祁连山大野口流域青海云杉林土壤肥力评价

齐 鹏，刘贤德，赵维俊，张仁陟

(1.甘肃农业大学 资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070)

祁连山大野口流域青海云杉林土壤肥力评价

齐 鹏1，刘贤德2，赵维俊2，张仁陟1

(1.甘肃农业大学 资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070)

以祁连山中段青海云杉林土壤为研究对象，分析了自然状态下森林土壤养分各项指标含量与肥力之间的关系。结果表明:研究区青海云杉林土壤理化性质指标值相对较适宜林分生长，有机质含量与全氮、全钾、全磷、铵态氮、硝态氮都存在很高的相关关系，同时全氮与铵态氮、硝态氮也存在很高的相关关系；采用多元统计的主成分分析法对土壤肥力进行综合评价，得出土壤肥力指标前2个主成分的累计贡献率为99.298%，有机质、全钾、全磷、硝态氮、铵态氮等代表了研究区土壤自然肥力的水平，对土壤肥力有正向负荷;土壤肥力模糊综合评价结果为高。

青海云杉林；肥水评价；主成分分析

土壤是植物生长的最重要的环境因素之一，对森林群落演替有重要的影响，同时在维护群落稳定性、保持植物群落结构和功能方面具有重要意义。土壤在生态系统中主要参与营养物质循环，水分平衡，以及维持植物群落稳定，因此，在生态系统中具有不可替代的作用[1]。土壤肥力质量是反映土壤保持生物生产力、环境质量以及动植物健康能力的基础，是许多物理、化学和生物学性质及其形成过程的综合体现[2-6]。土壤肥力作为土壤质量重要组成部分，体现了土壤的本质特征。土壤肥力的高低直接影响着植被生长，同时影响着森林生态系统的健康。有关土壤对森林的给养作用进而对水土流失的控制研究，以及森林土壤化学的研究相对较多[7-13]。祁连山青海云杉作为地带性植被寒温性针叶林，由于人类活动的长期干扰，祁连山区森林生态系统退化严重，服务功能降低，逆向演化显著，进程加快，给区域生态环境建设和经济发展带来了负面影响[14-15]。如何恢复和重建受损的青海云杉林生态系统，研究其土壤养分分布状况，对植被恢复的合理调控具有一定的科学意义。通过对祁连山中段青海云杉林主要分布地段的土壤进行取样和室内分析，对其林地土壤含水量、容重、孔隙度等物理性质和有机质、全氮、全磷、全钾、铵态氮、硝态氮等化学性质进行肥力结果分析，运用主成分分析法探讨土壤肥力的各个指标之间的作用以及相互影响，运用熵权法和模糊综合评价法对青海云杉林土壤进行肥力评价，为祁连山森林健康评价与管理提供理论指导。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

祁连山是我国著名的高大山系之一，是青藏高原东北部一个巨大的边缘山系，整个山地属高山峡谷地貌，呈西北—东南走向[14，15]。按地形或降水可将祁连山分为东段、中段和西段，扁都口至北大河谷之间为中段。试验区设在甘肃省肃南裕固族自治县东北部的祁连山自然保护区西水保护站所辖林区，属祁连山北坡中段，地理位置N 38°23′～38°48′，E 100°3′～100°23′，面积723 980 hm2，海拔2 400～4 000 m。地属大陆性高寒半干旱、半湿润森林草原气候，年均气温5.4 ℃，年均降水量333.8～435.5 mm，90%的降水集中在6～9月，年均蒸发量1 488 mm。森林覆盖率为38.4%，主要树种为青海云杉(Piceacrassifolia)和祁连圆柏(Sabinaprzewalskii)，青海云杉林盖度0.6，祁连圆柏林盖度0.2～0.4；灌木主要有金露梅(Poteutillafruticosa)、银露梅(Poteutillaglabra)、鲜黄小蘖(Berberisdiaphaua)、鬼箭锦鸡儿(Caragauajubata)等，林下植被主要以三穗苔草(Carextristachya)、珠芽寥(Polygouumviviparum)、木贼麻黄(Ephedraequisetiua)以及苔藓植物等为主。主要土壤类型包括棕钙土、灰褐土、栗钙土和高山草甸土。

图1 祁连山试验区位置图Fig.1 Distribution of Test area in Qilian Mountains

1.2 研究方法

1.2.1 样点布设及土壤理化性质测定 在海拔2 800～3 000 m研究区选择青海云杉林长势良好的典型地段进行土壤样品采集，结合常规的植物群落学研究的标准地调查法[16]，以“S”形路线布设取样点，用GPS进行定位，共设置了27个取样点。根据青海云杉林的土壤层厚度比较浅的特性，于2014年7～9月将样地0～40 cm土层垂直剖面划分为0～10，10～20，20～40 cm取样，3次重复。将取好的土样用四分法充分混合，贴上标签，野外采集的土样立即称其湿重，封装标记。然后将样品在室温下风干，挑选植物残体、石块等杂物、研磨后过100目筛，封装备用。

测定指标及方法[16-19]：土壤容重和总孔隙度用环刀法；水分用烘干法；温度用曲管地温表测定；有机质用重铬酸钾-浓硫酸外加热法；全氮用半微量凯氏定氮法；全磷用酸溶-钼锑抗比色法；铵态氮用纳氏试剂比色法；硝态氮用酚二磺酸法；全钾用NaOH熔融法-火焰光度法；土壤pH用电位法(pHS-25型pH计；E-201-C型pH复合电极)。

1.2.2 土壤肥力综合评价方法 评价标准及隶属度函数 把每个评价指标的质量划分为3级，Ⅰ级为高，Ⅱ级为中等，Ⅲ级为低。根据全国第2次土壤普查养分分级标准、实测数据的估算及同类相关研究[20,21]，结合研究区的气候特征，确定各个评价指标的分级标准(表1)，并建立不同土壤肥力指标的隶属度函数。

土壤有机质、全氮、全磷和全钾隶属度函数：

第Ⅰ级：

表1 各评价指标的分级标准值Table1 The grade standard of evaluation index

第Ⅱ级：

第Ⅲ级：

pH和容重隶属度函数：

第Ⅰ级：

第Ⅱ级：

第Ⅲ级：

式中Pi1、Pi2、Pi3分别表示某采样点的土壤某指标隶属于该评价指标Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级的隶属度，Xa、Xb、Xc分别表示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级不同质量的标准值，Xi表示某采样点的土壤肥力指标实测值。

1.2.3 评价指标权重的确定 各土壤肥力要素之间相互影响，共同作用形成土壤肥力综合指标。采用熵权法[23]确定权重。熵权法[23]是根据各指标的变异程度，利用信息熵计算出各指标的熵权，再通过熵权对各指标的权重进行修正，从而得到比较客观的指标权重的方法。

1.2.4 土壤肥力质量综合指标值的计算 根据模糊数学中的加乘法则[24]，利用合适的算子将A与各被评事物的R进行合成，得到各被评事物的模糊综合评价结果向量B。即：

式中：A是权重向量，R是隶属度向量。b1是由A与R的第j列运算得到，表示被评事物从整体上看对pj等级模糊子集的隶属程度。

1.3 数据处理与分析

采用SPSS 19.0和Excel 2010软件处理数据。主要分析方法有多元线性回归分析，相关性分析，以及多项式回归分析，主成分分析法[24-28]。

2 结果与分析

2.1 青海云杉林土壤肥力

通过对原始数据分析，在不同采样深度，祁连山中段青海云杉林土壤的容重变化为0.57±0.05～1.13±0.01 g/cm3，说明土壤通气性好，随着土壤深度的增加，容重在逐渐增加，20～40 cm容重与0～10 cm和10～20 cm容重差异显著；土壤质量含水量为24.98±9.87～76.57±11.95%，随土壤深度的增加，先增大后减小，10～20 cm土壤质量含水量与0～10 cm和20～40 cm差异显著，祁连山青海云杉土壤为浅层土壤，受降水等因素的影响，水分集中在10～20 cm；pH为7.60±0.39～8.23±0.52，土壤为中性土壤；土壤有机质为87.42±43.08～250.86±63.58 g/kg，土壤全氮为2.96±1.19～5.18±1.23 g/kg，土壤全磷为0.58±0.15～0.75±0.13 g/kg，均随土壤深度增加而降低(表2)。因为表层土壤受外界环境因素及植被枯落物养分归还的影响，导致养分首先在土壤表层密集，然后再随水或者其他介质向下层迁移扩散；全钾含量逐渐增加，但各层差异均不显著，很大程度上由深层土壤母质中的矿物结构钾含量决定。

2.2 青海云杉林土壤肥力特征

为研究青海云杉林肥力特征，需要对影响土壤肥力的各个因素之间的关系进行分析，揭示其相互之间的作用以及相互影响。研究区土壤物理和化学性质的相关性分析表明，除全磷与土壤孔隙度等指标的相关性差异不显著外(P<0.05)，其土壤物理和化学性质之间均存在显著或极显著的相关关系(表3)。

土壤养分主要来源于土壤中的有机质。根据土壤理化性质之间的相关性分析，有机质与全氮、全钾、全磷、铵态氮、硝态氮之间存在显著与极显著的相关关系。根据结果，以土壤有机质为自变量，全氮、全钾、全磷、铵态氮、硝态氮为因变量进行回归分析，应用SPSS软件提供的对数函数、二次曲线、三次曲线、符合曲线、S曲线、指数函数等对土壤有机质含量与全氮、全钾、全磷、铵态氮、硝态氮等进行拟合，最终选择拟合度相对高的方程作为模拟方程(表4)。

表2 不同深度土壤肥力指标的测定Table2 The fertility index of soil at different depths

注：n=27；表中数值为平均值±标准差；同列不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)，不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同

表3 土壤理化性质之间的关系系数Table3 The relation coefficient of soil physical and chemical properties

注：显著性水平表示，*P<0.05;**P<0.01

表4 土壤养分相关关系分析Table4 Correlation analysis of Soil Nutrients

研究区青海云杉林土壤有机质含量与全氮、全钾、全磷、铵态氮、硝态氮都存在很高的相关关系，全氮与铵态氮、硝态氮也存在很高的相关关系。

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主成分的方差贡献率最大，达到了85.037%，已超出了基准值(85%)，是主要的分析成分，为第2主成分的5.96倍。通过求和，前2个主成分的累积方差贡献率为99.298%，且不存在变量的丢失。根据其基本原理，研究区土壤肥力特征状况可以用前2个主成分表示土壤肥力的变异信息，也可以说明整个研究区的土壤肥力状况。

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标的线性组合，各指标的特征向量反映了各指标对于主成分的贡献程度。通过表6可以得到2个主成分F1、F2表达式：

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分别依次代表有机质、全氮、全磷、全钾、铵态氮、硝态氮、pH、碳氮比的原始值经标准化后的值。从数据分析得知，第1主成分综合了有机质、全氮、全磷、全钾、铵态氮、硝态氮、pH、碳氮比8个指标的变异信息，其权重系数均大于0.85，说明这些因子在土壤肥力中起着重要作用，第1主成分特征向量之间有较大的相关性，它们的第1主成分特征向量也呈现较大的正值，与主成分保持一致，随着有机质、全氮、铵态氮、硝态氮含量的增加，第1主成分增大，土壤肥力提高。而第2主成分中权系数较低，甚至有机质、全钾、硝态氮出现了负值，第2主成分因贡献率较少，仅作为参考。土壤肥力的主成分分析得出，研究区森林土壤的有机质、全钾、全磷、硝态氮、铵态氮等代表了土壤自然肥力的水平，对土壤肥力有正向负荷。

表6 土壤特征的主成分权重系数Table6 The weight of Principal component in soil characteristic

2.4 青海云杉林土壤肥力综合评价

根据青海云杉林土壤肥力特征，选择容重、质量含水量、pH、土壤有机质、全氮、全磷、全钾作为评价指标，根据熵权法计算得到权重向量，按照隶属度函数和实测值，得到模糊关系。

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

综合评判：C=AR=(0.234 0,0.160 0,0.203 0)，根据最大隶属度原则，研究区的土壤肥力属于Ⅰ级。

3 讨论与结论

3.1 讨论

祁连山土壤养分特征的研究，对如何恢复和重建受损的青海云杉生态系统有重要的意义。此次研究测定的土壤养分含量与中国寒温带土壤剖面有机碳、全氮和全磷含量相比较[29]，有机碳、全氮和全磷含量均较高，这与该林区气候寒冷潮湿，凋落物分解缓慢，加上季节冻土的作用，林分生长缓慢，林木根系对养分吸收较少有关，这些因素共同作用导致了土壤养分的累积。林地枯落物较多，在微生物分解下产生的有机酸较多，但研究结果土壤为中性，究其原因可能是土壤容重低，通气性好，土壤有机质分解过程强烈。此次研究结果与刘贤德等[30]对该研究区不同海拔梯度上青海云杉林土壤有机碳、全氮、全磷和全钾含量变化规律基本一致[30]。土壤肥力是诸多因子综合作用的结果，现有的森林土壤质量综合评价的相关研究较少，大多是针对单个土壤属性质量方面的评价，且主观评价方法较多，研究采用熵权法和模糊综合评价法对土壤肥力进行综合评价，避免了人为主观因素的影响。

3.2 结论

1)经土壤理化性质之间的相关分析，除土壤孔隙度等指标和全磷的相关性达不到统计显著水平外，其余的土壤物理和化学性质之间都存在显著或极显著的相关关系。其中，研究区青海云杉林土壤有机质含量与全氮、全钾、全磷、铵态氮、硝态氮都存在很高的相关关系，全氮与铵态氮、硝态氮也存在很高的相关关系。

2)土壤肥力的主成分分析(PCA)得出，研究区森林土壤的有机质、全钾、全磷、硝态氮、铵态氮等基本代表了土壤自然肥力的水平，对土壤肥力有正向负荷。

3)土壤肥力评价结果为Ⅰ级，符合祁连山青海云杉林肥力的实际情况，研究区青海云杉林土壤肥力相对较适宜林分生长。

祁连山青海云杉分布带绵延数千里，按降水分布特征可以将祁连山分为东段、中段和西段。随海拔梯度变化，环境因子特别是温度、降水等因子的显著变化，影响了土壤养分变化，土壤有机碳、全氮、全磷和全钾含量等存在差异。因此，今后将开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，同时评价指标体系应包括土壤的生物学特性指标。从而更深入的为流域内的森林生态系统在涵养水源、减少流域内的水土流失等方面的研究提供基础数据。

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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

甘肃省高等学校科研项目“祁连山青海云杉种群空间格局及其与地形关系研究(2014A-059)”；甘肃农业大学盛彤笙基金“祁连山青海云杉种群空间格局研究(GSAU-STS-1436)”；甘肃省博士后基金“基于数量分析的青海云杉种群结构及分布格局研究”资助

齐鹏(1980-)，男，甘肃武威人，讲师，博士，主要从事环境科学的教学与科研工作。 E-mail：gsauqip@163.com

S 714.5

A

1009-5500(2015)04-0037-07