东莞主要森林群落的土壤基本性质和综合评价

欧芷阳，苏志尧，朱剑云

（1.华南农业大学 林学院，广东 广州 510642；2.广西壮族自治区林业科学研究院，广西 南宁 530002；3.东莞市林业科学研究院，广东 东莞 523106）

东莞主要森林群落的土壤基本性质和综合评价

欧芷阳1,2，苏志尧1，朱剑云3

（1.华南农业大学 林学院，广东 广州 510642；2.广西壮族自治区林业科学研究院，广西 南宁 530002；3.东莞市林业科学研究院，广东 东莞 523106）

以广东省东莞市的6种主要森林群落土壤为研究对象，分析其土壤物理化学特性，并通过主成分分析结合Norm值的方法，综合敏感性分析和相关分析，筛选出对土壤质量变化敏感的指标，确定了研究区域土壤质量评价的最小数据集（Minimum Data Set, MDS），进一步对不同森林群落的土壤质量进行了综合评价。研究结果表明，研究区域土壤质量评价最小数据集由土壤毛管持水量、总孔隙度、非毛管孔隙度、相对电导率、全氮、全磷、全钾、有机质、碱解氮、速效磷及速效钾等11个参数组成。各因子的土壤隶属度值显示，土壤速效磷和速效钾是该地区土壤质量的主要限制因子。土壤质量综合评价指数以桉树林得分最高，针阔混交林其次，荔枝林的得分最低。原因可能在于周期性的森林抚育和施肥措施改变了土壤结构，补充了土壤养分，使得桉树林土壤质量优于其他林型。总体上，研究区域的土壤肥力仍处于较低水平，土壤质量较差。

森林群落；土壤基本性质；综合评价；主成分分析；最小数据集；权重确定；广东东莞

森林土壤是在森林植被下发育形成的，其养分供应水平直接影响植物生长、发育与繁殖策略[1]。土壤物理性质的变化可以改变土壤的通气性与透水性，土壤养分的富集、空间分布和再分配可以到影响植被发育和演替[2]，因此土壤物理和化学性质长期以来被普遍认为是影响森林土壤质量的重要指标[3]。随着土地的不断开发和集约化利用，原生植被遭到严重破坏、人工植被大面积增加、森林土壤质量下降、土地退化成为全球所面临的主要环境问题。通过土壤-植被复合系统的功能改善，有效促进区域生态系统的良性发展，是当前所面临的一个关键问题。

东莞市由于经济迅猛发展导致原有的自然生境和资源受到严重干扰和破坏，环境承受着巨大的生态压力。东莞的原生性森林已被破坏殆尽，现有植被以马尾松林、桉树林、相思林，以及较大面积的荔枝、龙眼、芒果果园等人工植被为主[4]。由于受到环境污染，土壤质量下降。关于东莞城镇农业用地的土壤重金属污染状况及重金属的空间分布特征研究已经取得了一定的进展[5-7]，但是利用多个指标对该地区土壤质量进行综合评价的研究相对较少。本研究以东莞主要森林群落土壤为研究对象，初步分析不同森林群落土壤属性特征，确定研究区土壤质量评价指标的最小数据集、综合评价土壤质量。

1 研究区域概况

东莞市位于 113°31′～ 114°15′E，22°39′～23°09′N，地处南亚热带季风气候区，温暖多雨。年平均气温22.1℃，最热月（7月）平均气温28.2℃，最冷月（1月）平均气温13.4℃，极端最低气温低于0℃。年平均降水量1 796 mm，雨量分布不均匀，每年 4～9 月为雨季，降雨量约占全年的 80 %。该市主要气象灾害有热带气旋、暴雨、春秋干旱、强对流、低温阴雨和寒害等。该市地势东南高西北低，地貌以丘陵平台、冲积平原为主。发育母岩主要有花岗岩、砂页岩、沉积岩等；地带性土壤类型为赤红壤；土壤质地为沙土类和壤土类，自然土壤土层比较深厚。水土流失较严重，土层一般较浅薄，有机质含量较低[4,8]。

2 研究方法

2.1 样品采集

根据东莞植被类型特点，以阔叶混交林、荔枝林、马尾松林、桉树林、相思林和针阔混交林作为调查研究对象。其中，阔叶混交林样地24个，荔枝林34个，马尾松林4个，桉树林22个，相思林14个，针阔混交林样地共5个。每个样地中间设置一个60 m×20 m的样方进行植被调查，并在样方外挖掘一个深1 m、宽1.5 m的长方形土坑，自下而上分层采集75～100 cm、 50～75 cm、25～50 cm，0～25 cm四层土壤样品各1 kg，带回实验室进行土壤物理化学特性的分析测定。野外调查于2007年12月完成，本文采用0～25 cm层土壤参数进行综合质量分析。

2.2 土壤肥力指标的测定

土壤容重采用环刀法、孔隙度与持水量采用环刀浸水法测定[9]；土壤pH值测定采用酸度计法；全氮采用半微量开氏法、碱解氮采用NaOH扩散法；全磷含量测定采用NaOH熔融-钼锑抗比色法、速效磷含量测定采用NH4F-HCl浸提法；全钾含量的测定采用NaOH熔融-火焰光度法、速效钾含量的测定采用NH4OAc浸提火焰光度法；土壤有机质（Soil Organic Matter,SOM）的测定采用重铬酸钾（K2Cr2O7）-外加热法。分析测定方法参照鲍士旦的《土壤农化分析》[10]。

2.3 数据分析及指标计算

在进行土壤质量评价时，由于特定区域土地利用方式的多变性、土壤性质的时空变异性以及因子间的共线性等因素，需要从候选参数集中选出一个能最大限度的代表所有候选参数的最小数据 集 MDS（Minimum Data Set, MDS）[11]。 在 各种确定土壤质量MDS的方法中，以主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）的应用最为广泛。利用PCA选取MDS评价参数时，可通过计算变量的Norm值避免将该变量在其他特征值≥1的主成分上的信息丢失。Norm值的计算如下所示：

式（1）中，Nik是第i个变量在特征值＞1的前k个主成分上的综合荷载；Uik是第i个变量在第k个主成分上的荷载，λk是第k个主成分的特征值[12]。

采用土壤综合评价指数（Soil Integrated Quality Index, SQI）来评价东莞主要森林群落的土壤质量状况，其值越高，表示土壤肥力越好。SQI公式表达为：

式（2）中，Wi为各土壤指标的权重向量，是通过主成分分析方法获得公因子方差，计算各公因子方差占公因子方差和的比例转换成0～1的数值来确定的。F(Xi)为各土壤指标的隶属度值，其公式表达为：

式（3）中，Xij为各因子平均值，Ximax和Ximin分别为第i项因子中的最大值和最小值[13]。

3 结果与分析

3.1 东莞主要林型土壤属性特征

不同森林群落的土壤物理特性存在一定差异。表1显示，阔叶混交林的自然含水率最高，相思林的毛管持水量、总孔隙度和毛管孔隙度高于其他林型，针阔混交林的土壤物理性质得到了较好的改善，其土壤容重低于其他林型、非毛管孔隙度显著高于其他林型。Kruskal-Wallis检验表明，研究区域6种群落间的自然含水率、毛管持水量，土壤容重，总孔隙度、毛管孔隙度以及非毛管孔隙度等土壤物理特性间存在极显著差异（p＜0.01）。研究结果表明随着相思林、针阔混交林以及阔叶混交林等植被的发展，植物根系在土壤中得到延伸与扩展，使得土壤结构产生一定程度的疏松，土壤微结构得到一定程度的改善。从林分起源上看，天然林土壤自然含水率、毛管持水量、土壤总孔隙度和毛管孔隙度高于人工林，土壤容重显著低于人工林，天然林土壤微结构明显优于人工林（表1， p＜0.01）。

表1 主要森林群落土壤物理性质各项指标测定结果†Table 1 Soil physical characteristics of main forest communities in Dongguan

† 1～8分别代表阔叶混交林、荔枝林、马尾松林、桉树林、相思林、针阔混交林、人工林和天然林。SMC，自然含水率；CaC，毛管持水量；SBD，土壤容重；TSP，总孔隙度；CaP，毛管孔隙度；NCP，非毛管孔隙度。表中字母相同表示无显著差异，字母不同代表差异显著（Duncan’s检验）。**代表p＜0.01。

土壤养分与土壤物理特性密切相关，同时对森林生态系统功能维护具有十分重要的作用。经测定，东莞主要森林群落土壤pH和相对电导率的变幅分别在4.02～4.38和41.83～81.23之间，森林土壤整体酸性较强，且以马尾松林最低。荔枝林土壤全氮、全钾和有机质含量最低，但其土壤全磷、速效磷和速效钾含量在6种林分中均为最高，碱解氮含量也高于马尾松林，说明荔枝林土壤养分归还速率较快，且人工施肥措施也影响了土壤速效养分的含量高低。马尾松林土壤全氮和全钾含量高于其他林分，土壤有机质也高于阔叶混交林和相思林，但其碱解氮平均含量最低，土壤速效磷平均含量也仅比桉树林高，相较于其他群落，针叶林凋落物对土壤养分的归还速率较慢。桉树林土壤有机质含量在6种林分中也是较高的，但其林地土壤速效磷和速效钾平均含量相对较低，表明桉树林土壤养分的归还速率也较慢，林木快速生长所需养分需要人为补充。Kruskal-Wallis检验表明，除pH（H=9.96，p =0.08＞0.05）之外，主要森林群落的其他土壤化学因子间均存在显著差异（表2，p＜0.05）。人工林土壤全磷（t=0.86, p=0.39＞0.05）和速效磷（t=11.93，p=0.21＞0.05）含量高于天然林，差异不显著。其他土壤参数含量则是天然林高于人工林，差异达到显著水平（p＜0.05）。

表2 主要森林群落土壤化学性质各项指标测定结果†Table 2 Soil chemical characteristics of main forest communities in Dongguan

3.2 不同植被类型土壤质量综合评价

3.2.1 评价指标体系的建立

本文从土壤物理、化学性质两个方面来评价研究区土壤肥力的总体水平，选择了15个具有代表性的土壤理化参数作为肥力评价指标，具体测定结果见表3。在进行土壤质量综合评价前，需要选取对土壤质量敏感的评价参数组成最小数据集（Minimum Data Set, MDS）。本研究通过主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）结合计算变量Norm值，综合敏感性分析与相关分析，确定研究区域土壤质量评价指标的最小数据集MDS。对所测定的15个土壤理化参数进行主成分分析，结果表明，特征值≥1的有6个主成分，其累积贡献率达80.13%，表明这6个主成分可以解释大部分土壤属性指标的变异性（表5）。依据PCA结果对15个土壤属性进行分组，将特征值≥1 和因子载荷≥0. 5 判定为同一组，若某土壤参数在两个主成分中的载荷均高于0.5，则将该参数归并到与其他参数相关性较低的那一组[12]。据此分组原则，进入第1组的有自然含水率、毛管持水量、土壤容重、总孔隙度、碱解氮和有机质6个参数；进入第二组的有毛管孔隙度和非毛管孔隙度两个参数；进入第三组的有全氮和速效钾两个参数；进入第四组的有pH和相对电导率两个参数；进入第五组的仅速效磷一个参数；进入第六组的则有全磷和全钾两个参数。

表3 土壤属性的描述性统计量†Table 3 Descriptive statistics of soil properties

表4 基于变异系数和相对极差的土壤质量指标敏感度分级Table 4 Sensitivity classification of soil quality indicators based on CV and relative range

分析每组所选参数间的相关性，若参数间相关系数r＞0.5，则选取Norm值最高的进入最终MDS；若相关性较低，则全部进入最终MDS，结果如表6所示。由于第1组自然含水率、毛管持水量、土壤容重以及总孔隙度四个参数之间的相关系数均较高，表现为极显著相关性（p＜0.01），且以土壤容重与总孔隙度之间的相关性最强（r=-0.99，p＜0.01），而土壤有机质和碱解氮与同组其他参数的相关性则较低。结合这6个参数对土壤质量变化的敏感性及其Norm值大小（表4和表5），将自然含水率和土壤容重两个指标剔除，其余4个参数进入最终MDS。第二组的毛管孔隙度与非毛管孔隙度之间相关性较高（r= 0.61，p＜0.01），因非毛管孔隙度对土壤质量变化更敏感（表4），因此将毛管孔隙度剔除。第三组的全氮与速效钾之间的相关性较低（r=0.34，p＜0.01），全部进入MDS。变量的变异系数越大，说明该指标对土壤差异越敏感，变异系数＜10% 为不敏感界限[14]。本研究土壤pH的变异系数仅为9.37%，所以将pH从评价体系中剔除，第4组仅保留相对电导率这个参数。第五组仅有速效磷一个参数，第6组全磷与全钾之间相关性没有达到显著水平（r=0.11, p=0.27），全部进入最终MDS。

综上所述，进入最终MDS的土壤参数有毛管持水量、总孔隙度、非毛管孔隙度、相对电导率、全氮、全磷、全钾、有机质、碱解氮、速效磷及速效钾等11个参数。

表5 土壤属性因子的主成分分析†Table 5 Principal component analysis of soil properties

表6 土壤参数间的Pearson相关分析†Table 6 Pearson correlation coefficient among soil parameters

3.2.2 土壤属性的隶属度

各评价指标采用具有连续性质的隶属度函数来表示，各因子隶属度值采用升型分布函数进行计算，结果如表7所示。在总体样本中土壤速效磷的隶属度均值最低（0.03），速效钾其次（0.1），这两个因子是本地区森林土壤质量的主要限制因子。荔枝林和相思林土壤速效磷的隶属度均值最低，分别为0.06和0.09，说明速效磷是影响这两种林分土壤肥力质量的主要因子。此外，阔叶混交林土壤相对电导率和有机质隶属度均值最低，荔枝林土壤毛管持水量、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷以及速效钾的隶属度值在6种主要林型中均为最低，马尾松林土壤总孔隙度和非毛管孔隙度隶属度均值最低。分析结果表明各森林群落土壤肥力质量的影响因子存在差异。人工林以土壤速效磷隶属度值最低，天然林以土壤速效钾隶属度值最低，人工林和天然林土壤总孔隙度的隶属度值在各项因子中最高，说明总孔隙度不是影响该地区土壤质量的主要因子。从图1还可以看出，天然林土壤多数指标的隶属度值高于人工林，天然林土壤肥力累积优于人工林。

表7 主要森林群落的土壤隶属度值†Table 7 Soil memberships of main forest communities

3.2.3 不同植被类型的土壤质量综合评价

土壤养分含量是反映土壤养分供应能力的重要指标，土壤总体肥力水平取决于各项肥力指标的平衡。本文运用土壤综合评价指数（Soil Integrated Quality Index，SQI），选择主要的单项肥力指标来定量描述东莞主要森林群落的土壤质量状况。该指数大小由土壤参数的权重向量和隶属度值共同决定，能直观反映土壤总体肥力水平。本研究通过PCA法来确定各土壤参数的权重，方法为由PCA获得各土壤指标的公因子方差，计算各公因子方差占公因子方差和的比例，转换成0～1的数值作为权重（表2）。分析结果显示（图2），研究区域土壤综合评价指数SQI在0.215～0.316之间，其中以桉树林的土壤综合评价指数最高，为0.316，这可能与速生桉生长期间的施肥及抚育管理措施有关。由于速生桉经济效益好，收益快，农民投入大量的无机和有机肥料，以促进速生桉的快递生长，同时还定量进行森林抚育，使得桉树林各因子的土壤隶属度值相对较高，土壤综合评价指数得分也最高。荔枝林的土壤综合评价指数最低，为0.215。土壤综合评价指数由高到低依次为：桉树林＞针阔混交林＞相思林＞马尾松林＞阔叶混交林＞荔枝林。天然林土壤综合评价指数略高于人工林，两者的SQI值分别为0.260和0.229。

图1 土壤隶属度均值分布Fig. 1 Distribution of average value to soil properties’membership

图2 东莞主要森林群落土壤质量综合评价指数值Fig. 2 Soil integrated quality index (SQI) of main forest communities in Dongguan

4 结论与讨论

东莞主要林型土壤理化性质差异显著，其中阔叶混交林和相思林的自然含水率和毛管持水量要高于其他林型，土壤持水性较强。天然林土壤微结构及养分含量优于人工林。土壤物理性质受到自然成土因素及植被演替发展的共同影响。植物根系的水平扩散和穿插作用，加上根系死亡后所形成的生物性大孔，能改善土壤有效孔隙数量，降低土壤容重，增加土壤总孔隙度[2]。土壤紧实度能影响土壤密度，导致土壤孔隙度变小、导水率下降，提高土壤侵蚀的敏感性，从而造成水土流失[15]。本研究分析结果显示，荔枝林和马尾松林的土壤容重显著高于其他林分，土壤孔隙度的改善受到影响，林地土壤持水能力较差，需通过林分改造，增强林分保水保土能力。

研究期间东莞主要森林群落土壤pH均低于4.5，森林土壤整体酸性较强。全氮、全磷、全钾、有机质和速效养分的变幅存在差异。马尾松林土壤全氮和全钾含量高于其他林型，其土壤全磷和土壤有机质含量也相对较高，但碱解氮含量在6种林型中最低，速效磷及速效钾含量也相对较低，可能与针叶林林下调落物中含有大量单宁、蜡质、树脂等难分解的有机质[16]，影响了土壤养分的归还速率有关。同时，人类活动干扰对土壤质量也产生一定影响。荔枝林土壤全氮、全钾和有机质含量在6种林型中最低，但其土壤速效养分含量较高，一方面可能因为荔枝林土壤养分归还效率快，另一方面人工施肥也影响了土壤速效养分的含量。

土壤营养状况好坏在一定程度上取决于凋落物的质量、数量及分解速率。针叶林凋落物分解较慢，其凋落物累积量高于其他林型[17]，阔叶林的养分归还速率则相对较快。天然林土壤质量高于人工林，阔叶混交林或阔叶纯林对森林土壤质量的改善能力要优于其他林型，针叶纯林的土壤质量较差[18-19]。本研究结果显示天然林对土壤质量的改善能力要优于人工林，桉树林土壤质量综合评价指数得分最高，针阔混交林其次。不同植被的土壤质量表现各异，表明其维持或恢复地力的能力存在差异[20]。研究区域桉树林土壤质量综合评价指数得分最高，原因可能在于周期性的森林抚育和施肥管理措施使得桉树林土壤结构得到改善，土壤养分得到了及时补充。对土壤质量进行综合评价是当前土壤生态学研究的热点，评价指标通常由物理化学特性复合指标所组成，进一步与土壤生物学特性指标相结合[20-21]。本研究中东莞主要林型的土壤质量综合评价指数较低，与评价体系仅选择了物理化学复合指标有关，同时，土壤氮元素和有机质含量不高也有可能是造成土壤综合评价指数得分较低的主要原因。

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Basic soil properties and comprehensive evaluation in forest communities in Dongguan, South China

OU Zhi-yang1,2, SU Zhi-yao1, ZHU Jian-yun3
(1. Sschool of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, Guangdong, China;2. Research Institute of Guangxi Zhuang Autonomous Region Forestry, Nanning 530002, Guangxi, China;3. Dongguan Research Institute of Forestry, Dongguan 523106, Guangdong, China)

By taking the soils of six main forest communities in Dongguan city of Guangdong province as the studied objects, the soils physical and chemical properties were determined. The soil integrated quality index (SQI) was evaluated by using principal component analysis (PCA), and combining with norm value method，and integrating methods of sensitivity and correlation analysis. Thus, the minimum data set (MDS) was determined, further, the soils qualities in different forest communities were comprehensively evaluated.The results show that the MDS included soil capillary capacity, total porosity, non-capillary porosity, relative electric conductivity, total nitrogen, total phosphorus, total potassium, organic matter, available nitrogen, available phosphorus and available potassium. From the magnitude of the soils membership values, the soil available P and K were the major limiting factors for soil quality in the areas. The SQI of Eucalyptus forest was the highest, and followed by that of mixed forest and Litchi chinensis forest. Periodic forest tending and fertilizer application changed the soil structure and supplementary of soil nutrients to the forest made the soil quality of Eucalyptus forest better than others. Generally, the soil fertility level was low and quality was poor in this area.

forest communities; physiochemical properties of soil; comprehensive evaluation; principal component analysis; minimum data set; weight determination; Dongguan of Guangdong

S714.8

A

1673-923X(2013)08-0096-07

2013-01-16

广东林业科技创新专项资金项目（2011KJCX031-02）

欧芷阳（1975-），女，博士，主要从事植物生态学研究，E-mail: ozhiyang@126.com

苏志尧（1963-），男，博士，教授，博士生导师，主要从事森林生态学研究; E-mail: zysu@scau.edu.cn

[本文编校：吴 彬]