石媛媛，鄭黨斌，岑祖明，陸星任，韓俊學(xué)，張宏旺，唐 健

(1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院、廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530002；2.廣西林用新型肥料研發(fā)中心，廣西 南寧 530002； 3.廣西國有雅長林場，廣西 百色 533000)

土壤質(zhì)量是影響全球生物圈可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、土壤管理和土地利用的重要因素之一。土壤里儲存了大量的碳、氮、磷和鉀元素，這些元素來源于生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境生物之間的相互作用。土壤為森林的可持續(xù)發(fā)展提供營養(yǎng)元素，森林植被也影響土壤中營養(yǎng)元素的存在，且土壤具有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性。研究發(fā)現(xiàn)，即使在幾厘米空間內(nèi)土壤也有距離的變化[1-2]，土壤具有不同尺度上的空間異質(zhì)性，空間上的分布決定了土壤的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。研究表明，土壤母質(zhì)、土壤類型、土壤質(zhì)地等變化對大尺度森林規(guī)模起決定性作用[3]。很多研究證明了不同氣候、區(qū)域、空間尺度的森林土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性與環(huán)境因素的關(guān)系[3-7]。土壤養(yǎng)分空間分布變化對于森林植被結(jié)構(gòu)和土壤肥力管理具有指導(dǎo)意義。

除了自然因素，林地經(jīng)營管理策略也會影響土壤養(yǎng)分含量和分布的變化，粗放的森林管理使土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量降低，制約了森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[8-10]。近年來，人工林面積的不斷擴(kuò)大增加了地區(qū)經(jīng)濟(jì)總值，但也導(dǎo)致了天然林的急劇減少，導(dǎo)致森林樹種同質(zhì)化和幼林化問題嚴(yán)重[11]，同時(shí)造成土壤質(zhì)量的惡化以及土壤肥力的降低[12-14]。南亞熱帶紅壤區(qū)適宜植樹造林，是南方碳循環(huán)的重要組成部分，了解土壤養(yǎng)分的空間分布有助于評估當(dāng)前或潛在的土壤生產(chǎn)力并預(yù)測潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法被廣泛應(yīng)用于研究土壤養(yǎng)分含量的空間變異，對區(qū)域農(nóng)業(yè)土壤管理實(shí)踐起到很好的指導(dǎo)作用[15-17]。地統(tǒng)計(jì)學(xué)也是分析土壤性質(zhì)空間分布特征和變化規(guī)律的最有效方法[18-20]，目前，地統(tǒng)計(jì)和空間信息技術(shù)的發(fā)展為土壤質(zhì)量評價(jià)提供了更為便捷、精確和直觀的技術(shù)分析方法。近些年，相關(guān)學(xué)者逐漸開始利用空間信息技術(shù)對土壤肥力進(jìn)行分析和評價(jià)[21-22]，特別是針對大中尺度土壤性質(zhì)及肥力特征的空間變異特征、分布及評價(jià)等研究較多[23-25]，一般而言不同尺度土壤性質(zhì)空間變異性分析對于土壤空間數(shù)據(jù)庫建立、實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理有重要意義。土壤養(yǎng)分和pH分布圖將有助于更好地規(guī)劃森林管理策略，并進(jìn)一步支持研究區(qū)林地利用的可持續(xù)發(fā)展。因此，本研究以南亞熱帶紅壤區(qū)廣西雅長林場為研究區(qū)，分析研究區(qū)森林土壤pH、有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等含量的水平，了解區(qū)域尺度林地土壤養(yǎng)分指標(biāo)含量的空間分布特征，對研究區(qū)森林土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合分級，對于在研究區(qū)采取更有效的林業(yè)管理措施具有重要指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

雅長林場位于廣西西北部云貴高原東南邊緣，地處東經(jīng)106°08′—106°23′、北緯24°37′—25°00′之間，北回歸線以北，是廣西丘陵向云貴高原過渡的山原地帶。地勢東南高西北低，最高峰為海拔1970.9 m的盤古王山。主要地貌類型為中山，林區(qū)內(nèi)山高、谷深、坡陡，相對高差大，地形復(fù)雜。全場屬南亞熱帶氣候，熱量充沛，冬短夏長，干濕季節(jié)明顯，年均溫16.8 ℃，年均降水量1058 mm。林區(qū)土壤多為由砂頁巖風(fēng)化的殘積母質(zhì)發(fā)育而成的紅壤和黃壤，局部有草甸土。植被類型屬西部南亞熱帶常綠闊葉林，現(xiàn)存植被主要是細(xì)葉云南松、松櫟針闊混交林、櫟類及各種次生闊葉林。場區(qū)森林覆蓋率達(dá)50%以上，林區(qū)生態(tài)公益林面積達(dá)3萬hm2，是國家重點(diǎn)水電工程——龍灘水電站和珠江流域主要的水源涵養(yǎng)林，生態(tài)地位突出。

雅長林場主要人工林有桉樹、西南樺、八角等，其中桉樹林齡主要為3～4 a，種植密度為1665株·hm-2，每年3—6月追肥500 g·株-1；西南樺主要林齡為6～10 a，種植密度為1665株·hm-2，不施肥；八角主要林齡為1～5 a，種植密度為630株·hm-2，不施肥。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集及分析

結(jié)合雅長林場場內(nèi)造林部分林地面積及林木分布特征，按照333 hm2一個(gè)取樣點(diǎn)的密度，采用平均網(wǎng)格法設(shè)置取樣點(diǎn)，共89個(gè)(圖1)，以樣點(diǎn)坐落的小班作為1個(gè)樣地，每個(gè)樣地采取S 型分布采樣點(diǎn)的方式設(shè)置5個(gè)剖面，每個(gè)土壤剖面0～40 cm混合取樣，每個(gè)樣地取等量混合成一個(gè)土樣并對土壤樣點(diǎn)進(jìn)行養(yǎng)分分析。測定土壤pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀、有效磷、交換性鈣、交換性鎂、有效銅、有效鋅、有效硼、有效鐵含量。

圖1 研究區(qū)樣點(diǎn)分布圖

2.2 森林資源規(guī)劃數(shù)據(jù)

收集近期森林資源規(guī)劃數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)進(jìn)行提取、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等前處理。結(jié)合土壤取樣點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將森林規(guī)劃數(shù)據(jù)和取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換一致，根據(jù)森林規(guī)劃數(shù)據(jù)里的“優(yōu)勢樹種”字段提取該研究區(qū)不同樹種小班分布。

2.3 土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法

土壤養(yǎng)分分級指標(biāo)指示該區(qū)域土壤養(yǎng)分的豐缺，是評價(jià)土壤養(yǎng)分水平的重要依據(jù)，本文根據(jù)近似相對生長量法計(jì)算區(qū)域土壤養(yǎng)分分級指標(biāo)[21]。

2.4 插值方法

本文利用數(shù)據(jù)的正態(tài)分布用Kolmogorov-Smimov檢驗(yàn)法(KS法)檢驗(yàn)，半方差分析采用軟件GS+9.0，SPSS 19.0 進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析，利用軟件Minitab16進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，利用普通克立格差值方法進(jìn)行空間預(yù)測，最后通過ArcGIS輸出制圖。

2.5 評價(jià)方法

本文利用主成分分析法計(jì)算不同土壤養(yǎng)分指標(biāo)的權(quán)重，采用指數(shù)和法[26]對土壤養(yǎng)分進(jìn)行適宜性評價(jià)分析，指數(shù)和法的運(yùn)算公式為：P=a1x1+a2x2+……+anxn，式中：P為指數(shù)和；a1，a2，……，an為各評價(jià)因素權(quán)重；x1，x2，…，xn為各評價(jià)指標(biāo)質(zhì)量等級分值。本文中，an為土壤養(yǎng)分指標(biāo)，包括土壤堿解氮、速效鉀、有效磷、有機(jī)質(zhì)含量等，xn分別為其對應(yīng)分值。

3 結(jié)果與分析

3.1 雅長林場林地土壤養(yǎng)分概況

根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[27]，對研究區(qū)土壤15個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表1。研究區(qū)林地土壤整體呈酸性，土壤交換性鈣、交換性鎂、有效鐵含量較高，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效銅、有效鋅含量中等水平，土壤全磷、全鉀、速效鉀、有效錳、有效硼含量水平低，土壤有效磷含量很低。其中土壤堿解氮、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、有效鐵的標(biāo)準(zhǔn)差較高，表明這幾個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)的變異性較強(qiáng)。

表1 研究區(qū)土壤養(yǎng)分概況

3.2 不同林分類型土壤養(yǎng)分狀況比較

研究區(qū)主要樹種有桉樹、西南樺、八角等，本文對3個(gè)樹種種植林地土壤肥力狀況進(jìn)行重點(diǎn)分析，結(jié)果見表2。桉樹林地土壤養(yǎng)分含量除了土壤全鉀和有效硼含量相對稍高于西南樺林地和八角林地外，其它均低于西南樺林地和八角林地，桉樹種植區(qū)土壤氮、磷、鉀含量低或者很低；西南樺種植區(qū)有機(jī)質(zhì)、全氮、交換性鎂、有效銅、有效鋅含量中等，堿解氮、交換性鈣和有效鐵含量比較高，全磷、全鉀、速效鉀、有效錳、有效硼含量低，有效磷含量極低；八角種植區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效銅、有效鋅含量中等，全磷、全鉀、有效磷、有效鉀、有效錳、有效硼含量低或很低，交換性鈣、交換性鎂和有效鐵含量較高。

表2 不同林分類型土壤養(yǎng)分對比分析

3.3 雅長(場內(nèi))林地土壤養(yǎng)分空間分析

3.3.1 土壤pH和有機(jī)質(zhì) 對研究區(qū)土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行空間插值預(yù)測分析，土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量分析結(jié)果見圖2。林地土壤pH的范圍在4.99～6.31，其中雅長分場和那成分場部分區(qū)域pH值較高，九龍分場和東明分場的pH值較低；土壤有機(jī)質(zhì)的范圍在9.59～45.16 g·kg-1，其中，九龍分場和那成分場的土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，其它分場土壤有機(jī)質(zhì)含量較低。

圖2 土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量分布

3.3.2 土壤氮、磷、鉀含量 利用空間插值法，研究區(qū)林地土壤氮、磷、鉀含量空間分布結(jié)果見圖3～圖5。其中，土壤堿解氮含量59.15～237.51 mg·kg-1，有效磷含量0.47～9.25 mg·kg-1，速效鉀含量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，全鉀含量3.85～33.98 g·kg-1。全氮和堿解氮含量分布類似，九龍分場和那成分場的氮含量較高，那成分場和雅庭分場的土壤有效磷含量較高，東明分場全磷含量較低，那成分場和雅庭分場部分區(qū)域速效鉀含量較高。

圖3 土壤堿解氮和全氮含量分布

圖4 土壤有效磷和全磷含量分布

圖5 土壤速效鉀和全鉀含量分布

圖6 研究區(qū)綜合肥力分區(qū)

3.4 雅長(場內(nèi))林地土壤肥力分區(qū)

利用主成分分析法從全部土壤肥力指標(biāo)中篩選出最小土壤肥力指標(biāo)數(shù)據(jù)集，最終篩選出本研究的林地土壤肥力指標(biāo)有：土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀8個(gè)土壤指標(biāo)。采用主成分分析法計(jì)算各養(yǎng)分指標(biāo)對土壤肥力權(quán)重的大小，權(quán)重分別為0.14、0.17、0.18、0.05、0.06、0.14、0.13、0.13；結(jié)合養(yǎng)分指標(biāo)含量的空間分析結(jié)果，采用指數(shù)和法計(jì)算綜合指數(shù)，將綜合指數(shù)歸一化。指數(shù)在0～0.33的區(qū)域?yàn)橥寥婪柿^低，記為Ⅲ級；0.33～0.66的區(qū)域?yàn)橥寥婪柿χ械龋洖棰蚣墸?.66～1的的區(qū)域?yàn)橥寥婪柿^高，記為Ⅰ級。以此對研究區(qū)林地土壤肥力進(jìn)行綜合性分區(qū)，將林地分為3個(gè)等級區(qū)域(圖6)。結(jié)果表明，那成分場、九龍分場、雅庭分場的小部分區(qū)域?yàn)榈冖竦燃墔^(qū)域，肥力水平較高；益來分場、九龍分場、雅長分場、雅庭分場、那成分場的小部分區(qū)域?yàn)榈冖虻燃墔^(qū)域，肥力中等；東明分場、新寨分場、花坪分場、果麻分場、二溝分場、雅庭分場的小部分區(qū)域?yàn)榈冖蟮燃墔^(qū)域，肥力較低。

4 結(jié)論

研究區(qū)林地土壤整體呈酸性，土壤交換性鈣、交換性鎂、有效鐵含量較高，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效銅、有效鋅含量中等，土壤全磷、全鉀、速效鉀、有效錳、有效硼含量低，土壤有效磷含量很低。其中土壤堿解氮、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、有效鐵的標(biāo)準(zhǔn)差較大，表明這幾個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)的變異性較強(qiáng)。

桉樹、八角、西南樺3個(gè)主要樹種林地土壤養(yǎng)分對比分析表明，桉樹林地除了土壤全鉀、有效硼含量相對稍高于其它2個(gè)樹種種植區(qū)外，其余土壤養(yǎng)分含量均低于其它2個(gè)樹種，土壤氮、磷、鉀含量也低或者很低；西南樺種植區(qū)有機(jī)質(zhì)、全氮、交換性鎂、有效銅、有效鋅含量中等，堿解氮、交換性鈣、有效鐵含量比較高，全磷、全鉀、速效鉀、有效錳、有效硼含量低，有效磷含量極低；八角種植區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效銅、有效鋅含量中等，全磷、全鉀、有效磷、有效鉀、有效錳、有效硼含量低或很低，交換性鈣、交換性鎂和有效鐵含量較高。

研究區(qū)林地土壤肥力綜合分區(qū)評價(jià)結(jié)果表明，那成分場、九龍分場、雅庭分場的小部分區(qū)域綜合肥力較高；益來分場、九龍分場、雅長分場、雅庭分場、那成分場的小部分區(qū)域綜合肥力中等；東明分場、新寨分場、花坪分場、果麻分場、二溝分場和雅庭分場的小部分區(qū)域綜合肥力較低。綜合分區(qū)評價(jià)結(jié)果可以為研究區(qū)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導(dǎo)。在此研究基礎(chǔ)上，下一步將開展對森林土壤養(yǎng)分針對性研究，重點(diǎn)放在林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)之間的平衡。