不同人工林土壤培肥效果的主分量分析

不同人工林土壤培肥效果的主分量分析_干热河谷植被恢复

不同人工林土壤培肥效果的主分量分析

张昌顺^{1, 2},李昆¹＊ ,马姜明^{1, 3},郑志新¹

(1. 中国林科院资源昆虫研究所,云南昆明650224； 2. 国际竹藤网络中心,北京100102； 3. 中国林科院森林生态环境与保护研究所,北京100091)

摘要:对元谋县小横山、岭庄、磨诃3个试验点不同人工林29项土壤因子进行了测定,运用主分量分析筛选出评价元谋地区几种主要人工林土壤肥力的5个综合因子,并用主分量分析结果进一步对所选的林分进行综合评分、排序。13年生赤桉纯林的得分低于其对照地的得分,表明赤桉纯林土壤肥力下降的事实；其余林分的得分均高于相应对照地的得分,这表明这几种人工林培肥效果显著,尤以13年生苏门答腊金合欢最好(其得分最高) ；就小横山而言,混交林的得分高于纯林(13年生苏门答腊金合欢纯林除外) ,表明混交林对土壤的培肥效果优于纯林。

关键词:人工林；土壤肥力；主分量分析；纯林；混交林

元谋干热河谷是云南乃至我国生态建设的重点、难点。这里脆弱的生态环境成为元谋可持续发展的瓶颈制约,植被恢复刻不容缓。随着西部大开发和各大林业工程的推进,元谋干热河谷植被恢复初现成效,深入研究人工林对林地的培肥情况,对了解人工林林地土壤矿质营养元素的供应状况、人工林土壤肥力的发展趋势、维护持续立地生产力、恢复生态环境以及对指导生产实践、调节和改善各种限制因素、加速养分的循环利用速率和最大限度地提高人工林的生产力等都具有深刻的理论和实践意义。众所周知,土壤肥力是多种因子的综合作用^[1-4],孤立地用某个或几个因子来反映人工林土壤肥力状况都是不科学的。因此,需要寻找综合因子来合理评价人工林培肥土壤的作用。而主分量分析就是一种把原来多个指标化为少数几个相互独立的综合指标的统计方法^[5],用它可以简化数据结构,寻找综合因子,并进一步给每一林分评分、排序,科学直观地反映出林分综合地力状况,据此提出合理的经营管理方案或措施。

1　试验区概况

试验设在云南省元谋县盆地内3个试验点(小横山、岭庄、磨诃)上,元谋县属典型的南亚热带季风干热气候,气候炎热、干湿季分明,素有“天然温室”之称；年平均温度为21. 9 ℃,平均降水量为630. 78mm,降雨集中在6～8月,年平均蒸发量高达3 426. 3 mm,无霜期为350～365 d[ 6 ] 。盆地内水土流失十分严重,土林林立,山崩、塌方、滑坡等自然灾害发生频繁,生态环境日趋恶化。

本区土壤为地带性燥红土、褐红土和黄棕土。林下主要植被有山合欢(A lbizia kalkora ) 、车桑子(Dodonaea viscosa) 、余甘子( Phyllan thus em blica ) 、扭黄毛(Heteropogon contortus) 、红颖草(B othriochloa pertusa) 、三芒草(A ristida adscension is) 、黄背草(A ristida triandra Var Japon ica)等^{[ 7 ]}。

2　研究方法

2.1　样地设置

在小横山试验点上选取了相似立地条件下的13年生不同类型的人工林样地26块( 3块荒山对照) ；在岭庄试验点上选取了相似立地条件下的13年生大叶相思(A. auriculiform is A. Cunn. )人工纯林样地5块(2块荒山对照) ,在磨诃试验点上选取了相似立地条件下的6年生印楝(Azad irachta ind ica A. Juss. )人工纯林样地6块(3块荒山对照) 。

2.2　试验材料

赤桉( E. cam aldulensis Dehuh. ) ×新银合欢(L. leucocephala (Lam. ) Dewit)混交林、赤桉( E. ca2 m aldulensis Dehuh. ) ×苏门答腊金合欢(A. g lauca (L. ) Moench)混交林、柠檬桉( E. citriodora Hook. ) ×新银合欢混交林、苏门答腊金合欢纯林、新银合欢纯林和赤桉纯林在小横山,印楝纯林在磨诃,大叶相思纯林在岭庄,除磨诃印楝纯林为6年生外,其他试验林分均为13年生。

2.3　研究方法

在0～40 cm土层中用环刀取土,以测定土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度及土壤水分；同时用取土钻在每块样地中随机布设5～9个点,按土层深度分别采集0～20 cm、20～40 cm两个层次的混合样品,再将相同林分的土样混合成混合样品(同一地点的对照地土样混合) ,以测定土壤pH、有机质、全N、全P、全K、水解N、有效P、有效K、交换性Ca2 + 、交换性Mg2 + 、有效Cu、有效Fe、有效Mn等土壤化学性质^[8]；多酚氧化酶运用邻苯三酚A. Ⅲ. ГАдсгян法测定,过氧化氢酶活性用J. L. Johson and K. L. Hoff2mann和K. Teicher法测定,脲酶活性用G. Hoffmann和K. Teicher法测定,蔗糖酶活性用Hoffmann和Seegerer法测定,酸性磷酸酶活性用G. Hoffmann法,蛋白酶活性用ГАдсгян和Aрутюнян法测定^[9]。细菌用牛肉汁蛋白质琼脂培养基平板混菌法培养；真菌用马氏琼脂基平板混菌法培养；放线菌用高氏1号基平板混菌法培养^[10]。用MathWorks公司推出的MATLAB6. 5统计软件进行主分量分析,本研究采用R分析法^[5]。

3　结果与分析

对所选的11种林分(3个对照)土壤物理性质、化学性质、土壤微生物和土壤酶等29个指标的测定值(均为0～40 cm层次平均值)进行主分量分析,得出各主分量特征值、贡献率及其累计贡献率(表1) 。由表1可得,前5个主分量的累计贡献率达到80. 729% ,也就是说,前5个主分量已把全部指标提供信息的80. 729%反映出来了,一般来讲,信息量达75%以上在林业生产实践中具有很好的代表性,因此可以选取前5个主分量作为土壤肥力的综合评价指标。

表1　各主分量特征根、贡献率、累积贡献率及变量对前5个主分量的负荷量

从表1中可以看出,对第1主分量影响较大的有土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、土壤饱和含水量、土壤毛管持水量、土壤田间持水量、全N、水解N和有机质。容重、总孔隙度、毛管孔隙度、土壤饱和含水量、土壤毛管持水量、土壤田间持水量,它们均为土壤物理性质,良好的土壤物理性质不仅有利于形成良好的团粒结构,增强土壤蓄水保肥能力,还可促进土壤微生物活动,从而加速养分循环。它们在第1主分量中具有最大的负荷量,说明在元谋低海拔地区,土壤物理性质在评价人工林土壤培肥中具有首要的地位,这与包维楷等^[11]研究结果“与重建前的灌丛比较,油松幼林林地土壤物理性质得到明显改善”之论相吻合；全N、水解N中作为植物营养三要素之一的N素,其作用是显而易见的；土壤有机质在改善土壤理化性质,促进微生物活动和营养元素的循环等方面有显著的作用,它在第1主分量中负荷较大也说明这一点,因此,可以把第1主分量看作是土壤物理性质、全N、水解N和有机质的综合因子。第2主分量中负荷量较大的有土壤有效铁、有效锰、交换性钙、交换性镁、非毛管孔隙度、全P、全K、pH、蛋白酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶和真菌,说明这些因子对第2主分量有决定性的影响。有效铁、有效锰、交换性钙、交换性镁、全P和全K是土壤养分指标,土壤养分指标是土壤肥力的重要指标之一,而P、K作为植物营养三要素的二要素,其作用是毋庸置疑^[2],在主分量分析中,它们以较大的负荷量出现在第2主分量中,再一次证明了养分因子在评价人工林土壤培肥林地综合地力中的重要作用；土壤pH值是土壤重要的基本性质之一,它不仅影响着土壤酶的活性,而且还直接影响土壤养分的存在状态、转化和有效性^[2],国内外研究也表明,因土壤pH值降低造成的土壤酸化是引起人工林地力衰退的主要原因之一^{[12, 13],}因此在第2主分量中土壤pH值的负荷量较大也说明了这一点；土壤有效铁、有效锰是土壤有效微量元素,在地力衰退研究中,不少研究者早已注意到土壤微量元素的变化对地力衰退的影响[14] ,本试验也可以看出微量元素对综合地力的影响程度；蛋白酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶为土壤酶因子,在第2主分量中,它们的负荷较大,说明土壤酶因子在评价人工林自培肥中占重要的地位^[15]；真菌作为鉴定林地土壤性状的指标,对有机物质的转化起者非常重要的作用,在主分量分析中,它以较大的负荷量出现在第2主分量中,再次证实它在评价人工林培肥林地中的重要作用,因此第2主分量可以看作是土壤化学性质、土壤酶和真菌的综合因子。第3主分量主要由有效铁、有效K、有机质、pH、酸性磷酸酶和蔗糖酶决定,因此第3主分量可以看作是这些指标的综合因子。有效铜、有效K、脲酶和真菌对第4主分量的影响较大,脲酶不仅与土壤有机质含量有关,而且还影响土壤N素的存在形式,其在第4主分量中负荷量较大也证明了这一点。交换性镁、非毛管孔隙度、水解N、有效P、过氧化氢酶和放线菌在第5主分量中的负荷量较大,放线菌在促进土壤有机质的分解、改良土壤的结构性方面发挥着重要的作用,其在第5主分量中有较大的负荷量也说明这一点,因此第5主分量可以看作是交换性镁、非毛管孔隙度、水解N、有效P、过氧化氢酶和放线菌的综合因子。

表2　各林分土壤肥力综合得分

为直观地比较各林分综合地力状况,根据前5个主分量计算每块样地得分,给予排序。从计算中得知前5个主分量的特征根分别为8. 278 3、5. 914 7、3. 963 6、2. 832 9 和2. 422 0,故其权重分别为0. 353 6、0. 252 6、0. 169 3、0. 121 0和0.103 5,将对应数据代入主分量方程对每块样地进行加权求和,得出各林分得分,最后得出各林分土壤肥力综合得分(表2) 。

从表2中可以看出,就小横山而言,除13年生赤桉纯林外,其它林分土壤肥力的综合得分均高于各自相应对照的得分,这说明这些人工林对林地有不同程度的培肥效果,其中13年生苏门答腊金合欢纯林得分最高(2. 104 1) ,其培肥效果最好,其次为6年生印楝纯林,其综合得分为1. 384 0,再次为13年生大叶相思纯林；赤桉×新银合欢林和赤桉×苏门答腊金合欢林的培肥效果均优于赤桉纯林,同时新银合欢分别与赤桉、柠檬桉混交后,林分对林地的培肥效果也优于新银合欢纯林,而13年生赤桉纯林的得分为- 2. 001 4,较其对照还低,这说明赤桉纯林会引起一定程度的地力衰退,这与国内大量研究结果“桉树会引起地力衰退”一致^{[16, 17]}。因此及时对赤桉纯林采取有效措施防治土壤肥力下降是有必要的。可小横山13年生新银合欢纯林虽有一定的培肥效果,可得分并不高,这可能是由于该林分离村庄较近,人为干扰过大的缘故。而岭庄、磨诃两处的人工林对土壤的培肥效果非常明显,其原因除了与原造林地立地条件和树种的生物学特性有关外,可能还与远离村庄,人为干扰小有关。

4　结论与讨论

(1)运用主分量分析筛选出评价人工林土壤肥力的5个综合因子:土壤物理性质、全N、水解N和有机质综合因子；土壤化学性质、土壤酶和真菌的综合因子；有效铁、有效K、有机质、pH、酸性磷酸酶和蔗糖酶综合因子；有效铜、有效K、脲酶和真菌综合因子；交换性镁、非毛管孔隙度、水解N、有效P、过氧化氢酶和放线菌的综合因子。

(2)在研究人工林土壤培肥效果时应重视土壤物理性质和土壤化学性质的研究,可以通过研究土壤物理性质和土壤化学性质变化大致了解人工林的培肥效果。

(3)土壤有机质和土壤pH值的作用不可忽视,尤其是土壤pH值,国内对pH值的研究比较粗放,研究有待于深入。

(4)土壤微量元素在评价人工林土壤培肥效果中有重要影响,但国内在营养元素的研究主要集中在N、P、K三要素的研究,在微量元素方面的研究亟待深入。

(5)土壤酶活性在评价人工林林地土壤综合肥力中的作用明显,在元谋干热河谷低海拔地区对这几种人工林自培肥效果研究时,尤其要重视蛋白酶、多酚氧化酶和过氧化氢酶的研究。

(6)运用主分量分析结果进一步对所选林分进行综合评分,结果表明,除小横山赤桉纯林外,其它林分对林地土壤均有一定的培肥效果。就小横山地点而言,除苏门答腊金合欢外,混交林的培肥效果优于纯林。而赤桉纯林的综合得分低于其对照,说明赤桉纯林会引起一定的地力衰退,对此,应采取积极有效的防治措施。

参考文献

[ 1 ] 江泽普,韦广泼,谭宏伟. 广西红壤果园土壤肥力演化与评价[ J ]. 植物营养与肥料学报, 2004, 10 (3) : 312 - 318.

[ 2 ] 北京林业大学. 土壤学[M ]. 北京:中国林业出版社, 1996: 1 - 270.

[ 3 ] 杨瑞吉,杨祁峰,牛俊义. 表征土壤肥力主要指标研究进展[ J ]. 甘肃农业大学学报, 2004, 39 (1) : 86 - 91.

[ 4 ] 骆伯胜,钟继洪,陈俊坚. 土壤肥力数值化综合评价研究[ J ]. 土壤, 2004, 36 (1) : 104 - 106, 111.

[ 5 ] 唐守正. 多元统计分析方法[ J ]. 北京:中国林业出版社, 1986: 20 - 36.

[ 6 ] 纪中华,李建增,沙毓沧. 金沙江干热河谷退化土地植被恢复模式及效益研究[ J ]. 中国水土保持, 1999 (7) : 27 - 29.

[ 7 ] 金振洲,欧晓昆编. 干热河谷植被[M ]. 昆明:云南大学出版社, 2000: 141 - 230.

[ 8 ] 国家标准局. 中华人民共和国国家标准森林土壤分析[M ]. 北京:标准出版社, 1988.

[ 9 ] 周礼恺. 土壤酶学[M ]. 北京:科学出版社, 1987: 263 - 281.

[10] 李阜棣. 土壤微生物学试验技术[M ]. 北京:中国农业出版社, 1996: 1 - 3, 189.

[11] 包维楷,乔永康,陈庆恒. 岷江上游典型油松人工林的生态环境效应[ J ]. 山地学报, 2003, 21 (6) : 662 - 668.

[12] 戎秋涛,杨春茂,徐文彬. 土壤酸化研究进展[ J ]. 地球科学进展, 1996, 11 (4) : 396 - 401.

[13] Johnson DW. Atmospheric deposition, forest nutrient status, and forest decline: Implications of the Integrated Forest Study[M ] Forest Decline in the Atlantic and Pacific Region, Berlin: Springer Verlag, 1993: 66 - 81.

[14] 杨承栋,焦如珍. 关于杉木人工林根际土壤性质变化的研究[ J ]. 林业科学, 1999, 35 (6) : 2 - 9.

[15] 邱莉萍,刘军,王益权,等. 土壤酶活性与土壤肥力的关系研究[ J ]. 植物营养与肥料学报, 2004, 10 (3) : 277 - 280.

[16] 廖观荣. 我国桉树人工林立地土壤问题研究概况[ J ]. 生态环境, 2003, 12 (1) : 119 - 121.

[17] MadeiraM A V. Change in soil properties under eucalyptus plantations in portugal[M]. Eds: Pereira J S and Landsberg J, Biomass production by Fast-growing Tress, 1989: 81 - 89.

PCA on the Effect of Different Artificial Forests on Soil Fertility Improvement

ZHANG Chang - shun^{1, 2},L I Kun^1＊, MA J iang - ming^{1, 3}, ZHENG Zhi - xin¹

(1. Research Institute of Resources Insects , CAF, Kunming 650224, China； 2. International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China； 3. Research Institute of Forest Ecology Environment and Protec2 tion, CAF, Beijing 100091, China)

Abstract: 29 soil factors of different plantations in different experimental sites (Xiaohengshan、Lingzhuang and Mohe) in Yuanmou County, Yunnan Province, were determined. By the method of PCA, five synthesized factors were selected as targets for evaluating soil fertility. The results were quantified, scored and sequenced to the collected data relevant to the soil fertility in the selected p lots by using PCA. The result showed that the score of 13 years - old Eucalyptus cama alduensis pure plantation was lower than that of the corresponding comparison. It revealed the fact that soil degradation exists in Eucalyptus cam alduensis pure plantation. While the score of others artificial plantations were higher than that of the corresponding comparison. It showed that the effect of those artificial plantations on soil fertility improvement was obvious, and the effect of 13 year - old Acacia glauca pure plantation on soil fertility improvement was the best. Except 13 year - old Acacia glauca pure plantation, the scores of mixed plantations were much higher than those of the pure plantations in Xiaohengshan site. It revealed that the effect of those mixed plantations on soil fertility Improvement were better than that of the pure plantation.

Key words:Artificial forest； soil fertility； p rincipal component analysis； pure forest； mixed forest