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不同土壤類型條件下板栗品質評價與研究

2023-04-29 00:00:00張博郭素娟
果樹學報 2023年9期

摘" " 要:【目的】對不同土壤類型條件下栽植的板栗品質進行綜合評價,為高品質板栗的栽培、施肥與合理引種提供理論參考。【方法】以棕壤、褐土、黃褐土、黃棕壤、黃壤、紅壤6種不同類型土壤條件栽培的板栗為對象,分析堅果品質與土壤養分的相關關系,通過主成分分析法對板栗單粒質量、含水量、支鏈淀粉/總淀粉比值以及可溶性糖、蛋白質、脂肪、總酚含量進行綜合評價。【結果】(1)不同土壤類型pH、有機質和礦質養分含量變異系數范圍為8.60%(pH)~48.35%(全磷),有機質含量與全氮、全鉀含量呈極顯著正相關(p<0.01),與速效鉀含量呈顯著正相關(p<0.05);pH與速效鉀含量呈顯著正相關(p<0.05);全氮含量與全鉀含量呈顯著正相關(p<0.05),與有效鐵含量呈顯著負相關(p<0.05);有效鋅含量與有效磷、有效鉀含量呈顯著負相關(p<0.05)。(2)不同土壤類型條件下各板栗品質指標變異系數范圍為5.99%(含水量)~26.32%(可溶性糖含量),堅果單粒質量與有效錳含量呈極顯著正相關(p<0.01);速效鉀含量與可溶性糖含量呈顯著正相關(p<0.05),與支鏈淀粉/總淀粉呈極顯著正相關(p<0.01),pH與脂肪含量呈極顯著正相關(p<0.01),與蛋白質含量呈顯著負相關(p<0.05),總酚含量與全氮含量呈顯著正相關(p<0.05)。(3)棕壤條件下板栗的甜糯、耐貯藏品質最好,黃壤最差,褐土條件下板栗營養品質最好,紅壤最差,綜合評價結果表明棕壤條件下板栗綜合品質最好,其后依次為褐土、黃褐土、紅壤、黃棕壤、黃壤。【結論】棕壤條件下板栗品質最好,可溶性糖含量、支鏈淀粉/總淀粉、單粒質量、含水量、脂肪含量、蛋白質含量可作為主成分分析的指標來評價板栗綜合品質。

關鍵詞:板栗;土壤類型;果實品質;主成分分析

中圖分類號:S664.2 文獻標志碼:A 文章編號:1009-9980(2023)09-1904-11

收稿日期:2023-02-09 接受日期:2023-05-29

基金項目:國家重點研發計劃(2019YFD1001604);林業與草原科技成果國家級推廣項目(2020133118)

作者簡介:張博文,女,在讀碩士研究生,主要從事經濟林(果樹)培育與利用研究工作。Tel:18730277950,E-mail:zbw222lyy@163.com

*通信作者Author for correspondence. Tel:18801376443,E-mail:gwangzs@263.net

Evaluation and research on chestnut quality under different soil conditions

ZHANG Bowen, GUO Sujuan*

(The Ministry of Education Key Laboratory of Forest Cultivation and Protection, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

Abstract: 【Objective】 To analyze the relationship between chestnut quality and soil nutrients of different soil types, the key soil factors for chestnut quality formation were screened, and the comprehensive quality of chestnut under different soil conditions was evaluated by the principal component analysis. 【Methods】 Six soil types included brown soil, cinnamon soil, yellow cinnamon soil, yellow brown soil, yellow soil and red soil. The organic matter, pH value, total nitrogen, total phosphorus, total potassium, hydrolytic nitrogen, available phosphorus, available potassium, available iron, available zinc and available manganese contents in different soil types were determined. The differences in soil nutrients and chestnut quality under different soil conditions were analyzed by single factor analysis of variance. Correlation analysis was used to explore the effects of these soil nutrient factors on the chestnut quality (water content, single grain weight, amylopectin/total starch, soluble sugar, protein, fat and total phenol contents). The comprehensive quality of chestnut was evaluated based on the principal component analysis. 【Results】 (1)The nutrient contents of different types of soil varied greatly and the coefficient of variation of pH value, organic matter and mineral elements content ranged from 8.60% (pH) to 48.35% (total phosphorus), and the contents of organic matter, total potassium, alkali- hydrolytic nitrogen and available phosphorus of brown soil were the largest. The pH and contents of total nitrogen and available potassium of cinnamon soil were the largest. The total phosphorus content of yellow cinnamon soil was the largest; The contents of available zinc and available manganese of yellow soil were the largest; The available iron content of red soil was the largest. Organic matter content was positively correlated with total nitrogen and potassium (p<0.01) and available potassium (p<0.05). There was a significant positive correlation between pH and available potassium (p<0.05). Total nitrogen content was positively correlated with total potassium (p<0.05) and negatively correlated with available iron (p<0.05). Available zinc content was negatively correlated with available phosphorus and available potassium (p<0.05). (2) Under different soil conditions, the variation coefficient of each chestnut quality index ranged from 5.99% (water content) to 26.32% (soluble sugar). The single grain weight on yellow soil (10.73 g) was significantly higher than that on other soils. The water content was the highest on yellow soil (47.31%), which was significantly higher than that on other soils. Soluble sugar content was the highest on brown soil (19.52%) and significantly higher than that on other soils. The ratio of amylopectin to total starch ranged from 0.44 to 0.60, and there was no significant difference between brown soil and cinnamon soil, and there was no significant difference among other soil types. The protein content was the highest on yellow soil (8.50%), the fat content on cinnamon soil was the largest and significantly higher than that on other soil types (2.22%), the total phenol content was the highest on cinnamon soil (2.21 mg·g-1). The single grain weight was positively correlated with the available manganese content. Available potassium content was positively correlated with soluble sugar content and amylopectin/total starch content. pH value was positively correlated with fat content and negatively correlated with protein content, and total phenol content was positively correlated with total nitrogen content. (3) Principal component analysis showed that the eigenvalues of the first three principal components were all greater than 1, and the cumulative variance contribution rate reached 96.70%, which can reflect most of the information of chestnut quality indicators. Among them, the variance contribution rate of first principal component was 46.94%, the soluble sugar (0.96) and amylopectin/total starch contents (0.91) with larger eigenvectors were classified as sweet and waxy quality of chestnut, and the second principal component eigenvector was protein (0.86) and fat (0.96), and it belonged to the storage quality of chestnut. The third principal component feature vectors, which were classified as the nutritional quality of chestnut. The sweet glutinous and storable quality of chestnut on brown soil was the best, while that on yellow soil was the worst. The nutritional quality of chestnut on brown soil was the best and that on red soil was the worst. Protein (0.86) and fat (0.96) were the third principal component feature vectors, which were classified as the nutritional quality of chestnut. The evaluation results showed that the comprehensive quality of chestnut on brown soil was the best, followed by brown soil, yellow cinnamon soil, red soil, yellow brown soil and yellow soil. 【Conclusion】 The sweet and waxy quality of chestnut nuts was the best on brown soil and the worst on yellow soil. The storage quality of chestnut nuts was the best on brown soil and the worst on yellow soil. The nutritional quality of chestnut was the best on cinnamon soil, but the worst on red soil. The comprehensive score ranking results showed that the comprehensive quality of chestnut was the best on brown soil, followed by cinnamon soil, yellow cinnamon soil, red soil, yellow brown soil and yellow soil. Soluble sugar, amylopectin/total starch, single grain weight, water content, fat and protein content can be used as the indexes of principal component analysis to evaluate the comprehensive quality of chestnut.

Key words: Chestnut; Soil type; Nut quality; Principal component analysis

板栗(Castanea mollissima Blume)屬于殼斗科(Fagacea)栗屬(Castanea Mill.),富含可溶性糖、淀粉、蛋白質、脂肪等,是我國重要的木本糧食樹種之一[1]。我國生產的板栗甜度高,澀皮易剝,品質優良,作為炒食加工型產品,深受消費者喜愛,市場前景廣闊[2]。板栗適應性強,兼具較高的生態與經濟價值[3],我國22個省、自治區和直轄市都將板栗作為一種重要的經濟作物進行種植[4]。

土壤作為果樹栽培基本的生存基礎,其養分含量的多少直接影響著果樹的生長[5],良好的土壤能滿足果樹對水、肥的需求,從而提高果實品質[6]。關于板栗品質與土壤養分因子關系的研究,劉超良等[7]以4個都是黃棕壤土類的采樣區為研究對象,通過研究土壤地球化學元素與板栗品質間的關系得出,土壤有機質、pH、全氮、有效鋅、有效錳與板栗品質呈正相關關系;李隨民等[8]通過對生長于褐土條件下的板栗果實品質與環境因子的相關分析,進行了板栗種植的適應性評價;劉楊等[9]在取樣點均為褐土的條件下,提出板栗的優質高產需要大量營養元素氮磷鉀的合理供應。王衛星等[10]通過對天津板栗立地背景與品質分析得出,褐土條件下有機質的增加有利于板栗品質的提高。前人的研究大多基于同一土壤類型條件,而板栗分布區的栽培立地土壤類型多樣,不同土壤類型因成因等的不同,其土壤養分因子也會有所差異[11],不同土壤類型條件下的土壤對板栗品質的影響目前仍不清楚。

關于板栗品質的評價,劉艷等[12]采用等距分級法對21個板栗品種進行了品質評價,周家華等[13]采用模糊數學法對16個板栗品種的營養成分進行了評價,朱燦燦等[14]進行了不同板栗品種農藝性狀的綜合評價,路超等[15]采用因子分析法對16份不同板栗種質的堅果品質進行了評價。前人的研究大多集中于對不同板栗品種品質的單一評價,并沒有考慮不同土壤類型條件下板栗品質性狀的差異。基于此,筆者在本文中以生長于5種不同土壤類型條件下的燕山早豐為研究對象,分析不同土壤類型養分特征與板栗品質性狀的關系,基于主成分分析法對板栗單粒質量、含水量、支鏈淀粉/總淀粉比值,以及可溶性糖、蛋白質、脂肪、總酚含量進行綜合評價,以期為高品質板栗的栽培、施肥與合理引種提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地點

以來自河北遷西、天津薊州、山東乳山、河南信陽、浙江金華、云南易門6個板栗栽培區(縣)的燕山早豐板栗園為試驗對象,各土壤類型板栗園分布狀況如表1。

1.2 試驗設計

在每個燕山早豐栽培區域選取3個地勢地形和栽培管理水平相近的板栗園,每個板栗園隨機選取生長一致、健康無病蟲害的板栗樹10株,在成熟期于樹冠外圍采集東、南、西、北四個方向的板栗堅果邊果(板栗堅果形狀與各指標性狀皆以邊果為標準[4])20粒,帶回實驗室置于低溫低濕種子柜(ZD-1000FC)貯藏(0~2 ℃),貯藏1個月后分別測定板栗品質指標;采集果樣的同時,在每株板栗樹東、南、西、北的4個方位對角線上多點采集0~40 cm(前人研究認為0~40 cm是板栗根系吸收土壤水分與養分的主要區域[16-17])土層的土壤,記錄土壤類型(表1),土壤類型的確定參考《中國土壤》的標準[18]。將每株板栗樹土樣混合均勻,按四分法分取1 kg左右土樣帶回實驗室自然風干,棄去植物殘體后過2 mm篩,用于后續土壤指標的測定。

1.3 各項指標測定

1.3.1" " 板栗品質指標的測定" " 含水量:參照GB/T 5009.3—2003《食品中水分的測定》進行。隨機選取混合均勻后的堅果邊果30粒,測定帶殼堅果單粒質量后置于烘箱中先105 ℃殺青0.5 h,再80 ℃烘干48 h,將烘干后的樣品剝殼后用粉碎機將栗仁進行粉碎后過100目篩,保存于自封袋中作為堅果品質指標待測樣品,所有指標均3次重復。

脂肪含量采用索氏抽提法,參照GB/T 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》進行測定;蛋白質含量采用凱氏定氮法測定;可溶性糖含量采用蒽酮硫酸比色法測定;支鏈淀粉含量采用雙波長分光光度法測定;總淀粉含量采用紫外-分光光度法測定,總酚含量采用福林酚比色法進行測定[19-22]。

1.3.2" " 土壤養分含量的測定" " 土壤養分含量參照鮑士旦[23]的方法進行測定,有機質含量采用K2Cr2O7?H2SO4氧化法測定;pH采用電極法測定;全氮、全磷含量使用Smart Chem 450全自動間斷化學分析儀測定;全鉀含量采用火焰光度計法測定;堿解氮含量采用NaOH堿解擴散法測定;有效磷含量采用鉬銻抗比色法測定;速效鉀含量采用醋酸銨浸提火焰光度法測定,有效鐵、有效鋅、有效錳含量采用DTPA溶液浸提-原子吸收分光光度法測定。

1.4 數據處理

使用Excel 2010進行數據統計,采用SPSS Statistics 24進行方差分析以及主成分分析,利用Origin 2022作圖。

2 結果與分析

2.1 不同土壤類型的差異分析

板栗主產地各土壤類型的營養水平明顯不同,不同土壤類型各指標差異顯著(p<0.05)(表2)。6個土壤類型的有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效鐵、有效鋅、有效錳的平均含量(w,后同)分別為14.32 g·kg-1、0.72 g·kg-1、0.85 g·kg-1、18.00 g·kg-1、61.41 mg·g-1、11.75 mg·g-1、105.64 mg·g-1、18.97 mg·g-1、0.88 mg·g-1、26.81 mg·g-1,pH值在5.4~6.9之間,各指標變異系數范圍為8.60%(pH)~48.35%(全磷)。棕壤的有機質、全鉀、堿解氮、有效磷含量最高;褐土的pH、全氮、速效鉀含量最高;黃褐土的全磷含量最高;黃壤的有效鋅、有效錳含量最高;紅壤的有效鐵含量最高。主成分分析結果顯示(圖1),各土壤類型的營養特征差異較大,說明燕山早豐對土壤的適應性較強,進一步相關性分析可知(圖2),有機質含量與全氮、全鉀含量呈極顯著正相關(p<0.01),與速效鉀含量呈顯著正相關(p<0.05);pH與速效鉀含量呈顯著正相關(p<0.05);全氮含量與全鉀含量呈顯著正相關(p<0.05),與有效鐵含量呈顯著負相關(p<0.05);有效鋅含量與有效磷、有效鉀含量呈顯著負相關(p<0.05)。

2.2 不同土壤類型條件下板栗品質性狀的差異分析

對不同土壤類型條件下板栗品質進行差異分析(表3)可知,不同土壤類型條件下板栗品質存在顯著差異(p<0.05),單粒質量平均值為9.57 g,黃壤條件下單粒質量(10.73 g)顯著高于其他土壤類型,褐土條件下單粒質量最小(8.44 g);含水量在黃壤條件下最高(47.31%),且顯著高于其他土壤類型,棕壤(40.31%)與褐土(40.43%)條件下含水量差異不顯著且含量較低;可溶性糖含量在棕壤條件下最高(19.52%)且顯著高于其他土壤類型,在黃壤條件下含量最低(9.72%);支鏈淀粉/總淀粉比值范圍在0.44~0.60之間,棕壤與褐土條件下差異不顯著,其他各土壤條件下差異不顯著;蛋白質含量在黃壤條件下最高(8.50%),在黃褐土條件下最低(6.36%);脂肪含量在褐土條件下最高且顯著高于其他土壤類型(2.22%),在黃壤條件下最低(1.30%);總酚含量在褐土條件下最高(2.21 mg·g-1),在黃棕壤條件下最低且顯著低于其他土壤類型(1.06 mg·g-1)。各板栗品質指標變異系數范圍為5.99%(含水量)~26.32%(可溶性糖含量),表明可溶性糖含量離散程度最大,遺傳穩定性較弱,而堅果含水量在不同土壤條件下遺傳穩定性較好。

2.3 不同土壤類型條件下板栗品質性狀與土壤因子相關性分析

對不同土壤類型條件下板栗品質性狀指標與環境因子進行皮爾森相關性分析可知(圖4),堅果單粒質量與有效錳含量呈極顯著正相關;可溶性糖含量與速效鉀含量呈顯著正相關,與有效錳含量呈顯著負相關;支鏈淀粉/總淀粉與速效鉀含量呈極顯著正相關;總酚含量與全氮含量呈顯著正相關;蛋白質含量與pH呈顯著負相關;脂肪含量與pH呈極顯著正相關。不同土壤類型條件下板栗品質指標與土壤因子呈現不同程度的相關性,表明板栗品質的形成與土壤因子相關。

2.4 不同土壤類型條件下板栗品質的評價

對不同土壤類型條件下板栗品質指標標準化處理后進行主成分分析,結果可知(表4):前3個主成分的特征值均大于1,累積方差貢獻率達到96.70%,能夠反映板栗品質指標的絕大部分信息,因此前3個主成分可以代替原來板栗品質評價指標,從而對不同土壤類型條件下的板栗品質進行評價。其中第1主成分的方差貢獻率為46.94%,特征向量較大的為可溶性糖含量(0.96)、支鏈淀粉/總淀粉(0.91),特征向量絕對值的大小可以反映其在主成分中的重要程度[24],說明第一主成分可歸為板栗的甜、糯品質,得分越高,甜糯品質越好。第2主成分特征向量較大的為單粒質量(0.90)與含水量(0.89),歸為板栗的耐貯藏品質,而單粒質量與含水量與板栗的品質呈負相關,所以得分越低,耐貯藏品質越好。第3主成分特征向量較大的為蛋白質含量(0.86)與脂肪含量(0.96),歸為板栗的營養品質,得分越高,營養品質越好。

根據表4中的特征向量和各指標的權重系數,可以得到3個主成分的函數表達式:

F1=-0.25x1+0.47x2+0.44x3+0.25x4-0.07x5+0.11x6-0.14x7;

F2=0.24x1-0.05x2-0.07x3-0.12x4+0.08x5-0.03

x6+0.24x7;

F3=-0.08x1+0.01x2+0.07x3+0.07x4+0.21x5+0.23x6-0.06x7。

式中,x1~x7分別表示單粒質量、可溶性糖、支鏈淀粉/總淀粉、總酚、蛋白質、脂肪、含水量的標準化數值,計算各土壤類型條件下的各主成分得分(表5)。將3個主成分以及各主成分對應的方差貢獻率的比重作為權重,得到綜合評價函數:F=0.49F1-0.27F2+0.24F3。根據綜合評價函數,計算不同土壤類型條件下板栗品質評價綜合得分,分數越高表示綜合品質越好,結果如表5所示。F1的排名為棕壤>褐土>黃褐土>紅壤>黃棕壤>黃壤,可知棕壤條件下板栗堅果的甜糯品質最好,黃壤條件下最差;F2的排名為棕壤>褐土>紅壤>黃褐土>黃棕壤>黃壤,可知棕壤條件下板栗堅果的耐貯藏品質最好,黃壤條件下最差;F3的排名為褐土>棕壤>黃棕壤>黃褐土>黃壤>紅壤,在褐土條件下板栗的營養品質最好,而紅壤條件下最差。綜合得分排序結果表示棕壤條件下板栗綜合品質最好,其后依次為褐土、黃褐土、紅壤、黃棕壤、黃壤。

3 討 論

板栗栽培立地土壤類型豐富且養分特征差異較大,不同類型土壤pH值、有機質和礦質元素含量的變異系數最小為pH(8.60%),表明燕山早豐適宜生長的土壤pH較穩定,都為微酸性土壤,這與劉超良等[7]、李隨民等[8]的研究一致。不同土壤類型養分間的相關性分析結果表明,有機質含量與全氮、全鉀含量呈極顯著正相關(p<0.01),與速效鉀含量呈顯著正相關(p<0.05),說明增加土壤有機質含量對提高土壤的氮、鉀等營養元素含量具有積極作用,從而可以提高板栗品質,與劉超良等[7]的研究結果相似。而pH與速效鉀含量呈顯著正相關(p<0.05),表明適宜的土壤酸堿度可以使土壤中微量元素的有效態含量增加,尤其是鉀元素。全氮含量與全鉀含量呈顯著正相關(p<0.05),與有效鐵含量呈顯著負相關(p<0.05),有效鋅含量與有效磷、有效鉀含量呈顯著負相關(p<0.05),說明土壤微量元素間存在協同作用,各營養元素間既相互作用,又共同影響果實品質,與前人的研究結果一致[9]。

在本研究中對土壤養分與板栗品質指標相關性分析的結果也表明,速效鉀含量與可溶性糖含量呈顯著正相關,與支鏈淀粉/總淀粉呈極顯著正相關,與萬盛等[25]、高疆生等[26]研究結果一致,說明增施鉀肥可以提高板栗的甜糯品質。有學者認為pH值是與板栗品質關系最密切的一個因素,土壤pH越接近適宜范圍,板栗品質越好[27]。本研究中pH與脂肪含量呈極顯著正相關,說明適宜的pH可以提高果實脂肪含量從而提高板栗品質,而pH與蛋白質含量呈負相關,考慮可能是pH不在適宜范圍時對蛋白質含量影響較大,從而呈現出負相關。具體的調控機制還有待進一步研究。總酚含量與全氮含量呈顯著正相關,土壤氮元素對堅果總酚的調節機制目前尚不清楚,考慮到全氮含量與有機質含量呈極顯著正相關,可能是土壤有機質含量增加提高了土壤各養分含量從而導致了總酚含量的提高,與程軍等[28]的研究結果相似。

不同土壤類型條件下板栗品質的主成分分析結果表明,第1主成分特征向量較大的指標為可溶性糖含量與支鏈淀粉/總淀粉比值。可溶性糖含量是評價板栗堅果甜度的重要指標[12,15],支鏈淀粉/總淀粉比值與板栗堅果糯性呈極顯著正相關[29],第1主成分為板栗的甜、糯品質,得分越高,甜糯品質越好。第2主成分特征向量較大的為單粒質量與含水量,單粒質量一方面是衡量板栗產量的重要指標,另一方面Khadivi等[30]研究得出果實越大,耐貯藏性越弱,林建城等[31]分析得出枇杷果實大小與耐貯性呈顯著負相關,含水量越小,耐貯藏性越強[32],因此第2主成分歸為板栗的耐貯藏品質,得分越高,耐貯藏品質越弱;第3主成分特征向量較大的為蛋白質含量與脂肪含量,蛋白質含量與脂肪含量為板栗典型的營養指標[15],將第3主成分歸為板栗的營養品質,得分越高,營養品質越好。第1主成分得分最高的為棕壤,最低為黃壤,說明棕壤條件下板栗的甜糯品質最好,黃壤最差;第2主成分得分最高的為棕壤,最低為黃壤,說明棕壤條件下不僅甜糯品質好,耐貯藏性也較好,第3主成分得分最高的為褐土,最低為紅壤,可知褐土條件下營養品質最好,紅壤最差。綜合得分排序結果表明棕壤條件下板栗綜合品質最好,其后依次為褐土、黃褐土、紅壤、黃棕壤、黃壤。本研究中棕壤的有機質、全鉀、堿解氮、有效磷含量皆為最高,可能是豐富的土壤養分含量促進了板栗品質的形成,而黃壤的堿解氮、速效鉀含量最低,可能是氮、鉀含量的缺乏導致黃壤條件下板栗品質較差。李隨民等[8]通過建立生態地球化學環境因素與板栗之間的配比模型,劃分的板栗種植優質區土壤類型大多為棕壤,與本研究結果相似。馬麟英[33]通過對不同立地類型(黃壤與紅壤)土壤有機質含量對板栗初生長的影響,有機質含量較高的土壤類型條件下板栗各項生長量也較高,板栗品質較好,與本研究結果相似。

本研究中不同土壤類型分布于不同地區,立地和氣候等生態因子存在差異,這也可能會對板栗的品質形成產生影響,但我國土壤類型豐富,土壤類型垂直與水平方向上分布存在一般規律,可能與生態因子相關,但生態因子和土壤條件對板栗品質形成的交互作用仍不清楚,需要進一步研究,此外,土壤經營管理措施也會一定程度上影響土壤養分含量,因此,今后的研究還需進一步明確各土壤類型養分特征對生態因子以及不同經營管理水平的響應規律,從而為指導板栗園高效養分管理提供理論依據。

4 結 論

不同土壤類型條件下板栗品質差異較大,其中可溶性糖、總酚、脂肪含量和支鏈/總淀粉的變異系數相對較大,棕壤條件下板栗的甜糯品質、耐貯藏品質最好,黃壤條件下最差,褐土條件下營養品質最好,紅壤最差,綜合得分排序結果表明棕壤條件下板栗綜合品質最好,其后依次為褐土、黃褐土、紅壤、黃棕壤、黃壤。

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