全 文 ：收稿日期: 20010830
基金项目: 1997 2001年国家自然科学重点基金项目 杉木、桉树人工林长期生产力保持机制的研究 ( 3963024)部
分研究内容
作者简介: 孙启武( 1973 ) ,男,安徽六安人,助理研究员.
* 感谢盛炜彤先生对此文进行了审阅并修改!
林业科学研究 ! 2003, 16( 6) : 689~ 693 !
Forest Research
! ! 文章编号: 10011498( 2003) 06068905
连栽杉木人工林土壤肥力变化的主分量分析*
孙启武, 杨承栋, 焦如珍
(中国林业科学研究院林业研究所,北京 ! 100091)
摘要: 对江西分宜县大岗山不同立地指数( 12、14、16 指数)、不同生长阶段(幼龄林、中龄林和成熟林 )
的 1、2代杉木人工林 23 项土壤因子进行了测定, 运用主分量分析筛选出评价杉木人工林土壤肥力的
3 个综合因子, 并用主分量分析结果进一步对所选的样地进行综合评分、排序。2 代杉木人工林综合
得分均低于对应的 1 代杉木人工林, 表明连栽杉木人工林土壤肥力下降的事实; 1 代杉木人工林不同
发育阶段土壤肥力的变化趋势为:从幼龄林发育至中龄林阶段, 林地综合地力呈下降趋势; 从中龄林
发育至成熟林阶段 ,林地综合地力略有回升, 说明杉木人工林土壤肥力下降孕育在 1 代林阶段。
关键词: 杉木;人工林; 土壤肥力;主分量分析
中图分类号: S79127 ! ! ! 文献标识码: A
杉木( Cunninghamia lanceolata(Lamb) Hook)是我国主要用材树种, 20世纪 50年代后,随
着人口的增加, 经济发展速度的加快,木材需要量急剧增加,原有杉木林资源远远不能满足人
们的需求, 于是各地开始大力发展以杉木人工林为主的用材林, 并向着定向、速生、丰产、优
质、稳定、高效 的方向发展。然而,随着杉木人工林的多代连栽, 杉木人工林土壤肥力下降现
象日益显现,因此,广大林业工作者对杉木人工林土壤肥力下降现象做了大量研究工作, 分析
连栽林地土壤肥力下降状况, 寻找引起土壤肥力下降的因子。多数研究结果表明:杉木人工林
土壤肥力下降是多种因子综合作用的结果 [1~ 6] , 孤立地用某一个或几个因子来反映杉木连栽
林地肥力状况是不科学的,甚至是错误的,因此, 需要寻找综合因子来合理评价杉木林地土壤
肥力的状况。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,运用它可以简化数据结构,寻找综合因子,并进一步给每一块林地评分、排序, 科学、直观
地反映出林地综合地力状况, 据此提出合理的防治土壤肥力下降的措施。
1 ! 试验区概况
试验区设置在江西省分宜县大岗山林区,位于114∀30#~ 114∀45# E, 27∀30#~ 27∀50#N。该区
属亚热带季风湿润地区, 年平均温度为 158~ 177 ∃ ; 平均降水量为1 591mm,平均蒸发量约
为1 503 mm,年平均无霜期为 265 d。
! ! 本区属地带性低山丘陵红壤、黄壤类型及其亚类的分布区。杉木林下主要植被有狗脊
( Woodwardia japonica (Lf) Sm)、鳞毛蕨( Dryopteris spp)、杜茎山( Maesa japonica( Thunb)Morit
zi)、金星蕨 ( Parathelypteris glanduligera ( Kze ) Ching )、海金沙 ( Lygodium japoonicum ( Thunb )
SW)、铁芒萁( Dicranopteris dichotoma (Thunb) Benth)、土茯苓( Smilax sp)、乌蕨( Stenoloma chu
sanum( L) Ching)、红淡( Adinandra spp)、鼠刺( Itea chinensis Hook et Arn)、柃木( Eurya japonica
Thunb. )、油茶( Camellia oleif era Abel)、 木( Loropetalum chinense ( RBr) Oliver)、鸡血藤(Mille
ttia reticulata Benth)、五节芒 ( Miscanthus f loridulus ( Labill ) Warb)、淡竹叶( Lophantherum gracile
Brongn)、小蓼( Polygonum minus Huds)、苦苔( Conandron ramondioides Siebet Zucc)、大青( Clero
dendrum cyrtophyllum Turcz)、三花悬钩子( Rubus trianthus Focke)等 [7] 。
2 ! 研究方法
21 ! 样地设置
在大岗山山下林场、上村林场和年珠林场, 选择相似立地条件下不同地位指数( 12、14、16
地位指数)、不同树龄(幼龄林 4~ 6年生、中龄林 10~ 15 年生和成龄林 25~ 30年生)组合的 1、
2代杉木人工林样地 45块。
22 ! 研究方法
在0~ 40 cm土层中用环刀取土, 测定容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及土壤
水分[ 8] ; 同时用取土钻在每块样地中随机布设 6~ 9个点,按土层深度分别采集 0~ 20 cm、20~
40 cm两个层次的混合土壤样品( 1 kg 左右) ,以测定土壤 pH 值、有机质、全 N、全 P、全 K、水解
N、有效 P、有效 K、交换性 Ca2+ 、Mg2+ 、有效 Cu、有效Fe、有效 Mn等土壤化学性质 [ 8] ;多酚氧化
酶活性用 . . !∀#∃%&法, 转化酶活性用 ∋. . ()∗+!,−.! 法, H2O2 酶活性用 JL Johson &
KLHoffmann和KTeicher法,酸性磷酸酶活性用 GHoffmann 法, 脲酶活性用 G Hoffmann &
KTeicher法[ 9]。
用美国SYSTAT 统计软件进行主分量分析,本研究采用 R分析法[ 10]。
3 ! 结果与分析
对所选的 15种林分土壤容重、有机质、全N、全 P、土壤酶等 23项指标的测定值(均为 0~
40 cm层次平均值)进行主分量分析,得出各主分量特征根及其贡献率(表 1)。
表 1! 主分量特征根、贡献率及累积贡献率
主分量 特征根 贡献率% 累积贡献率% 主分量 特征根 贡献率% 累积贡献率%
1 7425 9 41256 41256 13 0034 7 0193 100000
2 3717 5 20653 61909 14 0000 0 0000 100000
3 2444 7 13582 75491 15 0000 0 0000 100000
4 1130 6 6281 81772 16 0000 0 0000 100000
5 1029 5 5720 87492 17 - 0000 0 0000 100000
6 0686 9 3816 91308 18 - 0000 0 0000 100000
7 0572 1 3178 94487 19 0000 0 0000 100000
8 0346 1 1923 96409 20 0000 0 0000 100000
9 0271 0 1506 97915 21 0000 0 0000 100000
10 0150 7 0837 98752 22 0000 0 0000 100000
11 0111 6 0620 99372 23 0000 0 0000 100000
12 0078 3 0435 99807
690 林 ! 业 ! 科 ! 学 ! 研 ! 究 第16卷
! ! 从表 1可知,前 3个主分量的累积贡献率
达到 755%, 也就是说,前 3个主分量已把全
部指标提供信息的 755% 反映出来了, 在林
业生产实践中已具有很好的代表性,因此选取
前3个主分量来评价林地综合肥力状况。
从表 2可以看出,对第 1主分量影响较大
的有脲酶、转化酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶、
pH值、土壤容重、毛管持水量、总孔隙度、毛管
孔隙度和非毛管孔隙度。脲酶、转化酶、过氧
化氢酶、酸性磷酸酶, 它们均为土壤酶因子。
在第 1主分量中, 各土壤酶因子负荷量最大,
说明土壤酶在评价连栽杉木人工林综合地力
中占首要地位; 土壤 pH 值是土壤重要的基本
性质之一, 它对土壤酶活性的影响很大, 通常
情况下, pH 值改变时,酶活性随之变化。同时
土壤 pH 值直接影响土壤养分的存在状态、转
化和有效性。国内外的研究也表明, 土壤 pH
值的降低造成土壤酸化是引起林地土壤肥力
下降的主要原因之一[ 11~ 12] ,因此, 在第 1主分
量中pH值的负荷量较大也说明了这一点。土
表 2! 变量对前 3 个主分量的负荷量
变量(土壤肥力) 第 1主分量 第 2主分量 第 3主分量
有机质 0169 0 0499 2 0606 8
水解 N 0550 0 0299 4 0490 0
全 N 0187 5 0574 1 0658 0
全 P 0301 8 0737 1 - 0294 2
有效 P 0544 5 - 0072 6 0271 3
交换性 Ca2+ 0311 9 0043 1 0662 7
交换性Mg2+ 0501 2 - 0296 3 0103 1
全 K - 0115 7 0820 7 0148 1
有效 K 0523 4 0113 7 - 0349 8
有效Mn 0417 7 0810 7 - 0101 2
有效 Cu - 0277 3 - 0620 2 0486 0
有效 Fe - 0280 3 0569 1 - 0209 7
脲酶 0931 0 0008 0 0186 2
转化酶 0838 1 0352 9 0201 0
过氧化氢酶 0801 8 - 0066 3 - 0016 5
酸性磷酸酶 0822 3 0076 8 0085 2
多酚氧化酶 0002 1 0104 4 - 0059 2
pH 值 0763 5 - 0328 3 0137 5
土壤容重 - 0782 2 0174 9 - 0250 9
毛管持水量 0802 7 - 0124 2 - 0342 4
总孔隙度 0633 5 - 0109 3 - 0520 9
毛管孔隙度 0700 2 0100 3 - 0558 2
非毛管孔隙度 0751 4 - 0099 4 - 0229 7
壤容重、毛管持水量、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均为土壤重要物理性质,良好的土
壤物理性质有利于形成团粒结构,增强保水保肥能力, 有益微生物活动, 促进养分转化。它们
在第 1主分量中具有较大的负荷量,表明土壤物理性质的改变对连栽杉木人工林综合地力有
较大的影响,这与钱亦兵先生[ 13]研究结果土壤物理性质的变化是土壤退化的重要因素 之论
断相吻合, 也与盛炜彤[ 14] 、许利群 [ 15] 先生的研究结果相一致, 因此,可以把第 1主分量看作是
土壤酶和土壤物理性质的综合因子。第 2主分量中因子负荷量较大的有土壤有机质、全N、全
P、全K、有效Mn、有效 Cu和有效Fe, 说明这些因子对第 2主分量有决定性影响。毋庸赘言,土
壤 N、P、K 作为植物营养三要素, 其作用是显而易见的。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,再一次证实它们在评价杉木连栽林地综合地力中的重要作用;土壤有
效Mn、土壤有效 Cu和有效Fe均为土壤有效微量元素,在以往的研究中, 杨承栋[ 5]、张焕朝[ 16]
等先生已注意到土壤微量元素的变化对林地土壤退化的影响,从本研究结果可以清楚地看出
微量元素对林地综合地力的影响程度, 因此第 2主分量可以看作是全量 N、P、K与有效微量元
素的综合因子。第 3主分量主要由土壤有机质、水解N、全N、交换性Ca2+ 、总孔隙度和毛管孔
隙度决定,因此第 3主分量即是这些指标的综合因子。
为了更直观地比较各林地综合地力的状况,根据所选的 3个主分量计算每一块样地得分,
给予排序。从以上运算中知所选 3个主分量的特征根分别为 9511 8、4161 2和 3006 7,先求
出它们的权重分别为 0570、0249和 0180, 然后将对应数据代入主分量方程对每一块样地进
行加权求和,得出每一块样地得分,比较不同林分的得分情况(表 3)。
691第 6 期 孙启武等: 连栽杉木人工林土壤肥力变化的主分量分析
! ! 比较相同地位指数的 1、2 代杉木人工林
样地得分可以清楚地看出,不论是 2代幼龄林
还是 2代中龄林得分均低于同类 1代林, 结果
证实了所选的连栽杉木人工林林地存在土壤
肥力的下降现象,因此及时对这些 2代杉木人
工林采取有效措施防治土壤肥力下降是有必
要的。
从表 4的结果中可以看出, 在不同地位指
数1代杉木人工林发育过程中, 从幼龄林至中
龄林发育过程中,林地综合地力呈下降趋势;
从中龄林至成熟林发育过程中,综合地力略有
上升, 但幅度不大, 且仍然低于幼龄林。这种
结果在一定程度上暗示 2代杉木人工林综合
地力下降孕育在 1代林发育过程中。
表 3! 1、2 代杉木人工林得分比较
发育阶段 地位指数 1代 2代
幼龄林
12 0741 5 0581 0
14 0790 5 0750 7
16 1078 4 0639 3
中龄林
12 0601 6 0578 1
14 0695 1 0528 9
16 0794 8 0887 5
表 4! 1 代杉木人工林不同发育阶段林地得分比较
地位指数 幼龄林 中龄林 成熟林
12 0741 5 0601 6 0603 7
14 0790 5 0695 1 0744 6
16 1078 4 0794 8 0780 8
4 ! 结论与讨论
( 1)运用主分量分析筛选出评价杉木人工林土壤肥力的 3个综合因子:土壤酶和土壤物理
性质综合因子; 全量 N、P、K 和土壤有效微量元素综合因子; 土壤有机质、水解 N、全 N、交换
性Ca2+ 、土壤总孔隙度和毛管孔隙度综合因子。
( 2)在研究杉木人工林土壤肥力变化中应重视土壤酶活性和土壤物理性质的变化,可以通
过研究土壤酶和土壤物理性质变化大致了解杉木林地综合肥力状况。
( 3)土壤 pH 值的作用不容忽视, 但国内对土壤 pH值的研究相当粗放,因此今后对土壤 pH
值的研究亟待深入, 应对林地土壤中活性H+ 和活性Al3+ 的变化加以研究。
( 4)土壤有效微量元素在评价杉木林地综合地力中的作用显著,但国内以前对这方面的研
究未受足够重视,今后应加强此方面研究。
( 5)运用主分量分析结果进一步对所选的样地进行综合评分, 结果表明 2代杉木人工林综
合得分均低于对应的 1代杉木人工林,证实了杉木连栽土壤肥力下降现象的存在。
( 6)在 1代杉木人工林发育过程中,从幼龄林至中龄林发育过程中,综合地力呈下降趋势,
从中龄林至成熟林发育过程中,综合地力略有上升,但幅度不大,且仍然低于幼龄林阶段。表
明2代杉木人工林综合地力下降孕育在 1代林发育过程中,因此,对杉木人工林的可持续经营
应从 1代林做起。
参考文献:
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PCA on the Soil Degradation of the Successive Chinese Fir Plantation
SUN Qiwu , YANG Chengdong , JIAO Ruzhen
( Research Inst itute of Forestry, CAF Beijing! 100091,China)
Abstract: 23 soil factors in the different sites ( siteindex 12, 14, 16) and different growth periods ( young, half
mature and mature) of the first and second generation Chinese fir plantations in DagangMountain, Fenyi County
of Jiangxi Province, were determined. By themethod of PCA, three synthesized factors were selected as targets on
evaluating soil fertility in Chinese fir plantat ion. The results were quantified, scored and sequenced to the data
collected relevant to the soil fertility in the selected plots using PCA. The result showed that the score of all the
2nd generation Chinese fir plantat ions were much lower than that of the 1st generation. It revealed the fact that
soil degradat ion existed in successive Chinese fir plantations. The result also showed the tendency of soil produc
tivity of different growth period of 1st rotat ion was that the soil productivity decreased from young to halfmatured
period, but raised slightly from halfmatured to matured period, this meaned that 1st rotation was the latent peri
od of soil degradation of Chinese fir plantation.
Key words: Chinese fir; plantation; soil fertility; PCA
693第 6 期 孙启武等: 连栽杉木人工林土壤肥力变化的主分量分析