大別山山核桃林地土壤養分特征及肥力評價

姚熠涵，代英超，王衛國，朱先富，陳濤梅，周鑫洋，夏國華＊

(1. 浙江農林大學林業與生物技術學院 浙江省森林芳香植物康養功能研究重點實驗室，浙江 臨安 311300；2. 浙江清涼峰國家級自然保護區管理局，浙江 臨安 311300；3. 杭州市臨安區青山湖國家森林公園管理局，浙江 臨安 311300；4. 金寨縣富東生態農業開發有限公司，安徽 六安 237341)

土壤是植物生長代謝必不可少的物質基礎，其性質與結構受氣候、母質類型、地形、生物、人類活動等因素的影響[1]。土壤肥力是植物與生長環境相協調的產物，由土壤各基本屬性共同反應而成，能供給植物生長所需的各種養分和水分[2-3]，植物生長發育以及果實產量和品質直接受土壤肥力高低影響[4]，因此對土壤肥力的空間異質性和分布規律進行合理分析和客觀評價，才能科學合理地施肥，進一步提高果實的產量及品質。

大別山山核桃（Carya dabieshanensisM. C Liu & Z. J. Li）屬胡桃科（Juglandaceae）山核桃屬（CaryaNutt.），是我國特有干果和木本油料樹種[5]，特產于皖豫鄂三省交界的大別山山區（29～31° N，115～116° E），主要包括安徽金寨縣、霍山縣，湖北羅田縣和河南商城縣等地。前人對大別山山核桃的分類學、堅果表型和油脂組分、遺傳多樣性進行系統研究[6-9]，但對土壤養分的研究較少，缺乏合理有效的施肥方案。研究表明土壤肥力指標能夠反映土壤養分狀況、植物吸收養分能力以及環境對植物的影響，苗慶選[10]等分析了不同生態區核桃林地土壤全氮、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量等肥力特征的差異；楊慧思[11]等探討了氮、磷、鉀等影響山核桃林地土壤肥力的因子；袁紫倩[12]等對山核桃林地土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀等進行主成分分析，探明了影響山核桃品質的土壤主要養分元素。本試驗以大別山山核桃主產區金寨縣、霍山縣、羅田縣的10 個鄉鎮共88 個土壤樣品為研究對象，通過測量土壤pH 值、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀8 個土壤肥力指標，解析土壤肥力狀況，利用模糊數學隸屬函數來計算土壤肥力綜合指數（IFI），綜合客觀評價土壤肥力，以期為大別山山核桃林地土壤高效管理和科學施肥提供依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區域包括安徽金寨縣、霍山縣以及湖北省羅田縣，屬于北亞熱帶濕潤季風氣候，金寨縣年平均氣溫15.6 ℃，極端最高氣溫41.7 ℃，極端最低氣溫-13.9 ℃，無霜期平均228 d，年平均降雨量1 400 mm；霍山縣年平均氣溫15.0 ℃，極端最高氣溫43.0 ℃，極端最低氣溫-17.0 ℃，無霜期平均220 d，年平均降雨量1 366 mm；羅田縣年平均氣溫16.4 ℃，極端最高氣溫41.6 ℃，極端最低氣溫-14.6 ℃，無霜期平均240 d，年平均降雨量1 330 mm。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 樣品采集 土壤樣品采集位置見表1，分別為安徽省金寨縣的吳家店鎮、果子園鄉、古碑鎮、關廟鄉、沙河鄉、燕子河鎮、長嶺鄉、天堂寨鎮，霍山縣的太陽鄉和湖北省羅田縣的九資河鎮。根據大別山山核桃投產林的分布情況確定采樣林分，每個林分根據面積確定采樣數量，在林分中按“S”形路徑布點，采樣深度為0～30 cm，采用四分法去除作物殘體和雜物后留取1 kg 土樣，并記錄采樣位置、日期等信息。土壤樣品帶回實驗室風干、磨碎、過篩后用塑料封口袋密封后置于4 ℃冰箱避光保存備用。

表1 大別山山核桃主產區林地土壤采樣情況Table 1 Soil sampling of forest land in main production area of C. dabieshanensis

1.2.2 測定方法 土壤pH 值采用電位法；有機質含量采用外加熱法；全氮含量采用半微量凱氏法；土壤堿解氮含量采用堿解擴散法；全磷和有效磷含量采用鉬銻抗比色法；土壤全鉀和速效鉀含量采用火焰光度法[13]。

1.3 評價方法

大別山山核桃林地土壤各肥力指標評價分級標準根據第二次全國土壤普查并依據有關資料制定（表2），同時參考前人的研究成果[14-16]，構建林地土壤綜合肥力評價指標體系。

表2 土壤養分分級標準Table 2 Classification standards of soil nutrient status

1.3.1 評價指標權重的確定 不同肥力指標的權重Wi通過pearson 相關分析法確定，公式如下：

1.3.2 評價指標隸屬度的確定 結合實際土壤狀況，確定大別山山核桃林地土壤肥力各評價指標的隸屬度函數拐點的取值（表3）。并計算出各項肥力指標的隸屬度值N。pH 值采用峰值型隸屬度函數，有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀采用戒上型隸屬度函數。

表3 隸屬函數曲線拐點取值Table 3 Value of inflection point of membership function curve

峰值型隸屬度函數：

戒上型隸屬度函數：

其中，x1、x2、x3和x4分別為相應函數的拐點取值。

結合大別山山核桃林地土壤的實際情況，本研究采用等間距法將林區土壤養分狀況分為5 個土壤肥力等級：IFI＞0.80，Ⅰ級，土壤肥力水平高；0.6＜IFI＜0.8，Ⅱ級，土壤肥力水平較高；0.4＜IFI＜0.6，Ⅲ級，土壤肥力水平中等；0.2＜IFI＜0.4，Ⅳ級，土壤肥力水平較低；IFI＜0.2，Ⅴ級，土壤肥力水平低。IFI 取值在0 到1 之間，值越接近1，代表土壤肥力越好。

1.4 數據分析與處理

使用Microsoft Excel 2019 和 SPSS 20.0 軟件系統對樣品數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 土壤養分含量

2.1.1 土壤pH 值 大別山山核桃林地土壤pH 值介于4.34～6.55，平均值為5.19，屬酸性土（表2），變異系數為7.32%（表4）。不同鄉鎮間土壤pH差異不顯著，除JGZY（4.87）和JGB（4.99）外，其余鄉鎮均大于5.0。由圖1 可知，全區強酸性、酸性、弱酸性和中性土壤分別占3.41%、71.60%、23.86%和1.14%，無弱堿性和堿性土壤。

圖1 土壤肥力指標頻率分布圖Fig. 1 Frequency distribution map of soil fertility indicators

表4 大別山山核桃林地土壤pH、有機質和速效養分含量Table 4 pH、organic matter and available nutrient contents of soil of C. dabieshanensis forest

2.1.2 土壤有機質含量 土壤有機質含量介于10.88～121.34 g·kg-1，平均值為53.11 g·kg-1，有機質含量豐富，變異系數為43.87%，屬于中等變異。不同鄉鎮間土壤有機質含量存在顯著差異（P＜0.05），其中以JSH 土壤有機質含量最高，達到67.47 g·kg-1，其次為JCL（64.56 g·kg-1）、JWJD（58.73 g·kg-1）和JGM（58.20 g·kg-1），JYZH 最低（僅為34.33 g·kg-1）。全區有機質主要集中于極豐富水平占比為73.86%，豐富、中等、 缺乏的土壤分別占9.09%、 13.64%和3.41%，無有機質極缺乏、很缺乏土壤（圖1）。

2.1.3 土壤氮素含量 土壤全氮的含量介于0.37～2.16 g·kg-1，均值1.02 g·kg-1，變異系數40.78%，屬于中等變異。不同鄉鎮間土壤全氮含量差異不顯著（P＞0.05），其中以JGB 含量最高，為1.30 g·kg-1，其次是JGZY（1.24 g·kg-1）和JGM（1.22 g·kg-1），JWJD 最低（僅為0.76 g·kg-1）。全區全氮極豐富和豐富水平較少，占比為4.55%和9.09%，中等、缺乏、很缺乏、極缺乏的土壤分別占30.68%、28.41%、21.59%和5.68%。土壤堿解氮含量變化范圍51.18～552.95 mg·kg-1，平均值為179.41 mg·kg-1，堿解氮含量總體較高，變異系數為45.82%，變異水平中等。不同鄉鎮間土壤堿解氮含量存在顯著差異（P＜0.05），其中以JCL含量最高，為274.96 mg·kg-1，其次為JSH（226.70 mg·kg-1）和JGM（206.17 mg·kg-1），均大于200 mg·kg-1；JYZH 最低，僅為JCL 的42.32%。全區土壤堿解氮含量主要分布于極豐富和豐富水平，分別占60.23%和19.32%，無極度缺乏的土壤。

2.1.4 土壤磷素含量 土壤全磷含量介于0.19～2.46 g·kg-1， 均值為0.99 g·kg-1， 變異系數54.37%，屬于中等變異。不同鄉鎮間土壤全磷含量存在顯著差異（P＜0.05），其中以JTTZ 含量最高，為1.40 g·kg-1，其次是JYZH（1.35 g·kg-1）和JGZY（1.26 g·kg-1），JGM 最低，為0.61 g·kg-1。全區全磷主要分布于極豐富水平，占47.73%，其余分別占6.82%（豐富）、14.77%（中等）、19.32%（缺乏）、10.23%（很缺乏）和1.14%（極缺乏）。土壤有效磷含量介于3.03～62.20 mg·kg-1之間，平均為21.30 mg·kg-1，變異系數為70.00%，變異幅度較大。不同鄉鎮間土壤有效磷含量存在顯著差異（P＜0.05），其中以JTTZ 最高，達到36.76 mg·kg-1，JWJD、JSH、JGZY、JGB、JYZH、LJZH 之間含量相近，JCL 含量最低，為9.33 mg·kg-1，僅為JTTZ的25.38%。林區土壤有效磷含量主要集中于豐富和中等水平，均占29.55%，無極度缺乏的土壤。

2.1.5 土壤鉀素含量 土壤全鉀含量介于2.59～16.55 g·kg-1，平均為8.24 g·kg-1，變異系數為32.34%，變異程度中等。不同鄉鎮間土壤全鉀含量差異不顯著（P＞0.05），其中以HTY 最大，達到10.07 g·kg-1，其次是JGB（9.37 g·kg-1）和JGM（9.04 g·kg-1），JGZY 和JYZH 最低，分別為6.91 g·kg-1和6.71 g·kg-1。林區土壤全鉀含量主要分布于很缺乏水平，占比為69.32%，全區無豐富和極豐富水平。土壤速效鉀含量變化范圍25.87～160.52 mg·kg-1之間，平均為71.52 mg·kg-1，變異系數為37.34%，與土壤全鉀變異程度一致。不同鄉鎮間土壤速效鉀含量存在顯著差異（P＜0.05），其中以JGM 最高，達到92.16 mg·kg-1；JGZY 最低，僅為JGM 的51.87%。林區土壤速效鉀含量相對較匱乏，分別占59.09%（缺乏），26.14%（很缺乏），3.41%（極缺乏），10.23%（中等），豐富僅占1.13%。

2.2 各項肥力指標的隸屬度和權重

隸屬度越接近于理想值1，表示土壤肥力越高。由雷達圖（圖2）可知，有機質的平均隸屬度值最高，達0.91；堿解氮次之，為0.88，全鉀的平均隸屬度值最低，僅為0.25，其次為速效鉀，為0.31。根據土壤各養分指標權重（表5）可知，有機質權重值最大，為0.29；其次為速效鉀和有效磷，分別為0.22 和0.20，其中權重低于0.10 的有pH、全磷和全鉀，說明土壤肥力的提高更依賴于有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量的增加。

圖2 土壤肥力指標平均隸屬度雷達圖Fig. 2 Radar map of average affiliation of soil fertility indicators

表5 土壤肥力指標之間的相關系數及指標權重Table 5 Correlation coefficient and weight of soil fertility indicators

2.3 土壤肥力指標相關性分析

相關性分析表明（表5），有機質與全氮呈顯著正相關（P＜0.05），與堿解氮、速效鉀呈極顯著正相關（P＜0.01），全磷與堿解氮呈極顯著負相關（P＜0.01），與有效磷呈極顯著正相關（P＜0.01），堿解氮與有效磷呈極顯著負相關（P＜0.01）， 與速效鉀呈極顯著正相關（P＜0.01），其他指標間相關性均不顯著，其中土壤的pH 具有很好的獨立性。

2.4 土壤肥力質量綜合評價等級

選取土壤pH 值、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀8 個指標對大別山山核桃林地土壤進行肥力綜合評價（表6），10 個鄉鎮的土壤綜合肥力指數（IFI）變幅范圍是0.52～0.72，平均值為0.61，各鄉鎮IFI 由大到小依次為：JTTZ（0.719，Ⅱ級）＞JGM（0.675，Ⅱ級）＞JWJD（0.653，Ⅱ級）＞JSH（0.648，Ⅱ級）＞JGB（0.612，Ⅱ級）＞JCL（0.569，Ⅲ級）＞JGZY（0.566，Ⅲ級）＞HTY（0.555，Ⅲ級）＞JYZH（0.553，Ⅲ級）＞LJZH（0.523，Ⅲ級）。大別山山核桃天然分布區內50.00%的土壤肥力較高，其余處于中等水平，大別山山核桃土壤肥力綜合評價等級為Ⅱ級， 土壤綜合肥力較豐富。

表6 不同地方的土壤肥力等級Table 6 Comprehensive index and evaluation grade of soil fertility

2.5 土壤肥力主成分分析

通過主成分分析對土壤各肥力指標與IFI 之間的載荷情況進行分析（表7），根據特征值大于1 共提取到4 個主成分，方差貢獻率分別為28.20%、23.27%、13.43%和12.49%，累計方差貢獻率為77.39%，基本能反應土壤肥力的基本信息。IFI 與有機質、堿解氮在第一主成分（PC1）上占主要決定因素，載荷值均大于0.70；第二主成分（PC2）中主要決定因子為全磷和有效磷，分別為0.82 和0.90；第三主成分（PC3）pH 的載荷值為0.79，表明土壤酸堿度對肥力的影響；全鉀在第四主成分（PC4）中具有較大載荷，為0.85。

表7 土壤各肥力指標的主成分分析Table 7 Results of principal component analysis of soil fertility indicators

3 討論

土壤pH 值通過影響土壤養分的有效性、微生物的活動及礦物質的轉化來制約植物生長發育[17-19]。一般認為，微酸性至中性的土壤適宜山核桃生長，過高或過低都會對果實的品質產生不利影響[19]。本研究中，大別山山核桃林地土壤pH 平均值為5.19，比2006 年大別山山核桃平田、西園和仙桃三個居群[20]的土壤pH 平均值降低了11.73%，并且相比大別山相近海拔的其他林地[21-22]，大別山山核桃林地土壤酸性更強，10 個鄉鎮中71.60%的土壤為酸性土，其中3.41%的土壤為強酸性。因此不合理的施肥習慣可能是土壤酸化的主導因素，尤其大量施用氮肥，過量的氮肥經過硝化作用產生酸，造成土壤酸化[23]。土壤酸化會限制營養元素的吸收，增加大別山山核桃根腐病和干腐病的致病風險，進而影響果實產量和質量。

有機質是土壤肥沃和健康的重要指標[24]。本研究中大別山山核桃10 個鄉鎮土壤平均有機質含量達1 級（較豐富），土壤有機質含量達豐富以上占82.95%，變異系數為43.87%，大別山山核桃林區總體海拔較高（平均為722 m），人為干擾較少，因此與凋落物分解較慢有關外，同時與林地土壤空間異質性強有關[25]，大別山山核桃通常生長在土層相對深厚山谷和緩坡，這些小地形更易積累較多的地表凋落物層，從而導致較高的有機質含量。土壤有機質含量與全氮、堿解氮、速效鉀呈顯著正相關，這與柳書俊[26]的研究一致，說明在礦化過程中有機質豐富的土壤能釋放大量的營養元素為植物生長提供養分。

全氮、全磷、全鉀是指土壤中各種形態的氮、磷、鉀總量。大別山山核桃地10 個鄉鎮土壤全氮平均水平達3 級，屬中等水平，與重慶核桃主產區相近[27]。堿解氮反映土壤氮的短期供應能力，受氣候、土壤有機質及各種礦質養分元素影響[28]。本研究中，大別山山核桃林地10 個鄉鎮土壤平均堿解氮含量達1 級（較豐富），堿解氮含量達豐富以上占79.55%，其平均含量比臨安區山核桃[29]高出26.20%。在經營中，應注意控制氮肥使用量，避免過量使用引起資源浪費和環境問題，特別是土壤酸化問題[30]；在氮含量相對缺乏區域應注意科學增施氮肥。

本研究中，大別山山核桃林地10 個鄉鎮土壤全磷平均含量達2 級（豐富），其平均含量比貴州核桃[31]高出28.57%。有效磷不僅能反映土壤磷素狀態的動態變化，還能反映土壤對植物的供磷水平[32]。大別山山核桃林地平均土壤有效磷含量為21.30 mg·kg-1，達2 級（豐富），高于臨安區7 個山核桃產區[33]。大別山山核桃林地土壤有效磷水平的空間差異性較大，變異系數為70.00%，在統計學中，10%＜CV＜100%屬于中等變異[34-35]，這與謝林峰[29]對山核桃林地的研究一致。大別山山核桃生產經營中應因地制宜，一般認為土壤中速效磷含量＞25 mg·kg-1，施磷肥無效[36]，而JTTZ 林地有效磷含量達到36.76 mg·kg-1，過量的磷會引發一系列的環境風險，應控制磷肥的使用，以免造成環境污染和不必要的浪費[37]；JGZY 含量僅為9.22 mg·kg-1，應合理增施磷肥。相關性分析表明，土壤堿解氮和全磷、有效磷含量呈極顯著負相關，這與馬閃閃等[38]的研究一致。在高氮條件下，土壤磷有效性降低，氮磷養分比例失調可能會成為影響作物產量和品質的限制因子。

大別山山核桃林地10 個鄉鎮土壤全鉀平均含量為5 級（很缺乏），整體處于偏低水平，土壤缺少鉀素會對植物葉片形態、果實產量和品質等造成嚴重影響[39]。土壤中的速效鉀能提高植物抗逆能力[40]。本研究中，土壤平均速效鉀含量為71.52 mg·kg-1，處于4 級（缺乏），豐富及以上僅占1.13%，這不僅與土壤母巖類型和傳統施肥管理重氮肥輕鉀肥有關，也與在營養轉化過程中，果皮和種仁對鉀的需求量大有關[41]，土壤中的鉀不斷被吸收又得不到相應補充。此外，土壤的酸化也會加劇土壤鉀素的流失[11]。相關分析表明，速效鉀與有機質、堿解氮呈極顯著正相關（P＜0.01），大別山山核桃林地土壤有機質和堿解氮含量豐富，而速效鉀缺乏，應增施鉀肥，土壤中K+的增加也可以替換H+將土壤活性酸轉化成潛性酸，從而提高pH 值，改善大別山山核桃林地土壤條件。

模糊綜合評價法利用隸屬度和權重對相互制約的多因素進行定量評價，使評價更加準確可靠，在土壤肥力評價中應用廣泛[42-43]。大別山山核桃林地土壤綜合肥力處于較高水平，其中JTTZ、JGM 和JWJD 土壤綜合肥力較高；JYZH 和LJZH 土壤綜合肥力相對欠缺。綜合分析各評價指標的權重可以量化表征其對土壤質量的貢獻情況，大別山山核桃土壤中有機質、堿解氮含量對土壤肥力的影響最大。施肥管理中應在保證有機質、堿解氮含量充足的情況下，增施鉀肥，合理增施磷肥，有利于維持土壤肥力。

4 結論

大別山山核桃林區土壤存在一定程度的酸化現象，總體上土壤有機質、氮素、磷素含量豐富，鉀素含量缺乏，因此在生產經營中應合理使用生石灰、土壤改良劑等提高pH 值，注意及時補充鉀肥、控制氮肥、穩定磷肥。不同鄉鎮間土壤肥力差異顯著，采取因地適宜的施肥策略，果子園鄉、古碑鎮、燕子河鎮應針對性的增施有機肥和氮肥；天堂寨鎮應控制磷肥的施用量；長嶺鄉應大量補充磷肥。