曲 仡 孫冬曉 魏 丹 張 耕

（廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520）

土壤是人類(lèi)生產(chǎn)的重要資源，是土地生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，土壤肥力能夠反映植物的生長(zhǎng)潛力[1]。開(kāi)展森林林地土壤肥力評(píng)價(jià)研究，對(duì)于診斷林地土壤肥力狀況、編制經(jīng)營(yíng)方案、防止林地退化等具有重要意義[2]。目前研究主要運(yùn)用隸屬度函數(shù)與綜合評(píng)價(jià)法[3]、Nemerow指數(shù)法[4]、主成分分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法[5]、模糊數(shù)學(xué)法[6]等特定區(qū)域林地土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。但這些林地土壤肥力評(píng)價(jià)以土種、河流流域、種植區(qū)為單位，以人工林土壤[3]、檸檬產(chǎn)區(qū)[4]、筇竹林分[5]、紫色土壤[6]等為主，對(duì)以行政區(qū)為單位的林地土壤綜合肥力評(píng)價(jià)研究較少。

本次研究結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)與多元統(tǒng)計(jì)分析的方法，劃分河源市和平縣林地土壤肥力評(píng)價(jià)單元，計(jì)算林地土壤肥力綜合指數(shù)，劃分肥力等級(jí)，繪制和平縣林地土壤肥力空間分布圖，探討當(dāng)?shù)亓值赝寥婪柿τ绊懸蛩兀云跒楫?dāng)?shù)亓謽I(yè)管理部門(mén)制定政策、加強(qiáng)管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

和平縣地處廣東省東北部、東江上游、粵贛邊境的九連山地區(qū)，屬珠江大流域，位于東經(jīng)114°41′～ 115°16′，北緯24°05′～ 24°42′之間。轄區(qū)總面積229 200 hm2，集體林區(qū)219 900 hm2，其中林業(yè)用地189 400 hm2，占集體林區(qū)的86.1 %。屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降雨量1 717.1 mm，年平均無(wú)霜期308 d，日照百分率38%，年平均風(fēng)速1.9 m/s。和平縣境內(nèi)地勢(shì)較高，屬丘陵山區(qū)縣。西部、中部及西北部屬山區(qū)，北部、東部及東南部多丘陵。谷底沖積平原則零星分布于縣內(nèi)各地。北部及西北部山地地勢(shì)較高，海拔多在500 m以上，南部和東南部地勢(shì)較低，多在海拔500 m以下的丘陵地帶。全縣地勢(shì)西北高東南低，由西北逐漸向東南傾斜。土壤類(lèi)型主要為赤紅壤、紅壤，存在少部分黃壤。

1.2 樣品采集與處理

通過(guò)Arcgis 10.7篩選和平縣內(nèi)林地，結(jié)合專(zhuān)題布點(diǎn)與隨機(jī)布點(diǎn)，是樣點(diǎn)在空間上隨機(jī)分布均勻，并能夠代表一定的土壤信息狀況，共布置樣點(diǎn)159個(gè)，如表1、圖1 。專(zhuān)題布點(diǎn)確保樣點(diǎn)覆蓋所有地形、水文的梯度變化和主要森林類(lèi)型，隨機(jī)布點(diǎn)確保樣點(diǎn)分布均勻。土壤樣品采集嚴(yán)格按照《森林土壤調(diào)查技術(shù)規(guī)程》（LY/T 2250-2014）[7]的要求，取0～20 cm表層土壤為樣品，在采集樣點(diǎn)10 m2范圍內(nèi)挖掘3處剖面作為重復(fù)樣本，并記錄采樣點(diǎn)中心處經(jīng)緯度。土壤樣品檢測(cè)分析采用林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如表2。

圖1 和平縣林地土壤樣點(diǎn)布設(shè)Fig. 1 Soil sample layout of Heping

表1 和平縣林地土壤調(diào)查樣點(diǎn)布設(shè)數(shù)量Table 1 Soil sample layout of Heping

表2 土壤理化性質(zhì)分析化驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Soil physical and chemical properties analysis and determination methods

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本次研究選取林地土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)共6項(xiàng)，包括pH、容重（Capacitive weight）、有機(jī)碳（Organic carbon）、全 氮（Total nitrogen，N）、全 鉀（Total potassium，K）和全磷（Total phosphorus，P）。采用正規(guī)化變換對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

1.4 地統(tǒng)計(jì)學(xué)原理

地統(tǒng)計(jì)學(xué)是研究具有地理空間信息特性事物或現(xiàn)象的空間相互作用及其規(guī)律的數(shù)學(xué)方法[8]。地統(tǒng)計(jì)學(xué)以大量樣品數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)確定其空間分布格局及相關(guān)關(guān)系，常用于與空間格局和變異相關(guān)的研究[9]。

本次研究使用普通克里金法進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。其半變異函數(shù)模型中，常用的有指數(shù)（Exponential）、高斯（Gaussian）、球狀（Spherical）和線(xiàn)性無(wú)基臺(tái)值（Linear）、有基臺(tái)值（Linear to sill）等模型。其表達(dá)式為：

式中，γ（h）為半變異函數(shù)；h為步長(zhǎng)；N（h）為觀(guān)測(cè)樣點(diǎn)對(duì)數(shù)；Z（xi）和Z（xi+h）分別是區(qū)域化變量Z（x）在空間位置xi和xi+h的實(shí)測(cè)值。

半變異函數(shù)分析還涉及變程（Range）、塊金值（Nugget）、基臺(tái)值（Sill）、塊金系數(shù)、決定系數(shù)等重要參數(shù)。其中變程表示評(píng)價(jià)指標(biāo)空間相關(guān)性的適用距離；塊金值表示數(shù)據(jù)測(cè)量誤差以及隨機(jī)因子影響程度；基臺(tái)值表示評(píng)價(jià)指標(biāo)受結(jié)構(gòu)性因子的影響程度；塊金系數(shù)表示評(píng)價(jià)指標(biāo)的空間相關(guān)性；決定系數(shù)反應(yīng)模型擬合情況[10]。

1.5 評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?/h3>

本次研究通過(guò)地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，將GIS與空間變異分析相結(jié)合，依據(jù)林地土壤采集樣品檢測(cè)結(jié)果，對(duì)和平縣范圍內(nèi)的林地進(jìn)行評(píng)價(jià)單元的劃分，確保每個(gè)評(píng)價(jià)單元內(nèi)林地土壤肥力各評(píng)價(jià)指標(biāo)均一穩(wěn)定，以提升林地土壤肥力評(píng)價(jià)精度與實(shí)用性。評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐址椒ň唧w如下：克里金插值法生成各評(píng)價(jià)指標(biāo)圖層，半變異函數(shù)模型確認(rèn)各指標(biāo)空間相關(guān)性及擬合精度，通過(guò)疊置分析將和平縣林地土壤分割為基本評(píng)價(jià)單元。

1.6 主成分分析

主成分分析法是通過(guò)數(shù)據(jù)處理組合為新的互不相關(guān)的變量，替代原始變量進(jìn)行降維的方法[11]。在不減少原始數(shù)據(jù)信息的前提下，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為維數(shù)較少的特征成分，是常用的降維、計(jì)算權(quán)重的方法。其計(jì)算公式為：

在通過(guò)主成分分析進(jìn)行降維后，得到各主成分特征根與特征向量，選取特征根大于1的主成分為關(guān)鍵主成分[12]，計(jì)算各指標(biāo)線(xiàn)性組合系數(shù)矩陣，得出綜合得分系數(shù)，歸一化處理后得到各指標(biāo)權(quán)重。

1.7 林地土壤肥力綜合評(píng)定及分級(jí)

本次研究采用加成法原理綜合評(píng)定林地土壤肥力質(zhì)量。將同一評(píng)價(jià)單元上相互交叉的同類(lèi)因子采用加法合成，求出林地土壤肥力質(zhì)量綜合指標(biāo)IFI。計(jì)算公式為：

將每個(gè)評(píng)價(jià)單元的綜合值寫(xiě)入屬性表，采用等距法將和平縣林地土壤質(zhì)量等級(jí)由低到高分為1～10級(jí)，經(jīng)過(guò)Arcgis 10.7處理后形成和平縣林地土壤肥力等級(jí)分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 正態(tài)性檢驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)化處理樣品檢測(cè)結(jié)果，并進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，各林地土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)滿(mǎn)足地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的假設(shè)原則，正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 和平縣林地土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)Table 3 Descriptive statistical table of soil fertility evaluation index data of forestland in Heping

2.2 半變異函數(shù)分析

將數(shù)據(jù)輸入Arcgis 10.7，通過(guò)地統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行克里金插值，生成林地土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)空間插值分布圖，確保邊緣對(duì)齊無(wú)拓?fù)溴e(cuò)誤。在地統(tǒng)計(jì)半變異函數(shù)分析過(guò)程中，通過(guò)轉(zhuǎn)換模型、調(diào)整參數(shù)來(lái)提高擬合度，林地土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)的半變異函數(shù)參數(shù)情況如表4。決定系數(shù)中，除pH外均大于0.65，其中P、容重、N 、有機(jī)碳、K分別為0.937、0.862、0.716、0.712、0.691，說(shuō)明擬合精度較好。塊金系數(shù)顯示，K、pH大于75%，說(shuō)明由隨機(jī)因素引起的空間變異性較大；P、容重小于25%，說(shuō)明P、容重的空間相關(guān)性很高；有機(jī)碳、N處于25%～75%之間，存在一定的空間相關(guān)性。各指標(biāo)塊金值均低于0.05，說(shuō)明此次采樣機(jī)械誤差小。各指標(biāo)變程處于2～25.10 km之間，說(shuō)明各指標(biāo)在其變程距離內(nèi)存在空間相關(guān)性[13]。

表4 半變異函數(shù)參數(shù)Table 4 Experimental value and fitted value about semivariogram

2.3 生成評(píng)價(jià)單元

使用Arcgis 10.7的疊置分析功能，組合各評(píng)價(jià)指標(biāo)的空間插值分布圖，生成評(píng)價(jià)單元[14]，如圖2所示。每個(gè)評(píng)價(jià)單元內(nèi)林地土壤肥力各評(píng)價(jià)指標(biāo)值均一穩(wěn)定，以此提升全縣林地土壤肥力評(píng)價(jià)精度，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化林地土壤肥力評(píng)價(jià)。

圖2 和平縣林地土壤肥力等級(jí)基本評(píng)價(jià)單元Fig. 2 Units of woodland fertility evaluation in Heping

2.4 主成分分析結(jié)果

通過(guò)主成分分析法，獲得各評(píng)價(jià)指標(biāo)主成分特征值與貢獻(xiàn)率如表5，主成分分析成份矩陣與各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值如表6。由表5可知，主成分1與主成分2的特征根均大于1，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)64.39%，高于60%，因此主成分1與主成分2基本能反應(yīng)林地土壤肥力信息，為關(guān)鍵主成分[15]。其中，主成分1為N、容重，主成分2為K、有機(jī)碳、pH、P。由表6可知有機(jī)碳權(quán)重為0.32，高，其余指標(biāo)由大至小為N、容重、K、P、pH。

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)主成分特征值與貢獻(xiàn)率Table 5 Eigenvalues and contribution of principal components

表6 主成分分析成份矩陣與評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值Table 6 Principal component analysis component matrix and evaluation index weight values

2.5 和平縣林地土壤肥力分布情況

采用等距法將和平縣林地土壤肥力綜合評(píng)價(jià)值IFI由低到高分為1～10級(jí)，如表7、圖3所示。和平縣林地土壤共計(jì)18.9萬(wàn)hm2，本次研究共劃分肥力綜合評(píng)價(jià)單元2 510個(gè)，評(píng)價(jià)單元最小面積為1.67 hm2，最大面積為2 014.82 hm2，均值為78.21 hm2。各等級(jí)總面積處于6 948.12 ～ 32 184.21 hm2之間，占總面積的比例為3.49% ～ 16.19%。其中4級(jí)肥力面積最大，占總面積的16.19%，1級(jí)肥力面積最小，為3.49%。5級(jí)及以下等級(jí)肥力面積占總面積達(dá)52.4%，6級(jí)及以上等級(jí)面積占總面積比例達(dá)47.6%，其中3、4、5、7、8級(jí)占比超過(guò)10%，分別為12.44%、16.19%、10.69%、10.01%、14.04%。在林地土壤肥力空間分布特征上，和平縣西部地區(qū)主要為7、8、9、10級(jí)，中部地區(qū)為5、6級(jí)，東部地區(qū)為4、3、2、1級(jí)，總體來(lái)看和平縣林地土壤肥力等級(jí)呈現(xiàn)西高東低的趨勢(shì)。

圖3 和平縣林地土壤肥力分布Fig. 3 Fertility level distribution of Heping forest soil

表7 和平縣林地土壤肥力等級(jí)分布面積Table 7 Distribution area of forest soil fertility grade in Heping

3 結(jié)論與討論

3.1 和平縣林地土壤共計(jì)189 000 hm2，本次研究共劃分評(píng)價(jià)單元2 510個(gè)，評(píng)價(jià)單元最小面積為1.67 hm2，最大面積為2 014.82 hm2，均值為78.21 hm2，因此認(rèn)為通過(guò)Arcgis 10.7、地統(tǒng)計(jì)學(xué)及多元統(tǒng)計(jì)分析結(jié)合，可以對(duì)縣級(jí)行政區(qū)做出較為精細(xì)的林地土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)，并能簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)結(jié)果，將肥力等級(jí)分布直觀(guān)、完整地呈現(xiàn)在一張分布圖上。

3.2 在主成分分析中主成分1貢獻(xiàn)率達(dá)到41.18%，說(shuō)明N、容重在此次研究中是影響和平縣林地土壤肥力的首要因子。主成分2貢獻(xiàn)率為23.21%，包括K、有機(jī)碳、pH、P，其中在成分矩陣中各指標(biāo)由大至小為K、有機(jī)碳、pH、P，分別為0.845、0.529、0.434、0.449，說(shuō)明影響程度由低到高為K、有機(jī)碳、P、pH。

3.3 5級(jí)及以下等級(jí)面積占總面積達(dá)52.4%，6級(jí)及以上等級(jí)為47.6%，3、4、5、7、8級(jí)占比超過(guò)10%，分別為12.44%、16.19%、10.69%、10.01%、14.04%。整體分布為西部高東部低、北部高南部低。和平縣屬于丘陵地帶，東部與南部等地勢(shì)平坦區(qū)域人為活動(dòng)多，包括開(kāi)路、建屋、種植作物等行為，導(dǎo)致和平縣東部林地破碎化程度較高。與之相反，和平縣北部及西部地區(qū)，海拔相對(duì)較高，未受大范圍人類(lèi)活動(dòng)影響，林班內(nèi)林相完整，人為開(kāi)墾、活動(dòng)的痕跡較少。因此認(rèn)為和平縣東部及南部受人為影響較大，導(dǎo)致林地土壤肥力較低，受人為活動(dòng)影響小的區(qū)域林地土壤肥力相對(duì)較高，與本研究最終結(jié)果相吻合。如要提高和平縣林地土壤肥力，可以考慮以減少當(dāng)?shù)卮迕袢藶榛顒?dòng)對(duì)林地的影響為主。但地方林權(quán)往往存在爭(zhēng)議部分，集體林地與國(guó)有林地犬牙交錯(cuò)，難以形成集約化管治，因此簡(jiǎn)單地考慮施肥、管護(hù)等往往不能達(dá)到良好效果。