基于森林氣候與土壤類型的廣西人工林土壤分區及其肥力演變

石媛媛，趙雋宇，宋賢沖，潘 波，覃其云，鄧小軍，趙澤洪

（廣西壯族自治區林業科學研究院 廣西優良用材林資源培育重點實驗室 廣西林用新型肥料研發中心，廣西南寧 530002）

科學保護與利用林地土壤，使之健康、可持續經營與發展，是確保林業高質量發展和實現“綠水青山就是金山銀山”的重要手段[1-2]。2018年底，廣西人工林面積約853 萬hm2，居全國第一位，木材產量約占全國木材產量的45%，是全國為數不多實現人工林面積與蓄積量“雙增”的林業大省，為國家木材安全保駕護航[3]。近30年來，在廣西林業生產中，施肥多以化肥為主，不重視有機肥的使用，忽視土壤類型、氣候類型和肥力水平的差異，過量施用化肥造成林地土壤有機質缺乏，土壤團粒結構受到破壞，出現沙化、酸化、退化、污染和地力持續下降等問題，林地生產力難以維持[4-6]。經調研，現階段單一的施肥配方已不能滿足人工林產業高速發展的需求。需肥量較低的區域施肥過量，會導致土壤養分輸入過剩、養分面源污染和河流富營養化等問題；需肥量較高的區域養分輸入不足，會限制林木生長，林木質量較差[7-9]。基于以上人工林產業發展過程中出現的問題，在林地土壤環境大數據基礎上進行人工林地肥力區劃，制定科學的區域化施肥措施迫在眉睫。

農林區劃是按農林地域分異規律，科學劃分區域，是研究農業地理布局的一種重要科學分類方法[10]。在林業生產領域，林地肥力區劃是在林業資源調查的基礎上，根據各地不同的土壤類型、森林氣候分區類型和土壤養分分布等特點，按照區內相似性、區間差異性和保持一定界線完整性的原則，將土壤劃分為若干不同類型和等級的分區，并分析各分區的林地土壤肥力分布特點、布局現狀和存在的問題，找到各區的人工林施肥方向及解決問題的途徑[11-13]。

基于以上背景，該文在廣西土壤類型分布、廣西森林氣候分區[14]和廣西土壤養分分布等數據的基礎上，利用GIS 技術和人工智能算法等方法，按照降水、溫度、土壤類型和土壤肥力等要素將廣西人工林劃為不同分區，探討各區人工林生產施肥中存在的共性問題，提出科學的解決方案，可為充分合理地利用林地資源和自然資源、發揮地區資源優勢、調整林業產業結構、制定林業生產發展的遠景規劃及指導林業生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 人工林分區方法

廣西森林地理分布緯向地帶性的變化為自南向北從熱帶林經由南亞熱帶林過渡至中亞熱帶林，顯域性模式為季雨林-季風常綠闊葉林-典型常綠闊葉林；經向地帶性變化出現在南亞熱帶林，西部亞熱帶森林從云南向東遷移，止于桂西北山原西部。根據以上特點，將廣西森林氣候劃分為7個區，即中亞熱帶闊葉林東、中亞熱帶闊葉林西、南亞熱帶闊葉林西、南亞熱帶闊葉林中、南亞熱帶闊葉林東、北熱帶季雨林西和北熱帶季雨林東。綜合廣西森林氣候分區、土壤類型分區和廣西人工林分布的特點，以區內森林氣候類型[15]相對一致性為主要原則，以區內土壤類型相對一致性為輔，對全區人工林土壤肥力進行劃分。廣西土壤類型數據由中國科學院南京土壤研究所提供，廣西人工林主要土壤類型有紅壤、赤紅壤和石灰（巖）土。

1.2 氣象及行政區劃數據

該文使用的氣象及行政區劃數據均在中國科學院資源科學與數據中心下載。氣象數據集是根據氣象觀測站歷史觀測數據，利用反向距離加權平均的方法內插計算獲得的空間分辨率為500 m ×500 m 的氣候指標空間分布數據集，該文使用年均氣溫、年均降水量和≥10 ℃年積溫3 個指標的空間分布數據。

1.3 土樣采集及土壤數據

該文使用的林地土壤數據分為歷史數據和現狀數據。歷史數據為廣西林地土壤數據庫中存儲的1983 — 2013年的廣西林地土壤數據，共420 個樣點，4 360 個養分指標；現狀數據為2016 — 2020年近5年間收集到的廣西林地土壤數據，共660 個土壤樣點，8 300個養分指標。主要肥力評價指標為土壤pH 值和有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量。土壤pH值采用電位法測定，有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，堿解氮含量采用半微量凱氏定氮法，有效磷含量采用M3 溶液浸提后用全自動間斷化學分析儀測定，速效鉀含量采用醋酸銨浸提-火焰光度計法測定[16]。評價指標參考全國第二次土壤普查養分分級標準[17]。

2 結果與分析

2.1 不同森林分區氣候因子分析

將年均氣溫、年均降水量和≥10 ℃年積溫分級顯示，疊加廣西森林氣候分區分布圖（圖1～3）。全區年均氣溫、年均降水量和≥10 ℃年積溫呈現從東向西和從南向北降低的趨勢。年均氣溫和≥10 ℃年積溫變化趨勢相似，均呈現南部較高、北部較低和低海拔區域較高、高海拔區域較低的趨勢。森林氣象因子分布的經向分界線與年均降水量變化趨勢線基本一致；從東向西，中亞熱帶闊葉林東、南亞熱帶闊葉林東和北熱帶季雨林東3個東部區域的年均降水量較高；中亞熱帶闊葉林西、南亞熱帶闊葉林中和北熱帶季雨林西3個中部區域的年均降水量次之；南亞熱帶闊葉林西區域的年均降水量最少，達到半濕潤地帶的標準。

圖1 年均氣溫森林氣候分區分布Fig.1 Distribution of forest climate zones with annual average temperatures

圖2 年均降水量森林氣候分區分布Fig.2 Distribution of of forest climate zones with annual average rainfalls

圖3 ≥10 ℃年積溫森林氣候分區分布Fig.3 Distribution of forest climate zones with annual ac?cumulated temperature ≥10 ℃

2.2 廣西人工林土壤區劃

將廣西人工林地劃分為7 個區，各區命名方式為“氣候帶+森林類型+主要人工林土壤類型”（圖4）。其中，赤紅壤有3個分區，分別為北熱帶季雨林赤紅壤西區（赤紅壤西區）、北熱帶季雨林赤紅壤東區（赤紅壤東區）和南亞熱帶常綠闊葉林赤紅壤區（南亞熱帶赤紅壤區）；紅壤有3個分區，分別為半濕潤南亞熱帶常綠闊葉林紅壤區（半濕潤紅壤區）、中亞熱帶常綠闊葉林紅壤西區（紅壤西區）和中亞熱帶常綠闊葉林紅壤東區（紅壤東區）；另一個分區為南亞熱帶常綠闊葉林石灰（巖）土區（石灰（巖）土區）。

圖4 廣西人工林土壤分區Fig.4 Soil division of plantations in Guangxi

2.3 廣西人工林土壤養分分布特征

廣西人工林土壤pH 均值為4.41，屬于強酸性土壤，最小值4.01，最大值6.12，變異系數5.44%，變異小（表1）。土壤有機質含量均值為31.24 g/kg，屬于中等水平，最小值15.39 g/kg，最大值48.94 g/kg，變異系數16.17%，變異中等。土壤堿解氮平均含量為137.73 mg/kg，屬于較高水平，最小值50.75 mg/kg，最大值282.99 mg/kg，變異系數25.93%，變異較大，分布不均。土壤有效磷平均含量為1.89 mg/kg，最小值0.53 mg/kg，最大值4.13 mg/kg，變異系數13.23%，變異不大。土壤速效鉀平均含量為60.65 mg/kg，最小值23.02 mg/kg，最大值206.14 mg/kg，變異系數13.37%，變異不大。

表1 廣西人工林土壤養分概況Tab.1 Overviews of soil nutrients of plantations in Guangxi

對近5年土壤的pH 值進行插值分析，獲得人工林土壤pH 值分布圖（圖5）。全區人工林土壤呈酸性，大部分區域pH 值小于5.5，屬于強酸性區域；總體來看，桂北和桂西的土壤pH值較高，桂南的pH值較低。對近5年土壤有機質含量進行插值分析，獲得人工林土壤有機質含量分布圖（圖6）。全區大部分人工林土壤有機質含量高于30 g/kg，屬于中等水平；從分布情況看，有機質含量較低的區域多集中在桉樹種植密集的中南部。對近5年土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量進行插值分析，獲得人工林各速效養分含量分布圖（圖7～9）。全區人工林土壤堿解氮含量為高水平，呈現北部較高和南部較低的特點；全區大部分區域的土壤有效磷含量低于3.00 mg/kg，為很低水平；全區大部分區域的土壤速效鉀含量低于90 mg/kg，為低水平。

圖5 土壤pH值空間分布Fig.5 Spatial distribution of soil pH value

圖6 土壤有機質含量空間分布Fig.6 Spatial distribution of soil organic matter content

圖7 土壤堿解氮含量空間分布Fig.7 Spatial distribution of soil alkali-hydrolyzable nitrogen content

圖8 土壤有效磷含量空間分布Fig.8 Spatial distribution of soil available phosphorus content

圖9 土壤速效鉀含量空間分布Fig.9 Spatial distribution of soil available potassium content

2.4 廣西人工林土壤區域化肥力評價

按照廣西人工林土壤分區分別提取各分區主要土壤養分含量均值，并與同區歷史均值進行對比分析（表2）。土壤pH 均值在赤紅壤東區最低（4.32），在半濕潤紅壤區最高（4.69）。土壤有機質平均含量在紅壤東區最高（36.93 g/kg），在半濕潤紅壤區（26.00 g/kg）和赤紅壤西區（26.21 g/kg）較低，呈現維度帶分布規律。土壤堿解氮平均含量在紅壤東區（169.86 mg/kg）和紅壤西區（164.85 mg/kg）較高，在赤紅壤東區（111.06 mg/kg）和赤紅壤西區（105.22 mg/kg）較低，與土壤有機質含量類似，呈現維度帶分布規律。土壤有效磷平均含量在赤紅壤東區（1.94 mg/kg）和石灰（巖）土區（1.94 mg/kg）較高，在半濕潤紅壤區最低（1.77 mg/kg）。土壤速效鉀平均含量在半濕潤紅壤區最高（65.22 mg/kg），在赤紅壤西區（59.21 mg/kg）和紅壤西區（59.57 mg/kg）較低。

表2 廣西人工林各土壤分區主要土壤養分含量對比Tab.2 Comparison on main soil nutrient contents in different soil zones of plantations in Guangxi

續表2 Continued

各分區土壤pH 均值均低于歷史均值，全區林地土壤酸化有加重現象；其中紅壤東區下降幅度最大（17.14%）。各分區土壤有機質平均含量均比歷史均值高，其中南亞熱帶赤紅壤區上升幅度最大（59.63%），石灰（巖）土區的上升幅度最小（5.70%）。各分區土壤堿解氮平均含量均比歷史均值高，其中南亞熱帶赤紅壤區上升幅度最大（103.89%）。各分區土壤有效磷平均含量均比歷史均值高，其中半濕潤紅壤區和赤紅壤西區的上升幅度較大，分別為160.29%和155.41%。除紅壤東區外，其他分區的土壤速效鉀平均含量均比歷史均值高，兩個高緯度分區（赤紅壤東區和赤紅壤西區）的上升幅度較大，分別為106.89%和121.68%。

3 討論與結論

林地土壤資源區劃有利于土地資源的有效利用和產業布局的合理規劃[18]。上世紀九十年代，有學者根據氣候條件和森林類型分布進行廣西森林分區[15]。該文在此基礎上，結合土壤類型分布[19-20]，進行廣西人工林土壤分區，各分區的氣候、土壤和肥力特征較一致，可為統一制定分區內的人工林經營管理和施肥策略提供科學依據。

對比歷史數據，廣西人工林土壤的pH 值下降，全區人工林土壤pH均值為4.41，呈強酸性。有研究表明，人工林施肥，尤其是銨態氮肥的施入可導致人工林土壤pH 值降低[21]。近5年的人工林土壤有機質含量有一定程度上升，整體水平中等。近5年人工林土壤堿解氮含量增加明顯，可能與人工林施肥中氮肥比例較高有關。土壤有效磷和速效鉀含量也有不同程度升高，但整體含量水平較低。

赤紅壤東區的年均氣溫、年均降水量和≥10 ℃年積溫均最高，土壤pH 值最低，土壤酸性最強，該區高溫、高濕、土壤酸化嚴重、土壤肥力中等。赤紅壤西區年均降水量較低，年均氣溫和≥10 ℃年積溫較高，土壤有機質和堿解氮含量較低，該區高溫、少雨、土壤肥力較低。南亞熱帶赤紅壤區降水量中等，年均氣溫和≥10 ℃年積溫較高，土壤pH 值較低，有機質和堿解氮含量中等，該區高溫、土壤酸化嚴重、土壤肥力中等。半濕潤紅壤區年均降水量最低，年均氣溫和≥10 ℃年積溫也較低，土壤pH 值較高，土壤有機質和堿解氮含量較低，該區低溫、少雨、土壤酸化較輕、土壤肥力較低。石灰（巖）土區的氣候和土壤肥力指標均處于中等水平。紅壤東區和西區的年均降水量和年均氣溫均較低，土壤有機質和堿解氮含量較高，該區低溫、土壤肥力較高。王淑彬等[22]研究認為土壤全氮含量與有機質有很強的相關性，有機質是全氮的主要來源。王春燕等[23]研究表明土壤有機碳組分呈現緯度分布格局，氣候是主要影響因子。這與本研究中土壤有機質和堿解氮含量的分布規律相似，均呈現高緯度區域比低緯度區域高的規律。土壤有機質和堿解氮含量分布呈現緯度分布格局的另一個原因可能是不同植被類型的影響[24]。桂北人工林的優勢樹種主要為輪伐期較長的杉木（Cunninghamia lanceolata）和松樹（Pinusspp.），桂中南人工林的優勢樹種主要為短周期的桉樹（Eucalyptusspp.）；有學者對不同輪伐期的桉樹人工林土壤有機碳含量進行研究，認為不同林齡桉樹人工林土壤總碳固存隨林齡增長而顯著降低[25]；對杉木人工林表層土壤有機質含量的研究表明，不同土壤類型有機質含量差異較大，表現為黃壤>紅壤>赤紅壤[26]。但未見有研究將桉樹和杉木兩個優勢樹種林分的土壤有機質含量進行對比分析，有待進一步研究確認。

本研究對全區人工林土壤進行區劃，結合歷史數據和近五年的現狀數據對土壤肥力進行區域化評價，可為今后各區人工林的營林管理和施肥策略制定提供理論基礎。在分區的基礎上，各分區人工林土壤肥力量化分級是下一步需要開展的工作，可進一步提升人工林科學施肥水平，促使全區人工林精準施肥和地力提升工作的開展，提高林地生產力和可持續發展能力。