土壤是林业发展与生产的物质基础，其质量好坏直接影响着林业的可持续发展。近年来，由于过分注重产出，重用轻养，林地质量监管不利等造成林地土壤肥力呈下降趋势，突出表现为土壤退化、养分不平衡、表层变浅等问题^{[1, 2, 3, 4]}。因此，深入开展土壤肥力评价工作，研究土壤演变规律，可为寻求抑制土壤退化的调控机制及林地的可持续利用提供参考依据。

杉木[Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.]是中国南方速生优良用材树种。目前中国杉木林种植面积达1.096×10⁷ hm²，总蓄积量为7.260×10⁸ m^{3[5, 6]}，而广西杉木种植面积已达1.40×10⁶ hm²，约占全国杉木总面积的1/10，其种植主要集中在桂北、桂中、桂东一带。随杉木连栽代数和种植面积不断增加，杉木人工林地力衰退问题倍受关注，这些问题制约着南方杉木人工林可持续经营^[7]。国内有关杉木连栽人工林的土壤肥力评价已有不少报道，郭琦等^[8]、盛炜彤等^[9]、孙启武等^[10]的研究发现：随连栽代数增加，土壤肥力有所下降；同一代数的不同林龄段的土壤肥力呈先减后增的趋势，但终不能恢复到原来状态。在广西，由于杉木轮伐期长，目前有关杉木人工林土壤肥力的研究主要以1代杉木人工林为主，多代连栽杉木人工林研究也仅集中在生产力^[11]、碳储量^[12]研究上，对全区杉木连栽人工林的土壤肥力综合评价未见报道。鉴于此，文中以“空间换时间”的方法，利用主成分分析法，筛选土壤属性的变异因子，对广西桂东、桂中、桂北杉木主产区的杉木连栽幼林(3-6年生)土壤肥力进行综合评价，揭示杉木幼林不同代数、不同土层的土壤肥力差异，阐明广西杉木连栽幼林土壤演变规律。

在广西(桂东、桂中、桂北)杉木主产区选择施肥、抚育管理等措施基本一致的林地，1、2 代杉木幼林相毗邻。按栽植代数序列(1、2代)设置试验地，试验地均为花岗岩母质发育而成的山地红壤，地位指数均为16。桂东连栽试验地设在大桂山林场(东经111°38′-111°41′，北纬24°05′-24°19′)，海拔380 m左右，1、2代林造林时间分别为2011年3月(4 年生)、2012 年2月(3 年生)。桂中连栽试验地设在黄冕林场(东经109°50′-110°10′，北纬24°10′-24°30′)，海拔250 m左右，1、2代林造林时间分别为2011年3月(4年生)、2012年3 月(3年生)。桂北连栽试验地设在林朵林场(东经107°11′-107°23′，北纬25°00′-25°40′)，海拔570 m左右，1、2代林均为6年生。

选择杉木主产区立地指数与经营管理措施基本一致的1、2代杉木幼林试验地，每试验地分别设置3个样地(20 m × 20 m)。样地按“5点法”分层(0-20 cm，20-40 cm) 取样。 以pH值、有机质、全N含量等15个土壤理化性质指标为评价因子，采用主成分分析法综合评价广西杉木连栽幼林土壤肥力状况。15个土壤理化性质指标测定方法参照土壤农化分析方法测定^[13]。

用Excel软件进行相关数据的处理，并用SPSS 19.0软件进行描述统计、因子分析。

土壤理化性质是衡量土壤肥力状况的重要指标^[14]，反映自然因素及人类活动对土壤的影响结果。由表 1可知：除桂北1代林外，随着土壤厚度增加，3个区域1、2代林杉木土壤的pH值、有机质、全N、碱解N、交换性Mg²⁺含量均有不同程度的降低，可能是目前广西大部分地区实施炼山造林，枯落物被焚烧或残留部分归还土地，在土壤表层可释放大量养分。另外，K₂O含量随土层厚度增加而降低，而速效K含量却与之相反，这说明20-40 cm土层土壤中矿物结构K与缓效K所占土壤K量比例较大，土壤K素供应潜力大。不同主产区土壤养分规律：桂北＞桂东＞桂中，这表明桂北的土壤比较适合杉木生长。不同栽植代数的杉木林0-20 cm土层土壤全交换性Ca²⁺、交换性Mg²⁺、有效Zn含量变化不大，20-40 cm土层土壤的全量养分含量更接近。这可能是这些元素不易受经营措施的影响或稳定性较高的原因，亦说明不同栽植代数杉木林地前身的土壤状况较为接近。

土壤肥力综合评价方法中，主成分分析是最客观、最科学的方法之一^[14]。通过主成分综合模型分析，对15 个土壤特征因子进行取样适合性检定(Kaiser-Meyer-Olkin,KMO),检验样本是否适合进行因素分析，计算得KMO值＞0.8，因此认为适合进行主成分分析。由表 2可知：第1主成分贡献率为44.381%，表明第1主成分主要反映了土壤大、中元素特征，其中全N、P₂O₅、K₂O、碱解N、有效P、速效K具有较大负荷量。这再次验证了土壤的N、P、K可作为植物营养三要素的重要原因。第2主成分的贡献率为23.350%，影响因子为有效B和有效Mn含量。第4主成分的影响因子为有效Fe，贡献率仅有7.157%，这反映在广西杉木林地林木对Fe的敏感度不高或林地不缺Fe。后3个主成分主要反映了土壤微量元素特征，这说明土壤有效微量元素在评价杉木林地综合肥力中的作用显著，应引起重视。前4个主成分的累计贡献率已达到92.808%，因此前4个主成分为土壤肥力的主要影响因素。

根据土壤肥力指标的得分系数矩阵，建立各主成分土壤肥力得分(Y)的数学模型

${Y_1} = \sum\limits_{i = 1}^{15} {({X_i} \cdot {t_{1i}})} ;\;{Y_2} = \sum\limits_{i = 1}^{15} {({X_i} \cdot {t_{2i}})} ;\;{Y_3} = \sum\limits_{i = 1}^{15} {({X_i} \cdot {t_{3i}})} ;\;{Y_4} = \sum\limits_{i = 1}^{15} {({X_i} \cdot {t_{4i}})} $

其中，X_i表示x₁-x₁₅标准化变量，x₁-x₁₅为15个土壤因子原始数据，t_1i-t_4i为第1至第4主成分的15个土壤因子的特征向量(表 2)。按综合主成分(F)表达公式，$ F = \sum\limits_{k = 1}^4 {\left( {\frac{{{\lambda _k}}}{{\sum\limits_{j - 1}^4 {{\lambda _j}} }}{Y_k}} \right)} $，计算不同代数、不同土层的土壤肥力(表 3)。其中，λ_j为初始特征值，Y_k表示4个主成分得分。

将3个主产区肥力得分分别累加得各主产区综合肥力：桂北(4.683)＞桂东(-0.345)＞桂中(-4.174)，这表明桂北的土壤比较适合杉木生长。对不区域的土壤肥力综合评价结果表明：桂东区域的杉木土壤肥力综合排名多数在5-10之间，桂中区域主要集中在8-12之间，而桂北区域土壤肥力最高，综合排名大多在1-4之间。由此可见桂北的土壤比较适合杉木生长。将3个区的土壤肥力值累加，得广西杉木主产区杉木土壤肥力的综合排名：2代林0-20 cm＞1代林0-20 cm＞2代林20-40 cm＞1代林20-40 cm。

在幼龄林期，2代杉木人工林土壤化学性质并不比1代杉木林差，这与张志才等^[15]的结论相同，而与孙启武等^[10]的研究结果略有不同，主要表现为不同代数间的土壤肥力差异明显，特别是表层土壤。这可能与采伐后剩余物归还于林，土壤养分得以补充有关，也可能与第1代林炼山造成养分流失有关。运用主分量分析法筛选出评价杉木连栽人工幼林土壤肥力的2个综合因子：土壤大中量元素综合因子和有效微量元素综合因子。可见，土壤有效微量元素的对土壤肥力影响作用不容忽视。同时文中仅用了土壤理化性质评价杉木林地土壤综合肥力，下一步将对杉木人工林土壤肥力变化中的土壤酶活性和土壤微生物的变化做深入研究，补充广西杉木主产区土壤肥力状况的调查数据。应用主成分分析方法对多变量、复杂评价指标进行“降维”处理后，仅用综合评价指数F值就可实现对土壤肥力状况的评价，可科学有效地利用大数据判定土壤肥力等级，提高监测结果的可靠性及准确性。

杉木幼龄林土壤养分并没有表现随栽植代数增加而减少的趋势，反而2代林较1代林略有增加。不同栽植代数的杉木林0-20 cm土层土壤的交换性Ca²⁺、交换性Mg²⁺、有效Zn含量变化不大，而在20-40 cm土层土壤中这些养分含量更为接近。文中采用主成分分析法综合评价广西杉木主产区杉木幼林林地的土壤肥力，筛选了不同层面的主成分。在广西主产区连栽杉木土壤指标中第1主成分是反映大量、中量元素的综合指标，第2、3、4主成分是反映微量元素的综合指标。利用主成分分析法计算土壤养分综合分值(F)，分值分布在(-2.048)-2.676之间。广西杉木主产区不同代数的养分规律为：2代林0-20 cm＞1代林0-20 cm＞2代林20-40 cm＞1代林20-40 cm。广西不同区域土壤肥力规律：桂北＞桂东＞桂中，从各主产区看，F值为正值的有7个，占总调查类型(12个)的58.33%，而F值为负值的占41.66%。这说明广西部分杉木林地土壤肥力较低，尤其是桂中地区的土壤，对于该区林地施肥要足量，有机、复合肥相结合。