石媛媛，鄧明軍，唐健，宋賢沖，王會利，覃其云

(1.廣西林業(yè)科學研究院，廣西 南寧 530002； 2.廣西壯族自治區(qū)煙草公司，廣西 南寧 530022)

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基于空間分析的森林土壤養(yǎng)分分級方法

石媛媛1，鄧明軍2，唐健1，宋賢沖1，王會利1，覃其云1

(1.廣西林業(yè)科學研究院，廣西 南寧 530002； 2.廣西壯族自治區(qū)煙草公司，廣西 南寧 530022)

摘要：為探索一種適用于森林土壤養(yǎng)分分級方法，本研究以廣西樂里林場太陽盤分場為研究區(qū)域，通過網格化方式布設土壤采樣點，分析土壤有效磷含量并進行空間插值，利用森林資源規(guī)劃數據，提取速生杉木種植小班平均土壤有效磷含量，選取速效氮、速效鉀水平中等的小班，計算各小班杉木(Cuninghamia spp.)年平均生長量，根據相對產量公式計算小班年相對生長量，以“對數”類型擬合年相對生長量與對應土壤養(yǎng)分值之間的關系，分別以相對生長量為50%、75%、90%和95%計算對應的土壤磷素含量，根據計算結果劃分土壤磷素豐缺指標，獲得該區(qū)域土壤有效磷臨界值分為2.6、4.0、5.7和6.3，得出研究區(qū)杉木林地土壤有效磷分級指標，為制定區(qū)域速生林木施肥配方提供研究基礎。

關鍵詞：林業(yè)；森林；土壤；養(yǎng)分

土壤養(yǎng)分分級是定量化評價土壤養(yǎng)分水平的基礎，更是科學施肥的推薦依據。雖然我國林業(yè)生產的理念內廣泛地提倡集約化管理模式，但由于森林立地條件的復雜性，林業(yè)生產集約化程度遠遠低于農業(yè)生產模式，一直處于粗放經營狀態(tài)。隨著生態(tài)GDP概念的出現[1]，森林生態(tài)效益的重要性被廣泛認知，特別是其碳匯功能[2-3]，而速生樹種是碳匯貢獻最大的林種，如每畝(約667 m2)速生桉樹(Eucalyptussp.)一年可固定1 t的碳，生長1 m3木材就吸收和固定1.83 t CO2，釋放1.62 t O2[4-5]。然而，建植速生林卻飽受爭議，主要的表面原因是速生林種植地區(qū)容易形成水土流失、影響水質、引起土壤退化[5-7]，但是，速生林的缺陷是由于不科學的種植方式所致，并非速生林本身[8-9]。速生林對土壤肥力的要求很高，由于生長需要大量養(yǎng)分供給，不合理施肥和濫用除草劑的情況，造成土地消耗過大，土壤有機質銳減。因此，根據森林土壤養(yǎng)分狀況，合理施肥是速生林木發(fā)揮生態(tài)效益的關鍵。合理施肥的基礎是要查清土壤養(yǎng)分狀況，因此，制定有效的森林土壤養(yǎng)分分級方法，有助于速生林種植的規(guī)?；⒖茖W化，減少對生態(tài)環(huán)境的影響。當前，我國農業(yè)領域通過“3414”試驗建立的測土配方施肥技術指標體系[10]，是根據土壤養(yǎng)分測定值與作物產量之間的相關性來確定的，通常按照相對產量法對土壤養(yǎng)分進行指標分級。然而，林業(yè)領域相關研究起步相對較晚，王力朋等[11]對采用分層聚類分析的方法對桉樹人工林進行土壤區(qū)劃，曹繼釗等[12]和樊東函等[13]是以林地土壤調查和室內分析化驗作為林地平衡施肥的依據，尋找最佳平衡合理的施肥配方。目前，林業(yè)生產多采用傳統(tǒng)方式調查試驗獲取最佳施肥配方，有關森林土壤養(yǎng)分分級方法的系統(tǒng)研究較少，且針對較大尺度的區(qū)域性養(yǎng)分狀況的研究少見報道。本研究利用研究區(qū)內大量樣點和森林資源規(guī)劃數據，采用空間分析方法和相對產量法相結合的研究方式，探索適合森林土壤的養(yǎng)分分級方法，制定土壤養(yǎng)分分級指標，以期為大區(qū)域速生林木配方施肥提供快速準確的依據。

1材料與方法

1.1土壤養(yǎng)分普查數據

研究區(qū)位于廣西百色市田林縣樂里林場，以樂里林場太陽盤分場(6 242 km2)作為研究區(qū)域進行土樣采集。利用網格布點法，結合研究區(qū)地形情況設置土壤取樣點，并根據實地考察的地形進行微調，用GPS定位讀取采樣點坐標，共采集土壤樣品65個(圖1)。

取好的土壤樣品帶回實驗室，風干、研磨、過篩備用，分別測定土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量[14]。

1.2森林資源規(guī)劃數據

咨詢當地林業(yè)部門，收集近期森林資源規(guī)劃數據，包括研究區(qū)行政邊界、優(yōu)勢樹種、林齡、森林蓄積等，并對研究區(qū)數據進行提取、坐標轉換等前處理。結合土壤取樣點坐標數據，將森林規(guī)劃數據和取樣點數據的坐標系轉換一致，本研究選取研究區(qū)內速生杉木種植小班作為研究對象，根據森林規(guī)劃數據里的“優(yōu)勢樹種”字段提取該研究區(qū)速生杉木(Cuninghamiaspp.)小班分布(小班是森林經營的基本單位)。

圖1　研究區(qū)位置示意圖

1.3插值方法的選擇

土壤養(yǎng)分的空間變異性是由母質、氣候、水文、地形等結構性因素和施肥以及人類活動等隨機性因素共同作用的結果。有研究認為[15-19]，具有以上特征的土壤養(yǎng)分用克里格(Kriging)內插方法得到的結果具有較高的精度。Kriging是以區(qū)域化變量理論為基礎，它既是有結構性又有隨機性的變量，適合研究在空間分布上既有隨機性又有結構性，或空間相關性和依賴性的自然現象，Kriging的最大優(yōu)點是它能給出無偏估計、最優(yōu)估計，充分考慮到土壤特性的空間變異。本研究中，插值分析對象為森林土壤有效磷含量的空間分布，因此，選取克里格插值方法對土壤有效磷進行分析。

1.4土壤磷肥力指標的建立方法

本研究的思路來源于農業(yè)的“3414”田間試驗方法，但并未人為設置施肥缺素區(qū)，而是利用大量的森林小班代替 “3414”田間試驗中的試驗小區(qū)，將土壤養(yǎng)分空間差值后的小班土壤養(yǎng)分平均值劃分不同區(qū)段，代替田間試驗小區(qū)的不同施肥處理和重復。在大量的數據中篩選土壤速效氮、速效鉀水平中等的小班作為速生杉木磷肥處理區(qū)。

磷肥處理區(qū)各小班相對生長量計算如下：

年平均生長量=速生杉木蓄積量/速生杉木平均林齡 (1)

相對生長量=(年平均生長量/全養(yǎng)分區(qū)年平均生長量)×100%(2)

本研究定義速生杉木小班磷素水平分為P0、P1、P2、P3、P4，對應的年平均蓄積量分別為X0、X1、X2、X3、X4，X4為全養(yǎng)分區(qū)年平均生長量；設土壤磷素水平標準為：有效磷最高值(H)減去最低值(L)，除以等級個數5，得平均差(d)，各水平對應的有效磷范圍和相對生長量計算公式見表1。

以“對數”模型擬合年相對生長量與對應小班土壤平均養(yǎng)分值之間的關系，分別以相對生長量為50%、75%、90%和95%計算對應的土壤磷素含量，根據計算結果劃分土壤磷素豐缺指標。本研究定義速生杉木磷素缺素區(qū)相對產量低于50%的養(yǎng)分值為極低，50%～75%為低，75%～90%為中，90%～95%為高，大于95%的為極高。

2結果與分析

2.1區(qū)域土壤養(yǎng)分分布預測

對研究區(qū)土壤有效磷含量進行插值，獲取該區(qū)域土壤有效磷空間分布預測值(圖2)。結果表明，研究區(qū)土壤有效磷預測值范圍為1.14～4.68 mg·kg-1，研究區(qū)的東北和西南部分區(qū)域土壤有效磷含量較高，中部和南部區(qū)域土壤有效磷含量較低。

2.2杉木相對生長量統(tǒng)計

參考森林資源調查數據，依據優(yōu)勢樹種字段提取研究區(qū)杉木種植分布區(qū)域，以小班為單位，計算研究區(qū)杉木各小班年平均生長量；同時計算各杉木小班土壤有效磷平均值，得出研究區(qū)杉木種植小班有效磷分布情況(圖3)。從杉木種植區(qū)的分布可以看出，研究區(qū)的杉木主要分布在東部區(qū)域，西部和南部有少量杉木種植，杉木種植區(qū)的土壤有效磷含量范圍為1.25～3.32 mg·kg-1。

表1　土壤磷素劃分水平和林木生長量

圖2　研究區(qū)土壤有效磷含量分布

圖3　杉木種植區(qū)有效磷含量分布

2.3森林土壤有效磷分級指標的確定

為模擬杉木種植區(qū)不同磷肥水平，根據土壤有效磷的含量，依據表1中有效磷范圍的劃分，將杉木種植區(qū)劃分為P0～P4磷肥水平區(qū)，以P4磷肥水平區(qū)的杉木年平均生長量X4作為全養(yǎng)分區(qū)年平均生長量。剔除數據不全的小班，按照公式(1)和(2)，計算以小班為單位的杉木相對生長量。

繪制土壤有效磷與杉木相對生長量散點圖(圖4)，建立土壤有效磷與杉木相對生長量之間的回歸方程，各磷肥水平區(qū)杉木相對生長量與土壤有效磷含量的相關性達到極顯著水平(P<0.01)，根據方程計算，以相對生長量的50%、75%、90%和95%為標準，獲得土壤有效磷豐缺指標，作為該區(qū)域森林土壤有效磷分級指標。杉木相對年生長量(y，%)與土壤有效磷(x，mg·kg-1)之間的回歸方程為y=57.53ln(x)-5.54(R2=0.419 8，P=0.01)。

將相對產量法的4個分級臨界值50%、75%、95%和100%代入上述方程，得出相應的土壤有效磷臨界值，分別為2.6、4.0、5.7和6.3，從而得出研究區(qū)杉木林地土壤有效磷分級指標，即：土壤有效磷含量≤2.60 mg·kg-1時為極低水平，2.61～4.00 mg·kg-1時為低水平，4.01～5.70 mg·kg-1時為中等水平，5.71～6.30 mg·kg-1時為高水平，≥6.31 mg·kg-1時為極高水平。

圖4　 杉木相對生長量與土壤有效磷的關系

3討論與結論

為探索林地土壤養(yǎng)分分級方法，本研究利用森林資源規(guī)劃數據和大量土壤樣點養(yǎng)分數據，構建了杉木相對年生長量與土壤有效磷的方程，并估算了研究區(qū)土壤有效磷的分級指標。結果表明，該方法利用空間分析方法，以速生杉木林地土壤有效磷含量為例，計算速生杉木相對年生長量及研究區(qū)土壤有效磷空間分布結果，以速生杉木小班作為最小單位，結合農業(yè)“3414”試驗的理念，構建了森林土壤養(yǎng)分分級方法，計算出研究區(qū)內土壤有效磷分級指標臨界值為2.6、4.0、5.7和6.3。

確定土壤養(yǎng)分分級指標是測土配方合理施肥工作中的重要一環(huán)，長久以來，農業(yè)上通過“3414”田間試驗來確定區(qū)域土壤養(yǎng)分分級指標，“3414”田間試驗需要人為設置不同養(yǎng)分水平的施肥小區(qū)，為保證數據精度需設定3～4個重復并進行多年試驗。本研究提供的土壤養(yǎng)分分級方法改進了“3414”試驗方法的基礎數據獲取途徑，在收集研究區(qū)養(yǎng)分空間分布狀況和林木生長量的前提下，模擬計算土壤養(yǎng)分與林木相對生長量之間的關系，從而確定該區(qū)域土壤養(yǎng)分分級指標。對比農業(yè)“3414”田間試驗方法，該方法不需要人為設置大量的施肥梯度試驗小區(qū)，避免了林地重復施肥，具有節(jié)省人力、物力和財力的優(yōu)點；相對農作物，林木生長周期較長，生產規(guī)模大，地形復雜，林業(yè)試驗工作量繁重，不適宜進行多年大田施肥試驗，因此，本研究提供的土壤養(yǎng)分分級方法更適合林業(yè)生產。

近年來，營造速生林作為緩解木材供需矛盾的重要措施日益發(fā)展壯大，由此而來的不合理施肥問題也引起很多學者的關注[20-22]，測土配方[23-24]、肥料緩控釋[25]等技術的應用一定程度上減少了林業(yè)施肥對生態(tài)環(huán)境的破壞。長久以來，林業(yè)生產相對粗放，其根本原因是由于林業(yè)生產環(huán)境比較復雜，生產條件相對艱苦，很多農業(yè)領域適用的方法，并不適合直接應用于林業(yè)生產，本研究針對林業(yè)生產試驗特點對傳統(tǒng)方法進行的改進有助于更準確地獲取森林土壤基礎數據，促進林業(yè)生產施肥科學化、精確化。本研究針對研究區(qū)域的某一樹種的種植區(qū)進行土壤養(yǎng)分等級劃分，因此，研究結果對區(qū)域以外的土壤并不完全適用，但可以通過擴大研究區(qū)域使養(yǎng)分分級指標的適用范圍更廣。

今后的研究中應重點結合該土壤養(yǎng)分分級方法制定不同速生林木施肥配方推薦體系，進一步構建和完善林業(yè)土壤養(yǎng)分管理方法。

參考文獻References:

[1]潘勇軍.基于生態(tài)GDP核算的生態(tài)文明評價體系構建.北京：中國林業(yè)科學研究院博士學位論文，2013.

Pan Y J.Construction of evaluation system for ecological civilization based on ECO-GDP accounts.PhD Thesis.Chinese Academy of Forestry,2013.(in Chinese)

[2]張小全，武曙紅，何英，侯振宏.森林、林業(yè)活動與溫室氣體的減排增匯.林業(yè)科學，2005，41(6)：150-156.

Zhang X Q,Wu S H,He Y,Hou Z H.Forests and forestry activities in relations to emission mitigation and sink enhancement.Scientia Silvae Sinicae,2005,41(6):150-156.(in Chinese)

[3]侯振宏，張小全，肖文發(fā).中國森林管理活動碳匯及其潛力.林業(yè)科學，2012，48(8):11-15.

Hou Z H,Zhang X Q,Xiao W F.Carbon sink estimation and potential of forest management in China.Sientia Silvae Sinicae,2012,48(8):11-15.(in Chinese)

[4]張治軍，張小全，朱建華，羅云建,侯振宏,褚金翔.廣西主要人工林類型固碳成本核算.林業(yè)科學，2010，46(3):16-22.

Zhang Z J,Zhang X Q,Zhu J H,Luo Y J,Hou Z H,Chu J X.Cost of carbon sequestration of main plantation types in Guangxi.Scientia Silvae Sinicae,2010,46(3):16-22.(in Chinese)

[5]黃國勤，趙其國.廣西桉樹種植的歷史“現狀”生態(tài)問題及應對策略.生態(tài)學報，2014，34(18):5142-5152.

Huang G Q,Zhao Q G.The history，status quo，ecological problems and countermeasures ofEucalyptusplantations in Guangxi.Acta Ecologica Sinica,2014,34(18):5142-5152．

[6]Tereraia F,Gaertner M,Jacobs S M,Richardson D M.Eucalyptus invasions in riparian forests:Effects on native vegetation community diversity，stand structure and composition.Forest Ecology and Management，2013，297:84-93.(in Chinese)

[7]葉紹明，溫遠光,楊梅，梁宏溫.連栽桉樹人工林植物多樣性與土壤理化性質的關聯(lián)分析.水土保持學報，2010，24(4):246-256.

Ye S M,Wen G Y,Yang M,Liang H W.Correlation analysis on biodiversity and soil physical & chemical properties ofEucalyptusspp. plantations under successive rotation.Journal of Soil and Water Conservation,2010,24(4):246-256.(in Chinese)

[8]Vihervaara P,Marjokorpi A,Kumpula T,Kamppinen M.Ecosystem services of fast-growing tree plantations:A case study on integrating social valuations with land-use changes in Uruguay.Forest Policy and Economics,2012,14:58-68.

[9]杜虹蓉，易琦，趙筱青.桉樹人工林引種的生態(tài)環(huán)境效應研究進展.云南地理環(huán)境研究,2014,26(1):30-39.

Du H R,Yi Q,Zhao X Q.Study on the eco-environmental effects of introduced eucalyptus plantation.Yunnan Geographic Environment Research,2014,26(1):30-39.(in Chinese)

[10]王圣瑞,陳新平,高祥照,毛達如,張福鎖.“3414”肥料試驗模型擬合的探討.植物營養(yǎng)與肥料學報，2002 ,8(4):409-413.

Wang S R,Chen X P,Gao X Z,Mao D R,Zhang F S.Study on simulation of “3414” fertilizer experiments.Plant Nutrition and Fertilizer Science,2002,8(4):409-413.(in Chinese)

[11]王力朋，齊濤，羅燕，何茜，李吉躍，齊濤，謝德新.河源地區(qū)桉樹人工林土壤肥力和土壤區(qū)劃研究.中國農學通報，2013，29(10):28-34.

Wang L P,Qi T,Luo Y,He Q,Li J Y,Qi T,Xie D X.Soil fertility and soil regionalization ofEucalyptusplantation in Heyuan.Chinese Agricultural Science Bulletin,2013,29(10):28-34.(in Chinese)

[12]曹繼釗，農必昌，唐黎明，張家昌，馬涪.廣西桉樹人工林配方施肥技術應用示范效益研究與評價.廣西林業(yè)科學，2010，39(3):136-139.

[13]樊東函，榮薏，梁剛，蔡林，呂月保.尾巨桉萌芽林土壤肥力變化及施肥研究.桉樹科技，2013,30(2)：9-14.

Fan D H,Rong Y,Liang G,Cai L,Lyu Y B.Investigation into variability in soil fertility and fertilization regimes forEucalyptusurophylla×E.grandisCoppice plantations.Eucalypt Science & Technology,2013,20(2):9-14.(in Chinese)

[14]魯如坤.土壤農業(yè)化學分析方法.北京：中國農業(yè)科技出版社，2000.

[15]Segaye T,Hill R L.Intensive tillage effects on spatial variability of soil test,plant growth,and nutrient uptake measurements.Soil Science,1998,163(2):155-165.

[16]楊子清,陳平留,劉健,余坤勇，廖曉麗，游浩辰，繆綠琳.基于Kriging 法的森林土壤養(yǎng)分空間插值.福建農林大學學報(自然科學版)，2012，41(3)：296-300.Yang Z Q,Chen P L,Liu J,Yu K Y,Liao X L,You H C,Miu L L.Spatial interpolation of forest soil nutrients based on Kriging method.Journal of Fujiang Agriculture and Forestry University (Natural Science Edition),2012,41(3):296-300.(in Chinese)

[17]石小華,楊聯(lián)安,張蕾.土壤速效鉀養(yǎng)分含量空間插值方法比較研究.水土保持學報,2006,20(2):68-72.

Shi X H,Yang L A,Zhang L.Comparison of spatial interpolation methods for soil available kalium.Journal of Soil and Water Conservation,2006,20(2):68-72.(in Chinese)

[18]蔡太義,張合兵,陳志超,劉昌華,黃會娟,王康,徐丹.新鄭市農田土壤有機質的空間變異.草業(yè)科學，2014,31(5):818-825.

Cai T Y,Zhang H B,Chen Z C,Liu C H,Huang H J,Wang K,Xu D.Spatial variation of soil organic matter in farmland from main grain growing regions of Xinzheng City,Henan Province.Pratacultural Science,2014,31(5):818-825.(in Chinese)

[19]張宇,黃琛,趙萌莉.取樣尺度對荒漠草原土壤水分空間異質性的影響.草業(yè)科學,2013,30(11): 1698-1703.

Zhang Y,Huang C,Zhao M L.Effects of sampling scale on the spatial heterogeneity of soil moisture in desert steppe.Pratacultural Science,2013,30(11):1698-1703.(in Chinese)

[20]丁曉綱，李吉躍，張方秋，潘文，何茜，陳靜，王冉，張衛(wèi)華.林木營養(yǎng)診斷及施肥研究進展.廣東林業(yè)科技， 2010，26(4)：66-70.

Ding X G,Li J Y,Zhang F Q,Pan W,He Q,Chen J,Wang R,Zhang W H.Review on tree nutrient diagnosis and fertilization technique.Guangdong Forestry Science and Technology,2010,26(4):66-70.(in Chinese)

[21]任麗娜，高廣磊，王海燕，丁國棟，孫嘉，楊曉娟，劉玲.我國林木營養(yǎng)診斷及人工施肥研究進展.遼寧農業(yè)科學,2011(4):43-47.

Ren L N,Gao G L,Wang H Y,Ding G D,Sun J,Yang X J,Liu L.Research advances of trees nutrient diagnosis and fertilization in China.Liaoning Agricultural Sciences,2011(4):43-47.(in Chinese)

[22]姚姜銘，吳敏坤，王凌暉.林木施肥與桉樹短輪伐期用材林施肥研究進展.廣西林業(yè)科學，2013，42(3)：259-262.

Yao J M,Wu M K,Wang L H.Research progress of forest fertilization and timber forest fertilization inEucalyptusshort rotation.Guangxi Forestry Science,2013,42(3):259-262.(in Chinese)

[23]姚蕾.速生豐產林測土配方專家系統(tǒng)的研建.哈爾濱：東北林業(yè)大學碩士學位論文，2013.

Yao L.Establishment of expert system for fast-growing and high-yield forest soil testing.Master Thesis.Harbin:Northeast Forestry University,2013.(in Chinese)

[24]楊根水.測土配方施肥在林業(yè)生產上的應用.林業(yè)科技，2013(6):21-22.

[25]潘波，唐健，王會利，曹繼釗，宋賢沖.3 種肥料品種的氮素養(yǎng)分靜水釋放試驗.廣西林業(yè)科學，2013，42(3):273-275.

Pan B,Tang J,Wang H L,Cao J Z,Song X C.Hydrostatic releasing test on nitrogen nutrient in three fertilizers.Guangxi Forestry Science,2013,42(3):273-275.(in Chinese)

(責任編輯武艷培)

Forest soil nutrient classification method based on spatial analysis

Shi Yuan-yuan1, Deng Ming-jun2, Tang Jian1, Song Xian-chong1, Wang Hui-li1, Qin Qi-yun1

(1.Guangxi Forestry Research Institute, Nanning 530002, China;2.Guangxi Tobacco Company, Nanning 530022, China)

Abstract:In order to provide scientific basis for precise fertilizing for fast-growing trees, and exploring a suitable forest soil nutrient classification method, a grid soil sample method was used in Guangxi Leli Forest Farm. The soil available phosphorus in each grid was calculated and interpolated. Based on forest resources planning data, the average soil available phosphorus in fast-growing Chinese fir unit was extracted. Then we calculated average annual growth and relative annual growth where in medium available nitrogen and available potassium. The relationship between the relative annual growth and soil available phosphorus was fitted with “l(fā)ogarithmic” type. Soil phosphorus contents corresponding to the average annual growth of 50%, 75%, 90% and 95% were calculated. Then the area of soil available potassium critical value is divided into: 2.6, 4.0, 5.7 and 6.3, respectively, according to the results of classification.

Key words:forestry; forest; soil; nutrient

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2051-0681

*收稿日期：2015-12-04接受日期：2016-02-24

基金項目：廣西自然科學基金(2015GXNSFAA139100)；廣西林業(yè)科技項目(桂林科字[2014]30號)

通信作者：石媛媛(1979-)，女，河南范縣人，農藝師，博士，主要從事林業(yè)資源管理及林木營養(yǎng)診斷研究。E-mail:syyfly@163.com

中圖分類號：S718.51+6

文獻標志碼：A

文章編號：1001-0629(2016)6-1112-06*

Corresponding author:Shi Yuan-yuanE-mail:syyfly@163.com

石媛媛，鄧明軍，唐健，宋賢沖，王會利，覃其云.基于空間分析的森林土壤養(yǎng)分分級方法.草業(yè)科學,2016,33(6)：1112-1117.

Shi Y Y,Deng M J,Tang J,Song X C,Wang H L,Qin Q Y.Forest soil nutrient classification method based on spatial analysis.Pratacultural Science，2016,33(6)：1112-1117