楊維鴿,趙 培,葉媛媛,張紅俠,梁世全

(1.商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院,陜西 商洛 726000; 2.商洛學(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院,陜西 商洛 726000)

土壤質(zhì)量是土壤在生態(tài)系統(tǒng)范圍內(nèi)維系生物生產(chǎn)能力、保護環(huán)境質(zhì)量和促進動植物健康的能力,是土壤物理、化學(xué)及生物性質(zhì)的綜合反映[1,2]。森林土壤給森林植被提供必需的水、肥、氣、熱等生存條件,是森林生態(tài)系統(tǒng)中各種營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化的中轉(zhuǎn)站,關(guān)乎森林的健康發(fā)展[2]。評價森林土壤質(zhì)量狀況,可為林木的健康生長、森林的良性經(jīng)營和森林土壤資源可持續(xù)利用等方面提供重要科學(xué)依據(jù)。

國內(nèi)外有關(guān)土壤質(zhì)量的研究主要集中在評價土壤質(zhì)量水平方面[3]。目前,土壤質(zhì)量的評價首先多采用最小數(shù)據(jù)集法(minimum data set,MDS)和全量數(shù)據(jù)集(total data set,TDS)確定評價的指標體系,然后采用土壤質(zhì)量指數(shù)模型進行計算[3～11]。如Govaerts等基于MDS評估了墨西哥高原地區(qū)小麥和玉米農(nóng)田土壤質(zhì)量[12]。Rahmanipour等基于MDS評估了伊朗加茲溫省的土壤質(zhì)量[13]。李桂林等對MDS進行了優(yōu)化,提出將各要素在各主成分上的綜合載荷作為土壤指標的選取標準[14]。張連金等對北京九龍山不同林分的土壤質(zhì)量進行了綜合評價[15]。王改玲等選取了8項土壤理化性質(zhì)計算了6種不同人工植被的土壤質(zhì)量指數(shù),發(fā)現(xiàn)檸條和苜蓿能很好地改善土壤質(zhì)量[16]。周俊英等對黃土高原地區(qū)土壤用14項指標進行了綜合質(zhì)量評價[17]。熊新武等探索了核桃林土壤肥力的主要影響因子[18]。郭雄飛等研究了不同造林方法對森林土壤質(zhì)量的影響[19]。

秦嶺是我國重要的山地森林生態(tài)系統(tǒng),其人工林地土壤質(zhì)量的水平在其林業(yè)改善和生態(tài)環(huán)境建設(shè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。以往學(xué)者對秦嶺山區(qū)人工林地土壤質(zhì)量的研究多集中于人工林土壤某幾項性質(zhì)的研究,基于最小數(shù)據(jù)集和全量數(shù)據(jù)集法對秦嶺山區(qū)人工林土壤質(zhì)量進行綜合評價尚少。鑒于此,本文測定了秦嶺山區(qū)典型人工林地耕層土壤物理化學(xué)指標13項,采用最小數(shù)據(jù)集法和全量數(shù)據(jù)集法兩種方法評價秦嶺山區(qū)不同人工林地的土壤質(zhì)量水平,并分析其特征。旨在為秦嶺山區(qū)人工林土壤質(zhì)量評價方法以及人工林的經(jīng)營和管理提供相關(guān)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

地處秦嶺山區(qū)的金鳳山位于陜西省商洛市北部,109°56′～109°57′E,33°52′～33°53′N,海拔約為930 m,東臨東龍山,西接二龍山,北靠戴云山,正對“南大門”,與龜山遙相呼應(yīng)。因地形像鳳凰展翅,被人們稱為“金鳳山”。氣候?qū)儆谀吓瘻貛虮眮啛釒н^渡的大陸性山地季風(fēng)氣候,年均溫為11～14 ℃,最高37～40.8 ℃,最低-11.8～-21.6 ℃,年均降水量710～930 mm,日照超過1 860～2 030 h,無霜期為210 d,呈現(xiàn)出四季分明,冬干夏濕,干濕分明的氣候特征。土壤以黃棕壤、棕壤為主,呈酸性反應(yīng)。土地利用方式以林業(yè)用地為主,是典型的人工林分布區(qū),森林植被以喜濕性針闊葉樹為主,混生有少量的常綠闊葉樹種[20]。

1.2 土壤樣品采集和測定方法

1.2.1 土壤樣品采集

2018年3月下旬在金鳳山東南坡由坡下到坡頂依次采集林齡均為16年的核桃(Juglasregia)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)、白皮松(Pinusbungeana)和橡樹(QuercuspalustrisMünchh)林 地土壤樣品。采樣時,每個樣點用容積為100 cm3的不銹鋼環(huán)刀采集原狀土壤樣,測定土壤容重和總孔隙度;用鋁盒采集原狀土壤樣,測定土壤團聚體;用鐵鍬采集深度為0～20 cm的混合土壤樣,用于測定土壤化學(xué)指標。共采集26個土壤樣品。土壤樣品帶回實驗室后先自然風(fēng)干,風(fēng)干過程中除去石塊、樹根和枯枝落物等。然后,將土樣一部分研磨后過1 mm篩,用于測定土壤pH值;另一部分土樣研磨后過0.25 mm篩,用于測定土壤其他化學(xué)指標。

1.2.2 土壤樣品測定方法

土壤物理指標的測定方法:采用環(huán)刀法測定土壤容重、總孔隙度;用105 ℃烘干法測定土壤含水量;采用濕篩法測定土壤團聚體。使用土壤團聚體平均重量直徑(mean weight diameter,MWD)及幾何平均直徑(geometric mean diameter,GMD)表征土壤團聚體的穩(wěn)定性。計算公式為:

式(1)和(2)中,為i粒級團聚體的平均直徑;ωi為i粒級團聚體的質(zhì)量百分比。

土壤化學(xué)指標的測定方法:用酸度計測定土壤pH值;重鉻酸鉀法測定土壤有機質(zhì);水楊酸鈉法測定土壤銨態(tài)氮和總凱氏氮;硫酸肼法測定土壤硝態(tài)氮;磷鉬藍法測定土壤速效磷和全磷;土壤樣品前處理后使用德國全自動間斷化學(xué)分析儀(Clever Chem Anna)上機測定,每個樣品的每個指標均進行3次平行測定。

1.3 土壤質(zhì)量評價方法

選取常用的全量數(shù)據(jù)集(total data set,TDS)和最小數(shù)據(jù)集(minimum data set,MDS)兩種方法評價土壤質(zhì)量水平。全量數(shù)據(jù)集法是將所有測定的土壤指標作為同等重要程度來評價土壤質(zhì)量,優(yōu)點是將所測指標都進行分析,包含了土壤的全部信息,結(jié)果具有準確性和科學(xué)性,缺點是計算量很大,過程繁雜。運用全量數(shù)據(jù)集法進行分析的步驟如下:(1)對全部的指標進行因子分析,得出公因子方差矩陣,算出權(quán)重值;(2)對全部指標進行隸屬度計算;(3)再根據(jù)隸屬度和權(quán)重值得出所有土壤指標的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(Soil Quality Index,SQI)。最小數(shù)據(jù)集法是利用主成分分析法(Principal Component Analysis,PAC)將所有的土壤指標縮小為只含有幾個極具敏感性指標的一個指標體系,最小數(shù)據(jù)集中的指標能夠包含大部分所測土壤的質(zhì)量信息。運用最小數(shù)據(jù)集法分析的步驟:(1)對全部指標進行相關(guān)性分析及KMO值檢驗;(2)最小數(shù)據(jù)集指標體系的確定;(3)土壤綜合質(zhì)量的計算。

1.3.1 KMO檢驗

KMO(Kaiser Meyer Olkin measure)檢驗統(tǒng)計量是用于比較相關(guān)量與偏相關(guān)量的一個相對指數(shù),KMO值越接近于1,表明變量之間相關(guān)性越強,越適合做因子分析,反之,則越不適合做因子分析。KMO值的度量標準:大于0.9為非常適合;0.8到0.9之間為適合;0.7到0.8之間為一般;0.6到0.7之間為不太適合;低于0.5則表示極不適合[21]。巴特利特球形度檢驗(Bartlett’s test of sphericity)用于檢驗各變量之間的相關(guān)性程度,用來判斷變量之間是否可進行因子分析。若檢驗的結(jié)果拒絕原假設(shè)(P＜0.05),則表明適合做因子分析,反之,則應(yīng)慎重考慮做因子分析[18]。

1.3.2 最小數(shù)據(jù)集指標篩選方法

首先,對所有評價指標進行主成分分析,確定分組。將特征值＞1的主成分中因子載荷值絕對值＞0.5的土壤指標列為一組。如果某一種評價指標的因子載荷在不同的主成分中均＞0.5,則將此指標歸并到與其它指標相關(guān)性較低的組中[21]。然后,分析每組中指標間的相關(guān)性,若某指標與該組中其它指標的相關(guān)系數(shù)均＜0.3,說明此組中的其它指標都不能代替該指標含有的土壤質(zhì)量因子,則需要將該指標從此組中分離出來單獨列為一組[21]。據(jù)此方法依次進行分組。但此法僅考慮了某個指標在一個主成分上的載荷,存在該指標在其他特征值≥1的主成分上丟失信息的可能。因此,引入Norm值(矢量常模)解決數(shù)據(jù)冗長和信息缺失的問題[16]。Norm值的幾何意義是某一變量在由主成分組成的多維空間中矢量常模的長度,其長度越長,表明其對所有主成分的綜合載荷越大,則該變量解釋土壤質(zhì)量綜合信息的能力越強[21,22]。根據(jù)Norm值大小,選取每組最高Norm值的10%范圍內(nèi)的指標,將其定義為高權(quán)重指標。最后,對高權(quán)重指標采用多元相關(guān)系數(shù)法進行相關(guān)分析,若指標間的相關(guān)系數(shù)＞0.5,表明該類指標反映的土壤質(zhì)量信息有重疊,則只選擇Norm值最大的指標進入MDS,若指標之間相關(guān)系數(shù)＜0.3,則這些指標都選入MDS[15]。Norm值的計算公式如下:

式(3)中,Nik為第i個指標在特征值大于1的前k個主成分的Norm值;Uik為第i個指標在第k個主成分上的因子載荷值;λk為第k個主成分的特征值。

1.3.3 土壤質(zhì)量綜合指數(shù)（SQI）計算方法

選取的土壤指標為土壤容重、總孔隙度、含水量、飽和含水量、MWD、GMD、土壤pH值、有機質(zhì)、銨態(tài)氮、總氮、硝態(tài)氮、速效磷、全磷。由于土壤各指標的變化具有連續(xù)性和不確定性,因此,為了避免變量量綱對計算結(jié)果的影響,保證結(jié)果的科學(xué)性和客觀性,對土壤各指標使用隸屬度函數(shù)進行標準化處理。隸屬度函數(shù)分為升型和降型函數(shù)兩種,計算公式為:

式(4)和(5)中,x為土壤的某一指標值,a和b分別為各個土壤指標的最小值和最大值。在所選取的13項土壤理化指標中,除土壤容重采取降型分布函數(shù)計算隸屬度以外,其他指標均采用升型分布函數(shù)計算其隸屬度。

由于所選取的指標在土壤重量中具有不同的重要程度,需要確定各指標權(quán)重。數(shù)據(jù)處理中一般使用權(quán)重系數(shù)來反映指標的重要程度。使用主成分分析得到各土壤指標的載荷量和方差貢獻率,確定各指標的權(quán)重系數(shù)。計算公式如下:

式(6)中,Wi為第i個評價指標的權(quán)重;D(xi)為各評價指標的公因子方差。

確定了土壤各評價指標因子的權(quán)重系數(shù)和隸屬度后,運用加權(quán)方法計算各樣點土壤質(zhì)量指數(shù)。其計算公式為:

式(7)中,SQI為土壤質(zhì)量綜合指數(shù);n為指標個數(shù);Wi和f(x)分別為第i個指標的權(quán)重系數(shù)和隸屬度。SQI值介于0到1之間,當SQI越接近于0時,表示土壤質(zhì)量越差;SQI數(shù)值越接近于1,表明土壤質(zhì)量越高。根據(jù)人工林地土壤質(zhì)量指數(shù)大小,將人工林地土壤質(zhì)量指數(shù)等距劃分為5個等級:低(0≤SQI≤0.2),較低(0.2＜SQI≤0.4),中等(0.4＜SQI≤0.6),較高(0.6＜SQI≤0.8),高(0.8＜SQI≤1)[23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理和圖形生成采用Excel 2010和SPSS 18.0軟件。不同人工林地土壤各指標的相關(guān)性使用相關(guān)性分析處理,評價土壤質(zhì)量的最小數(shù)據(jù)集指標通過主成分分析確定。

2 結(jié)果分析

2.1 基于全量數(shù)據(jù)集(TDS)法的不同林地土壤質(zhì)量評價

首先,對13項土壤參評指標進行KMO和Bartlett檢驗,判斷其是否適合做因子分析。不同人工林地土壤各指標的KMO值為0.714,且Bartlett拒絕原假設(shè)(P=0.000),表明可以對所有參評指標進行因子分析。

然后,對13項評價指標進行主成分分析,依據(jù)公式(6)計算各評價指標的權(quán)重值(表1)。根據(jù)公式(7),計算不同林地土壤質(zhì)量指數(shù)(圖1)。

表1 公因子方差及權(quán)重Table 1 Common factor variance and weight

圖1 基于TDS的不同人工林地土壤質(zhì)量指數(shù)變化Figure 1 Changes of soil quality index (SQITDS) based on TDS in different article forest

人工林地SQITDS處于較低等級的樣點比例為11.54%,處于“中等”等級的樣點比例為57.69%,處于“較高”等級以上的樣點比例為30.77%,沒有樣點的土壤質(zhì)量處于“高”等級。秦嶺人工林地SQITDS等級以“中等”、“較高”為主,“高”耕層土壤質(zhì)量等級沒有,可知人工林地土壤質(zhì)量總體較好。不同林地土壤質(zhì)量指數(shù)從大到小依次為,核桃林＞刺槐林＞白皮松林＞構(gòu)樹林＞橡樹林。核桃林SQITDS變化范圍為0.58～0.73,極差為0.15,均值為0.67,變異系數(shù)為9.38%,屬弱變異,土壤質(zhì)量水平處于“較高”水平;刺槐林SQITDS變化范圍為0.44～0.77,極差為0.33,均值為0.58,變異系數(shù)為19.38%,屬中等變異,變異性較強,土壤質(zhì)量水平處于“中等”水平;構(gòu)樹林SQITDS變化范圍為0.39～0.57,極差為0.18,均值為0.46,變異系數(shù)為20.96%,屬中等變異,變異性較強,土壤質(zhì)量水平處于“中等”水平;橡樹林SQITDS變化范圍為0.26～0.48,極差為0.22,均值為0.38,變異系數(shù)為27.53%,屬中等變異,變異性較強,土壤質(zhì)量水平處于“較低”水平。核桃林和刺槐林的土壤質(zhì)量水平較高,主要原因是核桃林和刺槐林地坡度小,土壤以沉積作用為主,土層較厚,土壤養(yǎng)分富集。橡樹林坡度大,土壤以侵蝕作用為主,土層變薄,養(yǎng)分流失,土壤質(zhì)量水平較低,因此,需要識別出橡樹林地土壤質(zhì)量的限制因子,針對限制因子有針對性的實施土壤質(zhì)量調(diào)控措施,提高橡樹林地的土壤質(zhì)量水平。

2.2 基于最小數(shù)據(jù)集(MDS)法的不同林地土壤質(zhì)量評價

2.2.1 MDS指標確定

因各評價指標之間存在交互作用而導(dǎo)致信息重疊,因此,對13項土壤指標進行主成分分析,可減少評價指標的數(shù)量,消除冗余信息。主成分分析表明前5個主成分的特征值大于1,累計貢獻率達82.329%(表2)。土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、全氮、MWD、GMD為第一組,第一組中無任何一個指標與其他指標相關(guān)系數(shù)均小于0.3,且硝態(tài)氮為該組最高Norm值,無其他高權(quán)重指標,因此第一組只選取Norm值最高的硝態(tài)氮為高權(quán)重指標。容重、飽和含水量為第二組,第二組中兩個指標的相關(guān)性大于0.3,且容重為最高Norm值,飽和含水量為最高權(quán)重指標,因此,第二組兩個指標均為高權(quán)重指標。pH、有機質(zhì)為第三組,第三組中兩個指標相關(guān)性小于0.3,因此都為該組高權(quán)重指標。全磷、含水量為第四組,第四組中兩個指標相關(guān)性大于0.3,且只有最高Norm值的含水量為高權(quán)重指標(表3)?？紫抖葐为殲榈谖褰M。進一步依對選中的7個高權(quán)重指標進行相關(guān)性分析(表4)。選取高權(quán)重指標中與其他相關(guān)系數(shù)大于0.5且Norm值高的指標作為最終的MDS,第一組無指標進入MDS,第二組容重進入MDS,第三組pH、有機質(zhì)進入MDS,第四組含水量進入MDS,第五組孔隙度進入MDS。最終確定研究區(qū)土壤的MDS為容重、pH、有機質(zhì)、含水量、孔隙度,且MDS各個指標之間相關(guān)系數(shù)均低于0.5,兩兩指標之間呈線性不相關(guān)關(guān)系,指標之間反映土壤質(zhì)量信息不具有重疊性;與其他被淘汰的指標相關(guān)性顯著,能夠在一定程度上代替未被選入的因子的土壤質(zhì)量信息。再對進入最小數(shù)據(jù)集的5個指標進行主成分分析,計算各指標的權(quán)重(表5)和不同林地下土壤質(zhì)量指數(shù)SQIMDS(圖2)。

圖2 基于MDS的不同林地下的土壤質(zhì)量指數(shù)變化Figure 2 Changes of soil quality index (SQIMDS) based on MDS in different article forest

表2 主成分的載荷矩陣與MDS指標確定Table 2 Load matrix of Principal component and the index determination of the minimum data set

表3 各組內(nèi)指標相關(guān)系數(shù)Table 3 Index correlation coefficient in each group

表4 高權(quán)重指標相關(guān)系數(shù)Table 4 Relevance coefficient of high weight index

表5 MDS指標的公因子方差及權(quán)重Table 5 Community and weight of the index in minimum data set

進入MDS的5個指標包括選取的土壤含水量、孔隙度、容重、pH、有機質(zhì),且相關(guān)性檢驗表明,MDS與其他指標均呈極顯著相關(guān)(P≤0.01)或顯著性相關(guān)(P≤0.05),這說明MDS在很大程度上反映了其他指標所代表的土壤質(zhì)量信息,表明在進行土壤質(zhì)量評價時,采用MDS指標對土壤質(zhì)量進行評價具有參考價值和可行性。土壤含水量、孔隙度、容重、pH、有機質(zhì)的權(quán)重分別為0.09、0.24、0.30、0.17、0.20,土壤容重的權(quán)重最大,表明土壤容重對人工林地土壤質(zhì)量水平的貢獻率最大,是評價土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標。土壤孔隙度的權(quán)重略小于土壤容重,表明土壤孔隙度也是影響人工林地土壤質(zhì)量水平的重要指標。指標權(quán)重值最小的是土壤含水量,權(quán)重值小于0.10,說明土壤含水量對人工林地土壤質(zhì)量水平的貢獻率相對較小。

2.2.2 基于MDS的不同林地土壤質(zhì)量變化特征

基于MDS評價的不同人工林地SQIMDS處于較低等級的樣點占比為3.85%,處于“中等”水平等級的樣點占比為38.46%,處于“較高”水平等級以上的樣點占比為53.85%,處于“高”等級樣點比例為3.85%。秦嶺人工林地SQIMDS水平以“中等”和“較高”水平為主,“高”水平土壤質(zhì)量等級占比較少,人工林地土壤質(zhì)量總體較好,這與SQITDS評價的結(jié)果一致?；贛DS評價的不同人工林地土壤質(zhì)量指數(shù)從大到小為:核桃林＞刺槐林＞白皮松林＞構(gòu)樹林＞橡樹林,這與基于TDS評價的結(jié)果一致。核桃林SQIMDS變化范圍為0.53～0.87,均值為0.68,極差為0.34,變異系數(shù)為19.33%,為中等變異;刺槐林SQIMDS變化范圍為0.53～0.71,均值為0.65,極差為0.18,變異系數(shù)為8.81%,屬弱變異;構(gòu)樹林SQIMDS變化范圍為0.54～0.60,均值為0.57,極差為0.06,變異系數(shù)為5.26%,屬弱變異;橡樹林SQIMDS變化范圍為0.39～0.66,均值為0.53,極差為0.27,變異系數(shù)為21.35%,屬中等變異。

2.3 兩種方法評價結(jié)果對比

從計算結(jié)果來看,SQIMDS均值為0.54±0.13,變異系數(shù)Cv為15.05%;SQITDS均值為0.62±0.09,變異系數(shù)為23.50%,說明SQIMDS波動幅度相對較小(Cv＜20%),SQITDS波動幅度相對較大(Cv＞20%),但SQIMDS和SQITDS均值差異較小,且二者相關(guān)性較高(r2=0.702**,n=26)。通常使用1∶1線來反映2個被比較對象的一致性。圖3為SQITDS和SQIMDS的1∶1線。

圖3 SQITDS和SQIMDS結(jié)果比較Figure 3 Comparison of SQITDS and SQIMDS results

SQIMDS和SQITDS點以距1∶1線比較接近的距離均勻地分布在1∶1線兩側(cè),且數(shù)據(jù)點在1∶1線兩側(cè)波動幅度相對較小,說明SQIMDS和SQITDS的對應(yīng)關(guān)系較好,也表明使用最小數(shù)據(jù)集指標評價的土壤質(zhì)量指數(shù)結(jié)果精度較高。進一步使用確定性系數(shù)(Ef)和相對偏差系數(shù)(Er)驗證SQIMDS與SQITDS的一致性[24],確定性系數(shù)值為0.778,相對偏差系數(shù)值為0.037,說明基于最小數(shù)據(jù)集指標計算的土壤質(zhì)量指數(shù)值與所有指標計算的土壤質(zhì)量指數(shù)值較為接近,且相對偏差十分小,再次證實SQIMDS值精度較高可信,可見,MDS指標可用于秦嶺山區(qū)人工林地土壤質(zhì)量的評價。

3 結(jié)論

本文基于全量數(shù)據(jù)集法和最小數(shù)據(jù)集法,采用土壤質(zhì)量綜合評價指數(shù)評價了秦嶺山區(qū)核桃林、刺槐林、構(gòu)樹林、橡樹林和白皮松林5種典型人工林地的土壤質(zhì)量水平。得出的主要結(jié)果如下:

(1)基于TDS和MDS兩種土壤質(zhì)量評價方法得出的結(jié)果相近,5種典型人工林地土壤質(zhì)量指數(shù)大小依次為:核桃林＞次槐林＞白皮松林＞構(gòu)樹林＞橡樹林。秦嶺人工林地等級以“中等”、“較高”為主,人工林地土壤質(zhì)量總體較好。但橡樹林地需在精準識別人工林地障礙因子的基礎(chǔ)上,實施有針對性的土壤質(zhì)量調(diào)控措施,以提高橡樹林地的土壤質(zhì)量。

(2)主成分分析結(jié)果表明,秦嶺山區(qū)典型人工林地的13項理化指標中適用于MDS的指標包括容重、pH、有機質(zhì)、含水量、孔隙度。

(3)SQIMDS與SQITDS之間的確定性系數(shù)為0.778,相對偏差系數(shù)為0.037,說明MDS計算的不同人工林地土壤質(zhì)量指數(shù)與所有指標計算值較為接近,且相對偏差十分微小,評價精度較高,主成分分析確定的MDS指標可用于秦嶺山區(qū)人工林地土壤質(zhì)量的評價。