土壤质量保育与提升不仅关乎土壤资源安全和地球关键带健康，也是促进土壤生态系统服务功能实现的关键途径之一^[1]。土壤肥力质量作为土壤质量的核心基础，对其科学评价有利于精准把握土壤质量演变规律与合理制定土壤管理规程。目前，已有多种研究方法应用于土壤质量的评价，主要为主成分-聚类分析法、最小数据集法、分类分级法、指数法和模糊评价法^[2]。近20年来，由于最小数据集法可利用少量且具有代表性的土壤指标来综合衡量土壤属性和临界性能，从而有效消除土壤指标的冗余性和复杂性，因此成为土壤质量评价研究中的主流趋势^[3-4]。同时，主成分分析法恰好可筛选主要影响因子，因而将主成分分析法与最小数据集相结合，筛选出代表性的土壤指标，对科学评价土壤肥力质量具有重要意义。目前，通过筛选有效指标从而构建最小数据集评价土壤肥力质量已成为当前研究热点之一。例如：LI et al^[3]报道黑土肥力质量评价的最小数据集为7项指标(容重、阳离子交换量及土壤有机质、全钾、碱解氮、有效铜、有效铁含量)；黄得志等^[4]筛选出水稻土肥力质量评价的最小数据集包括8项指标(容重、黏粒含量、毛管持水量及土壤有机质、有效钙、有效磷、有效铜、有效镁含量)；WU et al^[5]指出黄河三角洲土壤质量评价的最小数据集为6项指标(土壤全氮、有效磷、有效钾、有机质含量及盐度、pH值)。然而，在不同自然环境和人为管理条件下，最小数据集指标的筛选仍存在较大差异，有针对性地构建、完善不同生物群区和农作物生态系统土壤质量评价的最小数据集，仍有待深入研究。

中国亚热带山地面积广大，山地土壤是山区农、林、牧、副产业和群众生计的基础。近10年来，学者们在亚热带山地土壤分类^[6]、土壤有机碳库组成^[7]和土壤微生物群落分布^[8]上已取得一些研究进展。然而，有关中亚热带山地垂直带土壤肥力质量的空间分布格局与演变趋势仍有待深入研究。本课题组选取中亚热带典型花岗岩中山——湘东大围山为研究对象，报道了土壤发生与系统分类^[9]、土壤活性有机碳库^[10]和土壤微生物群落组成^[11]。现针对不同海拔带上21个典型调查样地的表层土壤，分析土壤理化性质，通过主成分分析法，筛选土壤质量评价的关键指标体系，建立最小数据集，从而对土壤肥力质量进行科学评价。这对了解亚热带典型花岗岩中山土壤质量现状，完善土壤质量评价标准具有参考价值，也可为亚热带山区土壤资源保育、保护与利用提供科学依据。

研究区位于湘东(浏阳市)大围山国家森林公园(114°02′~114°12′E、28°21′~28°26′N)，海拔124~1 608 m，属典型花岗岩中山地貌，为典型中亚热带山地湿润气候，年平均气温11~17 ℃，年平均降水量1 200~2 200 mm。中山植被垂直带分布明显，< 800 m海拔带的原生植被破坏严重，仅残存次生常绿阔叶林, 杉, 松人工林, 毛竹林和灌丛；800~1 400 m海拔带分布常绿阔叶与落叶阔叶林、针阔叶混交林；1 400~1 608 m海拔带为黄山松林、灌丛草。土壤类型(土类)的垂直带谱为：< 800 m海拔带为红壤；800~1 200 m海拔带为黄壤；1 200~1 400 m海拔带为黄棕壤；1 400~1 608 m海拔带为山地草甸土^[11]。

沿中山垂直带，海拔每间隔50~100 m设置1个土壤调查样地，共21个样地(表 1)。在各样地内，按“S”形采样法，分别采集表层土壤(0~20 cm)多点混合样品1个，同时用环刀采集表层原状土壤样品1个。所采集土壤样品均为花岗岩风化物发育土壤，土壤混合样品带回室内，经风干、过筛后备测。

土壤颗粒组成采用吸管法测定；土壤粒径标准采用美国制；土壤容重(buck density, BD)采用环刀法测定；pH值采用电位法测定；全氮(total nitrogen，TN)含量采用硫酸消化-蒸馏法测定；全磷(total phosphorus，TP)含量采用碳酸锂-硼酸熔融-钼锑抗比色法测定；全钾(total potassium，TK)含量采用碳酸锂-硼酸熔融-ICP测定；有机质(organic matter, OM)含量采用重铬酸钾硫酸消化法测定；碱解氮(available nitrogen, AN)含量采用的测定碱解扩散法测定；有效磷(available phosphorus, AP)含量采用碳酸氢钠浸提钼蓝比色法测定；速效钾(available potassium, AK)含量采用中性乙酸铵溶液浸提-火焰光度计法测定；阳离子交换量(cation exchange capacity，CEC)采用醋酸铵-EDTA交换法测定；盐基饱和度(base saturation，BS)采用计算法为测定。

数据的统计使用Excel 2010软件。基于SPSS 22.0软件平台，进行Pearson相关分析和回归分析，通过最小显著差异法(least significant difference，LSD)检验显著性，显著性水平设为0.05。采用Origin 2018和Excel 2010软件相结合制图。

运用主成分分析14项土壤理化指标，构建最小数据集。计算各指标在所在主成分上的综合载荷Norm值，Norm值越大，说明该指标解释的土壤肥力质量的信息就越大^[13]。具体计算公式如下：

式中：N_ik为第i个指标在特征值>1的前k个主成分Norm值；u_ik为第i个指标在第k个主成分上指标载荷；e_k为第k个主成分特征值。

土壤肥力质量综合指数(integrated fertility index，I_IF)计算公式如下：

式中：I_IF为土壤肥力质量综合指数；q_i为第i项土壤肥力评价指标的隶属度值；w_i为第i项土壤肥力评价指标的权重系数；n为指标数。I_IF取值0~1，其值越高，反映土壤肥力质量越高。

采用模糊数学的隶属函数法，计算21个调查样地土壤肥力指标的隶属度^[14]。计算公式如下：

式中：U(X_ik)为第i个样点第k项指标的隶属度，且U(X_ik)∈[0, 1]；X_ik表示第i个样点第k项指标定值；X_max、X_min为所有计算样点中第k项指标的最大值和最小值。

在湘东大围山花岗岩中山垂直带上，土壤质地以砂质黏壤土为主，其土壤理化指标统计特征值见表 2。砂粒、粉粒和黏粒的平均含量分别为452.34、329.54和218.12 g·kg^-1。整体上，表层土壤较疏松，土壤容重平均值为0.97 g·cm^-3，变动范围在0.62~1.42 g·kg^-1之间。土壤多呈酸性，仅少量呈弱酸性反应，pH平均值为4.53。土壤有机质平均含量为68.41 g·kg^-1，介于16.90~182.42 g·kg^-1之间，参照全国第二次土壤普查养分的分级标准，达到一级养分水平，与福建武夷山0~10 cm表层土壤有机质含量(38.22~207.59 g·kg^-1)较为接近^[15]。土壤全氮、全磷和全钾平均含量分别为2.09、0.55和33.76 g·kg^-1，土壤钾素丰富。土壤有效磷含量偏低，平均值为4.85 mg·kg^-1，仅为四级养分水平。然而，土壤速效钾含量较多，平均值为157.81 mg·kg^-1，介于55.80~309.63 mg·kg^-1之间，达二级水平，与广西猫儿山土壤速效钾含量(74.90~220.20 mg·kg^-1)^[16]较为接近，但明显高于福建武夷山土壤速效钾含量(50.20~117.60 mg·kg^-1)^[15]。成土母岩类型不同是造成这种差异最重要的原因，大围山与猫儿山成土母岩均为花岗岩，富含钾素。山地土壤养分含量较高，但养分的有效性较低，不利于土壤养分充分利用，凸显了山地森林环境的脆弱性和土壤肥力保持的重要性^[17]。总体上，土壤保肥、供肥能力中等。土壤阳离子交换量介于9.74~37.15 cmol·kg^-1之间, 平均值为20.76 cmol·kg^-1，与江西九宫山土壤的阳离子交换量(5.57~28.68 cmol·kg^-1)^[18]较接近，但高于贵州梵净山土壤阳离子交换量(8.97~16.18 cmol·kg^-1)^[6]。土壤盐基高度不饱和，盐基饱和度介于2.65%~19.63%之间，平均值仅为8.65%。

回归分析表明，土壤有机质、全氮含量和阳离子交换量随海拔升高呈先减少后增加的趋势(P < 0.05)，土壤全磷、有效磷含量与海拔呈显著正相关(图 1)。通常，在亚热带中山垂直带上，土壤有机质和全氮含量一般随海拔升高而呈增加的趋势，主要与气候、植被和人类活动随海拔升高而变化有关^{[7, 10, 19]}。在广东莲花山，土壤全氮、全磷含量随海拔升高而增加，可能是随海拔升高，土壤风化度和温度下降有利于土壤全氮、全磷的累积^[20]。大围山在低海拔区域(200~1 000 m)，大面积的山地天然林地、草地被改造为人工林、果园和牧场，显著改变生态系统的结构、功能与景观格局，土壤有机质和养分水平显著降低^[9]。据野外调查，在800~1 000 m海拔带，坡陡谷深，植被生物量和凋落物量明显减少，土壤较难保存。此外，优势树种组成也会引起地上和地下有机物输入量的差异，可能导致土壤有机质含量在山体中部呈减少趋势。在广西猫儿山，土壤全氮、有机质、有效磷和速效钾含量也随海拔升高呈先减少后增加的趋势^[16]。然而，TAN et al^[21]报道，土壤有效磷含量随海拔升高而减少，可能与海拔升高，降水量增加，土壤磷素更容易淋失有关。在玻利维亚、安第斯山脉和厄瓜多尔，热带森林土壤阳离子交换量随海拔升高而减少^[22]。

	图 1 土壤理化性质与海拔的关系 Fig. 1 Relationship between soil physicochemical properties and elevation
图选项

不同土壤类型的土壤有机质、有效磷含量和阳离子交换量也存在显著差异，均以山地草甸土最多，红壤最少(表 3)，主要与不同土壤类型在垂直带上的分布位置有关。邻近的江西九连山，山地草甸土的养分储量明显多于红壤、黄壤的养分储量^[23]。由此看来，土壤类型也是影响山地土壤质量的关键因素之一，应重视不同土壤类型的土壤肥力质量差异，并有针对性地进行保育、恢复和提升。

在主成分分析中，提取出4个特征值≥1的主成分，共解释总方差的83.604%(表 4)。根据各指标在每个主成分上的载荷值大小，将14个土壤理化指标初步划分为4组(表 4)。基于每组指标的相关性和Norm值筛选指标，第4组中黏粒和土壤阳离子交换量Norm值相差＜5%，且相关性较低(表 5))，故将黏粒和阳离子交换量都入选为最小数据集指标。第1组中土壤有机质含量和全氮含量呈极显著相关(表 5)，而且土壤有机质的Norm值高于全氮的Norm值(表 4)，故剔除全氮。最终，确定黏粒含量、阳离子交换量、土壤有机质含量、有效磷含量和速效钾含量5项指标进入最小数据集。

筛选代表性的土壤质量指标，是精确、广泛评价土壤质量的要求^[24]。研究表明，在亚热带山区土壤肥力质量评价的最小数据集中，一般包括土壤有机质含量和土壤速效养分含量(特别是有效磷含量)指标^{[13, 25]}。由于土壤有机质含量和速效养分含量属于动态土壤性质，易变性强，易受外界自然环境与人为干扰的影响。与平原地区相比，山地地势陡峭，人为干扰后极易发生强烈的水土流失，特别是坡地土壤活性有机质和速效养分更容易流失^[26-27]。因此，在山地土壤质量短期演变与评价中，土壤有机质含量与速效磷等速效养分含量是关键指标。

虽然土壤质地和阳离子交换量是土壤十分稳定的内在性质，但在山地土壤垂直带上变化显著(图 1、表 2)。随着海拔升高，黏粒含量呈减少的趋势(表 2)。原因可能是：随着海拔升高，温度降低、湿度增大，岩石和矿物风化作用减弱。此外，土壤有机质含量也随海拔升高而增加(图 1)，这可能导致土壤中负电荷量增加而提高土壤阳离子交换量。据报道，土壤质地和阳离子交换量在四川盆地西缘山地不同植被群落的土壤质量评价中也具有显著作用^[25]。由此看来，黏粒含量和阳离子交换量也是山地土壤质量评价中的关键指标。

本研究中，仅依据14项土壤物理、化学指标，构建土壤质量评价最小数据集，未能体现土壤微生物在土壤中的重要性。近年来，包括土壤的呼吸速率、微生物群落、动物数量(如蚯蚓、线虫)和酶活性等土壤生物指标已开始应用于土壤质量和健康评估^[24]。在土壤质量评价中，综合考量土壤的物理、化学和生物性质，科学构建指标体系应是今后的研究重点之一。

基于熵值法，得到土壤黏粒含量、阳离子交换量、土壤有机质含量、速效磷含量和速效钾含量的权重分别为0.205、0.204、0.228、0.158和0.205。根据隶属函数和土壤质量指数公式，计算21个采样地的土壤质量指数。大围山垂直带土壤肥力综合指数值在0.25、0.40和0.55附近有较明显的拐点(表 6)。据此，将土壤肥力质量由高到低划分为4个等级，其中，以Ⅱ级和Ⅲ级为主；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级分别包括3、5、8和5个采样点。统计所有调查样点，肥力综合指数平均值为0.39，约52%的调查样点的肥力综合指数值≥0.39，表明土壤肥力质量水平整体中等偏上。

回归分析表明，大围山垂直带土壤肥力综合指数随海拔升高呈先减少后增加的趋势，且高海拔带土壤肥力质量普遍较高(图 2)。在贵州喀斯特山区，不同海拔带的花椒人工林土壤质量指数大小为: 高海拔带>低海拔带，推测可能主要与高海拔带人为干扰较少，土壤养分保存量高，而低海拔带人为干扰强烈，土壤养分归还少有关^[28]。在中国西南亚高山不同海拔带的公路恢复边坡上，土壤质量指数大小为：高海拔带>低海拔带，分析可能与不同海拔带的温度、水平衡、光照和植被类型的差异有关^[29]。在湘东大围山，随着海拔升高，气候(如温度、降雨)由基带的湿润的中亚热带季风气候逐渐转变为潮湿、温凉的山地季风气候，有利于土壤有机质在高海拔带积累，提高土壤质量水平和肥力综合指数。从山脚到山顶，植被组成由次生常绿阔叶林和人工松、杉针叶林为主转变为落叶阔叶林、天然针叶林和灌丛、草甸，这有利于土壤有机质和养分在高海拔带的积累^[10]。山地生态系统具有极大的潜在脆弱性，外部任何形式的人为利用活动都会干扰山地景观各个组分之间的动态平衡^[9]。在低海拔带，人类活动强烈，包括砍伐、耕种、施肥和土地利用方式转变，水土和养分流失明显^[27]，特别是在800~1 000 m海拔带，坡陡谷深，植被覆盖度减少，多出现碎石堆积地带，导致其土壤肥力质量下降。在高海拔带，人为土壤扰动很少，植被保存和保护也较好，这也有利于土壤质量的维持和提升。然而，不同因子(植被覆盖、海拔和地形部位、小气候和土地利用方式)对山地垂直带土壤肥力质量指数的变异所起作用的大小各不相同，区分不同因子对土壤肥力质量评价中的地位和作用，是今后值得探索的方向之一。由此看来，自然(气候、植被类型)与人为因素综合决定大围山土壤的肥力质量水平。

	图 2 土壤质量综合指数与海拔的关系 Fig. 2 Relationship between soil integrated fertility index and elevation
图选项

湘东大围山是典型的中亚热带花岗岩中山，其土壤垂直带和土壤类型具有一定的区域代表性。在大围山土壤垂直带上，表层土壤有机质和速效钾水平高，保肥和供肥能力中等，但土壤有效磷水平偏低。土壤有机质、全氮含量和阳离子交换量均随海拔升高呈先减少后增加的趋势，而全磷和有效磷含量与海拔呈显著正相关。土壤类型(亚类)也显著影响土壤有机质、有效磷含量和阳离子交换量，以灌丛草甸土最多，红壤最少。土壤肥力质量评价的最小数据集包括土壤的黏粒含量、阳离子交换量、有机质含量、有效磷含量和速效钾含量。整体上，土壤肥力质量水平中等偏上，综合的土壤肥力指数也随海拔升高而显著升高，按指数由高到低可划分为4个等级，52%的调查样地处于中等偏上水平。大围山土壤肥力质量具有明显的垂直地带性分异规律，山地保育与开发中应予以充分重视。