基于空间分析的桉树人工林土壤肥力评价

潘会彪，邓明军，黄庆一，石媛媛，李典云，蒋琳

(1.广西壮族自治区林业科学研究院，广西 南宁 530002；2.广西壮族自治区烟草公司，广西 南宁 530022；3.广西国有黄冕林场，广西 鹿寨 545600)

土壤肥力是土壤基本性质的综合表现，是土壤作为自然资源和农业生产资料的物质资源，也是土壤为植物生长提供、协调营养条件和环境条件的能力，直接影响着林木的分布和生长[1]。在森林生态系统中，土壤是维持林木健康生长的基础，其肥力特征影响并控制着林木的健康状况[2-5]。因此，只有正确认识和合理评价林木土壤肥力，才能科学、有效地管理林木，从而提高林木的品质，促进林木产业的效益提升。

近年来，由于过分注重产出，重用轻养，林地质量监管不利等造成林地土壤肥力呈下降趋势，突出表现为土壤退化、养分不平衡、表层变浅等问题[6-9]。不合理经营所造成林地生产力的严重退化，森林经营过程中土壤状况的动态变化越来越为国内外林学专家和森林经营者所重视[10-11]，短轮伐期经营，导致土壤有机质的量和质发生下降，土壤性质恶化，林地养分输出大于输入，养分循环发生障碍，土壤质量下降尤为明显，直接导致中国人工林生长量逐代大幅度下降。土壤质量下降，土壤性质恶化，已严重威胁着中国人工林的可持续经营[12]。开展人工林土壤肥力性质变化的研究，对揭示人工林土壤肥力演变规律与趋势，维护、保持以至提高人工林土壤肥力，促进人工林的可持续发展有着极其重要的意义。

有关人工林土壤肥力的研究很多。有学者认为，随着林龄、种植代数增加，人工林土壤物理性质和化学性质趋于下降[13-14]，连栽和短轮伐期经营制度是导致林地养分衰竭和综合肥力下降的主要原因[15-16]。还有学者研究不同经营模式对人工林土壤肥力的影响，结果表明混交林地比纯林地更利于改善土壤肥力，灌木林的土壤物理化学性质总体要优于乔木林和流沙地[17-18]。有关桉树人工林土壤肥力的研究有很多，普遍认为桉树林地土壤肥力总体水平较低，随着经营代数的增加，桉树人工林土壤养分入不敷出的现象越来越严重，氮、磷、钾缺乏且有效性较差，微量元素铜、锌、硼等也都普遍处在缺乏或极缺乏水平，以硼的缺乏最为突出[19-20]。本文利用空间分析方法，从区域化的角度分析人工林地土壤养分分布现状，并结合森林资源规划数据，确定区域性养分分级指标和权重，进而对研究区土壤肥力进行综合评价，为研究区人工林的森林经营提供土壤改良措施及建议。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西国营黄冕林场，109°43′46″-109°58′18″E，24°37′25″-24°52′11″N，属丘陵低山地貌。试验地光照充足，水热同季，土壤主要以砂页发育而成的山地黄红壤为主，适宜桉树人工林生长。广西黄冕林场桉树人工林场内造林面积达8 666.67hm2，占全场用材林树种面积的80%。

1.2 土壤样品采集及分析

结合黄冕林场场内造林部分林地面积及林木分布特征，按照平均网格法，设置135个土壤取样控制点，以控制点坐落的小班作为1个样地，每个采样地采取 S 型分布采样点的方式设置5个剖面，每个土壤剖面0-40cm混合取样，每个样地取等量混合成1个土样并对土壤样点进行养分分析(图1)。测定土壤pH、有机质、碱解氮、速效钾、有效磷、交换性钙、交换性镁、有效铜、有效锌、有效硼、有效铁含量。

1.3 森林资源规划数据

收集近期森林资源规划数据，包括研究区行政边界、优势树种、林龄、森林蓄积等。并对研究区数据进行提取、坐标转换等前处理。

结合土壤取样点坐标数据，将森林规划数据和取样点数据的坐标系转换一致，选取研究区内速生桉种植小班作为研究对象，根据森林规划数据里的“优势树种”字段提取该研究区速生桉小班分布。

1.4 土壤养分分级标准计算方法

土壤养分分级指标，指示该区域土壤养分的丰缺，是评价土壤养分水平的重要依据，本文根据近似相对生长量法计算区域土壤养分分级指标[21]。

1.5 插值方法

利用数据的正态分布用Kolmogorov-Smimov检验法(KS法)检验，半方差分析采用软件GS+9.0，SPSS 19.0 进行基本统计分析，利用软件Minitab 16进行数据转换，利用普通克立格差值方法进行空间预测，最后通过ArcGIS输出制图。

1.6 评价方法

利用主成分分析法计算不同土壤养分指标的权重，采用指数和法[22-23]对土壤养分进行适宜性评价分析，指数和法的运算公式为，P=a1x1+a2x2+……+anxn，式中P为指数和；a1,a2,……,an为各评价因素权重；x1,x2,…,xn为各评价指标质量等级分值。文中，a1、a2、a3、a4分别代表土壤碱解氮、速效钾、有效磷、有机质含量，x1、x2、x3、x4分别为其对应分值。

图1 研究区取样点位置

2 结果与分析

2.1 养分空间分布的插值结果

为更直观地了解研究区土壤养分整体分布情况，对场内部分土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量进行空间分析，结果见图2a-图2e。

土壤pH的插值结果见图2a，土壤pH整体差异不大，呈酸性，集中在4.39-4.64之间，盘龙分场和沙塘分场值相对其他几个分场值稍高。土壤有机质的插值结果见图2b，土壤有机质含量在21.97-39.46g/kg之间，沙塘分场土壤有机质含量相对稍低，其他几个分场相对较高。土壤碱解氮含量的插值结果见图2c，土壤碱解氮含量在97.18-171.84mg/kg之间，盘龙分场、沙塘分场和板勒分场的部分区域土壤碱解氮含量相对较低，其他区域相对较高。土壤速效钾含量的插值结果见图2d，场内土壤速效钾含量分布差异性较大，整体含量在26.29-184.98mg/kg之间，其中洛清江分场和板勒分场的部分区域土壤速效钾含量相对较高，其他区域相对较低。土壤有效磷含量的插值结果见图2e，场内土壤有效磷含量分布在1.32-3.09mg/kg之间，其中洛清江、板勒分场、波寨分场的部分区域土壤有效磷含量相对较高，其他区域相对较低。

2.2 区域性林地土壤养分等级标准的确定

以桉树为目标树种，进行林地土壤养分评价，速生树种生长发育对养分的需求主要依赖土壤中可利用的氮、磷、钾，因此，在确定该区域林地土壤养分分级标准的过程中，使用研究区桉树小班蓄积量数据与对应小班土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量平均数据计算研究区土壤养分分级标准。根据计算出的区域性养分等级标准，对大量养分中的土壤碱解氮、速效钾和有效磷进行等级划分，同时，利用主成分分析法对各指标进行权重计算，结果见表1。根据表1的区域化养分等级划分标准，对比图2的分析结果，黄冕林场的土壤有机质和碱解氮含量在中低水平，速效钾含量空间差异比较大，从低到高均有分布，土壤有效磷含量水平较低。

图2 土壤养分空间分析

图3 黄冕林场林地肥力等级划分

2.3 区域土壤肥力等级划分

根据上文研究结果中的养分等级划分指标，将研究区土壤碱解氮、速效钾、有效磷、有机质含量进行等级划分，从“很低”到“很高”依次赋值1、2、3、4、5(表1)。利用指数和法，结合各养分指标对桉树生长的权重，进行区域内桉树种植土壤肥力等级划分研究，结果见图3。将黄冕林场场内部分划分为“Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ”3个等级，分别代表土壤肥力的“低、中、高”。沙塘分场和盘龙分场的大部分区域肥力等级为低，只有洛清江分场和板勒分场的小部分区域肥力等级为高，其他区域肥力等级中等。生产中，可以根据该肥力等级结果进行针对性的施肥以改善桉树种植区养分状况。

2.4 土壤微量元素含量情况

为更全面地了解黄冕林场土壤营养状况，对各分场及环江造林区域土壤样点的微量元素进行统计分析，由于此次重点了解桉树种植区的肥力情况，选择有效铜、有效锌、有效硼3个与桉树生长相关较为密切的微量元素进行分析及评价，根据全国第二次土壤普查分类标准，评价结果见表2。由表2可以看出，各分场有效铜和有效硼含量处于贫或极贫的水平，洛清江分场的土壤有效锌含量中等，其他几个分场土壤有效锌含量贫或极贫。总体来说，各分场土壤有效铜、有效锌、有效硼较为缺乏，在施肥推荐方案中可适量添加铜、锌和硼等微量元素。

表2 微量元素状况及评价

3 结论与讨论

本次调查黄冕林场土壤养分状况，主要从空间的角度对黄冕林场进行整体的养分含量分布情况进行分析，并结合桉树生长量数据和二调数据对黄冕林场的土壤肥力进行区域化评价，将黄冕林场土壤分为高、中、低3个肥力水平区，同时对微量元素进行评价，为研究区土壤养分管理提供理论依据。从黄冕林场林地土壤养分状况的评价结果发现，土壤pH整体差异不大，呈酸性，集中在4.39-4.64之间，土壤有机质含量在21.97-39.46g/kg之间，土壤碱解氮含量在97.18-171.84mg/kg之间，土壤速效钾含量分布差异性较大，整体含量为26.29-184.98mg/kg，土壤有效磷含量分布在1.32-3.09mg/kg之间。根据区域养分等级划分标准，土壤有机质、碱解氮、速效钾含量的范围均在中等以上水平，而土壤有效磷含量水平为极低。

廖善刚等[24]研究表明，随着桉树林龄的增加，对磷的需要量增加，随林龄的增加，磷的吸收量大于归还量，如果没有有效补给，桉树连栽会导致土壤有效磷含量降低。另有研究表明[25]，广西林地土壤有效磷含量普遍偏低，缺磷导致树体对氮的吸收受阻，因此，土壤有效磷缺乏很可能限制桉树生长，是研究区桉树生长的主要限制因子。有效磷含量过低有可能是因为土壤中磷含量低，或者是土壤中被固定的有效态磷过多，针对该问题，生产经营中，应采取措施释放土壤中被固定的磷素而不是单单靠施磷肥来解决，可以引入生物菌肥，将土壤中固定态的磷分解转化成速效磷，促进桉树对磷的吸收。

各分场有效铜和有效硼含量处于贫或极贫的水平，洛清江分场的土壤有效锌含量中等，其他几个分场土壤有效锌含量贫或极贫。黄金义等[26]研究表明，桉树幼林的梢枯病就是由于缺乏微量元素硼而引起的一种生理性病害。缺硼造成桉树枝梢顶端枯死，影响植株的生长。研究区林地中，有效硼极度缺乏，需要重点补充。总体来说，各分场土壤有效铜、有效锌、有效硼较为缺乏，养分管理中应适量添加。

区域性林地土壤肥力等级评价结果表明，沙塘分场和盘龙分场的大部分区域肥力等级为低，只有洛清江分场和板勒分场的小部分区域肥力等级为高，其他区域肥力等级中等。经营生产中，建议根据肥力等级结果对不同肥力等级区制定适宜的施肥配方，增施有机肥，有针对性地改善桉树种植区土壤养分状况。

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