陳 琳，趙陟峰，趙廷寧，王 娟

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

半干旱黃土地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡劣，土壤貧瘠，人工植被恢復(fù)顯得尤為重要。土壤理化性質(zhì)在植被恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)范圍內(nèi)，可維持林木生長(zhǎng)、防治水土流失、保護(hù)環(huán)境質(zhì)量以及促進(jìn)動(dòng)植物健康［1］。土壤理化性質(zhì)與土壤形成因素及不同植被配置引起的動(dòng)態(tài)變化有關(guān)。不同森林配置結(jié)構(gòu)對(duì)土壤擾動(dòng)迥異，從而對(duì)土壤理化性質(zhì)改良也具有差異性，張俊華等［2］、彭文英等［3］、黃和平等［4］、陸樹(shù)華等［5］對(duì)南北方地區(qū)不同時(shí)期植被恢復(fù)對(duì)土壤理化性質(zhì)改良做了相關(guān)研究，王樹(shù)力［6］在東北地區(qū)研究了不同經(jīng)營(yíng)類型紅松林對(duì)土壤性質(zhì)的影響，在黃土地區(qū)不同學(xué)者對(duì)理化性質(zhì)的相關(guān)性、不同土壤類型、不同土地利用對(duì)土壤理化性質(zhì)差異對(duì)比做了諸多研究。

本文通過(guò)研究區(qū)10個(gè)典型人工林配置模式，采取因子分析法、系統(tǒng)聚類法等定量分析方法，對(duì)不同林下土壤理化性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比研究，旨在科學(xué)地評(píng)價(jià)不同人工林模式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，以期在人工林配置上有更深入的認(rèn)識(shí)，為半干旱黃土丘陵地區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建，人工林森林改造工程持續(xù)開(kāi)展，提供可靠的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)基地在山西省方山縣土橋溝流域，北緯37°36′58″，東經(jīng)111°02′55″，該區(qū)屬典型黃土丘陵溝壑地貌，地表大部分為新生代第四紀(jì)馬蘭黃土所覆蓋，厚度為50～100 cm，土壤為黃綿土。該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，平均氣溫7.93℃，年平均降水516.16 mm，且年內(nèi)分配非常不均，6－9月降水占全年的72.71%；年平均水面蒸發(fā)量高于1 857.7 mm，最大蒸發(fā)量出現(xiàn)在4－6月，明顯大于同期降水。人工林中喬木樹(shù)種主要有油松（Pinustabulaeformis）、刺槐（Robiniapseudoacacia）、白榆（Ulmuspumila）、華北落葉松（Laixprincipisruprechtii）、側(cè)柏（Platycladusorientalis）等，林下主要野生灌木有黃刺玫（Rosa xanthina）、沙棘（Hippophaerhamnoides）等，草本層植物以菊科和禾本科為主（表1）。

2 研究方法

2.1 篩選樣地及樣品采集

本文對(duì)研究區(qū)33塊人工林固定標(biāo)準(zhǔn)地，篩選出10塊具有相似地形特征的樣地作為研究對(duì)象，即林齡均為25～30 a，坡度為30°以下的陽(yáng)坡樣地，分別為油松純林（YS）、油松×刺槐混交（YH／CH）、落葉松×油松（LYS／YS）、不同配置密度刺槐純林（CH1、CH2、CH3、CH4、CH5）、側(cè)柏純林（CB）、白榆純林（BY）10個(gè)人工林配置模式。對(duì)林下土壤分層（20 cm）取樣，3個(gè)重復(fù)，將重復(fù)的同層土樣混和均勻后立即裝入樣品袋，帶回并風(fēng)干過(guò)篩待用。本文以表層土壤（0－20 cm）各項(xiàng)理化指標(biāo)研究不同林分對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響。

表1 樣地基本特征

2.2 研究指標(biāo)測(cè)定方法

土壤養(yǎng)分采用常規(guī)方法測(cè)定［7］，其中p H用電位測(cè)定法，有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法——外加熱法，全氮用高氯酸－硫酸消化法，速效磷采用0.5 mol／L Na HCO3浸提鉬銻抗比色法，速效鉀用NH4OAC浸提，火焰光度法；土壤含水量用烘干法，容重用環(huán)刀法，毛管孔隙度及非毛管孔隙度由計(jì)算得出。

2.3 數(shù)據(jù)處理及分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，利用因子分析（Factor Analysis），根據(jù)新變量進(jìn)行聚類分析（Cluster Analysis）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

3.1 基本指標(biāo)選取及基本特征分析

鑒于不同林分對(duì)不同土層理化性質(zhì)改良存在的差異性，且植被對(duì)表層土壤影響更為顯著，本文將表層土壤（0－20 cm）數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)對(duì)象，建立土壤理化性質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，土壤物理性質(zhì)包括容重、毛管孔隙度及非毛管孔隙度和自然含水量；化學(xué)性質(zhì)包括養(yǎng)分因子（有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、鉀）和鹽分因子（p H值）。本文將篩選9個(gè)能夠反映土壤結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分的指標(biāo)，其中X1為p H，X2為全氮（%），X3為速效磷（mg／kg），X4為有機(jī)質(zhì)（%），X5速效鉀（mg／kg），X6土壤自然含水量（g／cm3），X7為土壤容重，X8為毛管孔隙度CP（%），X9為非毛管孔隙度（%），具體指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 不同林分土壤理化性質(zhì)分析結(jié)果

土壤理化性質(zhì)作為下墊面因素，直接影響林木的生長(zhǎng)［8］及林下植被的更替。當(dāng)土壤條件欠佳，植物生長(zhǎng)受阻時(shí)，會(huì)造成植被結(jié)構(gòu)生產(chǎn)力低下、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益較差［9－10］。人工造林有利于改良土壤理化性質(zhì)，繼而有利于林下植被更新，提高群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并且改善林地的土壤養(yǎng)分狀況，對(duì)防止土地退化及防止土壤流失具有明顯的作用。

從表2可以看出，p H、速效鉀、土壤容重、毛細(xì)孔隙度變異相對(duì)較小，說(shuō)明在區(qū)域范圍內(nèi)變化相對(duì)均一，而全氮、速效磷、有機(jī)質(zhì)、土壤水分、非毛管孔隙度變異較大。

不同林分林下土壤p H普遍呈弱堿性，基本上為闊葉林＜針闊混交＜針葉林，主要因?yàn)殚熑~林枯落物更易分解，表層腐殖質(zhì)積累較多，礦化后引起H＋的釋放，降低土壤p H值［11］。全氮是土壤氮素養(yǎng)分的儲(chǔ)備指標(biāo)，在一定程度上說(shuō)明了土壤氮的供應(yīng)能力，速效磷與速效鉀（r＝0.818）、p H（r＝0.308）具有較高的相關(guān)性，與土壤的其他土壤性質(zhì)的相關(guān)性較低，說(shuō)明速效鉀、速效磷的含量主要取決于該區(qū)域的母質(zhì)母巖特性與土壤的酸堿程度。土壤中磷元素遷移性小，加之下墊面母質(zhì)相對(duì)一致，速效磷變異系數(shù)較大（50.77%），這也是不同植被對(duì)速效磷吸收養(yǎng)分不等引起的差異；土壤表層的有機(jī)質(zhì)積累主要是植被的枯落物分解腐爛形式歸還土壤的結(jié)果，有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)比較大（34.61%），主要是不同樹(shù)種、枯落物分解存在差異等原因，使得有機(jī)質(zhì)表層富集存在明顯差異；土壤含水量受毛管孔隙度的影響（r＝0.442），能反映林內(nèi)濕潤(rùn)狀況，并影響枯落物物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化、能量流通及養(yǎng)分的淋溶等過(guò)程；土壤容重反映出土壤透水性、通氣性和根系伸展時(shí)的阻力狀況。與土壤的有機(jī)質(zhì)含量、黏粒含量、結(jié)構(gòu)狀況以及植被類型的根系組織對(duì)土壤的穿插和擾動(dòng)程度有關(guān)［12］。影響著土壤的滲透性和保水能力，與非毛管孔隙度相關(guān)（r＝0.659）。土壤孔隙是水分和空氣的通道和儲(chǔ)存所，是土壤肥力的基本因素之一，直接影響土壤水、熱及通氣狀況與物質(zhì)轉(zhuǎn)化的速度與方向，對(duì)林木生長(zhǎng)起著主要的作用。

3.2 不同林分下土壤理化性質(zhì)因子分析

3.2.1 因子分析法 各樣地的土壤理化性質(zhì)指標(biāo)建立原始數(shù)據(jù)矩陣，將其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)主成分因子貢獻(xiàn)率≥85%的原則提取公因子，若是公因子意義不明，可對(duì)標(biāo)準(zhǔn)矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，本研究運(yùn)用方差最大法（Varimax）對(duì)初始因子旋轉(zhuǎn)，將各林分的土壤理化公因子進(jìn)行得分及排名，并將貢獻(xiàn)率作為權(quán)重計(jì)算各林分土壤理化性質(zhì)的綜合得分及排名，隨后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化原始矩陣或公因子新變量通過(guò)系統(tǒng)聚類法對(duì)不同林分進(jìn)行分類。本研究經(jīng)過(guò)因子分析，出現(xiàn)4個(gè)公因子，對(duì)樣本方差的貢獻(xiàn)率為84.03%，滿足土壤分析要求［13］，即4個(gè)公因子代表原來(lái)的9個(gè)指標(biāo)，各因子的特征值、貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率見(jiàn)表3。

通過(guò)旋轉(zhuǎn)因子載荷表（表3）得知：p H（X1）、全氮（X2）、速效磷（X3）、有機(jī)質(zhì)（X4）、速效鉀（X5）、土壤自然含水量（X6）、土壤容重（X7）、毛管孔隙度（X8）、非毛管孔隙度（X9）進(jìn)行因子分析。其主因子方程分別為

表3 旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

第一個(gè)主因子F1具有高載荷的指標(biāo)有速效鉀（X5）、速效磷（X3）、有機(jī)質(zhì)（X4），其中速效鉀、速效磷反映了土壤供給速效養(yǎng)分能力的大小，直接影響植物的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力［14］，有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)有重要的影響，因此將主因子F1命名為土壤速效養(yǎng)分供應(yīng)因子；第二個(gè)主因子F2具有高載荷的指標(biāo)有全氮（X2）、p H（X1）；全氮是土壤貯存養(yǎng)分能力的大小，p H對(duì)土壤肥力性狀影響較大。且與全氮具有較高的相關(guān)性，可將F2命名為土壤全氮及p H因子。第三主因子F3有毛管孔隙度（X8）、土壤自然含水量（X6）、非毛管孔隙度（X9），毛管孔隙通常和土壤的持水能力相關(guān)，反映土壤結(jié)構(gòu)狀況；植物根系切割作用是非毛管孔隙度最重要的因素，反映土壤結(jié)構(gòu)透水通氣持水的能力，因此命名為土壤結(jié)構(gòu)持水因子；第四主因子F4具有高載荷的指標(biāo)有土壤容重（X7），土壤容重對(duì)土壤的透氣性、入滲性能、持水能力、溶質(zhì)遷移特征以及土壤的抗侵蝕能力都有非常大的影響，命名為土壤容重因子。

3.2.2 不同林分土壤理化性質(zhì)得分及排名 采用線性回歸計(jì)算各因子的得分，因子得分函數(shù)為

式中：Fi——各因子得分；X——不同因子；bi——因子分析得分矩陣第i列向量，見(jiàn)表4。不同林分林下土壤理化性質(zhì)在各主分量上存在很大的差異，不同樹(shù)種對(duì)土壤理化性質(zhì)的改良側(cè)重不同。

將各因子特征值的貢獻(xiàn)率作為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)求和可得到綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

式中：vi／p——為旋轉(zhuǎn)因子對(duì)Xi方差；Fi——各因子得分。

表4 因子得分系數(shù)矩陣

由表5可以看出，不同林分各因子得分表現(xiàn)差異較大，從F1（土壤速效養(yǎng)分供給因子）看出，得分最高的依次是 CH2（刺槐2）、CH1（刺槐1）、YS／CH（油松／刺槐混交），說(shuō)明以上3種林分，在速效鉀、速效磷、有機(jī)質(zhì)上具有較高的優(yōu)勢(shì)，刺槐及以刺槐為主的混交林土壤速效養(yǎng)分供給能力比較強(qiáng)，主要原因是刺槐生長(zhǎng)迅速，枯落物疏松易分解，養(yǎng)分返還快；得分較低的有CB（側(cè)柏）、LYS／YS（落葉松／油松）、CH4（刺槐4），主要是林分密度小、林木冠幅小等原因，枯落物不足或分解不足，土壤速效養(yǎng)分方面并沒(méi)有表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。從F2（土壤全氮及p H因子）上看，得分較高的是CH5（刺槐5）、CH4（刺槐4）、BY（白榆），主要是刺槐水平根分布相對(duì)較淺，多集中在表土層內(nèi)，且根部有固氮功能的根瘤菌，對(duì)表層土壤氮素提高有重要的影響作用，白榆抗逆性極佳，長(zhǎng)勢(shì)迅速，對(duì)土壤全氮改良也有積極的作用。從F3（土壤結(jié)構(gòu)及持水因子）上看，CB（側(cè)柏）、CH5（刺槐5）、CH2（刺槐2）得分最高，細(xì)根生長(zhǎng)及分解可以改善土壤的孔隙狀況，且三種林分密度均為1 200～1 625株／hm2，說(shuō)明在適宜的林分密度條件下，根系切割對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、土壤持水能力有較強(qiáng)的影響作用。從F4（土壤容重因子）上看，BY（白榆）、CB（側(cè)柏）、CH1（刺槐1）排名較高，白榆、側(cè)柏對(duì)降低土壤容重、疏松土壤的作用有比較突出的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，對(duì)各林分林下土壤理化性質(zhì)進(jìn)行綜合排名評(píng)價(jià)，排名前三位的均為刺槐，CH2、CH1、CH5均高于其他林分，主要是選取的刺槐林為適宜的密度（1 200～1 700株／hm2），林分已郁閉成林，冠層覆蓋減少土壤水分自然蒸發(fā)，枯落物分解及根系作用較大，在一定程度上可以改良表層的土壤理化性質(zhì)。而排名較低LYS／YS、YS／CH、CB，以針葉林為主，植被根系作用對(duì)表層影響不大，冠幅窄小，枯落物含有單寧及難分解的物質(zhì)，造成養(yǎng)分轉(zhuǎn)化時(shí)期較長(zhǎng)等原因，土壤理化性質(zhì)綜合評(píng)分不高。也是檢驗(yàn)土壤理化性質(zhì)的實(shí)踐方式，將林下植被的多樣性指標(biāo)作為檢驗(yàn)土壤理化性質(zhì)的依據(jù)。

表5 各因子得分及不同林分土壤質(zhì)量綜合得分

由圖1看出，不同林分植被綜合得分排序依次為CH2＞CH1＞CH5＞BY＞CH4＞YS＞CH3＞CB＞YS／CH＞LYS／YS，不同林分理化性質(zhì)與林下植被多樣性變化趨勢(shì)基本吻合，說(shuō)明因子分析在評(píng)價(jià)土壤理化性質(zhì)方面符合客觀現(xiàn)實(shí)，基于因子分析的土壤評(píng)價(jià)結(jié)果可作為客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)認(rèn)識(shí)土壤理化性質(zhì)的依據(jù)。

圖1 不同林分林下植被多樣性指數(shù)

將各林分進(jìn)行系統(tǒng)聚類，同一類林分土壤理化性質(zhì)就具有相似的特征，為體現(xiàn)不同林分差異（見(jiàn)圖2），將距離閾值設(shè)為6，第1類為CH4（刺槐4）、CH5（刺槐5）、YS（油松）、第2類為CB（側(cè)柏）、CH3（刺槐3），第3類CH1（刺槐1）、CH2（刺槐2），第4類 YS／CH（油松／刺槐），第5類BY（白榆），第6類為L(zhǎng)YS／YS（落葉／松油松）。

第1類的特點(diǎn)是全氮及p H得分較高，說(shuō)明此類林分配置對(duì)土壤含氮量及改良土壤p H方面比較占優(yōu)勢(shì)；第2類在改善土壤結(jié)構(gòu)、土壤容重方面表現(xiàn)俱佳；第3類速效養(yǎng)分方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)；第4類各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)中庸，在改良土壤結(jié)構(gòu)及增加土壤含水量方面表現(xiàn)不佳，可能是油松屬于深根性加之枯落物難以分解，因此對(duì)表層土壤理化性質(zhì)的改良表現(xiàn)一般；第5類在土壤結(jié)構(gòu)、土壤持水特性及改良土壤方面表現(xiàn)俱佳，但是在土壤養(yǎng)分方面表現(xiàn)不盡人意，將白榆納入黃土高原水土保持樹(shù)種的同時(shí)，也要結(jié)合其生態(tài)學(xué)特征，進(jìn)行科學(xué)的配置；第6類在各項(xiàng)指標(biāo)都表現(xiàn)欠佳，需要考慮是否對(duì)表層土壤影響不足，或亟需人工進(jìn)行改造和撫育。

圖2 不同林分土壤理化性質(zhì)評(píng)價(jià)聚類圖

結(jié)合各林分因子得分，將聚類結(jié)果進(jìn)行劃分等級(jí)，1等＝｛CH1，CH2｝；2 等 ＝｛BY｝；3 等 ＝｛CH4，CH5，YS｝；4等＝｛CB，CH3｝，5等＝｛YS／CH｝；6等＝｛LYS／YS｝。在試驗(yàn)區(qū)，各類水土保持樹(shù)種在改良土壤理化性質(zhì)方面各有側(cè)重，通過(guò)合理配置密度及模式，可將改良土壤理化性質(zhì)方面的優(yōu)勢(shì)更加突出。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同配置模式林分條件下土壤的理化狀況進(jìn)行因子分析，可以客觀、清晰、準(zhǔn)確地分析不同林分對(duì)土壤理化性質(zhì)的改良作用，不同林分對(duì)土壤理化性質(zhì)的改良側(cè)重不同，適宜密度的刺槐林（林分密度1 200～1 700株／hm2）及油松林在土壤中養(yǎng)分儲(chǔ)量大，供給養(yǎng)分及土壤持水性較佳，側(cè)柏林對(duì)改良土壤孔隙度、土壤水分、降低土壤容重方面改良效果佳，此處為徑流林業(yè)試驗(yàn)樣地，對(duì)于干旱缺水的黃土地區(qū)，此類植被配置模式顯得尤為重要；白榆林在土壤氮素供應(yīng)及降低土壤容重方面優(yōu)勢(shì)突出；油松刺槐混交林除了在土壤供給養(yǎng)分方面表現(xiàn)良好，在其他因子上的表現(xiàn)一般。本文只是針對(duì)表層土壤進(jìn)行了研究，此配置模式在深層次土壤理化性質(zhì)改良方面的研究還有待探討。此外，試驗(yàn)區(qū)刺槐、油松、白榆等優(yōu)勢(shì)樹(shù)種在因子評(píng)分中表現(xiàn)俱佳，說(shuō)明在黃土高原人工造林取得了實(shí)踐性的成功。

聚類分析表明同一類林分對(duì)土壤理化性質(zhì)方面的改良差異較小，并在土壤理化性質(zhì)某些主因子方面存在相似性，聚類結(jié)果與因子分析結(jié)果基本吻合，且不同林分下林下植被多樣性也與因子得分地基本一致，說(shuō)明因子分析及聚類結(jié)果能更客觀、定量化地反映土壤的質(zhì)量，有助于進(jìn)行人工造林時(shí)根據(jù)不同樹(shù)種對(duì)土壤理化性質(zhì)改良方向上配置不同的措施。

［1］趙其國(guó)，孫波，張?zhí)伊?土壤質(zhì)量與持續(xù)環(huán)境［J］.土壤，1997（3）：113-120.

［2］張俊華，常慶瑞，賈科利，等.黃土高原植被恢復(fù)對(duì)土壤肥力質(zhì)量的影響研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2003，17（4）：38-41.

［3］彭文英，張科利，陳瑤，等.黃土坡耕地退耕還林后土壤性質(zhì)變化研究［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2005，20（2）：272-278.

［4］黃和平.皇甫川流域植被恢復(fù)對(duì)改善土壤肥力的作用研究［J］.水土保持通報(bào)，2005，25（3）：37-40.

［5］陸樹(shù)華，李先琨，呂仕洪，等.桂林紅壤侵蝕區(qū)植被恢復(fù)過(guò)程的土壤理化性質(zhì)變化［J］.廣西科學(xué)，2006，13（1）：52-57.

［6］王樹(shù)力.不同經(jīng)營(yíng)類型紅松林對(duì)湯旺河流域土壤性質(zhì)的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2006，25（2）：90-93.

［7］中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所.土壤理化分析［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1978.

［8］王政權(quán)，王慶成.森林土壤物理性質(zhì)的空間異質(zhì)性研究［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2000，20（6）：945-950.

［9］張雷明，上官周平.黃土高原土壤水分與植被生產(chǎn)力的關(guān)系［J］.干旱區(qū)研究，2002，19（4）：59-63.

［10］張繼義，趙哈林.植被（植被群落）穩(wěn)定性研究評(píng)述［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2003，22（4）：42-48.

［11］Malo D D，Schumacher T E，Doolittle J J.Long-term cultivation impacts on selected soil properties in the northern Great Plains［J］.Soil ＆ Tillage Research，2005，81：277-291.

［12］華孟，王堅(jiān).土壤物理學(xué)［M］.北京：北京農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，1993.

［13］Verma R K，Kapoor K S，Rawat R S，et al.Analysis of plant diversity in degraded and plantation forests in Kunihar Forest Division of Himachal Pradesh［J］.Indian Journal of Forestry，2005，28（1）：11-16.

［14］曹世杰，王小青，徐會(huì)霞.蒙山幾個(gè)樹(shù)種改良土壤物理性狀的作用探討［J］.山東林業(yè)科技，2002（5）：10-11.