南方典型毛竹经营区土壤肥力及其空间特征1)——以福建省顺昌县毛竹林经营区为例

郝振帮 林丽丽 刘健 余坤勇 俞欣妍

(3S技术与资源优化利用福建省高等学校重点实验室(福建农林大学)，福州，350002)

土壤是林木生长的重要物质基础，是实现森林质量可持续发展的重要保障。其肥力值高低直接影响林木的生产和发展。由于土壤肥力无法直接测定，只能通过间接测定土壤肥力评价指标来衡量其高低[1]。相关研究表明，土壤理化性质是土壤性质的重要组成部分，也是评价土壤肥力的重要指标[2-3]。常用的土壤评价指标有全氮、有机质、全磷、全钾质量分数和pH值等[4-5]。这些指标能够较好地反应土壤的肥力程度且易于调查[6-7]。目前，关于土壤理化性质的统计分析和土壤肥力的研究已有较多报道，如邵国栋等[8]对昆嵛山不同林分类型土壤质量进行评价，樊星火等[9]探讨了江西省不同林分生态公益林的土壤肥力状况，Tang et al.[10]对永安市毛竹林地的土壤氮、磷、钾的空间分布进行探讨。但多数研究主要集中于土壤肥力状况的评价和个别土壤指标的空间异质性分析[11-12]，较少结合空间分布特征对土壤肥力的评价研究。当前地统计学与ArcGIS结合的分析方法在土壤科学研究中得到了广泛的应用。为此，采用该方法可以实现土壤肥力的空间插值预测，有利于探讨土壤肥力相关指标的空间分布特征。

毛竹(Phyllostachysheterocycla‘Pubescens’)是我国南方竹类资源中分布广、产量高、综合效益较好的经济林种。近年来，由于追求毛竹的经济效益，过度采笋挖竹、不合理的施肥等经营措施造成毛竹林地土壤酸化、肥力下降等一系列问题[13-14]。因此，获取土壤肥力的基础数据，了解其土壤肥力的空间分布情况，对于合理施肥和科学管理尤为重要。福建省顺昌县作为南方典型毛竹经营区，竹林面积占有林地面积的21.20%，是“全国十大竹子之乡”之一。文中以顺昌县大干镇为研究区域，通过开展毛竹林地的土壤肥力调查，分析主要化学指标、物理指标的变化及土壤肥力的空间分布，旨在探讨毛竹典型经营区的土壤肥力现状；土壤肥力相关指标的空间分布差异及丰缺情况；基于提高毛竹林地土壤肥力的建议。以期为提高福建省重点毛竹资源产区土壤肥力提供管理技术与指导。

1 研究区概况

研究区地处顺昌县西北部的大干镇(117°30′～118°14′E，26°39′～29°12′N)，总面积106.332 km2，涉及武坊村、土垄村、干山村、良坊村、余富村及1个乡林场。区域气候属中亚热带季风气候，年平均气温16.3 ℃，全年无霜期286 d，年均降水量1 752 mm。地貌以山地丘陵为主，海拔为112～1 295 m，土壤类型多为红壤、黄壤。主要优势树种有毛竹、杉木(Cunninghamialanceolata)等。

2 研究方法

2.1 土壤数据采集与处理

2.1.1 样地设置及土壤数据采集

基于研究区竹林小班图，提取毛竹纯林面积28.885 km2(图1)。采用网格法，将网格交叉点落在小班图上的位置作为采样点。于2016年7月份在研究区利用样圆串调查法(半径为3.26 m的样圆串，包含3个相切的样圆)共设置59个采样点(图1)，并采用两台GPS进行坐标定位。同时开展取土工作，每个采样点挖1个60 cm深的土壤剖面，分3层(0≤H(土壤深)<20 cm、20 cm≤H<40 cm、40 cm≤H<60 cm)进行环刀和混合土样采集。

图1 研究区毛竹纯林及采样点分布图

2.1.2 土壤数据测定方法与数据处理

土壤样品用于测定化学指标和物理指标。经室内风干、去除杂质，磨细过2.00、1.00、0.25 mm的土壤筛，用于测定化学指标。其中水解氮质量分数采用碱解-扩散法进行测定；有机质质量分数采用重铬酸钾容量法测定；全钾质量分数采用碱熔-火焰光度法测定；全磷质量分数采用碱溶-钼锑抗比色法测定；全氮质量分数采用VARIO MAX碳氮元素分析仪测定；pH值采用浸提法测定。土壤物理指标利用环刀法测定，包括土壤含水量、毛管持水量、田间持水量和土壤密度。

为保证数据符合半方差函数分析的要求，研究采用SPSS 21.0对样本数据中超出均值加减3倍标准差的异常值进行剔除，并将采样点3层的平均值作为相应指标全剖面的数值。进而统计各土壤指标的最大值、最小值、均值、标准差、变异系数和正态分布情况。

2.2 土壤肥力评价

2.2.1 隶属度的确定

在进行土壤肥力值评价时，利用模糊隶属度评价模型或土壤肥力评价提供的数学模型框架确定土壤各指标隶属度。本研究参考刘广路[15]、范少辉等[16]利用数据标准化的方法确定指标的隶属度，将其转化为0-1之间无量纲的数值。

2.2.2 土壤肥力指数计算

由于各指标对土壤肥力的重要性不同，本研究采用主成分分析方法确定毛竹林地土壤肥力的指标权重。通过计算各因子的贡献率和累积贡献率，将各指标公因子方差占总公因子方差的比例作为各指标权重。

在评价指标隶属度和权重确定的基础上，运用加权综合法和模糊数学中的加乘法则，用公式(1)计算出研究区土壤肥力的加权求和模型(FQ，I)。

FQ，I=∑W(X)×f(X)。

(1)

式中：W(X)为各个评价指标对应的权重值；f(X)为各个评价指标对应的隶属度值；X为各个评价指标。

2.3 土壤肥力空间变异及分布特征分析

首先，运用GS+软件对土壤肥力指标及综合土壤肥力指数进行半方差模型拟合，根据标准平均值(MS，E)和标准均方根误差(RM，S，S，E)确定模型拟合效果。一般认为MS，E越接近于0，RM，S，S，E越接近于1，模型的拟合效果最优[17]。其次运用ArcGIS进行克里金插值预测分析。本研究选用空间统计分析中常用的普通克里金插值法，该插值方法应用广泛[18]，能够实现空间最优无偏插值和空间分析。

3 结果与分析

3.1 毛竹林地土壤肥力指标统计分析

由表1可知，土壤化学指标水解氮、有机质、全钾、全磷、全氮质量分数和pH值分别变化于21.81～256.57 mg·kg-1、4.37～97.25 g·kg-1、7.57～42.71 g·kg-1、0.12～0.97 g·kg-1、0.05～0.48 g·kg-1和4.38～5.57。变异系数的大小反映了区域该变量的离散程度。其中土壤化学指标的变异系数为6.20%～53.00%，变异程度由大到小的顺序为有机质质量分数(53.00%)、水解氮质量分数(52.21%)、全磷质量分数(44.44%)、全氮质量分数(42.86%)、全钾质量分数(39.20%)、pH值(6.20%)。土壤物理指标的变异系数为17.89%～27.89%，变异程度由大到小的顺序为土壤含水量(27.89%)、毛管持水量(24.58%)、田间持水量(23.60%)、土壤密度(17.89%)。整体表明，所有指标都服从正态分布。pH值变异性最弱，其他指标的变异性中等。

表1 毛竹林地土壤肥力指标基本特征

注：各指标均为正态分布。

3.2 毛竹林地土壤肥力指标权重及模型构建

采用主成分分析确定各指标权重，由表2可知，10个指标提取公因子后，各变量的共同度都比较大，位于0.833～1.000，前5个主成分的累积贡献率达91.787%。符合主成分累积贡献率达到85.000%及公因子方差提取大于0.800以上的原则。通过因子荷载矩阵分别确定出影响毛竹土壤肥力的指标权重由大到小的顺序为有机质质量分数(0.138 3)、水解氮质量分数(0.136 8)、毛管持水量(0.128 0)、田间持水量(0.126 2)、土壤密度(0.123 6)、土壤含水量(0.123 4)、全氮质量分数(0.119 2)、全磷质量分数(0.042 6)、全钾质量分数(0.036 0)、pH值(0.025 8)。

表2 正交旋转后前5个主成分的荷载矩阵、公因子方差及权重

在评价指标因子隶属度和确定权重的基础上，运用加权综合法和模糊数学中的加乘法则，得到研究区综合土壤肥力指数FQ，I值的评价模型，公式为：

FQ，I2016=0.136 8X1+0.138 3X2+0.036 0X3+0.042 6X4+

0.119 2X5+0.025 8X6+0.123 4X7+0.128 0X8+

0.126 2X9+0.123 6X10。

(2)

3.3 毛竹林地土壤肥力的半方差函数拟合

由表3可以看出，水解氮质量分数、有机质质量分数、田间持水量和综合土壤肥力指数的最佳理论模型是高斯模型(G)；全钾质量分数、全磷质量分数、pH值、土壤含水量、毛管持水量和土壤密度的最佳理论模型是球状模型(S)；全氮质量分数的最佳理论模型是指数模型(E)。其中块基比(C0/(C0+C))表示空间异质性程度，比值大小反映了受结构性和随机性因素的影响程度。由此可知，研究区毛竹林地土壤有机质质量分数、全磷质量分数、综合土壤肥力指数、全氮质量分数、田间持水量、毛管持水量、水解氮质量分数和pH值的块基比小于0.250，说明具有较强的空间相关性，受结构性因素影响较大。而土壤密度、土壤含水量和全钾质量分数的块基比为0.250～0.750，说明受结构性和随机性因素的共同作用。其中全钾质量分数的块基比最大，为0.497，且有效变程达3 080 m，说明全钾质量分数空间相关性较弱，可能与当地施用较多的钾肥有关。

表3 土壤肥力指标半方差模型及参数

注：G为高斯模型；S为球状模型；E为指数模型。

3.4 毛竹林地土壤肥力空间分布结果分析

通过参考全国第二次土壤普查和孙晓等[19]、鲁剑巍等[20]对毛竹林土壤指标的分级标准，统计研究区毛竹林地土壤化学指标的频率分布情况(表4)。可知，区域毛竹林地有机质、全氮和全钾质量分数比较丰富，分别有93.22%、91.53%和91.53%处于丰富和适宜状态。93.22%的样地处于适宜的酸性土壤中，6.78%的样地处于偏酸性土壤。而区域毛竹林地的土壤磷质量分数有待改善，缺乏程度达49.15%。通过ArcGIS的插值预测和掩膜处理可知，研究区毛竹林地土壤化学指标的空间分布特征是水解氮、全钾、全磷质量分数由东部向西部方向降低；pH值最低值出现在土垄村；有机质、全氮质量分数在武坊村和土垄村局部区域存在较低值(图2)。

图2 研究区毛竹林地各土壤肥力指标空间分布

表4 毛竹林样地土壤化学指标频率分布

指标类型全磷质量分数标准(质量分数w)/g·kg-1比例/%全氮质量分数标准(质量分数w)/g·kg-1比例/%pH值标准比例/%丰富(偏碱)w>0.85.08w>0.1576.27pH值>7.0-适宜(适宜)0.4

注：水解氮、有机质、全钾、全磷和全氮质量分数为丰富、适宜和缺乏；pH值为偏碱、适宜和偏酸。

同理，对区域毛竹林地的综合土壤肥力指数进行插值预测可知，土壤肥力值(F)处于0.134≤F<0.805。采用自然断点法将其划分为优(F>0.593)、良(0.451≤F<0.593)、中(0.319≤F<0.451)、差(F≤0.319)4个等级(图3)。毛竹林地土壤肥力均值为0.448，总体土壤肥力较好，处于中上水平。其中毛竹林地土壤肥力等级较差的区域集中于武坊村和土垄村，分别占15.13%、23.48%。可能原因是在高度集约经营下，该区域的人为干扰较为频繁，造成了土壤养分循环失调。

图3 毛竹林土壤肥力空间分布

4 结论与讨论

本研究通过对顺昌县大干镇毛竹林地土壤指标的统计分析，得出除pH值为弱变异性外，其他指标的变异程度中等，整体分布较为均匀。主要原因是本研究布设的采样点分布于邻近的乡村，属于小尺度范围，该结果与现实情况相符合，与祝鑫海等[21]的研究一致。由于土壤肥力是一个综合的概念[9-11]，单一考虑矿质元素会对竹林的土壤肥力评价造成偏差，因此，本研究结合土壤理化性质共10个指标，构建基于样地的土壤肥力测定模型，实现对土壤肥力的综合评判。研究表明，主成分分析中前5个主成分能够反映研究区土壤肥力指标的变异信息，可以较好地反映区域毛竹林土壤肥力的综合状况。通过主成分分析确定土壤指标权重，其中有机质质量分数的权重最大。说明有机质是土壤的重要组成部分，它的数量与质量变化是土壤肥力及环境质量的重要标准。

块基比反映了土壤指标受结构性和随机性因素的影响情况。其中结构性因素包括地形、土壤类型、气候、母质等自然因素，随机性因素主要以施肥等人为影响为主。本研究得出全钾质量分数受结构性和随机性因素的共同影响较大，其次为土壤含水量、土壤密度和pH值。总体显示，研究区毛竹林地土壤肥力各指标及综合土壤肥力指数具有中等至强烈的空间自相关性，表明采用空间插值的方法进行预测是可行的[22-23]。同时，通过对土壤化学指标的丰缺频率和空间分布特征分析，得出研究区有机质、全钾和全氮质量分数较为丰富，土壤磷质量分数匮乏。表明全磷质量分数是影响该区域土壤肥力的主要限制性因子。研究结果与林振清[24]、郭晓敏等[25]对南方毛竹林土壤肥力的调查结果相近。主要原因是研究区土壤类型以红壤和黄壤为主，土壤中普遍缺少磷元素。由于磷是植物生长发育必需的营养元素，土壤中氮多磷少，会严重影响毛竹林分的生长，是造成毛竹低产的主要原因之一[26-27]。为此，在今后的经营管理中应注重对含磷肥料的施用。从空间分布特征看，研究区土壤水解氮、全钾、全磷质量分数由东部向西部方向降低，pH值整体变化不大，表明区域人为干扰相对不显著。研究区毛竹林地土壤肥力总体较好，部分区域有待提高。研究可以为今后的竹林施肥提供指导。