華南沿海地區(qū)林地土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性研究*

鄭 妍 江 瑤 孫冬曉 齊 也 張中瑞

（1. 廣東省嶺南綜合勘察設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510663；2. 廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520）

森林土壤是維持林木生長發(fā)育的基質(zhì)，土壤養(yǎng)分狀況反映了林地供應(yīng)林木生長所需營養(yǎng)物質(zhì)的能力[1]。但土壤養(yǎng)分受到成土母質(zhì)、氣候條件、地形因素、植被類型、人為干擾等影響，往往具有高度的空間異質(zhì)性[2]。土壤養(yǎng)分的空間分布通常直接關(guān)系到森林的生長與健康，是森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)、可持續(xù)經(jīng)營的重要影響因素[3-4]。因此，開展森林土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的研究不僅對(duì)了解影響土壤變異的因素有重要參考價(jià)值，還對(duì)于合理利用土壤資源、建立良性循環(huán)的森林生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。

華南沿海地區(qū)是我國磚紅壤、赤紅壤集中分布區(qū)域，自然地理?xiàng)l件優(yōu)越，森林資源豐富。近年來，由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)飛速發(fā)展，人口密度不斷增大，人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)林地的干擾問題越來越嚴(yán)重，改變了土壤養(yǎng)分空間分布，影響了土壤資源的利用和森林質(zhì)量的提升。系統(tǒng)研究區(qū)域森林土壤空間異質(zhì)性，探究其養(yǎng)分豐缺狀態(tài)及其分布規(guī)律，對(duì)有效利用土壤養(yǎng)分和提高林地生產(chǎn)力具有重要意義[5]。因此，本研究以華南沿海地區(qū)林地土壤為對(duì)象，通過野外調(diào)查采樣和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)其土壤養(yǎng)分進(jìn)行測(cè)定與分析，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究林地土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性，以期為林地土壤肥力的提高和森林可持續(xù)經(jīng)營提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于華南沿海地區(qū)珠海市南部的橫琴島，是珠海146 個(gè)海島中最大的一個(gè)，面積為106.46 km2，南面瀕臨南海，西面與珠海西區(qū)一衣帶水，東面與澳門一橋相通。該研究區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)區(qū)，氣候溫和濕潤，年平均氣溫22-23 ℃，年平均降水量2 015.9 mm。地貌類型主要有低山、丘陵、灘涂。土壤類型包括紅壤、赤紅壤、石質(zhì)土、海濱沙土、鹽漬沼澤土、沖積土等。

1.2 調(diào)查及采樣方法

采用典型抽樣法布設(shè)樣點(diǎn)，根據(jù)研究區(qū)森林植被、地形、氣候特征、前期調(diào)查屬性變異性，設(shè)定顯著性水平P＜0.05，確定樣本基本數(shù)量（本研究n=30），通過無人機(jī)踏查及各調(diào)查專題點(diǎn)的高分辨率DEM 衍生數(shù)據(jù)提取，確定土壤樣點(diǎn)布設(shè)位置及調(diào)查線路。

對(duì)研究區(qū)林地土壤進(jìn)行樣點(diǎn)調(diào)查、樣品采集、編碼及初步制備等。將布設(shè)樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)定位到林相圖上的地籍小班，根據(jù)樣點(diǎn)布設(shè)要求信息，在誤差允許范圍內(nèi)（所在小班距離樣點(diǎn)坐標(biāo)半徑100 m 以內(nèi)）選擇符合樣點(diǎn)布設(shè)要求信息并具有代表性的區(qū)域挖掘3 個(gè)剖面，剖面水平間距不小于10 m。剖面坑長1.2～1.5 m，寬0.8～1.0 m，剖面深度到母質(zhì)或母巖或地下水，土層較厚時(shí)應(yīng)深達(dá)1.0 m。每個(gè)剖面分5 層取樣，由下至上依次為80～100 cm，60～80 cm，40～60 cm，20～40 cm 和0～20 cm，混合均勻，每個(gè)樣品不少于500 g，每個(gè)樣點(diǎn)3 個(gè)剖面共采集樣品5 層/個(gè)×3 個(gè)（剖面）=15 份。土壤樣品及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干、過篩、分析土壤樣品的化學(xué)性質(zhì)。

1.3 指標(biāo)測(cè)定方法

土壤樣品理化性質(zhì)分析與測(cè)定方法為：土樣的有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定；全氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；全磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀含量采用火焰光度法測(cè)定[6]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用 K-S 檢驗(yàn)法檢驗(yàn)（顯著水平α=0.05）數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布。采用 SPSS 18.0 對(duì)土壤養(yǎng)分的均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)等描述性統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行分析。依據(jù)全國第二次土壤普查規(guī)定的土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[7]，對(duì)研究區(qū)林地土壤養(yǎng)分的空間分布狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)工具GS+ 9.0 分析對(duì)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)做半變異函數(shù)分析[8]，再利用Arc-Gis10.7 軟件進(jìn)行克里金空間插值[9]得到土壤養(yǎng)分空間分布特征圖，可直觀地展現(xiàn)土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)特征分析

研究區(qū)林地土壤養(yǎng)分的描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 1。參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可知土壤有機(jī)碳含量處于中等水平，全鉀含量極高，全氮含量中等偏高，全磷的含量極低。有機(jī)碳、全氮、全鉀的變異系數(shù)（CV）均表現(xiàn)為中等程度變異（0.1 ≤CV ≤1.0），全磷含量表現(xiàn)為強(qiáng)變異程度。變異系數(shù)依次為全磷＞全氮＞全鉀＞有機(jī)碳。在顯著水平 α=0.05 的單樣本 K-S 檢驗(yàn)水平下，均符合正態(tài)分布。

2.2 空間變異特征

研究區(qū)林地土壤養(yǎng)分半變異函數(shù)理論模型擬合結(jié)果及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。除有機(jī)碳外，其他元素R2均在0.89-0.99 之間，RSS 均較小，說明各變量最佳模型擬合度較高，能很好地反映各土壤養(yǎng)分的空間結(jié)構(gòu)特征。其中，有機(jī)碳的半變異函數(shù)最優(yōu)擬合模型為指數(shù)模型，全氮為高斯模型，全磷為球狀模型，全鉀為線性模型。研究區(qū)林地土壤全磷空間異質(zhì)性中隨機(jī)變異占系統(tǒng)總變異的比例為11.8%，表明土壤全磷含量在研究區(qū)內(nèi)具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性。由隨機(jī)變異引起的土壤有機(jī)碳和全氮空間異質(zhì)性比例為35.4%、31.2%，表明具有中等的空間自相關(guān)性。全鉀的塊金比為1，說明空間自相關(guān)性極弱。有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀的變程相近且均較小，其中全磷變程最小，有機(jī)碳變程最大，說明全磷的自相關(guān)范圍最小，有機(jī)碳的自相關(guān)范圍最大。

表1 華南沿海地區(qū)林地土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)特征Tab.1 Descriptive statistical characteristics of soil nutrients in forestland in coastal areas of South China

表 2 華南沿海地區(qū)林地土壤養(yǎng)分半變異函數(shù)模型結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of the semivariogram model of soil nutrients in forestland in coastal areas of South China

圖1 華南沿海地區(qū)林地土壤養(yǎng)分半變異函數(shù)Fig.1 Semivariogram of soil nutrients in forestland in coastal areas of South China

圖2 華南沿海地區(qū)林地土壤養(yǎng)分空間分布特征Fig.2 Spatial distribution of soil nutrients in forestland in coastal areas of South China

2.3 空間分布特征

研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量的空間分布見如圖2。林地土壤有機(jī)碳含量基本高于10 g/kg，處于中等水平。其中，西北局部區(qū)域土壤有機(jī)碳含量相對(duì)較高，東北部分區(qū)域有機(jī)碳含量相對(duì)較低。研究區(qū)林地土壤有機(jī)碳含量空間變異規(guī)律明顯，呈現(xiàn)自西向東呈逐漸降低的趨勢(shì)。依據(jù)土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)林地土壤全氮含量中等偏高，整體處于0.75～1.0 g/kg 的中等水平，西北局部區(qū)域含量高達(dá)1.0 ～1.5 g/kg，東北部分區(qū)域全氮含量相對(duì)較低。整體來看，研究區(qū)林地土壤全氮含量自西向東呈逐漸降低的空間格局。全磷的含量較為貧乏，西南部分區(qū)域全磷含量略超過0.20 g/kg，其它區(qū)域均在0.20 g/kg 以下的極低水平?？臻g變異規(guī)律明顯，整體呈現(xiàn)自西南向東北逐漸降低的趨勢(shì)。全鉀含量豐富，西部區(qū)域全鉀含量處于20～25 g/ kg 的含量較高水平，其它區(qū)域均處于高于25 g/kg 的含量極高水平?？傮w分布格局是西北低東南高，高值區(qū)主要分布在東南角，次高值主要分布在東南部分及東部部分區(qū)域，中等值主要分布在中部絕大部分區(qū)域，低含量區(qū)域主要分布在西北局部區(qū)域及西部部分區(qū)域。

3 結(jié)論與討論

研究區(qū)土壤全磷空間異質(zhì)性明顯，整體呈現(xiàn)自西南向東北逐漸降低的趨勢(shì)。全磷屬于強(qiáng)變異程度，半變異函數(shù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)林地土壤全磷空間異質(zhì)性中隨機(jī)變異占系統(tǒng)總變異的比例為11.8%，表明土壤全磷含量在研究區(qū)內(nèi)具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性，且全磷的自相關(guān)范圍最小，說明在土壤全磷空間異質(zhì)性中，隨機(jī)因素的影響很小，占據(jù)主要作用的是地形、土壤母質(zhì)、氣候等結(jié)構(gòu)性因素[10]。磷素南方地區(qū)影響林業(yè)生產(chǎn)力的常見限制因子[11]，本研究中磷素含量也處于極其缺乏狀態(tài)。因此，在后續(xù)的森林經(jīng)營中應(yīng)加強(qiáng)施肥管理，尤其要施加磷肥。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)土壤磷素含量受到土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響[12]，因此也可以通過增施有機(jī)肥，改善土壤中可被植物利用的磷素。

土壤全鉀含量豐富，空間變異規(guī)律明顯，總體分布格局是西北低東南高。從變異系數(shù)來看，全鉀含量屬于中等變異，塊金比較大，說明空間自相關(guān)性弱，其變異主要是由隨機(jī)因素如人為干擾或測(cè)定誤差引起的。曹以群[13]對(duì)土壤養(yǎng)分空間變異的研究也發(fā)現(xiàn)土壤全鉀的空間自相關(guān)性很弱，有朝著均一化方向發(fā)展的趨勢(shì)，且主要受人為因素影響。不同林地的施肥管理措施不同，土壤養(yǎng)分的空間分布亦不同，在林業(yè)經(jīng)營管理中要針對(duì)鉀素的含量格局，科學(xué)地使用鉀肥來提高其利用效率。

全氮和有機(jī)碳含量處于中等水平，兩者的空間變異特征比較相似，均呈現(xiàn)自西向東呈逐漸降低的趨勢(shì)。兩者變異系數(shù)均處中等水平，這種變異可能是由結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同作用的結(jié)果。其中，由隨機(jī)變異引起的土壤有機(jī)碳和全氮空間異質(zhì)性比例接近，分別為35.4%、31.2%，均具有中等程度的空間自相關(guān)性，說明隨機(jī)因素如管理施肥措施、采伐、實(shí)驗(yàn)誤差等對(duì)這些養(yǎng)分的影響較大。這與已有研究對(duì)全氮含量空間分布特征的研究結(jié)果一致[14]，張文敏等[15]學(xué)者也發(fā)現(xiàn)不同土地利用方式和不同圍墾時(shí)期等隨機(jī)因素會(huì)增加土壤有機(jī)碳的空間變異性。全氮和有機(jī)碳空間變異的相似性在其他研究中也有提及，如張燕江等[16]研究表明土壤全氮空間分布特征主要受有機(jī)碳的影響，王淑彬等[17]認(rèn)為全氮含量與有機(jī)質(zhì)含量具有很強(qiáng)的相關(guān)性，有機(jī)質(zhì)是全氮的主要來源。土壤碳氮是土壤肥力的核心，與林地生產(chǎn)力密切相關(guān)，研究區(qū)的土壤施肥管理應(yīng)注意維持穩(wěn)定的碳氮水平。