广西雅长林场林地养分空间分布及肥力评价

石媛媛，郑党斌，岑祖明，陆星任，韩俊学，张宏旺，唐 健

(1.广西壮族自治区林业科学研究院、广西优良用材林资源培育重点实验室，广西 南宁 530002；2.广西林用新型肥料研发中心，广西 南宁 530002； 3.广西国有雅长林场，广西 百色 533000)

土壤质量是影响全球生物圈可持续发展、农业可持续发展、土壤管理和土地利用的重要因素之一。土壤里储存了大量的碳、氮、磷和钾元素，这些元素来源于生态系统和环境生物之间的相互作用。土壤为森林的可持续发展提供营养元素，森林植被也影响土壤中营养元素的存在，且土壤具有很强的空间异质性。研究发现，即使在几厘米空间内土壤也有距离的变化[1-2]，土壤具有不同尺度上的空间异质性，空间上的分布决定了土壤的性质和结构。研究表明，土壤母质、土壤类型、土壤质地等变化对大尺度森林规模起决定性作用[3]。很多研究证明了不同气候、区域、空间尺度的森林土壤养分的空间异质性与环境因素的关系[3-7]。土壤养分空间分布变化对于森林植被结构和土壤肥力管理具有指导意义。

除了自然因素，林地经营管理策略也会影响土壤养分含量和分布的变化，粗放的森林管理使土壤养分和有机质含量降低，制约了森林生态系统的生产力[8-10]。近年来，人工林面积的不断扩大增加了地区经济总值，但也导致了天然林的急剧减少，导致森林树种同质化和幼林化问题严重[11]，同时造成土壤质量的恶化以及土壤肥力的降低[12-14]。南亚热带红壤区适宜植树造林，是南方碳循环的重要组成部分，了解土壤养分的空间分布有助于评估当前或潜在的土壤生产力并预测潜在的环境风险。

地统计学方法被广泛应用于研究土壤养分含量的空间变异，对区域农业土壤管理实践起到很好的指导作用[15-17]。地统计学也是分析土壤性质空间分布特征和变化规律的最有效方法[18-20]，目前，地统计和空间信息技术的发展为土壤质量评价提供了更为便捷、精确和直观的技术分析方法。近些年，相关学者逐渐开始利用空间信息技术对土壤肥力进行分析和评价[21-22]，特别是针对大中尺度土壤性质及肥力特征的空间变异特征、分布及评价等研究较多[23-25]，一般而言不同尺度土壤性质空间变异性分析对于土壤空间数据库建立、实现数字化管理有重要意义。土壤养分和pH分布图将有助于更好地规划森林管理策略，并进一步支持研究区林地利用的可持续发展。因此，本研究以南亚热带红壤区广西雅长林场为研究区，分析研究区森林土壤pH、有机质、氮、磷、钾等含量的水平，了解区域尺度林地土壤养分指标含量的空间分布特征，对研究区森林土壤养分进行综合分级，对于在研究区采取更有效的林业管理措施具有重要指导意义。

1 研究区概况

雅长林场位于广西西北部云贵高原东南边缘，地处东经106°08′—106°23′、北纬24°37′—25°00′之间，北回归线以北，是广西丘陵向云贵高原过渡的山原地带。地势东南高西北低，最高峰为海拔1970.9 m的盘古王山。主要地貌类型为中山，林区内山高、谷深、坡陡，相对高差大，地形复杂。全场属南亚热带气候，热量充沛，冬短夏长，干湿季节明显，年均温16.8 ℃，年均降水量1058 mm。林区土壤多为由砂页岩风化的残积母质发育而成的红壤和黄壤，局部有草甸土。植被类型属西部南亚热带常绿阔叶林，现存植被主要是细叶云南松、松栎针阔混交林、栎类及各种次生阔叶林。场区森林覆盖率达50%以上，林区生态公益林面积达3万hm2，是国家重点水电工程——龙滩水电站和珠江流域主要的水源涵养林，生态地位突出。

雅长林场主要人工林有桉树、西南桦、八角等，其中桉树林龄主要为3～4 a，种植密度为1665株·hm-2，每年3—6月追肥500 g·株-1；西南桦主要林龄为6～10 a，种植密度为1665株·hm-2，不施肥；八角主要林龄为1～5 a，种植密度为630株·hm-2，不施肥。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集及分析

结合雅长林场场内造林部分林地面积及林木分布特征，按照333 hm2一个取样点的密度，采用平均网格法设置取样点，共89个(图1)，以样点坐落的小班作为1个样地，每个样地采取S 型分布采样点的方式设置5个剖面，每个土壤剖面0～40 cm混合取样，每个样地取等量混合成一个土样并对土壤样点进行养分分析。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。

图1 研究区样点分布图

2.2 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，根据森林规划数据里的“优势树种”字段提取该研究区不同树种小班分布。

2.3 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]。

2.4 插值方法

本文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Minitab16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。

2.5 评价方法

本文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[26]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。本文中，an为土壤养分指标，包括土壤碱解氮、速效钾、有效磷、有机质含量等，xn分别为其对应分值。

3 结果与分析

3.1 雅长林场林地土壤养分概况

根据全国第二次土壤普查养分分级标准[27]，对研究区土壤15个养分指标进行统计分析，结果见表1。研究区林地土壤整体呈酸性，土壤交换性钙、交换性镁、有效铁含量较高，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效铜、有效锌含量中等水平，土壤全磷、全钾、速效钾、有效锰、有效硼含量水平低，土壤有效磷含量很低。其中土壤碱解氮、速效钾、交换性钙、交换性镁、有效铁的标准差较高，表明这几个养分指标的变异性较强。

表1 研究区土壤养分概况

3.2 不同林分类型土壤养分状况比较

研究区主要树种有桉树、西南桦、八角等，本文对3个树种种植林地土壤肥力状况进行重点分析，结果见表2。桉树林地土壤养分含量除了土壤全钾和有效硼含量相对稍高于西南桦林地和八角林地外，其它均低于西南桦林地和八角林地，桉树种植区土壤氮、磷、钾含量低或者很低；西南桦种植区有机质、全氮、交换性镁、有效铜、有效锌含量中等，碱解氮、交换性钙和有效铁含量比较高，全磷、全钾、速效钾、有效锰、有效硼含量低，有效磷含量极低；八角种植区土壤有机质、全氮、碱解氮、有效铜、有效锌含量中等，全磷、全钾、有效磷、有效钾、有效锰、有效硼含量低或很低，交换性钙、交换性镁和有效铁含量较高。

表2 不同林分类型土壤养分对比分析

3.3 雅长(场内)林地土壤养分空间分析

3.3.1 土壤pH和有机质 对研究区土壤养分指标进行空间插值预测分析，土壤pH和有机质含量分析结果见图2。林地土壤pH的范围在4.99～6.31，其中雅长分场和那成分场部分区域pH值较高，九龙分场和东明分场的pH值较低；土壤有机质的范围在9.59～45.16 g·kg-1，其中，九龙分场和那成分场的土壤有机质含量较高，其它分场土壤有机质含量较低。

图2 土壤pH和有机质含量分布

3.3.2 土壤氮、磷、钾含量 利用空间插值法，研究区林地土壤氮、磷、钾含量空间分布结果见图3～图5。其中，土壤碱解氮含量59.15～237.51 mg·kg-1，有效磷含量0.47～9.25 mg·kg-1，速效钾含量46.42～119.05 mg·kg-1，全氮含量0.67～2.17 g·kg-1，全磷含量0.24～0.62 g·kg-1，全钾含量3.85～33.98 g·kg-1。全氮和碱解氮含量分布类似，九龙分场和那成分场的氮含量较高，那成分场和雅庭分场的土壤有效磷含量较高，东明分场全磷含量较低，那成分场和雅庭分场部分区域速效钾含量较高。

图3 土壤碱解氮和全氮含量分布

图4 土壤有效磷和全磷含量分布

图5 土壤速效钾和全钾含量分布

图6 研究区综合肥力分区

3.4 雅长(场内)林地土壤肥力分区

利用主成分分析法从全部土壤肥力指标中筛选出最小土壤肥力指标数据集，最终筛选出本研究的林地土壤肥力指标有：土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾8个土壤指标。采用主成分分析法计算各养分指标对土壤肥力权重的大小，权重分别为0.14、0.17、0.18、0.05、0.06、0.14、0.13、0.13；结合养分指标含量的空间分析结果，采用指数和法计算综合指数，将综合指数归一化。指数在0～0.33的区域为土壤肥力较低，记为Ⅲ级；0.33～0.66的区域为土壤肥力中等，记为Ⅱ级；0.66～1的的区域为土壤肥力较高，记为Ⅰ级。以此对研究区林地土壤肥力进行综合性分区，将林地分为3个等级区域(图6)。结果表明，那成分场、九龙分场、雅庭分场的小部分区域为第Ⅰ等级区域，肥力水平较高；益来分场、九龙分场、雅长分场、雅庭分场、那成分场的小部分区域为第Ⅱ等级区域，肥力中等；东明分场、新寨分场、花坪分场、果麻分场、二沟分场、雅庭分场的小部分区域为第Ⅲ等级区域，肥力较低。

4 结论

研究区林地土壤整体呈酸性，土壤交换性钙、交换性镁、有效铁含量较高，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效铜、有效锌含量中等，土壤全磷、全钾、速效钾、有效锰、有效硼含量低，土壤有效磷含量很低。其中土壤碱解氮、速效钾、交换性钙、交换性镁、有效铁的标准差较大，表明这几个养分指标的变异性较强。

桉树、八角、西南桦3个主要树种林地土壤养分对比分析表明，桉树林地除了土壤全钾、有效硼含量相对稍高于其它2个树种种植区外，其余土壤养分含量均低于其它2个树种，土壤氮、磷、钾含量也低或者很低；西南桦种植区有机质、全氮、交换性镁、有效铜、有效锌含量中等，碱解氮、交换性钙、有效铁含量比较高，全磷、全钾、速效钾、有效锰、有效硼含量低，有效磷含量极低；八角种植区土壤有机质、全氮、碱解氮、有效铜、有效锌含量中等，全磷、全钾、有效磷、有效钾、有效锰、有效硼含量低或很低，交换性钙、交换性镁和有效铁含量较高。

研究区林地土壤肥力综合分区评价结果表明，那成分场、九龙分场、雅庭分场的小部分区域综合肥力较高；益来分场、九龙分场、雅长分场、雅庭分场、那成分场的小部分区域综合肥力中等；东明分场、新寨分场、花坪分场、果麻分场、二沟分场和雅庭分场的小部分区域综合肥力较低。综合分区评价结果可以为研究区制定林地地力提升、土壤功能退化防治的有效管理措施提供指导。在此研究基础上，下一步将开展对森林土壤养分针对性研究，重点放在林业产业发展和生态保护之间的平衡。