基于主成分分析的古樹土壤肥力綜合評價

葉少萍, 李鋌, 張俊濤, 曹芳怡

基于主成分分析的古樹土壤肥力綜合評價

葉少萍, 李鋌, 張俊濤*, 曹芳怡

廣州市林業和園林科學研究院, 廣東廣州國家城市林業科技示范園區, 廣州 510405

以廣州市海珠區登記在冊的40株古樹為研究對象, 調查其生長狀況, 采集土壤測定pH、EC值、容重、通氣度、有機質、全N、全P、全K、水解N、有效P、速效K含量等11項理化指標, 采用主成分分析和聚類分析對古樹土壤肥力進行綜合評價。結果表明: 海珠區大多數古樹土壤EC值偏低(＜0.35 mS·cm-1), 表現為強變異; 土壤有機質、全N、水解N、有效P、速效K含量充足, 土壤全P和全K分別有65.71%、40.00%樣本處于低含量水平。土壤全P和全K隸屬度函數值低于其他指標, 表明全P和全K是影響古樹土壤肥力的限制性因子。主成分分析結果顯示古樹土壤有機質的權重系數最大(0.111), 而且與EC值、全P、速效K呈顯著正相關(＜0.05), 與全N、水解N、速效P呈極顯著正相關(＜0.01), 表明有機質含量在古樹土壤肥力中起重要的作用, 并與土壤養分供應密切相關。古樹土壤肥力綜合得分為0.483—0.924, 聚類分析將古樹土壤肥力分為3類, 土壤肥力良好(第1類)占比94.29%。綜上可知, 海珠區古樹土壤肥力水平整體良好, 土壤肥力偏低的古樹需要加強日常養護。

古樹; 土壤肥力; 主成分分析; 聚類分析; 綜合評價

0 前言

古樹是指樹齡在一百年以上的樹木, 具有極高的生態、社會和經濟價值。我國古樹資源十分豐富, 然而古樹是一種獨特的、不可替代、不可再生的風景資源, 科學保護古樹顯得非常重要。研究指出, 古樹健康狀況與樹齡、立地條件、人為活動等因素密切相關[1–2]。一方面, 古樹樹齡增加, 其吸收代謝能力有所下降, 無法從土壤中吸收更多的養分供自身利用, 導致生長緩慢[3]。另一方面, 土壤質量對古樹生長有直接的影響, 土壤物理和化學性質變差容易引起古樹長勢衰弱甚至瀕危等問題。上海市部分松柏古樹長勢不良, 調查顯示其土壤存在容重偏大、通氣孔隙度小、通氣不良等現象[4]。廣州市沙面古樹群土壤則普遍出現pH偏堿性、土壤氮磷養分不足、有機質含量低等問題[5]。從影響因素來看, 人為活動的干擾對古樹土壤質量影響最大, 例如往土壤中排放污染物、過度壓實土壤或者過量使用密封硬質鋪裝等導致土壤質量變差[6–7], 從而不利于古樹根系生長及其對養分的吸收和運輸[8–9], 加之古樹土壤普遍缺少科學的監測與養護, 古樹健康常常面臨著極大的挑戰。因此, 研究古樹健康狀況, 需要加強土壤質量的監測與評價。

土壤肥力是土壤質量評價最基本的指標, 科學評價土壤肥力能夠為有效利用和保護土壤資源提供指導[10]。土壤肥力指標通常包括物理、化學和生物指標, 土壤肥力評價需要綜合分析各項指標對肥力的影響程度。定量化綜合評價是土壤肥力評價方法研究的熱點, 目前國內外報道的土壤肥力綜合評價方法包括相關關系法、主成分分析法、灰色關聯分析法、內梅羅指數法等[11–14]。主成分分析是將多個指標化為少數幾個指標、實現降維的一種統計方法, 能夠更有效地提取出對土壤肥力有重要影響的因素, 目前在農田、林地、綠地等土壤肥力評價中都有報道[13–16]。劉家雄和湯珧華[17]采用主成分分析法評價上海市古樹土壤肥力, 發現土壤結構與養分指標對于古樹土壤肥力評價有重要影響。本項目選擇海珠區古樹為研究對象, 調查古樹的生長現狀和土壤理化性質, 并采用主成分分析和聚類分析方法對土壤肥力進行綜合評價, 為古樹的科學養護提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區域海珠區位于廣州市中部(東經113°14′—113°23′、北緯23°3′—23°16′), 四面為珠江廣州河段前、后航道環繞, 區內河網密布, 總面積90.40 km2, 其中2/3的面積屬珠江三角洲沖積平原, 其余1/3為低丘、臺地; 地帶性土壤為赤紅壤, 母質為砂頁巖, 形成砂頁巖赤紅壤。海珠區屬南亞熱帶季風氣候區, 海洋性氣候特征顯著, 具有溫暖多雨、光熱充足、溫差較小、夏季長、霜期短等氣候特征, 年平均氣溫為21.6 ℃, 年平均降雨量達1694 mm, 年平均相對濕度為77%, 年平均日照為1916 h, 由于水熱同期, 利于作物生長。

2019年海珠區登記在冊的古樹有40株(編號NO.01—NO.40), 隸屬6科6屬9種, 包括榕樹(L. f.)、木棉(Linnaeus)、黃葛樹(Aiton)、心葉榕(Bl.)、樟((L.) Presl)、秋楓(Bl.)、蘋婆(Smith)、斜葉榕(subsp.(Bl.) Corner)、鷹爪花((L. f.) Bhandari)。古樹估測樹齡采用“三段計算法”[18]測定, 最高、最低估測樹齡分別為435、107年, 平均樹齡為212年, 樹齡較高的心葉榕、斜葉榕和鷹爪花生長在廣州海幢寺內。

1.2 樣品采集與分析

2019年10月, 現場測量單株古樹株高、胸圍、冠幅, 并采集距離古樹樹頭50 cm、深度0—30 cm的樹穴土壤測定理化性質。采樣前清理地表凋落物、伴生植物等, 使用土鉆在樹頭東、南、西、北4個方向分別采集1個土樣, 將4個土樣混勻為一個樣品。共采集35株古樹土壤樣品, 編號NO.08、NO.10、NO.25、NO.31、NO.35古樹由于樹頭周圍是密封硬質鋪裝而無法采集土壤樣品。土壤樣品自然風干后研磨過篩, 用于測定理化性質[19]: pH采用臺式pH離子計測定, 電導率(EC值)采用DDS—307電導率儀測定, 容重、通氣度測定采用環刀法, 有機質測定采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法, 全氮(N)、全磷(P)、全鉀(K)測定分別采用凱氏定氮法、硫酸消煮—紫外分光光度法、硫酸消煮—火焰分光光度法, 水解N、有效P、速效K測定分別采用堿解擴散法、碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法、乙酸銨浸提—火焰光度計法。

1.3 土壤肥力評價方法

1.3.1 土壤肥力單項指標評價

根據全國第二次土壤普查養分分級標準[20]及駱玉珍等[16]方法, 對海珠區古樹土壤pH、EC值、有機質、全N、全P、全K、水解N、有效P、速效K含量等進行分級評價, 并采用雷達圖對比古樹土壤單項指標肥力水平[13]。

1.3.2 土壤肥力綜合評價

首先對海珠區古樹土壤11項指標進行標準化處理以消除指標量綱差別。

(1)土壤pH、容重過大和過小時都不利于植物生長, 故采用拋物線型隸屬度函數[13, 16], 隸屬度函數值的計算公式為:

<x或≥x時,=0.1;

x≤<x時,=0.1+0.9(-x)/(x-x);

x≤<x時,=1.0-0.9(-x)/(x-x);

x≤<x時,=1.0。

(2)EC值屬于戒下型隸屬度函數[21], 隸屬度函數值的計算公式為:

<x時,=1.0;

x≤<x時,=0.1+0.9(x-)/(x-x);

≥x時,=0.1。

(3)通氣度、有機質、全N、全P、全K、水解N、有效P、速效K均屬于S型隸屬度函數[13], 隸屬度函數值的計算公式為:

<x時,=0.1;

x≤<x時,=0.1+0.9(-x)/(x-x);

≥x時,=1.0。

式中,為土壤指標測定值,x、x、x、x為函數轉折點取值, 根據方海蘭等[10]、馮嘉儀等[13]、駱玉珍等[16]報道選擇轉折點取值如表1所示。

其次對土壤11項評價指標的標準化數據進行Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)檢驗和Bartlett球形檢驗, 判斷是否適宜進行主成分分析, 然后采用主成分分析法計算出各項土壤指標的公因子方差, 進一步計算出各個公因子方差占公因子方差總和的比例, 將其作為評價指標的權重a。土壤肥力綜合得分的計算公式為[13]:

表1 隸屬度函數的轉折點取值

式中,a為第個土壤肥力指標的權重系數,為指標數量,為土壤指標的隸屬度值。

1.4 數據處理與分析

采用IBM SPSS Statistics 21.0軟件對海珠區古樹生長指標和土壤理化性質進行描述性統計分析、主成分分析和雙變量相關性分析, 采用聚類分析對土壤肥力綜合指標進行樣品聚類, 圖形繪制采用WPS表格。

2 結果與分析

2.1 海珠區古樹生長指標

海珠區不同樹種古樹生長指標存在差異。古樹株高在4.8—25.0 m之間, 平均值為15.8 m, 其中木棉株高(18.7 m)最高, 其次為心葉榕(18.3 m)、秋楓(17.1 m); 胸圍在1.5—10.8 m之間, 平均值為5.2 m, 其中心葉榕、黃葛樹胸圍較高, 分別為7.7 m、7.6 m; 冠幅在7.0—31.0 m之間, 平均值為18.3 m, 其中黃葛樹冠幅最大, 為21.5 m(表2)。

2.2 海珠區古樹土壤肥力指標分析

由表3可知, 海珠區古樹土壤pH在5.67—8.05之間, 平均值為7.26, 變異系數為6.20%, 屬于弱變異。對比pH值分級標準(圖1), 65.71%土壤pH呈中性(6.5—7.5), 28.57%呈堿性(7.5—8.5), 5.71%呈酸性(5.5—6.5)。土壤EC值在0.05—1.50 mS·cm-1之間, 平均值為0.25 mS·cm-1, 其中34.29%土壤EC值小于0.12 mS·cm-1, 45.71%介于0.12—0.35 mS·cm-1之間, 17.14%介于0.35—1.0 mS·cm-1之間, 2.86%大于1.5 mS·cm-1。土壤EC值變異系數為106.68%, 表現為強變異, 最大值與最小值之間相差30.00倍。土壤容重在0.69—1.53 g·cm-3之間, 平均值為1.16 g·cm-3, 變異系數為13.79%, 為中等變異; 土壤通氣度變幅為19.2%—44.9%, 平均值為34.1%, 變異系數為20.53%, 為中等變異。

表2 海珠區不同樹種古樹株高、胸圍和冠幅

注: 表中所示數值為平均值±標準誤, 以下相同。

土壤有機質含量為19.10—210.87 g·kg-1, 平均值69.65 g·kg-1, 最大值與最小值之間相差11.04倍, 變異系數為56.93%, 屬于中等變異; 其中88.57%土壤有機質含量處于一級水平(＞40 g·kg-1), 含量處于三級(20—30 g·kg-1)和四級(10—20 g·kg-1)的樣本分別為8.57%和2.86%。土壤全N、全P和全K含量變幅分別為0.67—15.66 g·kg-1、0.01—0.98 g·kg-1、1.60—24.33 g·kg-1, 平均值分別為3.22 g·kg-1、0.34 g·kg-1、11.89 g·kg-1, 變異系數在49.79%—77.95%之間, 均為中等變異。土壤全N含量處于一級(＞2.0 g·kg-1)和二級(1.5—2.0 g·kg-1)的樣本分別為77.14%和14.29%, 含量在四級(1.0—1.5 g·kg-1)的樣本占5.71%, 含量在五級(0.5—0.75 g·kg-1)的樣本占2.86%。此外, 土壤全P含量65.71%樣本處于低含量水平(＜0.4 g·kg-1), 31.43%處于中等含量水平(0.4—0.8 g·kg-1), 處于高含量水平(0.8—1.0 g·kg-1)的僅為2.86%; 土壤全K含量處于低含量(＜10 g·kg-1)、中等含量(10—20 g·kg-1)、高含量(20—25 g·kg-1)水平的分別為40.00%、48.57%、11.43%?？傮w上土壤全N含量水平較高, 而全P、全K含量則處于中等偏低水平。

表3 海珠區古樹土壤肥力指標描述性統計

此外, 土壤水解N、有效P和速效K含量分別在15.28—776.71 mg·kg-1、2.48—94.38 mg·kg-1、82.94—604.59 mg·kg-1之間, 平均值分別為186.64 mg·kg-1、22.66 mg·kg-1、198.86 mg·kg-1, 變異系數分別為70.74%、75.15%、54.54%, 均為中等變異。其中, 85.72%土壤水解N含量處于高含量水平(＞120 mg·kg-1), 8.57%處于中等含量水平(60—120 mg·kg-1), 5.72%則處于低含量水平(＜60 mg·kg-1); 土壤有效P含量則主要集中在20—40 mg·kg-1和10—20 mg·kg-1之間, 分別為45.71%和28.57%, 含量處于極度豐富(＞40 mg·kg-1)和極度缺乏(＜3 mg·kg-1)的樣本分別占8.57%和5.71%; 土壤速效K含量均達到中等含量水平(＞50 mg·kg-1)以上, 含量在50—100 mg·kg-1的樣本占8.57%, 100—150 mg·kg-1占31.43%, 150—200 mg·kg-1占22.86%, 含量高于200 mg·kg-1的樣本占37.14%?？傮w上, 土壤水解N、有效P、速效K含量分別有85.72%、54.28%、60.00%樣本達到高含量水平, 表明土壤速效氮、磷、鉀養分供應充足。

2.3 海珠區古樹土壤肥力單項指標評價

雷達圖坐標軸各個點的值可以反映各項指標的狀態, 每個坐標軸上的點越向原點靠近, 所反映的單一指標的肥力水平越低, 反之離原點越遠, 所反映的單一指標的肥力水平越高[22]。由圖2可知, 海珠區古樹土壤肥力指標隸屬度值從大到小分別為通氣度(0.998)＞有機質(0.979)＞全N(0.959)＞EC值(0.930)＞pH(0.929)＞水解N(0.912)＞速效K(0.891)＞有效P(0.764)＞容重(0.703)＞全K(0.379)＞全P(0.252)。

2.4 海珠區古樹土壤肥力綜合評價

古樹11個土壤肥力指標的KMO檢驗結果為0.520, Bartlett球形檢驗的顯著性系數為0.00(＜0.05), 說明數據適合進行主成分分析。特征值表示主成分影響力度大小, 因此將特征值＞1.000 作為主成分個數的提取原則。由表4主成分分析結果可知, 前5個成分特征值分別為3.166、1.801、1.379、1.068、1.020, 方差貢獻率分別為28.782%、16.370%、12.539%、9.708%、9.269%, 累積貢獻率達76.668%, 表明5個主成分涵蓋了原始數據信息總量的76.668%, 5個主成分信息足以代表原始數據信息。因此, 將5個主成分作為綜合變量來評價海珠古樹土壤肥力狀況。第1主成分有機質、全N、水解N、有效P、速效K的系數明顯大于其他指標, 表明其反映的主要是有機質、全N、水解N、有效P、速效K狀況; 第2主成分EC值、全P(取絕對值)的系數較大, 反映的是EC值和全P狀況; 第3主成分反映的是pH; 第4主成分反映的是全K狀況; 第5主成分則反映的是容重和通氣度狀況(表5)?；诠蜃臃讲钋蟪龅臋嘀叵禂当憩F為有機質(0.111)＞全K(0.105)＞全N(0.103)＞pH(0.101)＞通氣度(0.097)＞水解N(0.092)＞EC值(0.090)＞全P(0.089)＞有效P(0.080)＞容重(0.065)=速效K(0.065), 表明有機質對土壤肥力的貢獻率最大, 其次為全K和全N含量。

圖1 海珠區古樹土壤肥力指標分布特征

Figure 1 Distribution characteristics of soil fertility indices of ancient trees in Haizhu district

圖2 海珠區古樹土壤肥力指標隸屬度函數值雷達圖

Figure 2 Radar pot of membership function values of soil fertility indices of ancient trees in Haizhu district

表4 海珠區古樹土壤主成分的特征值和貢獻率

土壤肥力綜合評價結果顯示, 海珠區古樹土壤肥力綜合得分在0.483—0.924之間, 平均分值為0.793, 其中NO.21榕樹土壤肥力得分最高, NO.19榕樹得分最低(表6)。以5個主成分得分作為新指標, 以歐式距離衡量古樹土壤肥力的差異, 將相近土壤肥力水平的樣本進行系統聚類[23]。根據系聚類分析結果, 將海珠區古樹土壤肥力分為3個類型: 第1類包括33個樣本, 平均土壤肥力綜合得分為0.806, 土壤肥力良好; 第2類為NO.29榕樹, 土壤肥力中等; 第3類為NO.19榕樹, 土壤肥力較差(圖3)。

2.5 海珠區古樹生長、土壤指標相關性分析

相關性分析結果顯示, 古樹株高與土壤EC值相關性系數為0.412, 呈顯著正相關(＜0.05); 胸圍、冠幅與土壤指標之間則不存在顯著相關關系(＞0.05)。由表7結果可知, 古樹土壤pH與EC值、水解N分別呈顯著(＜0.05)、極顯著(＜0.01)負相關, 與容重呈顯著正相關(＜0.05); EC值與容重、全K分別呈顯著(＜0.05)、極顯著(＜0.01)負相關, 與有機質、水解N和有效P呈顯著正相關(＜0.05), 與全P正相關達極顯著水平(＜0.01)。從土壤養分指標來看, 全N與有機質、水解N、速效K呈極顯著正相關(＜0.01); 全P與有效P呈極顯著正相關(＜0.01), 與有機質、全N則呈顯著正相關(＜0.05); 全K與有機質、全N呈極顯著負相關(＜0.01), 與有效P含量呈顯著負相關(＜0.05); 水解N與有機質、有效P、速效K呈極顯著正相關(＜0.01); 有效P與有機質、全N、速效K呈極顯著正相關(＜0.01); 速效K與有機質正相關達顯著水平(＜0.05)。

表5 海珠區古樹土壤肥力指標主成分特征向量

表6 海珠區古樹土壤肥力綜合得分

圖3 海珠區古樹土壤肥力系統聚類分析結果

Figure 3 Hierarchical cluster analysis results of soil fertility of ancient trees in Haizhu district

表7 海珠區古樹土壤肥力指標相關性分析

注: *表示相關性顯著(＜0.05), **表示相關性極顯著(＜0.01)。

3 討論

土壤質量是古樹生長的重要基礎。一般認為, 土壤質量下降, 在一定程度上不利于古樹健康生長。例如土壤缺乏有機質、全N、速效P以及滲水性能差、堿性偏大、鈉離子含量偏高等不良因素對油松古樹長勢影響較大[8]。上海市松柏古樹土壤容重和通氣狀況等土壤結構變差, 其根系活力和根系菌根侵染率則降低[4]。鄒瑀琦等[24]發現北京地區側柏古樹健康狀況與土壤礦質元素含量有顯著相關性, 尤其是土壤鋅含量越高古樹健康等級則越高, 鎂含量增加則健康狀況下降。然而, 有學者認為土壤質量不能作為評價古樹生長狀況的關鍵指標, 例如不同長勢側柏古樹土壤pH、水分含量、氮、磷、鉀、鈣和鎂的含量差異不顯著[25]。

本研究調查發現, 海珠區古樹土壤容重(1.16 g·cm-3)偏大, 說明土壤偏緊實; 土壤EC值整體偏低(＜0.35 mS·cm-1), 全N、水解N含量偏高, 有效P、速效K含量處于中等偏上水平, 全P、全K含量則是處于中等偏下水平。一般認為, 土壤EC值低說明土壤養分缺乏, 容易影響植物生長質量[4]。海珠區古樹土壤EC值與株高呈顯著正相關(＜0.05), 可見土壤EC值偏低, 在一定程度上不利于古樹株高的增長。此外, 古樹土壤全P和全K分別有65.71%、40.00%樣本處于低含量水平, 其隸屬度函數值均明顯低于其他肥力指標, 表明全P和全K是古樹土壤肥力的限制性因子。土壤全P、全K含量低, 則容易引起土壤磷、鉀素供應不足[26]。海珠古樹土壤全P與速效P呈極顯著正相關(＜0.01), 可見全P含量降低在一定程度上會阻礙速效P的供應。土壤養分供應與土壤pH也有密切聯系, 研究表明土壤pH能夠影響土壤養分元素存在形態以及土壤微生物活性, 從而影響土壤中物質的轉化效率[27]。陳玉芹等[14]認為土壤pH能通過影響礦質養分的溶解度來影響養分的有效性, 例如酸性條件下活性較高的鐵、鋁容易與磷發生作用形成難溶解的鐵磷和鋁磷。然而, 城市綠地土壤受建筑垃圾等堿性物質的影響, pH普遍呈堿化趨勢[10,28], 廣州、上海等城市古樹土壤pH也同樣存在堿性偏大的情況[5,29]。宋路有等[29]發現古樹土壤速效N、速效P含量隨著pH的增大呈現降低的趨勢, 堿性土壤環境不利于古樹根系生長。海珠區古樹土壤pH(7.26)整體呈中性偏堿, 與土壤EC值、水解N分別呈顯著(＜0.05)、極顯著(＜0.01)負相關, 表明土壤堿性增大將對土壤養分尤其是水解N的供應產生影響。

土壤有機質是全球碳循環過程中非常重要的碳源, 也是土壤養分的重要來源, 在改善土壤物理、化學性質方面起著重要作用, 因此土壤有機質被認為是土壤肥力質量的重要指標[30–31]。土壤有機質的形成過程復雜, 普遍認為植物殘體是土壤有機質的初始來源, 枯枝落葉、根系以及樹穴伴生植物組織等經過腐殖化作用和土壤膠體吸附作用轉化為有機質, 同時土壤微生物死亡殘體對于土壤有機質的積累也具有重要意義[32]。馮嘉儀等[13]對不同林分類型的林下土壤肥力進行主成分分析, 發現有機質對土壤肥力的貢獻率最大。本研究中古樹土壤有機質含量豐富, 其中88.57%樣本處于一級水平(＞40 g·kg-1), 主成分分析結果顯示有機質權重系數(0.111)最大, 表明有機質在古樹土壤肥力中起重要的作用。此外, 古樹土壤有機質與EC值、全P、速效K呈顯著正相關(＜0.05), 與全N、水解N、速效P呈極顯著正相關(＜0.01), 可見土壤有機質與氮、磷、鉀養分供應密切相關。研究表明, 土壤有機質主要靠土壤微生物來分解, 土壤微生物對養分的礦化和轉化推動著養分循環[32]。一方面, 土壤微生物通過生物固氮、氮礦化、硝化、反硝化等氮循環過程影響土壤氮供應, 土壤中99%氮素來源于有機質; 另一方面, 土壤微生物能夠快速分離植物殘體和有機質中的磷, 合成占土壤總磷約2%—10%的微生物磷, 滿足植物對磷的吸收利用[33–34]。由此可知, 在土壤全P、全K含量偏低的情況下, 古樹土壤微生物活動能夠通過分解豐富的土壤有機質, 釋放出氮、磷元素供給古樹吸收利用。此外, 植物根系分泌活動為微生物提供了重要的能源, 其分泌物種類和數量能夠影響微生物的種類和數量, 并且對土壤物理性質和酸堿度產生影響[35–36]。古樹隨著樹齡的增長, 根系吸收代謝與分泌活動會產生變化, 其土壤理化性質和微生物群落組成也會隨之作出響應。研究指出, 側柏的生長改變了微生物群落和土壤養分組成, 古樹土壤養分含量普遍高于幼樹, 并且土壤微生物群落對土壤養分變化敏感[37]。陳俊琦[18]則發現北京市樹齡大于300年的側柏、油松、白皮松和國槐古樹土壤理化性質較差。因此, 在評價土壤肥力指標時, 有必要深入分析古樹根系分泌活動以及根際土壤微生物群落變化, 為闡釋土壤肥力變化機制提供依據。

土壤肥力是土壤各項指標的綜合表現, 土壤肥力綜合評價方法常常在評價指標選擇、評價方法確認等方面存在差異。古樹土壤質量評價是一個綜合的過程, 目前評價指標一般以物理性質、化學特性為主。主成分分析在評價指標較多時能更有效地提取出對土壤肥力有重要影響的因素, 因此常用于評價不同類型土壤肥力[13]。本研究采用主成分分析法, 對11項海珠區古樹土壤肥力指標提取了5個主成分, 涵蓋了76.668%原始信息。第1主成分反映了土壤有機質、全N、水解N、有效P、速效K狀況, 第2主成分反映了土壤EC值和全P狀況, 第3主成分反映了土壤pH, 第4主成分反映了土壤全K狀況, 第5主成分反映了土壤容重和通氣度狀況。對5個主成分聚類分析結果表明, 海珠區古樹土壤肥力分為3類: NO.29榕樹和NO.19榕樹單獨聚為一類, 分別為土壤肥力中等(第2類)和較差(第3類); 其余33株古樹聚為一類, 土壤肥力良好(第1類)?？偟膩砜? 海珠區古樹土壤肥力綜合得分為0.483—0.924, 土壤肥力水平整體良好。然而, 古樹土壤受人為干擾影響較大, 尤其是樹穴被硬質鋪裝覆蓋、自身枯枝落葉被過度清理以及缺乏施肥養護等問題, 均不利于古樹土壤有機質的積累。調查發現海珠區有少數古樹土壤有機質含量偏低(＜20 g·kg-1), 其土壤氮、磷、鉀養分含量也偏低, 建議采取施加有機改良劑、鋪設樹穴有機覆蓋物以及定期補充有機肥等措施[38–39]提升其土壤有機質含量, 從而提高古樹土壤肥力。

4 結論

綜上所述, 海珠區大多數古樹土壤有機質、全N、水解N、有效P、速效K含量充足, 而土壤EC值、全P、全K含量偏低, 其中全P和全K是影響古樹土壤肥力的限制性因子。古樹土壤pH增大, 不利于土壤養分尤其是水解N的供應。此外, 土壤主成分分析提取前5個成分涵蓋了原始數據信息總量的76.668%, 說明主成分分析法用于評價古樹土壤肥力具有可行性。有機質對土壤肥力的貢獻率最大, 同時與土壤氮、磷、鉀養分供應密切相關。海珠區古樹土壤肥力整體良好, 但是不同古樹之間土壤肥力存在一定的差異, 聚類分析將古樹土壤肥力分為3類, 其中NO.19榕樹土壤肥力較差(第3類), 需要重點提升土壤肥力。

[1] 劉瑜, 徐程揚. 古樹健康評價研究進展[J]. 世界林業研究, 2013, 26(1): 37–42.

[2] 楊玲, 康永祥, 李小軍, 等. 黃帝陵古側柏健康評價[J]. 浙江農林大學學報, 2014, 31(5): 779–784.

[3] 郭希梅, 叢日晨, 張常青, 等. 古油松衰弱衰老診斷的生理指標[J]. 林業科學, 2011, 47(4): 43–48.

[4] 湯珧華, 潘建萍, 鄒福生, 等. 上海松柏古樹生長與土壤肥力因子的關系[J]. 植物營養與肥料學報, 2017, 23(5): 1402–1408.

[5] 徐志平, 葉廣榮, 吳渭湛, 等. 廣州市沙面古樹土壤調查[J]. 園林科技, 2011, 121(3): 5–7.

[6] 王玉東. 人為干擾對黃帝陵古柏土壤理化性質影響的研究[D]. 咸陽: 西北農林科技大學, 2015.

[7] 劉家雄, 湯珧華. 基于主成分分析的古樹土壤肥力等級評價[J]. 安徽農業科學, 2018, 46(3): 104–106.

[8] 聶立水, 王登芝, 王保國. 北京戒臺寺古油松生長衰退與土壤條件關系初步研究[J]. 北京林業大學學報, 2005, 27(5): 32–36.

[9] 張建鋒, 周金星. 林木根系衰老研究方法與機制[J]. 生態環境, 2006, 15(2): 405–410.

[10] 方海蘭, 徐忠, 張浪, 等. 園林綠化土壤質量標準及其應用[M]. 北京: 中國林業出版社, 2016: 38–43, 53–55.

[11] SENA M M, FRIGHETTO R T S, VALARINI P J, et al. Discrimination of management effects on soil parameters by using principal component analysis: a multivariate analysis case study[J]. Soil and Tillage Research, 2002, 67(2): 171–181.

[12] LI Peng, WU Mengcheng, KANG Guodong, et al. Soil quality response to organic amendments on dryland red soil in subtropical China[J]. Geoderma, 2020, 373: 1–12.

[13] 馮嘉儀, 儲雙雙, 王婧, 等. 華南地區5種典型林分類型土壤肥力綜合評價[J]. 華南農業大學學報, 2018, 39(3): 73–81.

[14] 陳玉芹, 胡永亮, 張麗萍, 等. 基于主成分和聚類分析的德宏橡膠林土壤肥力評價[J]. 熱帶作物學報, 2019, 40(8): 1461–1467.

[15] 鄭立臣, 宇萬太, 馬強, 等. 農田土壤肥力綜合評價研究進展[J]. 生態學雜志, 2004, 23(5): 156–161.

[16] 駱玉珍, 張維維, 李雅穎, 等. 上海市公園綠地土壤肥力特征分析與綜合評價[J]. 中國土壤與肥料, 2019, (6): 86–93.

[17] 劉家雄, 湯珧華. 基于主成分分析的古樹土壤肥力等級評價[J]. 安徽農業科學, 2018, 46(3): 104–106.

[18] 張喬松, 楊偉兒, 吳鴻炭, 等. 廣州古樹樹齡鑒定初研[J]. 中國園林,1985, (2): 43–46.

[19] 國家林業局. LY/T 1210～1275-1999, 森林土壤分析方法[S]. 北京: 中國標準出版社, 2000.

[20] 全國土壤普查辦公室. 中國土壤[M]. 北京: 中國農業出版社, 1998.

[21] 鄒桂梅, 黃明勇, 蘇德榮, 等. 濱海鹽堿地城市綠地土壤肥力的時空變化特征[J]. 中國農學通報, 2010, 26(5): 110– 115.

[22] 劉斌, 王松標, 李鑫, 等. 攀枝花市成齡芒果園土壤肥力評價[J]. 熱帶作物學報, 2020, 41(1): 1–6.

[23] 張成君, 康文娟, 張翠梅, 等. 基于主成分—聚類分析評價不同輪作模式對土壤肥力的影響[J]. 水土保持學報, 2020, 34(1): 292–300.

[24] 鄒瑀琦, 劉晶嵐, 楊興康, 等. 北京古樹土壤主要礦質元素特征及對古樹健康響應分析[J]. 中國農學通報, 2014, 30(1): 63–67.

[25] 趙娟, 楊軍, 賴娜娜, 等. 古側柏林土壤和植物營養元素含量與樹勢相關性研究[J]. 中國農學通報, 2013, 29(13): 9–13.

[26] 阮琳, 陳連芳, 蔣愛瓊. 廣州市綠地土壤質量評價及其管理對策[J]. 廣東園林, 2008, (4): 20–22.

[27] 盧瑛, 甘海華, 史正軍, 等. 深圳城市綠地土壤肥力質量評價及管理對策[J]. 水土保持學報, 2005, 19(1): 153– 156.

[28] JIM C Y. Physical and chemical properties of a Hong Kong roadside soil in relation to urban tree growth. Urban Ecosystems, 1998, 2: 171–181.

[29] 宋路有, 唐東芹, 湯珧華. 上海閔行地區松柏類古樹名木土壤性狀分析與綜合評價[J]. 安徽農業科學, 2016, 44(8): 164–166.

[30] 趙明松, 張甘霖, 吳運金, 等. 江蘇省土壤有機質含量時空變異特征及驅動力研究[J]. 土壤學報, 2014, 51(3): 448–458.

[31] CHEN Shuai, LIN Bowen, LI Yanqiang, et al. Spatial and temporal changes of soil properties and soil fertility evaluation in a large grain-production area of subtropical plain, China[J]. Geoderma, 2020, 357: 1–13.

[32] 汪景寬, 徐英德, 丁凡, 等. 植物殘體向土壤有機質轉化過程及其穩定機制的研究進展[J]. 土壤學報, 2019, 56(3): 528–540.

[33] 沈仁芳, 趙學強. 土壤微生物在植物獲得養分中的作用[J].生態學報, 2015, 35(20): 6584–6591.

[34] 袁子茹, 任靈, 陳建綱, 等. 祁連山不同草地類型土壤有機質與全氮分布的關系[J]. 草原與草坪, 2016, 36(3): 12– 16.

[35] 吳林坤, 林向民, 林文雄, 等. 根系分泌物介導下植物—土壤—微生物互作關系研究進展與展望[J]. 植物生態學報, 2014, 38(3): 298–310.

[36] 孫波, 廖紅, 蘇彥華, 等. 土壤—根系—微生物系統中影響氮磷利用的一些關鍵協同機制的研究進展[J]. 土壤, 2015, 47(2): 210–219.

[37] LIU Jinliang, HA V N, SHEN Zhen, et al. Characteristics of bulk and rhizosphere soil microbial community in an ancientforest[J]. Applied Soil Ecology, 2018, 132: 91–98.

[38] 李嘯沖, 孫向陽, 李素艷, 等. 有機地表覆蓋材料對樹穴土壤理化性質的影響[J]. 水土保持學報, 2020, 34(1): 322–326.

[39] 魏猛, 張愛君, 諸葛玉平, 等. 長期不同施肥方式對黃潮土肥力特征的影響[J]. 應用生態學報, 2017, 28(3): 838– 846.

Comprehensive evaluation of soil fertility for ancient trees based on principal component analysis

YE Shaoping, LI Ting, ZHANG Juntao*, Cao Fangyi

Guangzhou Institute of Forestry and Landscape Architecture, Guangdong Guangzhou National Urban Forestry Science and Technology Demonstration Park, Guangzhou 510405, China

In this study, the growth status and the soil physical and chemical properties (including soil pH, EC value, bulk density, aeration, organic matter, total N, total P, total K, hydrolyzed N, available P and available K contents) of 40 ancient trees in Haizhu District of Guangzhou Citywere analyzed, and the soil fertilities of ancient trees werecomprehensively evaluated by principal component analysis and cluster analysis. The results showed that the soil EC valuesbelonging to strong variabilityof most ancient trees werelow (<0.35 mS·cm-1); the contents of soil organic matter, total N, hydrolyzed N, available P and available K were sufficient, while 65.71% of soil total P samples and 40.00% of total K samples were at low levels. The membership function values of soil total P and total K were both lower than other indices, indicating that the total P and total K contents were limiting factors affecting soil fertility of ancient trees. Meanwhile, the soil organic matter with the largestweight coefficient (0.111) in principal component analysiswas significantly positively correlated with the EC value, total P and available K (<0.05), and also highly significantly positively correlated with the total N, hydrolyzed N and available P (<0.01), which was evident that the organic matter might play an important role in soil fertility and was closely related to the soil nutrient supply for ancient trees. The comprehensive evaluation score of soil fertility of ancient trees ranged from 0.483 to 0.924, which was divided into three categories by cluster analysis, and the proportion of high soil fertility (the first category) was 94.29%. In conclusion, the soil fertility level of ancient trees in Haizhu District is generally good, and the technical maintenance measures for ancient trees with poor soil fertility should be strengthened.

ancient tree; soil fertility; principal component analysis; cluster analysis; comprehensive evaluation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.01.022

葉少萍, 李鋌, 張俊濤, 等. 基于主成分分析的古樹土壤肥力綜合評價[J]. 生態科學, 2022, 41(1): 196–205.

YE Shaoping, LI Ting, ZHANG Juntao, et al. Comprehensive evaluation of soil fertility for ancient trees based on principal component analysis[J]. Ecological Science, 2022, 41(1): 196–205.

S714.8

A

1008-8873(2022)01-196-10

2020-10-11;

2020-12-21

廣東省科技計劃項目(2011B020401009; 2013B030700001)

葉少萍(1985—), 女, 碩士, 高級工程師, 主要從事土壤質量評價與修復改良研究, E-mail: yshp08@163.com

張俊濤, 男, 正高級工程師, 主要從事土壤質量評價與修復改良研究, E-mail: 350965652@qq.com