基于空間分析的森林土壤養(yǎng)分分級(jí)方法

石媛媛，鄧明軍，唐健，宋賢沖，王會(huì)利，覃其云

(1.廣西林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002； 2.廣西壯族自治區(qū)煙草公司，廣西 南寧 530022)

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基于空間分析的森林土壤養(yǎng)分分級(jí)方法

石媛媛1，鄧明軍2，唐健1，宋賢沖1，王會(huì)利1，覃其云1

(1.廣西林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002； 2.廣西壯族自治區(qū)煙草公司，廣西 南寧 530022)

摘要：為探索一種適用于森林土壤養(yǎng)分分級(jí)方法，本研究以廣西樂(lè)里林場(chǎng)太陽(yáng)盤(pán)分場(chǎng)為研究區(qū)域，通過(guò)網(wǎng)格化方式布設(shè)土壤采樣點(diǎn)，分析土壤有效磷含量并進(jìn)行空間插值，利用森林資源規(guī)劃數(shù)據(jù)，提取速生杉木種植小班平均土壤有效磷含量，選取速效氮、速效鉀水平中等的小班，計(jì)算各小班杉木(Cuninghamia spp.)年平均生長(zhǎng)量，根據(jù)相對(duì)產(chǎn)量公式計(jì)算小班年相對(duì)生長(zhǎng)量，以“對(duì)數(shù)”類型擬合年相對(duì)生長(zhǎng)量與對(duì)應(yīng)土壤養(yǎng)分值之間的關(guān)系，分別以相對(duì)生長(zhǎng)量為50%、75%、90%和95%計(jì)算對(duì)應(yīng)的土壤磷素含量，根據(jù)計(jì)算結(jié)果劃分土壤磷素豐缺指標(biāo)，獲得該區(qū)域土壤有效磷臨界值分為2.6、4.0、5.7和6.3，得出研究區(qū)杉木林地土壤有效磷分級(jí)指標(biāo)，為制定區(qū)域速生林木施肥配方提供研究基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：林業(yè)；森林；土壤；養(yǎng)分

土壤養(yǎng)分分級(jí)是定量化評(píng)價(jià)土壤養(yǎng)分水平的基礎(chǔ)，更是科學(xué)施肥的推薦依據(jù)。雖然我國(guó)林業(yè)生產(chǎn)的理念內(nèi)廣泛地提倡集約化管理模式，但由于森林立地條件的復(fù)雜性，林業(yè)生產(chǎn)集約化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，一直處于粗放經(jīng)營(yíng)狀態(tài)。隨著生態(tài)GDP概念的出現(xiàn)[1]，森林生態(tài)效益的重要性被廣泛認(rèn)知，特別是其碳匯功能[2-3]，而速生樹(shù)種是碳匯貢獻(xiàn)最大的林種，如每畝(約667 m2)速生桉樹(shù)(Eucalyptussp.)一年可固定1 t的碳，生長(zhǎng)1 m3木材就吸收和固定1.83 t CO2，釋放1.62 t O2[4-5]。然而，建植速生林卻飽受爭(zhēng)議，主要的表面原因是速生林種植地區(qū)容易形成水土流失、影響水質(zhì)、引起土壤退化[5-7]，但是，速生林的缺陷是由于不科學(xué)的種植方式所致，并非速生林本身[8-9]。速生林對(duì)土壤肥力的要求很高，由于生長(zhǎng)需要大量養(yǎng)分供給，不合理施肥和濫用除草劑的情況，造成土地消耗過(guò)大，土壤有機(jī)質(zhì)銳減。因此，根據(jù)森林土壤養(yǎng)分狀況，合理施肥是速生林木發(fā)揮生態(tài)效益的關(guān)鍵。合理施肥的基礎(chǔ)是要查清土壤養(yǎng)分狀況，因此，制定有效的森林土壤養(yǎng)分分級(jí)方法，有助于速生林種植的規(guī)?；⒖茖W(xué)化，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域通過(guò)“3414”試驗(yàn)建立的測(cè)土配方施肥技術(shù)指標(biāo)體系[10]，是根據(jù)土壤養(yǎng)分測(cè)定值與作物產(chǎn)量之間的相關(guān)性來(lái)確定的，通常按照相對(duì)產(chǎn)量法對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行指標(biāo)分級(jí)。然而，林業(yè)領(lǐng)域相關(guān)研究起步相對(duì)較晚，王力朋等[11]對(duì)采用分層聚類分析的方法對(duì)桉樹(shù)人工林進(jìn)行土壤區(qū)劃，曹繼釗等[12]和樊東函等[13]是以林地土壤調(diào)查和室內(nèi)分析化驗(yàn)作為林地平衡施肥的依據(jù)，尋找最佳平衡合理的施肥配方。目前，林業(yè)生產(chǎn)多采用傳統(tǒng)方式調(diào)查試驗(yàn)獲取最佳施肥配方，有關(guān)森林土壤養(yǎng)分分級(jí)方法的系統(tǒng)研究較少，且針對(duì)較大尺度的區(qū)域性養(yǎng)分狀況的研究少見(jiàn)報(bào)道。本研究利用研究區(qū)內(nèi)大量樣點(diǎn)和森林資源規(guī)劃數(shù)據(jù)，采用空間分析方法和相對(duì)產(chǎn)量法相結(jié)合的研究方式，探索適合森林土壤的養(yǎng)分分級(jí)方法，制定土壤養(yǎng)分分級(jí)指標(biāo)，以期為大區(qū)域速生林木配方施肥提供快速準(zhǔn)確的依據(jù)。

1材料與方法

1.1土壤養(yǎng)分普查數(shù)據(jù)

研究區(qū)位于廣西百色市田林縣樂(lè)里林場(chǎng)，以樂(lè)里林場(chǎng)太陽(yáng)盤(pán)分場(chǎng)(6 242 km2)作為研究區(qū)域進(jìn)行土樣采集。利用網(wǎng)格布點(diǎn)法，結(jié)合研究區(qū)地形情況設(shè)置土壤取樣點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)地考察的地形進(jìn)行微調(diào)，用GPS定位讀取采樣點(diǎn)坐標(biāo)，共采集土壤樣品65個(gè)(圖1)。

取好的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干、研磨、過(guò)篩備用，分別測(cè)定土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量[14]。

1.2森林資源規(guī)劃數(shù)據(jù)

咨詢當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門(mén)，收集近期森林資源規(guī)劃數(shù)據(jù)，包括研究區(qū)行政邊界、優(yōu)勢(shì)樹(shù)種、林齡、森林蓄積等，并對(duì)研究區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等前處理。結(jié)合土壤取樣點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將森林規(guī)劃數(shù)據(jù)和取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換一致，本研究選取研究區(qū)內(nèi)速生杉木種植小班作為研究對(duì)象，根據(jù)森林規(guī)劃數(shù)據(jù)里的“優(yōu)勢(shì)樹(shù)種”字段提取該研究區(qū)速生杉木(Cuninghamiaspp.)小班分布(小班是森林經(jīng)營(yíng)的基本單位)。

圖1　研究區(qū)位置示意圖

1.3插值方法的選擇

土壤養(yǎng)分的空間變異性是由母質(zhì)、氣候、水文、地形等結(jié)構(gòu)性因素和施肥以及人類活動(dòng)等隨機(jī)性因素共同作用的結(jié)果。有研究認(rèn)為[15-19]，具有以上特征的土壤養(yǎng)分用克里格(Kriging)內(nèi)插方法得到的結(jié)果具有較高的精度。Kriging是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，它既是有結(jié)構(gòu)性又有隨機(jī)性的變量，適合研究在空間分布上既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性，或空間相關(guān)性和依賴性的自然現(xiàn)象，Kriging的最大優(yōu)點(diǎn)是它能給出無(wú)偏估計(jì)、最優(yōu)估計(jì)，充分考慮到土壤特性的空間變異。本研究中，插值分析對(duì)象為森林土壤有效磷含量的空間分布，因此，選取克里格插值方法對(duì)土壤有效磷進(jìn)行分析。

1.4土壤磷肥力指標(biāo)的建立方法

本研究的思路來(lái)源于農(nóng)業(yè)的“3414”田間試驗(yàn)方法，但并未人為設(shè)置施肥缺素區(qū)，而是利用大量的森林小班代替 “3414”田間試驗(yàn)中的試驗(yàn)小區(qū)，將土壤養(yǎng)分空間差值后的小班土壤養(yǎng)分平均值劃分不同區(qū)段，代替田間試驗(yàn)小區(qū)的不同施肥處理和重復(fù)。在大量的數(shù)據(jù)中篩選土壤速效氮、速效鉀水平中等的小班作為速生杉木磷肥處理區(qū)。

磷肥處理區(qū)各小班相對(duì)生長(zhǎng)量計(jì)算如下：

年平均生長(zhǎng)量=速生杉木蓄積量/速生杉木平均林齡 (1)

相對(duì)生長(zhǎng)量=(年平均生長(zhǎng)量/全養(yǎng)分區(qū)年平均生長(zhǎng)量)×100%(2)

本研究定義速生杉木小班磷素水平分為P0、P1、P2、P3、P4，對(duì)應(yīng)的年平均蓄積量分別為X0、X1、X2、X3、X4，X4為全養(yǎng)分區(qū)年平均生長(zhǎng)量；設(shè)土壤磷素水平標(biāo)準(zhǔn)為：有效磷最高值(H)減去最低值(L)，除以等級(jí)個(gè)數(shù)5，得平均差(d)，各水平對(duì)應(yīng)的有效磷范圍和相對(duì)生長(zhǎng)量計(jì)算公式見(jiàn)表1。

以“對(duì)數(shù)”模型擬合年相對(duì)生長(zhǎng)量與對(duì)應(yīng)小班土壤平均養(yǎng)分值之間的關(guān)系，分別以相對(duì)生長(zhǎng)量為50%、75%、90%和95%計(jì)算對(duì)應(yīng)的土壤磷素含量，根據(jù)計(jì)算結(jié)果劃分土壤磷素豐缺指標(biāo)。本研究定義速生杉木磷素缺素區(qū)相對(duì)產(chǎn)量低于50%的養(yǎng)分值為極低，50%～75%為低，75%～90%為中，90%～95%為高，大于95%的為極高。

2結(jié)果與分析

2.1區(qū)域土壤養(yǎng)分分布預(yù)測(cè)

對(duì)研究區(qū)土壤有效磷含量進(jìn)行插值，獲取該區(qū)域土壤有效磷空間分布預(yù)測(cè)值(圖2)。結(jié)果表明，研究區(qū)土壤有效磷預(yù)測(cè)值范圍為1.14～4.68 mg·kg-1，研究區(qū)的東北和西南部分區(qū)域土壤有效磷含量較高，中部和南部區(qū)域土壤有效磷含量較低。

2.2杉木相對(duì)生長(zhǎng)量統(tǒng)計(jì)

參考森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)，依據(jù)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種字段提取研究區(qū)杉木種植分布區(qū)域，以小班為單位，計(jì)算研究區(qū)杉木各小班年平均生長(zhǎng)量；同時(shí)計(jì)算各杉木小班土壤有效磷平均值，得出研究區(qū)杉木種植小班有效磷分布情況(圖3)。從杉木種植區(qū)的分布可以看出，研究區(qū)的杉木主要分布在東部區(qū)域，西部和南部有少量杉木種植，杉木種植區(qū)的土壤有效磷含量范圍為1.25～3.32 mg·kg-1。

表1　土壤磷素劃分水平和林木生長(zhǎng)量

圖2　研究區(qū)土壤有效磷含量分布

圖3　杉木種植區(qū)有效磷含量分布

2.3森林土壤有效磷分級(jí)指標(biāo)的確定

為模擬杉木種植區(qū)不同磷肥水平，根據(jù)土壤有效磷的含量，依據(jù)表1中有效磷范圍的劃分，將杉木種植區(qū)劃分為P0～P4磷肥水平區(qū)，以P4磷肥水平區(qū)的杉木年平均生長(zhǎng)量X4作為全養(yǎng)分區(qū)年平均生長(zhǎng)量。剔除數(shù)據(jù)不全的小班，按照公式(1)和(2)，計(jì)算以小班為單位的杉木相對(duì)生長(zhǎng)量。

繪制土壤有效磷與杉木相對(duì)生長(zhǎng)量散點(diǎn)圖(圖4)，建立土壤有效磷與杉木相對(duì)生長(zhǎng)量之間的回歸方程，各磷肥水平區(qū)杉木相對(duì)生長(zhǎng)量與土壤有效磷含量的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，根據(jù)方程計(jì)算，以相對(duì)生長(zhǎng)量的50%、75%、90%和95%為標(biāo)準(zhǔn)，獲得土壤有效磷豐缺指標(biāo)，作為該區(qū)域森林土壤有效磷分級(jí)指標(biāo)。杉木相對(duì)年生長(zhǎng)量(y，%)與土壤有效磷(x，mg·kg-1)之間的回歸方程為y=57.53ln(x)-5.54(R2=0.419 8，P=0.01)。

將相對(duì)產(chǎn)量法的4個(gè)分級(jí)臨界值50%、75%、95%和100%代入上述方程，得出相應(yīng)的土壤有效磷臨界值，分別為2.6、4.0、5.7和6.3，從而得出研究區(qū)杉木林地土壤有效磷分級(jí)指標(biāo)，即：土壤有效磷含量≤2.60 mg·kg-1時(shí)為極低水平，2.61～4.00 mg·kg-1時(shí)為低水平，4.01～5.70 mg·kg-1時(shí)為中等水平，5.71～6.30 mg·kg-1時(shí)為高水平，≥6.31 mg·kg-1時(shí)為極高水平。

圖4　 杉木相對(duì)生長(zhǎng)量與土壤有效磷的關(guān)系

3討論與結(jié)論

為探索林地土壤養(yǎng)分分級(jí)方法，本研究利用森林資源規(guī)劃數(shù)據(jù)和大量土壤樣點(diǎn)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，構(gòu)建了杉木相對(duì)年生長(zhǎng)量與土壤有效磷的方程，并估算了研究區(qū)土壤有效磷的分級(jí)指標(biāo)。結(jié)果表明，該方法利用空間分析方法，以速生杉木林地土壤有效磷含量為例，計(jì)算速生杉木相對(duì)年生長(zhǎng)量及研究區(qū)土壤有效磷空間分布結(jié)果，以速生杉木小班作為最小單位，結(jié)合農(nóng)業(yè)“3414”試驗(yàn)的理念，構(gòu)建了森林土壤養(yǎng)分分級(jí)方法，計(jì)算出研究區(qū)內(nèi)土壤有效磷分級(jí)指標(biāo)臨界值為2.6、4.0、5.7和6.3。

確定土壤養(yǎng)分分級(jí)指標(biāo)是測(cè)土配方合理施肥工作中的重要一環(huán)，長(zhǎng)久以來(lái)，農(nóng)業(yè)上通過(guò)“3414”田間試驗(yàn)來(lái)確定區(qū)域土壤養(yǎng)分分級(jí)指標(biāo)，“3414”田間試驗(yàn)需要人為設(shè)置不同養(yǎng)分水平的施肥小區(qū)，為保證數(shù)據(jù)精度需設(shè)定3～4個(gè)重復(fù)并進(jìn)行多年試驗(yàn)。本研究提供的土壤養(yǎng)分分級(jí)方法改進(jìn)了“3414”試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取途徑，在收集研究區(qū)養(yǎng)分空間分布狀況和林木生長(zhǎng)量的前提下，模擬計(jì)算土壤養(yǎng)分與林木相對(duì)生長(zhǎng)量之間的關(guān)系，從而確定該區(qū)域土壤養(yǎng)分分級(jí)指標(biāo)。對(duì)比農(nóng)業(yè)“3414”田間試驗(yàn)方法，該方法不需要人為設(shè)置大量的施肥梯度試驗(yàn)小區(qū)，避免了林地重復(fù)施肥，具有節(jié)省人力、物力和財(cái)力的優(yōu)點(diǎn)；相對(duì)農(nóng)作物，林木生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)，生產(chǎn)規(guī)模大，地形復(fù)雜，林業(yè)試驗(yàn)工作量繁重，不適宜進(jìn)行多年大田施肥試驗(yàn)，因此，本研究提供的土壤養(yǎng)分分級(jí)方法更適合林業(yè)生產(chǎn)。

近年來(lái)，營(yíng)造速生林作為緩解木材供需矛盾的重要措施日益發(fā)展壯大，由此而來(lái)的不合理施肥問(wèn)題也引起很多學(xué)者的關(guān)注[20-22]，測(cè)土配方[23-24]、肥料緩控釋[25]等技術(shù)的應(yīng)用一定程度上減少了林業(yè)施肥對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。長(zhǎng)久以來(lái)，林業(yè)生產(chǎn)相對(duì)粗放，其根本原因是由于林業(yè)生產(chǎn)環(huán)境比較復(fù)雜，生產(chǎn)條件相對(duì)艱苦，很多農(nóng)業(yè)領(lǐng)域適用的方法，并不適合直接應(yīng)用于林業(yè)生產(chǎn)，本研究針對(duì)林業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)特點(diǎn)對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行的改進(jìn)有助于更準(zhǔn)確地獲取森林土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，促進(jìn)林業(yè)生產(chǎn)施肥科學(xué)化、精確化。本研究針對(duì)研究區(qū)域的某一樹(shù)種的種植區(qū)進(jìn)行土壤養(yǎng)分等級(jí)劃分，因此，研究結(jié)果對(duì)區(qū)域以外的土壤并不完全適用，但可以通過(guò)擴(kuò)大研究區(qū)域使養(yǎng)分分級(jí)指標(biāo)的適用范圍更廣。

今后的研究中應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合該土壤養(yǎng)分分級(jí)方法制定不同速生林木施肥配方推薦體系，進(jìn)一步構(gòu)建和完善林業(yè)土壤養(yǎng)分管理方法。

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(責(zé)任編輯武艷培)

Forest soil nutrient classification method based on spatial analysis

Shi Yuan-yuan1, Deng Ming-jun2, Tang Jian1, Song Xian-chong1, Wang Hui-li1, Qin Qi-yun1

(1.Guangxi Forestry Research Institute, Nanning 530002, China;2.Guangxi Tobacco Company, Nanning 530022, China)

Abstract:In order to provide scientific basis for precise fertilizing for fast-growing trees, and exploring a suitable forest soil nutrient classification method, a grid soil sample method was used in Guangxi Leli Forest Farm. The soil available phosphorus in each grid was calculated and interpolated. Based on forest resources planning data, the average soil available phosphorus in fast-growing Chinese fir unit was extracted. Then we calculated average annual growth and relative annual growth where in medium available nitrogen and available potassium. The relationship between the relative annual growth and soil available phosphorus was fitted with “l(fā)ogarithmic” type. Soil phosphorus contents corresponding to the average annual growth of 50%, 75%, 90% and 95% were calculated. Then the area of soil available potassium critical value is divided into: 2.6, 4.0, 5.7 and 6.3, respectively, according to the results of classification.

Key words:forestry; forest; soil; nutrient

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2051-0681

*收稿日期：2015-12-04接受日期：2016-02-24

基金項(xiàng)目：廣西自然科學(xué)基金(2015GXNSFAA139100)；廣西林業(yè)科技項(xiàng)目(桂林科字[2014]30號(hào))

通信作者：石媛媛(1979-)，女，河南范縣人，農(nóng)藝師，博士，主要從事林業(yè)資源管理及林木營(yíng)養(yǎng)診斷研究。E-mail:syyfly@163.com

中圖分類號(hào)：S718.51+6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-0629(2016)6-1112-06*

Corresponding author:Shi Yuan-yuanE-mail:syyfly@163.com

石媛媛，鄧明軍，唐健，宋賢沖，王會(huì)利，覃其云.基于空間分析的森林土壤養(yǎng)分分級(jí)方法.草業(yè)科學(xué),2016,33(6)：1112-1117.

Shi Y Y,Deng M J,Tang J,Song X C,Wang H L,Qin Q Y.Forest soil nutrient classification method based on spatial analysis.Pratacultural Science，2016,33(6)：1112-1117