齊 鵬，劉賢德，趙維俊，張仁陟

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

祁連山大野口流域青海云杉林土壤肥力評價(jià)

齊 鵬1，劉賢德2，趙維俊2，張仁陟1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

以祁連山中段青海云杉林土壤為研究對象，分析了自然狀態(tài)下森林土壤養(yǎng)分各項(xiàng)指標(biāo)含量與肥力之間的關(guān)系。結(jié)果表明:研究區(qū)青海云杉林土壤理化性質(zhì)指標(biāo)值相對較適宜林分生長，有機(jī)質(zhì)含量與全氮、全鉀、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮都存在很高的相關(guān)關(guān)系，同時(shí)全氮與銨態(tài)氮、硝態(tài)氮也存在很高的相關(guān)關(guān)系；采用多元統(tǒng)計(jì)的主成分分析法對土壤肥力進(jìn)行綜合評價(jià)，得出土壤肥力指標(biāo)前2個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為99.298%，有機(jī)質(zhì)、全鉀、全磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等代表了研究區(qū)土壤自然肥力的水平，對土壤肥力有正向負(fù)荷;土壤肥力模糊綜合評價(jià)結(jié)果為高。

青海云杉林；肥水評價(jià)；主成分分析

土壤是植物生長的最重要的環(huán)境因素之一，對森林群落演替有重要的影響，同時(shí)在維護(hù)群落穩(wěn)定性、保持植物群落結(jié)構(gòu)和功能方面具有重要意義。土壤在生態(tài)系統(tǒng)中主要參與營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，水分平衡，以及維持植物群落穩(wěn)定，因此，在生態(tài)系統(tǒng)中具有不可替代的作用[1]。土壤肥力質(zhì)量是反映土壤保持生物生產(chǎn)力、環(huán)境質(zhì)量以及動(dòng)植物健康能力的基礎(chǔ)，是許多物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)及其形成過程的綜合體現(xiàn)[2-6]。土壤肥力作為土壤質(zhì)量重要組成部分，體現(xiàn)了土壤的本質(zhì)特征。土壤肥力的高低直接影響著植被生長，同時(shí)影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的健康。有關(guān)土壤對森林的給養(yǎng)作用進(jìn)而對水土流失的控制研究，以及森林土壤化學(xué)的研究相對較多[7-13]。祁連山青海云杉作為地帶性植被寒溫性針葉林，由于人類活動(dòng)的長期干擾，祁連山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重，服務(wù)功能降低，逆向演化顯著，進(jìn)程加快，給區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了負(fù)面影響[14-15]。如何恢復(fù)和重建受損的青海云杉林生態(tài)系統(tǒng)，研究其土壤養(yǎng)分分布狀況，對植被恢復(fù)的合理調(diào)控具有一定的科學(xué)意義。通過對祁連山中段青海云杉林主要分布地段的土壤進(jìn)行取樣和室內(nèi)分析，對其林地土壤含水量、容重、孔隙度等物理性質(zhì)和有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行肥力結(jié)果分析，運(yùn)用主成分分析法探討土壤肥力的各個(gè)指標(biāo)之間的作用以及相互影響，運(yùn)用熵權(quán)法和模糊綜合評價(jià)法對青海云杉林土壤進(jìn)行肥力評價(jià)，為祁連山森林健康評價(jià)與管理提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

祁連山是我國著名的高大山系之一，是青藏高原東北部一個(gè)巨大的邊緣山系，整個(gè)山地屬高山峽谷地貌，呈西北—東南走向[14，15]。按地形或降水可將祁連山分為東段、中段和西段，扁都口至北大河谷之間為中段。試驗(yàn)區(qū)設(shè)在甘肅省肅南裕固族自治縣東北部的祁連山自然保護(hù)區(qū)西水保護(hù)站所轄林區(qū)，屬祁連山北坡中段，地理位置N 38°23′～38°48′，E 100°3′～100°23′，面積723 980 hm2，海拔2 400～4 000 m。地屬大陸性高寒半干旱、半濕潤森林草原氣候，年均氣溫5.4 ℃，年均降水量333.8～435.5 mm，90%的降水集中在6～9月，年均蒸發(fā)量1 488 mm。森林覆蓋率為38.4%，主要樹種為青海云杉(Piceacrassifolia)和祁連圓柏(Sabinaprzewalskii)，青海云杉林蓋度0.6，祁連圓柏林蓋度0.2～0.4；灌木主要有金露梅(Poteutillafruticosa)、銀露梅(Poteutillaglabra)、鮮黃小蘗(Berberisdiaphaua)、鬼箭錦雞兒(Caragauajubata)等，林下植被主要以三穗苔草(Carextristachya)、珠芽寥(Polygouumviviparum)、木賊麻黃(Ephedraequisetiua)以及苔蘚植物等為主。主要土壤類型包括棕鈣土、灰褐土、栗鈣土和高山草甸土。

圖1 祁連山試驗(yàn)區(qū)位置圖Fig.1 Distribution of Test area in Qilian Mountains

1.2 研究方法

1.2.1 樣點(diǎn)布設(shè)及土壤理化性質(zhì)測定 在海拔2 800～3 000 m研究區(qū)選擇青海云杉林長勢良好的典型地段進(jìn)行土壤樣品采集，結(jié)合常規(guī)的植物群落學(xué)研究的標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查法[16]，以“S”形路線布設(shè)取樣點(diǎn)，用GPS進(jìn)行定位，共設(shè)置了27個(gè)取樣點(diǎn)。根據(jù)青海云杉林的土壤層厚度比較淺的特性，于2014年7～9月將樣地0～40 cm土層垂直剖面劃分為0～10，10～20，20～40 cm取樣，3次重復(fù)。將取好的土樣用四分法充分混合，貼上標(biāo)簽，野外采集的土樣立即稱其濕重，封裝標(biāo)記。然后將樣品在室溫下風(fēng)干，挑選植物殘?bào)w、石塊等雜物、研磨后過100目篩，封裝備用。

測定指標(biāo)及方法[16-19]：土壤容重和總孔隙度用環(huán)刀法；水分用烘干法；溫度用曲管地溫表測定；有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法；全氮用半微量凱氏定氮法；全磷用酸溶-鉬銻抗比色法；銨態(tài)氮用納氏試劑比色法；硝態(tài)氮用酚二磺酸法；全鉀用NaOH熔融法-火焰光度法；土壤pH用電位法(pHS-25型pH計(jì)；E-201-C型pH復(fù)合電極)。

1.2.2 土壤肥力綜合評價(jià)方法 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及隸屬度函數(shù) 把每個(gè)評價(jià)指標(biāo)的質(zhì)量劃分為3級，Ⅰ級為高，Ⅱ級為中等，Ⅲ級為低。根據(jù)全國第2次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)測數(shù)據(jù)的估算及同類相關(guān)研究[20,21]，結(jié)合研究區(qū)的氣候特征，確定各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)(表1)，并建立不同土壤肥力指標(biāo)的隸屬度函數(shù)。

土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀隸屬度函數(shù)：

第Ⅰ級：

表1 各評價(jià)指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)值Table1 The grade standard of evaluation index

第Ⅱ級：

第Ⅲ級：

pH和容重隸屬度函數(shù)：

第Ⅰ級：

第Ⅱ級：

第Ⅲ級：

式中Pi1、Pi2、Pi3分別表示某采樣點(diǎn)的土壤某指標(biāo)隸屬于該評價(jià)指標(biāo)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級的隸屬度，Xa、Xb、Xc分別表示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)值，Xi表示某采樣點(diǎn)的土壤肥力指標(biāo)實(shí)測值。

1.2.3 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定 各土壤肥力要素之間相互影響，共同作用形成土壤肥力綜合指標(biāo)。采用熵權(quán)法[23]確定權(quán)重。熵權(quán)法[23]是根據(jù)各指標(biāo)的變異程度，利用信息熵計(jì)算出各指標(biāo)的熵權(quán)，再通過熵權(quán)對各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行修正，從而得到比較客觀的指標(biāo)權(quán)重的方法。

1.2.4 土壤肥力質(zhì)量綜合指標(biāo)值的計(jì)算 根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的加乘法則[24]，利用合適的算子將A與各被評事物的R進(jìn)行合成，得到各被評事物的模糊綜合評價(jià)結(jié)果向量B。即：

式中：A是權(quán)重向量，R是隸屬度向量。b1是由A與R的第j列運(yùn)算得到，表示被評事物從整體上看對pj等級模糊子集的隸屬程度。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 19.0和Excel 2010軟件處理數(shù)據(jù)。主要分析方法有多元線性回歸分析，相關(guān)性分析，以及多項(xiàng)式回歸分析，主成分分析法[24-28]。

2 結(jié)果與分析

2.1 青海云杉林土壤肥力

通過對原始數(shù)據(jù)分析，在不同采樣深度，祁連山中段青海云杉林土壤的容重變化為0.57±0.05～1.13±0.01 g/cm3，說明土壤通氣性好，隨著土壤深度的增加，容重在逐漸增加，20～40 cm容重與0～10 cm和10～20 cm容重差異顯著；土壤質(zhì)量含水量為24.98±9.87～76.57±11.95%，隨土壤深度的增加，先增大后減小，10～20 cm土壤質(zhì)量含水量與0～10 cm和20～40 cm差異顯著，祁連山青海云杉土壤為淺層土壤，受降水等因素的影響，水分集中在10～20 cm；pH為7.60±0.39～8.23±0.52，土壤為中性土壤；土壤有機(jī)質(zhì)為87.42±43.08～250.86±63.58 g/kg，土壤全氮為2.96±1.19～5.18±1.23 g/kg，土壤全磷為0.58±0.15～0.75±0.13 g/kg，均隨土壤深度增加而降低(表2)。因?yàn)楸韺油寥朗芡饨绛h(huán)境因素及植被枯落物養(yǎng)分歸還的影響，導(dǎo)致養(yǎng)分首先在土壤表層密集，然后再隨水或者其他介質(zhì)向下層遷移擴(kuò)散；全鉀含量逐漸增加，但各層差異均不顯著，很大程度上由深層土壤母質(zhì)中的礦物結(jié)構(gòu)鉀含量決定。

2.2 青海云杉林土壤肥力特征

為研究青海云杉林肥力特征，需要對影響土壤肥力的各個(gè)因素之間的關(guān)系進(jìn)行分析，揭示其相互之間的作用以及相互影響。研究區(qū)土壤物理和化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性分析表明，除全磷與土壤孔隙度等指標(biāo)的相關(guān)性差異不顯著外(P<0.05)，其土壤物理和化學(xué)性質(zhì)之間均存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系(表3)。

土壤養(yǎng)分主要來源于土壤中的有機(jī)質(zhì)。根據(jù)土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性分析，有機(jī)質(zhì)與全氮、全鉀、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮之間存在顯著與極顯著的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)結(jié)果，以土壤有機(jī)質(zhì)為自變量，全氮、全鉀、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮為因變量進(jìn)行回歸分析，應(yīng)用SPSS軟件提供的對數(shù)函數(shù)、二次曲線、三次曲線、符合曲線、S曲線、指數(shù)函數(shù)等對土壤有機(jī)質(zhì)含量與全氮、全鉀、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等進(jìn)行擬合，最終選擇擬合度相對高的方程作為模擬方程(表4)。

表2 不同深度土壤肥力指標(biāo)的測定Table2 The fertility index of soil at different depths

注：n=27；表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)，不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

表3 土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系系數(shù)Table3 The relation coefficient of soil physical and chemical properties

注：顯著性水平表示，*P<0.05;**P<0.01

表4 土壤養(yǎng)分相關(guān)關(guān)系分析Table4 Correlation analysis of Soil Nutrients

研究區(qū)青海云杉林土壤有機(jī)質(zhì)含量與全氮、全鉀、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮都存在很高的相關(guān)關(guān)系，全氮與銨態(tài)氮、硝態(tài)氮也存在很高的相關(guān)關(guān)系。

2.3 青海云杉林土壤肥力的特征因子

土壤肥力特征的主成分特征值如表5所示，第1主成分的方差貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到了85.037%，已超出了基準(zhǔn)值(85%)，是主要的分析成分，為第2主成分的5.96倍。通過求和，前2個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率為99.298%，且不存在變量的丟失。根據(jù)其基本原理，研究區(qū)土壤肥力特征狀況可以用前2個(gè)主成分表示土壤肥力的變異信息，也可以說明整個(gè)研究區(qū)的土壤肥力狀況。

表5 土壤特征的主成分特征值Table5 Principal component eigenvalue of soil characteristic

主成分是土壤肥力原始指標(biāo)的線性組合，各指標(biāo)的特征向量反映了各指標(biāo)對于主成分的貢獻(xiàn)程度。通過表6可以得到2個(gè)主成分F1、F2表達(dá)式：

F1=0.333X1+0.369X2+0.371X3+0.360X4+0.358X5+0.355X6+0.350X7+0.331X8

F2=-0.464X1+0.234X2-0.232X3-0.320X4+0.305X5-0.353X6+0.380X7+0.460X8

式中：X1、X2、X3至X8分別依次代表有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、pH、碳氮比的原始值經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后的值。從數(shù)據(jù)分析得知，第1主成分綜合了有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、pH、碳氮比8個(gè)指標(biāo)的變異信息，其權(quán)重系數(shù)均大于0.85，說明這些因子在土壤肥力中起著重要作用，第1主成分特征向量之間有較大的相關(guān)性，它們的第1主成分特征向量也呈現(xiàn)較大的正值，與主成分保持一致，隨著有機(jī)質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的增加，第1主成分增大，土壤肥力提高。而第2主成分中權(quán)系數(shù)較低，甚至有機(jī)質(zhì)、全鉀、硝態(tài)氮出現(xiàn)了負(fù)值，第2主成分因貢獻(xiàn)率較少，僅作為參考。土壤肥力的主成分分析得出，研究區(qū)森林土壤的有機(jī)質(zhì)、全鉀、全磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等代表了土壤自然肥力的水平，對土壤肥力有正向負(fù)荷。

表6 土壤特征的主成分權(quán)重系數(shù)Table6 The weight of Principal component in soil characteristic

2.4 青海云杉林土壤肥力綜合評價(jià)

根據(jù)青海云杉林土壤肥力特征，選擇容重、質(zhì)量含水量、pH、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀作為評價(jià)指標(biāo)，根據(jù)熵權(quán)法計(jì)算得到權(quán)重向量，按照隸屬度函數(shù)和實(shí)測值，得到模糊關(guān)系。

權(quán)重向量A=(0.038，0.234，0.217，0.203，0.148，0.160)。

綜合評判：C=AR=(0.234 0,0.160 0,0.203 0)，根據(jù)最大隸屬度原則，研究區(qū)的土壤肥力屬于Ⅰ級。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

祁連山土壤養(yǎng)分特征的研究，對如何恢復(fù)和重建受損的青海云杉生態(tài)系統(tǒng)有重要的意義。此次研究測定的土壤養(yǎng)分含量與中國寒溫帶土壤剖面有機(jī)碳、全氮和全磷含量相比較[29]，有機(jī)碳、全氮和全磷含量均較高，這與該林區(qū)氣候寒冷潮濕，凋落物分解緩慢，加上季節(jié)凍土的作用，林分生長緩慢，林木根系對養(yǎng)分吸收較少有關(guān)，這些因素共同作用導(dǎo)致了土壤養(yǎng)分的累積。林地枯落物較多，在微生物分解下產(chǎn)生的有機(jī)酸較多，但研究結(jié)果土壤為中性，究其原因可能是土壤容重低，通氣性好，土壤有機(jī)質(zhì)分解過程強(qiáng)烈。此次研究結(jié)果與劉賢德等[30]對該研究區(qū)不同海拔梯度上青海云杉林土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀含量變化規(guī)律基本一致[30]。土壤肥力是諸多因子綜合作用的結(jié)果，現(xiàn)有的森林土壤質(zhì)量綜合評價(jià)的相關(guān)研究較少，大多是針對單個(gè)土壤屬性質(zhì)量方面的評價(jià)，且主觀評價(jià)方法較多，研究采用熵權(quán)法和模糊綜合評價(jià)法對土壤肥力進(jìn)行綜合評價(jià)，避免了人為主觀因素的影響。

3.2 結(jié)論

1)經(jīng)土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)分析，除土壤孔隙度等指標(biāo)和全磷的相關(guān)性達(dá)不到統(tǒng)計(jì)顯著水平外，其余的土壤物理和化學(xué)性質(zhì)之間都存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系。其中，研究區(qū)青海云杉林土壤有機(jī)質(zhì)含量與全氮、全鉀、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮都存在很高的相關(guān)關(guān)系，全氮與銨態(tài)氮、硝態(tài)氮也存在很高的相關(guān)關(guān)系。

2)土壤肥力的主成分分析(PCA)得出，研究區(qū)森林土壤的有機(jī)質(zhì)、全鉀、全磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等基本代表了土壤自然肥力的水平，對土壤肥力有正向負(fù)荷。

3)土壤肥力評價(jià)結(jié)果為Ⅰ級，符合祁連山青海云杉林肥力的實(shí)際情況，研究區(qū)青海云杉林土壤肥力相對較適宜林分生長。

祁連山青海云杉分布帶綿延數(shù)千里，按降水分布特征可以將祁連山分為東段、中段和西段。隨海拔梯度變化，環(huán)境因子特別是溫度、降水等因子的顯著變化，影響了土壤養(yǎng)分變化，土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀含量等存在差異。因此，今后將開展海拔梯度和水平尺度上的青海云杉林土壤肥力特征研究，同時(shí)評價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)包括土壤的生物學(xué)特性指標(biāo)。從而更深入的為流域內(nèi)的森林生態(tài)系統(tǒng)在涵養(yǎng)水源、減少流域內(nèi)的水土流失等方面的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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Evaluation of soil fertility inPiceacrassifoliaforest in Dayekou basin of Qilian Mountains

QI Peng1，LIU Xian-de2，ZHAO Wei-jun2，ZHANG Ren-zhi1

(1.EnvironmentandResourceDepartmentofGansuAgriculturalUniversity，Lanzhou730070，China; 2.ForestryDepartmentofGansuAgriculturalUniversity，Lanzhou730070，China)

In this paper,the relationship between the soil fertility and its nutrient indices in thePiceacrassifoliaforest has been studied in the middle of Qilian Mountains.The resluts indicated that the physical and chemical properties of soil inPiceacrassifoliaforest were relatively suiTablefor forest growth.There was high correlation between soil organic matter contents and total nitrogen,total potassium,total phosphorus,ammonium nitrogen and nitrate nitrogen.Meanwhile,there were high relationship between the total nitrogen and ammonium nitrogen,nitrate nitrogen .Used multivariate statistical principal component analysis to evaluate soil fertility,the cumulative contribution of the first and second principal components of soil fertility indicators were 99.298%,and therefore they are sufficient to reflect the information of original soil fertility.The Principal component analysis of the soil fertility showed that the contents of organic matter,total potassium,total phosphorus,nitrate nitrogen,ammonium nitrogen could basically represent the natural fertility of the soil and showed the positive load to the soil fertility. Fuzzy comprehensive evaluation of soil fertility has highest grade.

Piceacrasifoliaforest;evaluation of the fertility;principal component analysis

2015-04-03；

2015-05-09

甘肅省高等學(xué)校科研項(xiàng)目“祁連山青海云杉種群空間格局及其與地形關(guān)系研究(2014A-059)”；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)盛彤笙基金“祁連山青海云杉種群空間格局研究(GSAU-STS-1436)”；甘肅省博士后基金“基于數(shù)量分析的青海云杉種群結(jié)構(gòu)及分布格局研究”資助

齊鵬(1980-)，男，甘肅武威人，講師，博士，主要從事環(huán)境科學(xué)的教學(xué)與科研工作。 E-mail：gsauqip@163.com

S 714.5

A

1009-5500(2015)04-0037-07