清远市针叶林土壤磷元素及空间分布研究*

邓智文 丁晓纲 李莹莹 齐 也王 洋 孙冬晓 张中瑞

（广东省森林培育与保护利用重点实验室/广东省林业科学研究院，广东 广州 510520）

森林是陆地生态系统的主体，土壤是森林生态系统中物质循环和能量流动的重要组成部分[1]。土壤磷作为植物获取磷元素的唯一来源，它是组成植物体许多化合物的重要成分，在植物体生长和代谢过程中发挥着至关重要的作用[2-3]。土壤环境中低水平的磷含量会影响树木对土壤营养吸收和储存[4]，尤其是亚热带森林土壤严重缺磷，极大地限制了林木的生长发育和生产力[5]。我国南方红壤区水热资源丰富，生态系统的物质循环和能量循环活跃，林业生产潜力巨大。然而，湿润多雨的气候使得南方地区土壤淋溶强，盐基饱和度低，极易造成土壤中磷的固定与失活[6]，大大降低了土壤磷的利用效率。因此，兼顾生态环境、维持并尽可能提高土壤肥力和保证林业生产的前提下，经济施肥和精准施肥已成为我国林业可持续发展的重要研究内容[7]。

土壤特性的空间变异性是指一个质地视为均一的区域内，在同一时间，不同点的土壤特性存在着的明显差异性[8]。研究表明，由于气候、母质、植被、地形及人类活动等因素的综合作用，土壤养分存在高度的空间变异[9]。了解和掌握区域尺度森林土壤养分含量的空间分布特征，是实现区域森林土壤养分综合管理的基础，同时也是精准林业发展的理论基础，对区域森林土壤资源利用和区域生态环境保护具有重要意义。本研究以广东省清远市杉木Cunninghamia lanceolata及针叶林为研究对象，通过实地调查，充分获取研究区土壤样点属性数据，分析其土壤全磷含量，揭示研究区针叶林土壤全磷的空间分布规律，为森林土壤养分管理和森林土壤质量评价提供依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

清远市位于广东省的中北部、北江中下游、南岭山脉南侧与珠江三角洲的结合带上。全 境 位 于 北 纬23°26′56″～25°11′40″、东 经111°55′17″～113°55′34″之间，属亚热带季风气候，年平均气温在18.9～22 ℃之间，雨水资源丰富，平均年降水量在1 631.4～2 149.3 mm。清远市地势西北高东南低，主要由石灰岩、红色砂砾岩、石英砂岩、花岗岩四大系列岩构成。清远市地形复杂，山峦起伏连绵，形成多种土壤结合，主要的土壤类型有山地黄壤、红壤、赤红壤、红色石灰土、黑色石灰土、碱性紫色土、冲积砂土等，山地黄壤主要分布在海拔600～1 500 m 以上的山地。市境内林木种类繁多，用材植物近200 种，以杉、松、阔叶林和针叶林等为主。

1.2 样地设置

本研究基于森林资源二类调查数据，筛选出研究区范围内森林类型为针叶林的地籍小班，通过无人机航拍测绘及高分辨率DEM 衍生数据提取，生成研究区土壤调查抽样网络，然后根据研究区植被、地形、气候特征等状况，采用专题布点和空间随机布点相结合的方式，确定土壤样点布设位置（图1），共计134 个样点。

图1 研究区样点分布Fig. 1 Distribution of sample sites in the study area

1.3 样点调查与样品采集

依据研究区的针叶林小班图和布设样点地理坐标，借助GPS 找到样点区域（样点坐标半径100 m 内），选择符合样点布设要求且具有代表性的区域随机挖掘3 个土壤剖面（长1.2～1.5 m，宽0.8～1.0 m，高1.0 m），剖面间距大于10 m，从上往下每间隔20 cm 采集土样，分别采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 土层样品，将每个样点3 个剖面同层土壤混合成一个样品，每份土样约500 g 放入无菌密封袋中带回实验室用于测定土壤全磷（TP）含量[10]。

1.4 数据处理

采用SPSS 22.0 统计软件对土壤全磷含量做描述性统计和正态分布检验，利用ArcGis 10.7 软件对土壤全磷含量的空间分布做克里金空间插值分析[11-13]，并生成土壤全磷含量空间分布特征图。

2 结果与分析

2.1 描述性统计

研究区针叶林土壤全磷含量的描述性统计结果如表1 所示。研究区0～80 cm 深度TP 的均值分布范围在153.33～315.08 mg/kg 之间，表现为随着土层深度的增加，TP 呈逐级递减的垂直分布规律。D4 的TP 含量显著低于D1、D2、D3 的TP 含量（P＜0.05）。参照全国第二次土壤普查养分的分级标准，D1、D2、D3 的TP 含量处于低水平，D4 处于极低水平。各样点的TP 含量分布在80.67～1 003.33 mg/kg 之间，养分等级处于Ⅰ级（极高）～Ⅵ级（极低）范围；D1、D2、D3 土层TP 含量的变异系数均表现为中等程度变异，D4 的变异系数达到108.07%，属于强变异程度，各样点间TP 含量的离散程度较高，说明研究区针叶林分TP 含量可能存在空间异质性。将4 个土层的样点数据经过对数转换后，符合正态分布，因此，可采用空间插值法，进一步探究研究区针叶林分TP的空间分布特征。

表1 研究区针叶林分TP 含量描述性统计特征Table 1 Descriptive statistical characteristics of TP content of coniferous forest in the study area

2.2 土壤全磷含量空间分布

研究区针叶林分TP 含量主要呈斑块状分布，在空间分布上存在一定的差异性（图2）。参照全国第二次土壤普查养分的分级标准，将各土层TP含量分为高值区（Ⅳ级）、中值区（Ⅴ级）和低值区（Ⅵ级）。总体表现为东部最高（高值区），西部、北部和中部较低（中值区），南部、东北部最低（低值区），呈现从东部分别向西北、南部方向递减的变化趋势。其中，D1 层的TP 含量高值区（397.35～2 686.24 mg/kg）主要分布在东部、中西部和北部地区；中值区（208.06～397.35 mg/kg）的分布范围较广，除南部、东南部和东北部地区以外均有分布；低值区（92.87～208.06 mg/kg）主要分布在南部、东南部地区。呈现出中部高，东南部和西北部低的分布格局。D2 层TP 含量高值区（380.73～660.64 mg/kg）的分布面积较小，主要分布在东部和中西部地区；中值区（197.34～380.73 mg/kg）分布面积较大，主要分布在西部、北部和中部地区；低值区（85.73～197.34 mg/kg）主要分布在南部、东北部地区。呈现出中部高，并以此为中心向东南递减，向西北部递减后又增加。D3 层的TP 含量主要处于中值区（212.33～438.62 mg/kg）范围，在西部、北部、中部和东部地区；低值区（80.67～212.33 mg/kg）主要分布在南部地区；高值区（438.62～556.18 mg/kg）主要分布在东部地区。D4 层TP 含量高值区（409.52～714.97 mg/kg）主要分布在东部地区；中值区（198.16～409.52 mg/kg）分布范围较广，主要分布在西部、北部、中部和东南部地区；低值区（71.40～198.16 mg/kg）主要分布在南部、东北部和东南部。

图2 研究区针叶林分TP 含量空间插值分布Fig. 2 Spatially interpolated distribution of TP content in coniferous forest in the study area

3 结论与讨论

清远市针叶林不同土层间土壤TP 的均值分布在153.33～315.08 mg/kg 之间，参照全国第二次土壤普查养分的分级标准，处于“低-极低”之间，土壤TP 养分处于缺乏状态。研究结果表明，在垂直方向上，土层越深，土壤TP 含量越低，这与朱琪[14]关于北亚热带不同林分类型的研究结果相一致。此外，研究区针叶林TP 含量在水平方向上存在空间异质性，呈现出从东部分别向西北、南部方向递减的变化趋势。由图1 可知，该研究区的高海拔区主要分布在北部和西部，与土壤TP 中值区的空间分布特征相同，高值区主要分布在东部低海拔地区。苏松锦等[15]研究结果表明，地形是影响土壤全磷在分布上产生异质性的重要因素。赵青等[16]研究认为，地形因子会导致该地区的水热分布差异，进而造成土壤属性空间异质性。清远市位于我国南部低山丘陵区，降水量大，海拔较高的地方受水流的侵蚀作用较强，导致土壤强淋溶，降低了土壤中磷的质量分数[17]。表层土壤中的磷来源于凋落物的分解[18]，随着海拔的升高，温度降低，影响了凋落物的分解速率，进一步减少了土壤中磷的输入[19]。研究区的土壤TP 含量在南部较低，这可能与人为干扰强度大有关[20]，南部地区靠近珠江三角洲地区，城镇化发展较快，人为活动密集。张倩等[21]研究发现土壤磷素含量与土壤有机质含量有关，可以通过增施有机肥，改善该地区森林土壤养分环境，提高针叶林对磷素的吸收。