劉永祿，矯興杰，孫 倩，張專文，崔海金，苗 杰，張靖川，杜振宇，孫太元*

（1.煙臺(tái)市蓬萊區(qū)國(guó)有艾山林場(chǎng)管理站,山東煙臺(tái)265600；2.煙臺(tái)市牟平山省級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理中心，山東煙臺(tái)2641004；3.煙臺(tái)市森林資源監(jiān)測(cè)保護(hù)服務(wù)中心，山東煙臺(tái)264000；4.煙臺(tái)市龍口市國(guó)有林場(chǎng)，山東龍口265700；5.煙臺(tái)市林業(yè)科學(xué)研究所，山東煙臺(tái)264013；6.乳山市自然資源局林業(yè)站，山東乳山264500；7.山東省林業(yè)科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250014）

赤松（Pinus densiflora）是溫帶和暖溫帶地區(qū)針葉林的主要構(gòu)成樹種，山東半島是其原生地，具有耐干旱瘠薄，成林成材期較早的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。作為山東省的鄉(xiāng)土樹種,赤松主要分布在膠東丘陵區(qū)和魯中山地,在增加生物多樣性、提升生態(tài)系統(tǒng)功能、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了重要作用[3]。近年來林業(yè)科研工作者對(duì)赤松天然林和人工林展開了系列研究工作，主要集中在樹木生理生態(tài)、林分生長(zhǎng)、病蟲害防治等方面[4-6]，但針對(duì)赤松人工林土壤方面的研究卻少見報(bào)道。

森林土壤質(zhì)量是影響樹木生長(zhǎng)及其生態(tài)功能發(fā)揮的重要因素，而土壤肥力又是土壤質(zhì)量的重要組成，決定了森林生態(tài)穩(wěn)定性。開展森林土壤肥力研究，對(duì)于診斷林地土壤肥力狀況，防止林地土壤退化具有重要意義。國(guó)內(nèi)針對(duì)人工林土壤理化性質(zhì)開展了較多研究，涉及到油松、側(cè)柏、紅豆杉、麻櫟等多個(gè)樹種[7-9]，但關(guān)于赤松林地土壤肥力評(píng)價(jià)的研究卻仍屬空白。本研究以膠東丘陵區(qū)不同生長(zhǎng)階段的赤松人工林為對(duì)象，運(yùn)用隸屬函數(shù)和因子分析方法對(duì)林地土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，旨在了解該區(qū)赤松林地土壤理化特性，為膠東丘陵地區(qū)林地土壤培肥及人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)（地點(diǎn)見表1）位于山東省東部，屬于膠東丘陵地區(qū)，地理位置介于N 35°35'-38°3'，E 119°30'-122°42'。該區(qū)屬暖溫帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候，氣溫變幅較小，年均氣溫11.3℃，四季分明。年平均降水量740 mm，降雨主要集中于夏季。年平均日照數(shù)2690 h，無霜期約207d[10]。區(qū)域內(nèi)土壤類型以棕壤為主，主要植被類型為常綠松柏類樹種和落葉闊葉類樹種為主，代表性樹種主要有黑松、赤松、油松、麻櫟、楸樹等。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

樣地共有15 塊，設(shè)置在地處膠東丘陵區(qū)的煙臺(tái)市轄區(qū)，面積均為10 m×10 m，分別位于牟平區(qū)神童村（1-4 號(hào)）、牟平區(qū)風(fēng)云林場(chǎng)（5-8 號(hào)）、萊山區(qū)曲村（9-12 號(hào)）和昆崳山林場(chǎng)（13-15 號(hào)）。林地土壤類型為棕壤，林下植被主要有麻櫟、臭椿、胡枝子、商陸、地榆、山苜楂等。樣地具體情況見表1。

表1 不同赤松人工林樣地基本概況

2.2 土樣采集

土樣采集時(shí)間為2018年9月。在每塊樣地采用“S”形隨機(jī)選點(diǎn)4 個(gè)，每個(gè)采樣點(diǎn)用土鉆采集0～20 cm 土層的土壤樣品約1 kg，去除其中的石礫、動(dòng)植物殘?bào)w和其它雜物，經(jīng)混合均勻后，用四分法取1 kg 左右作為待測(cè)土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干后過篩備用。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇和測(cè)定

土壤肥力是由土壤養(yǎng)分狀況和土壤供應(yīng)養(yǎng)分時(shí)所處的物理化學(xué)條件共同決定的。在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，從全面性、系統(tǒng)性以及易于獲取等多方面考慮，最終選擇了13 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中：表征土壤養(yǎng)分狀況的指標(biāo)5 個(gè)，分別為有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀；表征土壤物理和化學(xué)環(huán)境指標(biāo)8 個(gè)，分別為容重、孔隙度、粘粒（＜0.002 mm 物理性粘粒)、粉粘比（粉砂粒與粘粒的比值）、土層厚度、土壤pH、電導(dǎo)率和陽離子交換量（CEC）。

土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；全氮含量采用凱式定氮法測(cè)定；堿解氮含量的測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法；有效磷含量采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定；土壤有效鉀采用火焰光度計(jì)法測(cè)定[11]。土壤容重采用原位環(huán)刀法測(cè)定，土壤孔隙度采用環(huán)刀浸水法測(cè)定[12]。土壤粉砂粒和粘粒含量采用吸管法測(cè)定[13]。土壤pH 值和電導(dǎo)率分別采用酸度計(jì)和電導(dǎo)率儀測(cè)定；采用EDTA-乙酸銨混合液交換法測(cè)定CEC[11]。

2.4 隸屬度值的計(jì)算

為保證各評(píng)價(jià)指標(biāo)具有等效性和同序性，必須將原始測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理。參照孫波等[14]的方法，首先建立各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，計(jì)算其隸屬度值，用來表示各項(xiàng)肥力指標(biāo)的狀態(tài)值。根據(jù)作物效應(yīng)曲線，隸屬度函數(shù)可分為S 型和拋物線型。容重、孔隙度、粘粒含量、粉粘比、pH 和電導(dǎo)率屬于拋物線型隸屬度函數(shù)，相應(yīng)的隸屬度函數(shù)為：

土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、土層厚度和CEC 均屬于S 型隸屬度函數(shù)，相應(yīng)的函數(shù)為：

根據(jù)已有研究資料確定隸屬度函數(shù)曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)的相應(yīng)數(shù)值，詳見表2。根據(jù)隸屬度函數(shù)公式和表2 計(jì)算出各項(xiàng)肥力指標(biāo)的隸屬度函數(shù)值。

表2 隸屬度函數(shù)曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)的取值

2.5 權(quán)重的確定

由于各項(xiàng)肥力指標(biāo)對(duì)林地土壤肥力的影響作用并不相同，因此采用因子分析法確定不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。首先得出各個(gè)肥力因子主成分的特征值和貢獻(xiàn)率，經(jīng)因子旋轉(zhuǎn)后計(jì)算求得相應(yīng)的載荷矩陣，并得出各項(xiàng)肥力指標(biāo)的公因子方差。方差的大小表示了該項(xiàng)指標(biāo)對(duì)土壤肥力總體變異的貢獻(xiàn)。將同一類型中的某個(gè)指標(biāo)的公因子方差除以同類型所有指標(biāo)的方差之和，即可得到該項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值。

2.6 土壤綜合肥力指數(shù)的計(jì)算

根據(jù)加乘法則，在土壤養(yǎng)分和土壤物理化學(xué)這兩類指標(biāo)的同類指標(biāo)間采用加法進(jìn)行合成，而在相互獨(dú)立的這兩類指標(biāo)間采用乘法進(jìn)行合成[14]，根據(jù)以下公式計(jì)算出土壤綜合肥力指數(shù)FI（Fertility Index）：

FI=N×E

N=W(N)×(nij)c×a

E=W(E)×(eij)c×b

其中：N表示養(yǎng)分狀況指標(biāo)隸屬度集合，E表示土壤環(huán)境指標(biāo)隸屬度集合，W表示權(quán)重向量，n和e表示兩類指標(biāo)的隸屬度值，c表示樣本變量，a和b表示兩類指標(biāo)的個(gè)數(shù)，分別為5 和8。

2.7 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2016 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、隸屬度計(jì)算和圖表制作，采用SPSS 23.0 軟件進(jìn)行相關(guān)分析和因子分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 赤松人工林土壤肥力指標(biāo)的相關(guān)性

供試赤松人工林土壤樣品的肥力指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見表3所示。針對(duì)各項(xiàng)肥力指標(biāo)特征以及豐缺狀況，前期已進(jìn)行了詳細(xì)研究，在此不再贅述[15]。此處僅對(duì)所選13 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行探討。

表3 供試赤松人工林的土壤肥力指標(biāo)

由表4 可以看出，在土壤物理和化學(xué)環(huán)境指標(biāo)中，赤松林地土壤容重與電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），而與孔隙度、粘粒、CEC、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀均表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)。與土壤容重的情況相反，孔隙度與粘粒、CEC、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀均表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，而僅與電導(dǎo)率具有顯著負(fù)相關(guān)性。粘粒含量與其它多達(dá)10 個(gè)指標(biāo)表現(xiàn)出顯著相關(guān)性，呈顯著正相關(guān)的指標(biāo)有孔隙度、CEC、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀，呈顯著負(fù)相關(guān)的指標(biāo)是容重、pH 和電導(dǎo)率，而與粉粘比、土層厚度的相關(guān)性沒有達(dá)到顯著水平。土層厚度與其它12 個(gè)指標(biāo)均沒有達(dá)到顯著性相關(guān)。土壤pH 與有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和堿解氮表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)，電導(dǎo)率則與CEC、有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)。

表4 土壤肥力指標(biāo)間的相關(guān)性分析

在土壤養(yǎng)分狀況指標(biāo)中，有機(jī)質(zhì)與全氮的規(guī)律相似，均與其它多達(dá)11 個(gè)指標(biāo)表現(xiàn)出顯著相關(guān)性，呈顯著正相關(guān)的指標(biāo)有孔隙度、粘粒、CEC、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀，呈顯著負(fù)相關(guān)的指標(biāo)是容重、粉粘比、pH 和電導(dǎo)率。堿解氮與孔隙度、粘粒、CEC、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀均表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，而與容重和pH 表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)；有效磷與粘粒、有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮呈顯著正相關(guān)，而與粉粘比、pH 呈顯著負(fù)相關(guān)；速效鉀與孔隙度、粘粒、CEC、有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，而與容重、電導(dǎo)率呈顯著負(fù)相關(guān)。

結(jié)果表明，赤松人工林地土壤肥力指標(biāo)間的相關(guān)性較強(qiáng)，除土層厚度外，其它12 個(gè)指標(biāo)間均存在較為密切的相關(guān)性，特別是粘粒、有機(jī)質(zhì)、全氮與其它10 個(gè)以上指標(biāo)的相關(guān)性均呈顯著性相關(guān)，這也說明土壤養(yǎng)分狀況和物理化學(xué)環(huán)境均會(huì)對(duì)側(cè)柏人工林地土壤肥力產(chǎn)生較大影響作用。

3.2 土壤肥力指標(biāo)的隸屬度值與權(quán)重

經(jīng)計(jì)算得到赤松人工林樣地不同指標(biāo)的隸屬度值，如表5所示。隸屬度值的最高值為1.0，表示該土壤肥力指標(biāo)完全適宜林木生長(zhǎng)；由于完全沒有肥力的土壤極少，因此最低值用0.1 表示，也可避免計(jì)算時(shí)出現(xiàn)較多的零值。

對(duì)15 塊赤松人工林樣地土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行因子分析，共提取出12 個(gè)公因子，其特征值、貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率見表6。由于公因子較多，不必全部用于數(shù)據(jù)分析，前3 個(gè)公因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率已超過85%，完全能滿足信息提取的要求。經(jīng)對(duì)因子旋轉(zhuǎn)分析，計(jì)算出相應(yīng)的載荷矩陣，求算出各項(xiàng)肥力指標(biāo)的公因子方差，從而得到13 個(gè)土壤肥力指標(biāo)的各自權(quán)重（表7）。

表6 肥力公因子的特征根和貢獻(xiàn)率

表7 肥力指標(biāo)的公因子方差和權(quán)重

3.3 赤松人工林的土壤綜合肥力指數(shù)

根據(jù)各肥力指標(biāo)的隸屬度值和權(quán)重值，分別計(jì)算出兩類指標(biāo)的隸屬度集合N和E，然后二者相乘到出不同樣地的土壤綜合肥力指標(biāo)FI（表8）。

表8 供試赤松人工林土壤綜合肥力指數(shù)

由計(jì)算結(jié)果可以看出，15 塊供試赤松人工林樣地的土壤綜合肥力指數(shù)介于0.079-0.430 之間，不同樣地間的土壤肥力存在較大變異。昆崳山林場(chǎng)的林地土壤肥力指數(shù)最高，平均值為0.354，顯著高于其它3 處林場(chǎng)。神童村、風(fēng)云林場(chǎng)和曲村的赤松林地的綜合肥力相差不大，肥力指數(shù)的平均值分別為0.117、0.108 和0.164，三者之間的差異沒有達(dá)到顯著水平。

圖1 不同地點(diǎn)赤松人工林的土壤綜合肥力

3.3 林齡和林分密度對(duì)赤松人工林土壤綜合肥力的影響

為探究林齡和林分密度對(duì)赤松人工林土壤綜合肥力的影響，將林齡、林分密度分別與土壤綜合肥力指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明，林齡與綜合肥力指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)為0.8672，達(dá)到顯著性水平（P＜0.05）。從圖2 可以看出，在林齡較高時(shí)，林地土壤綜合肥力顯著高于低齡赤松林地。相比之下，林分密度與土壤綜合肥力指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)僅為-0.2973，沒有達(dá)到顯著性水平，表明赤松人工林密度對(duì)林地綜合肥力沒有產(chǎn)生明顯影響作用。

圖2 林齡對(duì)土壤綜合肥力指數(shù)的影響

3 結(jié)論

圖3 林分密度對(duì)土壤綜合肥力指數(shù)的影響

本文采用隸屬度函數(shù)和因子分析方法，對(duì)膠東丘陵區(qū)不同林齡和密度的赤松人工林土壤肥力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，研究表明：

（1）赤松人工林地土壤肥力指標(biāo)間的相關(guān)性較強(qiáng)；除土層厚度外，其它12 個(gè)指標(biāo)間均存在較強(qiáng)的相關(guān)性，特別是粘粒、有機(jī)質(zhì)、全氮與其它10 個(gè)以上指標(biāo)的相關(guān)性均呈顯著性相關(guān)，說明土壤養(yǎng)分狀況和物理化學(xué)環(huán)境均會(huì)對(duì)側(cè)柏人工林地土壤肥力產(chǎn)生較大影響作用。

（2）不同樣地間的土壤肥力存在較大變異。昆崳山林場(chǎng)的林地土壤肥力指數(shù)最高，顯著高于其它3 處林場(chǎng)。神童村、風(fēng)云林場(chǎng)和曲村的赤松林地的綜合肥力相差不大，三者之間的差異沒有達(dá)到顯著水平。

（3）林齡與綜合肥力指數(shù)之間存在顯著正相關(guān)，在林齡較高時(shí)，林地土壤綜合肥力顯著高于低齡赤松林地，而林分密度對(duì)林地綜合肥力沒有產(chǎn)生顯著影響。