铝毒是酸性土壤制约作物生长，导致森林衰退的重要原因之一。据估计，酸性土占世界耕地面积的50%^[1]，在我国广泛分布于南方热带、亚热带地区，占国土面积的21%^[2]。在酸性土壤中，铝胁迫将阻碍植物对Ca、Mg、P、N等养分的吸收与代谢和根系的生长，以致林地衰退^[3]。因而，对酸性土铝胁迫区作物耐酸、耐铝机制的研究，以及选择合适的植物及配置方式缓解土壤铝毒害，已成为铝毒害领域研究的热点。近年来，国内外从生理生化、细胞、分子等方面对植物铝胁迫机制进行了大量研究^{[4, 5, 6]}，但研究对象多为农作物，研究方法多采用营养液无土培养^{[7, 8]}，而对森林植被缓解铝毒作用则研究较少。迄今为止，缓解及修复土壤铝毒的方法主要有添加有机与无机物的化学方法^{[9, 10]}和配置耐酸铝植物的生态方法^[11]。在生态方法中，如何选择混交树种和混交模式，实现人工林健康持续经营，无疑是林业生产实践中亟待解决的问题。

杉木(Cunninghamia lanceolata)具有速生、成材率高和造林成本低的优良特性，是我国南方重要造林树种。长期以来，由杉木人工纯林大面积多代连栽等引起的土壤酸化可能诱发铝毒害，使林地地力衰退、生态环境恶化、森林衰亡^[12]。对此，林学家不断探索防止人工林土壤质量退化的科学技术途径。四川省于20世纪80年代始，陆续营造杉木人工混交林。如今杉木长势如何，林地衰退如果是由铝毒害引起的，是否又得到有效缓解？本文在已有杉木人工林铝毒阈值和相关水培试验系列研究的基础上^{[9, 13, 14]}，根据四川盆周山地现有杉木人工林调查及土壤分析结果，应用数理统计方法，探讨杉木人工混交林对铝毒害的缓解作用，为选择最优树种及混交模式营造杉木人工混交林提供科学依据。

研究区位于四川盆周山地杉木人工林主要分布区的泸州市(105°34′—106°20′ E，27°41′—28°20′ N)、宜宾市(104°38′—105°02′ E，27°53′—28°31′ N)、雅安市(102°57′—103°48′ E，29°58′—30°23′ N)和眉山市(102°49′—103°32′ E，29°24′—30°00′ N)下属相关林场，自然地理概况如表 1所示。从表 1可知，研究区海拔高度、年均气温、成土母岩和土壤类型等非生物条件基本一致。

以现有杉木人工林为研究对象，分别在不同地区(林场)选择树种组成(含灌木)及其比例差异尽可能大的林分设置20 m×20 m的样地，并尽量满足各林区样地数量相近，共设36块样地。样地的分布如表 1所示。调查各样地内乔木树种组成、数量、树高和杉木优势木高，并随机设置3个5 m×5 m的小样方，调查灌木组成、数量等，10个1 m×1 m的小样方，调查草本组成、盖度等。

于样地内沿“S”形等距离用土钻采集0—30 cm表层土壤，混匀，四分法取样，部分带回实验室。将新鲜土壤制备平衡土壤溶液^[15]，电位法测定pH值，原子分光光度计法测定Fe³⁺和Ca²⁺含量，铝试剂比色法测定Al³⁺含量。

根据四川盆周山地杉木人工林衰退与铝毒阈值研究^[13]和外源营养元素对铝胁迫下杉木幼苗生长影响的调控研究^[9]前期研究结果，并参照其他类似研究结果^{[16, 17]}，选取平衡土壤溶液pH值和Ca²⁺，Fe³⁺，Al³⁺离子的含量(mg/kg)及其比值(mol/mol)作为杉木人工林铝毒害的评价指标。分别为指标1(Y₁) pH值，阈值(Threshold)4.18；指标2(Y₂) Al³⁺含量，阈值31.66 mg/kg；指标3(Y₃) Ca²⁺含量与Al³⁺含量比值，标记为Ca²⁺/Al³⁺，阈值1.809；指标4(Y₄) Ca²⁺含量与Ca²⁺，Al³⁺和Fe³⁺含量比值，标记为Ca²⁺/(Ca²⁺+Al³⁺+Fe³⁺)，阈值0.55。研究区土壤铝毒评价指标分析结果如表 2所示。

首先采用系统聚类法划分杉木人工林类型，并采用因子分析建立地上部分树种指标系统，再采用主成分分析建立铝毒害指标综合评价函数；然后应用典范相关分析研究树种指标与土壤铝毒指标两组变量之间的典范相关关系，并以卡方(χ²)(Chi Square Test)检验典范相关系数的显著性。数据采用SPSS 17.0进行分析。

通过调查，研究区有蕨类植物、裸子植物、被子植物共27科43属47种。其中，乔木树种有杉木、柳杉(Cryptomeria fortunei)和木荷(Schima superba)等27种；灌木树种有茶树(Camellia sinensis)和花楸(Sorbus pohuashanensis)等10种；草本和蕨类植物有麦冬(Ophiopogon japonicas)和凤尾蕨(Pteris multifida)等10种。

以植被组成(物种)及其数量作为分类属性，采用系统聚类法划分杉木人工林林分类型，分类结果如图 1所示。

图 1 样地树状图 Fig. 1 Dendrogram of sample plot

图选项

从图 1可见，横轴欧氏距离以23.5(虚线)为参考线，可将研究区杉木人工林分成以下6种类型。

Ⅰ：杉木+毛竹(Phyllostachys heterocycla)或木荷

杉木优势木均高16.28 m,针阔叶树种比例相近，灌木种类较少，包括样地1，5，8和28，其中样地1和8亚优势树种为木荷，样地5和28亚优势树种为毛竹；主要成土母岩包括紫色砂岩、页岩、石灰岩和泥岩，主要土壤类型为黄壤和酸性紫色土。

Ⅱ：杉木纯林、杉木+柳杉林或杉木+茶树

杉木优势木均高14.96 m,杉木比例大，乔木树种单一，灌木除茶树外比例均小，草本丰富且盖度高，包括样地2，7，12，19，20，22，25和33；主要成土母岩有紫色砂岩、页岩和石灰岩，主要土壤类型黄壤和酸性紫色土。

Ⅲ：杉木+木荷

杉木优势木均高16.03 m,以阔叶树毛泡桐(Paulownia tomentosa)、桤木(Alnus cremastogyne)、檫木(Sassafras tzumu)和木荷等为主，木荷为明显的指示树种，灌木较多，包括样地4，6，9，11，14，27，29和34；主要成土母岩包括紫色砂岩、页岩、石灰岩和泥岩，主要土壤类型为黄壤、酸性紫色土和黄棕壤。

Ⅳ：杉木+毛竹

杉木优势木均高14.95 m,杉木树龄小，乔木树种单一，亚优势树种为毛竹，比例小，包括样地13，15，24和36；主要成土母岩页岩和石灰岩，主要土壤类型为黄壤和黄棕壤。

Ⅴ：杉木+毛竹+栎(栗)

杉木优势木均高17.78 m,亚优势树种以毛竹和栎(栗)(Quercus acutissima /Castanea Mill.)类为主，阔叶树种极其丰富，所占比例大，灌木种类较少，包括样地16，17，21，23，26和32；主要成土母岩为砂岩、页岩和石灰岩，主要土壤类型为黄壤、酸性紫色土和黄棕壤。

Ⅵ：杉木+灌木

杉木优势木均高17.97 m,阔叶树种虽不丰富，但灌木比例大，包括样地3，10，18，30，31和35；主要成土母岩为页岩、石灰岩、紫色砂岩和砂岩，主要土壤类型为黄壤和黄棕壤。

因为本文的研究目标是杉木人工混交林对铝毒害的缓解作用，即根据各杉木人工混交林林分类型中因植被组成及其数量的不同，而对经营树种杉木的生长是否产生不同的影响，去探讨杉木人工混交林对铝毒害的缓解作用，所以以杉木优势木均高检验林分类型划分的合理性。但由于研究区杉木人工林树龄差异较大(15—25 a)，为消除树龄影响，采用协方差分析将树龄均调整到18.75 a后，优势木均高分别为16.28，14.73，16.49，15.89，17.63和17.19 m，经F检验达到极显著(f=14.70，P﹤0.01)，说明各林分类型杉木优势木均高仍存在显著差异，因此林分类型的划分是合理的。

由于不同树种的生物学和生态学特性等不同，因此对林地铝毒害作用的方向与程度不同，但不同林分类型的树种组成和数量差异很大，如笼统分析对铝毒害的缓解作用，难于揭示其中的规律。不过，经乔木树种相对多度(频度和显著度)与灌木树种相对密度(高度和显著度)计算所得重要值能反映树种组成、数量等信息。因此，本文选取重要值最大且各值差异不显著的前18种树种(杉木为目标经营树种，除外)，采用因子分析，并将各指标最大方差旋转，构造相关性较小且载荷指标指示清晰的地上部分树种指标系统(表 3)，供筛选具有缓解铝毒作用的树种。

由表 3可知，特征值大于1的前7个因子的累计方差贡献率(Cumulative Contribution Rate,CCR)78.39%，能较好地解释该18个树种。因为因子负荷越大，支配的权重就越大，所以按通常采用的0.5原则即载荷指标系数绝对值≥0.5(符号代表因子与变量间的关系)，提取各因子支配指标，以确定有缓解铝毒害作用的树种。其中，因子1所支配的树种有麻栎、花楸和毛泡桐；因子2包括毛竹和桤木；因子3为香樟、连香树和青冈；因子4含茶树和柳杉；因子5为木荷、檫木和黄绒润楠；因子6为枫香、川楝和棕榈；因子7则为栲树和悬钩子。

为研究林地是否遭受铝毒害及其毒害程度，分析判断具有缓解铝毒作用的林分类型，首先将土壤铝毒评价指标值(表 2)及阈值标准化以消除量纲和数量级影响，然后采用主成分分析，综合成少数能反映大部分原始信息且相互独立的线性综合指标，并利用贡献率构建铝毒害指标综合评价函数。

经分析，前2个主成分特征值与贡献率分别为3.08，0.48与76.89%，11.97%，累积方差贡献率达到88.89%，能够反映土壤铝毒属性的主要信息。

前2个主成分原始指标标准化后的线性组合为：

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以主成分方差贡献率为权数，根据公式(1)和(2)构建综合评价函数(Z)：

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将各样地铝毒评价指标值和铝毒害阈值(Thresholds of aluminum toxicity，TA)标准化后代入公式(1)和 (2)，再经公式(3)计算得到各样地铝毒综合得分值(Z_i,i=1,2,…,36)和阈值综合得分值Z_TA，并按得分值排序，如表 4所示。若某林地Z值小于Z_TA，表明该林地仍遭受铝毒害，其差异指明受毒害程度；反之，则表明林地未遭受铝毒害，或者林地铝毒害已得到不同程度的缓解。

从表 4可见，样地2，7，12，17，19，20，22，25，32和33的综合得分值均小于Z_TA(－0.98)，表明这些样地仍遭受严重的铝毒害，其中除样地17和32为林分类型Ⅴ外，其余均为林分类型Ⅱ。说明杉木纯林、杉木+柳杉和杉木+茶树林土壤铝毒严重，杉木长势差，优势木均高14.73 m。其他林分类型Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ中样地(排序11以后)的综合得分值皆大于Z_TA，说明杉木与木荷等阔叶树种(含灌木)混交的林分类型未遭受铝毒害，或者铝毒害已得到不同程度的缓解，并以位于排序轴后方的林分类型Ⅰ(含样地1，5，8，28)，类型Ⅴ(含样地16，21，23，26)和类型Ⅵ(含样地3，10，18，30，31，35)缓解效果明显。杉木长势相对较好，优势木均高分别是16.28，16.49，15.89，17.63 m和17.19 m。

从以上分析结果得知，有的林分类型虽具有缓解铝毒害的作用，但并非该类型中所有树种均有解毒作用，而土壤酸化程度又受树种组成、数量及作用性质的综合影响，因此结合因子分析结果，采用典范相关分析研究树种指标(因子1—7)与土壤铝毒指标两组变量之间的相关关系(表 5)，供选择合适的树种营造杉木人工混交林以缓解土壤铝毒之用。

从表 5可知，前3对典范相关系数分别为0.868，0.811和0.579，特征值分别为3.054，1.929和0.503，方差累积贡献率为89.6%，且前两对典范相关变量相关性差异极显著(P<0.01)。

从表 5还可以看出，如果忽略绝对值小于0.5的系数，则在第1对典范变量中，V₁主要由F₅(－0.742)决定，W₁则由Y₃(－0.624)和Y₄(－0.731)决定，且F₅，Y₃和Y₄均为负。由于第1对典范相关系数正相关且最大(0.868)，因此在所有变量中的作用最大，即增加F₅，Y₃和Y₄增加。第1对典范变量的意义为：增加F₅(木荷、檫木和黄绒润楠)的数量，土壤Y₃(Ca²⁺/Al³⁺)和Y₄(Ca²⁺/(Ca²⁺+Al³⁺+Fe³⁺))升高。

在第2对典范变量中，V₂可由F₃(0.485)和F₆(－0.832)决定，W₂由Y₂(－0.700)和Y₄(0.491)决定。表明增加F₃(香樟、连香和青冈)的数量，Y₂(Al³⁺)减少，Y₄(Ca²⁺/(Ca²⁺+Al³⁺+Fe³⁺))增大；增加F₆(枫香、川楝和棕榈)的数量，Y₂增加，Y₄降低。说明香樟、连香和青冈有较强的解毒作用，而枫香、川楝和棕榈则会增加毒害作用，不宜与杉木混交。

在第3对典范变量中，V₃由F₂(0.910)决定，W₃各项系数绝对值均小于0.5，不予讨论。说明增加F₂即毛竹、桤木和花楸的数量，利于缓解土壤铝毒害。

在整个标准化典范变量中，F₁和F₄的系数绝对值都很小(分别为－0.017，0.053，0.096和－0.07，－0.117，－0.242)。表明F₁(麻栎、花楸和毛泡桐)对土壤酸度变化的影响作用极小，可视情况与杉木人工林混交，而F₄(茶树和柳杉)对土壤酸度变化影响作用虽较小，但因为所有系数均为负，所以对土壤酸化作用有一定影响。

(1)采用系统聚类、因子分析和主成分分析等数理统计方法探讨杉木人工混交林对土壤铝毒害的缓解作用，结果表明:现有杉木人工林中的杉木纯林、杉木+柳杉林或杉木+茶树林仍遭受铝毒害，杉木长势差，其他的杉木+木荷为主，混栽如栎(栗)、毛泡桐、桤木、檫木及灌木等混交林分类型未出现铝毒害，或者铝毒害已得到不同程度缓解，杉木长势相对较好。因此在林业生产中，应当根据不同的立地条件，注重选择合适的混交树种、混交比例，优化杉木人工混交林群落结构，维护与提高林地生产力。

(2) 酸性土壤中通常因富含Al³⁺和H⁺，缺少Ca²⁺和Mg²⁺，且活性铝将抑制植物对Ca²⁺、Mg²⁺等养分离子的吸收，植物根系生长受阻^[16]，甚至受损，因而土壤中盐基离子的含量是评价森林健康的重要依据^[18]。提高土壤Ca²⁺和Mg²⁺的含量，既可提高土壤pH值，增大Ca²⁺/Al³⁺值，同时也能降低Al³⁺活性，减轻土壤中植物遭受铝毒的程度^[17]。类型Ⅰ、类型Ⅴ和类型Ⅵ各样地土壤溶液中pH值、Ca²⁺/(Ca²⁺+Al³⁺+Fe³⁺)和Ca²⁺/Al³⁺值均大于各铝毒指标阈值，而Al³⁺均小于阈值，样地1和8尤为明显，杉木人工林未遭受铝毒或铝毒害得到缓解；同时，典范相关分析表明，增加F₂、F₃和F₅，减少F₆对应的指标树种，能提高pH值、Ca²⁺/(Ca²⁺+Al³⁺+Fe³⁺)和Ca²⁺/Al³⁺值，降低Al³⁺，达到缓解植物铝毒的功效。因此营造杉木人工混交林以缓解或修复铝毒害时，在树种选择上，木荷、檫木和黄绒润楠是首选混交树种，其次，香樟、连香、青冈、毛竹和桤木等缓解铝毒效果也较明显，并且阔叶树(含灌木)与杉木的比例相近，而枫香、川楝和棕榈应尽量少选；茶树作为酸性土壤指示树种，在酸性条件下能正常生长，说明其生长喜酸，但并不能改变土壤酸度，因此从缓解土壤铝毒害的角度出发，在营造杉木人工混交林时不宜与杉木混交。

(3) 本文对铝毒害有拮抗作用的元素如Mg^2+[19]或通过其他途径可缓解铝毒的养分元素如N，P等^[9]未予以考虑，是由于植物铝毒是通过降低植物对土壤Ca、P、N等养分的吸收影响植物生长^[3]，但同一养分元素的不同形态在不同浓度时对铝毒的作用不同^[20]，因而不能单纯依据土壤中这些养分含量的多少来解释铝毒效应，因此有待今后进一步对各类铝毒指标毒害机理、阈值的综合研究，以建立完善的铝毒指标综合评价函数甚至土壤铝毒害诊断体系。