山核桃人工林土壤肥力研究進(jìn)展

胡穎檳，金 錦，童志鵬，吳家森

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 311300；2. 杭州市臨安區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 杭州 311300）

山核桃Carya cathayensis是中國特有的木本糧油樹種，主要分布于浙皖交界天目山區(qū)的浙江省杭州市臨安區(qū)和安徽省寧國市，其果實(shí)具有良好的營養(yǎng)保健作用和重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在主產(chǎn)區(qū)，山核桃產(chǎn)業(yè)的收入占林農(nóng)收入的60%～70%[1?2]。由于在經(jīng)營過程中長期過度施肥，且為清除林下植被采收方便而大量施用除草劑，山核桃人工林出現(xiàn)土壤酸化、養(yǎng)分供應(yīng)水平失衡、水土流失嚴(yán)重等環(huán)境問題。土壤肥力水平高低對山核桃林分的抗病能力和果實(shí)營養(yǎng)價(jià)值具有重要影響。山核桃林地土壤肥力衰退使得山核桃樹勢減弱，干腐病、根腐病病害嚴(yán)重，果實(shí)品質(zhì)下降。本研究總結(jié)了山核桃人工林土壤肥力研究現(xiàn)狀，并提出今后需改進(jìn)的經(jīng)營措施，為山核桃林地管理與山核桃安全生產(chǎn)提供參考。

1 山核桃種植現(xiàn)狀與林地土壤肥力現(xiàn)狀

1.1 種植現(xiàn)狀

山核桃為落葉喬木，雌雄異花同株，雌花芽于4?5月分化完成，雄花芽分化約需11個(gè)月，但二者同時(shí)成熟，果實(shí)成熟于9月上旬[3?4]。光照充足、雨水充沛、溫度適宜時(shí)，山核桃春梢抽芽、花芽分化、花器發(fā)育、果肉生長良好，空果率低[4?6]。

中國山核桃總面積約9.33萬hm2，主要分布在浙、皖交界處的天目山系，該地區(qū)氣候適宜，土壤主要由石灰?guī)r發(fā)育而來，有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)含量較高[7]。山核桃林施肥期以春秋兩季為佳，春季施肥可促進(jìn)花器分化、發(fā)育及春梢的生長發(fā)育，減少落花落果；秋季采收后施肥有利于延長葉片壽命以積累養(yǎng)分[5]。林農(nóng)在生產(chǎn)經(jīng)營中常施用磷肥、尿素或復(fù)合肥。山核桃采收方式以竹棒敲打采收為主，此法易對樹體造成機(jī)械損傷，使得裸芽脫落，影響翌年產(chǎn)量[6]。另外，林農(nóng)也會順應(yīng)地勢在果樹下張網(wǎng)，待果實(shí)自然脫落后進(jìn)行收集。

干腐病是山核桃栽培生產(chǎn)中的一種主要病害，在主干、枝條、果實(shí)上均可發(fā)病，導(dǎo)致山核桃樹勢衰弱甚至死亡，發(fā)病果實(shí)味苦、品質(zhì)下降。生產(chǎn)中常用刮除病斑與戊唑醇、腐霉利等化學(xué)藥物防治山核桃干腐病[8?9]。山核桃花蕾蛆Contarinia sp.是山核桃花期害蟲，受害植株因花提前枯萎導(dǎo)致果實(shí)產(chǎn)量銳減。生產(chǎn)中可在 4月中下旬用 400 g·kg?1毒絲本乳油、300 g·kg?1乙酰甲胺磷乳油和 300 g·kg?1吡蟲啉乳油，采用樹冠噴霧的方法進(jìn)行防治[10]。在4月初用地樂靈1∶500倍液，或在4月中下旬用50%已酰甲胺磷1∶1500倍液進(jìn)行地面噴藥也可有效防治[11]。

1.2 林地土壤肥力現(xiàn)狀

山核桃人工栽培已有100～200 a的歷史，自20世紀(jì)70年代末以來，山核桃種植面積不斷擴(kuò)大，經(jīng)營過度，導(dǎo)致山核桃林地土壤肥力不斷惡化。土層深厚、土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)良好、質(zhì)地適宜、容重合適的土壤，其土質(zhì)疏松、透氣透水性能較好、保肥性能較強(qiáng)，利于深根性樹種山核桃的生長發(fā)育和產(chǎn)量提高[12?14]。微酸性至中性的土壤適宜山核桃生長，過酸土壤會增加山核桃根腐病、干腐病的致病風(fēng)險(xiǎn)，不利于林木健康，還會降低山核桃營養(yǎng)價(jià)值[15?17]。長期單一化肥的施入致使土壤養(yǎng)分供應(yīng)失衡，土壤普遍酸化[18]。山核桃主產(chǎn)區(qū)過度經(jīng)營后，土壤pH、有機(jī)碳、堿解氮及速效鉀含量呈下降趨勢，土壤有效磷含量增加；林地土壤pH及有機(jī)碳、堿解氮、有效磷、速效鉀含量的變異程度均下降，土壤pH、堿解氮及有效磷含量空間分布連續(xù)性減弱，但有機(jī)碳及速效鉀含量空間自相關(guān)性增強(qiáng)[19?20]。林農(nóng)在經(jīng)營過程中大量使用草甘膦等除草劑清除林下草、灌植物，導(dǎo)致土壤物質(zhì)循環(huán)及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化受到影響，養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變異。

2 山核桃地林土壤肥力影響因素

2.1 海拔對山核桃林地土壤肥力的影響

海拔通過影響降水、溫度使得植被分布具有垂直地帶性，使得凋落物、細(xì)根周轉(zhuǎn)、根系分泌向土壤歸還有機(jī)質(zhì)發(fā)生變化，且土壤微生物活動也會受到區(qū)域氣候影響，故土壤養(yǎng)分水平在垂直空間上具有明顯差異[21]。杭州市臨安區(qū)在海拔400～700 m的山核桃林地土壤肥力較好，該海拔范圍土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分供應(yīng)能力較強(qiáng)，但該范圍內(nèi)土壤踩踏頻繁，導(dǎo)致土壤容重較大，不利于土壤透氣透水[22?23]。

2.2 母巖對山核桃林地土壤肥力的影響

母巖是土壤形成的原始物，其性狀及分布對土壤結(jié)構(gòu)具有重要影響，由巖漿巖發(fā)育而來的山核桃林地土壤石礫含量較高，石灰?guī)r發(fā)育土壤物理性砂粒含量可超過30%[24]。母巖類型是林地土壤pH、有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量的影響因素之一[24?27]。山核桃主要分布于含鈣量高的石灰?guī)r山地，鈣能夠與腐殖質(zhì)形成不易分解的穩(wěn)定態(tài)有機(jī)質(zhì)，且易與土壤磷結(jié)合形成沉淀物質(zhì)，造成土壤有效磷含量不高，且由于石灰?guī)r發(fā)育而來的土壤pH較高，導(dǎo)致一些微量元素有效性也受到抑制[28?31]。有研究表明：不同母巖發(fā)育而來的山核桃林地土壤pH、有機(jī)質(zhì)與多個(gè)養(yǎng)分元素顯著相關(guān)，說明母巖能夠通過多因素互作影響山核桃林地土壤肥力[26]。

2.3 人為經(jīng)營對山核桃林地土壤肥力的影響

2.3.1 人為經(jīng)營對土壤養(yǎng)分及土壤結(jié)構(gòu)的影響 山核桃高經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)動林農(nóng)不斷擴(kuò)大山核桃純林面積，現(xiàn)有的山核桃純林中約50%面積是通過人工砍伐山核桃-闊葉混交林中的非山核桃樹種所形成的[32]。人為經(jīng)營的模式和強(qiáng)度能夠顯著影響山核桃林地土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平與土壤結(jié)構(gòu)。不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)林農(nóng)在擴(kuò)大經(jīng)營過程中采取的人工劈草、生草栽培、禁用內(nèi)吸式除草劑等不同經(jīng)營措施，造成不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的山核桃林土壤有機(jī)碳、pH、速效養(yǎng)分含量及土壤容重、孔隙度存在較大差異[24, 32?33]。

土壤有機(jī)碳是影響土壤保肥保水性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、生物生命活動的主要因子，是代表土壤肥力最重要的因子之一。山核桃林長期清耕導(dǎo)致地表裸露，土壤侵蝕損失大量土壤有機(jī)碳，土壤晝夜溫差增大又加速了有機(jī)碳的分解，加之枯落物歸還量大幅降低，導(dǎo)致有機(jī)碳含量逐年遞減；易分解有機(jī)碳的消耗大于輸入則致使有機(jī)碳分子芳香核數(shù)量增多，輕組有機(jī)碳比例下降而分解程度更深的重組有機(jī)碳比例增加，有機(jī)碳結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，土壤碳庫穩(wěn)定性增強(qiáng)[22, 34?37]。相較同區(qū)域天然混交林，集約經(jīng)營25 a的山核桃純林土壤芳香碳的含量及芳香度顯著下降[36]。土壤腐殖質(zhì)作為土壤有機(jī)碳中的活躍組分，對土壤養(yǎng)分水平、結(jié)構(gòu)形成、水分供應(yīng)具有重要作用，其組成與特性在一定程度上能夠反映土壤肥力水平。山核桃林下灌木、草被的缺失減少了土壤腐殖質(zhì)物質(zhì)來源，生產(chǎn)經(jīng)營活動干擾了土壤微生物活動、破壞了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，致使山核桃林土壤腐殖質(zhì)聚合程度降低，分子結(jié)構(gòu)簡單化，土壤腐殖質(zhì)品質(zhì)下降[32]。

臨安區(qū)山核桃多生長于石灰?guī)r母質(zhì)的土壤，土壤多呈堿性，但由于酸沉降頻繁、大量施用氮肥等原因，山核桃產(chǎn)區(qū)林地土壤酸化現(xiàn)象嚴(yán)重[38]。山核桃主產(chǎn)區(qū)土壤pH平均值僅為5.5，相較1982年(pH 7.3)下降顯著[39]。2013年臨安山核桃林中75%樣點(diǎn)的土壤pH低于5.5，大量施肥削弱了土壤pH的空間相關(guān)性[33]。

土壤氮磷鉀養(yǎng)分的動態(tài)變化能夠反映土壤提供養(yǎng)分的狀況[40]。島石鎮(zhèn)是臨安區(qū)山核桃的中心產(chǎn)區(qū)，林農(nóng)在經(jīng)營過程中過量施入生理酸性肥料，使用草甘膦等除草劑清除林下植被，經(jīng)過5 a集約經(jīng)營后，山核桃林地土壤速效氮、磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別下降了35.0、1.0、140.0 mg·kg?1[20]。經(jīng)過26 a強(qiáng)度經(jīng)營的山核桃林，林地土壤全量氮磷鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)也發(fā)生了顯著變化，對比相同區(qū)域常綠闊葉林分別下降了21.83%、7.58%、13.63%[35]。林農(nóng)在生產(chǎn)經(jīng)營過程中大量施入的復(fù)合肥加速了土壤酸化過程，促進(jìn)了土壤礦質(zhì)元素的溶解。氮素與鉀素易發(fā)生轉(zhuǎn)化隨水流失，而磷素易被土壤固定，土壤酸化造成磷易溶解，故山核桃林地土壤呈現(xiàn)“高磷低氮低鉀”現(xiàn)象。

2.3.2 人為經(jīng)營對土壤微生物的影響 土壤微生物廣泛參與土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化與養(yǎng)分循環(huán)，對人為管理措施引起的土壤環(huán)境變化十分敏感[41]。天然混交林改造為山核桃林后，由于經(jīng)營過程中受到了強(qiáng)烈的人為干擾，相比天然混交林地表枯落物覆蓋層減少，土壤有機(jī)質(zhì)輸入下降。單一種類化肥的過度施用造成土壤酸化，林分原有生境改變，導(dǎo)致土壤微生物區(qū)系發(fā)生改變，土壤微生物對土壤有機(jī)碳氮利用減弱，土壤微生物量碳、微生物量氮含量下降，但隨著經(jīng)營年限延長，土壤微生物優(yōu)勢種形成，土壤有機(jī)物質(zhì)向微生物轉(zhuǎn)移增強(qiáng)，因此土壤微生物量碳/氮上升[34, 42?44]。山核桃林地土壤酸化會導(dǎo)致土壤微生物優(yōu)勢種、數(shù)量和多樣性發(fā)生改變，這可能是酸化嚴(yán)重的山核桃林分干腐病指數(shù)顯著高于生態(tài)經(jīng)營林分的原因[45]。

2.3.3 人為經(jīng)營對土壤養(yǎng)分流失的影響 清除林下植被對山核桃林分的水文效應(yīng)具有顯著影響。山核桃林地大都坡度大而地形破碎，土層瘠薄且?guī)r石出露率高，加之為管理、采收方便所有林下植被被清除，導(dǎo)致山核桃林地土壤抗蝕性減弱，土壤養(yǎng)分大量流失[46]?？萋鋵涌蓽p輕土壤濺蝕、增加雨水入滲、攔截地表徑流，起到良好的蓄水保土作用。但由于山核桃林地活地被物層缺失，植物凋落物歸還量減少，導(dǎo)致山核桃純林地表枯落物層蓄積量及土壤持水力隨經(jīng)營年限遞減[47]。

施肥與山核桃林地土壤養(yǎng)分流失具有密切關(guān)系。山核桃林地坡面徑流量受降水量影響強(qiáng)烈，在高溫多雨的6?9月，降水的稀釋作用及施肥后氮素分解轉(zhuǎn)化的復(fù)雜過程之下，徑流中硝態(tài)氮的濃度呈先上升后下降至相對穩(wěn)定的趨勢[48]。石灰?guī)r發(fā)育而來的山核桃林地土壤含鈣量高，磷素易與鈣素結(jié)合為難溶磷酸鈣類沉淀物被固定，徑流水中總磷質(zhì)量濃度僅為0.01～0.09 mg·L?1。但在過度施肥條件下，土壤磷淋失風(fēng)險(xiǎn)增大[48?49]。下滲是土壤可溶性養(yǎng)分流失的另一途徑。6?11月，山核桃種植區(qū)降水頻繁，硝態(tài)氮是氮流失的主要形式，施肥后滲漏水中總氮、可溶性氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮濃度在短期內(nèi)達(dá)到峰值后下降至小幅波動[50]。

3 山核桃林地土壤肥力改良措施

3.1 生草栽培改良

林下草灌、藤本植物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要成員，對土壤結(jié)構(gòu)、土壤養(yǎng)分水平、土壤生物及凋落物回歸分解等具有重要作用，因此，林下植被的管理對于森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義[51]。果園生草是利用行間或全園種植豆科Leguminosae或禾本科Gramineae植物，或者以自然生草為覆蓋，定期刈割后覆蓋地表的果園管理措施，能夠增強(qiáng)土壤肥力、改善園間小氣候[52]。生草能減小山核桃林地表裸露面積，減緩?fù)寥浪终羯ⅰ⑼翜夭▌?、植物根系延展及生理活動，降低土壤容重，提高土壤透氣性[53?54]。生草栽培還有助于減少土壤侵蝕，提高土壤腐殖質(zhì)、水溶性有機(jī)質(zhì)及土壤養(yǎng)分含量[30, 53?54]。此外，刈割的生草提供了有機(jī)質(zhì)來源，為土壤微生物創(chuàng)造了適宜的生存繁殖條件，提高了土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶的活性，從而增強(qiáng)微生物群落轉(zhuǎn)化土壤養(yǎng)分和儲存養(yǎng)分的作用[30, 53?55]。山核桃林下套種黑麥草Lolium perenne和白三葉Trifolium repens有利于山核桃害蟲天敵的繁殖，從而提高山核桃的產(chǎn)量和品質(zhì)[56]。生草栽培對土壤養(yǎng)分流失也具有一定的控制效果。生草根系能夠固結(jié)土壤以減少土壤侵蝕并促進(jìn)徑流下滲，地上部分具有削弱雨水擊濺的作用，形成的枯枝落葉層則有利于提高土壤孔隙率、抗剪強(qiáng)度，增強(qiáng)土壤水土保持能力，從而減輕水土流失，提高土壤有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分含量[57?58]。

3.2 有機(jī)物料改良

土壤中的元素組成及含量對植物的生長發(fā)育具有調(diào)控作用，能夠影響山核桃的葉片營養(yǎng)、花粉活力等，制約山核桃長勢、產(chǎn)量、養(yǎng)分組成[59?60]。針對山核桃林地土壤特征和林木需求，施用肥料能夠在滿足林木生長發(fā)育的同時(shí)提高土壤肥力。施用有機(jī)物料，如沼渣、肥得力、黃腐酸鉀、竹炭，能提高山核桃林地土壤pH和速效氮磷鉀含量，降低土壤交換性酸鋁離子濃度，且改良效果隨有機(jī)物料施用量增加而提高，部分有機(jī)物料還能夠顯著提高土壤微量元素含量[61?63]。有機(jī)物料、有機(jī)無機(jī)復(fù)合肥、結(jié)合適量磷肥、鉀肥的施用，還能促使樹勢衰弱的山核桃樹的根系、枝條、葉片增多與葉色增綠，提高山核桃抗逆性和平均單株產(chǎn)量[62, 64]。微生物肥料，如芽孢桿菌Bacillus液、微生物復(fù)合肥，能夠緩解土壤酸化，提高土壤有機(jī)質(zhì)及速效氮磷鉀含量，維持良性土壤微生物群落[65]。與常規(guī)施肥相比，山核桃專用肥的施用還可以降低土壤氮、磷流失負(fù)荷[66]。

另外，山核桃在不同生長階段養(yǎng)分庫源關(guān)系和養(yǎng)分的需求有異，且山核桃對氮磷鉀的吸收利用受這3種元素的耦合效應(yīng)影響[67?69]。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)當(dāng)根據(jù)山核桃養(yǎng)分的需求及其吸收特征調(diào)整肥料配方及施用技術(shù)，從而提高肥料利用效率，減小面源污染風(fēng)險(xiǎn)[14, 38]。

3.3 其他改良措施

通過免耕改善土壤結(jié)構(gòu)并減小地表裸露面積以提高坡耕地經(jīng)濟(jì)林經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益[70]。采取封禁，結(jié)合補(bǔ)植、補(bǔ)播修復(fù)等相關(guān)工程，禁用化學(xué)除草劑并采用人工劈草和就地覆蓋，可以促進(jìn)雨水下滲、蓄集，提高林地養(yǎng)分固持能力[46, 71]。

4 總結(jié)與展望

山核桃多生長于坡度陡峭、土層淺薄、巖石出露率高的山體，原生生態(tài)環(huán)境較為脆弱，加之經(jīng)營強(qiáng)度大，長期過量投入化肥農(nóng)藥，導(dǎo)致山核桃林地林下植被層缺失，土壤普遍酸化，土壤養(yǎng)分供應(yīng)失衡，水土流失問題不斷加劇，山核桃林地土壤衰退嚴(yán)重。生草栽培與有機(jī)物料改良是當(dāng)前山核桃林地土壤改良的有效措施，前者能夠減少土壤裸露、增加枯落物，起到固持土壤養(yǎng)分的作用；后者能夠有效改良土壤酸度和養(yǎng)分水平。山核桃人工林土壤肥力改良是山核桃林可持續(xù)經(jīng)營的重點(diǎn)難點(diǎn)，建議針對山核桃林地土壤肥力改良采取以下措施：①測土配方施肥。依據(jù)山核桃需肥規(guī)律和土壤樣品檢測結(jié)果，由專家把控肥料配方及推薦施用量，結(jié)合實(shí)際考慮肥料品種、配比、施肥量、施肥時(shí)間和施肥方法，改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力和酸堿度。②禁用化學(xué)除草劑，補(bǔ)植林下植被。在山核桃林經(jīng)營過程中禁用化學(xué)除草劑，補(bǔ)植林下植被如紫云英Astragalus sinicus、油菜Brassica campestris、白三葉等，以增加活地被物，為土壤生物提供能源物質(zhì)，緩解水土流失問題。③推廣自然落果張網(wǎng)采收。依照山勢在離地50～100 cm的高度架鋪山核桃收集網(wǎng)，收集成熟后自然脫落的山核桃果實(shí)，這可避免在采收前清除林下植被，增加植物細(xì)根周轉(zhuǎn)和凋落物回歸，并能避免敲打損傷樹體影響第2年產(chǎn)量。

現(xiàn)有水土流失研究主要關(guān)注徑流和泥沙流失量及采用植物籬、植被緩沖帶對其流失的影響。為有效控制山核桃人工林水土流失，今后還需根據(jù)山核桃林分的特珠性，深入研究水土流失的形成機(jī)制及控制技術(shù)。