基于Nemerow法的森林土壤肥力綜合指數(shù)評價

鄧小軍，陳曉龍，唐健，王會利，韓華，徐永騰，何文平

(1.廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室, 廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院, 國家林業(yè)局中南速生材繁育實驗室,廣西 南寧 530003；2.廣西國有大桂山林場，廣西 賀州 542899；3.天峨縣林朵林場，廣西 天峨 547300)

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基于Nemerow法的森林土壤肥力綜合指數(shù)評價

鄧小軍1，陳曉龍2，唐健1，王會利1，韓華3，徐永騰3，何文平3

(1.廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室, 廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院, 國家林業(yè)局中南速生材繁育實驗室,廣西 南寧 530003；2.廣西國有大桂山林場，廣西 賀州 542899；3.天峨縣林朵林場，廣西 天峨 547300)

摘要：以廣西國有大桂山林場用材林林地為研究區(qū)域，以土壤pH值、全量氮、全量磷、全量鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效硼和有效鐵作為評價指標，利用Nemerow法進行土壤肥力綜合評價。結(jié)果表明,不同樣地土壤養(yǎng)分因子變異系數(shù)在5.02%～65.69%。有機質(zhì)平均值為28.75 g/kg，處于中等偏下水平。全量N平均含量為1.64 g/kg，速效N為135.5 mg/kg，處于中等或中等偏上水平。全量P2O5平均含量為0.82 g/kg，速效P為1.5 mg/kg，均處于貧乏水平。全量K2O平均含量為23.76 g/kg，速效K為51.8 mg/kg，均處于中等偏下水平。大量元素氮磷鉀因子可以概括為“富氮、缺磷、中等鉀”。微量元素方面，有效Zn和有效Fe林地平均含量分別為2.03 mg/kg和32.11 mg/kg,處于中等水平，有效B和有效Cu平均含量分別為0.18 mg/kg和0.41 mg/kg,屬于貧或極貧水平。大桂山林地土壤肥力綜合指數(shù)為0.85，桉樹、松樹林地肥力綜合指數(shù)分別為0.77和0.82，肥力等級均屬于Ⅲ級，杉木林地肥力綜合指數(shù)為0.90，肥力等級屬于Ⅱ級。速效P、有效B、有效Cu均處于貧或極貧水平,是影響研究區(qū)域土壤肥力的主要限制因子。

關(guān)鍵詞：速效磷；土壤肥力綜合指數(shù)；土壤化學(xué)性質(zhì)；Nemerow法；森林土壤

土壤是林地豐產(chǎn)的基礎(chǔ)，其中土壤肥力是土壤的本質(zhì)屬性[1-2]。土壤為森林存在和發(fā)展提供養(yǎng)分元素同時森林植被又會影響土壤發(fā)育和養(yǎng)分變化[3]。目前南方速生豐產(chǎn)林發(fā)展迅速，面積和產(chǎn)量日益提高，土壤肥力呈下降趨勢，森林土壤經(jīng)營技術(shù)與速豐林發(fā)展狀態(tài)極不相稱[4]。因此，對森林土壤的正確認識和科學(xué)客觀評價是準確了解森林土壤本質(zhì)及更好利用土壤資源的保障，也成為國內(nèi)外研究重點[5-6]?，F(xiàn)在國際國內(nèi)森林土壤評價主要從森林土壤健康概念出發(fā)[7-8]，即著重于全面衡量森林土壤促進森林植被生產(chǎn)和維護森林生態(tài)功能的能力及評價森林土壤的長期生產(chǎn)力[9-11]。森林土壤健康或森林土壤質(zhì)量概念能較全面的反應(yīng)土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)綜合性質(zhì)，同時反映出土壤作為生命系統(tǒng)位置生物生產(chǎn)力、促進環(huán)境質(zhì)量、維持動植物和人類健康的能力[12-13],其比較符合森林生態(tài)系統(tǒng)健康的需要。目前土壤健康或土壤質(zhì)量評價方法主要有綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)綜合評判法、灰色聚類法、主成分分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等方法[14],不同的森林土壤肥力評價方法和指標集都具有不同的特點和優(yōu)勢，符合不同的生產(chǎn)目的或者生態(tài)評價需求。本研究著重于土壤養(yǎng)分豐缺評價，無論是評價指標還是評價方法著眼林業(yè)生產(chǎn)實踐需求。以為商品林地適地適樹、配方施肥及土壤肥力評級提供參考為目的，根據(jù)主導(dǎo)性、敏感性、實用性和獨立性選擇合適指標[15]，通過Nemerow綜合肥力指數(shù)法對廣西國有大桂山林場林地進行肥力綜合評價，從而得出廣西大桂山林場林地肥力現(xiàn)狀和不同速生豐產(chǎn)林土壤肥力情況差異，以期結(jié)合不同樹種的養(yǎng)分需求及分配規(guī)律為林地可持續(xù)經(jīng)營方案和配方施肥技術(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考意見。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況和土壤樣品的采集

廣西國營大桂山林場創(chuàng)建于1957年，位于廣西、湖南、廣東三省交界的賀州市八步區(qū)，林地跨賀州市、梧州市。主要林地屬于低山地貌類型，海拔200～600 m，最高海拔1204 m，最低海拔80 m。地處中亞熱帶，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，雨熱豐富，年平均氣溫19.3 ℃，最高氣溫39.7 ℃，最低氣溫-2.4 ℃，年平均降雨量2056 mm，年蒸發(fā)量1275 mm。林地總面積5.84萬hm2，成土母巖主要以寒武系的砂巖、砂頁巖為主，其次是燕山系的紫色砂巖、砂頁巖和少量的花崗巖及其他母質(zhì)等。土壤類型以山地紅壤、紫色土為主，其次是山地黃壤[16]。

樣地主要為商品用材林桉樹(Eucalyptusrobusta)林、杉木(Cunninghamialanceolata)林和松樹(Pinusmassoniana)林。分樹種根據(jù)地域分布和面積大小設(shè)定具有代表性的20塊20 m×20 m樣地(桉樹10個、杉木5個、松樹5個)，于2013年11月中旬，注意避開施肥點、路邊等區(qū)域，按S型布點法分A層(0～20 cm)和B層(20～40 cm)進行多點混合土樣采集，裝于采樣袋中，寫好標簽帶回實驗室，風(fēng)干過篩后測定相關(guān)指標。

1.2土壤測定

土壤pH值采用電位法、全N采用半微量凱氏法，全P2O5采用酸溶-鉬銻抗比色法，全K2O采用氫氧化鈉堿熔-火焰光度法，有機質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀、有效微量元素(銅、鋅、硼、鐵)含量測定及分析方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[17]。

1.3土壤肥力綜合評價方法

選取pH、有機質(zhì)、全N、全P2O5、全K2O、速效N、速效P、速效K、有效Cu、有效Zn、有效B、有效Fe共12個土壤屬性作為評價指標，取各指標A、B層土壤數(shù)據(jù)的平均值，結(jié)合土壤養(yǎng)分分級標準(表1)和修正的Nemerow法[19]對大桂山林場林地分桉樹人工林、杉木人工林和松樹人工林進行定量綜合肥力評價。

表1　廣西林地土壤養(yǎng)分分級標準[18]Table 1　Grading standard of soil nutrient in Guangxi forest land

(1)評價依據(jù):肥力指標高低評價標準，一根據(jù)評價目的參考相關(guān)標準，選定適宜的指標體系，確定相應(yīng)的各指標標準值(Si)；二根據(jù)表2和表3建議作為評價標準值(Si)或單項肥力指數(shù)(Pi)。采用改進后的Nemerow法，進行單項及綜合肥力指數(shù)評價。

(2)土壤肥力單項指數(shù):肥力單個屬性指標值的評價采用單項肥力指數(shù)計算：

Pi=Ci/Si

式中，Pi為土壤中指標i的單項肥力指數(shù)，Pi高低直接反映該項肥力指標豐富程度，越高表明該指標越豐富，肥力越高；Ci為土壤中某項指標i的實測數(shù)據(jù)；Si為土壤中某項指標i的評價標準值(本項研究按照表2和表3標準值)。

(3)土壤肥力綜合指數(shù)法

式中，P綜為土壤肥力綜合指數(shù) (數(shù)值保留2位有效數(shù)字)；(Pave)2為土壤各屬性肥力指數(shù)的平均值平方，其中單項肥力指數(shù)Pi>3時，在綜合土壤肥力指數(shù)(P綜)計算時該肥力指數(shù)以Pi=3計；(Pmin)2為土壤所有指標中單項肥力指數(shù)最小值平方，其中單項肥力指數(shù)Pi>3時，該項肥力指數(shù)以Pi=3計；n為參與評價的土壤肥力指標個數(shù) (要求10項及以上)。

(4)土壤肥力等級劃分:通過綜合土壤肥力指數(shù)全面反映土壤肥力水平，采用表4中建議標準值評價，分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級3個等級。

表2　廣西林地土壤肥力評價指標參考標準值Table 2　Reference standard value of soil fertility evaluation index of Guangxi forest land

表3　廣西林地土壤肥力評價指標建議的單項肥力指數(shù)Table 3　Individual fertility index of soil fertility evaluation index of Guangxi forest land

表4　廣西林地土壤肥力等級劃分[19]Table 4　Grading of soil fertility in forest land in Guangxi

2結(jié)果與分析

2.1大桂山林地總體土壤肥力情況分析結(jié)果

大桂山林地總體土壤肥力情況分析結(jié)果見表5，從全場來看土壤各因子變化較大，除pH值外其他因子變異系數(shù)均在20%以上，其中有效Cu變異系數(shù)達到了65.69%。

全場林地土壤pH值均處于3.78～4.75，平均值為4.36，呈現(xiàn)較強酸性，有機質(zhì)平均值為28.75 g/kg，處于中等偏下水平。全量N平均含量為1.64 g/kg，速效N平均含量135.5 mg/kg比較豐富，處于中等或中等偏上水平。全量P2O5平均含量為0.82 g/kg，速效P平均含量為1.5 mg/kg，均處于貧乏水平。全量K2O平均含量為23.76 g/kg，速效K含量為51.8 mg/kg，均處于中等偏下水平。故從大量元素來看大桂山林場林地土壤可以概括為“富氮、缺磷、中等鉀”。

微量元素方面，有效Zn和有效Fe平均含量分別為2.03 mg/kg和32.11 mg/kg，處于中等水平，有效B和有效Cu平均含量分別為0.18 mg/kg和0.41 mg/kg，屬于貧或極貧水平。

根據(jù)修正的Nemerow法計算的單項肥力指數(shù)大小排序為，有機質(zhì)>全N>全K2O>全P>速效N>有效Zn>pH值>有效Fe>速效K>有效B>速效P>有效Cu。大桂山林地土壤肥力綜合指數(shù)為0.85，肥力等級屬于Ⅲ級。

表5　大桂山林場林地總體土壤狀況Table 5　Descriptive statistics of soil properties in Daguishan forest land

2.2桉樹林地土壤肥力情況分析

大桂山桉樹林地土壤肥力情況見表6，各土壤因子變化較大，除pH值變異系數(shù)為3.05%外，其他因子變異系數(shù)均在18.09%到71.40%之間，其中速效K變異系數(shù)最高達到了71.40%。

桉樹林地土壤pH平均值為4.37，呈現(xiàn)較強酸性，與全場林地土壤pH平均值4.36相仿，有機質(zhì)平均值為28.73 g/kg，處于中等偏下水平。桉樹林地土壤全量N平均含量為1.62 g/kg，速效N平均含量127.4 mg/kg，均處于中等或中等偏上水平。全量P2O5平均含量為0.80 g/kg，速效P平均含量為1.5 mg/kg，均處于貧乏水平。全量K2O平均含量為23.40 g/kg，速效K含量為56.0 mg/kg，均處于中等偏下水平。故從大量元素來看桉樹林地土壤同大桂山林場林地土壤整體情況一樣呈現(xiàn)“富氮、缺磷、中等鉀”。

微量元素方面，桉樹林地土壤有效Zn和有效Fe平均含量分別為2.01 mg/kg和28.96 mg/kg，均處于中等或中等偏下水平，有效B和有效Cu平均含量分別為0.17 mg/kg和0.33 mg/kg，均處于貧或極貧水平。

根據(jù)修正的Nemerow法計算的單項肥力指數(shù)大小排序為：有機質(zhì)>全N>全K2O>全P2O5>速效N>有效Zn>pH值>速效K>有效Fe>有效B>速效P>有效Cu。大桂山桉樹林地土壤肥力綜合指數(shù)為0.77，低于大桂山林地整體土壤綜合系數(shù)0.85，肥力等級同樣屬于Ⅲ級。

表6　桉樹林地總體土壤狀況Table 6　Descriptive statistics of soil properties in eucalyptus forest land

2.3杉木林地土壤肥力情況分析

大桂山杉木林地土壤肥力情況見表7，pH值變異系數(shù)為9.05%，其他變異系數(shù)均在16.70%到64.62%之間，其中有效Cu變異系數(shù)最高為64.62%。

杉木林地土壤pH平均值為4.29，呈現(xiàn)較強酸性，略低于全場林地土壤pH平均值4.36，有機質(zhì)平均值為35.69 g/kg，高于桉樹林地土壤處于中等偏下水平。杉木林地土壤全量N平均含量為1.84 g/kg，速效N平均含量179.1 mg/kg，分別處于中等和富的水平。全量P2O5平均含量為0.87 g/kg，速效P平均含量為1.5 mg/kg，均處于貧的水平。全量K2O平均含量為20.95 g/kg，速效K含量為58.0 mg/kg，均處于中等偏下水平。

微量元素方面，杉木林地土壤有效Fe平均含量為45.47 mg/kg,肥力水平屬于中等，有效Zn、有效B和有效Cu平均含量分別為1.43 mg/kg,0.21 mg/kg和0.54 mg/kg,肥力水平屬于貧或極貧。

根據(jù)修正的Nemerow法計算的單項肥力指數(shù)大小排序為：有機質(zhì)>全N>速效N>全P2O5>全K2O>有效Fe>pH值>速效K>有效Zn>有效B>有效Cu>速效P。大桂山杉木林地土壤肥力綜合指數(shù)為0.90,高于大桂山林地整體土壤綜合系數(shù)0.85，肥力等級屬于Ⅱ級。

表7　杉木林地總體土壤狀況Table 7　Descriptive statistics of soil properties in Chinese fir forest land

2.4松樹林地土壤肥力情況分析

大桂山松樹林地土壤肥力情況見表8，各土壤因子變化較大，pH值變異系數(shù)為5.70%，其他因子變異系數(shù)在22.17%到65.97%之間，其中有效Cu變異系數(shù)最高，達到了65.97%。

表8　松樹林地總體土壤狀況Table 8　Descriptive statistics of soil properties in pine forest land

松樹林地土壤pH平均值為4.40,呈現(xiàn)較強酸性，與全場林地土壤pH平均值差異不大，有機質(zhì)平均值為23.23 g/kg,處于中等偏下水平。松樹林地土壤全量N平均含量為1.53 g/kg，速效N平均含量118.6 mg/kg，均處于中等水平。全量P2O5平均含量為0.83 g/kg，速效P平均含量為1.3 mg/kg，均處于貧乏水平。全量K2O平均含量為26.82 g/kg，速效K含量為37.7 mg/kg，均處于中等偏下或貧的水平。

微量元素方面，松樹林地土壤有效Fe、有效Zn平均含量分別為28.36 mg/kg和2.56 mg/kg，處于中等水平，有效B和有效Cu平均含量分別為0.17 mg/kg和0.50 mg/kg，屬于貧或極貧水平。

根據(jù)修正的Nemerow法計算的單項肥力指數(shù)大小排序為：有機質(zhì)>全K2O>全N>全P2O5>速效N>有效Zn>pH值>有效Fe>速效K>有效B>有效Cu>速效P。大桂山松樹林地土壤肥力綜合指數(shù)為0.82,略低于大桂山林地整體土壤綜合系數(shù)0.85，肥力等級屬于Ⅲ級。

3結(jié)論與討論

土壤養(yǎng)分是林木生長、發(fā)育以及物質(zhì)循環(huán)的重要基礎(chǔ)，其含量和分布情況對林木生長具有很大影響。本研究通過Nemerow法對大桂山主要用材林林地進行綜合評價，不同樣地土壤各養(yǎng)分的變異系數(shù)在5.02%～65.69%，其中pH值的變異系數(shù)最低為5.02%，有效Cu的變異系數(shù)最高為65.69%。整體上看大桂山林場林地肥力綜合指數(shù)為0.85，評價等級為Ⅲ級，呈現(xiàn)為“富氮、缺磷、中等鉀”，有效B、速效P、有效Cu為肥力主要養(yǎng)分限制因子。分樹種來看，杉木、松樹、桉樹林地肥力綜合指數(shù)分別為0.90，0.82和0.77，其中桉樹、松樹林地評價等級為Ⅲ級，杉木林地評價等級為Ⅱ級，這可能由于不同樹種經(jīng)營強度和經(jīng)營方式不同導(dǎo)致的差異[20]。本次所選定的樣地均為速生豐產(chǎn)林商品林地，由于速生豐產(chǎn)林生長周期短，經(jīng)營強度大，養(yǎng)分需求高。大桂山林場林地跟農(nóng)用耕地等廣西其他土壤情況一樣，磷是研究區(qū)域的主要肥力限制因子，因此在平衡或配方施肥時應(yīng)該考慮這點，在經(jīng)營過程中講究按平衡施肥原理施肥，做到林木需要多少養(yǎng)分(包括微量元素養(yǎng)分)，便給土壤施肥補充多少，林地缺什么，施肥補什么。另外微量元素養(yǎng)分B、Cu也是研究區(qū)域土壤肥力的主要限制因子。尤其是對于B元素相對敏感的桉樹林[18]，在平衡施肥中應(yīng)該特別注重B元素的增加，以避免桉樹林缺素病癥的發(fā)生。

林地土壤和耕地土壤質(zhì)量評價具有統(tǒng)一性和差異性。林地由于環(huán)境惡劣，土壤養(yǎng)分差異大，空間變異性高，在平衡采樣成本和保證精度需求時需要考慮和取舍。另外，林地土壤評價結(jié)果用于指導(dǎo)林業(yè)生產(chǎn)施肥和林地評價，不能像農(nóng)業(yè)耕地一樣精細到田塊，因此筆者采取區(qū)域化評價，把相同樹種的區(qū)域作為一個評價單元，然后根據(jù)該單元評價結(jié)果結(jié)合樹種營養(yǎng)需求規(guī)律進行施肥配方，在林業(yè)實際應(yīng)用中更具可操作性。

在土壤質(zhì)量評價的指標選擇上，養(yǎng)分有效性指標的使用是比較穩(wěn)定的[21]，其他植物生長潛力、水分有效性、根系適宜性等指標也被廣泛選用，近年來學(xué)者也加大了對土壤酶活等生物學(xué)指標的研究，總之評價指標的選擇應(yīng)根據(jù)土壤質(zhì)量評價目的性和針對性不同，對不同的土地利用類型、不同特定功能、不同景觀類型選用不同的指標體系[22]。本研究中采用的Nemerow法不僅可以直觀的反應(yīng)研究區(qū)單項肥力情況，而且在進行土壤肥力綜合評價時考慮了因子的木桶短板效應(yīng)。其優(yōu)勢在于方法簡單，便捷，實用性強，可以根據(jù)生產(chǎn)需求和林木營養(yǎng)需求規(guī)律調(diào)整評價指標，能與林業(yè)實際生產(chǎn)中的平衡配方施肥緊密結(jié)合，并為之提供直觀的參考數(shù)據(jù)和意見。

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DOI：10.11686/cyxb2015435

*收稿日期：2015-09-14；改回日期：2015-12-28

基金項目：廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室自主課題資助項目(14-A-02-01)，廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室開放課題(14B0202)和廣西林業(yè)科技項目(桂林科字[2014]30號，桂林科研[2015]40號)資助。

作者簡介：鄧小軍(1988-)，男，湖南邵陽人，工程師，碩士。E-mail：dengxiaojun2008@sina.com

* 1Assessment of forest soil fertility using an integrated index based on the Nemerow method

DENG Xiao-Jun1, CHEN Xiao-Long2, TANG Jian1, WANG Hui-Li1, HAN Hua3, XU Yong-Teng3, HE Wen-Ping3

1.GuangxiKeyLaboratoryofSuperiorTimberTreesResourceCultivation,GuangxiZhuangAutonomousRegionForestryResearchInstitute,KeyLaboratoryofCentralSouthFast-growingTimberCultivationofForestryMinistryofChina,Nanning530003,China; 2.GuangxiDaguishanStateForestryFarm,Hezhou542899,China; 3.Tian’eLinduoForestryFarm,Tian’e547300,China

Abstract:This study evaluated soil fertility in a forest utilized for timer production in Daguishan State Forest Farm using the Nemerow method. Soil pH, organic matter, total N, P and K, available N, P, K, Cu, Zn, B and Fe were selected as indicators. The coefficients of variation of these indicators ranged between 5.02%-65.69%. Organic matter content of the studied soil was moderately low with an average of 28.75 g/kg. Similarly, total N and available N were moderate or moderately high with averages of 1.64 g/kg and 135.5 mg/kg, respectively. However, P was very low with an average P2O5 content of 0.82 g/kg and an average available P content of 1.5 mg/kg. Average K2O and available K contents were 23.76 g/kg and 51.8 mg/kg, respectively, moderately low. Soil fertility of the forest could be considered as “nitrogen rich, low phosphorus and moderate potassium”. Trace elements were also variable; available Zn and Fe were 2.03 mg/kg and 32.11 mg/kg, respectively, suggesting moderate levels while available B and Cu were 0.18 mg/kg and 0.41 mg/kg, respectively, indicating low or very low levels. The integrated soil fertility index of Daguishan forest was 0.85. The fertility indices of eucalyptus and pine forests were 0.77 and 0.82, respectively, equivalent to grade Ⅲ, while fir forest had a fertility index of 0.90, equivalent to grade Ⅱ. It was found that soil fertility of the study area was mainly limited by available P, B and Cu.

Key words:available phosphorus; integrated soil fertility index; soil chemical properties; Nemerow method；forest soil

http://cyxb.lzu.edu.cn

鄧小軍， 陳曉龍， 唐健， 王會利， 韓華， 徐永騰， 何文平. 基于Nemerow法的森林土壤肥力綜合指數(shù)評價. 草業(yè)學(xué)報, 2016, 25(7): 34-41.

DENG Xiao-Jun, CHEN Xiao-Long, TANG Jian, WANG Hui-Li, HAN Hua, XU Yong-Teng, HE Wen-Ping. Assessment of forest soil fertility using an integrated index based on the Nemerow method. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(7): 34-41.