基于最小数据集的祁连山青海云杉森林土壤质量评价

摘 要：为了探究祁连山青海云杉森林土壤质量情况，运用经典统计方法，分析了祁连山青海云杉森林土壤质量各项指标的均值与变化范围。通过主成分分析法，最小数据集筛选出5个指标，计算得到基于最小数据集的土壤质量指数平均值为0.583，评价结果表明祁连山青海云杉森林土壤质量以低水平和较低水平为主。

关键词：祁连山青海云杉森林；土壤质量评价；主成分分析；最小数据集

中图分类号：S158 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）08–0-03

作为森林生态系统的主要组成成分，森林土壤面积在全球范围内占有较大比例，为森林生态系统提供了生存所需的水分、养分、空气、热量等物质，对森林的健康发展具有重要作用[1]。近年来，随着森林生态系统在森林资源经营管理中的地位日益突出，森林土壤在森林生态系统中的作用也越来越受到关注[2]。因此，在今后的研究中，应深入探讨不同林型的土壤质量，为林业的健康管理和可持续发展提供理论基础。

当前，国内外已经研究出多种评估森林土壤质量的方法，主要有层次分析法、最小数据集法（MDS）、GIS结合数学模型技术和灰色关联法。刘湘君等[3]研究了基于土壤理化性质和剖面特征的黄淮海干旱农业区耕地土壤质量特征，利用主成分分析法，对黄淮海干旱农业区耕地土壤质量进行了评价。当前应用MDS方法所做的品质评估多集中在南方林地，而在我国北方鲜有相关研究。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

位于甘肃省河西走廊中段的马蹄林区是研究区马蹄自然保护站的一部分，坐落于祁连山国家级自然保护区的试验区，年均气温1～3 ℃，日照时间约120 d，年平均降水量在360～490 mm之间[4]。从土壤类型来看，林区主要为山地灰褐土，优势树种为青海云杉和祁连圆柏，植被类型和土壤类型具有明显的垂直分布特征[5]。

1.2 研究方法

1.2.1 主成分分析法

主成分分析方法（PCA）是确定主要数据集的一种常用方法，也是评估土壤质量的重要手段。全面考虑土壤质量参数对土壤质量的影响[6]，利用PCA方法对最小数据集进行分析，以筛选出对土壤特性变化敏感的参数。针对同一主成分的选定测量指标进行相关性分析，如果指标之间存在显著的正相关性，即在保留主要特征的同时，可以消除冗余信息，并且相关系数＞0.5，则将正常值作为参考标准，将其纳入最小数据集[7]。

Nik=（1）

1.2.2 土壤质量指数计算

土壤品质综合评价的计算包括3个步骤：首先，对指标进行标准化处理；其次，利用主成分分析（PCA）确定指标的权重；最后，通过加权求和得出土壤品质指数（（SQI））[8-9]。

升型函数（2）和降型函数（3）公式为：

（2）

（3）

评价指标的得分f（x）与各指标的测量值x相关，其中，最大值为U，最小值为L。

Wi=Ci/Ci（4）

式（4）中，Wi是各指标的权重；Ci是各评价指标的公因子方差；n是MDS中包含的指标数。

SQI=Wi×fi（5）

式（5）中，SQI为土壤质量指数，fi为各评价指标的得分值，n为各个数据集中的土壤质量指标数量。

1.2.3 数据处理

利用Excel软件进行数据和统计分析，借助统计软件SPSS 26软件进行主成分分析、方差分析和LSD数据的多重比较，使用Origin 2022软件对处理后的数据绘制图表。

2 土壤质量评价

2.1 土壤质量指标统计分析

在参考袁程昱[10]等对土壤质量指标选择的基础上，选取土壤有机质（SOM）、孔隙度（POR）、土壤容重（BD）、全磷（TP）、全钾（TK）、全氮（TN）、水解氮（AN）、速效钾（AK）、速效磷（AP）和pH值10个因子作为土壤质量评价指标（表1）。

由表1结果可知，祁连山青海云杉森林土壤质量指标空间变异性具有明显差距，其变化范围在1.18%～65.31%之间，变异系数从大到小依次为全钾、水解氮、全磷、土壤有机质、速效钾、全氮、速效磷、土壤容重、孔隙度、土壤pH值。根据变异系数分级[11]，土壤容重、土壤pH值和孔隙度是不敏感指标；土壤有机质、全氮、全磷、水解氮、速效磷、速效钾为低敏感指标；全钾是中敏感指标。根据第二次全国土壤普查的养分评价标准[12]，祁连山青海云杉森林土壤氮、磷、钾含量很高，平均全氮含量为5.92 g/kg，这说明土壤基础肥力较高。

2.2 最小数据集指标的筛选

经过对10个土壤指标的主成分分析，发现各土壤质量指标的因子载荷表现出4个主成分，其特征值分别为2.825、1.969、1.314、1.124，均大于1。这些主成分的累计贡献率达到72.329%，表明这些指标能够反映土壤质量70%左右的信息。

根据表2，从主成分中挑选出旋转因子载荷绝对值≥0.5的土壤质量评价指标。在主成分1中，发现土壤有机质、全氮和速效钾这3个指标的载荷值达到了0.5及以上，归为第一组指标；在主成分2中，土壤容重和孔隙度的因子载荷值比主成分1中的指标更高，划分为第二组，主成分2中的指标包括土壤容重、全钾和孔隙度；主成分3中的指标则包括全磷、水解氮和速效磷，为第三组指标；主成分4中仅有土壤pH值这一个指标，归为第四组。

为进一步减少信息冗余，通过计算得出各土壤指标的正常值。结果表明：在第一组中，土壤有机质Norm值最大，为2.116，其他指标不在土壤有机质Norm值的10%范围内因为被剔除；第二组中Norm值最大的是土壤容重，为1.304，孔隙度在其值的10%范围内，且与其显著相关（P＞0.01），第二组土壤容重与孔隙度被选入最小数据集；第三组全磷Norm值最大，为0.826，水解氮与速效磷不在其Norm值10%的范围内，被剔除；第四组仅包含土壤pH值，入选最小数据集。综上，祁连山青海云杉森林土壤质量指标包括土壤有机质、土壤容重、孔隙度、全磷和土壤pH值。

2.3 土壤质量评价

采用主成分分析方法得到的共同因素方差之和，求出各个数据集合中各指标的权重。利用公式（2）和（3）将各个指标在主分量上的因素负荷的正与负来计算隶属度，并将所得的隶属度与加权值乘以，再由公式（4）算出以整个土壤质量指数为基础的土壤质量指数SQI-TDS。

祁连山青海云杉森林基于最小数据集的土壤质量指数平均值为0.583，变化范围在0.136～0.758之间，变异系数24.361%，变异系数较大，属于中等变异（表4）。

根据土壤质量指数分级表和上述2个土壤质量指数的平均值和范围，可以看出祁连山青海云杉森林土壤质量主要处于低水平和较低水平。

3 结论

本研究采用传统统计方法，研究了祁连山马蹄自然保护站范围内青海云杉森林土壤质量的各项参数变化。通过应用最小数据集（MDS）评估土壤质量，得出以下结论：

（1）祁连山青海云杉森林土壤质量基于最小数据集的土壤质量指数平均值为0.583，变化范围在0.136～0.758之间。评价结果表明，祁连山青海云杉森林土壤质量以低水平和较低水平为主。

（2）利用主成分析法筛选出的最小数据集评估土壤品质是一个科学、实用的方法。研究成果为该地区土地质量评估提供了有价值的信息，在此基础上优化和筛选出精确的土壤指标，从而构建全面的土壤质量量化评估指标。此项研究将为马蹄自然保护站下属地区的青海云杉森林在土壤和土地管理及规划方面提供有力的数据基础。

参考文献

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