2016, Vol. 52
文章信息
- 沈一凡, 钱进芳, 郑小平, 袁紫倩, 黄坚钦, 温国胜, 吴家森
- Shen Yifan, Qian Jinfang, Zheng Xiaoping, Yuan Ziqian, Huang Jianqin, Wen Guosheng, Wu Jiasen
- 山核桃中心产区林地土壤肥力的时空变化特征
- Spatial-Temporal Variation of Soil Fertility in Chinese Walnut (Carya cathayensis) Plantation
- 林业科学, 2016, 52(7): 1-12
- Scientia Silvae Sinicae, 2016, 52(7): 1-12.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160701
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文章历史
- 收稿日期：2015-05-25
- 修回日期：2016-06-01
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作者相关文章
2. 浙江省长兴县木材检查总站 长兴 313100;
3. 浙江省临安市林业局 临安 311300;
4. 杭州市林业科学研究院 杭州 310016
2. Changxing Timber Inspection Station, Zhejiang Province Changxing 313100 ;
3. Lin'an Forestry Bureau, Zhejiang Province Lin'an 311300 ;
4. Hangzhou Academy of Forestry, Zhejiang Province Hangzhou 310016
山核桃(Carya cathayensis)是我国特有的珍稀干果和木本油料树种，自然分布于浙、皖交界的天目山脉，现有种植面积9.3万hm2。自20世纪90年代以来，山核桃已经成为主要产区农民重要的经济收入来源，在临安、淳安等山核桃主产区，农户总收入的70%以上来源于山核桃经营。在经济利益的驱动下，为了提高产量，经营者在生产中往往采取强度经营措施，如大量施用化肥、除草剂等，长期以来造成了土壤酸化、水土流失严重、林下灌草层消失，导致山核桃经营地块土壤肥力下降、病虫害增加等一系列生态环境问题(Jin et al.，2011; Huang et al.，2012；吴家森，2014)。
土壤肥力受气候、植被、地形、土壤属性及人类活动等因素的综合影响(鲁明星等，2009；苏建平等，2009；王相平等，2012；赵明松等，2014；于洋等，2015)。山核桃生长最适宜的土壤pH值为中性或微酸性，但长期集约经营导致山核桃土壤有机碳含量下降(Newenhouse et al.，1989；Piemontese et al.，1995；钱进芳，2013；吴家森等，2014；Wu et al.，2014)，且海拔、母岩类型、人为经营也显著影响着山核桃土壤有机碳含量(P < 0.05)(吴家森等，2013)。随着林地土壤的退化和部分山核桃植株的死亡，自21世纪初开始，林业科技人员在一定规模试验研究的基础上，提出了山核桃生态化经营模式，如生草栽培、不施用内吸型除草剂、减少化肥施用量等。山核桃生态化经营对林地土壤肥力有何影响尚未见报道，因此本研究以山核桃中心产区——浙江省临安市为研究区域，利用地统计学方法和GIS技术，对比2008年与2013年林地土壤主要养分含量，分析山核桃林地土壤肥力质量的演化趋势，探求环境因素(海拔、母岩类型)和人为经营对土壤肥力质量时空变异的影响，以期为山核桃林地的土壤管理提供决策依据。
1 研究区概况研究区位于浙江省临安市(118°—120°E，29°—31°N)，海拔150～1 000 m。属亚热带季风气候，年均气温16.0℃，极端最高和最低气温分别为41.7和-13.3℃，年均积温5 774.0℃，年均降水量1 350～1 500 mm，年均日照时数1 774 h，全年无霜期235天。山核桃纯林于1982年左右栽植，密度为300～375株·hm-2，郁闭度0.7，平均胸径12.0 cm，平均树高8.0 m，林下灌木和草本层缺失。经营措施一般为每年5月上旬和9月上旬各施复合肥(N：P2O5：K2O=15：15：15)600 kg·hm-2一次，并于6月初、8月底施用除草剂进行除草。土壤种类主要有红壤、黄红壤及岩性土等。
2 研究方法 2.1 样品采集共采集2个时期山核桃林地土壤样品。2008年在全市范围内布设1 km×1 km网格，与临安市森林资源分布图相叠加，即以有山核桃分布的网格点为样地，共设置317块样地。于7—8月，在每块样地上按“S”形布5个样点，采集0～30 cm土层土壤样品，组成混合样品；并在样地中心以GPS定位，测定经纬度、海拔，记录母岩类型、土壤种类、坡位、坡向，同时调查农户常规的经营措施。2013年7—8月，根据均匀分布原则，选择原有样地中的239块样地进行采样，并调查农户5年来具体的施肥、除草及其他林地管理情况。
2.2 分析方法样品在实验室自然风干后，用木棒压碎挑出草根、砾石等杂物，研磨后过2和0.25 mm尼龙筛，备用。pH值采用酸度计法(水土质量比为2.5：1.0)测定；有机碳含量采用重铬酸钾-硫酸外加热法测定；水解性氮含量采用碱解扩散法测定；有效磷含量用盐酸-氟化铵浸提-钼锑钪比色法测定；速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定(鲁如坤，2000)。
2.3 数据处理及分析使用SPSS18.0软件进行描述性统计分析，采用R软件的gstat模块拟合半方差函数，利用ArcGIS 9.3进行克里格插值，分析土壤肥力质量的时空格局演变。利用2008和2013年相同的调查样地，比较土壤肥力变化。
3 结果与分析 3.1 土壤肥力质量的时间变化与2008年相比，2013年山核桃林地土壤肥力质量总体呈下降趋势(表 1)，5个肥力质量指标的标准差变小，变异程度降低，土壤pH值从5.5下降到5.3；有机碳含量降低了0.2 g·kg-1；水解性氮和速效钾含量显著降低，分别下降19.4和55.6 mg·kg-1；但有效磷含量增加了0.5 mg·kg-1。
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2008和2013年山核桃林地土壤肥力质量的半方差函数均符合指数模型(表 2)，模型的决定系数(R2)为0.73～0.85，表明指数模型能对山核桃林地土壤肥力进行最优的模拟。与200年相比，2013年土壤pH值、有机碳含量、有效磷含量和速效钾含量的基台值与块金值均下降，表明结构变异和随机变异均降低；水解性氮含量的基台值降低，而块金值升高，说明系统变异性有所削弱，而随机变异性增强。水解性氮含量的块基比由2008年的52.02%增加至83.85%，表明随机因素(如施肥、耕作、除草等)对山核桃中心产区水解性氮含量空间变异中的主导作用加强。有效磷含量的块基比则从66.22%下降到31.14%，表明土壤有效磷的空间分布特征受母岩类型、海拔、地形等自然因素的作用增强。土壤pH值、水解性氮含量、有效磷含量的空间自相关距离均降低，表明空间分布的连续性减弱，而有机碳和速效钾含量的空间自相关距离提高，即空间分布的连续性增强。
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土壤pH值的空间分布(图 1)显示，2013年土壤pH值高值主要分布在湍口镇、龙岗镇和清凉峰镇的部分区域，低值主要分布在岛石镇北部和太湖源镇。pH值变化分布(图 2)显示，2008—2013年山核桃产区土壤pH值的变化值为-0.5～-0.2，pH值降低最多的区域为岛石镇中部和清凉峰镇。
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图 1 2013年pH值空间分布 Fig.1 Spatial distribution of pH value in 2013 |
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图 2 2008—2013年pH值变化分布 Fig.2 Temporal change of pH value from 2008 to 2013 |
土壤有机碳含量的空间分布(图 3)显示，2013年土壤有机碳含量为16.0～20.0 g·kg-1，高值主要分布在太阳镇北部和岛石镇外围，低值主要分布在湍口镇、龙岗镇和清凉峰镇。有机碳含量的变化分布(图 4)显示，2008—2013年山核桃产区土壤有机碳含量变化值为-0.5～0 g·kg-1，有机碳含量降低最多的区域为岛石镇北部。
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图 3 2013年有机碳含量空间分布 Fig.3 Spatial distribution of soil organic carbon contents in 2013 |
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图 4 2008—2013年有机碳含量变化分布 Fig.4 Temporal change of soil organic carbon contents from 2008 to 2013 |
土壤水解性氮含量的空间分布(图 5)显示，2013年土壤水解性氮含量为160.0～200.0 mg·kg-1，高值主要分布于太阳镇、清凉峰镇东部及岛石镇南部，低值主要分布在湍口镇和清凉峰镇西部。水解性氮含量的变化分布(图 6)显示，2008—2013年山核桃产区土壤水解性氮含量的变化值为-35.0～0 mg·kg-1，其中岛石镇北部土壤水解性氮含量降低最多。
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图 5 2013年水解性氮含量空间分布 Fig.5 Spatial distribution of hydrolytic N contents in 2013 |
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图 6 2008—2013年水解性氮含量变化分布 Fig.6 Temporal change of hydrolytic N contents from 2008 to 2013 |
土壤有效磷含量的空间分布(图 7)显示，2013年土壤有效磷大部分区域均小于6.0 mg·kg-1，仅岛石镇土壤有效磷含量为6.0～12.0mg·kg-1。有效磷含量的变化分布(图 8)显示，2008—2013年山核桃产区土壤有效磷含量的变化值为0～1.0 mg·kg-1，其中含量降低最多的区域为岛石镇北部。
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图 7 2013年有效磷含量空间分布 Fig.7 Spatial distribution of available P contents in 2013 |
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图 8 2008—2013年有效磷含量变化分布 Fig.8 Temporal change of available P contents from 2008 to 2013 |
土壤速效钾含量的空间分布(图 9)显示，2013年产区大部分区域土壤速效钾含量 < 50.0 mg·kg-1，高值主要集中于岛石镇与龙岗镇交界线、太阳镇北部。速效钾含量的变化分布(图 10)显示，2008—2013年山核桃产区土壤速效钾含量的变化值为-70.0～-35.0 mg·kg-1，速效钾含量降低最多的区域为岛石镇中部。
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图 9 2013年速效钾含量空间分布 Fig.9 Spatial distribution of available K contents in 2013 |
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图 10 2008—2013年速效钾含量变化分布 Fig.10 Temporal change of available K contents from 2008 to 2013 |
为了解海拔对山核桃林土壤肥力的影响，将海拔分为100～300，300～500，500～700和>700 m这4个区域进行统计分析。2008—2013年林地土壤肥力的变化与海拔之间的均值方差分析(表 3)表明，海拔对土壤pH值(P=0.000)、有机碳(P=0.096)、水解性氮含量(P=0.073)和速效钾(P=0.001)含量有显著影响，土壤pH值、有机碳含量、速效钾含量和水解性氮含量降幅最大的区域分布在海拔300～500，100～300，500～700和>700 m处。
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山核桃可在不同母岩发育的土壤上生长，本研究中山核桃林地的母岩类型有板岩、花岗岩、流纹岩、千枚岩、砂岩、砂页岩和石英斑岩。2008—2013年林地土壤肥力的变化与不同母岩类型之间的均值方差分析(表 4)表明，母岩类型对土壤pH值(P=0.000)、水解性氮含量(P=0.041)和速效钾(P=0.006)含量有显著影响，pH值降幅以砂岩发育的土壤最大，速效钾和水解性氮含量减少最多的是板岩发育的土壤。
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林农的人工经营方法、强度及历史等综合经营模式在不同乡镇之间存在较大不同，引起了土壤肥力的差异，掌握不同乡镇的土壤肥力情况，可以有效实施不同的经营措施(如施肥量及肥料种类)。2008—2013年林地土壤肥力的变化与不同乡镇人为经营之间的均值方差分析(表 5)表明，人为经营对土壤pH值(P=0.000)、有机碳含量(P=0.091)、水解性氮(P=0.073)含量、有效磷(P=0.001)含量和速效钾(P=0.000)含量均有显著影响，岛石镇土壤有机碳和速效N，P，K降低的幅度最大，pH值则以清凉峰镇和岛石镇降低最多。
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山核桃栽培历史悠久，在20世纪80年代以前人为干扰很少，多为乔木-灌木-草本的复层林，产量上有明显的大小年。1982年，家庭联产承包责任制实施后，林地经营逐渐加强，特别是20世纪90年代后，生产中大力推广施肥(复合肥600 kg·hm-2)和除草(草甘膦22.5 kg·hm-2)等丰产栽培技术，山核桃平均产量上升到1 000 kg·hm-2，与20世纪80年代相比，增加了1.53倍。但强度经营也导致了一系列问题，如水土流失严重，侵蚀模数达1 157～3 887 t·km-2 a-1(王云南，2011)；土壤酸化明显，有机碳和养分含量减少，与1982年相比，2008年土壤pH值下降了0.7个单位，有机碳含量下降了19.0%；次生阔叶林转变为山核桃林20年后，土壤有机碳含量下降了38.6%(吴家森等，2014)。本研究结果表明，2008—2013年5年间山核桃林地土壤pH值和有机碳继续下降，但下降幅度较小(表 1)。
由于山核桃的强度经营，山核桃干腐病、枯枝病危害日益严重，导致大量山核桃植株死亡。2005年以后，山核桃研究和技术推广人员开始关注山核桃的生态化经营，发布了山核桃优质高效生态安全生产技术，提出了测土配方施肥、禁用内吸型除草剂、生草管理等技术。随着生态化经营技术的推广，2008—2012年临安市农业生产中共少用化肥5 000 t，其中以雷竹(Phyllostachys praecox cv. prevernalis)、山核桃等高效经营商品林减少较多，因此，2008—2013年山核桃林地土壤速效氮、钾含量显著下降(表 1)。
海拔对山核桃林地土壤肥力质量有显著影响(表 3)。随着海拔升高，气候变得更为冷湿，土壤水热条件发生了变化，因此山区土壤肥力质量与海拔有密切的关系。相关研究表明，江西庐山北坡(杜有新等，2011)、广东石坑崆(柯娴氡等，2012)等地区土壤有机碳含量与海拔极显著正相关；在秦岭南坡，随着海拔升高，土壤pH值降低，有机碳和速效磷、钾含量增大(党坤良等，2006)。随着海拔增加，山核桃林地土壤有机碳含量提高，pH值下降，速效氮、钾含量增加，而有效磷含量先增加而后降低，这与黄兴召等(2010)的研究结果相似。
母岩类型也影响着山核桃林地土壤肥力质量(表 4)。母岩是形成土壤的基础，不同类型母岩所形成的土壤，不论是物理性质还是化学性质都存在很大差异(何腾兵等，2006；董玲玲等，2008)。山核桃林地土壤有机碳、速效氮、磷、钾含量均以板岩发育的土壤为最高，花岗岩发育的土壤pH值最低，这与陈世权等(2010)的研究结果相似。
乡(镇)是我国最基本的行政单位，不同乡镇对于山核桃的施肥、除草等经营措施会不一致，加之地理位置上的差异，不同乡镇山核桃林地土壤肥力存在较大差异，这与钱孝炎等(2013)研究结果相似。岛石镇是最早实施山核桃集约化经营的乡镇，因此林地土壤pH值较低，速效氮、磷、钾含量则最高；近5年来，随着肥料施用量减少，该镇土壤速效氮、磷、钾含量的降幅也是最大的。
有机物的投入是提高土壤有机碳的有效途径，钱进芳(2013)研究表明，生草栽培能提高山核桃林地土壤有机碳含量，与清耕相比，可提高19.1%～35.7%，同时速效氮、磷、钾含量也有不同程度的增加。王正加等(2011)认为免耕经营能够有效提高山核桃林的生态和经济效益，保护林下植被，防止水土流失和增加土壤有机碳。施用生石灰是酸性土改良的有效方法，大豆(Glycine max)盆栽试验表明适量施用石灰和磷肥可使酸性土壤pH值平均提高38.4%(陈娜等，2010)，施用石灰显著提高了雷竹林地土壤的pH值(庄舜尧等，2014)。
综上，山核桃的强度经营导致林地土壤有机碳、pH值及速效养分含量有所下降，不同区域的降低水平有所差异。因此针对整个山核桃产区，林下植被缺失和养分不平衡，在经营过程中应推广生草栽培、禁用内吸型除草剂、生态化采收及测土配方施肥等技术，从而保持、提高林地土壤质量。但不同乡镇所采取的措施可以有所不同，如太湖源镇、龙岗镇土壤发育于花岗岩，pH值相对较低，应加强石灰的施用，以提高土壤pH值；岛石镇的经营历史时间长、土壤养分含量高，可适当减少化肥的施用，同时大力推广生草的种植。
5 结论2008—2013年，临安市山核桃林地土壤水解性氮和速效钾含量显著降低，分别下降了19.4和55.6 mg·kg-1，pH值从5.5下降到5.3，有机碳含量下降了0.2 g·kg-1，有效磷含量升高了0.5 mg·kg-1。
经过5年的经营，山核桃林地土壤肥力指标的标准差变小，变异程度降低，土壤pH、水解性氮含量和有效磷含量的空间自相关性减弱，自相关距离减小，而有机碳和速效钾含量的空间分布连续性增强，自相关距离增加。
山核桃林地土壤肥力的变化主要受海拔、母岩类型及不同乡镇的人为经营的影响。海拔、母岩类型、不同乡镇的人为经营对土壤pH、水解性氮、速效钾的变化有显著影响(P < 0.1)，海拔和不同乡镇的人为经营显著影响着土壤有机碳的变化(P < 0.1)，土壤有效磷含量的变化受不同乡镇人为经营的影响显著(P < 0.1)。岛石镇土壤有机碳和速效氮、磷、钾含量的降幅最大，pH值则以清凉峰镇和岛石镇降低最多。
综上，今后在山核桃生产经营过程中需大力推广测土配方施肥，并采用施用一定量的石灰、林地生草管理、生态化采收等经营管理技术。
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