貴州油茶主產區土壤養分特征及綜合肥力評價

柏文戀，黃安香，楊守祿，盧 香，王忠偉，鄔能英，唐義鵬，張福安

(1. 貴州省林業科學研究院，貴陽 550005；2.貴州一航生態農牧科技開發有限公司，貴州 思南 565100)

【研究意義】油茶系油茶科山茶屬植物，又名油茶樹、茶子樹，是我國南方著名的木本油料作物[1]，茶油因其特有的脂肪酸組成結構及豐富的營養成分被國際糧農組織列為重點推廣的健康型食用油[2]。油茶作為貴州12大特色林業產業之一，其發展深受重視，栽培面積逐年擴大。然而在油茶種植過程中由于施肥不夠科學合理，導致植株礦質元素不均衡造成品質下降及產量不穩定[3]。因此，了解油茶主產區土壤肥力狀況，對油茶種植過程中的優化施肥、提高貴州油茶產量及品質具有重要意義。【前人研究進展】土壤是植物生長最根本的物質基礎，能為植物的生長提供必要的養分和水分[3]。土壤肥力水平的高低直接影響油茶的生長、產量及油質[1]。土壤大量元素碳、氮、磷、鉀是土壤養分的基礎組成元素[4]，土壤微量元素鐵、錳、銅、鋅也是表征土壤質量的重要因子[5]，其含量變化能夠顯著影響到養分循環及土壤肥力[6]。土壤鹽基飽和度(BS)是判斷土壤肥力的重要指標，BS值越大，土壤中的養分越好，更利于作物生長[7]。黑杰等[8]研究表明，不同產區施肥和灌水管理措施有所差異，且不同產區土壤類型、地貌形態和氣候條件各不相同，因而土壤能供給植物吸收利用的養分含量特征也各不相同。【本研究切入點】目前涉及產區土壤養分特征研究的樹種有蘋果[9-13]、荔枝[14-15]、葡萄[16]、核桃[17]、枸杞[18-19]、茶[20-21]、柑橘[22]等，但這些研究大多局限于對氮、磷、鉀等大量元素。關于貴州油茶主產區土壤大量元素、微量元素含量的特征及綜合肥力評價的研究未見報道。【擬解決的關鍵問題】以貴州省13個縣60個油茶主產區土壤為研究對象，研究貴州省油茶主產區土壤中pH、SOC、TN、TP、TK、AN、AP、AK、有效鐵(Fe)、有效錳(Mn)、有效銅(Cu)、有效鋅(Zn)、CEC、SEB和BS的含量特征，從土壤養分盈缺入手，根據全國第二次土壤普查的等級劃分標準對油茶產區土壤養分進行了系統評價，同時采用主成分分析法、改進的內梅羅綜合指數法評價土壤綜合肥力等級[23-24]，旨在了解貴州省油茶主產區土壤肥力狀況和當地農業生產中存在的問題，從而優化施肥，為貴州省油茶主產區平衡施肥決策、土壤科學管理、提高油茶產量及品質、實現土壤養分資源精準管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 土樣采集

基于貴州省油茶資源分布調查數據，對13個縣60個油茶主產區的土壤進行抽樣調查，所有土樣采集于2021年10 月中下旬，采樣區域均選擇在油茶樹滴水線附近，去除表土層的枯枝落葉，采集 0～40 cm 土層土壤，每個產區采集 3個土壤樣品，按“S”形多點取樣法進行取樣，混勻后用四分法保留 1 kg，帶回室內進行風干、碾磨、過篩處理后保存待測[1]。

1.2 測定方法

土壤pH使用pH計測定,土壤SOC采用重鉻酸鉀容量油浴法測定；TN采用凱氏消煮—半微量蒸餾滴定法測定；TP采用堿熔融—鉬銻抗比色法測定；TK采用堿熔—原子吸收分光光度法測定；AN采用堿解擴散法測定；AP采用鹽酸氟化銨浸提鉬銻抗比色法測定；AK采用乙酸銨浸提原子吸收分光光度計法測定；土壤有效Fe、Mn、Cu和Zn采用 DTPA提取劑提取，用原子吸收分光光度計法測定[25]；CEC(陰離子交換量)和SEB(鹽基總量)采用醋酸銨法測定，鹽基飽和度(BS)(%)=SEB/CEC×100[25]。

1.3 土壤養分含量分級及評價方法

根據全國第二次土壤普查養分分級標準和現有文獻[27-28]，將油茶土壤中SOC、TN、TP、TK、AN、AP、AK按元素含量劃分為6個等級(表1)，微量元素有效Fe、Mn、Cu和Zn劃分為5個等級(表2)，其中，土壤pH小于4.5為強酸性，4.5～5.5為酸性，5.5～6.5為弱酸性，6.5～7.5為中性，7.5～8.5為弱堿性，8.5～9.5為堿性[23]。CEC和BS分別劃分為3個等級(表3)，土壤綜合肥力評價方法采用主成分分析法及修正后的內梅羅指數評價法，對貴州油茶主產區土壤肥力進行綜合評價[23]。

表1 土壤化學肥力指標含量分級

表2 土壤有效微量元素含量分級

1.4 主成分分析法

采用SPSS 軟件通過因子分析首先得出各參評土壤指標主成分特征值和特征向量，根據特征值>1 選為關鍵主成分。再利用綜合得分公式求出各樣點土壤肥力綜合分值[29]。

綜合分值構成了評價因子總的土壤肥力水平得分值，它綜合反映了該評價對象的土壤肥力狀況，也是進行土壤肥力等級劃分的依據[29]。采用指數和法計算土壤肥力評價的綜合分值IFI，其計算公式為：

IFI=λ1F1+λ2F2+…+λmFm

式中，F表示單個主成分得分；λ表示對應主成分的方差貢獻率[29]。IFI值越高表示土壤肥力越高；反之，則表示土壤肥力越低[29]；IFI大于0.8表明該區域土壤肥力極高，IFI在0.6～0.8表明土壤肥力較高，IFI在0.4～0.6表明土壤肥力一般，IFI在0.2～0.4表明土壤肥力較差，IFI小于0.2表明土壤肥力極差[29]。

表3 土壤陽離子交換量和鹽基飽和度分級

1.5 內梅羅指數評價法

選擇評價土壤肥力的主要因子為SOC、TN、TP、TK、AN、AP和AK，對大量元素的參數分別進行標準化以消除各參數間的量綱差別，標準化處理分級標準見表4，標準化處理如下[23]：

當Ci≤Xa,Pi=Ci/Xa,(Pi≤ 1)；

當Xb

當Xb

當Xc

當Xd

當Ci>Xe,Pi=5。

以上各式中，Ci為該屬性測定值，Xi為分級指標，Pi為肥力系數[23]。

修正的內梅羅公式計算綜合肥力系數：

P綜=(n-1)/n×{[(Pi平均)2+(Pi最小)2]/2}1/2

式中：P綜為土壤綜合肥力系數，Pi平均為土壤各屬性分肥力系數的平均值，Pi最小為各分肥力系數中最小值。采用7項指標(SOC、TN、TP、TK、AN、AP、AK) 進行評價，因此n=7[23]。根據計算的大量元素綜合肥力系數給出土壤的肥力評價[4]。土壤綜合肥力系數(P綜)在3.2～4.0表明土壤很肥沃，在2.4～3.2表明土壤肥沃，在1.6～2.4表明土壤肥力一般，在0.80～1.6表明土壤貧瘠，小于0.80表明土壤非常貧瘠[23]。

表4 土壤大量元素各屬性分級標準

1.6 數據處理

數據采用 SPSS 17.0軟件和Excel 2003進行統計分析，用Excel 2003進行圖表的制作。

2 結果與分析

2.1 貴州油茶主產區的土壤養分含量特征

2.1.1 大量元素含量及分布頻率 (1)含量。從表5看出，貴州油茶主產區土壤中SOC、TN、TP、TK、AN、AP、AK含量分別在23.98～64.84 g/kg、0.74～2.58 g/kg、0.29～2.63 g/kg、9.59～30.16 g/kg、70.96～154.96 mg/kg、1.41～51.94 mg/kg、50.69～153.26 mg/kg，平均含量分別為38.13 g/kg、1.55 g/kg、0.89 g/kg、22.69 g/kg、100.20 mg/kg、11.18 mg/kg和102.72 mg/kg。TP、AP含量變幅較大，變異系數分別為79.2%和134.0%；TN、AK含量變幅次之，變異系數分別為36.1%和34.0%；SOC、AN含量變幅較小，變異系數分別為28.6%和27.1%；TK含量變異系數最小，為25.5%。

表5 貴州油茶主產區土壤大量元素含量

(2)分布頻率。由圖1看出，貴州部分油茶主產區土壤的TN、TP、TK、AN、AP、AK含量不足，以磷素含量缺乏最為嚴重；TN、TP、TK、AN、AP、AK含量不足的樣本數分別占總樣本數的11.7%、53.3%、3.3%、35%、63.3%和53.3%。貴州部分油茶主產區土壤大量元素含量處于中等水平及以上，其中，SOC、TN、TP、TK、AN、AP、AK含量處于中等水平的樣本數分別占總樣本數的21.7%、33.3%、13.3%、11.7%、48.3%、13.3%和23.3%；SOC、TN、TP、AN、AP、AK含量處于較豐富水平的樣本數分別占總樣本數的55.0%、31.7%、68.3%、10.0%、15.0%、23.3%。SOC、TN、TP、TK、AN、AP含量處于豐富水平的樣本數分別占總樣本數的23.3%、23.3%、33.3%、16.7%、6.7%、8.3%。

圖1 貴州油茶主產區土壤大量元素含量分布頻率Fig.1 Distribution frequency of soil mass elements in the main producing areas of C. oleifera in Guizhou

2.1.2 土壤微量元素含量及分布頻率 (1)含量。由表6看出，貴州油茶主產區土壤中Fe、Mn、Cu、Zn含量分別在20.13～98.34、9.61～78.54、0.31～3.06和0.33～3.64 mg/kg，平均含量分別為45.91、30.89、1.04和1.31 mg/kg。油茶主產區土壤中微量元素Zn含量變幅最大，變異系數為76.7%；Mn、Cu含量次之，變異系數分別為66.1%和65.8%；Fe含量變異系數最小，為54.2%。

表6 貴州油茶主產區土壤微量元素含量

(2)分布頻率。由圖2看出，貴州油茶主產地土壤微量元素Fe、Mn、Cu含量均處于中等以上水平，部分產區存在Zn含量不足，占總樣本數的3.3%。其中，Mn、Cu、Zn含量處于中等水平的樣本數分別占總樣本數的25.0%、60.0%、45.0%、處于較豐富水平的樣本數分別占總樣本數的35.0%、36.7%、38.3%；Fe、Mn、Cu、Zn含量處于豐富水平的樣本數分別占總樣本數的100.0%、40.0%、3.0%、13.3%。

圖2 貴州油茶主產區土壤微量元素含量分布頻率 Fig.2 Distribution frequency of soil trace elements in the main producing areas of C. oleifera in Guizhou

2.1.3 土壤pH及鹽基飽和度特征 由表7看出，土壤均為酸性，pH為4.27～5.76；土壤CEC、SEB和BS含量分別在10.31～27.21 coml/kg、0.33～3.64 coml/kg和97.3%～264.3%，平均含量分別為15.85 coml/kg、10.29 coml/kg和177.6%。土壤CEC、SEB和BS變異系數分別為29.2%、10.3%和26.1%。由表8看出，貴州油茶主產地土壤CEC均為Ⅱ級水平以上，其中達到Ⅰ級水平的占總樣本數的23.3%，Ⅱ級水平的占總樣本數的76.7%；土壤BS含量均處于Ⅰ級水平。

表7 貴州油茶主產區土壤鹽基飽和度特征

續表7 Continued talbe 7

表8 貴州油茶主產區土壤陽離子交換量及鹽基飽和度分布頻率

2.2 基于主成分分析法油茶產地土壤肥力的評價

2.2.1 土壤肥力評價指標間的相關性 由表9看出，貴州油茶主產區土壤中pH與Mn含量呈顯著正相關；SOC含量與TN、AN、AK、Cu、Zn、CEC含量呈顯著正相關，且與TN、AN、Zn、CEC含量呈極顯著正相關；TN含量與AN、AK、Fe、Cu、Zn、CEC含量呈顯著正相關，且與AN和CEC含量呈極顯著正相關；TP含量與AP、AK、SEB含量呈顯著正相關；AN含量與AK、Fe、Cu、Zn、CEC含量呈顯著正相關，且與Fe、Cu含量呈極顯著正相關；AP含量與AK、Zn含量呈顯著正相關，且與Zn含量呈極顯著正相關；AK含量與Zn、CEC含量呈顯著正相關,且與Zn含量呈極顯著正相關；Fe含量與Cu含量呈顯著正相關，且與Zn含量呈極顯著正相關；Zn含量與CEC含量呈顯著正相關。說明，選擇的評價指標之間存在相關性，因此，采用主成分分析方法對貴州油茶產地土壤肥力進行評價是可行的，也是必要的。

表9 貴州油茶主產區土壤養分評價指標間的相關系數

2.2.2 貴州油茶主產區各地的土壤肥力狀況 采用SPSS 軟件通過因子分析首先得出各參評土壤指標主成分特征值和特征向量，根據特征值>1 選為關鍵主成分，選出6個主成分，其特征值分別為3.682, 2.198, 1.796, 1.655, 1.235, 1.184，累計貢獻率為73.4%，可以較好的反映土壤肥力狀況。根據因子載荷系數與主成分系數之間的關系(表10)，主成分1主要受SOC、TN、AN、Zn等指標的影響，主成分2主要反映TP、AK、SEB的權重，主成分3主要反映AP、AK、Mn的權重，主成分4主要反映pH的權重，主成分5主要反映TK的權重，主成分6主要反映SEB的權重。根據主成分貢獻率，各市縣油茶產區土壤化學肥力綜合評價模型為：IFI=0.230F1+ 0.137F2+0.112F3+0.103F4+0.077F5+ 0.074F6。

表10 初始因子載荷系數與成分得分系數矩陣

由表11看出，各縣市綜合肥力總體得分在-0.585～0.566，威寧、從江、岑鞏、黎平、錦屏、天柱、望謨、冊亨、玉屏、松桃、思南、石阡、開陽13個區縣的土壤化學肥力綜合得分范圍分別是-0.04～2.14，0.06～0.75，-0.04～0.45，-0.64～0.82，-0.43～-0.74，-1.10～0.52，-0.63～-0.29，-0.55～0.10，-1.02～1.21，-0.038-0.05，-0.67～0.46，-0.34～-0.28，-0.11～0.38。由IFI值看出，威寧縣、從江縣油茶產區土壤肥力處于一般水平，占總樣本數的20.0%，玉屏縣油茶產區土壤肥力處于較差水平，其他產區均處于極差水平。

表11 不同縣市油茶土壤肥力綜合評價

續表11 Continued table 11

2.3 基于內梅羅指數法油茶主產區土壤綜合肥力的評價

從表12看出，貴州省油茶主產區土壤C、TP、TK狀況屬于較豐富水平，土壤TN、N、P、K狀況屬于中等水平。通過標準化計算處理后，各養分指標的變異系數相對較小，變幅在11.8%～75.8%，其中，P含量的變幅最大，變異系數為75.8%；TP含量次之，變異系數為41.9%；C含量變異系數最小，為11.8%；其它養分的變異系數在21.2%～26.4%。通過對各肥力指標進行標準化處理，采用修正的內梅羅綜合指數法對研究區土壤養分狀況進行綜合計算，貴州油茶主產區大量元素綜合肥力系數為 2.14，對照肥力評價等級狀況處于一般水平。

表12 大量元素標準化處理指數

3 討 論

土壤養分是評價土壤肥力的主要指標，其豐缺狀況和供應強度直接影響作物的生長和品質[23]。張麗娜等[13]研究表明，不同地區蘋果園土壤有效養分含量差異顯著，這與本研究中不同油茶主產區土壤大量元素含量差異顯著結論相一致，且不同產地土壤TP、AP含量的變異系數最大，這可能是由于不同油茶主產區水肥管理措施、土壤類型、地貌形態和氣候條件差異所致[14,30]。貴州部分油茶主產區土壤存在TN、TP、TK、AN、AP、AK含量不足，其中磷素含量缺乏最為嚴重，說明貴州油茶主產區缺乏對施肥的系統管理，在今后的栽培管理過程中要注意氮、磷、鉀肥的配合施用，以利于植物營養元素含量的平衡，從而提高油茶的產量和品質。

土壤中微量元素的缺乏已成為作物增產的限制性因素[31]，為此，深入研究土壤中微量元素的含量狀況對于合理有效地施用微量元素肥料具有重要指導意義[31-32]。不同自然條件下土壤中微量元素的分布存在不平衡現象[31]。李海峰等[5]研究表明，綠洲不同位置農田因施肥強度和管理方式的差別，土壤中Fe、Cu、Mn、Zn含量差異顯著。本研究同樣表明，貴州不同油茶主產區土壤微量元素含量存在差異，且土壤中Zn含量變幅最大，說明土壤微量元素有效態含量的特征具有顯著的區域特性[6]，可能是土壤中微量元素含量及有效性不僅與成土母質和成土過程等有關，還受耕作制度、施用肥料和種植作物等人為因素的影響有關[33-35]。貴州油茶主產區土壤Fe、Mn、Cu含量均處于中等以上水平，部分油茶主產區土壤存在Zn含量不足現象，說明貴州油茶主產區土壤微量元素含量狀況良好，但是注意補充鋅肥的施用。

土壤pH是土壤肥力的重要指標之一，影響土壤肥力形成和質量的演變[36]。油茶為喜酸性土壤的樹種，貴州油茶主產區土壤pH呈酸性土壤，少部分土壤呈強酸性和弱酸性，且變異性小，說明土壤的酸度受長期的耕作管理的影響不大，這與前人的研究結果一致[37]。土壤中CEC、SEB和BS含量在一定程度上反映了土壤肥力[38]，不同土壤的CEC和SEB含量不同[39]。本研究表明，不同油茶產區土壤CEC、SEB含量差異顯著，威寧縣、叢江縣和開陽縣產區土壤CEC、SEB含量達到I級水平；所有油茶主產區土壤BS均大于80%，說明貴州油茶主產區土壤對酸的緩沖性能強，土壤養分含量幾乎不受pH值的影響，土壤穩肥能力較強，施入土壤中的肥料不易淋失，能有效供給油茶的生長。

主成分分析可將單個指標的評價轉化為多個指標的綜合評價，通過主成分分析可了解各個主成分的實際意義[40]。本研究中，貴州油茶主產區土壤各養分間表現出良好的正相關關系，表明土壤中一種養分含量的變化會影響其他養分的供應，這與前人的研究結果一致[41]。選取土壤pH、SOC、TN、TP、TK、AN、AP、AK等14個指標進行主成分分析并計算 IFI進行系統聚類分析。結果顯示，可提取6個主成分且集中體現73.42%原始信息，可見采用主成分分析效果較好。綜合各地的區域評價，威寧縣、叢江縣油茶產區土壤綜合肥力土壤肥力狀況處于一般水平，其余產區均處于低肥力水平，在今后需加強水肥管理[2]。貴州油茶主產區土壤肥力水平分布不均勻，可能與各區域施肥管理以及農業活動等行為有關[42]，在土壤肥力水平較差的主產區應加強科學施肥和測土配方施肥以改善土壤的肥力[42]。

土壤肥力綜合評價是土壤肥力高低的評判和鑒定，單一土壤養分不能全面反映土壤綜合肥力狀況[37]。一般生產應用上常用氮、磷、鉀等養分含量的多少衡量土壤肥力的高低[31]。將土壤pH、SOC、TN、TP、TK、AN、AP、AK 等含量狀況作為土壤肥力綜合評價指標，能夠有效反映產區土壤養分狀況[42]。本研究采用修正的內梅羅指數法評價土壤綜合肥力發現，貴州省油茶主產區土壤SOC、TP、TK狀況屬于較豐富等級，土壤TN、AN、AP、AK狀況屬于中等水平，說明貴州油茶主產區土壤供碳、磷、鉀的能力較強，但實際能被油茶吸收利用的部分并不多，應注意增加氮肥的施用，同時適量補充磷肥和鉀肥。通過改進的內梅羅指數法計算出的貴州省油茶主產區土壤綜合肥力系數為2.14，土壤養分狀況處于一般水平，雖然土壤C、TP、TK狀況屬于較豐富等級，但土壤TN、AN、AP、AK狀況屬于中等水平，所以綜合肥力系數為一般偏上[23]。作物在生長發育過程中會受各種環境因子的影響，且土壤間養分的生物學機制十分復雜[37]。本研究計算的土壤肥力綜合指數僅體現土壤的一種潛在肥力，不能代表土壤實際生產能力，更完善的土壤肥力評價還需結合土壤物理、生物學性質及實際生產能力等進行評價[22]。需從樹體營養—土壤養分—產品品質方面進一步深入研究，為制定更好的油茶園養分管理對策提供依據。

4 結 論

貴州不同油茶主產區土壤SOC、TN、TP、TK、AN、AP、AK、Fe、Cu、Mn、Zn、CEC、SEB含量存在一定的差異，且不同土壤養分間表現出顯著的正相關關系，部分產區土壤TN、TP、TK、AN、AP、AK、Zn含量不足，其中磷素含量缺乏嚴重，威寧縣、叢江縣和開陽縣產區土壤保肥供肥能力強。采用主成分分析法分析表明，貴州油茶主產區土壤肥力水平分布不均勻，威寧縣、叢江縣油茶產區土壤肥力處于一般水平，其余產區處于較差和極差水平；土壤肥力處于一般水平的樣本數占總樣本數的20.0%。采用修正的內梅羅指數法評價貴州油茶主產區土壤綜合肥力系數為2.14，土壤狀況處于一般水平，應補施磷肥，同時注重氮、鉀、鋅肥的配合施用。