生态系统中，土壤是影响物质循环、水分平衡和凋落物分解等诸多生态过程的载体^[1]。土壤肥力作为土壤的本质属性，对林木的长势和品质有直接影响，控制着林木的健康状态^[2-3]，是森林生态系统稳定和森林可持续经营的重要因素。研究表明，森林经营模式、森林演替、人为干扰和林火干扰等都对土壤肥力具有明显影响^[4-7]。因此，准确了解林地土壤肥力状况、科学评价森林土壤肥力，有助于有效进行森林经营，对林木的栽培管理和合理施肥具有重要的理论和实际意义^[8]。由于不同类型植被根系在土壤中的分布具有层次差异^[9]，而土壤中物质循环使得土壤剖面各层次的肥力特征不同^[10]，研究不同层次土壤的肥力特征能更加准确地评价其肥力水平。

红椎(Castanopsis hystrix Miq.，CH)是我国南方常见的珍贵阔叶乡土树种，也是高效生态用材林树种，在林业生态工程建设中占重要地位，具有生长快、材质优、性能好等特点，发展红椎树种，推广人工造林，具有重要意义^[11]。杉木[Cunninghamia lanceolata (Lamb.)Hook., CL]作为我国南方特有的速生用材树种，其种植面积占全国人工林面积的30%以上^[12]，但实践研究表明，杉木人工林生产力下降和地力衰退现象明显，而混交林能增加森林生态系统中生物类群多样性，改善林地生态环境，从而提高生产力^[13]。因此，林木合理混交是改善人工林土壤生态环境的有效途径。本研究对红椎和杉木纯林及不同混交模式下的土壤化学性质进行分析，并采用主成分分析和模糊数学评价方法对其土壤肥力进行比较和评价，以期为我国南方速生树种人工林的发展和可持续经营提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究地概况

研究地包括广东省西江林业局所管辖的西江林场(Xijiang forest farm，XJF)、象牙山林场(Xiangyashan forest farm，XYF)和通门林场(Tongmen forest farm，TMF)，其中，西江林场地处北纬22°59′~23°08′，东经111°47′~112°00′；象牙山林场位于北纬23°09′~23°10′，东经111°54′~111°55′；通门林场地处北纬22°55′~23°06′，东经111°21′~111°34′。林区立地条件优越，海拔为100~680 m，属南亚热带气候，气候温和，雨水充足，年平均降雨量1 600~1 800 mm，年平均气温21.6 ℃，最高气温36.2 ℃，年平均相对湿度80%左右，土壤多为赤红壤，土层厚度80~120 cm。

根据主要树种杉木和红椎的组成比例，将样地分为杉木纯林、红椎纯林及其不同比例的混交林(1:1，1:2和1:3)共5种类型, 分别表示为LF、HF、H1L1、H1L2和H1L3。5种林分类型均由稀树灌丛开垦造林，造林前pH值为5.0±0.21，有机质含量(19.3±3.5) g·kg^-1，全氮含量(0.86±0.20) g·kg^-1，全磷含量(0.48±0.10) g·kg^-1，全钾含量(19.1±4.77) g·kg^-1，碱解氮含量(89.3±11.52) mg·kg^-1，速效磷含量(3.9±2.83) mg·kg^-1；速效钾含量(81.7±15.3) mg·kg^-1[14]。杉木纯林、红椎纯林及混交林的造林时间分别为1994、2002和2014年，红椎纯林和混交林均由杉木纯林改造而成，杉木纯林皆伐后营造红椎，按照不同混交比例间隔种植。造林前进行林地整地，造林当年、次年和第3年各锄草1次。

1.2 样地设置和土壤样品采集

每种林分按上、中、下坡位分别设3个相邻20 m×20 m的标准样地，各林分类型的基本情况见表 1。每个样地沿着对角线方向选取5个采样点，分别按0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm和60~100 cm土层采集土壤样品，并把相同标准样地同一层次不同采样点土壤等质量混合，去除石砾和动植物残体，风干后过筛，进行土壤肥力指标测定。

1.3 土壤肥力指标测定

土壤肥力指标测定方法参照文献[15]：土壤pH值采用电位法(水土比2.5:1)测定；土壤有机质含量采用硫酸重铬酸钾氧化法测定；全氮含量采用硫酸消煮-凯氏定氮法；全磷含量采用硫酸、高氯酸消煮后钼锑抗比色法测定；全钾含量采用氢氟酸、高氯酸消煮后火焰光度计法测定；水解氮含量采用碱解扩散法测定；速效磷含量采用双酸浸提后钼锑抗比色法测定；速效钾采用中性乙酸铵提取后火焰光度计法测定。

1.4 土壤肥力评价

主成分分析法和模糊数学方法是常用的土壤肥力评价方法，二者测算步骤比较规范，分析结果相对客观科学，有利于提高测算结果的准确性和可靠性。本研究利用主成分分析法和模糊数学方法，选用pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、水解性氮、速效磷和速效钾作为土壤肥力质量的评价指标，对不同类型林分土壤肥力进行综合评价。

1.4.1 主成分分析方法

主成分分析(PCA)的综合评价模型为：

$F = \sum\limits_{i = 1}^n {\left[ {\left( {{\lambda _i}/\sum\limits_{i = 1}^n {{\lambda _i}} } \right){f_i}} \right]} $

(1)

式中: F为综合评价值，λ为特征值，f为主成分值。

1.4.2 模糊数学方法

模糊数学综合评价方法是一种基于模糊数学的综合评价方法，通过建立各项评价指标的隶属度函数，计算隶属度值来表明各项指标在土壤肥力质量中的状态，通过评价指标的权重来计算综合评价值来表征土壤肥力质量的整体状况, 土壤各指标权重采用相关系数法确定^[16]。

隶属度的计算：根据已有研究成果^[17-18]，分别建立梯形和S型隶属函数，土壤pH值隶属度采用梯形隶属函数，土壤有机质、全氮、全磷、全钾、水解性氮、速效磷和速效钾采用S型隶属函数，函数表达式如下：

$梯形隶属函数表达式:f(x) = \left\{ \begin{array}{l} 0.1,x \le a,x \ge b;0.9\left( {x - a} \right)/\left( {c - a} \right) + 0.1,a < x < c\\ 1,c \le x \le d;1 - 0.9\left( {x - d} \right)/\left( {b{\rm{ }} - d} \right),d < x < d \end{array} \right.$

(2)

$\rm{S}型隶属函数表达式为:f(x) = \left\{ {1,x \ge b;0.9\left( {x - a} \right)/\left( {b - a} \right) + 0.1,a < x < b;0.1,x \le a} \right.$

(3)

式中: a和b分别为评价指标的下限值和上限值，c和d分别为评价指标的最优下限值和最优上限值。综合前人的研究成果^[19]，并结合不同植物生长下的土壤肥力特征，确定曲线转折点的相应取值见表 2，采用梯形隶属函数的pH值的最优下限值c和最优上限值d分别为6.50和7.50。

土壤肥力的综合性指数(soil integrated fertility index，I_IF)的计算公式为：

${I_{IF}} = \sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{W_i}{P_i}} \right)} $

(4)

式中：W_i和P_i分别为第i项土壤肥力指标的权重和隶属度，n为总肥力指标数。

1.5 数据处理

利用Microsoft Excel 2007对测定数据进行描述性统计分析，利用SPSS 21.0软件的单因素方差分析(ANOVA)和最小差异法(LSD)检验同一林分不同土层间或不同林分间土壤化学性质的差异(P<0.05)，采用双变量相关分析方法计算各土壤肥力因子之间的Pearson相关系数。

2 结果与分析 2.1 不同林分土壤化学性质

从图 1可以看出，LF、HF、H1L1和H1L2不同层次之间土壤pH值差异不显著，H1L3中0~10 cm、10~20 cm土壤pH值显著低于20~40 cm、40~60 cm、60~100 cm层土壤(P<0.05)，同一层次不同林分类型之间土壤pH值差异不显著。同一林分类型中，随着深度的增加，土壤有机质和全氮含量均呈减小的趋势，同一层次不同林分类型之间土壤有机质和全氮含量差异均未达到显著水平。同一林分类型不同层次之间土壤全磷含量差异不显著，HF各层次土壤全磷含量均高于另外4种林分类型。随着深度的增加，土壤全钾含量略有增加，H1L2各层次土壤全钾含量均高于另外4种林分类型。随着深度的增加，各林分类型土壤水解性氮含量表现为逐渐减小，且除两种纯林外，另外3种林分0~10 cm土壤显著高于其他层次(P<0.05)，同一层次不同林分类型之间土壤水解性氮含量差异未达到显著水平。在同一林分类型中，随着土壤深度的增加，速效磷和速效钾含量整体呈减小的趋势，HF各层次土壤速效磷含量均高于另外4种林分，同一层次不同林分之间土壤速效钾含量差异均未达到显著水平(P＞0.05)。

2.2 不同林分土壤肥力因子相关分析

从土壤肥力因子的相关分析可以看出表(表 3)，不同林分类型各个土壤肥力因子之间有着较为密切关系。土壤pH值与有机质、全氮、水解性氮含量呈极显著负相关(P<0.01)，与速效钾含量呈显著正相关(P<0.05)，与全磷和全钾含量呈极显著正相关(P<0.01)；土壤有机质含量与全氮、水解性氮、速效磷、速效钾含量呈极显著正相关(P<0.01)，与全钾含量呈显著负相关(P<0.05)；全氮含量与水解性氮、速效磷和速效钾含量呈极显著正相关(P<0.01)；全磷含量与全钾、速效磷含量呈极显著正相关(P<0.01)；水解性氮含量与速效磷、速效钾含量呈极显著正相关(P<0.01)；速效磷含量与速效钾含量呈极显著正相关(P<0.01)。不同林分土壤肥力因子之间存在着显著相关关系，可以用来综合反映土壤肥力水平。

2.3 不同林分土壤肥力的综合评价 2.3.1 主成分分析

采用主成分分析方法，对杉木、红椎纯林及其混交林土壤肥力进行综合评价，主成分分析结果见表 4。按照特征值>1的原则，抽取了2个主成分，其特征值分别为4.672和2.293，第1主成分的方差贡献率为58.401%，第2主成分的方差贡献率为28.665%，二者之和达到87.066%，表明主成分分析用于评价土壤肥力质量是可靠的。因此，可以用这2个主成分代表原来8个评价指标，对土壤肥力质量进行分析和评价。

运用主成分分析综合评价模型，可得出不同林分类型不同层次土壤肥力的综合得分(表 5)。5种林分类型土壤肥力的综合得分分别为-1.26~0.23、-0.48~3.32、-1.39~1.94、-1.28~1.91和-1.51~2.55。其中，0~10 cm、10~20 cm、40~60 cm和60~100 cm以HF土壤肥力最高，20~40 cm以H1L3土壤肥力最高，0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm和40~60 cm以HL土壤肥力最低，60~100以H1L3土壤肥力最低；在同一林分类型中，随着深度的增加，土壤肥力综合得分大体呈减小的趋势。

2.3.2 模糊数学评价

利用各土壤肥力指标与其余指标的相关系数平均值，通过计算该平均值占所有指标相关系数平均值总和的百分数，并将百分数转换为0.1~1.0的数值，得到土壤肥力指标的权重。利用相应的隶属度函数计算得到土壤各肥力指标隶属度函数值，根据各指标的权重和隶属度函数值，计算土壤肥力指标的综合评价值。不同林分类型土壤肥力指数(I_IF)综合评价值分别为0.25~0.76、0.20~0.42、0.19~0.60、0.19~0.62和0.16~0.67；0~10 cm和10~20 cm土壤肥力指数以HF最高(表 6)，以LF最低；20~40 cm土壤肥力指数以H1L1最高，以HF最低；40~60 cm和60~100 cm土壤肥力指数以HF最高，以H1L3最低；同一林分类型中，随着深度的增加，土壤肥力综合评价指数均大体呈减小的趋势，说明土层越深，肥力越差。

3 讨论与结论

本研究探讨了广东省西江林业局所管辖的西江林场、象牙山林场和通门林场内杉木纯林、红椎纯林及其不同混交比例(1:1、1:2和1:3)的5种林分类型的土壤化学性质。土壤pH值作为土壤重要的化学性质之一，直接影响着植物生长、微生物活动和土壤养分循环^[20]，5种林分类型土壤pH值差异不显著。土壤有机质是土壤结构的关键因子^[21]，有机质含量大小可作为土壤肥力高低的一个重要指标。不同林分类型土壤有机质含量总体上随土壤深度的增加而减小，这是由于植物凋落物在土壤表层具有“表聚性” ^[22]，不同林分类型和不同层次有机质含量差异均不显著。土壤全氮、全磷和全钾的含量能反映土壤“营养库”中养分总储量水平^[23]，不同林分类型土壤全氮含量差异不显著，红椎纯林土壤全磷和全钾含量与杉木纯林差异达到显著水平。5种林分类型表层土壤(0~10 cm)有机质含量较丰富，全磷和全钾含量为缺乏或极缺乏，可能由于采样时间为雨季，土壤含水率较高，且凋落物分解不足、土壤酶活性和微生物活动较弱等因素引起^[24]。土壤水解性氮、速效磷和速效钾含量水平对林木的生长起着关键作用，是反映土壤供应养分能力的重要指标^[22]，不同林分类型土壤水解性氮和速效钾含量差异不显著，红椎纯林土壤速效钾含量显著高于杉木纯林。本研究中，杉木纯林土壤全氮、全磷、水解性氮、速效磷和速效钾含量均基本低于其他林分类型，表明阔叶林和针阔混交林能促进氮、磷、钾等养分元素的释放，与前人的研究结果一致^[25]。

土壤肥力是土壤的基本属性和本质特征，是土壤为植物生长提供水分、养分、热量和空气的能力，也是土壤物理、化学和生物学特性的综合体^[26]。本研究中，林分类型和土壤层次对土壤肥力状况的影响不同，利用主成分分析方法和模糊数学评价方法对不同林分类型土壤的综合评价结果基本一致，可见，利用这两种评价方法判定土壤肥力质量，其监测结果具有可靠性和准确性。整体来看，红椎纯林土壤肥力状况较好，红椎与杉木混交林适中，而杉木纯林土壤肥力较差，可见，对林地进行适当地树种配置，有利于土壤改良。前人也对不同林分类型的土壤肥力进行了综合评价，并得出了与本研究结果相似的结论：阔叶林>针阔混交林>针叶纯林^{[1, 27]}。研究发现，采伐会破坏土壤和植被之间的养分循环，通过凋落物分解向土壤返还的养分不足，使得土壤养分流失，从而改变甚至恶化土壤的理化性质^[28-29]，而本研究中红椎和杉木混交林是经杉木纯林砍伐后改造而来，尽管其年限较短，但其土壤肥力不仅没有降低反而有提升的趋势，可见针阔混交林一定程度上能改善土壤肥力。曹小玉等^[30]的研究也发现，在不同龄组杉木纯林补植阔叶树后土壤肥力综合评价指数值有不同程度的提高。森林群落的演替过程是土壤物理性能不断改善、土壤养分不断积累的过程^[31]，可在杉木纯林下适当配置阔叶树种，改善凋落物的组分和分解性能，诱导阔叶树种正向演替，促使杉木纯林向群落结构更为复杂更为稳定的针阔混交林演替^[1]。因此，为恢复红椎和杉木人工林土壤条件，可根据不同林分类型的土壤肥力状况采取配方施肥技术和改善林分树种配置模式，充分发挥南亚热带森林资源优势，有效增强人工林的生态效益和经济效益。