山核桃品质对产地土壤养分的空间响应

杨惠思，赵科理*，叶正钱，张红桔，赵伟明

（1 省部共建亚热带森林培育国家重点实验室/浙江省土壤污染生物修复重点实验室/浙江农林大学，浙江临安 311300；2 杭州市林业科学研究院，浙江杭州 310022）

山核桃是木本油料作物，隶属胡桃科、山核桃属，其果实为世界性名优干果作为四大坚果之一，口感上好，营养丰富，不仅含有大量的油脂 (55%～65%)、蛋白质 (17%～24%)、氨基酸，还含有钙、镁、铁、锰、铜、锌、硒等矿物质元素 (1.5%～2.0%)[1]，特别是钙、钾、锌含量远高于一般干果。山核桃因其在中性和微酸性土壤上生长较好的特殊生态习性[2]，分布区域较窄，主要集中于浙、皖两省交界的天目山石灰岩地区，临安是我国山核桃主产区之一，种植历史悠久，现有种植面积9.3万hm2，山核桃是当地农民重要的经济来源之一[3]。

目前，国内外对山核桃的研究侧重于其生长习性、丰产稳产等方面，关于林地土壤肥力及其对山核桃的影响也有相关研究[4-6]。马闪闪等[7]研究了施用不同微肥对山核桃生长和产量的影响，发现硼、锌微肥配施对山核桃叶片硼、锌含量和花粉活力影响较大，且能显著提高山核桃产量；邬奇峰等[8]研究了临安农用地土壤肥力特征，发现临安山核桃林地土壤普遍缺磷，提出山核桃林地应增施有机肥，套种绿肥以增加基础地力和供肥能力；许斌[9]对山核桃产区土壤肥力与山核桃质量进行了探究，发现研究区土壤酸化、养分供给不平衡，整体肥力偏低，土壤中有机质、碱解氮和酸碱度对山核桃果仁中微量元素含量影响较大，提出应根据土壤质量特点优化施肥方案以提高山核桃产量和品质；贾晓东等[10]研究了山核桃叶片营养与果实营养积累之间的关系，认为树体营养是提高产量和改善品质的重要影响因素之一，揭示了果实与树体养分元素的相关性。胡珍珠[11]通过光谱反演探究了不同时期山核桃叶片营养元素含量与坚果品质的关系，指出坚果单果重和种仁脂肪、蛋白质含量分别与表征叶片氮、磷、钾含量的有效光谱特征参量关系密切。黄伟娇等[12]、于芹芬[13]、杨争[14]等利用遥感对山核桃产量、适生环境等也作了相关研究。然而，这些研究主要是土壤肥力对山核桃生长和产量的影响，对土壤养分元素和果实品质之间的相关性方面关注较少，特别是对整个产区内土壤肥力和山核桃品质的空间变异性以及两者之间的定量关系缺乏系统研究。

本文以典型山核桃产区临安为研究区，通过科学合理的样品采集和分析测定，探究土壤养分元素对山核桃产量和品质的影响，确定土壤肥力和山核桃品质的空间变异性以及两者之间的定量关系，为山核桃生产合理施肥和科学管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于浙江省杭州市临安区 (30°14′N、119°42′E)，该区属中亚热带季风气候，温暖湿润，光照充足，全年日照时数1847 h，年均气温16℃，年均降水158天，年均降水量1614 mm，年均无霜期237天[13]。土壤类型主要为油黄泥、黄红泥、黄泥土、钙质页岩土[15]。山核桃是该地重要的经济树种，主要分布在海拔50～1200 m的丘陵地带。

1.2 采样方法

本研究考虑不同的母岩、土壤类型、地形地貌、样点分布均匀度及样点对整个连续分布面的代表性等多种因素，在研究区山核桃空间分布现状图上进行实验室室内布点，用软件绘制采样区空间分布图 (图1)。同时综合行政区划图、交通图和采样点分布图及山核桃实际种植和自然分布情况，采用差分GPS野外采样和定位，于2013年3—4月份，对山核桃分布较集中的岛石、龙岗、清凉峰、昌化、河桥、湍口、太阳7个乡镇 (总面积约1529.23 km2)进行土壤样品采集，共计153个，同年9月采集相应的山核桃果实样品。将编号后的土壤样品分装好带回实验室，常温下摊开自然风干，除去树根、石子等杂物，磨碎过筛分装于塑封袋，编号保存备用；山核桃样品采回后剥去果皮，取出果仁均匀混合放入65℃烘箱烘干，粉碎后供分析使用。

图1 采样点分布图Fig. 1 Sampling point distribution map

1.3 测定项目与方法

土壤大量元素N、P、K分别采用碱解扩散法、Olsen法和醋酸铵浸提—火焰光度法测定。土壤微量元素B、Fe、Mn、Cu、Zn采用DTPA浸提，ICP分析测定。山核桃粗脂肪采用乙醚浸提—残余法测定。山核桃氮、磷、钾含量分别采用凯氏定氮法、钼蓝比色法和原子吸收分光光度法测定。

1.4 数据分析与处理

数据经Microsoft Office Excel 2010整理后，用SPSS 20.0进行描述统计分析、正态分布检验和相关性检验；利用GS+9.0进行半方差函数拟合及空间相关性分析；再用SigmaPlot 12.5绘制交叉相关函数图，最后利用ArcGIS10.2地理信息系统软件进行Kriging空间最优无偏插值分析并制作空间成果图。

首先对初始数据进行预处理，识别并剔除异常值，纠正数据的偏态分布，保证后续分析结果的准确性。本实验数据153个，属大样本，故采用“3S”法[16-18]进行异常值识别，结果见表1。由表1可知，除土壤有效锌外，其余数据异常值均在3个以下，甚至无异常值，证明本研究采样较合理。

研究采用K-S检验法[16,19]进行数据检验 (结果见表2、表3)，检验时取显著水平α = 0.05，K-SP＞0.05表示服从正态分布，不符合正态分布的数据在进行对数转换之后经检验均符合正态分布。

交叉相关函数之前多被应用于数学、计算机领域[20-21]，因其能够有效地分析区域化变量的空间相关性，直观揭示变量之间的相关特征及空间格局上的相似性[22]，近年来在土壤学、气象学、环境保护等领域应用愈加广泛[23-25]。相比传统统计分析方法，它很好地将数据的空间位置和结构纳入了分析范畴，交叉相关函数的公式为[26]：

表1 研究区土壤有效养分含量和山核桃养分含量的异常值个数Table 1 The number of abnormity values of soil available nutrient contents and Carya cathayensis nutrients of studied areas

表2 处理前后土壤有效养分含量的K-Sp检验值Table 2 K-Sp test value of soil available nutrient contents before and after processing

表3 处理前后山核桃养分含量的K-Sp检验值Table 3 K-Sp test value of Carya cathayensis nutrient contents before and after processing

2 结果与分析

2.1 研究区土壤养分状况

表4显示。研究区土壤碱解氮含量介于56.61～268.97 mg/kg，均值为155.17mg/kg；有效磷含量介于1.37～78.64 mg/kg，均值为14.79 mg/kg；速效钾含量介于18.92～196.22 mg/kg，均值83.94 mg/kg；有效硼含量介于0.05～0.58 mg/kg，均值0.26 mg/kg；有效铁含量介于19.45～192.89 mg/kg，均值77.93 mg/kg；有效锰含量介于7.02～129.90 mg/kg，均值63.14 mg/kg；有效铜含量介于0.09～5.49 mg/kg，均值1.75 mg/kg；有效锌含量介于0.03～4.39 mg/kg，均值1.21 mg/kg。变异系数(CV) 是最有识别性的一个要素，当CV小于0.1时，属于弱变异，0.1～0.9属于中度变异，大于0.9时，属于强变异[27]，由此可见，除有效磷和有效锌属于强变异之外，其余6种元素均属于中度变异，强变异元素各乡镇该元素的含量高低差异较大，中度变异表示各乡镇该元素含量高低差异不大。

表4 土壤有效养分含量描述性统计 (mg/kg)Table 4 Descriptive statistics of soil available nutrient contents

2.2 研究区山核桃果实养分含量状况

表5是研究区山核桃养分含量状况，氮的含量在46.4～143 mg/kg之间，均值为107 mg/kg；磷的平均值为73.2 mg/kg，范围在34.7～124 mg/kg；钾的含量范围是190～754 mg/kg，均值374 mg/kg；粗脂肪的含量范围是311～680 g/kg。由变异系数来看均属于中度变异，即不同乡镇这4种指标的含量高低值差异不大。

表5 山核桃养分含量描述性统计 (mg/kg)Table 5 Descriptive statistics of Carya cathayensis nutrient contents

2.3 土壤养分与果实品质元素相关性分析

由表6可知，山核桃土壤和果实各养分之间存在密切关系，果实氮与土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有效硼、有效锰和有效锌含量呈极显著 (P ＜0.01) 正相关；果实磷与有效铁呈显著负相关，与有效磷、速效钾、有效硼、有效锰、有效锌呈极显著正相关 (P ＜ 0.05)；果实钾与土壤有效铁呈显著负相关，与有效磷、速效钾、有效硼、有效锰、有效铜、有效锌均呈显著或极显著正相关；果实粗脂肪与碱解氮、有效磷、有效硼、有效铁呈极显著正相关，与有效铜呈显著正相关，与有效锌为极显著负相关。

表6 土壤有效养分含量与果实养分含量的相关系数Table 6 Correlation coefficient between soil available nutrient contents and Carya cathayensis quality indexes

为定量描述土壤养分与果实品质之间的空间相关性，经GS+交叉相关函数分析后，绘制交叉相关函数图 (图2)。由图2可知，各元素间的交叉相关系数均随空间距离增加而减小直至为零，距离为零时，图像与纵轴交点即最大值，该值与Pearson’s系数一致。空间相关性随距离 (即步长) 增加逐渐减弱，其所能达到的最大距离，表示两种养分的空间相关性强弱程度，距离越大，空间相关性越好，反之越差。果实氮与土壤有效锰和有效锌的空间相关性最强，空间相关距离分别为13.2 km和12.9 km左右，其次是速效钾 (9.6 km)，再次是有效硼 (8 km)；其与土壤碱解氮相关性虽达到极显著，但空间相关性较差，仅6.2 km；氮与土壤有效磷极显著相关系数为0.382，但空间相关性最差仅2.9 km。磷与粗脂肪的交叉相关图相似，即除一种元素呈负相关之外，其余元素均呈正相关。磷与土壤有效铁显著负相关，正相关的5种元素相关距离均在10 km以上，其中与有效锰的空间相关性与相关系数一样最强，距离达到15.7 km，其次是有效磷 (15.1 km)；其与有效锌、有效硼、速效钾的相关距离分别是14.0、13.4、11.7 km。粗脂肪与各养分的空间相关性程度参差不齐，相关距离跨度较大，从2.5～13.5 km，其中空间相关性最强的元素是有效磷，最弱的是有效铜，这与其相关系数的显著性一致。土壤有效硼的相关距离仅次于有效磷，达到11.6 km左右；粗脂肪与有效锌呈极显著负相关，空间相关距离约9.8 km，相关性程度较强；处于中间的碱解氮和有效铁，空间相关距离分别是6.7、5.1 km左右，其空间相关性强弱与相关系数结果一致。

图2 土壤有效养分含量与果实品质的交叉相关函数图Fig. 2 Cross-correlogram between soil available nutrient contents and Carya cathayensis quality indexes[注（Note）：r—距离为零时的交叉相关系数，等同于Pearson’s系数The cross-correlation coefficient when the distance is zero，equal to Pearson's coefficient.]

结合相关系数和交叉相关函数得出土壤中各养分与果实品质之间均存在不同程度的对应关系，其中果实氮与土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有效锌、有效锰的对应关系较强；磷与土壤有效磷、有效硼、有效锰、有效锌的对应关系较强；钾与土壤速效钾、有效硼、有效铁、有效锌的对应关系较强；粗脂肪与土壤有效磷、有效硼、有效锌的对应关系较强；总体上山核桃品质受土壤中磷、硼、锌三种元素影响较大。

2.4 土壤养分和果实品质元素的空间变异特征

为了更直观地描述土壤养分和果实品质元素的空间分布特征，在半方差函数分析的基础上，经GS+软件拟合后得到最佳理论模型和相关参数 (表7、表8)，由表可知，土壤有效磷，果实氮、磷、钾均符合线性模型；土壤碱解氮、速效钾、有效锰、有效铜、有效锌和果实粗脂肪均符合指数模型；有效硼、有效铁符合球状模型。依据模型再应用普通克里格最优无偏插值法绘制土壤和果实各养分元素的空间分布图 (图3、图4)。

从土壤和果实空间分布图 (图3、图4) 来看，除果实钾和粗脂肪之外，其余养分均有较明显的空间异质性，高低值区域明显。果实氮含量呈明显的由西北向东南递增的趋势，高值集中在昌化、河桥、湍口三个乡镇，低值集中在岛石、龙岗及清凉峰镇。果实磷、钾、粗脂肪的空间分布大致呈同心圆结构分布，磷含量除龙岗和岛石镇部分处于低值之外，整体处于中高值，且高值集中在东南部乡镇。钾和粗脂肪含量各乡镇差异不大，均处于中值水平，高值在各个乡镇均有斑块状分布。

土壤碱解氮的空间分布呈现两侧高、中间低的趋势，中高值集中在东部边缘及西北角。土壤有效磷空间变异性较大，整体处于中低值，高值主要集中在岛石镇，其余地区有斑块状高值分布。速效钾高值集中在东部地区及岛石镇的南部和昌化镇北部，低值集中在岛石镇东北角和龙岗镇。土壤有效硼整体含量跨度较大，高中低值均有存在；高值主要在岛石、湍口和太阳镇的东北角，低值主要在清凉峰和昌化镇。土壤有效铁、有效锰、有效铜含量空间分布相似，各地差异较大，高值主要集中在东南部的湍口、河桥、太阳镇，斑块状的高值还分布于清凉峰、龙岗交界处和岛石镇；低值主要在清凉峰、龙岗和昌化三个乡镇。土壤有效锌大部分区域处于中高值，除太阳镇北部一小范围高值之外，整体由北向南呈递增趋势，低值主要集中在龙岗、昌化北部地区。

表7 土壤有效养分元素变异函数理论模型及其相关参数Table 7 Theoretical model of variability function and its related parameters of soil available nutrients

表8 山核桃养分元素变异函数理论模型及其相关参数 (正态分布)Table 8 Theoretical model of variability function and its related parameters of Carya cathayensis (Normal distribution)

图3 山核桃果实品质空间分布图Fig. 3 Spatial distribution of Carya cathayensis quality

总体上，土壤养分的高值区大致分布在岛石镇、湍口镇、河桥镇、太阳镇以及昌化镇南部，低值集中在清凉峰镇西部、龙岗镇北部及昌化镇北部；果实养分元素的高值区分布在岛石镇西部和南部，湍口镇、河桥镇、太阳镇以及昌化镇南部，低值集中在清凉峰镇西部，龙岗镇、昌化镇北部以及岛石镇东部地区。

3 讨论

山核桃在长期的生长和进化过程中已形成其独特的生物学和生态学特征，正是这种独特性使山核桃的产量和品质与土壤性质、地形地貌、气候、施肥等关系更加密切和复杂，导致山核桃对生态环境需求的高度变异性[13]。大量元素氮、磷、钾及微量元素硼、铁、锰、铜、锌是植物生长发育所必需的营养元素，是植物生命活动的活化剂，对农产品产量和品质有重要影响[28-29]。本研究表明山核桃品质元素受土壤有效磷影响较大。磷是核酸、磷脂等的主要组成元素，参与蛋白质合成、细胞分裂生长、碳水化合物运输代谢等重要生命活动[30]，土壤中的全磷含量为0.04%～0.25%左右，其中能被植物吸收利用的有效磷含量约10～40 mg/kg，除降雨、灌溉和施肥外，植物生长所需磷主要来源于土壤[31]。土壤矿质元素是树体生长发育、开花结果的物质基础，土壤养分通过植物根系输送到植物各个部位，供给枝干、叶片、果实等，而叶片又是果实养分元素重要的来源之一[32-33]。总体上，土壤中氮、磷、钾的丰缺程度直接关系到植物中氮、磷、钾的含量状况，继而影响果实中大量元素的含量[34]。本研究结果表明，果实钾与土壤速效钾呈显著正相关，果实氮与土壤碱解氮、有效磷呈显著正相关，粗脂肪与土壤有效磷呈显著正相关，此结论与郭传友等[35]的研究一致。刘伟等[36]的研究表明，土壤中碱解氮、速效钾和有效铁对油茶产量和品质有显著影响，与本研究结果一致。本研究表明，土壤有效硼、有效锌对山核桃品质影响较大，已有许多研究表明微量元素与植物生长息息相关[37-39]，硼能促进植物生殖器官的发育和细胞分化，对农作物产量和果品影响较大；锌参与叶绿素和生长素及其他生物酶的合成，能提高碳氮代谢，促进细胞分裂生长[40]。黎章矩等[41]的研究显示硼、铜、锌对山核桃座果率影响较大，马闪闪等[42]和程礼泽等[43]的研究表明土壤中硼、铜、锌对山核桃产量有促进作用。

图4 土壤养分空间分布图Fig. 4 Spatial distribution of soil nutrients

空间分析结果显示，临安各乡镇土壤大量及微量元素含量差异较大，因各乡镇土壤肥力状况不同，且土壤肥力受多种因素影响，如气候、地形地貌、成土母质、人为经营等，成土母岩对山核桃林地土壤理化性质有较大影响。钱新标等[2]的研究表明，山核桃果实微量元素含量与成土母质和母岩性质关系密切。山核桃分布地区的母岩大多是石灰岩，少数为页岩、板岩和花岗岩，其中又以板岩发育的石质红壤、页岩发育的黄壤、红壤和石灰岩发育的黑色和红色淋溶石灰土植株生长得最好[44]。陈卫新等[45]指出，山核桃林地土壤有效磷、有效硫和钙受成土母质影响最大，临安各乡镇成土母质存在差异。其中河桥、岛石、湍口的成土母质是石灰岩[15,46-47]，清凉峰地质形成复杂，成土母质主要为残积坡积物[48]，龙岗和昌化主要是侏罗系地层，母岩类型以流纹岩、凝灰岩、花岗岩为主，太阳镇母岩以砂岩、页岩、花岗岩为主[49]。因此在空间分布上，磷的空间异质性较高，而相关性分析表明磷与山核桃每种养分均显著相关，继而影响果实品质元素的空间分布。此外，近年来临安土壤酸化严重，陈世权等[3]的研究表明，母岩类型与山核桃林地土壤pH、有机质等有效养分之间存在显著关系，所以其余养分之间也存在不同程度的空间异质性。而山核桃养分含量除钾和粗脂肪空间变异性不大之外，其余两种养分空间变异性较明显，大致都呈现西北低东南高的分布趋势，与土壤的养分整体高低值分布区域相似，这也从宏观上印证了土壤养分元素含量与山核桃品质元素的含量关系密切。

4 结论

土壤养分与果实品质元素存在不同程度的对应关系，总体上，山核桃品质受土壤中磷、硼、锌三种元素影响较大。山核桃与土壤相应养分元素的空间分布格局具有一定相似性，尤其是高低值区域。岛石镇西部和南部、湍口镇、河桥镇、太阳镇及昌化镇南部的土壤养分元素和山核桃品质元素含量相对较高，昌化镇北部、清凉峰镇西部、龙岗镇北部的土壤养分元素和山核桃品质元素含量相对较低，山核桃品质与土壤养分关系密切。