臨安區山核桃林不同地質背景下的土壤肥力特性研究

董建華，趙偉明，周建金，趙科理，董建明，李 皓，袁紫倩

（1. 杭州市林業科學研究院，浙江 杭州 310022；2. 杭州市林木種苗管理中心，浙江 杭州 310022；3. 浙江農林大學 環境與資源學院，浙江省土壤污染生物修復重點實驗室，浙江 杭州 311300；4. 杭州市臨安區林業局，浙江 杭州 311300）

山核桃Carya cathayensis，屬胡桃科Juglandaceae山核桃屬Carya，主要分布在浙皖交界的天目山地區，該區地質構造復雜，地層巖性多樣，成土母質復雜[1]。山地土壤與成土母質有十分明顯的繼承性，不同地質背景下土壤元素分布特征差異較大[2]。山核桃的生長分布和其下的地（巖）層、巖石類型有一定的相關性[3]，不同基巖分布區，山核桃的長勢有很大區別[4]，因此，了解不同地質背景下的山核桃林地土壤肥力特性，對開展山核桃林地科學施肥管理具有重要意義。近年來，針對山核桃林地土壤、植物葉片和果仁等方面的土壤植物營養研究逐漸增多[5-7]，并對山核桃林地土壤肥力性質相繼進行了調研[8-11]，但是對不同地質背景發育的土 壤肥力水平狀況及其空間分布差異性的研究卻甚少。因此，通過科學布點開展調查與土樣分析，研究山核桃主產區不同地質背景下林地土壤基本肥力現狀及其區域空間分布特點和存在問題，以期為山核桃林地科學施肥和土壤養分管理提供依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于浙江省臨安區，118°～120° E，29°～31° N，涵蓋昌化鎮、島石鎮、湍口鎮、清涼峰鎮、太陽鎮、龍崗鎮和河橋鎮7個山核桃分布較為集中的鄉鎮，年平均氣溫16.4℃，7月平均氣溫29.1℃，1月平均氣溫4.1℃，年平均降水量1 628.6 mm，年平均日照時數1 847.3 h，無霜期235 d。該區域為揚子準地臺錢塘臺褶帶，屬江南地層區中江山至臨安地層分區。境內地層自元古界震旦紀至新生界第四系，除中生界三疊系和新生界第三系缺失外，均有發育。印支運動后進入大陸板塊內部演化階段。燕山期內，該區塊有大量巖漿噴發和侵入活動，主要產物有花崗巖、花崗閃長巖和流汶巖等。龍崗鎮和清涼峰鎮的西北部以巖漿噴發為主，西南部以巖漿侵入為主。山核桃主要分布在該區海拔50～1 200 m的丘陵山地，林地土壤類型主要為油黃泥、黃紅泥、鈣質頁巖土、黃泥土等。

1.2 樣品采集與制備

考慮樣點分布的均勻性和代表性，按1 km×1 km網格布設山核桃林地土壤采樣點（即選平方千米網格中有山核桃林分的點確定為采樣點）[9]，對采樣點進行準確定位，于2013年3－4月，山核桃林地施肥前，對不同地質背景下山核桃林地土壤開展普查，根據林地采樣布點圖，通過手持GPS（GPSMAP 631sc，美國GARMIN）導航和定位，共確定189個采樣點，在每個選定的典型樣地上，按“S”型布點，分別采集5個點的表層（0～20 cm）土樣，將其混合后采用四分法留取樣品1 kg，帶回實驗室，樣品經風干，分別過10目和100目篩，供土壤pH、有機質、速效養分及中微量元素的測定。同時，記錄采樣點山核桃的立地條件、土壤情況、農戶施肥管理和山核桃產量。

1.3 土壤測定方法

土壤pH采用pH計[m（土）:m（水）=1.0:2.5]電位法；有機質采用重鉻酸鉀-外加熱法；速效氮采用堿解擴散法；有效磷采用Olsen法；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法；有效鈣、鎂采用乙酸銨交換-原子吸收分光光度法；有效硼采用熱水浸提-電感耦合等離子光譜法（簡稱ICP-OES）；有效鐵、錳、銅、鋅采用DTPA浸提-電感耦合等離子光譜法[12]。

1.4 數據分析

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臨安區山核桃主產區土壤樣點養分數據庫。對臨安區礦產資源分布電子圖進行矢量化處理，取得臨安區地質地層分布的矢量數據。將臨安區地質地層分布的矢量數據、臨安區山核桃林小班分布矢量數據、臨安區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。

圖表均采用Excel 2007軟件處理，使用SPSS 17.0進行數據分析和Duncan方差分析。

2 結果與分析

2.1 山核桃分布的地質特征

在地質構造上，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，自元古界震旦紀至新生界侏羅系，均有發育。但以侏羅系地層出露最多，占所出露地層總面積的37.30%，其次為奧陶系地層和寒武系地層，所占比例分別為32.06%和21.18%（圖1，表1）。

由表1可見，山核桃主要分布在該區出露的震旦系、寒武系、奧陶系和侏羅系地層上。其中，分布于寒武系的山核桃林面積最多，達15 456.54 hm2，占山核桃總面積的51.33%；其次為奧陶系，面積7 032.51 hm2，占總面積的23.36%；再次為侏羅系，面積5 295.45 hm2，占山核桃總分布面積17.59%，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48.21%；其次為震旦系地層，山核桃栽培利用比例為18.66%；再次是奧陶系地層，為14.49%；而侏羅系地層僅為9.38%。從山核桃分布的巖石地層特征來看，山核桃主要分布在寒武系出露的西陽山組、楊柳崗組、華嚴寺組等巖石地層上，以及在地質構造上與之上接的奧陶系印渚埠組、胡樂組等，和下接的震旦系蘭田、皮園村組等；另外，在侏羅系的黃尖組及花崗巖等巖體發育的土壤上也有斑塊狀分布。

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很大的巖性差異。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。

圖1 臨安區山核桃林地的地質分布Figure 1 Geological distribution of C. cathayensis forest in Lin’an

表1 臨安區山核桃林在不同地質背景發育土壤的分布Table 1 Distribution of C.cathayensis on different geological soils

山核桃林的生長表明，山核桃適生于石灰巖巖體為地質背景的土壤環境；在年代地層上，主要分布在以寒武系為中心，上接奧陶系的印渚埠組、胡樂組，下接震旦系的蘭田、皮園村組等巖石地層發育的土壤。同時，在侏羅系的黃尖組和斑巖類巖石地層發育的部分土壤上也能正常生長。由于寒武系、奧陶系和侏羅系三個地層山核桃的分布面積遠遠超過其他地層，將重點探討。

2.2 不同地質背景下的土壤養分特征

2.2.1 土壤有機質和速效養分 有機質是土壤肥力的重要指標之一，提供植物所需要的養分，改善土壤肥力特性。侏羅系以酸性火成巖發育的土壤為主相對瘠薄，特別是花崗巖等發育的土壤一般為砂性，容易水土流失。由表2可以看出侏羅系發育土壤有機質含量為30.87 g·kg-1顯著低于其他兩個地層。奧陶系、寒武系發育的土壤有機質含量差異不大，分別為32.34 g·kg-1，32.16 g·kg-1。

土壤礦物質營養的基本來源是土壤礦物質風化所釋放的養分，但人工施肥也是耕作土壤養分，特別是氮、磷、鉀等營養元素的重要來源[13]。因此山核桃林地養分同時受成土母質和人為施肥的影響。由表2可以看出不同地質背景的土壤速效氮沒有顯著差異，除侏羅系發育的土壤外，其他地層發育土壤速效氮含量均大于 150 mg·kg-1，能很好地供應山核桃生長。

不同地質背景下土壤有效磷含量從高到低依次是寒武系（19.35 mg·kg-1）、奧陶系（11.78 mg·kg-1）、侏羅系（10.19 mg·kg-1），經方差分析可知，不同地質背景下發育土壤有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（90 mg·kg-1），其次是奧陶系（89 mg·kg-1），寒武系發育土壤鉀的含量最低（82 mg·kg-1）。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[14]。

可以看出，有機質豐富的土壤，其速效養分的含量也較高，但速效鉀繼承了原生母巖的特性，在有機質含量最低的侏羅系其含量反而最高。

表2 不同地層發育土壤的有機質和速效養分Table 2 The content of organic matter and available nutrient in soil of different strata

2.2.2 土壤pH值和中量元素 pH值是土壤重要的基本性質，它直接影響土壤養分的存在狀態、轉化和有效性。因近年來山核桃林地大量施用化肥，再加上本區降水比較豐富，土壤淋溶作用較強，土壤酸化明顯。由表3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（P<0.01）。由表3可以看出，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（5.57）、奧陶系發育的土壤（5.15）、侏羅系發育的土壤（4.89）。

方差分析表明，不同地質背景下土壤的有效鈣、有效鎂的含量也達到極顯著水平（P<0.01），且可以看出不同地層發育土壤的 pH值、有效鈣和有效鎂的分布特征相似。土壤有效鈣和有效鎂含量最高的也是寒武系發育的土壤（1 313 mg·kg-1，137 mg·kg-1），其次是奧陶系、侏羅系發育的土壤。土壤中鈣、鎂主要來源于成土母質，其含量高低主要受成土母質及其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，有效鈣和有效鎂的含量也最高。侏羅系發育的土壤成土母巖以酸性火成巖為主，碳酸鈣含量偏低，風化成土過程中鹽基淋失較多，土壤pH值最低，有效鈣、有效鎂也相對貧乏。

表3 不同地層發育土壤的pH值和中量元素Table 3 Soil pH value and middle element content in the soil from different geological strata

2.2.3 土壤微量營養元素 以背景地質體為基礎的地質背景是土壤有效性微量元素豐缺的重要決定因素[15]。由表4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、有效態鋅的含量差異達到顯著水平（P<0.05）。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；有效銅和有效態鋅的含量由高到低依次是寒武系、奧陶系、侏羅系。奧陶系和寒武系有效硼的含量相當，均高于侏羅系。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控于其下地質單位的空間分布。由表4還可以看出，不同地質背景下土壤中有效態鐵和有效態錳的含量都極豐富，而有效態銅、有效態硼和有效態鋅的含量都較低。

表4 不同地層發育土壤微量元素含量Table 4 Micromutrient content in the soil from different geological stratification

2.3 不同地質背景下土壤養分的相關性分析

由表5可知，研究區土壤有機質和中微量元素整體呈正相關，特別在寒武系發育土壤的有機質與有效鈣、有效鎂、有效銅、有效鋅、有效硼相關性均達到顯著水平（P<0.05），說明隨著土壤有機質含量的提高，有效態中微量元素的含量呈增加趨勢。研究區土壤 pH值與有效鈣、有效鎂、有效銅、有效鋅的相關性也較一致，呈顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）正相關，有效鈣、有效鎂、有效銅、有效鋅的含量隨著土壤酸度的改善而提高。土壤有效鐵的含量與土壤氧化還原環境的改變有很大的關系，有效鐵與土壤 pH值在侏羅系呈顯著正相關關系（P<0.05），而在奧陶系、寒武系呈顯著負相關關系（P<0.05），可能是土壤氧化還原狀態影響的結果，且在不同地質背景發育的土壤中速效養分和微量元素之間相關性也存在差異，需要進一步深入研究。

表5 不同地質背景發育土壤因子的相關性分析Table 5 Correlation analysis on factors from different geological stratification

3 結論與討論

山核桃主要分布在以石灰巖巖體為主的寒武系和奧陶系地層發育的土壤上，其次，在礦化作用強烈的侏羅系地層發育的土壤上也有部分分布；而在研究區所出露的寒武系地層中，山核桃栽培利用比例最高，達到48.21%。不同地質背景下發育的土壤主要化學性質存在明顯差異，土壤 pH值和有效鈣、有效鎂、有效銅、有效鋅等中微量元素養分水平均以寒武系地層最高，其次是奧陶系、侏羅系。土壤有機質含量以侏羅系地層最低，土壤有效磷含量以寒武系地層最高。相關分析表明，山核桃分布區土壤 pH值和有效鈣、有效鎂、有效銅、有效鋅整體上存在顯著正相關關系，隨著土壤pH值提高，有效鈣、有效鎂、有效銅、有效鋅等中微量元素含量顯著提高。

不同地層所具有的母巖特性、成土過程和山核桃林地施肥等林間管理的人為干擾是造成不同地質背景發育的山核桃林地土壤化學性質差異的主要原因。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上，其成土母巖以流紋巖和凝灰巖為主；部分分布在花崗巖和石英二長巖發育的土壤上。該系地層巖性為酸性，其發育的土壤都呈酸性至微酸性，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；同時，由于淋溶強度大，極易造成鹽基離子的流失，養分流失嚴重，導致土壤肥力相對較低，特別是鈣、鎂、銅、鋅、硼等中微量元素整體貧乏。另一方面，該系土壤質地一般為砂性，通氣性好，因此，有機質分解和土壤礦化作用，是土壤養分的重要來源，與成土母巖化學成分相對應的鉀、錳等養分相對豐富，但是，該系土壤抗侵蝕能力弱，極易造成水土流失。

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。土壤特性表現為鈣質含量相對豐富，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[16]，土壤酸化風險高，而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。研究區奧陶系地層發育的土壤，其質地以粘性為主，部分為粉砂性，土壤中的粘粒含量總體較高，雖然土壤持肥能力相對較強，但也增強了土壤的還原性狀，極易造成錳毒對山核桃生長的危害。相關分析表明，有效鐵與有效磷呈極顯著正相關（P<0.01），可能是由于該類土壤中磷主要以閉蓄態存在，在酸性土壤中鐵的還原也促進了磷的釋放；而 pH值與有效銅、有效鋅均呈現極顯著正相關（P<0.01）和速效氮與有效鐵、有效銅、有效鋅存在不同程度的正相關，主要是由于該類土壤成土母質中碳酸鈣含量不同所造成，碳酸鈣含量越高，土壤對酸的緩沖能力越強，陽離子交換量越大，土壤持肥能力、對銅、鋅等微量元素的富集和吸附能力越強。

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。其巖性主要以泥質、白云質灰巖為主，碳質硅質泥巖、頁巖和磷礦層等少量出露。該系發育的土壤大部分為石灰性土壤，保持了母巖的特性，土壤多呈中性至微酸性；土壤中鹽基飽和度高，陽離子交換量大；豐富的鈣含量，增強了土壤有機質團粒結構的穩定性。因此，該系土壤淋溶性小，持肥能力強；土壤中微量元素的富集明顯，銅、鋅、硼微量元素含量豐富；對酸的緩沖能力高，土壤抗侵蝕能力較強。有機質與有效銅、有效鋅、有效硼、有效鈣、有效鎂呈顯著的正相關（P<0.05）。

經營措施等人為干擾是影響土壤性質變化的主要因子。長期大量使用化學肥料和化學除草劑是影響山核桃林地土壤理化性質的主要人為因素，而不同地質背景所發育的土壤，由于自身特性的不同，導致其土壤性質的變化特征也存在顯著差異。

施肥和化學除草會引發土壤出現不同程度的酸化。馬閃閃等的研究也發現山核桃主產區絕大部分土壤處于酸性和強酸性狀態[17]，且與20世紀80年代第2次土壤普查結果（pH在6.0～8.0）相比顯著降低。不同地質背景下發育的土壤由于其對酸的緩沖能力不同，施肥對土壤酸化程度的影響存在顯著差異。寒武系土壤由于陽離子交換量大，緩沖能力強，酸化現象相對較輕；侏羅系土壤由于陽離子交換量小，酸化嚴重；而奧陶系土壤雖然陽離子交換量相對較大，但是由于代換性酸度大，化肥的使用會導致大量H+和Al3+交換到土壤溶液中，而造成嚴重酸化。另一方面，土壤有機質的變化是影響土壤陽離子交換量變化的最重要因素之一。除草劑的頻繁使用，造成山核桃林下植被數量急劇減少，土壤有機質積累受阻，有機質含量逐年下降，導致陽離子交換量減小，從而加劇了土壤酸化；同時還引發土壤功能團活性下降。侏羅系地層的山核桃林地，由于土壤質地以砂性為主，有機質分解快、陽離子交換量小、水土流失風險大，因此，除草劑的頻繁使用導致土壤有機質含量急劇下降，加速了土壤的酸化和肥力的衰退。

施肥能顯著提高山核桃林地土壤主要養分的含量水平。研究表明，3種地層土壤的速效氮含量均位于較高水平，其平均值接近或達到150 mg·kg-1以上；速效鉀平均含量位于中等偏下水平；而有效磷平均含量達到了中等水平以上，寒武系地層土壤更達到了19.35 mg·kg-1，造成部分林地存在著一定磷淋失風險。究其原因，主要是林農在施肥時，過多的偏施氮素肥料和氮、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。寒武系地層發育的土壤有效磷水平過高，主要是由于該類土壤中磷主要以P-Ca的形態存在，而且土壤大多處于微酸水平，土壤磷活性最高。研究區大部分山核桃林地土壤微量元素養分相對貧乏，其原因，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、奧陶系和侏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；另一方面主要是長期以來在山核桃施肥時忽視對銅、鋅和硼等微量元素肥的補充和使用而造成。相關研究表明補充銅、鋅、硼等微量元素配施能顯著提高山核桃的產量[18]。

4 建議

制定山核桃種植規劃時要重視地質背景的調查，切實做到適地適樹。根據不同地層發育土壤主要化學性質存在顯著差異的特征，結合土壤 pH與中微量元素均具有顯著相關的特性，開展山核桃林地分區施肥技術和土壤酸性改良技術的研究和推廣工作，提高科學施肥技術的推廣效率和質量。當前山核桃林地管理的生產實踐中，重點并因地制宜的開展酸化土壤改良，肥料施用上要注意增施有機肥，控制氮肥用量，同時注意微量元素肥料的補充施用，促進山核桃林地土壤健康和山核桃平穩生產。

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