南亞熱帶桉樹人工林土壤肥力障礙因子評價

趙雋宇，石媛媛，覃祚玉，潘 波，黃小芮，唐 健*

(1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院,廣西 南寧 530002；2.廣西林用新型肥料研發(fā)中心, 廣西 南寧 530002)

廣西地處我國南方，屬熱帶、亞熱帶季風氣候區(qū)，高溫多雨，在林業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)營上具有獨特的水熱優(yōu)勢[1]。早期林業(yè)經(jīng)營者采取高強度的經(jīng)營、管理方式[2-3]，導致土壤屬性產(chǎn)生劇烈變化，進而形成土壤肥力障礙[4]。研究表明，土壤障礙因子的發(fā)生與土地利用方式顯著相關，以人工林純林替代天然林的方式，必然會造成植被多樣性下降[5-6]。連栽、除草、施肥等人為擾動因素的增加會加大植被退化程度，加速土壤障礙形成[7]，諸如土壤有機質、全氮、速效磷等養(yǎng)分含量顯著下降[8]。在我國南方地區(qū)，土壤障礙因子的出現(xiàn)除與這些因素有關外，還與土壤發(fā)生過程密切相關[9]。廣西短周期人工林主產(chǎn)區(qū)土壤類型多以紅壤、黃壤以及赤紅壤為主，本底呈酸性，黏粒和次生礦物含量高，但風化、淋溶、脫硅富鋁化作用強烈，陽離子交換量(CEC)較低，保肥能力差，土壤自然肥力普遍不高[10-11]。另一方面，由于南方林權業(yè)主們片面追求高經(jīng)濟產(chǎn)出，長期不合理的開發(fā)利用會使林地生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)與平衡失調，加劇了土壤養(yǎng)分貧瘠化及肥力衰減過程[12]，導致林地生產(chǎn)力下降、病蟲害問題頻發(fā)。因此，開展不同土壤類型障礙因子診斷及分區(qū)合理利用工作，對消減土壤障礙、提高林地生產(chǎn)力具有重要意義，有利于促進廣西人工林的高產(chǎn)高效、生態(tài)可持續(xù)經(jīng)營。

前人對我國南方地區(qū)土壤障礙因子識別與評價開展了大量研究。蔡澤江等[12]以湖南祁陽典型紅壤為研究對象，通過18年長期定位施肥試驗研究pH與養(yǎng)分利用效率的關系，認為土壤酸化是制約該區(qū)域氮、磷、鉀利用效率的主要障礙因子。張玉梅等[13]以2012—2016年的測土配方施肥數(shù)據(jù)為基礎，對錦屏縣果園土壤障礙因子進行識別與評價，認為酸化、養(yǎng)分失衡、土壤質地退化是該區(qū)域的主要障礙因子。現(xiàn)有土壤肥力障礙因子評價主要集中在高標準基本農(nóng)田建設[14]、農(nóng)業(yè)可持續(xù)經(jīng)營[15-16]以及土地集約利用[17]等方面，屬于行政區(qū)域上的定性研究，缺乏針對人工林土壤方面的研究?？紤]到人工林土壤空間變異性較大，不同類型土壤障礙因子不盡相同，而障礙度模型是用來全面挖掘影響事物發(fā)展的障礙因素的數(shù)學模型，對評價目標進行病理診斷，能夠厘清和挖掘出對評價目標影響的主要障礙因素[18-19]，故利用該模型對廣西不同土壤類型的障礙因素進行診斷識別并進而劃分障礙類型區(qū)，可為改善經(jīng)營管理措施、提高林地生產(chǎn)力提供有力的信息支撐。

本文研究以廣西亞熱帶氣候區(qū)桉樹人工林主要種植區(qū)的紅壤、黃壤以及赤紅壤等土壤類型為劃分依據(jù)，運用基礎統(tǒng)計學方法分析不同土壤類型的肥力現(xiàn)狀，并采用聚類分析結合主成分分析的方法，從15個土壤肥力指標中篩選出主要障礙因子，同時引入障礙度模型進行土壤肥力障礙因子評價，擬為不同土壤類型下的桉樹人工林經(jīng)營、施肥方式提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西北部的賀州市(北緯23°39′～25°09′，東經(jīng)111°05′～112°03′)、柳州市(北緯23°54′～26°03′，東經(jīng)108°32′～110°28′)、來賓市(東經(jīng)108°24′～110°28′、北緯23°16′～24°29′)，包含廣西國有黃冕林場、三門江林場、大桂山林場、維都林場(本文以這些林場桉樹人工林主要種植區(qū)域為研究對象)。該區(qū)域屬亞熱帶季風氣候區(qū)，整體氣候呈現(xiàn)夏長冬短，太陽年總輻射度達4 000～4 200 MJ/m2，年平均氣溫17.8～19.9 ℃，日均溫大于等于10 ℃，年積溫5 613～6 468.4 ℃，年降水量1 500～2 047 mm，溫度和降水量資源整體表現(xiàn)為由北向南增多的特點。地貌類型以低山、丘陵居多。根據(jù)《廣西土種志》[20]土壤發(fā)生分類原則，將樣品分為紅壤、黃壤、赤紅壤等3大類進行土壤障礙因子評價。紅壤為該區(qū)域主要土壤類型，面積占比達一半以上，黃壤多分布于丘陵、低山區(qū)域(400～800 m)，赤紅壤分布區(qū)域多集中在北部偏中(北緯22°20′～24°30′)。研究區(qū)主要種植的桉樹品種為尾葉桉Eucalyptusurophylla、尾巨桉E.urophylla×E.grandis等。林分結構為桉樹純林，普遍為萌芽二代、三代林。造林密度1 500 株/hm2，年施肥量每株500 g，肥料配方氮磷鉀比例為mN∶mP∶mK=15∶6∶9。

1.2 土壤樣品采集

以Arcgis 10.1進行采樣點布設，共計149個采樣點，采樣點代表面積2 000 hm2。具體采樣方法如下：到達采樣點位后，避開林道、施肥坑，選擇長勢均一的林地布設20 m×20 m標準樣地；在樣地內(nèi)以“S”型采樣法隨機挖取5個土壤剖面，剖面深度60 cm，按0～20 cm(A層)、>20～40 cm(B層)分層采集耕層土壤；將不同剖面采集的土壤等量混勻，采用四分法收集1 000 g土壤樣品(共計298份)，裝入自封袋并做標記后帶回實驗室。

1.3 土壤樣品測定

土壤樣品檢測指標包括pH、有機質以及全量養(yǎng)分元素(土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等大量養(yǎng)分元素，有效鈣、鎂、鐵、錳、銅、鋅等速效金屬元素，土壤有效硼等土壤微量元素)。pH測定采用水浸提液-電位法；有機質測定采用重鉻酸鉀外加熱法；全氮、堿解氮測定采用凱氏定氮法；全鉀、有效鉀測定采用火焰光度計法；全磷測定采用消解-鉬銻抗分光光度法、有效磷測定采用浸提-鉬銻抗分光光度法；有效金屬元素測定采用M3溶液浸提-原子吸收法；有效硼測定采用甲亞胺-H比色法[21-22]。

1.4 土壤障礙因子診斷模型

土壤障礙因子評價指標的隸屬度值由隸屬度函數(shù)計算。隸屬度函數(shù)是指所要評價的肥力參數(shù)與作物生長效應曲線之間關系的數(shù)學表達式，它可以將肥力評價參數(shù)標準化，轉變成0～1 的無量綱值。具體計算公式為

(1)

式中：x為土壤障礙因子指標；a為函數(shù)的最小值；b為函數(shù)的最大值。

引入障礙度模型[23]對桂北區(qū)域土壤障礙因子進行量化，按照等距法將指標障礙度分為無障礙(0)、輕度障礙(>0～12%)和重度障礙(>12%)3個等級，通過量化結果解釋各土壤類型主要障礙因子。模型變量根據(jù)式(2)、(3)計算：

Bij=1-Aij,

(2)

(3)

式中：Mij為指標障礙度，Bij為指標偏離度，Vij為因素貢獻率，Aij為指標隸屬度。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

所有數(shù)據(jù)均在Excel 2010等軟件上進行統(tǒng)計處理，在SPSS 19.0上進行K-均值聚類分析、單因素方差分析及Tukey顯著性檢驗和主成分分析，并用Origin 2018作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤基本化學性質狀況

研究區(qū)域不同土壤類型的pH、有機質和大量元素統(tǒng)計特征見表1，而不同土壤類型不同土層土壤中微量元素統(tǒng)計特征見表2。由表1可見，不同土壤類型、不同土層之間，土壤各養(yǎng)分性質存在顯著差異性(P<0.05)。從土壤pH來看，各土壤類型的A、B土層均呈酸性，整體pH變化在(4.16±0.15)～(4.76±0.41)，B層土壤pH值普遍低于A層。從不同土壤類型來看，桂北區(qū)域黃壤的土壤酸性相比紅壤、赤紅壤較強，其A層pH值相比紅壤、赤紅壤分別降低了1.19%、13.61%；B層pH值相比紅壤、赤紅壤分別降低了2.88%、10.33%。方差分析結果表明，赤紅壤土壤pH顯著高于其余2個土壤類型(P<0.05)。桂北區(qū)域土壤有機質含量A層、B層平均值分別為32.12、21.10 g·kg-1，整體處于較高水平。赤紅壤A、B層土壤有機質含量均低于紅壤、黃壤，其平均值分別為23.05、13.01 g·kg-1。紅壤、黃壤A層土壤有機質含量分別為37.49、35.83 g·kg-1，顯著高于其余2種土壤類型(P<0.05)。黃壤B層土壤有機質含量為27.90 g·kg-1，是3種土壤類型中最高的，相比紅壤、赤紅壤B層土壤有機質分別提高了22.58%、114.45%，處于較高水平。

表1顯示，土壤全量養(yǎng)分元素除全鉀含量標準差較大外，全氮、全磷標準差較小，說明含量分布較為平均，速效養(yǎng)分元素標準差普遍較大，說明速效養(yǎng)分元素含量分布差異性較大。從不同土壤類型來看，紅壤A層土壤全氮、全鉀含量分別為1.67、20.03 g·kg-1，顯著高于黃壤、赤紅壤(P<0.05)，紅壤B層土壤全氮含量為1.23 g·kg-1，與黃壤B層并未表現(xiàn)出顯著差異性(P>0.05)，顯著高于赤紅壤B層土壤(P<0.05)。赤紅壤A層土壤全磷含量為0.51 g·kg-1，顯著高于其余土壤類型的各土層全磷含量(P<0.05)。紅壤A、B層土壤堿解氮含量分別為162.55、125.31 mg·kg-1，均高于其余土壤類型的同一層土壤，但與黃壤A、B層相比并未表現(xiàn)出顯著差異性(P>0.05)。赤紅壤A、B層土壤有效磷含量分別為16.23、8.16 mg·kg-1，均顯著高于其余2種土壤類型(P<0.05)。速效鉀含量最大值為赤紅壤A層土壤的134.13 mg·kg-1，顯著高于其余2種土壤類型(P<0.05)。

表1 桂北區(qū)域不同土壤類型pH、有機質和大量元素統(tǒng)計特征(平均值±標準差)

由表2可見，不同土壤類型、不同土層之間，除土壤有效銅、有效硼之外，其余土壤微量元素之間存在顯著差異性。赤紅壤土壤A、B層有效鈣、有效鐵含量顯著高于其余2個土壤類型(P<0.05)，同時標準差較大，說明含量變異較大，分布極為不平均。赤紅壤A層土壤有效鎂含量為24.27 mg·kg-1，顯著高于其余土壤類型，相比紅壤、黃壤的A層土壤分別增加了23.89%、103.44%。黃壤A、B層土壤有效鋅含量分別為0.93、0.66 mg·kg-1，A層土壤有效鋅含量顯著低于其余2種土壤類型(P<0.05)。赤紅壤A層土壤有效錳含量為25.40 mg·kg-1，顯著高于其余土壤類型，同時其標準差較大，說明含量分布極不平均。

表2 桂北區(qū)域不同土壤類型不同土層土壤中微量元素統(tǒng)計特征(平均值±標準差)

2.2 土壤障礙因子評價體系構建

本文將研究區(qū)不同類型的表層土壤(0～20 cm)15個化學指標進行K-means聚類分析，結果見圖1。由圖可見，以組合到聚類中心距離10為界，15個土壤基本化學性質被分為5個組合類型，從上至下，第一類為有效鈣、有效鎂、pH、有效磷、有效鐵、速效鉀，表征了土壤酸堿度與微量金屬元素的供應能力；第二類為有機質、全氮，為評價土壤保肥、供肥能力的主要因子；第三類為全鉀、全磷、堿解氮，主要以保證植物正常生長的大量元素為主，表征了土壤養(yǎng)分的持續(xù)供應能力；第四類、第五類分別為有效銅、有效錳、有效硼、有效鋅，表征了土壤微量元素的供應能力。這些聚類組合基本表征了各土壤類型中可能存在的土壤肥力限制因子或障礙因子。

圖1 研究區(qū)土壤基本性質聚類分析

將不同土壤類型的表層土壤(0～20 cm)分別進行主成分分析，并列出特征值大于1時的所有主成分，其累積貢獻率均達到75%以上，具體數(shù)據(jù)見表3。本研究根據(jù)各指標的主成分權系數(shù)大小，結合聚類分析結果(圖1)，進一步篩選主要障礙因子，篩選并評價各土壤類型主要障礙因子。

表3 桂北區(qū)域各土壤類型化學性質主成分(Y)分析結果

紅壤類型共提取出特征值大于1的主成分4個：第一主成分(Y1)中，正向權系數(shù)較高的為全氮、有效硼；第二主成分(Y2)正向指標為pH，是衡量土壤酸化特征的重要指標；第三主成分(Y3)正向指標較高的為全磷；第四主成分(Y4)正向指標較高的為有效磷。黃壤類型共提取出特征值大于1的主成分3個：第一主成分(Y1)正向權系數(shù)較高的為全氮、全鉀、有效鋅；第二主成分(Y2)正向指標為pH、有效磷；第三主成分(Y3)中的指標并未納入土壤障礙因子評價體系。赤紅壤類型共提取出特征值大于1的主成分4個：第一主成分(Y1)中為有效鎂；第二主成分(Y2)正向指標較高的為有機質、全鉀、有效鋅；第三主成分(Y3)提取的障礙因子為有效錳；第四主成分(Y4)各因子載荷值較低并未納入障礙因子評價體系。因3種土壤類型各評價指標中的負向權系數(shù)均未超過0.7，故未將負向指標納入評價體系。

2.3 土壤障礙因子評價

根據(jù)2.2節(jié)篩選出的土壤障礙因子評價指標特性，采用S型隸屬度函數(shù)式計算各指標隸屬度值，式(1)中參數(shù)a、b的取值根據(jù)肥力分級標準(NY/T 309—1996)來確定(表4)。根據(jù)式(1)計算研究區(qū)各土壤類型的主要障礙因子隸屬度，結果如表5所示，其指標權重根據(jù)主成分分析公因子方差確定。

表4 桂北區(qū)域土壤肥力質量評價參數(shù)分級標準和隸屬函數(shù)中a、b取值

表5 桂北區(qū)域各土壤類型主要障礙因子隸屬度及其權重

根據(jù)各土壤類型主要障礙因子的隸屬度及其權重計算其障礙度，結果如表6所示。紅壤類型中，除土壤全氮(5.32%)屬于輕度障礙外，pH、全磷、有效磷、有效錳、有效硼均屬重度障礙因子，其主要障礙因子障礙度由大到小依次為pH(28.20%)、全磷(27.14%)、有效磷(26.31%)、有效硼(24.18%)、有效錳(15.16%)、全氮(5.32%)。黃壤類型中，全鉀障礙度為3.01%，屬輕度障礙因子，pH(36.53%)、全氮(17.84%)、有效磷(14.71%)、有效錳(15.71%)、有效鋅(26.91%)這4個指標均屬于重度障礙因子。赤紅壤類型中，重度障礙因子有3個，分別是全鉀、有效鎂、有效鋅，其中障礙度最高的因子為有效鎂(40.72%);土壤有機質、有效錳障礙度分別為6.59%、6.43%，屬輕度障礙因子。

表6 桂北區(qū)域各土壤類型土壤主要障礙因子障礙度

3 討論

本文研究以土壤類型為劃分，采用聚類分析結合主成分分析法對土壤肥力因子進行分類降維，將土壤障礙因子歸為5大類，篩選結果能基本反映土壤養(yǎng)分的持續(xù)供應能力，相比傳統(tǒng)的土壤障礙評價主觀選取障礙因子的結果[33-34]更為客觀。同時，引入的障礙度模型可以使各障礙因子的主次排序更為清晰、直觀[35]。由于各土壤類型的地上植被類型并不相同，因此，本次障礙因子評價只針對土壤本身，并未與植物營養(yǎng)需肥規(guī)律、林地生長量以及環(huán)境因子等數(shù)據(jù)相結合[13,36-37]，在今后的評價研究中有必要將降雨、氣候、立地條件等環(huán)境因子加入評價模型，使評價結果與生產(chǎn)經(jīng)營之間的聯(lián)系更為緊密。

4 結論

根據(jù)中國土壤分類標準對桂北區(qū)域人工林土壤進行分類，采用聚類分析結合主成分分析法篩選不同土壤類型的主要障礙因子，并引入障礙度模型定量化研究桂北區(qū)域桉樹人工林土壤類型的障礙因素，主要結論如下：

1)不同土壤類型的主要障礙因子不同。紅壤主要障礙因子共5個，分別是pH、全氮、全磷、有效錳、有效硼；黃壤主要障礙因子共5個，分別是pH、全氮、全鉀、有效錳、有效鋅；赤紅壤主要障礙因子共5個，分別是有機質、全鉀、有效鎂、有效錳、有效鋅。

2)障礙度模型評價結果顯示，紅壤類型中，pH障礙度最高(28.20%)，土壤全氮為輕度障礙因子；黃壤類型中，pH障礙度最高(36.53%)，全鉀為輕度障礙因子；赤紅壤類型中，重度障礙因子有3個，分別是全鉀、有效鎂、有效鋅。障礙度最高的因子為有效鎂(40.72%)，輕度障礙因子為有機質、有效錳。

林地管理者及林權業(yè)主對于紅壤、黃壤等土壤pH障礙較為嚴重的區(qū)域，應采取增施有機肥、保留采伐剩余物等措施，減少土壤擾動。而赤紅壤區(qū)域應增加肥料配方中微量元素的供應并配合施用有機肥，提升土壤的保肥保水能力。