郝振幫 林麗麗 劉健 余坤勇 俞欣妍

(3S技術(shù)與資源優(yōu)化利用福建省高等學(xué)校重點實驗室(福建農(nóng)林大學(xué))，福州，350002)

土壤是林木生長的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是實現(xiàn)森林質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的重要保障。其肥力值高低直接影響林木的生產(chǎn)和發(fā)展。由于土壤肥力無法直接測定，只能通過間接測定土壤肥力評價指標(biāo)來衡量其高低[1]。相關(guān)研究表明，土壤理化性質(zhì)是土壤性質(zhì)的重要組成部分，也是評價土壤肥力的重要指標(biāo)[2-3]。常用的土壤評價指標(biāo)有全氮、有機質(zhì)、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值等[4-5]。這些指標(biāo)能夠較好地反應(yīng)土壤的肥力程度且易于調(diào)查[6-7]。目前，關(guān)于土壤理化性質(zhì)的統(tǒng)計分析和土壤肥力的研究已有較多報道，如邵國棟等[8]對昆崳山不同林分類型土壤質(zhì)量進行評價，樊星火等[9]探討了江西省不同林分生態(tài)公益林的土壤肥力狀況，Tang et al.[10]對永安市毛竹林地的土壤氮、磷、鉀的空間分布進行探討。但多數(shù)研究主要集中于土壤肥力狀況的評價和個別土壤指標(biāo)的空間異質(zhì)性分析[11-12]，較少結(jié)合空間分布特征對土壤肥力的評價研究。當(dāng)前地統(tǒng)計學(xué)與ArcGIS結(jié)合的分析方法在土壤科學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。為此，采用該方法可以實現(xiàn)土壤肥力的空間插值預(yù)測，有利于探討土壤肥力相關(guān)指標(biāo)的空間分布特征。

毛竹(Phyllostachysheterocycla‘Pubescens’)是我國南方竹類資源中分布廣、產(chǎn)量高、綜合效益較好的經(jīng)濟林種。近年來，由于追求毛竹的經(jīng)濟效益，過度采筍挖竹、不合理的施肥等經(jīng)營措施造成毛竹林地土壤酸化、肥力下降等一系列問題[13-14]。因此，獲取土壤肥力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，了解其土壤肥力的空間分布情況，對于合理施肥和科學(xué)管理尤為重要。福建省順昌縣作為南方典型毛竹經(jīng)營區(qū)，竹林面積占有林地面積的21.20%，是“全國十大竹子之鄉(xiāng)”之一。文中以順昌縣大干鎮(zhèn)為研究區(qū)域，通過開展毛竹林地的土壤肥力調(diào)查，分析主要化學(xué)指標(biāo)、物理指標(biāo)的變化及土壤肥力的空間分布，旨在探討毛竹典型經(jīng)營區(qū)的土壤肥力現(xiàn)狀；土壤肥力相關(guān)指標(biāo)的空間分布差異及豐缺情況；基于提高毛竹林地土壤肥力的建議。以期為提高福建省重點毛竹資源產(chǎn)區(qū)土壤肥力提供管理技術(shù)與指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處順昌縣西北部的大干鎮(zhèn)(117°30′～118°14′E，26°39′～29°12′N)，總面積106.332 km2，涉及武坊村、土壟村、干山村、良坊村、余富村及1個鄉(xiāng)林場。區(qū)域氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫16.3 ℃，全年無霜期286 d，年均降水量1 752 mm。地貌以山地丘陵為主，海拔為112～1 295 m，土壤類型多為紅壤、黃壤。主要優(yōu)勢樹種有毛竹、杉木(Cunninghamialanceolata)等。

2 研究方法

2.1 土壤數(shù)據(jù)采集與處理

2.1.1 樣地設(shè)置及土壤數(shù)據(jù)采集

基于研究區(qū)竹林小班圖，提取毛竹純林面積28.885 km2(圖1)。采用網(wǎng)格法，將網(wǎng)格交叉點落在小班圖上的位置作為采樣點。于2016年7月份在研究區(qū)利用樣圓串調(diào)查法(半徑為3.26 m的樣圓串，包含3個相切的樣圓)共設(shè)置59個采樣點(圖1)，并采用兩臺GPS進行坐標(biāo)定位。同時開展取土工作，每個采樣點挖1個60 cm深的土壤剖面，分3層(0≤H(土壤深)<20 cm、20 cm≤H<40 cm、40 cm≤H<60 cm)進行環(huán)刀和混合土樣采集。

圖1 研究區(qū)毛竹純林及采樣點分布圖

2.1.2 土壤數(shù)據(jù)測定方法與數(shù)據(jù)處理

土壤樣品用于測定化學(xué)指標(biāo)和物理指標(biāo)。經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干、去除雜質(zhì)，磨細(xì)過2.00、1.00、0.25 mm的土壤篩，用于測定化學(xué)指標(biāo)。其中水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用堿解-擴散法進行測定；有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀容量法測定；全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用堿熔-火焰光度法測定；全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用堿溶-鉬銻抗比色法測定；全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用VARIO MAX碳氮元素分析儀測定；pH值采用浸提法測定。土壤物理指標(biāo)利用環(huán)刀法測定，包括土壤含水量、毛管持水量、田間持水量和土壤密度。

為保證數(shù)據(jù)符合半方差函數(shù)分析的要求，研究采用SPSS 21.0對樣本數(shù)據(jù)中超出均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常值進行剔除，并將采樣點3層的平均值作為相應(yīng)指標(biāo)全剖面的數(shù)值。進而統(tǒng)計各土壤指標(biāo)的最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和正態(tài)分布情況。

2.2 土壤肥力評價

2.2.1 隸屬度的確定

在進行土壤肥力值評價時，利用模糊隸屬度評價模型或土壤肥力評價提供的數(shù)學(xué)模型框架確定土壤各指標(biāo)隸屬度。本研究參考劉廣路[15]、范少輝等[16]利用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的方法確定指標(biāo)的隸屬度，將其轉(zhuǎn)化為0-1之間無量綱的數(shù)值。

2.2.2 土壤肥力指數(shù)計算

由于各指標(biāo)對土壤肥力的重要性不同，本研究采用主成分分析方法確定毛竹林地土壤肥力的指標(biāo)權(quán)重。通過計算各因子的貢獻率和累積貢獻率，將各指標(biāo)公因子方差占總公因子方差的比例作為各指標(biāo)權(quán)重。

在評價指標(biāo)隸屬度和權(quán)重確定的基礎(chǔ)上，運用加權(quán)綜合法和模糊數(shù)學(xué)中的加乘法則，用公式(1)計算出研究區(qū)土壤肥力的加權(quán)求和模型(FQ，I)。

FQ，I=∑W(X)×f(X)。

(1)

式中：W(X)為各個評價指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重值；f(X)為各個評價指標(biāo)對應(yīng)的隸屬度值；X為各個評價指標(biāo)。

2.3 土壤肥力空間變異及分布特征分析

首先，運用GS+軟件對土壤肥力指標(biāo)及綜合土壤肥力指數(shù)進行半方差模型擬合，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)平均值(MS，E)和標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差(RM，S，S，E)確定模型擬合效果。一般認(rèn)為MS，E越接近于0，RM，S，S，E越接近于1，模型的擬合效果最優(yōu)[17]。其次運用ArcGIS進行克里金插值預(yù)測分析。本研究選用空間統(tǒng)計分析中常用的普通克里金插值法，該插值方法應(yīng)用廣泛[18]，能夠?qū)崿F(xiàn)空間最優(yōu)無偏插值和空間分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 毛竹林地土壤肥力指標(biāo)統(tǒng)計分析

由表1可知，土壤化學(xué)指標(biāo)水解氮、有機質(zhì)、全鉀、全磷、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值分別變化于21.81～256.57 mg·kg-1、4.37～97.25 g·kg-1、7.57～42.71 g·kg-1、0.12～0.97 g·kg-1、0.05～0.48 g·kg-1和4.38～5.57。變異系數(shù)的大小反映了區(qū)域該變量的離散程度。其中土壤化學(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)為6.20%～53.00%，變異程度由大到小的順序為有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(53.00%)、水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(52.21%)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)(44.44%)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(42.86%)、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)(39.20%)、pH值(6.20%)。土壤物理指標(biāo)的變異系數(shù)為17.89%～27.89%，變異程度由大到小的順序為土壤含水量(27.89%)、毛管持水量(24.58%)、田間持水量(23.60%)、土壤密度(17.89%)。整體表明，所有指標(biāo)都服從正態(tài)分布。pH值變異性最弱，其他指標(biāo)的變異性中等。

表1 毛竹林地土壤肥力指標(biāo)基本特征

注：各指標(biāo)均為正態(tài)分布。

3.2 毛竹林地土壤肥力指標(biāo)權(quán)重及模型構(gòu)建

采用主成分分析確定各指標(biāo)權(quán)重，由表2可知，10個指標(biāo)提取公因子后，各變量的共同度都比較大，位于0.833～1.000，前5個主成分的累積貢獻率達91.787%。符合主成分累積貢獻率達到85.000%及公因子方差提取大于0.800以上的原則。通過因子荷載矩陣分別確定出影響毛竹土壤肥力的指標(biāo)權(quán)重由大到小的順序為有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.138 3)、水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.136 8)、毛管持水量(0.128 0)、田間持水量(0.126 2)、土壤密度(0.123 6)、土壤含水量(0.123 4)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.119 2)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.042 6)、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.036 0)、pH值(0.025 8)。

表2 正交旋轉(zhuǎn)后前5個主成分的荷載矩陣、公因子方差及權(quán)重

在評價指標(biāo)因子隸屬度和確定權(quán)重的基礎(chǔ)上，運用加權(quán)綜合法和模糊數(shù)學(xué)中的加乘法則，得到研究區(qū)綜合土壤肥力指數(shù)FQ，I值的評價模型，公式為：

FQ，I2016=0.136 8X1+0.138 3X2+0.036 0X3+0.042 6X4+

0.119 2X5+0.025 8X6+0.123 4X7+0.128 0X8+

0.126 2X9+0.123 6X10。

(2)

3.3 毛竹林地土壤肥力的半方差函數(shù)擬合

由表3可以看出，水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、田間持水量和綜合土壤肥力指數(shù)的最佳理論模型是高斯模型(G)；全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH值、土壤含水量、毛管持水量和土壤密度的最佳理論模型是球狀模型(S)；全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最佳理論模型是指數(shù)模型(E)。其中塊基比(C0/(C0+C))表示空間異質(zhì)性程度，比值大小反映了受結(jié)構(gòu)性和隨機性因素的影響程度。由此可知，研究區(qū)毛竹林地土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、綜合土壤肥力指數(shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、田間持水量、毛管持水量、水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值的塊基比小于0.250，說明具有較強的空間相關(guān)性，受結(jié)構(gòu)性因素影響較大。而土壤密度、土壤含水量和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的塊基比為0.250～0.750，說明受結(jié)構(gòu)性和隨機性因素的共同作用。其中全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的塊基比最大，為0.497，且有效變程達3 080 m，說明全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間相關(guān)性較弱，可能與當(dāng)?shù)厥┯幂^多的鉀肥有關(guān)。

表3 土壤肥力指標(biāo)半方差模型及參數(shù)

注：G為高斯模型；S為球狀模型；E為指數(shù)模型。

3.4 毛竹林地土壤肥力空間分布結(jié)果分析

通過參考全國第二次土壤普查和孫曉等[19]、魯劍巍等[20]對毛竹林土壤指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計研究區(qū)毛竹林地土壤化學(xué)指標(biāo)的頻率分布情況(表4)?？芍瑓^(qū)域毛竹林地有機質(zhì)、全氮和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較豐富，分別有93.22%、91.53%和91.53%處于豐富和適宜狀態(tài)。93.22%的樣地處于適宜的酸性土壤中，6.78%的樣地處于偏酸性土壤。而區(qū)域毛竹林地的土壤磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)有待改善，缺乏程度達49.15%。通過ArcGIS的插值預(yù)測和掩膜處理可知，研究區(qū)毛竹林地土壤化學(xué)指標(biāo)的空間分布特征是水解氮、全鉀、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)由東部向西部方向降低；pH值最低值出現(xiàn)在土壟村；有機質(zhì)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在武坊村和土壟村局部區(qū)域存在較低值(圖2)。

圖2 研究區(qū)毛竹林地各土壤肥力指標(biāo)空間分布

表4 毛竹林樣地土壤化學(xué)指標(biāo)頻率分布

指標(biāo)類型全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)w)/g·kg-1比例/%全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)w)/g·kg-1比例/%pH值標(biāo)準(zhǔn)比例/%豐富(偏堿)w>0.85.08w>0.1576.27pH值>7.0-適宜(適宜)0.4

注：水解氮、有機質(zhì)、全鉀、全磷和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為豐富、適宜和缺乏；pH值為偏堿、適宜和偏酸。

同理，對區(qū)域毛竹林地的綜合土壤肥力指數(shù)進行插值預(yù)測可知，土壤肥力值(F)處于0.134≤F<0.805。采用自然斷點法將其劃分為優(yōu)(F>0.593)、良(0.451≤F<0.593)、中(0.319≤F<0.451)、差(F≤0.319)4個等級(圖3)。毛竹林地土壤肥力均值為0.448，總體土壤肥力較好，處于中上水平。其中毛竹林地土壤肥力等級較差的區(qū)域集中于武坊村和土壟村，分別占15.13%、23.48%?？赡茉蚴窃诟叨燃s經(jīng)營下，該區(qū)域的人為干擾較為頻繁，造成了土壤養(yǎng)分循環(huán)失調(diào)。

圖3 毛竹林土壤肥力空間分布

4 結(jié)論與討論

本研究通過對順昌縣大干鎮(zhèn)毛竹林地土壤指標(biāo)的統(tǒng)計分析，得出除pH值為弱變異性外，其他指標(biāo)的變異程度中等，整體分布較為均勻。主要原因是本研究布設(shè)的采樣點分布于鄰近的鄉(xiāng)村，屬于小尺度范圍，該結(jié)果與現(xiàn)實情況相符合，與祝鑫海等[21]的研究一致。由于土壤肥力是一個綜合的概念[9-11]，單一考慮礦質(zhì)元素會對竹林的土壤肥力評價造成偏差，因此，本研究結(jié)合土壤理化性質(zhì)共10個指標(biāo)，構(gòu)建基于樣地的土壤肥力測定模型，實現(xiàn)對土壤肥力的綜合評判。研究表明，主成分分析中前5個主成分能夠反映研究區(qū)土壤肥力指標(biāo)的變異信息，可以較好地反映區(qū)域毛竹林土壤肥力的綜合狀況。通過主成分分析確定土壤指標(biāo)權(quán)重，其中有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的權(quán)重最大。說明有機質(zhì)是土壤的重要組成部分，它的數(shù)量與質(zhì)量變化是土壤肥力及環(huán)境質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。

塊基比反映了土壤指標(biāo)受結(jié)構(gòu)性和隨機性因素的影響情況。其中結(jié)構(gòu)性因素包括地形、土壤類型、氣候、母質(zhì)等自然因素，隨機性因素主要以施肥等人為影響為主。本研究得出全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)受結(jié)構(gòu)性和隨機性因素的共同影響較大，其次為土壤含水量、土壤密度和pH值?？傮w顯示，研究區(qū)毛竹林地土壤肥力各指標(biāo)及綜合土壤肥力指數(shù)具有中等至強烈的空間自相關(guān)性，表明采用空間插值的方法進行預(yù)測是可行的[22-23]。同時，通過對土壤化學(xué)指標(biāo)的豐缺頻率和空間分布特征分析，得出研究區(qū)有機質(zhì)、全鉀和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較為豐富，土壤磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)匱乏。表明全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響該區(qū)域土壤肥力的主要限制性因子。研究結(jié)果與林振清[24]、郭曉敏等[25]對南方毛竹林土壤肥力的調(diào)查結(jié)果相近。主要原因是研究區(qū)土壤類型以紅壤和黃壤為主，土壤中普遍缺少磷元素。由于磷是植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，土壤中氮多磷少，會嚴(yán)重影響毛竹林分的生長，是造成毛竹低產(chǎn)的主要原因之一[26-27]。為此，在今后的經(jīng)營管理中應(yīng)注重對含磷肥料的施用。從空間分布特征看，研究區(qū)土壤水解氮、全鉀、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)由東部向西部方向降低，pH值整體變化不大，表明區(qū)域人為干擾相對不顯著。研究區(qū)毛竹林地土壤肥力總體較好，部分區(qū)域有待提高。研究可以為今后的竹林施肥提供指導(dǎo)。