浙江省油茶土壤肥力評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集研究

韓素芳，程詩(shī)明，付金賢，屈明華，劉亞群，徐梁，成亮

（1.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；2.遂昌縣牛頭山林場(chǎng)，浙江 遂昌 323300；3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 亞熱帶林業(yè)研究所，國(guó)家林業(yè)和草原局經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心(杭州)，浙江 杭州 311400）

油茶Camellia o leifera，為山茶科Theaceae山茶屬Camellia常綠小喬木，種子油富含油酸、亞油酸等不飽和脂肪酸，是南方重要的木本食用油樹(shù)種。截至2015年底，浙江省油茶栽培面積為16.667萬(wàn)hm2，位居全國(guó)第4位，其中老油茶林面積有12.32萬(wàn)hm2，主產(chǎn)區(qū)農(nóng)民約70萬(wàn)人，戶(hù)均0.667 hm2，戶(hù)年均收入1萬(wàn)多元；麗水市和衢州市約占全省油茶總面積的80%，油茶是山區(qū)農(nóng)民增收致富的重要資源[1]。

合理施肥是提高油茶產(chǎn)量的有效措施[2-5]?，F(xiàn)階段油茶施肥存在忽視油茶立地條件對(duì)肥力的需求差異，忽視微量元素的作用，油茶土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)不成熟等問(wèn)題[6-7]。土壤肥力評(píng)價(jià)是土壤質(zhì)量研究的基礎(chǔ)，可以通過(guò)土壤肥力指標(biāo)來(lái)判斷，而土壤肥力指標(biāo)包含眾多時(shí)間、空間上存在顯著變異的化學(xué)、物理和生物指標(biāo)[8]。土壤肥力最小數(shù)據(jù)集是土壤肥力指標(biāo)中便于測(cè)定且是對(duì)土地利用和管理決策具有重要作用的指標(biāo)的集合，可用于快速了解土壤肥力的限制因子，其建構(gòu)常用的方法有主成分分析法、相關(guān)性分析法，Norm值提取指標(biāo)等[9-13]。本研究采用主成分分析法提取浙江省油茶主產(chǎn)區(qū)土壤肥力的最小數(shù)據(jù)集，為浙江省油茶土壤肥力評(píng)價(jià)因子的選取提供依據(jù)，以期為浙江省油茶低產(chǎn)林測(cè)土配方精準(zhǔn)施肥提供參考。

1 試驗(yàn)地情況

于2015-2016年于油茶成熟期（10月底-11月初），對(duì)浙江省油茶主產(chǎn)區(qū)6個(gè)地區(qū)20個(gè)縣（區(qū)、市）的油茶林進(jìn)行土壤調(diào)查采樣，每縣（區(qū)、市）選取1個(gè)具有代表性（40～50年樹(shù)齡，規(guī)模經(jīng)營(yíng)，每年進(jìn)行1～2次的除草等撫育管理）的普通油茶林作為樣區(qū)，記錄各樣區(qū)單位面積的茶油產(chǎn)量信息，各樣區(qū)地點(diǎn)和所處中心地理位置及茶油產(chǎn)量情況如表1。

表1 樣區(qū)情況Table 1 Sampling counties

2 材料和方法

2.1 樣品采集

在每個(gè)樣區(qū)至少設(shè)立3個(gè)采樣單元 （每個(gè)采樣單元面積在3～6 hm2）。在每個(gè)采樣單元內(nèi)部采用S形采樣法，選取15～20個(gè)樣點(diǎn)，采集0～40 cm剖面的混合土壤，每點(diǎn)采集樣品的質(zhì)量不少于500 g，充分混勻后采取四分法留取1～2 kg，裝入塑料袋，做好編號(hào)，登記樣品信息，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干。全省共采集樣品150個(gè)。

2.2 樣品檢測(cè)方法

土壤pH測(cè)定參照LY/T 1239-1999[14]，全N、水解性N測(cè)定參照LY/T 1228-2015[15]，全P、有效P的測(cè)定參照LY/T 1232-2015[16]，有機(jī)質(zhì)測(cè)定參照LY/T 1237-1999[17]，速效K測(cè)定參照LY/T 1234-2015[18]；有效Fe、Cu、Zn、Mn測(cè)定參照文獻(xiàn)[19]測(cè)定；交換性Ca、Mg測(cè)定參照LY/T1245-1999[20]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

茶油產(chǎn)量（kg·hm-2·a-1）為該樣區(qū)2015-2016年平均茶油產(chǎn)量。樣區(qū)內(nèi)各采樣單元的肥力測(cè)定結(jié)果平均值作為該樣區(qū)土壤肥力的檢測(cè)結(jié)果。利用SPSS數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)測(cè)定的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。

2.4 數(shù)據(jù)分析方法

2.4.1 全量數(shù)據(jù)集綜合指數(shù)

（1）內(nèi)梅羅單項(xiàng)肥力指數(shù)評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式為：

式中，Pi為土壤中某指標(biāo)i的內(nèi)梅羅單項(xiàng)肥力指數(shù)；Ci為土壤中某指標(biāo)i的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；Si為土壤中某指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)值。

（2）綜合肥力指數(shù)評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式為：

式中，P綜為土壤肥力綜合指數(shù)，Pi2min為單項(xiàng)肥力指數(shù)最小值平方，Pi2ave為土壤中所有肥力指數(shù)的平均值平方，n為土壤肥力指標(biāo)個(gè)數(shù)。

2.4.2 最小數(shù)據(jù)集的篩選 選擇主成分分析中高因子載荷指標(biāo)（因子載荷絕對(duì)值大于該主成分中最大因子載荷的90%），當(dāng)一個(gè)主成分高因子載荷指標(biāo)只有一個(gè)時(shí)，則該指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集；當(dāng)一個(gè)主成分高因子載荷指標(biāo)不止一個(gè)時(shí)，對(duì)其分別做相關(guān)性分析，若相關(guān)系數(shù)低（r< 0.4時(shí)），則兩個(gè)指標(biāo)都進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集；若相關(guān)系數(shù)高（r≥0.4），則相關(guān)系數(shù)之和最大的高因子載荷指標(biāo)進(jìn)入數(shù)據(jù)集[11]。

2.4.3 土壤肥力指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化 由于土壤有機(jī)質(zhì)、全N、水解性N等與作物生長(zhǎng)效應(yīng)曲線(xiàn)一般呈“S”形，因此本研究采用S型隸屬函數(shù)進(jìn)行肥力指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化。

式中，x1為肥力指標(biāo)的低臨界值，x2為肥力指標(biāo)的高臨界值，x為肥力指標(biāo)的測(cè)定值。

2.4.4 最小數(shù)據(jù)集肥力指數(shù)的建立 采用多元統(tǒng)計(jì)中的主成分分析法求得公因子方差，據(jù)此確定權(quán)重系數(shù)。根據(jù)如下公式計(jì)算土壤肥力指數(shù)（Integrated Fertility Index，IFI）。

式中，Wi為肥力指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，F(xiàn)i為肥力指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 全量數(shù)據(jù)集肥力指數(shù)構(gòu)建

采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法構(gòu)建全量數(shù)據(jù)集綜合肥力指數(shù)。根據(jù)樣區(qū)茶油年均產(chǎn)量，對(duì)土壤測(cè)定結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)，共劃分為≥150 kg·hm-2、75～150 kg·hm-2、< 75 kg·hm-2三個(gè)級(jí)別。具體劃分結(jié)果及各樣區(qū)土壤肥力狀況見(jiàn)表2至表4。由表可知，茶油年產(chǎn)量≥150 kg·hm-2的樣區(qū)有SA6、SA2及SA3等7個(gè)樣區(qū)；茶油年產(chǎn)量在 75～150 kg·hm-2的樣區(qū)有 SA9、SA15及 SA8等 8個(gè)樣區(qū)；茶油年產(chǎn)量<75 kg·hm-2的樣區(qū)有 SA18、SA5及SA14等5個(gè)樣區(qū)。

表2 茶油年均產(chǎn)量≥150 kg·hm-2樣區(qū)土壤肥力Table 2 Soil fertility of sampling counties with annual tea oil yield ≥ 150 kg/ha

表3 茶油年均產(chǎn)量75～150 kg·hm-2樣區(qū)土壤肥力Table 3 Soil fertility of sampling counties with annual tea oil yield of 75-150 kg/ha

表4 茶油年均產(chǎn)量<75 kg·hm-2樣區(qū)土壤肥力Table 4 Soil fertility of sampling counties with annual tea oil yield＜75 kg/ha

表5 各肥力指標(biāo)Si值Table 5 Standard value of fertility index

將茶油年產(chǎn)量處于中等水平（75～150 kg·hm-2）的各樣區(qū)土壤肥力的檢測(cè)結(jié)果平均值作為肥力指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值Si（見(jiàn)表5）。與NY/T 1 749-2009[21]中規(guī)定的南方地區(qū)耕地土壤肥力指標(biāo)Si相比，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10%的為有效Fe、有效Mn、全N、水解性N、速效K；相對(duì)偏差較大的為有效P、全P、有效Cu及有機(jī)質(zhì)。根據(jù)公式（1）及公式（2）計(jì)算Pi、P綜及P綜的標(biāo)準(zhǔn)偏差。各縣內(nèi)梅羅綜合指數(shù)如圖1所示。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)與單位面積茶油年產(chǎn)量的相關(guān)性分析結(jié)果顯示二者的相關(guān)系數(shù)為0.348，無(wú)顯著相關(guān)性。

圖1 各樣區(qū)單位面積茶油年產(chǎn)量及P綜Figure 1 Unit area tea oil yield and soil fertility composite index

3.2 最小數(shù)據(jù)集肥力指數(shù)構(gòu)建

3.2.1 全量數(shù)據(jù)集主成分分析 本研究對(duì)全N、全P、水解性N等13項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，求得主成分特征值和貢獻(xiàn)率，結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可以看出，前5個(gè)主成分（交換性Ca、交換性Mg、pH、速效K和全N）對(duì)于總方差的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了72.65%。由旋轉(zhuǎn)成分矩陣（表7）可知，決定主成分1大小的主要有交換性Ca、交換性Mg、速效K及pH，可歸類(lèi)為交換性養(yǎng)分。決定主成分2大小的主要有全N、有機(jī)質(zhì)及全P，可歸類(lèi)為全效養(yǎng)分。決定主成分3大小的主要為有效Cu、有效Zn和有效Mn，可歸類(lèi)為微量元素。決定主成分4的主要為水解性N和有效P，可歸類(lèi)為速效養(yǎng)分。決定主成分5的主要為有效Fe。主成分分析法提取的5個(gè)主成分具有農(nóng)學(xué)意義，可解釋全量的大多數(shù)變異。

3.2.2 最小數(shù)據(jù)集選擇 由表7的旋轉(zhuǎn)成分矩陣可知，主成分1中高因子載荷有交換性Ca、交換性Mg、pH及速效K。由表8相關(guān)性分析表明，交換性Ca及交換性Mg與其他指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)都均大于0.5，達(dá)到極顯著相關(guān)水平，且二者與其它指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)之和（交換性Ca 2.178，交換性Mg 2.228）也非常接近，因此，入選交換性Ca和交換性Mg均進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。主成分2中高因子載荷有全N及有機(jī)質(zhì)，二者相關(guān)系數(shù)為0.926，極顯著相關(guān)，且全N的因子載荷大于有機(jī)質(zhì)，因此，全N入選最小數(shù)據(jù)集。主成分3，主成分4及主成分5均只有一個(gè)高因子載荷，因此，有效Cu、有效P及有效Fe入選進(jìn)最小數(shù)據(jù)集。 由此得由以上分析表明，浙江省油茶土壤肥力評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集為全N、有效P、交換性Ca、交換性Mg、有效Cu及有效Fe 共6個(gè)指標(biāo)。

表7 旋轉(zhuǎn)成分矩陣Table 7 Rotation component matrix

表8 高因子載荷指標(biāo)相關(guān)性Table 8 Correlation of high factor loading index

3.2.3 最小數(shù)據(jù)集肥力指數(shù)建立 土壤全N、有效P、交換性Ca、交換性Mg、有效Cu及有效Fe與作物生長(zhǎng)之間呈拋物線(xiàn)形曲線(xiàn)關(guān)系，確定臨界值就可以把相應(yīng)的曲線(xiàn)轉(zhuǎn)化為折線(xiàn)函數(shù)[8]。本研究根據(jù)浙江林業(yè)土壤等相關(guān)文獻(xiàn)[22]及本次研究數(shù)據(jù)擬定臨界值（表 9）。根據(jù)公式（3）對(duì)最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化并做主成分分析，獲得各個(gè)指標(biāo)的公因子方差，利用公因子方差占總方差比例求得各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值（表10）。

表9 浙江省油茶土壤S形隸屬度函數(shù)臨界值Table 9 Critical values of S-shaped membership function of soil under C.oleifera plantation in Zhejiang province

表10 最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)權(quán)重值Table 10 Weight value of minimum data set

根據(jù)公式（4）計(jì)算各樣區(qū)的IFI，結(jié)果見(jiàn)表11。再對(duì)IFI與單位面積茶油年產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表 12。由表12可知，最小數(shù)據(jù)集肥力指數(shù)與單位面積茶油年產(chǎn)量之間呈顯著正相關(guān)，與全量數(shù)據(jù)集內(nèi)梅羅綜合指數(shù)之間呈極顯著正相關(guān)。

表11 最小數(shù)據(jù)集肥力指數(shù)Table11 Integrated fertility index of minimum data set

表12 全量數(shù)據(jù)集P綜、最小數(shù)據(jù)集肥力指數(shù)IFI及茶油產(chǎn)量之間的相關(guān)性系數(shù)Table 12 Correlation coefficient of soil fertility composite index, minimum data set fertility index and annual tea oil yield

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)浙江省油茶主產(chǎn)區(qū)20個(gè)樣區(qū)共計(jì)150個(gè)土壤樣品的全效、速效養(yǎng)分及中、微量元素等13個(gè)肥力指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，采用浙江省普通油茶中等茶油產(chǎn)量75～150 kg·hm-2·a-1（LY/T 1935-2011規(guī)定150 kg·hm-2·a-1以下為低產(chǎn)林）對(duì)應(yīng)樣區(qū)的肥力為基準(zhǔn)，制定了13項(xiàng)指標(biāo)的單項(xiàng)肥力指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，可作為油茶施肥的參考值。與NY/T 1749-2009[21]中規(guī)定的南方地區(qū)耕地土壤肥力指標(biāo)Si相比，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10%的為：有效Fe、有效Mn、全N、速效水解性N、速效K；偏差較大的為：有效P、全P、有效Cu及有機(jī)質(zhì)。浙江省油茶土壤有機(jī)質(zhì)含量大部分<30 g·kg-1，交換性鈣和鎂含量普遍<1 cmol·kg-1，有效P最高的含量為3.86 mg·kg-1，最小的含量為0.38 m g·kg-1。利用主成分分析法，選取高因子載荷指標(biāo)，構(gòu)建了包括全 N、有效P、交換性Ca、交換性Mg、有效Cu、有效Fe共6個(gè)指標(biāo)的浙江省油茶土壤肥力評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集，最小數(shù)據(jù)集肥力指數(shù)與單位面積茶油年產(chǎn)量間呈顯著正相關(guān)，與全量數(shù)據(jù)集內(nèi)梅羅綜合指數(shù)呈極顯著正相關(guān)。建立的最小數(shù)據(jù)集基本符合浙江省油茶林地紅壤肥力特性，并可為浙江省油茶土壤肥力評(píng)價(jià)因子的選取提供依據(jù)。

4.2 討論

精準(zhǔn)施肥管理是油茶低產(chǎn)林改造的重要技術(shù)措施，而土壤肥力評(píng)價(jià)則是施肥管理方案制定的基礎(chǔ)。以最小數(shù)據(jù)集構(gòu)建為基礎(chǔ)的土壤肥力評(píng)價(jià)則是選擇最能反映土壤質(zhì)量狀況及生產(chǎn)能力的指標(biāo)并對(duì)土壤質(zhì)量做出評(píng)判。最小數(shù)據(jù)集的構(gòu)成與作物類(lèi)型、土壤類(lèi)型及環(huán)境條件等密切相關(guān)[8]。近年，N、P、K等大量元素的施入在低產(chǎn)林改造中普遍得到重視，而中、微量元素的施入?yún)s尚未引起足夠重視。Ca、Mg、Cu、Fe是植物生長(zhǎng)發(fā)育必須的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)油茶Ca、Mg、Cu、Fe等元素吸收及積累特性的研究證明這些元素對(duì)促進(jìn)油茶生長(zhǎng)具有重要的作用[23-24]。交換性鈣、鎂含量是評(píng)價(jià)油茶林地土壤肥力的指標(biāo)。有關(guān)研究證明，缺鈣、鎂、鐵時(shí)，油茶苗高生長(zhǎng)降低[22]。數(shù)據(jù)集未包含元素K，可能與K素對(duì)單位面積茶油年產(chǎn)量的影響未達(dá)到顯著水平有關(guān)[25]。在油茶林地的施肥管理過(guò)程中，可重點(diǎn)監(jiān)測(cè)全N、有效P、交換性Ca、交換性Mg、有效Cu、有效Fe這6個(gè)指標(biāo)，結(jié)合其肥力指標(biāo)Si值，對(duì)樣區(qū)土壤肥力進(jìn)行盈缺評(píng)價(jià)并制定施肥方案。土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題，本研究檢測(cè)的數(shù)據(jù)建立在浙江油茶林地養(yǎng)分普查性質(zhì)基礎(chǔ)上，構(gòu)建的土壤肥力最小數(shù)據(jù)集可為浙江省油茶低產(chǎn)林測(cè)土配方精準(zhǔn)施肥提供應(yīng)用參考。