基于地質背景的山核桃林地土壤肥力因子分析

董建華，趙偉明，趙科理，胡俊靖，李 皓，袁紫倩，雷亦晨

（1.杭州市林業科學研究院，浙江 杭州 310022；2.浙江農林大學a.環境與資源學院；b.浙江省土壤污染生物修復重點實驗室，浙江 臨安 311300）

山核桃Carya cathayensis是浙江名特優產品，主要分布在浙江西北部天目山地區，山核桃產業是主產區林農主要經濟來源。近年來，隨著山核桃產品市場認可度的提升，農民加大了對山核桃林的投入力度，特別加大化學肥料的施用量，以促進高產。但是，不同地質背景下發育的山地土壤元素分布特征差異較大[1-2]。相關研究也表明：山核桃的生長分布在一定程度上受地層、巖石類型的影響[3]，不同基巖分布區，山核桃生長差別較大[4]。長期單一施用化肥作為養分補給來源，容易造成土壤養分不均衡，甚至導致土壤酸化和地力衰退，影響山核桃生長。因此，山核桃林地施肥應具有針對性。揭示不同地質背景下發育的山核桃林地土壤的肥力特性可以為山核桃健康施肥管理提供一些參考。近年來，針對山核桃植物營養、繁育技術和產品加工等方面的研究相對較多[5-12]，關于山核桃林地土壤肥力的研究雖然逐步增多[13-16]，但以農業地質環境為基礎，開展山核桃林地土壤肥力特性的研究鮮見報道。筆者通過GIS 技術和因子分析等方法，研究不同地質背景下山核桃林地土壤肥力特性，以期為山核桃健康施肥和養分調控提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于浙江省杭州市，是山核桃的主要產區。該區年平均氣溫為16.6 ℃，夏季平均氣溫33.8 ℃，冬季平均氣溫3.6 ℃，年平均降水量1 399 mm，年平均日照時數1 899 h，無霜期250 d。杭州市大地構造處于揚子準地臺錢塘臺褶帶，中元古代以后，地層發育齊全，山核桃主要分布在海拔50～1 200 m 的丘陵山地，立地為震旦系—奧陶系不純碳酸鹽巖類，泥盆系砂礫巖類，侏羅系流紋質熔結凝灰巖、凝灰熔巖等組成的火山巖類[16]。

1.2 樣品采集與制備

按1 km×1 km 網格布設山核桃林地土壤采樣點（即選取平方千米網格中有山核桃林分的點確定為采樣點）[14]。在對不同地質背景下山核桃林地土壤開展普查的基礎上，根據林地采樣布點圖，于2013年春季，山核桃林地施肥前，通過全球定位系統（GPS）導航和定位，在杭州臨安、淳安、桐廬等3 個山核桃主要分布區確定288 個采樣點。在選定的典型樣地上，按“S”型布點，分別采集5 個點的表層（0～20 cm）土樣，將其混合成1 個土壤樣品，然后采用四分法留取樣品1 kg，帶回實驗室。

1.3 土壤測定方法與數據分析

土壤pH 值測定采用pH 計（水土質量比2.5 ∶1.0）電位法；有機質（OM）含量測定采用重鉻酸鉀- 外加熱法；堿解氮（AN）含量測定采用堿解擴散法；速效磷（AP）含量測定采用Olsen 法；速效鉀（AK）含量測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法；交換性鈣（ECa）、交換性鎂（EMg）含量測定采用乙酸銨交換- 原子吸收分光光度法；有效硼（AB）含量測定采用熱水浸提- 電感耦合等離子光譜法（簡稱ICPOES）；有效鐵（AFe）、有效錳（AMn）、有效銅（ACu）、有效鋅（AZn）含量測定采用DTPA 浸提-電感耦合等離子光譜法[17]。

在ArcGIS 軟件環境下利用調查樣點的空間和土壤養分信息建立杭州市山核桃主產區土壤樣點養分數據庫。對杭州市礦產資源分布電子圖進行矢量化處理，取得山核桃主要分布區地質地層的矢量數據。將杭州市山核桃主產區地質地層分布的矢量數據、山核桃林小班分布矢量數據、行政區劃矢量數據逐一入庫。從數據庫中提取研究區樣點分布矢量圖和地質地層矢量圖，通過疊加獲取各調查點的地質年代和巖石地層等屬性。提取數據庫中的地質地層矢量圖和山核桃小班分布圖，統計研究區地層和山核桃林地總面積，并通過地質地層矢量圖和山核桃小班分布圖的相交處理，統計得到各類地層面積以及不同地層內山核桃林地面積。

使用SPSS 17.0 統計分析軟件進行方差分析和因子分析。

2 結果與分析

2.1 山核桃分布的地質構造特征

從地質年代特征來看，研究區除中生界三疊系和新生界第三系缺失外，自元古界震旦系至新生界侏羅系均有發育。但以奧陶系地層出露最多，其次為侏羅系地層和寒武系地層（見圖1和表1）。

圖1 杭州市山核桃地質分布Fig.1 Geological distribution of C.cathayensis in Hangzhou

表1 山核桃在不同地質背景發育土壤的分布Table 1 Distribution of C.cathayensis in soil under different geological background conditions

從山核桃的分布情況來看，主要分布在該區出露的寒武系、奧陶系、侏羅系和震旦系地層上。由表1可見：分布于寒武系的山核桃林面積最多，達23 216.92 hm2，占山核桃總面積的55.51%；其次為奧陶系，面積9 799.45 hm2，占總面積的23.43%；然后是侏羅系，面積5 518.24 hm2，占山核桃總分布面積的13.19%，其他地層山核桃分布較少。

從研究區所出露各地層的山核桃栽培利用情況來看，以寒武系地層利用率最高，山核桃栽培面積占寒武系地層總面積的31.61%；其次為震旦系地層，山核桃栽培利用比例為12.15%；再次是奧陶系地層，為11.43%；而侏羅系地層僅為7.80%。

同一年代地層具有相似巖性變化和巖性組合，但不同年代地層出露的巖體存在著較大的巖性差異。在山核桃主要分布的地層中，寒武系的西陽山組、楊柳崗組、華嚴寺組等地層的巖性以灰巖為主；而奧陶系的印渚埠組、胡樂組以及震旦系的蘭田、皮園村組等地層主要是鈣質頁巖、泥質頁巖和砂巖等；侏羅系的黃尖組地層以流汶巖、凝灰巖等酸性巖為主，同時有部分花崗巖和花崗閃長巖等出露巖體。

2.2 不同地質背景下發育的土壤養分特征分析

2.2.1 土壤有機質和pH 值

不同地層發育的山核桃林地土壤有機質含量差異不大（見表2）。由表2可以看出，奧陶系發育的土壤有機質含量最高（31.53 g/kg），其次為侏羅系（31.13 g/kg）、寒武系（31.00 g/kg）。

土壤酸堿性對土壤養分的存在狀態、轉化和有效性存在重要影響。因近年來山核桃林地大量施用化肥，再加上本區降水較豐富，土壤淋溶作用較強，土壤酸化明顯。由表2可以看出，不同地質背景下土壤pH 值均低于6.0。但土壤pH 值對母巖仍有較大的繼承性，不同母質發育土壤pH值存在極顯著差異，不同地質背景下形成的土壤pH 值從高到低依次是：寒武系發育的土壤（5.72）、奧陶系發育的土壤（5.27）、侏羅系發育的土壤（4.92）。

2.2.2 速效養分

土壤原生礦物風化釋放的養分是土壤速效養分的基本來源，人工施肥則是耕作土壤養分，特別是氮、磷、鉀等營養元素的重要補充[18]。由不同地層發育的山核桃林地土壤的速效養分含量見表2。由表2可以看出，不同地質背景下土壤堿解氮含量無顯著差異，各地層發育土壤堿解氮含量均大于150 mg/kg，能較好地供應山核桃生長。

不同地質背景下土壤速效磷含量從高到低依次是寒武系（13.44 mg/kg）、奧陶系（9.03 mg/kg）、侏羅系（7.41 mg/kg），經方差分析可知，不同地質背景下發育土壤速效磷的含量差異達到顯著水平。

與N、 P 不同，土壤速效鉀含量最高的是侏羅系發育的土壤（87.50 mg/kg），其次是寒武系（87.11 mg/kg），奧陶系發育土壤鉀的含量最低（83.68 mg/kg）。這與侏羅系酸性火成巖如花崗巖類母巖中富含長石、云母等含鉀豐富的礦物有一定關系[19]。

2.2.3 中量營養元素

不同地層發育的山核桃林地土壤中量營養元素含量見表2。表2中方差分析結果表明，不同地質背景下土壤的有效鈣、有效鎂的含量達到極顯著水平，且可以看出不同地層發育土壤的pH 值、交換性鈣和交換性鎂的分布特征相似。土壤交換性鈣和交換性鎂含量最高的是寒武系發育的土壤，其次是奧陶系、侏羅系發育的土壤。

表2 不同地層發育土壤的化學性質?Table 2 Chemical properties of soil from different strata

土壤中鈣、鎂主要來源于成土母質，其含量主要受成土母質及風化和成土條件的影響。山核桃分布區的寒武系發育的土壤成土母巖以富含碳酸鈣的灰巖、泥質灰巖和鈣質泥巖為主，風化成土過程中碳酸鈣延緩了土壤鹽基的淋失和土壤的酸化進程，土壤pH 值最高，交換性鈣和交換性鎂的含量也最高。侏羅系發育的土壤成土母巖以酸性火成巖為主，CaCO3含量偏低，風化成土過程中鹽基淋失較多，土壤pH 值最低，交換性鈣、交換性鎂也相對貧乏。

2.2.4 微量營養元素

以背景地質體為基礎的地質背景是土壤有效性微量元素含量的重要決定因素[20]。由不同地層發育的山核桃林地土壤微量營養元素含量見表2。由表2可以看出，不同地質背景下土壤微量元素含量差異較大。方差分析結果表明，不同地質背景下土壤的有效態鐵、有效態錳、有效態銅、有效態鋅、有效態硼的含量差異達到顯著水平。有效態鐵和有效態錳的含量由高到低依次是奧陶系、寒武系、侏羅系；有效銅、有效態鋅、有效態硼的含量由高到低依次是寒武系、奧陶系、侏羅系。可以看出，奧陶系、寒武系發育土壤微量元素含量整體高于侏羅系發育土壤，在一定程度上說明土壤中微量元素分布特征受其下地質單位的空間分布的影響。

2.3 影響山核桃生長的關鍵土壤肥力因子分析

反映土壤肥力特性的各指標之間關系復雜，利用因子分析降維的思想，可以提取較少幾個不相關的公共因子反映大部分的土壤信息[21-22]。采用主成分分析法，按照特征根≥1 的原則提取公因子，為了更加明確每個公共因子的含義及其與載荷較大的變量的關系，運用最大方差旋轉法對初始因子進行正交旋轉，得到旋轉后的因子載荷矩陣[23-26]。

主成分分析方差解釋結果見表3。由表3可以看出，侏羅系、奧陶系、寒武系分別有5、4、5 個特征根大于1，其對土壤養分的累積貢獻率分別為81.245%、71.796%、74.549%，均代表了絕大部分信息，能夠對所分析的問題進行較好的解釋。不同地層發育的土壤第1 個因子的特征根均較高，對解釋原有變量的貢獻最大，不同因子的特征根值依次降低。

表3 主成分分析方差解釋Table 3 Total variance explaination of principal component analysis

因子載荷矩陣中載荷量的大小，表明對該主成分的影響高低程度[23]。侏羅系地層發育土壤肥力指標的主因子F1在土壤pH 值、交換性鎂、交換性鈣、有效態銅、有效態鋅的載荷較大，主因子F2在堿解氮、有機質的載荷較大，主因子F3在有效鐵、有效錳的載荷較大、主因子F4、F5在速效磷、有效硼、速效鉀的載荷較大；奧陶系地層發育土壤肥力指標的主因子F1在土壤pH 值、交換性鈣、交換性鎂載荷較大，主因子F2在有機質、堿解氮、有效硼的載荷較大，主因子F3在有效銅、有效鋅的載荷較大，主因子F4在速效磷、速效鉀、有效鐵、有效錳的載荷較大；寒武系發育土壤肥力指標的主因子F1在土壤pH 值、交換性鈣、有效磷、有效鐵的載荷較大，主因子F2在堿解氮、有機質、有效硼的載荷較大，主因子F3在有效錳、交換性鎂的載荷較大，主因子F4、F5在速效鉀、有效態鋅、有效態銅的載荷較大（見表4）。

可以看出不同地層發育的土壤元素在因子載荷上存在一些共性，第1 主成分在土壤pH 值和交換性鈣、交換性鎂的因子載荷均較大，呈共生組合，說明這3 個肥力因子是影響山核桃生長的關鍵因子。第2 主成分在堿解氮、有機質的因子載荷均較大，說明這2 個肥力因子與山核桃的生長密切相關。速效鉀在第4、第5 主成分均有較大的因子載荷，可能暗示該元素對山核桃的生長有著一定的控制作用。

表4 旋轉后的因子載荷矩陣Table 4 Rotated factor loading matrix

不同地層發育的土壤元素在因子載荷上又呈現出各自的特點，除土壤pH 值、交換性鈣、交換性鎂外，有效態銅、有效態鋅也在侏羅系的第1 主成分表現出較大的因子載荷，說明除上述3 個關鍵因子外，銅、鋅也是侏羅系制約山核桃生長的關鍵因子。而奧陶系、寒武系發育的土壤中硼的制約效應要大于這2 個元素。寒武系發育的土壤第1 主成分速效磷和有效態鐵的因子載荷表現出負相關關系，且交換性鈣、交換性鎂的因子載荷也小于其他2 個地層，這在一定程度上反映出寒武系土壤鹽基飽和度高，鈣、鎂元素對山核桃生長的制約作用小于其他2 個地層，該地層土壤的酸化可能與氮肥的大量施用關系更為密切，速效磷和有效態鐵與土壤pH值呈負相關，可能是由于在寒武系發育的石灰性土壤中養分的氧化反應占了主導地位。

3 結論與討論

杭州市山核桃主要分布在寒武系地層，以及與之上接的奧陶系部分地層，其次是侏羅系地層。不同時代的各種巖層和地質體以及地質營力對土壤的形成和變化有明顯的控制作用[27]，本研究中發現，在山核桃主要分布的寒武系、奧陶系和侏羅系3 個地層中，土壤pH 值、交換性鈣、交換性鎂、有效銅和有效鋅含量依次下降，差異顯著。徐小磊等[4]經研究發現，同一地層的巖-土系統在不同地點有基本相同的元素遷移規律，導致土壤中的微量元素分配受控于其下地質單位的空間分布，植物生長必需的微量營養元素表現出由南華系向寒武系地層中土壤強烈富集的趨勢，陳世權等[28]經研究也發現，不同母巖發育的山核桃林地土壤pH 值差異較大，花崗巖發育的土壤酸堿度最低，與本研究結果具有一致性。

經營措施等人為干擾是影響土壤性質變化的主要因子。施肥和化學除草會引發土壤出現不同程度的酸化。本研究中發現，山核桃林地土壤普遍處于酸性狀態（pH 值在4.92～5.72），與20世紀80年代第2 次土壤普查結果（pH 值在6.0～8.0）相比顯著降低。但不同地層所具有的母巖特性、成土過程使其土壤對酸的緩沖能力存在一定的差異。在侏羅系地層中，山核桃主要分布在黃尖組地層發育的土壤中，其成土母巖以流紋巖和凝灰巖為主[4]，部分分布在花崗巖和石英二長巖發育的土壤中。該系地層巖性為酸性，其發育的土壤均呈酸性至微酸性，陽離子交換量整體不高，因此，土壤緩沖性能低，土壤更容易酸化；奧陶系出露的地層中，山核桃主要分布在印渚埠組及印渚埠、胡樂組并層，另外長塢組和寧國組地層也有少量出露。其巖性以粉砂質頁巖夾鈣質頁巖和頁巖為主，部分夾泥灰巖、瘤狀泥灰巖和粉砂巖。該類土壤在成土過程中經歷了不同程度的脫硅富鋁化過程，鹽基離子淋失強烈，土壤普遍呈現為弱酸性至酸性；由于代換性酸度大，土壤酸化風險高，其對酸的緩沖能力主要取決于成土母質中碳酸鈣的含量，母質中碳酸鈣含量越高，對酸的緩沖能力越強[29]。寒武系發育的山核桃林地土壤在研究區分布的面積最大，出露的地層主要有西陽山組、華嚴寺組、楊柳綱組和荷塘、大陳嶺組合并層，其中以西陽山組出露最廣。其巖性主要為含炭、泥質的碳酸鹽巖類[3]，Ca2+十分豐富，增強了土壤有機質團粒結構的穩定性，從而大大提高了對有效養分的吸附能力，表現出多種微量元素的富集，具有良好的持肥能力和較強的對酸緩沖能力。

施肥對山核桃林地土壤主要養分的含量水平影響較大。研究表明：3 種地層土壤的有效氮含量均位于較高水平，其平均值均在150 mg/kg 以上；有效鉀和有效磷平均含量位于中等偏下水平。究其原因，主要是林農在施肥實踐中，過多偏施氮素肥料和氮、磷、鉀養分比例各占15%的復合肥所造成，而沒有根據山核桃植物營養需求規律，科學平衡施肥。研究區大部分山核桃林地土壤微量元素養分相對貧乏，一方面是由于受地質背景的影響，其中有效銅和有效鋅含量隨寒武系、奧陶系和株羅系地層依次呈明顯下降，而土壤有效硼在研究區呈整體貧乏狀態；另一方面主要是長期以來在山核桃施肥實踐中忽視對銅、鋅和硼等微量元素肥的補充和使用而造成。

山核桃為喜鈣樹種，適宜種植在灰巖、鈣質頁巖發育的中性至微酸性土壤[13]。因子分析結果表明：土壤pH 值和交換性鈣、交換性鎂是影響山核桃生長的關鍵因子。土壤pH 值、交換性鈣和交換性鎂含量最高的寒武系發育的土壤上山核桃的分布面積最廣，占到研究區山核桃總分布面積的55.51%，調查中也發現寒武系山核桃長勢相對較好，干腐病等病害的發生程度也較低。山核桃的生長和Cu、Zn 等在土壤中的分布聯系緊密，和一定的地層分布一致，其中以Cu 吻合最好[4]。本研究中發現，銅、鋅、硼等微量元素在不同地層發育土壤的因子載荷差異明顯，這些差異可能是對山核桃長勢及產量起決定性作用或具有一定的制約作用的因素所引起。在本研究中，沒有進一步將不同地質背景下的山核桃林地土壤肥力特性和山核桃植物營養及果實品質、產量進行綜合分析與對比，在后續的研究中，應進一步加強不同地質條件土壤肥力差異對林地土壤和山核桃生長之間的定量影響研究，繼續深入研究不同地質背景下影響山核桃產量、品質的土壤限制因子。