南亚热带桉树人工林土壤肥力障碍因子评价

赵隽宇，石媛媛，覃祚玉，潘 波，黄小芮，唐 健*

(1.广西壮族自治区林业科学研究院,广西 南宁 530002；2.广西林用新型肥料研发中心, 广西 南宁 530002)

广西地处我国南方，属热带、亚热带季风气候区，高温多雨，在林业产业经营上具有独特的水热优势[1]。早期林业经营者采取高强度的经营、管理方式[2-3]，导致土壤属性产生剧烈变化，进而形成土壤肥力障碍[4]。研究表明，土壤障碍因子的发生与土地利用方式显著相关，以人工林纯林替代天然林的方式，必然会造成植被多样性下降[5-6]。连栽、除草、施肥等人为扰动因素的增加会加大植被退化程度，加速土壤障碍形成[7]，诸如土壤有机质、全氮、速效磷等养分含量显著下降[8]。在我国南方地区，土壤障碍因子的出现除与这些因素有关外，还与土壤发生过程密切相关[9]。广西短周期人工林主产区土壤类型多以红壤、黄壤以及赤红壤为主，本底呈酸性，黏粒和次生矿物含量高，但风化、淋溶、脱硅富铝化作用强烈，阳离子交换量(CEC)较低，保肥能力差，土壤自然肥力普遍不高[10-11]。另一方面，由于南方林权业主们片面追求高经济产出，长期不合理的开发利用会使林地生态系统中养分循环与平衡失调，加剧了土壤养分贫瘠化及肥力衰减过程[12]，导致林地生产力下降、病虫害问题频发。因此，开展不同土壤类型障碍因子诊断及分区合理利用工作，对消减土壤障碍、提高林地生产力具有重要意义，有利于促进广西人工林的高产高效、生态可持续经营。

前人对我国南方地区土壤障碍因子识别与评价开展了大量研究。蔡泽江等[12]以湖南祁阳典型红壤为研究对象，通过18年长期定位施肥试验研究pH与养分利用效率的关系，认为土壤酸化是制约该区域氮、磷、钾利用效率的主要障碍因子。张玉梅等[13]以2012—2016年的测土配方施肥数据为基础，对锦屏县果园土壤障碍因子进行识别与评价，认为酸化、养分失衡、土壤质地退化是该区域的主要障碍因子。现有土壤肥力障碍因子评价主要集中在高标准基本农田建设[14]、农业可持续经营[15-16]以及土地集约利用[17]等方面，属于行政区域上的定性研究，缺乏针对人工林土壤方面的研究。考虑到人工林土壤空间变异性较大，不同类型土壤障碍因子不尽相同，而障碍度模型是用来全面挖掘影响事物发展的障碍因素的数学模型，对评价目标进行病理诊断，能够厘清和挖掘出对评价目标影响的主要障碍因素[18-19]，故利用该模型对广西不同土壤类型的障碍因素进行诊断识别并进而划分障碍类型区，可为改善经营管理措施、提高林地生产力提供有力的信息支撑。

本文研究以广西亚热带气候区桉树人工林主要种植区的红壤、黄壤以及赤红壤等土壤类型为划分依据，运用基础统计学方法分析不同土壤类型的肥力现状，并采用聚类分析结合主成分分析的方法，从15个土壤肥力指标中筛选出主要障碍因子，同时引入障碍度模型进行土壤肥力障碍因子评价，拟为不同土壤类型下的桉树人工林经营、施肥方式提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西北部的贺州市(北纬23°39′～25°09′，东经111°05′～112°03′)、柳州市(北纬23°54′～26°03′，东经108°32′～110°28′)、来宾市(东经108°24′～110°28′、北纬23°16′～24°29′)，包含广西国有黄冕林场、三门江林场、大桂山林场、维都林场(本文以这些林场桉树人工林主要种植区域为研究对象)。该区域属亚热带季风气候区，整体气候呈现夏长冬短，太阳年总辐射度达4 000～4 200 MJ/m2，年平均气温17.8～19.9 ℃，日均温大于等于10 ℃，年积温5 613～6 468.4 ℃，年降水量1 500～2 047 mm，温度和降水量资源整体表现为由北向南增多的特点。地貌类型以低山、丘陵居多。根据《广西土种志》[20]土壤发生分类原则，将样品分为红壤、黄壤、赤红壤等3大类进行土壤障碍因子评价。红壤为该区域主要土壤类型，面积占比达一半以上，黄壤多分布于丘陵、低山区域(400～800 m)，赤红壤分布区域多集中在北部偏中(北纬22°20′～24°30′)。研究区主要种植的桉树品种为尾叶桉Eucalyptusurophylla、尾巨桉E.urophylla×E.grandis等。林分结构为桉树纯林，普遍为萌芽二代、三代林。造林密度1 500 株/hm2，年施肥量每株500 g，肥料配方氮磷钾比例为mN∶mP∶mK=15∶6∶9。

1.2 土壤样品采集

以Arcgis 10.1进行采样点布设，共计149个采样点，采样点代表面积2 000 hm2。具体采样方法如下：到达采样点位后，避开林道、施肥坑，选择长势均一的林地布设20 m×20 m标准样地；在样地内以“S”型采样法随机挖取5个土壤剖面，剖面深度60 cm，按0～20 cm(A层)、>20～40 cm(B层)分层采集耕层土壤；将不同剖面采集的土壤等量混匀，采用四分法收集1 000 g土壤样品(共计298份)，装入自封袋并做标记后带回实验室。

1.3 土壤样品测定

土壤样品检测指标包括pH、有机质以及全量养分元素(土壤全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾等大量养分元素，有效钙、镁、铁、锰、铜、锌等速效金属元素，土壤有效硼等土壤微量元素)。pH测定采用水浸提液-电位法；有机质测定采用重铬酸钾外加热法；全氮、碱解氮测定采用凯氏定氮法；全钾、有效钾测定采用火焰光度计法；全磷测定采用消解-钼锑抗分光光度法、有效磷测定采用浸提-钼锑抗分光光度法；有效金属元素测定采用M3溶液浸提-原子吸收法；有效硼测定采用甲亚胺-H比色法[21-22]。

1.4 土壤障碍因子诊断模型

土壤障碍因子评价指标的隶属度值由隶属度函数计算。隶属度函数是指所要评价的肥力参数与作物生长效应曲线之间关系的数学表达式，它可以将肥力评价参数标准化，转变成0～1 的无量纲值。具体计算公式为

(1)

式中：x为土壤障碍因子指标；a为函数的最小值；b为函数的最大值。

引入障碍度模型[23]对桂北区域土壤障碍因子进行量化，按照等距法将指标障碍度分为无障碍(0)、轻度障碍(>0～12%)和重度障碍(>12%)3个等级，通过量化结果解释各土壤类型主要障碍因子。模型变量根据式(2)、(3)计算：

Bij=1-Aij,

(2)

(3)

式中：Mij为指标障碍度，Bij为指标偏离度，Vij为因素贡献率，Aij为指标隶属度。

1.5 数据处理及分析

所有数据均在Excel 2010等软件上进行统计处理，在SPSS 19.0上进行K-均值聚类分析、单因素方差分析及Tukey显著性检验和主成分分析，并用Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 土壤基本化学性质状况

研究区域不同土壤类型的pH、有机质和大量元素统计特征见表1，而不同土壤类型不同土层土壤中微量元素统计特征见表2。由表1可见，不同土壤类型、不同土层之间，土壤各养分性质存在显著差异性(P<0.05)。从土壤pH来看，各土壤类型的A、B土层均呈酸性，整体pH变化在(4.16±0.15)～(4.76±0.41)，B层土壤pH值普遍低于A层。从不同土壤类型来看，桂北区域黄壤的土壤酸性相比红壤、赤红壤较强，其A层pH值相比红壤、赤红壤分别降低了1.19%、13.61%；B层pH值相比红壤、赤红壤分别降低了2.88%、10.33%。方差分析结果表明，赤红壤土壤pH显著高于其余2个土壤类型(P<0.05)。桂北区域土壤有机质含量A层、B层平均值分别为32.12、21.10 g·kg-1，整体处于较高水平。赤红壤A、B层土壤有机质含量均低于红壤、黄壤，其平均值分别为23.05、13.01 g·kg-1。红壤、黄壤A层土壤有机质含量分别为37.49、35.83 g·kg-1，显著高于其余2种土壤类型(P<0.05)。黄壤B层土壤有机质含量为27.90 g·kg-1，是3种土壤类型中最高的，相比红壤、赤红壤B层土壤有机质分别提高了22.58%、114.45%，处于较高水平。

表1显示，土壤全量养分元素除全钾含量标准差较大外，全氮、全磷标准差较小，说明含量分布较为平均，速效养分元素标准差普遍较大，说明速效养分元素含量分布差异性较大。从不同土壤类型来看，红壤A层土壤全氮、全钾含量分别为1.67、20.03 g·kg-1，显著高于黄壤、赤红壤(P<0.05)，红壤B层土壤全氮含量为1.23 g·kg-1，与黄壤B层并未表现出显著差异性(P>0.05)，显著高于赤红壤B层土壤(P<0.05)。赤红壤A层土壤全磷含量为0.51 g·kg-1，显著高于其余土壤类型的各土层全磷含量(P<0.05)。红壤A、B层土壤碱解氮含量分别为162.55、125.31 mg·kg-1，均高于其余土壤类型的同一层土壤，但与黄壤A、B层相比并未表现出显著差异性(P>0.05)。赤红壤A、B层土壤有效磷含量分别为16.23、8.16 mg·kg-1，均显著高于其余2种土壤类型(P<0.05)。速效钾含量最大值为赤红壤A层土壤的134.13 mg·kg-1，显著高于其余2种土壤类型(P<0.05)。

表1 桂北区域不同土壤类型pH、有机质和大量元素统计特征(平均值±标准差)

由表2可见，不同土壤类型、不同土层之间，除土壤有效铜、有效硼之外，其余土壤微量元素之间存在显著差异性。赤红壤土壤A、B层有效钙、有效铁含量显著高于其余2个土壤类型(P<0.05)，同时标准差较大，说明含量变异较大，分布极为不平均。赤红壤A层土壤有效镁含量为24.27 mg·kg-1，显著高于其余土壤类型，相比红壤、黄壤的A层土壤分别增加了23.89%、103.44%。黄壤A、B层土壤有效锌含量分别为0.93、0.66 mg·kg-1，A层土壤有效锌含量显著低于其余2种土壤类型(P<0.05)。赤红壤A层土壤有效锰含量为25.40 mg·kg-1，显著高于其余土壤类型，同时其标准差较大，说明含量分布极不平均。

表2 桂北区域不同土壤类型不同土层土壤中微量元素统计特征(平均值±标准差)

2.2 土壤障碍因子评价体系构建

本文将研究区不同类型的表层土壤(0～20 cm)15个化学指标进行K-means聚类分析，结果见图1。由图可见，以组合到聚类中心距离10为界，15个土壤基本化学性质被分为5个组合类型，从上至下，第一类为有效钙、有效镁、pH、有效磷、有效铁、速效钾，表征了土壤酸碱度与微量金属元素的供应能力；第二类为有机质、全氮，为评价土壤保肥、供肥能力的主要因子；第三类为全钾、全磷、碱解氮，主要以保证植物正常生长的大量元素为主，表征了土壤养分的持续供应能力；第四类、第五类分别为有效铜、有效锰、有效硼、有效锌，表征了土壤微量元素的供应能力。这些聚类组合基本表征了各土壤类型中可能存在的土壤肥力限制因子或障碍因子。

图1 研究区土壤基本性质聚类分析

将不同土壤类型的表层土壤(0～20 cm)分别进行主成分分析，并列出特征值大于1时的所有主成分，其累积贡献率均达到75%以上，具体数据见表3。本研究根据各指标的主成分权系数大小，结合聚类分析结果(图1)，进一步筛选主要障碍因子，筛选并评价各土壤类型主要障碍因子。

表3 桂北区域各土壤类型化学性质主成分(Y)分析结果

红壤类型共提取出特征值大于1的主成分4个：第一主成分(Y1)中，正向权系数较高的为全氮、有效硼；第二主成分(Y2)正向指标为pH，是衡量土壤酸化特征的重要指标；第三主成分(Y3)正向指标较高的为全磷；第四主成分(Y4)正向指标较高的为有效磷。黄壤类型共提取出特征值大于1的主成分3个：第一主成分(Y1)正向权系数较高的为全氮、全钾、有效锌；第二主成分(Y2)正向指标为pH、有效磷；第三主成分(Y3)中的指标并未纳入土壤障碍因子评价体系。赤红壤类型共提取出特征值大于1的主成分4个：第一主成分(Y1)中为有效镁；第二主成分(Y2)正向指标较高的为有机质、全钾、有效锌；第三主成分(Y3)提取的障碍因子为有效锰；第四主成分(Y4)各因子载荷值较低并未纳入障碍因子评价体系。因3种土壤类型各评价指标中的负向权系数均未超过0.7，故未将负向指标纳入评价体系。

2.3 土壤障碍因子评价

根据2.2节筛选出的土壤障碍因子评价指标特性，采用S型隶属度函数式计算各指标隶属度值，式(1)中参数a、b的取值根据肥力分级标准(NY/T 309—1996)来确定(表4)。根据式(1)计算研究区各土壤类型的主要障碍因子隶属度，结果如表5所示，其指标权重根据主成分分析公因子方差确定。

表4 桂北区域土壤肥力质量评价参数分级标准和隶属函数中a、b取值

表5 桂北区域各土壤类型主要障碍因子隶属度及其权重

根据各土壤类型主要障碍因子的隶属度及其权重计算其障碍度，结果如表6所示。红壤类型中，除土壤全氮(5.32%)属于轻度障碍外，pH、全磷、有效磷、有效锰、有效硼均属重度障碍因子，其主要障碍因子障碍度由大到小依次为pH(28.20%)、全磷(27.14%)、有效磷(26.31%)、有效硼(24.18%)、有效锰(15.16%)、全氮(5.32%)。黄壤类型中，全钾障碍度为3.01%，属轻度障碍因子，pH(36.53%)、全氮(17.84%)、有效磷(14.71%)、有效锰(15.71%)、有效锌(26.91%)这4个指标均属于重度障碍因子。赤红壤类型中，重度障碍因子有3个，分别是全钾、有效镁、有效锌，其中障碍度最高的因子为有效镁(40.72%);土壤有机质、有效锰障碍度分别为6.59%、6.43%，属轻度障碍因子。

表6 桂北区域各土壤类型土壤主要障碍因子障碍度

3 讨论

本文研究以土壤类型为划分，采用聚类分析结合主成分分析法对土壤肥力因子进行分类降维，将土壤障碍因子归为5大类，筛选结果能基本反映土壤养分的持续供应能力，相比传统的土壤障碍评价主观选取障碍因子的结果[33-34]更为客观。同时，引入的障碍度模型可以使各障碍因子的主次排序更为清晰、直观[35]。由于各土壤类型的地上植被类型并不相同，因此，本次障碍因子评价只针对土壤本身，并未与植物营养需肥规律、林地生长量以及环境因子等数据相结合[13,36-37]，在今后的评价研究中有必要将降雨、气候、立地条件等环境因子加入评价模型，使评价结果与生产经营之间的联系更为紧密。

4 结论

根据中国土壤分类标准对桂北区域人工林土壤进行分类，采用聚类分析结合主成分分析法筛选不同土壤类型的主要障碍因子，并引入障碍度模型定量化研究桂北区域桉树人工林土壤类型的障碍因素，主要结论如下：

1)不同土壤类型的主要障碍因子不同。红壤主要障碍因子共5个，分别是pH、全氮、全磷、有效锰、有效硼；黄壤主要障碍因子共5个，分别是pH、全氮、全钾、有效锰、有效锌；赤红壤主要障碍因子共5个，分别是有机质、全钾、有效镁、有效锰、有效锌。

2)障碍度模型评价结果显示，红壤类型中，pH障碍度最高(28.20%)，土壤全氮为轻度障碍因子；黄壤类型中，pH障碍度最高(36.53%)，全钾为轻度障碍因子；赤红壤类型中，重度障碍因子有3个，分别是全钾、有效镁、有效锌。障碍度最高的因子为有效镁(40.72%)，轻度障碍因子为有机质、有效锰。

林地管理者及林权业主对于红壤、黄壤等土壤pH障碍较为严重的区域，应采取增施有机肥、保留采伐剩余物等措施，减少土壤扰动。而赤红壤区域应增加肥料配方中微量元素的供应并配合施用有机肥，提升土壤的保肥保水能力。