南亚热带红椎和湿地松人工林土壤肥力的灰色关联度分析*

吴 琰 莫云豹 易小青 肖石红高常军 魏 龙 蔡 坚 徐 放 潘 文

（1.广东省森林培育与保护利用重点实验室/广东省林业科学研究院，广东 广州 510520；2.广东省林业科技推广总站， 广东 广州 510173）

土壤作为林木生长的重要基质，不仅为林木生长提供必需的养分，而且影响林木生长发育，进而对木材的材质产生较大影响[1]。同时，林木在其生长发育过程中也能通过根系分泌物和凋落物等改变土壤的理化性质，从而影响林木的生长发育[2]。红椎（Castanopsis hystrix）具有生长快、材质优和适应性强等特性，是优良的珍贵阔叶用材树种，广西省、云南省、福建省和广东省等省份为红椎天然分布及主要栽培区[3]。湿地松（Pinus elliottii）是一种优良的脂材两用树种，并且具有生长快的特点，现已成为我国南方丘陵区主要的造林树种之一，是理想的生态防护林和混交造林树种[4]。

近年来，许多国内学者采用模糊数学法、层次分析法、主成分分析法、系统评价模型、灰色关联度法等方法进行土壤肥力综合评价[5-8]。李惠通等[6]运用主成分分析方法和模糊数学评价方法分析了不同发育阶段杉木（Cunninghamia lanceolata）人工林土壤肥力，计算出土壤肥力综合指数。李静鹏等[7]采用典范对应分析和因子分析对不同植被恢复类型的土壤肥力质量进行定量评价。邓小军等[9]运用Nemrrow法对桉树（Eucalyptus robusta）、马尾松（Pinus massoniana）和杉木林土壤肥力综合指数进行评价。虽然土壤肥力评价已引起关注，但有关红椎和湿地松土壤肥力综合评价工作较为缺乏。因此，本研究以红椎纯林、湿地松纯林以及红椎—湿地松混交林为研究对象，对3种林分的土壤肥力状况进行研究，并采用灰色关联度分析方法对其土壤肥力进行比较和评价，以期为红椎和湿地松人工林土壤保育、立地维护和可持续经营提供理论依据。

1 研究区概况

试验地设在广东省西江林业局所管辖的通门林场、云浮市国有水台林场和阳春市春湾镇爱国村。研究区属于亚热带海洋性季风气候，年平均气温22 ℃，极端最高温度38.2 ℃，极端最低温度23 ℃，年降雨量1 600～2 400 mm，雨量充沛，光照充足，年均相对湿度在82%左右。立地条件优越，林地均为低山丘陵，海拔50～450 m。林地土壤为以花岗岩、页岩发育而成的赤红壤，土层厚度80～120 cm，腐殖质较薄，土壤呈酸性。

2 研究方法

2.1 样地选择与土样采集

在研究区内，分别选择有代表性且立地条件相似的红椎纯林、湿地松纯林和红椎—湿地松混交林（混交比例为1:3）各设置20 m×20 m的标准样地3个。于2017年4月调查样地的立地条件，对样地内乔木层进行每木检尺，样地基本信息见表1。样地内分层（0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 和 60～100 cm）采集土壤样品，土壤各层沿样地对角线取3个采样点，并把同一标准样地同一层次土壤等质量混合，供室内分析测定土壤肥力指标。

表1 样地基本信息Tab.1 Summary information of sampling plots

2.2 测定指标与测定方法

土壤主要测定pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、水解性氮、速效磷、速效钾等8个指标，测定方法参照鲁如坤[10]的分析方法进行。

2.3 分析方法

本研究基于灰色系统关联度理论[11]，选择5个层 次（0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～100 cm）的土壤pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、水解性氮、速效磷和速效钾等8个指标作为土壤质量评价指标，并以此为基础构建土壤质量综合评价模型，根据关联度大小进行关联排序。

（1）参考数列

以各土壤指标的最优值构成参考数列，以不同层次土壤各指标的测定值构成比较数列。

参考数列为：

比较数列为：

其中，k=1，2，…，n，n为测定土壤指标数（n=8）；i=1，2，…，m，m为测定林分类型数（m=3）。

（2）土壤指标的无量纲化

将各土壤指标的测定值转化为评价值，对原始测量数据进行无量纲化处理，用测定值除以参考值，所得的商为0～1之间的无量纲值，以达到量纲一致。

（3）关联系数

式中，n为土壤肥力指标的总数，n=8。

（4）指标权重

根据式（2）中计算得到的不同林分类型土壤肥力的等权关联度γi，运用判断矩阵法确定各评价指标的权重，构建判断矩阵，并做一致性检验，最终确定各土壤肥力指标的权重Wi(k)：

（5）加权关联度

2.4 数据处理

本研究中数据采用Microsoft excel 2007进行统计和处理，运用SPSS 21.0软件的单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小差异法（LSD）进行差异显著性比较，差异显著性水平设定为0.05。

3 结果与分析

3.1 不同林分类型土壤肥力指标分析

不同林分类型土壤各肥力指标分析结果见图1。红椎纯林、红椎—湿地松混交林和湿地是纯林土壤 pH 值分别为 4.37～4.65、4.06～4.69和3.91～4.43，不同林分类型和不同层次之间土壤pH值差异不显著；随着深度的增加，3种林分土壤有机质含量大体呈减小的趋势，且0～10 cm土壤均显著高于其他层次（P＜0.05），红椎纯林10～20 cm土壤有机质含量高于另外2种林分；土壤全氮含量也随深度的增加而减小；红椎纯林各层次土壤全磷含量显著高于另外2种林分类型（P＜0.05），同一林分不同层次之间土壤全磷含量差异不显著；不同林分土壤各层次全钾含量差异未达到显著水平，红椎纯林各层次土壤全钾含量均高于红椎—湿地松混交林和湿地松纯林；随着深度的增加，3种林分土壤水解性氮含量大体呈减小趋势，红椎纯林各层次土壤水解性氮含量均高于另外2种林分；不同林分和不同层次土壤速效磷含量均不显著；各林分土壤大致表现为速效钾含量随深度的增加而减小，相对于另外2种林分，红椎纯林土壤速效钾含量更高。

3.2 土壤肥力指标的无量纲化和关联系数

图1 不同林分类型土壤肥力指标Fig. 1 Measured values of soil fertility indexes

根据灰色系统理论要求，将3种林分类型土壤的8个指标视为一个整体，在土壤pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、水解性氮、速效磷和速效钾等8个指标中，根据林木对土壤养分的需求特点，8个指标均选择其数值最大为最优，构成最优指标集，各层最优指标集分别为x1(k)={4.22，49.52，2.29，0.46，24.28，203.79，8.97，54.88}，x2(k)={4.60，30.66，1.60，0.41，25.30，140.38，6.10，33.66}，x3(k)={4.55，14.14，0.90，0.44，26.19，88.67，4.27，16.40}，x4(k)={4.69，12.98，0.94，0.48，27.44，93.90，3.08，13.52}，x5(k)={4.68，10.99，0.86，0.46，24.90，77.23，2.77，13.34}。对不同林分不同层次土壤各测定指标作无量纲化处理，结果见表2，并根据公式计算土壤肥力的灰色关联度系数（表3）。

表2 土壤肥力指标的无量纲化Tab. 2 Dimensionlessness of soil fertility indexes

表3 土壤肥力指标的关联度系数Tab. 3 Correlative coefficient of soil fertility indexes

3.3 综合评价模型的构建

在各土壤肥力指标重要性相同的情况下，需计算出各指标的等权关联度，才能直接用于评价不同林分类型土壤肥力的高低，而不同土壤层次各指标实际的重要性不同，因此，本研究采用判断矩阵法确定各土壤肥力指标的权重，并根据权重公式计算各指标对应的具体赋值，赋予5个土壤层次各土壤肥力指标不同的权重（表4）。

加权关联度值可以比较客观、真实地反映出被评价土壤指标与最优指标集之间的差异，关联度值越大，表明该模式与最优指标值相似程度越高，反之则越低。不同林分类型土壤肥力的灰色关联度值和排序如表5所示。由表5可知，本研究中3种林分类型灰色关联度值大小排列顺序为：红椎纯林（0.965）＞红椎—湿地松混交林（0.658）＞湿地松纯林（0.528），表明红椎纯林土壤肥力最高，红椎—湿地松混交林次之，湿地松纯林土壤肥力最差。

表4 土壤肥力指标的权重Tab. 4 Weight of soil fertility indexes

表5 不同林分类型土壤加权关联度Tab. 5 Correlation degree of soil fertility in different forest types

4 结论与讨论

土壤肥力是土壤生态系统物理、化学性质和生物组分之间的综合体现，可以反映土壤为植物生长提供和协调养分的能力[12]。土壤肥力质量在不同的林分类型中表现出不同的差异。酸碱度是土壤重要的化学性质，酸碱度的高低直接影响着植物生长、土壤养分循环和微生物活动等[13]，研究区土壤pH值在3.91～4.69，不同林分类型和不同深度土壤pH值不同，但其差异性并不显著。土壤有机质、全氮、水解性氮、速效磷和速效钾含量随深度的增加而减小，说明土壤养分具有明显的表聚效应，这与吴永铃等[14]、周德明等[15]、杨晓娟等[16]的研究结论一致。一般情况下，土层越深，土壤微环境越差，对植物根系生长、土壤动物和微生物活动不利，使得其碳、氮、磷等养分含量也越少[17]。

本研究灰色关联度分析结果显示，红椎纯林、红椎—湿地松混交林和湿地松纯林土壤肥力综合评价值分别为0.965、0.658和0.528，红椎纯林土壤肥力最好，红椎—湿地松混交林次之，这与国内其他地区的相关研究相符[16]。相关研究表明，土壤肥力除与土壤理化性质相关外，还与林地凋落物蓄积量和分解状况有关[18-19]，常绿阔叶林和针阔混交林凋落物蓄积量较大，且凋落物更易分解，能提高林地养分含量，有效改善土壤性质，从而维持和提高土壤肥力[20]。土壤肥力受土壤理化性质、酶活性和微生物数量等诸多因素共同影响，在今后的研究中，应加大对土壤肥力影响因素的机理研究，为提高红椎和湿地松人工林的总体经营水平提供理论依据。

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