吳 琰 莫云豹 易小青 肖石紅高常軍 魏 龍 蔡 堅 徐 放 潘 文

（1.廣東省森林培育與保護(hù)利用重點實驗室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520；2.廣東省林業(yè)科技推廣總站， 廣東 廣州 510173）

土壤作為林木生長的重要基質(zhì)，不僅為林木生長提供必需的養(yǎng)分，而且影響林木生長發(fā)育，進(jìn)而對木材的材質(zhì)產(chǎn)生較大影響[1]。同時，林木在其生長發(fā)育過程中也能通過根系分泌物和凋落物等改變土壤的理化性質(zhì)，從而影響林木的生長發(fā)育[2]。紅椎（Castanopsis hystrix）具有生長快、材質(zhì)優(yōu)和適應(yīng)性強等特性，是優(yōu)良的珍貴闊葉用材樹種，廣西省、云南省、福建省和廣東省等省份為紅椎天然分布及主要栽培區(qū)[3]。濕地松（Pinus elliottii）是一種優(yōu)良的脂材兩用樹種，并且具有生長快的特點，現(xiàn)已成為我國南方丘陵區(qū)主要的造林樹種之一，是理想的生態(tài)防護(hù)林和混交造林樹種[4]。

近年來，許多國內(nèi)學(xué)者采用模糊數(shù)學(xué)法、層次分析法、主成分分析法、系統(tǒng)評價模型、灰色關(guān)聯(lián)度法等方法進(jìn)行土壤肥力綜合評價[5-8]。李惠通等[6]運用主成分分析方法和模糊數(shù)學(xué)評價方法分析了不同發(fā)育階段杉木（Cunninghamia lanceolata）人工林土壤肥力，計算出土壤肥力綜合指數(shù)。李靜鵬等[7]采用典范對應(yīng)分析和因子分析對不同植被恢復(fù)類型的土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行定量評價。鄧小軍等[9]運用Nemrrow法對桉樹（Eucalyptus robusta）、馬尾松（Pinus massoniana）和杉木林土壤肥力綜合指數(shù)進(jìn)行評價。雖然土壤肥力評價已引起關(guān)注，但有關(guān)紅椎和濕地松土壤肥力綜合評價工作較為缺乏。因此，本研究以紅椎純林、濕地松純林以及紅椎—濕地松混交林為研究對象，對3種林分的土壤肥力狀況進(jìn)行研究，并采用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法對其土壤肥力進(jìn)行比較和評價，以期為紅椎和濕地松人工林土壤保育、立地維護(hù)和可持續(xù)經(jīng)營提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗地設(shè)在廣東省西江林業(yè)局所管轄的通門林場、云浮市國有水臺林場和陽春市春灣鎮(zhèn)愛國村。研究區(qū)屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫22 ℃，極端最高溫度38.2 ℃，極端最低溫度23 ℃，年降雨量1 600～2 400 mm，雨量充沛，光照充足，年均相對濕度在82%左右。立地條件優(yōu)越，林地均為低山丘陵，海拔50～450 m。林地土壤為以花崗巖、頁巖發(fā)育而成的赤紅壤，土層厚度80～120 cm，腐殖質(zhì)較薄，土壤呈酸性。

2 研究方法

2.1 樣地選擇與土樣采集

在研究區(qū)內(nèi)，分別選擇有代表性且立地條件相似的紅椎純林、濕地松純林和紅椎—濕地松混交林（混交比例為1:3）各設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地3個。于2017年4月調(diào)查樣地的立地條件，對樣地內(nèi)喬木層進(jìn)行每木檢尺，樣地基本信息見表1。樣地內(nèi)分層（0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 和 60～100 cm）采集土壤樣品，土壤各層沿樣地對角線取3個采樣點，并把同一標(biāo)準(zhǔn)樣地同一層次土壤等質(zhì)量混合，供室內(nèi)分析測定土壤肥力指標(biāo)。

表1 樣地基本信息Tab.1 Summary information of sampling plots

2.2 測定指標(biāo)與測定方法

土壤主要測定pH值、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、水解性氮、速效磷、速效鉀等8個指標(biāo)，測定方法參照魯如坤[10]的分析方法進(jìn)行。

2.3 分析方法

本研究基于灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度理論[11]，選擇5個層 次（0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～100 cm）的土壤pH值、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、水解性氮、速效磷和速效鉀等8個指標(biāo)作為土壤質(zhì)量評價指標(biāo)，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建土壤質(zhì)量綜合評價模型，根據(jù)關(guān)聯(lián)度大小進(jìn)行關(guān)聯(lián)排序。

（1）參考數(shù)列

以各土壤指標(biāo)的最優(yōu)值構(gòu)成參考數(shù)列，以不同層次土壤各指標(biāo)的測定值構(gòu)成比較數(shù)列。

參考數(shù)列為：

比較數(shù)列為：

其中，k=1，2，…，n，n為測定土壤指標(biāo)數(shù)（n=8）；i=1，2，…，m，m為測定林分類型數(shù)（m=3）。

（2）土壤指標(biāo)的無量綱化

將各土壤指標(biāo)的測定值轉(zhuǎn)化為評價值，對原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，用測定值除以參考值，所得的商為0～1之間的無量綱值，以達(dá)到量綱一致。

（3）關(guān)聯(lián)系數(shù)

式中，n為土壤肥力指標(biāo)的總數(shù)，n=8。

（4）指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)式（2）中計算得到的不同林分類型土壤肥力的等權(quán)關(guān)聯(lián)度γi，運用判斷矩陣法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重，構(gòu)建判斷矩陣，并做一致性檢驗，最終確定各土壤肥力指標(biāo)的權(quán)重Wi(k)：

（5）加權(quán)關(guān)聯(lián)度

2.4 數(shù)據(jù)處理

本研究中數(shù)據(jù)采用Microsoft excel 2007進(jìn)行統(tǒng)計和處理，運用SPSS 21.0軟件的單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小差異法（LSD）進(jìn)行差異顯著性比較，差異顯著性水平設(shè)定為0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分類型土壤肥力指標(biāo)分析

不同林分類型土壤各肥力指標(biāo)分析結(jié)果見圖1。紅椎純林、紅椎—濕地松混交林和濕地是純林土壤 pH 值分別為 4.37～4.65、4.06～4.69和3.91～4.43，不同林分類型和不同層次之間土壤pH值差異不顯著；隨著深度的增加，3種林分土壤有機質(zhì)含量大體呈減小的趨勢，且0～10 cm土壤均顯著高于其他層次（P＜0.05），紅椎純林10～20 cm土壤有機質(zhì)含量高于另外2種林分；土壤全氮含量也隨深度的增加而減?。患t椎純林各層次土壤全磷含量顯著高于另外2種林分類型（P＜0.05），同一林分不同層次之間土壤全磷含量差異不顯著；不同林分土壤各層次全鉀含量差異未達(dá)到顯著水平，紅椎純林各層次土壤全鉀含量均高于紅椎—濕地松混交林和濕地松純林；隨著深度的增加，3種林分土壤水解性氮含量大體呈減小趨勢，紅椎純林各層次土壤水解性氮含量均高于另外2種林分；不同林分和不同層次土壤速效磷含量均不顯著；各林分土壤大致表現(xiàn)為速效鉀含量隨深度的增加而減小，相對于另外2種林分，紅椎純林土壤速效鉀含量更高。

3.2 土壤肥力指標(biāo)的無量綱化和關(guān)聯(lián)系數(shù)

圖1 不同林分類型土壤肥力指標(biāo)Fig. 1 Measured values of soil fertility indexes

根據(jù)灰色系統(tǒng)理論要求，將3種林分類型土壤的8個指標(biāo)視為一個整體，在土壤pH值、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、水解性氮、速效磷和速效鉀等8個指標(biāo)中，根據(jù)林木對土壤養(yǎng)分的需求特點，8個指標(biāo)均選擇其數(shù)值最大為最優(yōu)，構(gòu)成最優(yōu)指標(biāo)集，各層最優(yōu)指標(biāo)集分別為x1(k)={4.22，49.52，2.29，0.46，24.28，203.79，8.97，54.88}，x2(k)={4.60，30.66，1.60，0.41，25.30，140.38，6.10，33.66}，x3(k)={4.55，14.14，0.90，0.44，26.19，88.67，4.27，16.40}，x4(k)={4.69，12.98，0.94，0.48，27.44，93.90，3.08，13.52}，x5(k)={4.68，10.99，0.86，0.46，24.90，77.23，2.77，13.34}。對不同林分不同層次土壤各測定指標(biāo)作無量綱化處理，結(jié)果見表2，并根據(jù)公式計算土壤肥力的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)（表3）。

表2 土壤肥力指標(biāo)的無量綱化Tab. 2 Dimensionlessness of soil fertility indexes

表3 土壤肥力指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度系數(shù)Tab. 3 Correlative coefficient of soil fertility indexes

3.3 綜合評價模型的構(gòu)建

在各土壤肥力指標(biāo)重要性相同的情況下，需計算出各指標(biāo)的等權(quán)關(guān)聯(lián)度，才能直接用于評價不同林分類型土壤肥力的高低，而不同土壤層次各指標(biāo)實際的重要性不同，因此，本研究采用判斷矩陣法確定各土壤肥力指標(biāo)的權(quán)重，并根據(jù)權(quán)重公式計算各指標(biāo)對應(yīng)的具體賦值，賦予5個土壤層次各土壤肥力指標(biāo)不同的權(quán)重（表4）。

加權(quán)關(guān)聯(lián)度值可以比較客觀、真實地反映出被評價土壤指標(biāo)與最優(yōu)指標(biāo)集之間的差異，關(guān)聯(lián)度值越大，表明該模式與最優(yōu)指標(biāo)值相似程度越高，反之則越低。不同林分類型土壤肥力的灰色關(guān)聯(lián)度值和排序如表5所示。由表5可知，本研究中3種林分類型灰色關(guān)聯(lián)度值大小排列順序為：紅椎純林（0.965）＞紅椎—濕地松混交林（0.658）＞濕地松純林（0.528），表明紅椎純林土壤肥力最高，紅椎—濕地松混交林次之，濕地松純林土壤肥力最差。

表4 土壤肥力指標(biāo)的權(quán)重Tab. 4 Weight of soil fertility indexes

表5 不同林分類型土壤加權(quán)關(guān)聯(lián)度Tab. 5 Correlation degree of soil fertility in different forest types

4 結(jié)論與討論

土壤肥力是土壤生態(tài)系統(tǒng)物理、化學(xué)性質(zhì)和生物組分之間的綜合體現(xiàn)，可以反映土壤為植物生長提供和協(xié)調(diào)養(yǎng)分的能力[12]。土壤肥力質(zhì)量在不同的林分類型中表現(xiàn)出不同的差異。酸堿度是土壤重要的化學(xué)性質(zhì)，酸堿度的高低直接影響著植物生長、土壤養(yǎng)分循環(huán)和微生物活動等[13]，研究區(qū)土壤pH值在3.91～4.69，不同林分類型和不同深度土壤pH值不同，但其差異性并不顯著。土壤有機質(zhì)、全氮、水解性氮、速效磷和速效鉀含量隨深度的增加而減小，說明土壤養(yǎng)分具有明顯的表聚效應(yīng)，這與吳永鈴等[14]、周德明等[15]、楊曉娟等[16]的研究結(jié)論一致。一般情況下，土層越深，土壤微環(huán)境越差，對植物根系生長、土壤動物和微生物活動不利，使得其碳、氮、磷等養(yǎng)分含量也越少[17]。

本研究灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果顯示，紅椎純林、紅椎—濕地松混交林和濕地松純林土壤肥力綜合評價值分別為0.965、0.658和0.528，紅椎純林土壤肥力最好，紅椎—濕地松混交林次之，這與國內(nèi)其他地區(qū)的相關(guān)研究相符[16]。相關(guān)研究表明，土壤肥力除與土壤理化性質(zhì)相關(guān)外，還與林地凋落物蓄積量和分解狀況有關(guān)[18-19]，常綠闊葉林和針闊混交林凋落物蓄積量較大，且凋落物更易分解，能提高林地養(yǎng)分含量，有效改善土壤性質(zhì)，從而維持和提高土壤肥力[20]。土壤肥力受土壤理化性質(zhì)、酶活性和微生物數(shù)量等諸多因素共同影響，在今后的研究中，應(yīng)加大對土壤肥力影響因素的機理研究，為提高紅椎和濕地松人工林的總體經(jīng)營水平提供理論依據(jù)。

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