香榧主產區林地土壤養分空間異質性及其肥力評價

董佳琦,張 勇,傅偉軍,劉海英,王 增,呂聯江,謝秉樓,蔣仲龍,*

1 浙江農林大學亞熱帶森林培育國家重點實驗室培育基地,杭州 311300 2 浙江省公益林和國有林場管理總站,杭州 310020 3 紹興市自然資源和規劃局,紹興 312000 4 浙江省森林資源監測中心,杭州 310020

土壤是人類賴以生存的重要資源,是植物所需營養物質的重要供給源[1]。了解土壤特性不僅能避免土壤養分失衡,還有助于保持土壤肥力水平從而提高作物品質和產量[2]。然而近幾十年來,不科學的經營管理方式導致我國許多地區的林地土壤養分失衡,土壤退化的趨勢日益明顯[3- 4]。而土壤養分失衡不僅會導致作物生長受阻產量下降,還會造成環境污染[5]。 因此,了解土壤養分現狀及其影響因素能為科學土壤管理提供理論依據。

香榧 (Torreyagrandiscv.Merrillii)為榧樹 (TorreyagrandisFortuneexLindley)中的人工栽植品種,是我國特有的珍貴經濟樹種,其果實具有較高的食用、藥用和經濟價值[6]。長期食用可降低患心、腦血管疾病的風險,同時還可以明目健腦[7]。成年香榧林每年每畝產值超過1萬元,其栽培效益居經濟林之首[8]。由于其較高的經濟價值,使得現階段香榧產業發展迅速。然而快速的發展也帶來了弊端,當前香榧林地土壤經營中存在著許多問題[7]。儲開江等[9]發現導致香榧枝條黃化現象的原因不是病蟲害,而是不適應的生長環境所產生不良反應。戴文圣等[6]也報道了大量的施肥,導致香榧產量和質量顯著下降。目前有關香榧的研究主要集中于繁殖栽培、生態習性以及病蟲害防治等方面,關于區域性土壤養分狀況及影響因素的研究較少[10- 12]。

地統計學和克里格插值法在土壤養分空間異質性研究中得到了廣泛的應用。許多學者將GIS和地統計學方法相結合,系統揭示了特定區域土壤養分的空間分布特征,該領域的研究已成為土壤學和農業生態學的熱點之一[13- 15],例如Chen等[5]采用克里格法對亞熱帶平原糧食生產區土壤性狀和肥力進行研究,以此進行針對性指導施肥。但大部分研究集中于農作物和蔬菜土壤,缺乏對經濟林土壤的研究。

以浙江香榧主產區土壤為研究對象,采用土壤綜合肥力評價法計算研究區土壤養分水平,利用地統計學結合GIS技術繪制研究區養分指標分布圖,探明土壤養分空間分布特征及其影響因素,為香榧林地土壤可持續發展提供數據支持及對策。

1 研究區概況

本研究以浙江省香榧主產區為研究區域,選取了位于浙江會稽山區的諸暨、嵊州、柯橋及東陽四市(區)。香榧性喜溫暖潮濕、山谷縱橫、溪流迂回交叉的生態環境,主要分布在海拔200—800 m 的丘陵山地[8]。該研究區屬于亞熱帶季風氣候,年平均氣溫14—17℃,年平均降水量1100—1700 mm,年平均日照時數1900 h,無霜期207—240 d[10]。成土母巖主要包括流紋巖、凝灰巖和流紋質凝灰巖等,土壤類型以紅壤、黃壤和黃紅壤為主[6]。近年來浙江省香榧種植面積約為1.33萬hm2,年產量800—1500 t,占全國總產量的94%[16],其中研究區所在諸暨、嵊州、柯橋、東陽等會稽山脈香榧種植面積占全省的65%,產量占全省的80%[17-18]。

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Spatial distribution map of soil sampling sites

2 研究方法

2.1 樣品采集和實驗分析

本研究綜合考慮了樣點分布的均勻性及代表性,在香榧林地主產區以1.0 km×1.0 km網格布設土壤采樣點,并進行準確定位。結合香榧主產區實際種植和分布狀況于2019年5月,共采集121個土壤樣本。在選定的樣點上,按“梅花”形狀布點,在半徑為10 m的范圍內,采集5個子樣點的表層(0—20 cm)土壤樣品,混合均勻組成一個土壤樣品,重量約為1 kg。同時記錄香榧林地采樣點的立地條件、農戶經營管理和香榧產量等信息。

將土壤樣品帶回實驗室并進行自然風干,撿去石塊和動、植物殘體等,研磨并通過2 mm的篩子。從中取出一部分,用瑪瑙研缽研磨過0.149 mm的篩子,并密封在聚乙烯袋中,貼好標簽,保存待分析。

土壤pH采用土水比為1∶2.5的懸濁液測定；土壤有機質選取重鉻酸鉀氧化法測定；土壤堿解氮、有效磷和速效鉀分別采用堿解擴散法、Olsen法和乙酸銨浸提-火焰光度法測定[19]。

2.2 空間自相關分析

空間自相關分析現今已被廣泛的應到地理學的研究中[20]。Moran′sI指數能系統的揭示研究變量的空間自相關性,通常包括全局和局部Moran′sI[21]。全局Moran′sI用來描述整個研究區域的空間自相關性,并通過單一值反映區域空間變量的相似性,其取值范圍是-1到1,大于0表示正相關,反之則表示負相關,等于0則表示不相關[22]。而局部Moran′sI主要是用來計算每個特定位置的空間自相關程度,可以識別出局部空間的聚類并進行異常值的分析,彌補全局性分析的不足[23]。全局和局部Moran′sI的公式如下：

全局Moran′sI：

(1)

局部Moran′sI：

(2)

2.3 地統計分析

地統計學是一種基于區域化變量理論,以半變異函數為研究工具的空間分析方法,是一門研究空間變異與結構的自然現象的方法[22]。

克里格插值法是通過區域化變量的原始數據和半方差函數的結構性,對未采樣點區域化變量值進行的無偏最佳估算的一種廣義線性回歸的方法[5]。半方差函數(semi-variance)是地統計學的基礎,被廣泛的應用于定量描述土壤變量空間結構的變異性[24]。其公式如下：

(3)

式中：γ(h)為樣點空間間隔距離為h時的半方差函數；Z(xi)和Z(xi+h)分別是變量Z(x)在xi和xi+h位置的實測值；N(h)是樣點空間間隔距離為h時的所有觀測樣點的成對數目。在實際應用中,當半方差函數γ(h)隨著空間間隔距離h的增加而增加時,從非零值達到基本穩定的常數,這個常數被稱為基臺值(C0+C)；在h=0時的半方差函數值稱為塊金值(C0),這可能是因采樣誤差和小于采樣尺度的隨機因素引起的[15]。指數模型、球狀模型、高斯模型和線性模型是常用的變異函數理論模型[22]。

2.4 土壤肥力評價方法

土壤肥力一詞由來已久,幾個世紀以來一直被用來指土壤支持作物生長的能力。建立完整的土壤評價結構有以下三個步驟：(1)評價指標選擇；(2)計算指標隸屬度值和權重；(3)計算綜合肥力。

2.4.1評價指標選擇

基于前人的研究成果,本研究選取了能夠最大限度代表土壤肥力質量的重要指標,包括pH、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀。

2.4.2指標隸屬度值和權重

不同肥力指標實測值的量綱各異,為消除其影響需將各肥力指標標準化,本研究采用隸屬度函數方法對指標進行歸一化處理,將每個指標轉化為0.1到1的無量綱值[25]。因植物的效應曲線不同,將隸屬度函數分成S型和拋物線型兩種,并將曲線型函數轉換成折線型函數。結合前人研究以及林地土壤的肥力特征[26],各指標在折線型函數中折線點的取值見表1。

本研究中僅有pH一種指標屬于拋物線型,其余四種指標均屬于S型函數,其公式如下：

拋物線型：

(4)

S型：

(5)

式中：Wi是指標隸屬度；x是指標的測量值；x1、x2、x3和x4是指標的轉折點。

表1 拋物線和S型函數各指標的轉折點

土壤評價指標的權重通過因子分析法確定。各評價指標的公因子方差所占的比例為權重值[26]。

2.4.3土壤綜合肥力評價指數

在對各指標進行評價后,需將單因素評價結果轉換為由各指標所構成的綜合土壤肥力評價結果。本文采用加法合成的方法,將各指標的隸屬度值進行加權求和,以計算土壤綜合肥力評價指數[5],其公式如下：

(6)

式中：IFI為土壤綜合肥力評價指數；Wi為第i項土壤肥力指標的隸屬度值；Ni為第i項土壤肥力指標的權重值。

2.5 數據處理

本文采用Kolmogorov-Smirnov(K-S)檢驗數據集的正態性,K-Sp> 0.05表示該數據符合正態分布,需對不符合正態的數據進行對數轉換。采用Pearson相關分析法研究土壤各項養分指標間的相關性。

采用SPSS 20.0對數據進行描述性統計、正態分布檢驗和多元統計分析。利用Geoda軟件來分析和識別空間聚類和異常值以及計算空間自相關系數；采用GS+ 9.0軟件進行半方差分析；采用R3.3.3進行相關分析；所有土壤理化指標空間分布圖均使用ArcGIS 10.2軟件繪制。

3 結果與討論

3.1 香榧林地土壤養分的描述性分析

如表2所示,浙江香榧主產區土壤pH值的范圍為3.58—6.81,平均值為4.91。戴文圣等[27]研究表明pH值會影響香榧的生長發育,過度酸黏的土壤會導致產量降低,品質變差,pH值為5.2時最佳。本研究區土壤酸度的變幅雖較小,但過度酸化不利于提升香榧的產量和品質,應及時引起當地林農和有關部門的重視[7]。研究區土壤有機質平均值為30.60 g/kg,堿解氮、有效磷和速效鉀的平均值分別為136.77、15.02、153.42 mg/kg,參照《浙江林業土壤》土壤養分分級標準,研究區土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量偏高[28]。根據實地調查顯示,大多數地區林農大量施用復合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15/17∶17∶17)和除草劑。大量施肥雖使土壤養分含量總體提高,但過高的氮和磷會影響香榧產量和質量,導致落葉落果[28]。土壤鉀含量過高對植物生長雖影響較小,但會造成資源浪費和環境污染等一系列問題。在浙江省其他經濟林種植園(山核桃、竹子和茶葉)中,不科學的肥料配比也導致了土壤養分失衡[29- 31]。

變異系數(CV)值可以用來描述研究變量的變異度,能更好的反映離散程度。根據王政權等[32]的研究報道, 當變異系數<10%時,為弱變異; 當10%≤變異系數≤30%時,為中度變異; 變異系數>30%時,為高度變異。如表2所示,僅pH屬于中度變異,其余4種養分元素均表現為高度變異,表明香榧林地土壤肥力之間的差異較大。

表2 香榧主產區土壤養分描述性統計分析

3.2 空間聚類和空間異常值分析

圖2 香榧主產區土壤養分的LISA局部空間自相關類型Fig.2 Local indicators of spatial association for soil nutrients in main plantations of Torreya grandis cv. Merrillii

土壤pH、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀的全局Moran′sI值均大于0,分別為0.14、0.24、0.20、0.29、0.23,呈現了顯著正的空間自相關性(P<0.05),說明在整個研究區域土壤pH、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀的目標值和它們臨近的采樣點具有一定的相似性。

局部Moran′sI的空間分布特征表明了土壤pH的高值集聚區主要分布在諸暨市,低值集聚區主要分布在柯橋區(圖2)。土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀的空間自相關分布較為相似,高值集聚區主要分布在柯橋區和嵊州市,低值集聚區主要分布在諸暨市和東陽市。不同地區的施肥方式存在差異且沒有規范統一的科學管理措施,是產生空間格局異質性的主要原因[33- 35]。而大多數高-低空間異常值主要分布在低值集聚區的附近區域,與之相反,低-高空間異常值主要分布在高值集聚區的附近地區。

3.3 香榧林地土壤養分的空間變異結構特征

采用地統計學方法對浙江香榧主產區土壤養分進行空間結構和變異特征分析,進行半方差函數擬合,并根據最大R2選取最佳擬合模型[15]。如圖3和表3可知,土壤pH符合高斯模型；土壤有機質和堿解氮符合指數模型；土壤有效磷和速效鉀符合球狀模型。

圖3 香榧主產區土壤養分的半方差分析圖Fig.3 The semivariograms for soil nutrients in main plantatios of Torreya grandis cv. Merrillii

塊基比又稱為基臺效應,即塊金值與基臺值的比值,可以衡量空間依賴的程度。Cambardella等[36]將塊基比比值分類為25%、25%—75%和75%,分別表示強、中、弱的空間相關性。變程也是半方差函數中的一個重要的指標,它主要反映了在一定區域尺度下空間自相關性的作用和影響范圍[20]。從表3可知,土壤 pH、有機碳、堿解氮、有效磷和速效鉀的塊基比均在25%—75%之間,表示中等變異程度的空間相關性。土壤養分的分布是自然因素和人為活動共同作用的結果。自然因素會增強土壤養分變量的空間相關性,而人為活動將削弱其空間相關性并向均質化方向發展[34,37]。根據塊基比(表3)可知,這些變量受到自然因素(地形、土壤類型、母質、氣候等)和人為經營(施肥、除草等)的共同影響。五種變量的變程均較小,其中pH的變程最小為3.29 km,有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀的變程較為相似,分別為8.52、5.84、8.82、6.49 km,表明各變量與人類活動密切相關[22]。

表3 香榧主產區土壤養分變異函數理論模型及其相關參數

3.4 香榧林地土壤養分的空間分布格局

圖4 香榧主產區土壤養分的空間分布圖Fig.4 Spatial distribution map of soil nutrients in main plantations of Torreya grandis cv. Merrillii

土壤養分狀況需要借助土壤養分水平分級標準來進行評價。目前對香榧林地土壤的研究較少,迄今還沒有相應的土壤養分分級標準來衡量香榧土壤養分狀況。本研究基于浙江林業常用的養分等級劃分標準將土壤pH、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀劃分為四級[28]。通過普通克里格插值法,繪制香榧主產區土壤養分的空間分布圖。如圖4所示,土壤pH低值區主要分布在柯橋區和嵊州市,高值區主要分布在諸暨市和東陽市。總體來說,大部分地區的土壤pH值較低,柯橋區和嵊州市的土壤酸化情況尤為嚴重。香榧林地土壤pH值會受到成土母巖以及人為施肥等因素的共同影響,尤其是長期濫用化學肥料會導致土壤酸化日趨嚴重[7]。馬閃閃等[31]報道了采用生石灰、土壤調理劑有利于改良臨安山核桃土壤酸化。研究區土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀的空間分布格局具有一定的相似性,高值區主要分布在柯橋區和嵊州市,少數分布在諸暨市東部,低值區主要分布在諸暨市和東陽市。諸暨東部為早期的香榧種植區,長期集約經營造成了土壤養分的富集[38]。土壤養分受氣候和地形等自然條件以及人為因素的共同作用[34]。本研究中4個區域的自然氣候和地理條件相似,地形均以丘陵為主,因此經營管理措施的不同是導致本研究區土壤養分差異的主要因素。研究區土壤養分空間分布特征與上述局部Moran′sI所揭示的空間分布特征一致。

3.5 香榧主產區土壤肥力指標相關性分析

相關性分析是揭示土壤養分元素和環境變量關系的有效方法。如圖5所示,海拔僅與土壤有機質呈顯著的正相關(P<0.01),而其他地形變量(坡度和坡向)與土壤養分元素的相關性較弱。這一結果表明,地形變量不是影響土壤pH和養分的主要因素,這與Dai等[15]的研究結果一致。從圖5可知,林齡與土壤pH呈顯著負相關,與有效磷呈極顯著正相關(P<0.01),與有機質、堿解氮和速效鉀呈顯著正相關(P<0.05)。表明林齡對土壤pH、有機質和堿解氮含量具有顯著影響。

圖5 香榧主產區土壤養分的相關分析Fig.5 Correlation analysis of soil nutrients in main plantations of Torreya grandis cv. Merrillii

本研究區所有的土壤養分元素兩兩間均呈現出顯著的相關性(P<0.01)。其中土壤pH與有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀均呈現顯著的負相關關系,說明在一定程度上,土壤酸化會影響土壤養分的供給,過量施肥使林地土壤養分含量提高的同時也會導致土壤酸化[8]。土壤有機質與pH、堿解氮、有效磷和速效鉀均呈現顯著的正相關關系,其中與堿解氮的相關系數(0.747)最高,表明土壤有機質含量與土壤的供氮能力密切相關。張建杰等[39]進一步研究了土壤氮素和有機質的空間變異規律,表明土壤氮素絕大部分來自于有機質。而土壤堿解氮、有效磷和速效鉀的分析結果具有相似性,與pH的相關系數相對較低,與其余元素的相關系數較高且差異不大。這一結果可能是由于在人為經營條件下,肥料是調控土壤氮磷鉀三要素有效態水平的主要因素[15]。

3.5.1林齡的影響

不同林齡條件下各地區香榧林地土壤養分含量的差異性如圖6所示。根據各地區林齡實際情況,將林齡分為<10年、10—30年、30—100年和>100年。由圖6可知, 土壤pH隨著林齡的增長有降低的趨勢,且<10年和>100年的土壤pH差異顯著。表明隨著香榧林地種植年限的增長,土壤呈現出酸化的趨勢[8]。對于土壤肥力質量而言,土壤的進一步酸化不利于實現可持續發展的目標。隨著林齡的增長土壤有機質、堿解氮和有效磷含量也在逐漸增加,且幼林(<10年)均與古榧林(>100年)差異顯著。林地經營年限的增長,立地環境基本穩定,有機質的積累速率逐漸大于分解速率,再加上有機肥的施用等經營措施,使土壤有機質和堿解氮含量逐漸增長[7]；磷素在土壤中移動性較弱,所以隨著林地經營年限的增長有效磷在土壤中得到了富集[40]。土壤速效鉀含量與其他養分含量變化規律不同,沒有隨經營年限的增長得到明顯的累積。鉀素在土壤中的移動性較強,易受水土流失、淋溶流失、徑流流失的影響[7]。不同年份氣候狀況的差異導致不同的徑流和淋溶效應,使各林齡下土壤速效鉀含量具有差異。

圖6 林齡對香榧林地土壤pH、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀的影響 Fig.6 Effects of forest ages on soil pH, organic matter, available nitrogen, available phosphorus and available potassium in Torreya grandis cv. Merrillii

3.6 香榧主產區土壤綜合肥力評價

土壤綜合肥力評價法有助于各地區農業管理者、相關研究人員和決策者更加深入的了解區域農業生產管理系統的土壤質量狀況。本研究選取pH、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀5個指標,通過土壤綜合肥力指數法(IFI)計算土壤肥力。采用隸屬度函數并根據每個評價指標的閾值將變量轉化為0.1—1.0之間的值(表1)。通過因子分析法得出各評價指標的公因子方差值和權重值(表4)。各變量被分配到的權重值差異不大,pH和有機質分配到的權重較高(0.215和0.209),堿解氮、有效磷和速效鉀的權重分別是0.185、0.194和0.197。

表4 各項肥力指標的公因子方差和權重

圖7 香榧主產區土壤肥力等級空間分布圖 Fig.7 Soil fertility level distribution map of Torreya grandis cv. MerrilliiIFI: 土壤綜合服力評價指數Integrated soil fertility index

根據土壤綜合肥力評價方法(IFI)計算研究區土壤肥力指數,并通過克里格插值法繪制出土壤肥力空間分布圖(圖7)。土壤肥力指數(IFI)>0.47屬于中、高質量[5],本研究區有61%地區的土壤肥力屬于中、高質量,有39%地區的土壤肥力水平相對較低。如圖7所示,高肥力土壤主要分布在柯橋區和嵊州市,少數分布在諸暨市東部,低肥力土壤主要分布在諸暨市和東陽市。表明研究區香榧林地土壤肥力水平總體較高,大多數已達到肥沃水平,少數地區土壤綜合肥力指數較低。根據實地調查,近年來各地區林農大量施用復合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15/17∶17∶17)以達到提高產量的目的。雖使香榧林地土壤養分得到了明顯提升,但一味的追求高產量,而不注重成本和肥效不僅會使肥料浪費環境污染,還會導致果實質量和產量下降[34,41- 42]。土壤肥力水平不僅取決于土壤養分和作物吸收能力,還受各因子協調程度的影響。因此,應根據香榧林地土壤肥力的實際狀況,采用測土配方施肥制定施肥結構和用量,以滿足實際生產需要,又不污染環境,最終實現香榧產業的可持續發展。

4 結論

香榧林地土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀低值區主要分布在諸暨市和東陽市,高值區主要分布在柯橋區和嵊州市,而pH的空間分布格局則與之相反。土壤綜合肥力指數表明柯橋區和嵊州市土壤較為肥沃,諸暨市和東陽市土壤綜合肥力指數較低。香榧主產區土壤酸化以及養分失衡現象較為嚴重,建議采用生石灰、土壤調理劑等進行酸化土壤改良,在施肥過程中采用“穩氮降磷控鉀”等方式,以調節香榧林地土壤養分,滿足香榧不同生長階段的養分需求。