基于空間分析的桉樹人工林土壤肥力評價

潘會彪，鄧明軍，黃慶一，石媛媛，李典云，蔣琳

(1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院，廣西 南寧 530002；2.廣西壯族自治區(qū)煙草公司，廣西 南寧 530022；3.廣西國有黃冕林場，廣西 鹿寨 545600)

土壤肥力是土壤基本性質(zhì)的綜合表現(xiàn)，是土壤作為自然資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的物質(zhì)資源，也是土壤為植物生長提供、協(xié)調(diào)營養(yǎng)條件和環(huán)境條件的能力，直接影響著林木的分布和生長[1]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤是維持林木健康生長的基礎，其肥力特征影響并控制著林木的健康狀況[2-5]。因此，只有正確認識和合理評價林木土壤肥力，才能科學、有效地管理林木，從而提高林木的品質(zhì)，促進林木產(chǎn)業(yè)的效益提升。

近年來，由于過分注重產(chǎn)出，重用輕養(yǎng)，林地質(zhì)量監(jiān)管不利等造成林地土壤肥力呈下降趨勢，突出表現(xiàn)為土壤退化、養(yǎng)分不平衡、表層變淺等問題[6-9]。不合理經(jīng)營所造成林地生產(chǎn)力的嚴重退化，森林經(jīng)營過程中土壤狀況的動態(tài)變化越來越為國內(nèi)外林學專家和森林經(jīng)營者所重視[10-11]，短輪伐期經(jīng)營，導致土壤有機質(zhì)的量和質(zhì)發(fā)生下降，土壤性質(zhì)惡化，林地養(yǎng)分輸出大于輸入，養(yǎng)分循環(huán)發(fā)生障礙，土壤質(zhì)量下降尤為明顯，直接導致中國人工林生長量逐代大幅度下降。土壤質(zhì)量下降，土壤性質(zhì)惡化，已嚴重威脅著中國人工林的可持續(xù)經(jīng)營[12]。開展人工林土壤肥力性質(zhì)變化的研究，對揭示人工林土壤肥力演變規(guī)律與趨勢，維護、保持以至提高人工林土壤肥力，促進人工林的可持續(xù)發(fā)展有著極其重要的意義。

有關人工林土壤肥力的研究很多。有學者認為，隨著林齡、種植代數(shù)增加，人工林土壤物理性質(zhì)和化學性質(zhì)趨于下降[13-14]，連栽和短輪伐期經(jīng)營制度是導致林地養(yǎng)分衰竭和綜合肥力下降的主要原因[15-16]。還有學者研究不同經(jīng)營模式對人工林土壤肥力的影響，結果表明混交林地比純林地更利于改善土壤肥力，灌木林的土壤物理化學性質(zhì)總體要優(yōu)于喬木林和流沙地[17-18]。有關桉樹人工林土壤肥力的研究有很多，普遍認為桉樹林地土壤肥力總體水平較低，隨著經(jīng)營代數(shù)的增加，桉樹人工林土壤養(yǎng)分入不敷出的現(xiàn)象越來越嚴重，氮、磷、鉀缺乏且有效性較差，微量元素銅、鋅、硼等也都普遍處在缺乏或極缺乏水平，以硼的缺乏最為突出[19-20]。本文利用空間分析方法，從區(qū)域化的角度分析人工林地土壤養(yǎng)分分布現(xiàn)狀，并結合森林資源規(guī)劃數(shù)據(jù)，確定區(qū)域性養(yǎng)分分級指標和權重，進而對研究區(qū)土壤肥力進行綜合評價，為研究區(qū)人工林的森林經(jīng)營提供土壤改良措施及建議。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西國營黃冕林場，109°43′46″-109°58′18″E，24°37′25″-24°52′11″N，屬丘陵低山地貌。試驗地光照充足，水熱同季，土壤主要以砂頁發(fā)育而成的山地黃紅壤為主，適宜桉樹人工林生長。廣西黃冕林場桉樹人工林場內(nèi)造林面積達8 666.67hm2，占全場用材林樹種面積的80%。

1.2 土壤樣品采集及分析

結合黃冕林場場內(nèi)造林部分林地面積及林木分布特征，按照平均網(wǎng)格法，設置135個土壤取樣控制點，以控制點坐落的小班作為1個樣地，每個采樣地采取 S 型分布采樣點的方式設置5個剖面，每個土壤剖面0-40cm混合取樣，每個樣地取等量混合成1個土樣并對土壤樣點進行養(yǎng)分分析(圖1)。測定土壤pH、有機質(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。

1.3 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)勢樹種、林齡、森林蓄積等。并對研究區(qū)數(shù)據(jù)進行提取、坐標轉(zhuǎn)換等前處理。

結合土壤取樣點坐標數(shù)據(jù)，將森林規(guī)劃數(shù)據(jù)和取樣點數(shù)據(jù)的坐標系轉(zhuǎn)換一致，選取研究區(qū)內(nèi)速生桉種植小班作為研究對象，根據(jù)森林規(guī)劃數(shù)據(jù)里的“優(yōu)勢樹種”字段提取該研究區(qū)速生桉小班分布。

1.4 土壤養(yǎng)分分級標準計算方法

土壤養(yǎng)分分級指標，指示該區(qū)域土壤養(yǎng)分的豐缺，是評價土壤養(yǎng)分水平的重要依據(jù)，本文根據(jù)近似相對生長量法計算區(qū)域土壤養(yǎng)分分級指標[21]。

1.5 插值方法

利用數(shù)據(jù)的正態(tài)分布用Kolmogorov-Smimov檢驗法(KS法)檢驗，半方差分析采用軟件GS+9.0，SPSS 19.0 進行基本統(tǒng)計分析，利用軟件Minitab 16進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，利用普通克立格差值方法進行空間預測，最后通過ArcGIS輸出制圖。

1.6 評價方法

利用主成分分析法計算不同土壤養(yǎng)分指標的權重，采用指數(shù)和法[22-23]對土壤養(yǎng)分進行適宜性評價分析，指數(shù)和法的運算公式為，P=a1x1+a2x2+……+anxn，式中P為指數(shù)和；a1,a2,……,an為各評價因素權重；x1,x2,…,xn為各評價指標質(zhì)量等級分值。文中，a1、a2、a3、a4分別代表土壤堿解氮、速效鉀、有效磷、有機質(zhì)含量，x1、x2、x3、x4分別為其對應分值。

圖1 研究區(qū)取樣點位置

2 結果與分析

2.1 養(yǎng)分空間分布的插值結果

為更直觀地了解研究區(qū)土壤養(yǎng)分整體分布情況，對場內(nèi)部分土壤pH、有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量進行空間分析，結果見圖2a-圖2e。

土壤pH的插值結果見圖2a，土壤pH整體差異不大，呈酸性，集中在4.39-4.64之間，盤龍分場和沙塘分場值相對其他幾個分場值稍高。土壤有機質(zhì)的插值結果見圖2b，土壤有機質(zhì)含量在21.97-39.46g/kg之間，沙塘分場土壤有機質(zhì)含量相對稍低，其他幾個分場相對較高。土壤堿解氮含量的插值結果見圖2c，土壤堿解氮含量在97.18-171.84mg/kg之間，盤龍分場、沙塘分場和板勒分場的部分區(qū)域土壤堿解氮含量相對較低，其他區(qū)域相對較高。土壤速效鉀含量的插值結果見圖2d，場內(nèi)土壤速效鉀含量分布差異性較大，整體含量在26.29-184.98mg/kg之間，其中洛清江分場和板勒分場的部分區(qū)域土壤速效鉀含量相對較高，其他區(qū)域相對較低。土壤有效磷含量的插值結果見圖2e，場內(nèi)土壤有效磷含量分布在1.32-3.09mg/kg之間，其中洛清江、板勒分場、波寨分場的部分區(qū)域土壤有效磷含量相對較高，其他區(qū)域相對較低。

2.2 區(qū)域性林地土壤養(yǎng)分等級標準的確定

以桉樹為目標樹種，進行林地土壤養(yǎng)分評價，速生樹種生長發(fā)育對養(yǎng)分的需求主要依賴土壤中可利用的氮、磷、鉀，因此，在確定該區(qū)域林地土壤養(yǎng)分分級標準的過程中，使用研究區(qū)桉樹小班蓄積量數(shù)據(jù)與對應小班土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量平均數(shù)據(jù)計算研究區(qū)土壤養(yǎng)分分級標準。根據(jù)計算出的區(qū)域性養(yǎng)分等級標準，對大量養(yǎng)分中的土壤堿解氮、速效鉀和有效磷進行等級劃分，同時，利用主成分分析法對各指標進行權重計算，結果見表1。根據(jù)表1的區(qū)域化養(yǎng)分等級劃分標準，對比圖2的分析結果，黃冕林場的土壤有機質(zhì)和堿解氮含量在中低水平，速效鉀含量空間差異比較大，從低到高均有分布，土壤有效磷含量水平較低。

圖2 土壤養(yǎng)分空間分析

圖3 黃冕林場林地肥力等級劃分

2.3 區(qū)域土壤肥力等級劃分

根據(jù)上文研究結果中的養(yǎng)分等級劃分指標，將研究區(qū)土壤堿解氮、速效鉀、有效磷、有機質(zhì)含量進行等級劃分，從“很低”到“很高”依次賦值1、2、3、4、5(表1)。利用指數(shù)和法，結合各養(yǎng)分指標對桉樹生長的權重，進行區(qū)域內(nèi)桉樹種植土壤肥力等級劃分研究，結果見圖3。將黃冕林場場內(nèi)部分劃分為“Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ”3個等級，分別代表土壤肥力的“低、中、高”。沙塘分場和盤龍分場的大部分區(qū)域肥力等級為低，只有洛清江分場和板勒分場的小部分區(qū)域肥力等級為高，其他區(qū)域肥力等級中等。生產(chǎn)中，可以根據(jù)該肥力等級結果進行針對性的施肥以改善桉樹種植區(qū)養(yǎng)分狀況。

2.4 土壤微量元素含量情況

為更全面地了解黃冕林場土壤營養(yǎng)狀況，對各分場及環(huán)江造林區(qū)域土壤樣點的微量元素進行統(tǒng)計分析，由于此次重點了解桉樹種植區(qū)的肥力情況，選擇有效銅、有效鋅、有效硼3個與桉樹生長相關較為密切的微量元素進行分析及評價，根據(jù)全國第二次土壤普查分類標準，評價結果見表2。由表2可以看出，各分場有效銅和有效硼含量處于貧或極貧的水平，洛清江分場的土壤有效鋅含量中等，其他幾個分場土壤有效鋅含量貧或極貧?？傮w來說，各分場土壤有效銅、有效鋅、有效硼較為缺乏，在施肥推薦方案中可適量添加銅、鋅和硼等微量元素。

表2 微量元素狀況及評價

3 結論與討論

本次調(diào)查黃冕林場土壤養(yǎng)分狀況，主要從空間的角度對黃冕林場進行整體的養(yǎng)分含量分布情況進行分析，并結合桉樹生長量數(shù)據(jù)和二調(diào)數(shù)據(jù)對黃冕林場的土壤肥力進行區(qū)域化評價，將黃冕林場土壤分為高、中、低3個肥力水平區(qū)，同時對微量元素進行評價，為研究區(qū)土壤養(yǎng)分管理提供理論依據(jù)。從黃冕林場林地土壤養(yǎng)分狀況的評價結果發(fā)現(xiàn)，土壤pH整體差異不大，呈酸性，集中在4.39-4.64之間，土壤有機質(zhì)含量在21.97-39.46g/kg之間，土壤堿解氮含量在97.18-171.84mg/kg之間，土壤速效鉀含量分布差異性較大，整體含量為26.29-184.98mg/kg，土壤有效磷含量分布在1.32-3.09mg/kg之間。根據(jù)區(qū)域養(yǎng)分等級劃分標準，土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量的范圍均在中等以上水平，而土壤有效磷含量水平為極低。

廖善剛等[24]研究表明，隨著桉樹林齡的增加，對磷的需要量增加，隨林齡的增加，磷的吸收量大于歸還量，如果沒有有效補給，桉樹連栽會導致土壤有效磷含量降低。另有研究表明[25]，廣西林地土壤有效磷含量普遍偏低，缺磷導致樹體對氮的吸收受阻，因此，土壤有效磷缺乏很可能限制桉樹生長，是研究區(qū)桉樹生長的主要限制因子。有效磷含量過低有可能是因為土壤中磷含量低，或者是土壤中被固定的有效態(tài)磷過多，針對該問題，生產(chǎn)經(jīng)營中，應采取措施釋放土壤中被固定的磷素而不是單單靠施磷肥來解決，可以引入生物菌肥，將土壤中固定態(tài)的磷分解轉(zhuǎn)化成速效磷，促進桉樹對磷的吸收。

各分場有效銅和有效硼含量處于貧或極貧的水平，洛清江分場的土壤有效鋅含量中等，其他幾個分場土壤有效鋅含量貧或極貧。黃金義等[26]研究表明，桉樹幼林的梢枯病就是由于缺乏微量元素硼而引起的一種生理性病害。缺硼造成桉樹枝梢頂端枯死，影響植株的生長。研究區(qū)林地中，有效硼極度缺乏，需要重點補充?？傮w來說，各分場土壤有效銅、有效鋅、有效硼較為缺乏，養(yǎng)分管理中應適量添加。

區(qū)域性林地土壤肥力等級評價結果表明，沙塘分場和盤龍分場的大部分區(qū)域肥力等級為低，只有洛清江分場和板勒分場的小部分區(qū)域肥力等級為高，其他區(qū)域肥力等級中等。經(jīng)營生產(chǎn)中，建議根據(jù)肥力等級結果對不同肥力等級區(qū)制定適宜的施肥配方，增施有機肥，有針對性地改善桉樹種植區(qū)土壤養(yǎng)分狀況。

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