)關(guān)聯(lián)度值顯極顯著相關(guān)（P＜0.01）。結(jié)果表明湘西北石漠化區(qū)石漠化等級(jí)越高，其土壤肥力質(zhì)量越低；石門、慈利和龍山三地之間整體質(zhì)量雖有區(qū)別，但差異并不大；在湘西北石漠化區(qū)土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)體系中，TN和BP對(duì)湘西北石漠化區(qū)的土壤質(zhì)量影響最大。

石漠化；土壤肥力；灰色關(guān)聯(lián)分析；質(zhì)量評(píng)價(jià)；湘西北

由于石漠化所造成的土壤貧瘠和植被破壞，已嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，探討不同石漠化程度區(qū)域中土壤質(zhì)量的變化,并篩選適合的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),可為喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)、土壤資源利用以及生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。目前，隨著石漠化程度由弱到強(qiáng)的演替，土壤中的微生物及營(yíng)養(yǎng)元素的多樣性處在一個(gè)極低的水平，同時(shí)土壤的容重、毛管孔隙度降低，使得土壤的持水性能減弱。石漠化在不斷演替過(guò)程中，植被群落也會(huì)明顯退化，造成土壤的粘性加重，越來(lái)越不利于植被生長(zhǎng)[1-3]。石漠化的逐漸加重，還會(huì)造成土壤有機(jī)碳和全氮含量的大幅減少[4]。石漠化會(huì)造成土壤肥力急劇下降，莫斌等[5]通過(guò)構(gòu)建石漠化地區(qū)土壤退化預(yù)警指標(biāo)體系，對(duì)石漠化地區(qū)土壤質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)石漠化對(duì)土壤pH值的影響最小。李孝良等[6]發(fā)現(xiàn)石漠化地區(qū)土壤總庫(kù)容和有效庫(kù)容低，是該地區(qū)土壤易發(fā)生侵蝕性退化的重要原因。不少學(xué)者依據(jù)景觀現(xiàn)狀劃分了石漠化等級(jí)，不同等級(jí)石漠化地區(qū)土壤肥力表現(xiàn)出不同的分異特征[7]。呂飛舟等人[8]以基巖裸露率、植被覆蓋度、坡度和石漠化地區(qū)土層厚度構(gòu)建了石漠化指數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用層次分析法得出了各等級(jí)石漠化指數(shù)的區(qū)間；L.W.Xie等人[9]通過(guò)主成分分析法，對(duì)石漠化地區(qū)的土壤肥力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)石漠化演替對(duì)土壤肥力指標(biāo)有不同影響，有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、微生物量碳、微生物量氮的含量變化是潛在石漠化地區(qū)＞輕度石漠化地區(qū)＞中度石漠化地區(qū)＞重度石漠化地區(qū)，而其他指標(biāo)的含量并不具有這樣的趨勢(shì)；土壤肥力與石漠化等級(jí)是相匹配的，也就是石漠化等級(jí)越高，土壤肥力越低。目前在石漠化研究方面最小數(shù)據(jù)集和土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的研究較少，有必要確定不同石漠化區(qū)域土壤肥力質(zhì)量的最小數(shù)據(jù)集，建立其土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)體系。本研究擬在湖南省西北部3縣4種不同石漠化程度的13個(gè)樣地進(jìn)行植被調(diào)查及土壤樣品分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)主成分分析法確定研究區(qū)土壤肥力質(zhì)量的最小數(shù)據(jù)集，構(gòu)建土壤肥力質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)不同石漠化等級(jí)的土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期通過(guò)分析評(píng)價(jià)結(jié)果，找出不同等級(jí)土壤肥力的分異特征，進(jìn)而為石漠化區(qū)域防治土壤退化提供依據(jù)，為加速石漠化區(qū)地帶性植被常綠闊葉林的恢復(fù)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

湘西北石漠化區(qū)主要是指武陵山褶皺侵蝕和溶蝕的山地區(qū)，位于湖南省西北部（109°10′E～111°29′E，27°44.5′N ～ 30°08′N）， 主 要 由 碳 酸鹽巖構(gòu)成，地處云貴高原北東側(cè)與鄂西山地南西端的結(jié)合部，東南以雪峰山為屏障，武陵山脈由北東向南西斜貫全境，地勢(shì)東南低、西北高，屬于中國(guó)第二階梯的東部邊緣之地。該地區(qū)高大雄偉的山地眾多，地勢(shì)由西北向東南傾斜，平均海拔在800～1 200 m之間。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，大陸性氣候特征明顯。該區(qū)域年平均氣溫15～16.9 ℃，最高氣溫40.5 ℃，最低氣溫零下5.5 ℃。年降水量1 300～1 500mm，無(wú)霜期250～280 d。春夏多雨，秋季干旱多發(fā)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大。該地區(qū)石灰?guī)r分布極廣，巖溶地區(qū)石漠化面積60.41萬(wàn)hm2，潛在石漠化面積73.89萬(wàn)hm2，占全省石漠化和潛在石漠化面積的40.8%和51.4%。

1.2 樣地調(diào)查與土壤采集

本研究參考《湖南省石漠化監(jiān)測(cè)實(shí)施細(xì)則》相關(guān)內(nèi)容，以植被總蓋度、基巖裸露率（BR）、土層厚度（ST）及植被類型4 個(gè)指標(biāo)對(duì)湘西北地區(qū)進(jìn)行石漠化等級(jí)劃分，然后隨機(jī)在龍山、慈利、石門3個(gè)縣內(nèi)選擇潛在石漠化（A）、輕度石漠化（B）、中度石漠化（C）和重度石漠化（D）4個(gè)不同等級(jí)的樣地共13個(gè)（見(jiàn)表1）。在所選取的13個(gè)樣地內(nèi)分別設(shè)置20 m×20 m的樣方，并按“S”型在每個(gè)樣方內(nèi)采集0～20 cm深度的土壤樣品8～12個(gè)并混合均勻，用四分法取大概1 kg土壤樣品，并帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，去除植物根和大塊石粒、過(guò)篩，用于測(cè)定其化學(xué)相關(guān)指標(biāo)和機(jī)械組成，同時(shí)用設(shè)定溫度為4 ℃冰箱內(nèi)保存約200 g鮮樣，用于測(cè)定土壤微生物量碳、微生物量氮、微生物量磷；樣方內(nèi)挖掘土壤剖面，調(diào)查土層厚度（ST）、A層厚度（AT），并取表層土壤環(huán)刀樣，用于測(cè)定土壤容重等指標(biāo)。

表1 樣地基本情況?Table 1 The basic information of the plots

1.3 土壤樣品分析方法

土壤機(jī)械組成（國(guó)際制標(biāo)準(zhǔn)）：砂粒（2～0.05mm, Sand）、粗粉 粒（0.05～0.02mm，Silt-1）、細(xì)粉粒（0.02～0.002mm，Silt-2）、粘粒（＜0.002mm，Clay），采用簡(jiǎn)易比重計(jì)法；容重（BD）、毛管孔隙度（CP）、總孔隙度（BP）、毛管持水量（CMC）采用環(huán)刀法；采用重鉻酸鉀高溫外熱法來(lái)測(cè)定有機(jī)質(zhì)（OM）含量；全氮(TN)采用凱式定氮法；采用氫氧化鈉熔融法測(cè)定全磷(TP)、全鉀(TK)的含量；有效磷(AP)、有效鉀(AK)采用 Mehlich 3 聯(lián)合浸提法；陽(yáng)離子交換量（CEC）采用EDTA—銨鹽快速法；pH值采用酸度計(jì)法（水土比為2.5:1）；土壤微量元素鐵（Fe）、錳（Mn）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鈣（Ca）、鎂（Mg）采用原子吸收分光光度法；微生物量碳、氮、磷(MBC、MBN、MBP)均采用氯仿熏蒸—K2SO4提取法。

1.4 最小數(shù)據(jù)集的確定

最小數(shù)據(jù)集（Minimum Data Set，MDS）是Larson and Pierce 1991年提出的用于評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一種方法[10]，就是可以反映土壤質(zhì)量最少的指標(biāo)參數(shù)集合[11]。本研究采用主成分分析和指標(biāo)相關(guān)性的方法選擇和確定最小數(shù)據(jù)集的評(píng)價(jià)指標(biāo)。主成分分析通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的篩選，能夠減少參評(píng)土壤屬性指標(biāo)的數(shù)量，在一定程度上解決了數(shù)據(jù)冗余的問(wèn)題，但是由于參評(píng)屬性指標(biāo)的減少，也會(huì)造成這些屬性指標(biāo)包含的土壤信息有所缺失[12]，因此本研究通過(guò)計(jì)算變量的Norm值的方法來(lái)克服此缺陷。

按照下列步驟建立最小數(shù)據(jù)集：

（1）用主成分分析法分析所選取指標(biāo)原始數(shù)據(jù)，根據(jù)分析結(jié)果，提取特征值≥1的主成分并計(jì)算每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的Norm值。Norm值的意義就是計(jì)算該指標(biāo)在由各成分組成的多維空間中它矢量常模的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則表明該指標(biāo)在所有主成分中的綜合載荷越大，所含信息量就更加全面。通過(guò)計(jì)算參評(píng)指標(biāo)的Norm值，可以避免因指標(biāo)篩選所造成的信息丟失問(wèn)題。Norm 值的計(jì)算如下：

式中：Nik是第i個(gè)變量在特征值≥1的前k個(gè)主成分上的綜合荷載值；Uik表示第i個(gè)變量在第k個(gè)主成分上的荷載；λk是第k個(gè)主成分的特征值。

（2）依據(jù)載荷矩陣，將每個(gè)主成分下的因子載荷≥0.5的土壤評(píng)價(jià)指標(biāo)分為一組，并計(jì)算每一組中Norm值，選出最大的Norm值和在其10%以內(nèi)的指標(biāo)，作為最小數(shù)據(jù)集的候選指標(biāo)。

（3）對(duì)得到的MDS進(jìn)行相關(guān)性分析，考察指標(biāo)之間的相關(guān)性，即若顯著性相關(guān)（r＞0.5），則選取相關(guān)性最大的指標(biāo)最終的MDS，若相關(guān)性很低，則選取全部指標(biāo)進(jìn)入最終的MDS。匯總各主成分下剩余指標(biāo)則可得到MDS。

1.5 指標(biāo)權(quán)重的確定

權(quán)重是指各項(xiàng)土壤屬性指標(biāo)（肥力因子）對(duì)土壤肥力的影響大小。不同土壤屬性指標(biāo)對(duì)土壤肥力的影響大小不同，因此每個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重也不同。各指標(biāo)屬性指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)在一定程度上也反映了該項(xiàng)指標(biāo)所能反映的土壤肥力信息的大小，采用相關(guān)系數(shù)確定各土壤屬性指標(biāo)的權(quán)重[13]。具體操作是，在得出各個(gè)屬性指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建相關(guān)系數(shù)矩陣R，計(jì)算出各個(gè)肥力指標(biāo)與其他指標(biāo)相關(guān)系數(shù)的平均值和各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)的平均值之和，再求出該平均值與其平均值之和的比值，即可得到各指標(biāo)的權(quán)重[14]。具體計(jì)算公式如下：

式中：W(xi)即各肥力指標(biāo)的權(quán)重值；Xij是第i個(gè)和第j個(gè)肥力指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)。

1.6 灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算

1.6.1 制定參考數(shù)列

x0={x0(1)，x0(2)，……，x0(n)}。設(shè)一“參考數(shù)列”，其各項(xiàng)數(shù)據(jù)根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)測(cè)定擬定為石漠化土壤質(zhì)量各測(cè)定指標(biāo)中的最優(yōu)值[15-16]。

1.6.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)的單位各不相同，并且相差很大，因此，需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，從而使所有數(shù)據(jù)在〔0, 1〕的區(qū)間之內(nèi)。正向指標(biāo)的處理方法為yi=xi/x0，逆向指標(biāo)的處理為yi=1-(xi/x0)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理使所有數(shù)據(jù)在0～1的范圍內(nèi)。其中，xi為參評(píng)指標(biāo)實(shí)際值，i=1，2，3，…，m；x0為參考數(shù)列值。

1.6.3 求絕對(duì)差值

|x0(k)-xi(k)|表示x0數(shù)列與xi數(shù)列在k點(diǎn)的絕對(duì)差；為xi與x0在點(diǎn)k=1，2，3，…，n上的最小絕對(duì)差，即一級(jí)最小差；為因素i=1，2，…，m在點(diǎn)k=1，2，…，n上的最小絕對(duì)差，即二級(jí)最小差；為二級(jí)最大差。

1.6.4 關(guān)聯(lián)系數(shù) ξi(k)

其中ρ為分辨系數(shù)，其取值在0～11之間，一般取ρ=0.5。

1.6.5 加權(quán)關(guān)聯(lián)度γi

求得被評(píng)價(jià)指標(biāo)與參考數(shù)列的加權(quán)關(guān)聯(lián)度，根據(jù)灰色系統(tǒng)理論中關(guān)聯(lián)度分析原則[17]，由于“參考數(shù)列”所反映的土壤肥力質(zhì)量是該地區(qū)中質(zhì)量最高的，如果評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度值越大，則與“參考數(shù)列”越接近，表明其肥力質(zhì)量越高，反之越低。通過(guò)加權(quán)關(guān)聯(lián)度大小的比較，可對(duì)不同石漠化程度的土壤肥力進(jìn)行排序，進(jìn)而對(duì)湘西石漠化區(qū)土壤質(zhì)量進(jìn)行數(shù)量化的綜合評(píng)價(jià)。

1.7 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)處理采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)分析、主成分分析以及關(guān)聯(lián)度分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 最小數(shù)據(jù)集的確定

對(duì)所測(cè)定的30項(xiàng)土壤屬性進(jìn)行主成分分析，結(jié)果表明，特征值大于1的主成分有7個(gè)，其累積貢獻(xiàn)率達(dá)92.63%，可見(jiàn)這7個(gè)主成分可以解釋大部分土壤屬性指標(biāo)所反映的信息（見(jiàn)表2）。將特征值大于等于1和因子載荷大于等于0.5為原則進(jìn)行分組，并根據(jù)公式（1）計(jì)算和比較其Norm值的大小，篩選出來(lái)的指標(biāo)有：第一組為OM、TN、TP、Mn、Cu、Zn、BD、CMC；第二組為pH值、AP、Fe、BP、ST；第三組為CEC、MBN、Sand；第四組為AK、MBP、AT；第五組為C/N；第六組為Silt-1。

然后根據(jù)每組待選指標(biāo)之間的相關(guān)性和Norm值的大小進(jìn)行篩選。在第一分組中，Norm值最高的TN，但是TN與OM、TP、Mn、Cu、Zn、BD、CMC之間都有顯著相關(guān)性，只需保留TN即可，所以第一組中進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集的是TN；在第二組中Norm值最高的是BP，由于BR、TK和Ca的Norm值不在其10%的范圍內(nèi)，故舍去，另pH值和Fe與BP有顯著相關(guān)，亦舍去，剩余的AP與ST是極顯著相關(guān)關(guān)系，但ST的Norm值大于AP，故進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集的是BP、ST；同理，第三組進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集的是CEC、MBN；第四組是AK、MBP、AT；第五組和第六組只有一項(xiàng)指標(biāo)，全部進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。綜上所述，進(jìn)入評(píng)價(jià)指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集MDS的土壤參數(shù)有TN、BP、ST、CEC、MBN、AK、MBP、AT、C/N、Silt-1這 10項(xiàng)指標(biāo)。

2.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析

根據(jù)所得最小數(shù)據(jù)集的結(jié)果，確定參考數(shù)列，文中將各項(xiàng)指標(biāo)的最優(yōu)值設(shè)為參考數(shù)列，x0={5.02，40.14，218.62，17.47，63.39，80.00，42.00，8.58，91.33，30.08}。

為消除由評(píng)價(jià)指標(biāo)物理量綱不同所帶來(lái)的影響，在評(píng)價(jià)之前需要將樣本矩陣中各指標(biāo)及參考數(shù)列無(wú)量綱化處理，文中各項(xiàng)指標(biāo)均采用正向處理方法：yi=xi/x0。

表2 土壤屬性因子載荷矩陣，公因子方差和Norm值Table 2 Soil properties of factor pattern, common factor and Norm values

用得出的絕對(duì)差值和公式（3）計(jì)算各指標(biāo)與參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)程度，即關(guān)聯(lián)度系數(shù)，本文中取ρ=0.5，計(jì)算各指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)（見(jiàn)表3）。

由于指標(biāo)的數(shù)量較多，有必要先確定各個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，再根據(jù)相關(guān)系數(shù)的取值求取權(quán)重的方法（公式（2））確定指標(biāo)權(quán)重（見(jiàn)表4），即W(xi)=（15.64%，10.35%，9.37%，8.18%，11.70%，8.55%，9.11%，8.16%，11.56%，7.37%），表現(xiàn)為TN ＞ BP ＞ MBN ＞ CEC ＞AK ＞ AT ＞ ST ＞ Silt-1 ＞ MBP ＞ C/N，TN 權(quán)重值最高，為15.64%，說(shuō)明湘西北石漠化區(qū)土壤質(zhì)量差異中TN所占比例最大；其次為BP，權(quán)重值為11.70%；最小的是C/N比，只有7.37%，說(shuō)明湘西北石漠化區(qū)土壤質(zhì)量差異中C/N所占比例最小。

本文中關(guān)聯(lián)系數(shù)較多，信息過(guò)于分散，不方便數(shù)據(jù)處理，因此本文中將各指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)集中為一個(gè)值即加權(quán)關(guān)聯(lián)度值。根據(jù)加權(quán)關(guān)聯(lián)度公式（公式4），計(jì)算出各樣地的關(guān)聯(lián)度值（見(jiàn)圖1）。

表3 關(guān)聯(lián)度系數(shù)計(jì)算值Table 3 Values of association coefficient

表4 相關(guān)系數(shù)矩陣及權(quán)重取值?Table 4 Correlation matrix and weight value

在石漠化等級(jí)為A的樣地中，龍山1、慈利4、石門3的加權(quán)關(guān)聯(lián)度值（見(jiàn)圖1）分別為0.729、0.634、0.584，表現(xiàn)為龍山＞慈利＞石門；石漠化等級(jí)為B時(shí)，龍山2、慈利3、石門4的加權(quán)關(guān)聯(lián)度值分別為0.468、0.540、0.561，表現(xiàn)為石門＞慈利＞龍山，與石漠化等級(jí)為A時(shí)各區(qū)域的土壤質(zhì)量差異呈相反的結(jié)果；石漠化等級(jí)為C時(shí)，龍山3、慈利5、石門2的加權(quán)關(guān)聯(lián)度值分別為0.536、0.524、0.605，表現(xiàn)為石門＞龍山＞慈利，與石漠化等級(jí)為A和B時(shí)各區(qū)域土壤質(zhì)量所表現(xiàn)的結(jié)果均不相同；石漠化等級(jí)為D時(shí)，龍山4、慈利1、慈利2、石門1的加權(quán)關(guān)聯(lián)度值分別為0.488、0.52、0.536、0.533，表現(xiàn)為石門＞慈利＞龍山，各區(qū)域土壤質(zhì)量表現(xiàn)與石漠化等級(jí)為B時(shí)一樣的結(jié)果。

圖1 各樣地的加權(quán)關(guān)聯(lián)度Fig.1 The weighted correlation of different sample plots

總體來(lái)看，A、B、C、D不同石漠化等級(jí)下，對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)度值的平均得分情況為0.649、0.523、0.555、0.519，表現(xiàn)為A＞C＞B＞D，出現(xiàn)了石漠化等級(jí)為C時(shí)的關(guān)聯(lián)度值平均得分高于B等級(jí)，原因可能是原有的石漠化等級(jí)劃分的標(biāo)準(zhǔn)不完善。

從各區(qū)域綜合情況來(lái)看，石門、慈利、龍山三地的石漠化區(qū)土壤質(zhì)量綜合加權(quán)關(guān)聯(lián)度值得分分別為0.571、0.555、0.550，表現(xiàn)為石門＞慈利＞龍山，變異系數(shù)為1.90%，說(shuō)明三地之間整體質(zhì)量雖有區(qū)別，但差異并不大。

從各指標(biāo)與各樣地的加權(quán)關(guān)聯(lián)度值的相關(guān)程度（見(jiàn)表4）來(lái)看，其相關(guān)程度表現(xiàn)為TN＞BP＞CEC＞Silt-1＞ST＞C/N＞AT＞MBN＞MBP＞AK，其中，TN和BP與加權(quán)關(guān)聯(lián)度值是極顯著相關(guān)（P＜0.01），而MBN呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論與討論

（1）為避免主成分分析法在最小數(shù)據(jù)集時(shí)可能引起變量在其他特征值大于1的主成分上信息的丟失，本文在主成分分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合Norm值，建立了湘西石漠化區(qū)土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集（MDS）。研究[18-22]表明，結(jié)合Norm值可以對(duì)研究因子MDS的選擇更加完善。本研究的最小數(shù)據(jù)集包括全氮（TN）、總孔隙度（BP）、土層厚度（ST）、陽(yáng)離子交換量（CEC）、微生物量氮（MBN）、有效鉀（AK）、微生物量磷（MBP）、A層厚度（AT）、C/N比、土壤粗粉粒（Silt-1）共10個(gè)指標(biāo)。

（2）潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化、重度石漠化（分別為A、B、C、D）對(duì)應(yīng)等級(jí)下的土壤質(zhì)量得分均值分別為0.649、0.523、0.555、0.519，土壤質(zhì)量得分總體表現(xiàn)為潛在石漠化＞中度石漠化＞輕度石漠化＞重度石漠化。表明該地區(qū)土壤肥力基本趨勢(shì)是石漠化等級(jí)越高，其土壤肥力質(zhì)量會(huì)越低，但略有差別。

（3）石門、龍山和慈利三地的石漠化區(qū)土壤質(zhì)量綜合加權(quán)關(guān)聯(lián)度值變異系數(shù)僅為1.90%，表明三地之間整體土壤質(zhì)量雖有區(qū)別，但差異并不大。

（4）在MDS評(píng)價(jià)體系中，TN和BP與加權(quán)關(guān)聯(lián)度值是極顯著相關(guān)，表明對(duì)湘西北石漠化區(qū)的土壤質(zhì)量影響最大。

4 研究不足和研究展望

本研究依據(jù)MDS初步建立了湘西北石漠化區(qū)土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法，綜合分析了湘西北石漠化區(qū)土壤肥力的變化情況。這些研究成果可以為湘西地區(qū)石漠化治理提供一定依據(jù)。由于石漠化地區(qū)分布并不連續(xù)，再加上這些地區(qū)往往是生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，植被、氣候以及人為因素很容易對(duì)該地區(qū)土壤造成巨大影響，因此簡(jiǎn)單地以植被蓋度、土層厚度和植被類型來(lái)劃分石漠化等級(jí)是不盡合理的。今后研究可以側(cè)重在以下兩個(gè)方面：

（1）進(jìn)一步完善石漠化等級(jí)劃分方法。目前劃分石漠化等級(jí)的指標(biāo)主要是地表景觀指標(biāo)，這些指標(biāo)比較容易測(cè)定但是往往不能準(zhǔn)確反映土壤的真實(shí)肥力狀況，因此，在石漠化等級(jí)的劃分時(shí)，可以適當(dāng)加入對(duì)土壤肥力影響較大的土壤性質(zhì)的內(nèi)在定量指標(biāo)予以綜合判定。

（2）對(duì)不同石漠化等級(jí)下的土壤肥力指標(biāo)的相關(guān)性變異進(jìn)行研究。這一研究有助于我們對(duì)土壤內(nèi)部環(huán)境變化對(duì)土壤肥力的影響進(jìn)行全面了解，可以掌握石漠化地區(qū)土壤肥力演替的規(guī)律。

[1]龍 健,江新榮,鄧啟瓊,等. 貴州喀斯特地區(qū)土壤石漠化的本質(zhì)特征研究[J]. 土壤學(xué)報(bào),2005,42(3):419-427.

[2]龍 健,鄧啟瓊,江新榮,等. 貴州喀斯特石漠化地區(qū)土地利用方式對(duì)土壤質(zhì)量恢復(fù)能力的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),2005,25(12): 3188-3195.

[3]劉 方,王世杰,劉元生,等. 喀斯特石漠化過(guò)程土壤質(zhì)量變化及生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),2005,25(3):639-644.

[4]龍 健,李 娟,汪境仁,等. 典型喀斯特地區(qū)石漠化演變過(guò)程對(duì)土壤質(zhì)量性狀的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào),2006,20(2):77-81.

[5]莫 彬,曹建華,徐祥明,等. 巖溶石漠化演替階段土壤質(zhì)量退化的預(yù)警指標(biāo)評(píng)價(jià)[J]. 水土保持研究,2007,14(3):16-18.

[6]Xie L W, Zhong J, Cao F X,et al.Evaluation of soil fertility in the succession of karst rocky desertification using principal component analysis[J]. Solid Earth, 2015, 6(2): 515-524.

[7]李孝良,陳效民,周煉川,等. 西南喀斯特石漠化過(guò)程對(duì)土壤水分特性的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào),2008,22(5):198-203.

[8]呂飛舟,石程遠(yuǎn),李典軍,等. 廣西鳳山縣林地石漠化指數(shù)研究[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(9):104-108.

[9]鐘 杰. 湘中石漠化地區(qū)土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)[D].長(zhǎng)沙：中南林業(yè)科技大學(xué),2013.

[10]劉金山,胡承孝,孫學(xué)成,等. 基于最小數(shù)據(jù)集和模糊數(shù)學(xué)法的水旱輪作區(qū)土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 土壤通報(bào),2012, 43(5):1145-1150.

[11]向 武,周衛(wèi)軍,于良藝,等. 低山油茶林土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集的建立[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,(3):44-46.

[12]張世文,葉回春,胡友彪,等. 多時(shí)空尺度的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集的建立[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(17):7487-7492.

[13]曹承綿,嚴(yán)長(zhǎng)生,張志明，等. 關(guān)于土壤肥力數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)的探討[J]. 土壤通報(bào),1983(4):13-15.

[14]呂曉男,陸允甫,王人潮. 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)初步研究[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào):農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版,1999,25(4):38-42.

[15]張同娟,楊勁松,劉廣明,等. 長(zhǎng)江河口地區(qū)土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)研究——以啟東市為例[J]. 土壤通報(bào),2011,42(3):513-517.

[16]劉智超,趙姚陽(yáng). 基于灰色關(guān)聯(lián)法和熵值法的南京市土地集約利用影響因素分析[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,(1):188-192.

[17]李月芬,湯 潔,李艷梅. 用主成分分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析評(píng)價(jià)草原土壤質(zhì)量[J]. 世界地質(zhì),2004,23(2):169-174+200.

[18]王 飛,李清華,林 誠(chéng),等. 福建冷浸田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子的最小數(shù)據(jù)集[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2015,26(5):1461-1468.

[19]黃 婷,岳西杰,葛璽祖,等. 基于主成分分析的黃土溝壑區(qū)土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)——以長(zhǎng)武縣耕地土壤為例[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2010,28(3):141-147+187.

[20]王啟蘭,王 溪,曹廣民,等. 青海省海北州典型高寒草甸土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2011,22(6):1416-1422.

[21]李桂林,陳杰,孫志英,等. 基于土壤特征和土地利用變化的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集確定[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),2007,27(7):2715-2724.

[22]劉占鋒,傅伯杰,劉國(guó)華,等. 土壤質(zhì)量與土壤質(zhì)量指標(biāo)及其評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),2006,26(3):901-913.

Soil quality evaluation in rocky deserti fi cation of northwest Hunan province based on gray correlation analysis

TANG Fei-feia,b,c, DENG Yan-lina,b,c, ZHENG Maoa,b,c, GUO Huia,b,c, CAO Fu-xiangd, WU Li-caoa,b,c
(a.Key Laboratory of Cultivation and Protection for Non-Wood Forest Trees, Ministry of Education; b.Key Lab of Non-wood Forest Products of State Forestry Administration; c. Cooperative Innovation Center of Cultivation and Utilization for Non-Wood Forest Trees of Hunan Province; d. Life Science and Technology College, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004,Hunan, China)

Soil depletion and vegetation destruction caused by rocky deserti fi cation(RD) , has severely restricts the development of local economy. Dividing the soil fertility quality according to the degree of RD and establishing the soil fertility quality evaluation system can provide technical support about the recovery of evergreen broad-leaved forest in the accelerating rocky deserti fi cation area. Based on the investigation of plant cover and the analysis of soil sample of thirteen sample plots which are in four different degree of RD in three county of the northwest of Hunan province, using principal component analysis and correlation analysis method, we build the minimum data set about the indicator system on the evaluation of soil fertility, fi nally we get the score of soil fertility through grey correlation analysis method. The result shows: (1) The minimum data for soil fertility in northwest rocky deserti fi cation area in Hunan province is ST, AT, Silt-1, BP, TN, AK, CEC, MBN, MBP, C/N. (2)The mean score of grey correlation degree of potential rocky deserti fi cation,light rocky deserti fi cation, moderate rocky deserti fi cation, severe rocky deserti fi cation is 0.649,0.523,0.555,0.519 respectively, the trend is potential RD ＞ light RD ＞ moderate RD ＞ severe RD. (3) The comprehensive weighted correlation degree score of soil fertility of Shimen, Cili and Longshan is 0.571, 0.555, 0.550 respectively, the trend is Shimen ＞ Cili ＞ Longshan, the variable coef fi cient is 1.90%.(4) The weighted correlation degree between TN、BP and each sample plot is signi fi cant related. The conclusion shows that the higher degree of the RD is, the lower the soil fertility is; although the general quality of Shimen, Cili and Longshan is lightly different, but not so big; TN and BP have a big difference on the soil fertility in Hunan northwest area in the evaluation system of soil fertility.

rocky deserti fi cation; soil fertility; grey correlation analysis; quality evaluation; northwest area in Hunan province

S714.8

A

1673-923X(2016)09-0036-08

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.09.007

2015-05-10

國(guó)家公益性行業(yè)專項(xiàng)“湘鄂石漠化地區(qū)常綠闊葉林恢復(fù)研究”（201104016）；科技部科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)“中國(guó)森林土壤調(diào)查、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建”（2014FY120700）

唐菲菲，碩士研究生

吳立潮，教授，博士；E-mail：wulichao@sina.com

唐菲菲，鄧艷林，鄭 茂，等. 基于灰色關(guān)聯(lián)分析的湘西北石漠化區(qū)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(9):36-43.

[本文編校：謝榮秀]