基于森林气候与土壤类型的广西人工林土壤分区及其肥力演变

石媛媛，赵隽宇，宋贤冲，潘 波，覃其云，邓小军，赵泽洪

（广西壮族自治区林业科学研究院 广西优良用材林资源培育重点实验室 广西林用新型肥料研发中心，广西南宁 530002）

科学保护与利用林地土壤，使之健康、可持续经营与发展，是确保林业高质量发展和实现“绿水青山就是金山银山”的重要手段[1-2]。2018年底，广西人工林面积约853 万hm2，居全国第一位，木材产量约占全国木材产量的45%，是全国为数不多实现人工林面积与蓄积量“双增”的林业大省，为国家木材安全保驾护航[3]。近30年来，在广西林业生产中，施肥多以化肥为主，不重视有机肥的使用，忽视土壤类型、气候类型和肥力水平的差异，过量施用化肥造成林地土壤有机质缺乏，土壤团粒结构受到破坏，出现沙化、酸化、退化、污染和地力持续下降等问题，林地生产力难以维持[4-6]。经调研，现阶段单一的施肥配方已不能满足人工林产业高速发展的需求。需肥量较低的区域施肥过量，会导致土壤养分输入过剩、养分面源污染和河流富营养化等问题；需肥量较高的区域养分输入不足，会限制林木生长，林木质量较差[7-9]。基于以上人工林产业发展过程中出现的问题，在林地土壤环境大数据基础上进行人工林地肥力区划，制定科学的区域化施肥措施迫在眉睫。

农林区划是按农林地域分异规律，科学划分区域，是研究农业地理布局的一种重要科学分类方法[10]。在林业生产领域，林地肥力区划是在林业资源调查的基础上，根据各地不同的土壤类型、森林气候分区类型和土壤养分分布等特点，按照区内相似性、区间差异性和保持一定界线完整性的原则，将土壤划分为若干不同类型和等级的分区，并分析各分区的林地土壤肥力分布特点、布局现状和存在的问题，找到各区的人工林施肥方向及解决问题的途径[11-13]。

基于以上背景，该文在广西土壤类型分布、广西森林气候分区[14]和广西土壤养分分布等数据的基础上，利用GIS 技术和人工智能算法等方法，按照降水、温度、土壤类型和土壤肥力等要素将广西人工林划为不同分区，探讨各区人工林生产施肥中存在的共性问题，提出科学的解决方案，可为充分合理地利用林地资源和自然资源、发挥地区资源优势、调整林业产业结构、制定林业生产发展的远景规划及指导林业生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 人工林分区方法

广西森林地理分布纬向地带性的变化为自南向北从热带林经由南亚热带林过渡至中亚热带林，显域性模式为季雨林-季风常绿阔叶林-典型常绿阔叶林；经向地带性变化出现在南亚热带林，西部亚热带森林从云南向东迁移，止于桂西北山原西部。根据以上特点，将广西森林气候划分为7个区，即中亚热带阔叶林东、中亚热带阔叶林西、南亚热带阔叶林西、南亚热带阔叶林中、南亚热带阔叶林东、北热带季雨林西和北热带季雨林东。综合广西森林气候分区、土壤类型分区和广西人工林分布的特点，以区内森林气候类型[15]相对一致性为主要原则，以区内土壤类型相对一致性为辅，对全区人工林土壤肥力进行划分。广西土壤类型数据由中国科学院南京土壤研究所提供，广西人工林主要土壤类型有红壤、赤红壤和石灰（岩）土。

1.2 气象及行政区划数据

该文使用的气象及行政区划数据均在中国科学院资源科学与数据中心下载。气象数据集是根据气象观测站历史观测数据，利用反向距离加权平均的方法内插计算获得的空间分辨率为500 m ×500 m 的气候指标空间分布数据集，该文使用年均气温、年均降水量和≥10 ℃年积温3 个指标的空间分布数据。

1.3 土样采集及土壤数据

该文使用的林地土壤数据分为历史数据和现状数据。历史数据为广西林地土壤数据库中存储的1983 — 2013年的广西林地土壤数据，共420 个样点，4 360 个养分指标；现状数据为2016 — 2020年近5年间收集到的广西林地土壤数据，共660 个土壤样点，8 300个养分指标。主要肥力评价指标为土壤pH 值和有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量。土壤pH值采用电位法测定，有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定，碱解氮含量采用半微量凯氏定氮法，有效磷含量采用M3 溶液浸提后用全自动间断化学分析仪测定，速效钾含量采用醋酸铵浸提-火焰光度计法测定[16]。评价指标参考全国第二次土壤普查养分分级标准[17]。

2 结果与分析

2.1 不同森林分区气候因子分析

将年均气温、年均降水量和≥10 ℃年积温分级显示，叠加广西森林气候分区分布图（图1～3）。全区年均气温、年均降水量和≥10 ℃年积温呈现从东向西和从南向北降低的趋势。年均气温和≥10 ℃年积温变化趋势相似，均呈现南部较高、北部较低和低海拔区域较高、高海拔区域较低的趋势。森林气象因子分布的经向分界线与年均降水量变化趋势线基本一致；从东向西，中亚热带阔叶林东、南亚热带阔叶林东和北热带季雨林东3个东部区域的年均降水量较高；中亚热带阔叶林西、南亚热带阔叶林中和北热带季雨林西3个中部区域的年均降水量次之；南亚热带阔叶林西区域的年均降水量最少，达到半湿润地带的标准。

图1 年均气温森林气候分区分布Fig.1 Distribution of forest climate zones with annual average temperatures

图2 年均降水量森林气候分区分布Fig.2 Distribution of of forest climate zones with annual average rainfalls

图3 ≥10 ℃年积温森林气候分区分布Fig.3 Distribution of forest climate zones with annual ac⁃cumulated temperature ≥10 ℃

2.2 广西人工林土壤区划

将广西人工林地划分为7 个区，各区命名方式为“气候带+森林类型+主要人工林土壤类型”（图4）。其中，赤红壤有3个分区，分别为北热带季雨林赤红壤西区（赤红壤西区）、北热带季雨林赤红壤东区（赤红壤东区）和南亚热带常绿阔叶林赤红壤区（南亚热带赤红壤区）；红壤有3个分区，分别为半湿润南亚热带常绿阔叶林红壤区（半湿润红壤区）、中亚热带常绿阔叶林红壤西区（红壤西区）和中亚热带常绿阔叶林红壤东区（红壤东区）；另一个分区为南亚热带常绿阔叶林石灰（岩）土区（石灰（岩）土区）。

图4 广西人工林土壤分区Fig.4 Soil division of plantations in Guangxi

2.3 广西人工林土壤养分分布特征

广西人工林土壤pH 均值为4.41，属于强酸性土壤，最小值4.01，最大值6.12，变异系数5.44%，变异小（表1）。土壤有机质含量均值为31.24 g/kg，属于中等水平，最小值15.39 g/kg，最大值48.94 g/kg，变异系数16.17%，变异中等。土壤碱解氮平均含量为137.73 mg/kg，属于较高水平，最小值50.75 mg/kg，最大值282.99 mg/kg，变异系数25.93%，变异较大，分布不均。土壤有效磷平均含量为1.89 mg/kg，最小值0.53 mg/kg，最大值4.13 mg/kg，变异系数13.23%，变异不大。土壤速效钾平均含量为60.65 mg/kg，最小值23.02 mg/kg，最大值206.14 mg/kg，变异系数13.37%，变异不大。

表1 广西人工林土壤养分概况Tab.1 Overviews of soil nutrients of plantations in Guangxi

对近5年土壤的pH 值进行插值分析，获得人工林土壤pH 值分布图（图5）。全区人工林土壤呈酸性，大部分区域pH 值小于5.5，属于强酸性区域；总体来看，桂北和桂西的土壤pH值较高，桂南的pH值较低。对近5年土壤有机质含量进行插值分析，获得人工林土壤有机质含量分布图（图6）。全区大部分人工林土壤有机质含量高于30 g/kg，属于中等水平；从分布情况看，有机质含量较低的区域多集中在桉树种植密集的中南部。对近5年土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量进行插值分析，获得人工林各速效养分含量分布图（图7～9）。全区人工林土壤碱解氮含量为高水平，呈现北部较高和南部较低的特点；全区大部分区域的土壤有效磷含量低于3.00 mg/kg，为很低水平；全区大部分区域的土壤速效钾含量低于90 mg/kg，为低水平。

图5 土壤pH值空间分布Fig.5 Spatial distribution of soil pH value

图6 土壤有机质含量空间分布Fig.6 Spatial distribution of soil organic matter content

图7 土壤碱解氮含量空间分布Fig.7 Spatial distribution of soil alkali-hydrolyzable nitrogen content

图8 土壤有效磷含量空间分布Fig.8 Spatial distribution of soil available phosphorus content

图9 土壤速效钾含量空间分布Fig.9 Spatial distribution of soil available potassium content

2.4 广西人工林土壤区域化肥力评价

按照广西人工林土壤分区分别提取各分区主要土壤养分含量均值，并与同区历史均值进行对比分析（表2）。土壤pH 均值在赤红壤东区最低（4.32），在半湿润红壤区最高（4.69）。土壤有机质平均含量在红壤东区最高（36.93 g/kg），在半湿润红壤区（26.00 g/kg）和赤红壤西区（26.21 g/kg）较低，呈现维度带分布规律。土壤碱解氮平均含量在红壤东区（169.86 mg/kg）和红壤西区（164.85 mg/kg）较高，在赤红壤东区（111.06 mg/kg）和赤红壤西区（105.22 mg/kg）较低，与土壤有机质含量类似，呈现维度带分布规律。土壤有效磷平均含量在赤红壤东区（1.94 mg/kg）和石灰（岩）土区（1.94 mg/kg）较高，在半湿润红壤区最低（1.77 mg/kg）。土壤速效钾平均含量在半湿润红壤区最高（65.22 mg/kg），在赤红壤西区（59.21 mg/kg）和红壤西区（59.57 mg/kg）较低。

表2 广西人工林各土壤分区主要土壤养分含量对比Tab.2 Comparison on main soil nutrient contents in different soil zones of plantations in Guangxi

续表2 Continued

各分区土壤pH 均值均低于历史均值，全区林地土壤酸化有加重现象；其中红壤东区下降幅度最大（17.14%）。各分区土壤有机质平均含量均比历史均值高，其中南亚热带赤红壤区上升幅度最大（59.63%），石灰（岩）土区的上升幅度最小（5.70%）。各分区土壤碱解氮平均含量均比历史均值高，其中南亚热带赤红壤区上升幅度最大（103.89%）。各分区土壤有效磷平均含量均比历史均值高，其中半湿润红壤区和赤红壤西区的上升幅度较大，分别为160.29%和155.41%。除红壤东区外，其他分区的土壤速效钾平均含量均比历史均值高，两个高纬度分区（赤红壤东区和赤红壤西区）的上升幅度较大，分别为106.89%和121.68%。

3 讨论与结论

林地土壤资源区划有利于土地资源的有效利用和产业布局的合理规划[18]。上世纪九十年代，有学者根据气候条件和森林类型分布进行广西森林分区[15]。该文在此基础上，结合土壤类型分布[19-20]，进行广西人工林土壤分区，各分区的气候、土壤和肥力特征较一致，可为统一制定分区内的人工林经营管理和施肥策略提供科学依据。

对比历史数据，广西人工林土壤的pH 值下降，全区人工林土壤pH均值为4.41，呈强酸性。有研究表明，人工林施肥，尤其是铵态氮肥的施入可导致人工林土壤pH 值降低[21]。近5年的人工林土壤有机质含量有一定程度上升，整体水平中等。近5年人工林土壤碱解氮含量增加明显，可能与人工林施肥中氮肥比例较高有关。土壤有效磷和速效钾含量也有不同程度升高，但整体含量水平较低。

赤红壤东区的年均气温、年均降水量和≥10 ℃年积温均最高，土壤pH 值最低，土壤酸性最强，该区高温、高湿、土壤酸化严重、土壤肥力中等。赤红壤西区年均降水量较低，年均气温和≥10 ℃年积温较高，土壤有机质和碱解氮含量较低，该区高温、少雨、土壤肥力较低。南亚热带赤红壤区降水量中等，年均气温和≥10 ℃年积温较高，土壤pH 值较低，有机质和碱解氮含量中等，该区高温、土壤酸化严重、土壤肥力中等。半湿润红壤区年均降水量最低，年均气温和≥10 ℃年积温也较低，土壤pH 值较高，土壤有机质和碱解氮含量较低，该区低温、少雨、土壤酸化较轻、土壤肥力较低。石灰（岩）土区的气候和土壤肥力指标均处于中等水平。红壤东区和西区的年均降水量和年均气温均较低，土壤有机质和碱解氮含量较高，该区低温、土壤肥力较高。王淑彬等[22]研究认为土壤全氮含量与有机质有很强的相关性，有机质是全氮的主要来源。王春燕等[23]研究表明土壤有机碳组分呈现纬度分布格局，气候是主要影响因子。这与本研究中土壤有机质和碱解氮含量的分布规律相似，均呈现高纬度区域比低纬度区域高的规律。土壤有机质和碱解氮含量分布呈现纬度分布格局的另一个原因可能是不同植被类型的影响[24]。桂北人工林的优势树种主要为轮伐期较长的杉木（Cunninghamia lanceolata）和松树（Pinusspp.），桂中南人工林的优势树种主要为短周期的桉树（Eucalyptusspp.）；有学者对不同轮伐期的桉树人工林土壤有机碳含量进行研究，认为不同林龄桉树人工林土壤总碳固存随林龄增长而显著降低[25]；对杉木人工林表层土壤有机质含量的研究表明，不同土壤类型有机质含量差异较大，表现为黄壤>红壤>赤红壤[26]。但未见有研究将桉树和杉木两个优势树种林分的土壤有机质含量进行对比分析，有待进一步研究确认。

本研究对全区人工林土壤进行区划，结合历史数据和近五年的现状数据对土壤肥力进行区域化评价，可为今后各区人工林的营林管理和施肥策略制定提供理论基础。在分区的基础上，各分区人工林土壤肥力量化分级是下一步需要开展的工作，可进一步提升人工林科学施肥水平，促使全区人工林精准施肥和地力提升工作的开展，提高林地生产力和可持续发展能力。