基于空间分析的森林土壤养分分级方法
石媛媛1, 邓明军2, 唐健1, 宋贤冲1, 王会利1, 覃其云1
1.广西林业科学研究院,广西 南宁 530002
2.广西壮族自治区烟草公司,广西 南宁 530022
石媛媛(1979-),女,河南范县人,农艺师,博士,主要从事林业资源管理及林木营养诊断研究。E-mail:syyfly@163.com
摘要

为探索一种适用于森林土壤养分分级方法,本研究以广西乐里林场太阳盘分场为研究区域,通过网格化方式布设土壤采样点,分析土壤有效磷含量并进行空间插值,利用森林资源规划数据,提取速生杉木种植小班平均土壤有效磷含量,选取速效氮、速效钾水平中等的小班,计算各小班杉木( Cuninghamia spp.)年平均生长量,根据相对产量公式计算小班年相对生长量,以“对数”类型拟合年相对生长量与对应土壤养分值之间的关系,分别以相对生长量为50%、75%、90%和95%计算对应的土壤磷素含量,根据计算结果划分土壤磷素丰缺指标,获得该区域土壤有效磷临界值分为2.6、4.0、5.7和6.3,得出研究区杉木林地土壤有效磷分级指标,为制定区域速生林木施肥配方提供研究基础。

关键词: 林业; 森林; 土壤; 养分
中图分类号:S718.51+6 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2016)6-1112-06 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2051-0681
Forest soil nutrient classification method based on spatial analysis
Shi Yuan-yuan1, Deng Ming-jun2, Tang Jian1, Song Xian-chong1, Wang Hui-li1, Qin Qi-yun1
1.Guangxi Forestry Research Institute, Nanning 530002, China
2.Guangxi Tobacco Company, Nanning 530022, China
Corresponding author:Shi Yuan-yuan E-mail:syyfly@163.com
Abstract

In order to provide scientific basis for precise fertilizing for fast-growing trees, and exploring a suitable forest soil nutrient classification method, a grid soil sample method was used in Guangxi Leli Forest Farm. The soil available phosphorus in each grid was calculated and interpolated. Based on forest resources planning data, the average soil available phosphorus in fast-growing Chinese fir unit was extracted. Then we calculated average annual growth and relative annual growth where in medium available nitrogen and available potassium. The relationship between the relative annual growth and soil available phosphorus was fitted with “logarithmic” type. Soil phosphorus contents corresponding to the average annual growth of 50%, 75%, 90% and 95% were calculated. Then the area of soil available potassium critical value is divided into: 2.6, 4.0, 5.7 and 6.3, respectively, according to the results of classification.

Keyword: forestry; forest; soil; nutrient

土壤养分分级是定量化评价土壤养分水平的基础, 更是科学施肥的推荐依据。虽然我国林业生产的理念内广泛地提倡集约化管理模式, 但由于森林立地条件的复杂性, 林业生产集约化程度远远低于农业生产模式, 一直处于粗放经营状态。随着生态GDP概念的出现[1], 森林生态效益的重要性被广泛认知, 特别是其碳汇功能[2, 3], 而速生树种是碳汇贡献最大的林种, 如每亩(约667 m2)速生桉树(Eucalyptus sp.)一年可固定1 t的碳, 生长1 m3木材就吸收和固定1.83 t CO2, 释放1.62 t 。然而, 建植速生林却饱受争议, 主要的表面原因是速生林种植地区容易形成水土流失、影响水质、引起土壤退化[5, 6, 7], 但是, 速生林的缺陷是由于不科学的种植方式所致, 并非速生林本身[8, 9]。速生林对土壤肥力的要求很高, 由于生长需要大量养分供给, 不合理施肥和滥用除草剂的情况, 造成土地消耗过大, 土壤有机质锐减。因此, 根据森林土壤养分状况, 合理施肥是速生林木发挥生态效益的关键。合理施肥的基础是要查清土壤养分状况, 因此, 制定有效的森林土壤养分分级方法, 有助于速生林种植的规模化、科学化, 减少对生态环境的影响。当前, 我国农业领域通过“ 3414” 试验建立的测土配方施肥技术指标体系[10], 是根据土壤养分测定值与作物产量之间的相关性来确定的, 通常按照相对产量法对土壤养分进行指标分级。然而, 林业领域相关研究起步相对较晚, 王力朋等[11]对采用分层聚类分析的方法对桉树人工林进行土壤区划, 曹继钊等[12]和樊东函等[13]是以林地土壤调查和室内分析化验作为林地平衡施肥的依据, 寻找最佳平衡合理的施肥配方。目前, 林业生产多采用传统方式调查试验获取最佳施肥配方, 有关森林土壤养分分级方法的系统研究较少, 且针对较大尺度的区域性养分状况的研究少见报道。本研究利用研究区内大量样点和森林资源规划数据, 采用空间分析方法和相对产量法相结合的研究方式, 探索适合森林土壤的养分分级方法, 制定土壤养分分级指标, 以期为大区域速生林木配方施肥提供快速准确的依据。

1 材料与方法
1.1 土壤养分普查数据

研究区位于广西百色市田林县乐里林场, 以乐里林场太阳盘分场(6 242 km2)作为研究区域进行土样采集。利用网格布点法, 结合研究区地形情况设置土壤取样点, 并根据实地考察的地形进行微调, 用GPS定位读取采样点坐标, 共采集土壤样品65个(图1)。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location of study area

取好的土壤样品带回实验室, 风干、研磨、过筛备用, 分别测定土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量[14]

1.2 森林资源规划数据

咨询当地林业部门, 收集近期森林资源规划数据, 包括研究区行政边界、优势树种、林龄、森林蓄积等, 并对研究区数据进行提取、坐标转换等前处理。结合土壤取样点坐标数据, 将森林规划数据和取样点数据的坐标系转换一致, 本研究选取研究区内速生杉木种植小班作为研究对象, 根据森林规划数据里的“ 优势树种” 字段提取该研究区速生杉木(Cuninghamia spp.)小班分布(小班是森林经营的基本单位)。

1.3 插值方法的选择

土壤养分的空间变异性是由母质、气候、水文、地形等结构性因素和施肥以及人类活动等随机性因素共同作用的结果。有研究认为[15, 16, 17, 18, 19], 具有以上特征的土壤养分用克里格(Kriging)内插方法得到的结果具有较高的精度。Kriging是以区域化变量理论为基础, 它既是有结构性又有随机性的变量, 适合研究在空间分布上既有随机性又有结构性, 或空间相关性和依赖性的自然现象, Kriging的最大优点是它能给出无偏估计、最优估计, 充分考虑到土壤特性的空间变异。本研究中, 插值分析对象为森林土壤有效磷含量的空间分布, 因此, 选取克里格插值方法对土壤有效磷进行分析。

1.4 土壤磷肥力指标的建立方法

本研究的思路来源于农业的“ 3414” 田间试验方法, 但并未人为设置施肥缺素区, 而是利用大量的森林小班代替 “ 3414” 田间试验中的试验小区, 将土壤养分空间差值后的小班土壤养分平均值划分不同区段, 代替田间试验小区的不同施肥处理和重复。在大量的数据中筛选土壤速效氮、速效钾水平中等的小班作为速生杉木磷肥处理区。

磷肥处理区各小班相对生长量计算如下:

年平均生长量=速生杉木蓄积量/速生杉木平均林龄 (1)

相对生长量=(年平均生长量/全养分区年平均生长量)× 100% (2)

本研究定义速生杉木小班磷素水平分为P0、P1、P2、P3、P4, 对应的年平均蓄积量分别为X0、X1、X2、X3、X4, X4为全养分区年平均生长量; 设土壤磷素水平标准为:有效磷最高值(H)减去最低值(L), 除以等级个数5, 得平均差(d), 各水平对应的有效磷范围和相对生长量计算公式见表1

表1 土壤磷素划分水平和林木生长量 Table 1 Soil P level and growth amount of trees

以“ 对数” 模型拟合年相对生长量与对应小班土壤平均养分值之间的关系, 分别以相对生长量为50%、75%、90%和95%计算对应的土壤磷素含量, 根据计算结果划分土壤磷素丰缺指标。本研究定义速生杉木磷素缺素区相对产量低于50%的养分值为极低, 50%~75%为低, 75%~90%为中, 90%~95%为高, 大于95%的为极高。

2 结果与分析
2.1 区域土壤养分分布预测

对研究区土壤有效磷含量进行插值, 获取该区域土壤有效磷空间分布预测值(图2)。结果表明, 研究区土壤有效磷预测值范围为1.14~4.68 mg· kg-1, 研究区的东北和西南部分区域土壤有效磷含量较高, 中部和南部区域土壤有效磷含量较低。

图2 研究区土壤有效磷含量分布Fig.2 Distribution of soil available P in study area

2.2 杉木相对生长量统计

参考森林资源调查数据, 依据优势树种字段提取研究区杉木种植分布区域, 以小班为单位, 计算研究区杉木各小班年平均生长量; 同时计算各杉木小班土壤有效磷平均值, 得出研究区杉木种植小班有效磷分布情况(图3)。从杉木种植区的分布可以看出, 研究区的杉木主要分布在东部区域, 西部和南部有少量杉木种植, 杉木种植区的土壤有效磷含量范围为1.25~3.32 mg· kg-1

图3 杉木种植区有效磷含量分布Fig.3 Distribution of soil available P in Chinese fir farming

2.3 森林土壤有效磷分级指标的确定

为模拟杉木种植区不同磷肥水平, 根据土壤有效磷的含量, 依据表1中有效磷范围的划分, 将杉木种植区划分为P0~P4磷肥水平区, 以P4磷肥水平区的杉木年平均生长量X4作为全养分区年平均生长量。剔除数据不全的小班, 按照公式(1)和(2), 计算以小班为单位的杉木相对生长量。

绘制土壤有效磷与杉木相对生长量散点图(图4), 建立土壤有效磷与杉木相对生长量之间的回归方程, 各磷肥水平区杉木相对生长量与土壤有效磷含量的相关性达到极显著水平(P< 0.01), 根据方程计算, 以相对生长量的50%、75%、90%和95%为标准, 获得土壤有效磷丰缺指标, 作为该区域森林土壤有效磷分级指标。杉木相对年生长量(y, %)与土壤有效磷(x, mg· kg-1)之间的回归方程为y=57.53ln(x)-5.54(R2=0.419 8, P=0.01)。

图4 杉木相对生长量与土壤有效磷的关系Fig.4 Correlation between relative growth amount of Chinese fir and soil available P

将相对产量法的4个分级临界值50%、75%、95%和100%代入上述方程, 得出相应的土壤有效磷临界值, 分别为2.6、4.0、5.7和6.3, 从而得出研究区杉木林地土壤有效磷分级指标, 即:土壤有效磷含量≤ 2.60 mg· kg-1时为极低水平, 2.61~4.00 mg· kg-1时为低水平, 4.01~5.70 mg· kg-1时为中等水平, 5.71~6.30 mg· kg-1时为高水平, ≥ 6.31 mg· kg-1时为极高水平。

3 讨论与结论

为探索林地土壤养分分级方法, 本研究利用森林资源规划数据和大量土壤样点养分数据, 构建了杉木相对年生长量与土壤有效磷的方程, 并估算了研究区土壤有效磷的分级指标。结果表明, 该方法利用空间分析方法, 以速生杉木林地土壤有效磷含量为例, 计算速生杉木相对年生长量及研究区土壤有效磷空间分布结果, 以速生杉木小班作为最小单位, 结合农业“ 3414” 试验的理念, 构建了森林土壤养分分级方法, 计算出研究区内土壤有效磷分级指标临界值为2.6、4.0、5.7和6.3。

确定土壤养分分级指标是测土配方合理施肥工作中的重要一环, 长久以来, 农业上通过“ 3414” 田间试验来确定区域土壤养分分级指标, “ 3414” 田间试验需要人为设置不同养分水平的施肥小区, 为保证数据精度需设定3~4个重复并进行多年试验。本研究提供的土壤养分分级方法改进了“ 3414” 试验方法的基础数据获取途径, 在收集研究区养分空间分布状况和林木生长量的前提下, 模拟计算土壤养分与林木相对生长量之间的关系, 从而确定该区域土壤养分分级指标。对比农业“ 3414” 田间试验方法, 该方法不需要人为设置大量的施肥梯度试验小区, 避免了林地重复施肥, 具有节省人力、物力和财力的优点; 相对农作物, 林木生长周期较长, 生产规模大, 地形复杂, 林业试验工作量繁重, 不适宜进行多年大田施肥试验, 因此, 本研究提供的土壤养分分级方法更适合林业生产。

近年来, 营造速生林作为缓解木材供需矛盾的重要措施日益发展壮大, 由此而来的不合理施肥问题也引起很多学者的关注[20, 21, 22], 测土配方[23, 24]、肥料缓控释[25]等技术的应用一定程度上减少了林业施肥对生态环境的破坏。长久以来, 林业生产相对粗放, 其根本原因是由于林业生产环境比较复杂, 生产条件相对艰苦, 很多农业领域适用的方法, 并不适合直接应用于林业生产, 本研究针对林业生产试验特点对传统方法进行的改进有助于更准确地获取森林土壤基础数据, 促进林业生产施肥科学化、精确化。本研究针对研究区域的某一树种的种植区进行土壤养分等级划分, 因此, 研究结果对区域以外的土壤并不完全适用, 但可以通过扩大研究区域使养分分级指标的适用范围更广。

今后的研究中应重点结合该土壤养分分级方法制定不同速生林木施肥配方推荐体系, 进一步构建和完善林业土壤养分管理方法。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 潘勇军. 基于生态GDP核算的生态文明评价体系构建. 北京: 中国林业科学研究院博士学位论文, 2013.
Pan Y J. Construction of evaluation system for ecological civilization based on ECO-GDP accounts. PhD Thesis. Chinese Academy of Forestry, 2013. (in Chinese) [本文引用:1]
[2] 张小全, 武曙红, 何英, 侯振宏. 森林、林业活动与温室气体的减排增汇. 林业科学, 2005, 41(6): 150-156.
Zhang X Q, Wu S H, He Y, Hou Z H. Forests and forestry activities in relations to emission mitigation and sink enhancement. Scientia Silvae Sinicae, 2005, 41(6): 150-156. (in Chinese) [本文引用:1]
[3] 侯振宏, 张小全, 肖文发. 中国森林管理活动碳汇及其潜力. 林业科学, 2012, 48(8): 11-15.
Hou Z H, Zhang X Q, Xiao W F. Carbon sink estimation and potential of forest management in China. Sientia Silvae Sinicae, 2012, 48(8): 11-15. (in Chinese) [本文引用:1]
[4] 张治军, 张小全, 朱建华, 罗云建, 侯振宏, 褚金翔. 广西主要人工林类型固碳成本核算. 林业科学, 2010, 46(3): 16-22.
Zhang Z J, Zhang X Q, Zhu J H, Luo Y J, Hou Z H, Chu J X. Cost of carbon sequestration of main plantation types in Guangxi. Scientia Silvae Sinicae, 2010, 46(3): 16-22. (in Chinese) [本文引用:1]
[5] 黄国勤, 赵其国. 广西桉树种植的历史“现状”生态问题及应对策略. 生态学报, 2014, 34(18): 5142-5152.
Huang G Q, Zhao Q G. The history, status quo, ecological problems and countermeasures of Eucalyptus plantations in Guangxi. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(18): 5142-5152. [本文引用:1]
[6] Tereraia F, Gaertner M, Jacobs S M, Richardson D M. Eucalyptus invasions in riparian forests: Effects on native vegetation community diversity, stand structure and composition. Forest Ecology and Management, 2013, 297: 84-93. (in Chinese) [本文引用:1]
[7] 叶绍明, 温远光, 杨梅, 梁宏温. 连栽桉树人工林植物多样性与土壤理化性质的关联分析. 水土保持学报, 2010, 24(4): 246-256.
Ye S M, Wen G Y, Yang M, Liang H W. Correlation analysis on biodiversity and soil physical & chemical properties of Eucalyptus spp. plantations under successive rotation. Journal of Soil and Water Conservation, 2010, 24(4): 246-256. (in Chinese) [本文引用:1]
[8] Vihervaara P, Marjokorpi A, Kumpula T, Kamppinen M. Ecosystem services of fast-growing tree plantations: A case study on integrating social valuations with land -use changes in Uruguay. Forest Policy and Economics, 2012, 14: 58-68. [本文引用:1]
[9] 杜虹蓉, 易琦, 赵筱青. 桉树人工林引种的生态环境效应研究进展. 云南地理环境研究, 2014, 26(1): 30-39.
Du H R, Yi Q, Zhao X Q. Study on the eco-environmental effects of introduced eucalyptus plantation. Yunnan Geographic Environment Research, 2014, 26(1): 30-39. (in Chinese) [本文引用:1]
[10] 王圣瑞, 陈新平, 高祥照, 毛达如, 张福锁. “3414”肥料试验模型拟合的探讨. 植物营养与肥料学报, 2002 , 8(4): 409-413.
Wang S R, Chen X P, Gao X Z, Mao D R, Zhang F S. Study on simulation of “3414” fertilizer experiments. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2002, 8(4): 409-413. (in Chinese) [本文引用:1]
[11] 王力朋, 齐涛, 罗燕, 何茜, 李吉跃, 齐涛, 谢德新. 河源地区桉树人工林土壤肥力和土壤区划研究. 中国农学通报, 2013, 29(10): 28-34.
Wang L P, Qi T, Luo Y, He Q, Li J Y, Qi T, Xie D X. Soil fertility and soil regionalization of Eucalyptus plantation in Heyuan. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2013, 29(10): 28-34. (in Chinese) [本文引用:1]
[12] 曹继钊, 农必昌, 唐黎明, 张家昌, 马涪. 广西桉树人工林配方施肥技术应用示范效益研究与评价. 广西林业科学, 2010, 39(3): 136-139. [本文引用:1]
[13] 樊东函, 荣薏, 梁刚, 蔡林, 吕月保. 尾巨桉萌芽林土壤肥力变化及施肥研究. 桉树科技, 2013, 30(2): 9-14.
Fan D H, Rong Y, Liang G, Cai L, Lyu Y B. Investigation into variability in soil fertility and fertilization regimes for Eucalyptus urophylla×E. grand is Coppice plantations. Eucalypt Science & Technology, 2013, 20(2): 9-14. (in Chinese) [本文引用:1]
[14] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法. 北京: 中国农业科技出版社, 2000. [本文引用:1]
[15] Segaye T, Hill R L. Intensive tillage effects on spatial variability of soil test, plant growth, and nutrient uptake measurements. Soil Science, 1998, 163(2): 155-165. [本文引用:1]
[16] 杨子清, 陈平留, 刘健, 余坤勇, 廖晓丽, 游浩辰, 缪绿琳. 基于Kriging 法的森林土壤养分空间插值. 福建农林大学学报(自然科学版), 2012, 41(3): 296-300.
Yang Z Q, Chen P L, Liu J, Yu K Y, Liao X L, You H C, Miu L L. Spatial interpolation of forest soil nutrients based on Kriging method. Journal of Fujiang Agriculture and Forestry University (Natural Science Edition), 2012, 41(3): 296-300. (in Chinese) [本文引用:1]
[17] 石小华, 杨联安, 张蕾. 土壤速效钾养分含量空间插值方法比较研究. 水土保持学报, 2006, 20(2): 68-72.
Shi X H, Yang L A, Zhang L. Comparison of spatial interpolation methods for soil available kalium. Journal of Soil and Water Conservation, 2006, 20(2): 68-72. (in Chinese) [本文引用:1]
[18] 蔡太义, 张合兵, 陈志超, 刘昌华, 黄会娟, 王康, 徐丹. 新郑市农田土壤有机质的空间变异. 草业科学, 2014, 31(5): 818-825.
Cai T Y, Zhang H B, Chen Z C, Liu C H, Huang H J, Wang K, Xu D. Spatial variation of soil organic matter in farmland from main grain growing regions of Xinzheng City, Henan Province. Pratacultural Science, 2014, 31(5): 818-825. (in Chinese) [本文引用:1]
[19] 张宇, 黄琛, 赵萌莉. 取样尺度对荒漠草原土壤水分空间异质性的影响. 草业科学, 2013, 30(11): 1698-1703.
Zhang Y, Huang C, Zhao M L. Effects of sampling scale on the spatial heterogeneity of soil moisture in desert steppe. Pratacultural Science, 2013, 30(11): 1698-1703. (in Chinese) [本文引用:1]
[20] 丁晓纲, 李吉跃, 张方秋, 潘文, 何茜, 陈静, 王冉, 张卫华. 林木营养诊断及施肥研究进展. 广东林业科技, 2010, 26(4): 66-70.
Ding X G, Li J Y, Zhang F Q, Pan W, He Q, Chen J, Wang R, Zhang W H. Review on tree nutrient diagnosis and fertilization technique. Guangdong Forestry Science and Technology, 2010, 26(4): 66-70. (in Chinese) [本文引用:1]
[21] 任丽娜, 高广磊, 王海燕, 丁国栋, 孙嘉, 杨晓娟, 刘玲. 我国林木营养诊断及人工施肥研究进展. 辽宁农业科学, 2011(4): 43-47.
Ren L N, Gao G L, Wang H Y, Ding G D, Sun J, Yang X J, Liu L. Research advances of trees nutrient diagnosis and fertilization in China. Liaoning Agricultural Sciences, 2011(4): 43-47. (in Chinese) [本文引用:1]
[22] 姚姜铭, 吴敏坤, 王凌晖. 林木施肥与桉树短轮伐期用材林施肥研究进展. 广西林业科学, 2013, 42(3): 259-262.
Yao J M, Wu M K, Wang L H. Research progress of forest fertilization and timber forest fertilization in Eucalyptus short rotation. Guangxi Forestry Science, 2013, 42(3): 259-262. (in Chinese) [本文引用:1]
[23] 姚蕾. 速生丰产林测土配方专家系统的研建. 哈尔滨: 东北林业大学硕士学位论文, 2013.
Yao L. Establishment of expert system for fast-growing and high-yield forest soil testing. Master Thesis. Harbin: Northeast Forestry University, 2013. (in Chinese) [本文引用:1]
[24] 杨根水. 测土配方施肥在林业生产上的应用. 林业科技, 2013(6): 21-22. [本文引用:1]
[25] 潘波, 唐健, 王会利, 曹继钊, 宋贤冲. 3 种肥料品种的氮素养分静水释放试验. 广西林业科学, 2013, 42(3): 273-275.
Pan B, Tang J, Wang H L, Cao J Z, Song X C. Hydrostatic releasing test on nitrogen nutrient in three fertilizers. Guangxi Forestry Science, 2013, 42(3): 273-275. (in Chinese) [本文引用:1]