廣西雅長(zhǎng)林場(chǎng)林地養(yǎng)分空間分布及肥力評(píng)價(jià)

石媛媛，鄭黨斌，岑祖明，陸星任，韓俊學(xué)，張宏旺，唐 健

(1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院、廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530002；2.廣西林用新型肥料研發(fā)中心，廣西 南寧 530002； 3.廣西國(guó)有雅長(zhǎng)林場(chǎng)，廣西 百色 533000)

土壤質(zhì)量是影響全球生物圈可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、土壤管理和土地利用的重要因素之一。土壤里儲(chǔ)存了大量的碳、氮、磷和鉀元素，這些元素來(lái)源于生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境生物之間的相互作用。土壤為森林的可持續(xù)發(fā)展提供營(yíng)養(yǎng)元素，森林植被也影響土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的存在，且土壤具有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性。研究發(fā)現(xiàn)，即使在幾厘米空間內(nèi)土壤也有距離的變化[1-2]，土壤具有不同尺度上的空間異質(zhì)性，空間上的分布決定了土壤的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。研究表明，土壤母質(zhì)、土壤類型、土壤質(zhì)地等變化對(duì)大尺度森林規(guī)模起決定性作用[3]。很多研究證明了不同氣候、區(qū)域、空間尺度的森林土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性與環(huán)境因素的關(guān)系[3-7]。土壤養(yǎng)分空間分布變化對(duì)于森林植被結(jié)構(gòu)和土壤肥力管理具有指導(dǎo)意義。

除了自然因素，林地經(jīng)營(yíng)管理策略也會(huì)影響土壤養(yǎng)分含量和分布的變化，粗放的森林管理使土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量降低，制約了森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[8-10]。近年來(lái)，人工林面積的不斷擴(kuò)大增加了地區(qū)經(jīng)濟(jì)總值，但也導(dǎo)致了天然林的急劇減少，導(dǎo)致森林樹(shù)種同質(zhì)化和幼林化問(wèn)題嚴(yán)重[11]，同時(shí)造成土壤質(zhì)量的惡化以及土壤肥力的降低[12-14]。南亞熱帶紅壤區(qū)適宜植樹(shù)造林，是南方碳循環(huán)的重要組成部分，了解土壤養(yǎng)分的空間分布有助于評(píng)估當(dāng)前或潛在的土壤生產(chǎn)力并預(yù)測(cè)潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法被廣泛應(yīng)用于研究土壤養(yǎng)分含量的空間變異，對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)土壤管理實(shí)踐起到很好的指導(dǎo)作用[15-17]。地統(tǒng)計(jì)學(xué)也是分析土壤性質(zhì)空間分布特征和變化規(guī)律的最有效方法[18-20]，目前，地統(tǒng)計(jì)和空間信息技術(shù)的發(fā)展為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了更為便捷、精確和直觀的技術(shù)分析方法。近些年，相關(guān)學(xué)者逐漸開(kāi)始利用空間信息技術(shù)對(duì)土壤肥力進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)[21-22]，特別是針對(duì)大中尺度土壤性質(zhì)及肥力特征的空間變異特征、分布及評(píng)價(jià)等研究較多[23-25]，一般而言不同尺度土壤性質(zhì)空間變異性分析對(duì)于土壤空間數(shù)據(jù)庫(kù)建立、實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理有重要意義。土壤養(yǎng)分和pH分布圖將有助于更好地規(guī)劃森林管理策略，并進(jìn)一步支持研究區(qū)林地利用的可持續(xù)發(fā)展。因此，本研究以南亞熱帶紅壤區(qū)廣西雅長(zhǎng)林場(chǎng)為研究區(qū)，分析研究區(qū)森林土壤pH、有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等含量的水平，了解區(qū)域尺度林地土壤養(yǎng)分指標(biāo)含量的空間分布特征，對(duì)研究區(qū)森林土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合分級(jí)，對(duì)于在研究區(qū)采取更有效的林業(yè)管理措施具有重要指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

雅長(zhǎng)林場(chǎng)位于廣西西北部云貴高原東南邊緣，地處東經(jīng)106°08′—106°23′、北緯24°37′—25°00′之間，北回歸線以北，是廣西丘陵向云貴高原過(guò)渡的山原地帶。地勢(shì)東南高西北低，最高峰為海拔1970.9 m的盤(pán)古王山。主要地貌類型為中山，林區(qū)內(nèi)山高、谷深、坡陡，相對(duì)高差大，地形復(fù)雜。全場(chǎng)屬南亞熱帶氣候，熱量充沛，冬短夏長(zhǎng)，干濕季節(jié)明顯，年均溫16.8 ℃，年均降水量1058 mm。林區(qū)土壤多為由砂頁(yè)巖風(fēng)化的殘積母質(zhì)發(fā)育而成的紅壤和黃壤，局部有草甸土。植被類型屬西部南亞熱帶常綠闊葉林，現(xiàn)存植被主要是細(xì)葉云南松、松櫟針闊混交林、櫟類及各種次生闊葉林。場(chǎng)區(qū)森林覆蓋率達(dá)50%以上，林區(qū)生態(tài)公益林面積達(dá)3萬(wàn)hm2，是國(guó)家重點(diǎn)水電工程——龍灘水電站和珠江流域主要的水源涵養(yǎng)林，生態(tài)地位突出。

雅長(zhǎng)林場(chǎng)主要人工林有桉樹(shù)、西南樺、八角等，其中桉樹(shù)林齡主要為3～4 a，種植密度為1665株·hm-2，每年3—6月追肥500 g·株-1；西南樺主要林齡為6～10 a，種植密度為1665株·hm-2，不施肥；八角主要林齡為1～5 a，種植密度為630株·hm-2，不施肥。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集及分析

結(jié)合雅長(zhǎng)林場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)造林部分林地面積及林木分布特征，按照333 hm2一個(gè)取樣點(diǎn)的密度，采用平均網(wǎng)格法設(shè)置取樣點(diǎn)，共89個(gè)(圖1)，以樣點(diǎn)坐落的小班作為1個(gè)樣地，每個(gè)樣地采取S 型分布采樣點(diǎn)的方式設(shè)置5個(gè)剖面，每個(gè)土壤剖面0～40 cm混合取樣，每個(gè)樣地取等量混合成一個(gè)土樣并對(duì)土壤樣點(diǎn)進(jìn)行養(yǎng)分分析。測(cè)定土壤pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀、有效磷、交換性鈣、交換性鎂、有效銅、有效鋅、有效硼、有效鐵含量。

圖1 研究區(qū)樣點(diǎn)分布圖

2.2 森林資源規(guī)劃數(shù)據(jù)

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，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)不同樹(shù)種小班分布。

2.3 土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法

土壤養(yǎng)分分級(jí)指標(biāo)指示該區(qū)域土壤養(yǎng)分的豐缺，是評(píng)價(jià)土壤養(yǎng)分水平的重要依據(jù)，本文根據(jù)近似相對(duì)生長(zhǎng)量法計(jì)算區(qū)域土壤養(yǎng)分分級(jí)指標(biāo)[21]。

2.4 插值方法

本文利用數(shù)據(jù)的正態(tài)分布用Kolmogorov-Smimov檢驗(yàn)法(KS法)檢驗(yàn)，半方差分析采用軟件GS+9.0，SPSS 19.0 進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析，利用軟件Minitab16進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，利用普通克立格差值方法進(jìn)行空間預(yù)測(cè)，最后通過(guò)ArcGIS輸出制圖。

2.5 評(píng)價(jià)方法

本文利用主成分分析法計(jì)算不同土壤養(yǎng)分指標(biāo)的權(quán)重，采用指數(shù)和法[26]對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)分析，指數(shù)和法的運(yùn)算公式為：P=a1x1+a2x2+……+anxn，式中：P為指數(shù)和；a1，a2，……，an為各評(píng)價(jià)因素權(quán)重；x1，x2，…，xn為各評(píng)價(jià)指標(biāo)質(zhì)量等級(jí)分值。本文中，an為土壤養(yǎng)分指標(biāo)，包括土壤堿解氮、速效鉀、有效磷、有機(jī)質(zhì)含量等，xn分別為其對(duì)應(yīng)分值。

3 結(jié)果與分析

3.1 雅長(zhǎng)林場(chǎng)林地土壤養(yǎng)分概況

根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[27]，對(duì)研究區(qū)土壤15個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。研究區(qū)林地土壤整體呈酸性，土壤交換性鈣、交換性鎂、有效鐵含量較高，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效銅、有效鋅含量中等水平，土壤全磷、全鉀、速效鉀、有效錳、有效硼含量水平低，土壤有效磷含量很低。其中土壤堿解氮、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、有效鐵的標(biāo)準(zhǔn)差較高，表明這幾個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)的變異性較強(qiáng)。

表1 研究區(qū)土壤養(yǎng)分概況

3.2 不同林分類型土壤養(yǎng)分狀況比較

研究區(qū)主要樹(shù)種有桉樹(shù)、西南樺、八角等，本文對(duì)3個(gè)樹(shù)種種植林地土壤肥力狀況進(jìn)行重點(diǎn)分析，結(jié)果見(jiàn)表2。桉樹(shù)林地土壤養(yǎng)分含量除了土壤全鉀和有效硼含量相對(duì)稍高于西南樺林地和八角林地外，其它均低于西南樺林地和八角林地，桉樹(shù)種植區(qū)土壤氮、磷、鉀含量低或者很低；西南樺種植區(qū)有機(jī)質(zhì)、全氮、交換性鎂、有效銅、有效鋅含量中等，堿解氮、交換性鈣和有效鐵含量比較高，全磷、全鉀、速效鉀、有效錳、有效硼含量低，有效磷含量極低；八角種植區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效銅、有效鋅含量中等，全磷、全鉀、有效磷、有效鉀、有效錳、有效硼含量低或很低，交換性鈣、交換性鎂和有效鐵含量較高。

表2 不同林分類型土壤養(yǎng)分對(duì)比分析

3.3 雅長(zhǎng)(場(chǎng)內(nèi))林地土壤養(yǎng)分空間分析

3.3.1 土壤pH和有機(jī)質(zhì) 對(duì)研究區(qū)土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行空間插值預(yù)測(cè)分析，土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量分析結(jié)果見(jiàn)圖2。林地土壤pH的范圍在4.99～6.31，其中雅長(zhǎng)分場(chǎng)和那成分場(chǎng)部分區(qū)域pH值較高，九龍分場(chǎng)和東明分場(chǎng)的pH值較低；土壤有機(jī)質(zhì)的范圍在9.59～45.16 g·kg-1，其中，九龍分場(chǎng)和那成分場(chǎng)的土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，其它分場(chǎng)土壤有機(jī)質(zhì)含量較低。

圖2 土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量分布

3.3.2 土壤氮、磷、鉀含量 利用空間插值法，研究區(qū)林地土壤氮、磷、鉀含量空間分布結(jié)果見(jiàn)圖3～圖5。其中，土壤堿解氮含量59.15～237.51 mg·kg-1，有效磷含量0.47～9.25 mg·kg-1，速效鉀含量46.42～119.05 mg·kg-1，全氮含量0.67～2.17 g·kg-1，全磷含量0.24～0.62 g·kg-1，全鉀含量3.85～33.98 g·kg-1。全氮和堿解氮含量分布類似，九龍分場(chǎng)和那成分場(chǎng)的氮含量較高，那成分場(chǎng)和雅庭分場(chǎng)的土壤有效磷含量較高，東明分場(chǎng)全磷含量較低，那成分場(chǎng)和雅庭分場(chǎng)部分區(qū)域速效鉀含量較高。

圖3 土壤堿解氮和全氮含量分布

圖4 土壤有效磷和全磷含量分布

圖5 土壤速效鉀和全鉀含量分布

圖6 研究區(qū)綜合肥力分區(qū)

3.4 雅長(zhǎng)(場(chǎng)內(nèi))林地土壤肥力分區(qū)

利用主成分分析法從全部土壤肥力指標(biāo)中篩選出最小土壤肥力指標(biāo)數(shù)據(jù)集，最終篩選出本研究的林地土壤肥力指標(biāo)有：土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀8個(gè)土壤指標(biāo)。采用主成分分析法計(jì)算各養(yǎng)分指標(biāo)對(duì)土壤肥力權(quán)重的大小，權(quán)重分別為0.14、0.17、0.18、0.05、0.06、0.14、0.13、0.13；結(jié)合養(yǎng)分指標(biāo)含量的空間分析結(jié)果，采用指數(shù)和法計(jì)算綜合指數(shù)，將綜合指數(shù)歸一化。指數(shù)在0～0.33的區(qū)域?yàn)橥寥婪柿^低，記為Ⅲ級(jí)；0.33～0.66的區(qū)域?yàn)橥寥婪柿χ械?，記為Ⅱ?jí)；0.66～1的的區(qū)域?yàn)橥寥婪柿^高，記為Ⅰ級(jí)。以此對(duì)研究區(qū)林地土壤肥力進(jìn)行綜合性分區(qū)，將林地分為3個(gè)等級(jí)區(qū)域(圖6)。結(jié)果表明，那成分場(chǎng)、九龍分場(chǎng)、雅庭分場(chǎng)的小部分區(qū)域?yàn)榈冖竦燃?jí)區(qū)域，肥力水平較高；益來(lái)分場(chǎng)、九龍分場(chǎng)、雅長(zhǎng)分場(chǎng)、雅庭分場(chǎng)、那成分場(chǎng)的小部分區(qū)域?yàn)榈冖虻燃?jí)區(qū)域，肥力中等；東明分場(chǎng)、新寨分場(chǎng)、花坪分場(chǎng)、果麻分場(chǎng)、二溝分場(chǎng)、雅庭分場(chǎng)的小部分區(qū)域?yàn)榈冖蟮燃?jí)區(qū)域，肥力較低。

4 結(jié)論

研究區(qū)林地土壤整體呈酸性，土壤交換性鈣、交換性鎂、有效鐵含量較高，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效銅、有效鋅含量中等，土壤全磷、全鉀、速效鉀、有效錳、有效硼含量低，土壤有效磷含量很低。其中土壤堿解氮、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、有效鐵的標(biāo)準(zhǔn)差較大，表明這幾個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)的變異性較強(qiáng)。

桉樹(shù)、八角、西南樺3個(gè)主要樹(shù)種林地土壤養(yǎng)分對(duì)比分析表明，桉樹(shù)林地除了土壤全鉀、有效硼含量相對(duì)稍高于其它2個(gè)樹(shù)種種植區(qū)外，其余土壤養(yǎng)分含量均低于其它2個(gè)樹(shù)種，土壤氮、磷、鉀含量也低或者很低；西南樺種植區(qū)有機(jī)質(zhì)、全氮、交換性鎂、有效銅、有效鋅含量中等，堿解氮、交換性鈣、有效鐵含量比較高，全磷、全鉀、速效鉀、有效錳、有效硼含量低，有效磷含量極低；八角種植區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效銅、有效鋅含量中等，全磷、全鉀、有效磷、有效鉀、有效錳、有效硼含量低或很低，交換性鈣、交換性鎂和有效鐵含量較高。

研究區(qū)林地土壤肥力綜合分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，那成分場(chǎng)、九龍分場(chǎng)、雅庭分場(chǎng)的小部分區(qū)域綜合肥力較高；益來(lái)分場(chǎng)、九龍分場(chǎng)、雅長(zhǎng)分場(chǎng)、雅庭分場(chǎng)、那成分場(chǎng)的小部分區(qū)域綜合肥力中等；東明分場(chǎng)、新寨分場(chǎng)、花坪分場(chǎng)、果麻分場(chǎng)、二溝分場(chǎng)和雅庭分場(chǎng)的小部分區(qū)域綜合肥力較低。綜合分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果可以為研究區(qū)制定林地地力提升、土壤功能退化防治的有效管理措施提供指導(dǎo)。在此研究基礎(chǔ)上，下一步將開(kāi)展對(duì)森林土壤養(yǎng)分針對(duì)性研究，重點(diǎn)放在林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)之間的平衡。