山核桃品質對產地土壤養分的空間響應

楊惠思，趙科理*，葉正錢，張紅桔，趙偉明

（1 省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室/浙江省土壤污染生物修復重點實驗室/浙江農林大學，浙江臨安 311300；2 杭州市林業科學研究院，浙江杭州 310022）

山核桃是木本油料作物，隸屬胡桃科、山核桃屬，其果實為世界性名優干果作為四大堅果之一，口感上好，營養豐富，不僅含有大量的油脂 (55%～65%)、蛋白質 (17%～24%)、氨基酸，還含有鈣、鎂、鐵、錳、銅、鋅、硒等礦物質元素 (1.5%～2.0%)[1]，特別是鈣、鉀、鋅含量遠高于一般干果。山核桃因其在中性和微酸性土壤上生長較好的特殊生態習性[2]，分布區域較窄，主要集中于浙、皖兩省交界的天目山石灰巖地區，臨安是我國山核桃主產區之一，種植歷史悠久，現有種植面積9.3萬hm2，山核桃是當地農民重要的經濟來源之一[3]。

目前，國內外對山核桃的研究側重于其生長習性、豐產穩產等方面，關于林地土壤肥力及其對山核桃的影響也有相關研究[4-6]。馬閃閃等[7]研究了施用不同微肥對山核桃生長和產量的影響，發現硼、鋅微肥配施對山核桃葉片硼、鋅含量和花粉活力影響較大，且能顯著提高山核桃產量；鄔奇峰等[8]研究了臨安農用地土壤肥力特征，發現臨安山核桃林地土壤普遍缺磷，提出山核桃林地應增施有機肥，套種綠肥以增加基礎地力和供肥能力；許斌[9]對山核桃產區土壤肥力與山核桃質量進行了探究，發現研究區土壤酸化、養分供給不平衡，整體肥力偏低，土壤中有機質、堿解氮和酸堿度對山核桃果仁中微量元素含量影響較大，提出應根據土壤質量特點優化施肥方案以提高山核桃產量和品質；賈曉東等[10]研究了山核桃葉片營養與果實營養積累之間的關系，認為樹體營養是提高產量和改善品質的重要影響因素之一，揭示了果實與樹體養分元素的相關性。胡珍珠[11]通過光譜反演探究了不同時期山核桃葉片營養元素含量與堅果品質的關系，指出堅果單果重和種仁脂肪、蛋白質含量分別與表征葉片氮、磷、鉀含量的有效光譜特征參量關系密切。黃偉嬌等[12]、于芹芬[13]、楊爭[14]等利用遙感對山核桃產量、適生環境等也作了相關研究。然而，這些研究主要是土壤肥力對山核桃生長和產量的影響，對土壤養分元素和果實品質之間的相關性方面關注較少，特別是對整個產區內土壤肥力和山核桃品質的空間變異性以及兩者之間的定量關系缺乏系統研究。

本文以典型山核桃產區臨安為研究區，通過科學合理的樣品采集和分析測定，探究土壤養分元素對山核桃產量和品質的影響，確定土壤肥力和山核桃品質的空間變異性以及兩者之間的定量關系，為山核桃生產合理施肥和科學管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于浙江省杭州市臨安區 (30°14′N、119°42′E)，該區屬中亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，光照充足，全年日照時數1847 h，年均氣溫16℃，年均降水158天，年均降水量1614 mm，年均無霜期237天[13]。土壤類型主要為油黃泥、黃紅泥、黃泥土、鈣質頁巖土[15]。山核桃是該地重要的經濟樹種，主要分布在海拔50～1200 m的丘陵地帶。

1.2 采樣方法

本研究考慮不同的母巖、土壤類型、地形地貌、樣點分布均勻度及樣點對整個連續分布面的代表性等多種因素，在研究區山核桃空間分布現狀圖上進行實驗室室內布點，用軟件繪制采樣區空間分布圖 (圖1)。同時綜合行政區劃圖、交通圖和采樣點分布圖及山核桃實際種植和自然分布情況，采用差分GPS野外采樣和定位，于2013年3—4月份，對山核桃分布較集中的島石、龍崗、清涼峰、昌化、河橋、湍口、太陽7個鄉鎮 (總面積約1529.23 km2)進行土壤樣品采集，共計153個，同年9月采集相應的山核桃果實樣品。將編號后的土壤樣品分裝好帶回實驗室，常溫下攤開自然風干，除去樹根、石子等雜物，磨碎過篩分裝于塑封袋，編號保存備用；山核桃樣品采回后剝去果皮，取出果仁均勻混合放入65℃烘箱烘干，粉碎后供分析使用。

圖1 采樣點分布圖Fig. 1 Sampling point distribution map

1.3 測定項目與方法

土壤大量元素N、P、K分別采用堿解擴散法、Olsen法和醋酸銨浸提—火焰光度法測定。土壤微量元素B、Fe、Mn、Cu、Zn采用DTPA浸提，ICP分析測定。山核桃粗脂肪采用乙醚浸提—殘余法測定。山核桃氮、磷、鉀含量分別采用凱氏定氮法、鉬藍比色法和原子吸收分光光度法測定。

1.4 數據分析與處理

數據經Microsoft Office Excel 2010整理后，用SPSS 20.0進行描述統計分析、正態分布檢驗和相關性檢驗；利用GS+9.0進行半方差函數擬合及空間相關性分析；再用SigmaPlot 12.5繪制交叉相關函數圖，最后利用ArcGIS10.2地理信息系統軟件進行Kriging空間最優無偏插值分析并制作空間成果圖。

首先對初始數據進行預處理，識別并剔除異常值，糾正數據的偏態分布，保證后續分析結果的準確性。本實驗數據153個，屬大樣本，故采用“3S”法[16-18]進行異常值識別，結果見表1。由表1可知，除土壤有效鋅外，其余數據異常值均在3個以下，甚至無異常值，證明本研究采樣較合理。

研究采用K-S檢驗法[16,19]進行數據檢驗 (結果見表2、表3)，檢驗時取顯著水平α = 0.05，K-SP＞0.05表示服從正態分布，不符合正態分布的數據在進行對數轉換之后經檢驗均符合正態分布。

交叉相關函數之前多被應用于數學、計算機領域[20-21]，因其能夠有效地分析區域化變量的空間相關性，直觀揭示變量之間的相關特征及空間格局上的相似性[22]，近年來在土壤學、氣象學、環境保護等領域應用愈加廣泛[23-25]。相比傳統統計分析方法，它很好地將數據的空間位置和結構納入了分析范疇，交叉相關函數的公式為[26]：

表1 研究區土壤有效養分含量和山核桃養分含量的異常值個數Table 1 The number of abnormity values of soil available nutrient contents and Carya cathayensis nutrients of studied areas

表2 處理前后土壤有效養分含量的K-Sp檢驗值Table 2 K-Sp test value of soil available nutrient contents before and after processing

表3 處理前后山核桃養分含量的K-Sp檢驗值Table 3 K-Sp test value of Carya cathayensis nutrient contents before and after processing

2 結果與分析

2.1 研究區土壤養分狀況

表4顯示。研究區土壤堿解氮含量介于56.61～268.97 mg/kg，均值為155.17mg/kg；有效磷含量介于1.37～78.64 mg/kg，均值為14.79 mg/kg；速效鉀含量介于18.92～196.22 mg/kg，均值83.94 mg/kg；有效硼含量介于0.05～0.58 mg/kg，均值0.26 mg/kg；有效鐵含量介于19.45～192.89 mg/kg，均值77.93 mg/kg；有效錳含量介于7.02～129.90 mg/kg，均值63.14 mg/kg；有效銅含量介于0.09～5.49 mg/kg，均值1.75 mg/kg；有效鋅含量介于0.03～4.39 mg/kg，均值1.21 mg/kg。變異系數(CV) 是最有識別性的一個要素，當CV小于0.1時，屬于弱變異，0.1～0.9屬于中度變異，大于0.9時，屬于強變異[27]，由此可見，除有效磷和有效鋅屬于強變異之外，其余6種元素均屬于中度變異，強變異元素各鄉鎮該元素的含量高低差異較大，中度變異表示各鄉鎮該元素含量高低差異不大。

表4 土壤有效養分含量描述性統計 (mg/kg)Table 4 Descriptive statistics of soil available nutrient contents

2.2 研究區山核桃果實養分含量狀況

表5是研究區山核桃養分含量狀況，氮的含量在46.4～143 mg/kg之間，均值為107 mg/kg；磷的平均值為73.2 mg/kg，范圍在34.7～124 mg/kg；鉀的含量范圍是190～754 mg/kg，均值374 mg/kg；粗脂肪的含量范圍是311～680 g/kg。由變異系數來看均屬于中度變異，即不同鄉鎮這4種指標的含量高低值差異不大。

表5 山核桃養分含量描述性統計 (mg/kg)Table 5 Descriptive statistics of Carya cathayensis nutrient contents

2.3 土壤養分與果實品質元素相關性分析

由表6可知，山核桃土壤和果實各養分之間存在密切關系，果實氮與土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有效硼、有效錳和有效鋅含量呈極顯著 (P ＜0.01) 正相關；果實磷與有效鐵呈顯著負相關，與有效磷、速效鉀、有效硼、有效錳、有效鋅呈極顯著正相關 (P ＜ 0.05)；果實鉀與土壤有效鐵呈顯著負相關，與有效磷、速效鉀、有效硼、有效錳、有效銅、有效鋅均呈顯著或極顯著正相關；果實粗脂肪與堿解氮、有效磷、有效硼、有效鐵呈極顯著正相關，與有效銅呈顯著正相關，與有效鋅為極顯著負相關。

表6 土壤有效養分含量與果實養分含量的相關系數Table 6 Correlation coefficient between soil available nutrient contents and Carya cathayensis quality indexes

為定量描述土壤養分與果實品質之間的空間相關性，經GS+交叉相關函數分析后，繪制交叉相關函數圖 (圖2)。由圖2可知，各元素間的交叉相關系數均隨空間距離增加而減小直至為零，距離為零時，圖像與縱軸交點即最大值，該值與Pearson’s系數一致。空間相關性隨距離 (即步長) 增加逐漸減弱，其所能達到的最大距離，表示兩種養分的空間相關性強弱程度，距離越大，空間相關性越好，反之越差。果實氮與土壤有效錳和有效鋅的空間相關性最強，空間相關距離分別為13.2 km和12.9 km左右，其次是速效鉀 (9.6 km)，再次是有效硼 (8 km)；其與土壤堿解氮相關性雖達到極顯著，但空間相關性較差，僅6.2 km；氮與土壤有效磷極顯著相關系數為0.382，但空間相關性最差僅2.9 km。磷與粗脂肪的交叉相關圖相似，即除一種元素呈負相關之外，其余元素均呈正相關。磷與土壤有效鐵顯著負相關，正相關的5種元素相關距離均在10 km以上，其中與有效錳的空間相關性與相關系數一樣最強，距離達到15.7 km，其次是有效磷 (15.1 km)；其與有效鋅、有效硼、速效鉀的相關距離分別是14.0、13.4、11.7 km。粗脂肪與各養分的空間相關性程度參差不齊，相關距離跨度較大，從2.5～13.5 km，其中空間相關性最強的元素是有效磷，最弱的是有效銅，這與其相關系數的顯著性一致。土壤有效硼的相關距離僅次于有效磷，達到11.6 km左右；粗脂肪與有效鋅呈極顯著負相關，空間相關距離約9.8 km，相關性程度較強；處于中間的堿解氮和有效鐵，空間相關距離分別是6.7、5.1 km左右，其空間相關性強弱與相關系數結果一致。

圖2 土壤有效養分含量與果實品質的交叉相關函數圖Fig. 2 Cross-correlogram between soil available nutrient contents and Carya cathayensis quality indexes[注（Note）：r—距離為零時的交叉相關系數，等同于Pearson’s系數The cross-correlation coefficient when the distance is zero，equal to Pearson's coefficient.]

結合相關系數和交叉相關函數得出土壤中各養分與果實品質之間均存在不同程度的對應關系，其中果實氮與土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有效鋅、有效錳的對應關系較強；磷與土壤有效磷、有效硼、有效錳、有效鋅的對應關系較強；鉀與土壤速效鉀、有效硼、有效鐵、有效鋅的對應關系較強；粗脂肪與土壤有效磷、有效硼、有效鋅的對應關系較強；總體上山核桃品質受土壤中磷、硼、鋅三種元素影響較大。

2.4 土壤養分和果實品質元素的空間變異特征

為了更直觀地描述土壤養分和果實品質元素的空間分布特征，在半方差函數分析的基礎上，經GS+軟件擬合后得到最佳理論模型和相關參數 (表7、表8)，由表可知，土壤有效磷，果實氮、磷、鉀均符合線性模型；土壤堿解氮、速效鉀、有效錳、有效銅、有效鋅和果實粗脂肪均符合指數模型；有效硼、有效鐵符合球狀模型。依據模型再應用普通克里格最優無偏插值法繪制土壤和果實各養分元素的空間分布圖 (圖3、圖4)。

從土壤和果實空間分布圖 (圖3、圖4) 來看，除果實鉀和粗脂肪之外，其余養分均有較明顯的空間異質性，高低值區域明顯。果實氮含量呈明顯的由西北向東南遞增的趨勢，高值集中在昌化、河橋、湍口三個鄉鎮，低值集中在島石、龍崗及清涼峰鎮。果實磷、鉀、粗脂肪的空間分布大致呈同心圓結構分布，磷含量除龍崗和島石鎮部分處于低值之外，整體處于中高值，且高值集中在東南部鄉鎮。鉀和粗脂肪含量各鄉鎮差異不大，均處于中值水平，高值在各個鄉鎮均有斑塊狀分布。

土壤堿解氮的空間分布呈現兩側高、中間低的趨勢，中高值集中在東部邊緣及西北角。土壤有效磷空間變異性較大，整體處于中低值，高值主要集中在島石鎮，其余地區有斑塊狀高值分布。速效鉀高值集中在東部地區及島石鎮的南部和昌化鎮北部，低值集中在島石鎮東北角和龍崗鎮。土壤有效硼整體含量跨度較大，高中低值均有存在；高值主要在島石、湍口和太陽鎮的東北角，低值主要在清涼峰和昌化鎮。土壤有效鐵、有效錳、有效銅含量空間分布相似，各地差異較大，高值主要集中在東南部的湍口、河橋、太陽鎮，斑塊狀的高值還分布于清涼峰、龍崗交界處和島石鎮；低值主要在清涼峰、龍崗和昌化三個鄉鎮。土壤有效鋅大部分區域處于中高值，除太陽鎮北部一小范圍高值之外，整體由北向南呈遞增趨勢，低值主要集中在龍崗、昌化北部地區。

表7 土壤有效養分元素變異函數理論模型及其相關參數Table 7 Theoretical model of variability function and its related parameters of soil available nutrients

表8 山核桃養分元素變異函數理論模型及其相關參數 (正態分布)Table 8 Theoretical model of variability function and its related parameters of Carya cathayensis (Normal distribution)

圖3 山核桃果實品質空間分布圖Fig. 3 Spatial distribution of Carya cathayensis quality

總體上，土壤養分的高值區大致分布在島石鎮、湍口鎮、河橋鎮、太陽鎮以及昌化鎮南部，低值集中在清涼峰鎮西部、龍崗鎮北部及昌化鎮北部；果實養分元素的高值區分布在島石鎮西部和南部，湍口鎮、河橋鎮、太陽鎮以及昌化鎮南部，低值集中在清涼峰鎮西部，龍崗鎮、昌化鎮北部以及島石鎮東部地區。

3 討論

山核桃在長期的生長和進化過程中已形成其獨特的生物學和生態學特征，正是這種獨特性使山核桃的產量和品質與土壤性質、地形地貌、氣候、施肥等關系更加密切和復雜，導致山核桃對生態環境需求的高度變異性[13]。大量元素氮、磷、鉀及微量元素硼、鐵、錳、銅、鋅是植物生長發育所必需的營養元素，是植物生命活動的活化劑，對農產品產量和品質有重要影響[28-29]。本研究表明山核桃品質元素受土壤有效磷影響較大。磷是核酸、磷脂等的主要組成元素，參與蛋白質合成、細胞分裂生長、碳水化合物運輸代謝等重要生命活動[30]，土壤中的全磷含量為0.04%～0.25%左右，其中能被植物吸收利用的有效磷含量約10～40 mg/kg，除降雨、灌溉和施肥外，植物生長所需磷主要來源于土壤[31]。土壤礦質元素是樹體生長發育、開花結果的物質基礎，土壤養分通過植物根系輸送到植物各個部位，供給枝干、葉片、果實等，而葉片又是果實養分元素重要的來源之一[32-33]。總體上，土壤中氮、磷、鉀的豐缺程度直接關系到植物中氮、磷、鉀的含量狀況，繼而影響果實中大量元素的含量[34]。本研究結果表明，果實鉀與土壤速效鉀呈顯著正相關，果實氮與土壤堿解氮、有效磷呈顯著正相關，粗脂肪與土壤有效磷呈顯著正相關，此結論與郭傳友等[35]的研究一致。劉偉等[36]的研究表明，土壤中堿解氮、速效鉀和有效鐵對油茶產量和品質有顯著影響，與本研究結果一致。本研究表明，土壤有效硼、有效鋅對山核桃品質影響較大，已有許多研究表明微量元素與植物生長息息相關[37-39]，硼能促進植物生殖器官的發育和細胞分化，對農作物產量和果品影響較大；鋅參與葉綠素和生長素及其他生物酶的合成，能提高碳氮代謝，促進細胞分裂生長[40]。黎章矩等[41]的研究顯示硼、銅、鋅對山核桃座果率影響較大，馬閃閃等[42]和程禮澤等[43]的研究表明土壤中硼、銅、鋅對山核桃產量有促進作用。

圖4 土壤養分空間分布圖Fig. 4 Spatial distribution of soil nutrients

空間分析結果顯示，臨安各鄉鎮土壤大量及微量元素含量差異較大，因各鄉鎮土壤肥力狀況不同，且土壤肥力受多種因素影響，如氣候、地形地貌、成土母質、人為經營等，成土母巖對山核桃林地土壤理化性質有較大影響。錢新標等[2]的研究表明，山核桃果實微量元素含量與成土母質和母巖性質關系密切。山核桃分布地區的母巖大多是石灰巖，少數為頁巖、板巖和花崗巖，其中又以板巖發育的石質紅壤、頁巖發育的黃壤、紅壤和石灰巖發育的黑色和紅色淋溶石灰土植株生長得最好[44]。陳衛新等[45]指出，山核桃林地土壤有效磷、有效硫和鈣受成土母質影響最大，臨安各鄉鎮成土母質存在差異。其中河橋、島石、湍口的成土母質是石灰巖[15,46-47]，清涼峰地質形成復雜，成土母質主要為殘積坡積物[48]，龍崗和昌化主要是侏羅系地層，母巖類型以流紋巖、凝灰巖、花崗巖為主，太陽鎮母巖以砂巖、頁巖、花崗巖為主[49]。因此在空間分布上，磷的空間異質性較高，而相關性分析表明磷與山核桃每種養分均顯著相關，繼而影響果實品質元素的空間分布。此外，近年來臨安土壤酸化嚴重，陳世權等[3]的研究表明，母巖類型與山核桃林地土壤pH、有機質等有效養分之間存在顯著關系，所以其余養分之間也存在不同程度的空間異質性。而山核桃養分含量除鉀和粗脂肪空間變異性不大之外，其余兩種養分空間變異性較明顯，大致都呈現西北低東南高的分布趨勢，與土壤的養分整體高低值分布區域相似，這也從宏觀上印證了土壤養分元素含量與山核桃品質元素的含量關系密切。

4 結論

土壤養分與果實品質元素存在不同程度的對應關系，總體上，山核桃品質受土壤中磷、硼、鋅三種元素影響較大。山核桃與土壤相應養分元素的空間分布格局具有一定相似性，尤其是高低值區域。島石鎮西部和南部、湍口鎮、河橋鎮、太陽鎮及昌化鎮南部的土壤養分元素和山核桃品質元素含量相對較高，昌化鎮北部、清涼峰鎮西部、龍崗鎮北部的土壤養分元素和山核桃品質元素含量相對較低，山核桃品質與土壤養分關系密切。