石媛媛，趙雋宇，宋賢沖，潘 波，覃其云，鄧小軍，趙澤洪

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣西林用新型肥料研發(fā)中心，廣西南寧 530002）

科學(xué)保護(hù)與利用林地土壤，使之健康、可持續(xù)經(jīng)營與發(fā)展，是確保林業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和實(shí)現(xiàn)“綠水青山就是金山銀山”的重要手段[1-2]。2018年底，廣西人工林面積約853 萬hm2，居全國第一位，木材產(chǎn)量約占全國木材產(chǎn)量的45%，是全國為數(shù)不多實(shí)現(xiàn)人工林面積與蓄積量“雙增”的林業(yè)大省，為國家木材安全保駕護(hù)航[3]。近30年來，在廣西林業(yè)生產(chǎn)中，施肥多以化肥為主，不重視有機(jī)肥的使用，忽視土壤類型、氣候類型和肥力水平的差異，過量施用化肥造成林地土壤有機(jī)質(zhì)缺乏，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)受到破壞，出現(xiàn)沙化、酸化、退化、污染和地力持續(xù)下降等問題，林地生產(chǎn)力難以維持[4-6]。經(jīng)調(diào)研，現(xiàn)階段單一的施肥配方已不能滿足人工林產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的需求。需肥量較低的區(qū)域施肥過量，會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分輸入過剩、養(yǎng)分面源污染和河流富營養(yǎng)化等問題；需肥量較高的區(qū)域養(yǎng)分輸入不足，會限制林木生長，林木質(zhì)量較差[7-9]。基于以上人工林產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中出現(xiàn)的問題，在林地土壤環(huán)境大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行人工林地肥力區(qū)劃，制定科學(xué)的區(qū)域化施肥措施迫在眉睫。

農(nóng)林區(qū)劃是按農(nóng)林地域分異規(guī)律，科學(xué)劃分區(qū)域，是研究農(nóng)業(yè)地理布局的一種重要科學(xué)分類方法[10]。在林業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，林地肥力區(qū)劃是在林業(yè)資源調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)各地不同的土壤類型、森林氣候分區(qū)類型和土壤養(yǎng)分分布等特點(diǎn)，按照區(qū)內(nèi)相似性、區(qū)間差異性和保持一定界線完整性的原則，將土壤劃分為若干不同類型和等級的分區(qū)，并分析各分區(qū)的林地土壤肥力分布特點(diǎn)、布局現(xiàn)狀和存在的問題，找到各區(qū)的人工林施肥方向及解決問題的途徑[11-13]。

基于以上背景，該文在廣西土壤類型分布、廣西森林氣候分區(qū)[14]和廣西土壤養(yǎng)分分布等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用GIS 技術(shù)和人工智能算法等方法，按照降水、溫度、土壤類型和土壤肥力等要素將廣西人工林劃為不同分區(qū)，探討各區(qū)人工林生產(chǎn)施肥中存在的共性問題，提出科學(xué)的解決方案，可為充分合理地利用林地資源和自然資源、發(fā)揮地區(qū)資源優(yōu)勢、調(diào)整林業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、制定林業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的遠(yuǎn)景規(guī)劃及指導(dǎo)林業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 人工林分區(qū)方法

廣西森林地理分布緯向地帶性的變化為自南向北從熱帶林經(jīng)由南亞熱帶林過渡至中亞熱帶林，顯域性模式為季雨林-季風(fēng)常綠闊葉林-典型常綠闊葉林；經(jīng)向地帶性變化出現(xiàn)在南亞熱帶林，西部亞熱帶森林從云南向東遷移，止于桂西北山原西部。根據(jù)以上特點(diǎn)，將廣西森林氣候劃分為7個區(qū)，即中亞熱帶闊葉林東、中亞熱帶闊葉林西、南亞熱帶闊葉林西、南亞熱帶闊葉林中、南亞熱帶闊葉林東、北熱帶季雨林西和北熱帶季雨林東。綜合廣西森林氣候分區(qū)、土壤類型分區(qū)和廣西人工林分布的特點(diǎn)，以區(qū)內(nèi)森林氣候類型[15]相對一致性為主要原則，以區(qū)內(nèi)土壤類型相對一致性為輔，對全區(qū)人工林土壤肥力進(jìn)行劃分。廣西土壤類型數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院南京土壤研究所提供，廣西人工林主要土壤類型有紅壤、赤紅壤和石灰（巖）土。

1.2 氣象及行政區(qū)劃數(shù)據(jù)

該文使用的氣象及行政區(qū)劃數(shù)據(jù)均在中國科學(xué)院資源科學(xué)與數(shù)據(jù)中心下載。氣象數(shù)據(jù)集是根據(jù)氣象觀測站歷史觀測數(shù)據(jù)，利用反向距離加權(quán)平均的方法內(nèi)插計(jì)算獲得的空間分辨率為500 m ×500 m 的氣候指標(biāo)空間分布數(shù)據(jù)集，該文使用年均氣溫、年均降水量和≥10 ℃年積溫3 個指標(biāo)的空間分布數(shù)據(jù)。

1.3 土樣采集及土壤數(shù)據(jù)

該文使用的林地土壤數(shù)據(jù)分為歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)為廣西林地土壤數(shù)據(jù)庫中存儲的1983 — 2013年的廣西林地土壤數(shù)據(jù)，共420 個樣點(diǎn)，4 360 個養(yǎng)分指標(biāo)；現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為2016 — 2020年近5年間收集到的廣西林地土壤數(shù)據(jù)，共660 個土壤樣點(diǎn)，8 300個養(yǎng)分指標(biāo)。主要肥力評價指標(biāo)為土壤pH 值和有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量。土壤pH值采用電位法測定，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，堿解氮含量采用半微量凱氏定氮法，有效磷含量采用M3 溶液浸提后用全自動間斷化學(xué)分析儀測定，速效鉀含量采用醋酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測定[16]。評價指標(biāo)參考全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同森林分區(qū)氣候因子分析

將年均氣溫、年均降水量和≥10 ℃年積溫分級顯示，疊加廣西森林氣候分區(qū)分布圖（圖1～3）。全區(qū)年均氣溫、年均降水量和≥10 ℃年積溫呈現(xiàn)從東向西和從南向北降低的趨勢。年均氣溫和≥10 ℃年積溫變化趨勢相似，均呈現(xiàn)南部較高、北部較低和低海拔區(qū)域較高、高海拔區(qū)域較低的趨勢。森林氣象因子分布的經(jīng)向分界線與年均降水量變化趨勢線基本一致；從東向西，中亞熱帶闊葉林東、南亞熱帶闊葉林東和北熱帶季雨林東3個東部區(qū)域的年均降水量較高；中亞熱帶闊葉林西、南亞熱帶闊葉林中和北熱帶季雨林西3個中部區(qū)域的年均降水量次之；南亞熱帶闊葉林西區(qū)域的年均降水量最少，達(dá)到半濕潤地帶的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 年均氣溫森林氣候分區(qū)分布Fig.1 Distribution of forest climate zones with annual average temperatures

圖2 年均降水量森林氣候分區(qū)分布Fig.2 Distribution of of forest climate zones with annual average rainfalls

圖3 ≥10 ℃年積溫森林氣候分區(qū)分布Fig.3 Distribution of forest climate zones with annual ac?cumulated temperature ≥10 ℃

2.2 廣西人工林土壤區(qū)劃

將廣西人工林地劃分為7 個區(qū)，各區(qū)命名方式為“氣候帶+森林類型+主要人工林土壤類型”（圖4）。其中，赤紅壤有3個分區(qū)，分別為北熱帶季雨林赤紅壤西區(qū)（赤紅壤西區(qū)）、北熱帶季雨林赤紅壤東區(qū)（赤紅壤東區(qū)）和南亞熱帶常綠闊葉林赤紅壤區(qū)（南亞熱帶赤紅壤區(qū)）；紅壤有3個分區(qū)，分別為半濕潤南亞熱帶常綠闊葉林紅壤區(qū)（半濕潤紅壤區(qū)）、中亞熱帶常綠闊葉林紅壤西區(qū)（紅壤西區(qū)）和中亞熱帶常綠闊葉林紅壤東區(qū)（紅壤東區(qū)）；另一個分區(qū)為南亞熱帶常綠闊葉林石灰（巖）土區(qū)（石灰（巖）土區(qū)）。

圖4 廣西人工林土壤分區(qū)Fig.4 Soil division of plantations in Guangxi

2.3 廣西人工林土壤養(yǎng)分分布特征

廣西人工林土壤pH 均值為4.41，屬于強(qiáng)酸性土壤，最小值4.01，最大值6.12，變異系數(shù)5.44%，變異?。ū?）。土壤有機(jī)質(zhì)含量均值為31.24 g/kg，屬于中等水平，最小值15.39 g/kg，最大值48.94 g/kg，變異系數(shù)16.17%，變異中等。土壤堿解氮平均含量為137.73 mg/kg，屬于較高水平，最小值50.75 mg/kg，最大值282.99 mg/kg，變異系數(shù)25.93%，變異較大，分布不均。土壤有效磷平均含量為1.89 mg/kg，最小值0.53 mg/kg，最大值4.13 mg/kg，變異系數(shù)13.23%，變異不大。土壤速效鉀平均含量為60.65 mg/kg，最小值23.02 mg/kg，最大值206.14 mg/kg，變異系數(shù)13.37%，變異不大。

表1 廣西人工林土壤養(yǎng)分概況Tab.1 Overviews of soil nutrients of plantations in Guangxi

對近5年土壤的pH 值進(jìn)行插值分析，獲得人工林土壤pH 值分布圖（圖5）。全區(qū)人工林土壤呈酸性，大部分區(qū)域pH 值小于5.5，屬于強(qiáng)酸性區(qū)域；總體來看，桂北和桂西的土壤pH值較高，桂南的pH值較低。對近5年土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行插值分析，獲得人工林土壤有機(jī)質(zhì)含量分布圖（圖6）。全區(qū)大部分人工林土壤有機(jī)質(zhì)含量高于30 g/kg，屬于中等水平；從分布情況看，有機(jī)質(zhì)含量較低的區(qū)域多集中在桉樹種植密集的中南部。對近5年土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量進(jìn)行插值分析，獲得人工林各速效養(yǎng)分含量分布圖（圖7～9）。全區(qū)人工林土壤堿解氮含量為高水平，呈現(xiàn)北部較高和南部較低的特點(diǎn)；全區(qū)大部分區(qū)域的土壤有效磷含量低于3.00 mg/kg，為很低水平；全區(qū)大部分區(qū)域的土壤速效鉀含量低于90 mg/kg，為低水平。

圖5 土壤pH值空間分布Fig.5 Spatial distribution of soil pH value

圖6 土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布Fig.6 Spatial distribution of soil organic matter content

圖7 土壤堿解氮含量空間分布Fig.7 Spatial distribution of soil alkali-hydrolyzable nitrogen content

圖8 土壤有效磷含量空間分布Fig.8 Spatial distribution of soil available phosphorus content

圖9 土壤速效鉀含量空間分布Fig.9 Spatial distribution of soil available potassium content

2.4 廣西人工林土壤區(qū)域化肥力評價

按照廣西人工林土壤分區(qū)分別提取各分區(qū)主要土壤養(yǎng)分含量均值，并與同區(qū)歷史均值進(jìn)行對比分析（表2）。土壤pH 均值在赤紅壤東區(qū)最低（4.32），在半濕潤紅壤區(qū)最高（4.69）。土壤有機(jī)質(zhì)平均含量在紅壤東區(qū)最高（36.93 g/kg），在半濕潤紅壤區(qū)（26.00 g/kg）和赤紅壤西區(qū)（26.21 g/kg）較低，呈現(xiàn)維度帶分布規(guī)律。土壤堿解氮平均含量在紅壤東區(qū)（169.86 mg/kg）和紅壤西區(qū)（164.85 mg/kg）較高，在赤紅壤東區(qū)（111.06 mg/kg）和赤紅壤西區(qū)（105.22 mg/kg）較低，與土壤有機(jī)質(zhì)含量類似，呈現(xiàn)維度帶分布規(guī)律。土壤有效磷平均含量在赤紅壤東區(qū)（1.94 mg/kg）和石灰（巖）土區(qū)（1.94 mg/kg）較高，在半濕潤紅壤區(qū)最低（1.77 mg/kg）。土壤速效鉀平均含量在半濕潤紅壤區(qū)最高（65.22 mg/kg），在赤紅壤西區(qū)（59.21 mg/kg）和紅壤西區(qū)（59.57 mg/kg）較低。

表2 廣西人工林各土壤分區(qū)主要土壤養(yǎng)分含量對比Tab.2 Comparison on main soil nutrient contents in different soil zones of plantations in Guangxi

續(xù)表2 Continued

各分區(qū)土壤pH 均值均低于歷史均值，全區(qū)林地土壤酸化有加重現(xiàn)象；其中紅壤東區(qū)下降幅度最大（17.14%）。各分區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)平均含量均比歷史均值高，其中南亞熱帶赤紅壤區(qū)上升幅度最大（59.63%），石灰（巖）土區(qū)的上升幅度最?。?.70%）。各分區(qū)土壤堿解氮平均含量均比歷史均值高，其中南亞熱帶赤紅壤區(qū)上升幅度最大（103.89%）。各分區(qū)土壤有效磷平均含量均比歷史均值高，其中半濕潤紅壤區(qū)和赤紅壤西區(qū)的上升幅度較大，分別為160.29%和155.41%。除紅壤東區(qū)外，其他分區(qū)的土壤速效鉀平均含量均比歷史均值高，兩個高緯度分區(qū)（赤紅壤東區(qū)和赤紅壤西區(qū)）的上升幅度較大，分別為106.89%和121.68%。

3 討論與結(jié)論

林地土壤資源區(qū)劃有利于土地資源的有效利用和產(chǎn)業(yè)布局的合理規(guī)劃[18]。上世紀(jì)九十年代，有學(xué)者根據(jù)氣候條件和森林類型分布進(jìn)行廣西森林分區(qū)[15]。該文在此基礎(chǔ)上，結(jié)合土壤類型分布[19-20]，進(jìn)行廣西人工林土壤分區(qū)，各分區(qū)的氣候、土壤和肥力特征較一致，可為統(tǒng)一制定分區(qū)內(nèi)的人工林經(jīng)營管理和施肥策略提供科學(xué)依據(jù)。

對比歷史數(shù)據(jù)，廣西人工林土壤的pH 值下降，全區(qū)人工林土壤pH均值為4.41，呈強(qiáng)酸性。有研究表明，人工林施肥，尤其是銨態(tài)氮肥的施入可導(dǎo)致人工林土壤pH 值降低[21]。近5年的人工林土壤有機(jī)質(zhì)含量有一定程度上升，整體水平中等。近5年人工林土壤堿解氮含量增加明顯，可能與人工林施肥中氮肥比例較高有關(guān)。土壤有效磷和速效鉀含量也有不同程度升高，但整體含量水平較低。

赤紅壤東區(qū)的年均氣溫、年均降水量和≥10 ℃年積溫均最高，土壤pH 值最低，土壤酸性最強(qiáng)，該區(qū)高溫、高濕、土壤酸化嚴(yán)重、土壤肥力中等。赤紅壤西區(qū)年均降水量較低，年均氣溫和≥10 ℃年積溫較高，土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量較低，該區(qū)高溫、少雨、土壤肥力較低。南亞熱帶赤紅壤區(qū)降水量中等，年均氣溫和≥10 ℃年積溫較高，土壤pH 值較低，有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量中等，該區(qū)高溫、土壤酸化嚴(yán)重、土壤肥力中等。半濕潤紅壤區(qū)年均降水量最低，年均氣溫和≥10 ℃年積溫也較低，土壤pH 值較高，土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量較低，該區(qū)低溫、少雨、土壤酸化較輕、土壤肥力較低。石灰（巖）土區(qū)的氣候和土壤肥力指標(biāo)均處于中等水平。紅壤東區(qū)和西區(qū)的年均降水量和年均氣溫均較低，土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量較高，該區(qū)低溫、土壤肥力較高。王淑彬等[22]研究認(rèn)為土壤全氮含量與有機(jī)質(zhì)有很強(qiáng)的相關(guān)性，有機(jī)質(zhì)是全氮的主要來源。王春燕等[23]研究表明土壤有機(jī)碳組分呈現(xiàn)緯度分布格局，氣候是主要影響因子。這與本研究中土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量的分布規(guī)律相似，均呈現(xiàn)高緯度區(qū)域比低緯度區(qū)域高的規(guī)律。土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量分布呈現(xiàn)緯度分布格局的另一個原因可能是不同植被類型的影響[24]。桂北人工林的優(yōu)勢樹種主要為輪伐期較長的杉木（Cunninghamia lanceolata）和松樹（Pinusspp.），桂中南人工林的優(yōu)勢樹種主要為短周期的桉樹（Eucalyptusspp.）；有學(xué)者對不同輪伐期的桉樹人工林土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行研究，認(rèn)為不同林齡桉樹人工林土壤總碳固存隨林齡增長而顯著降低[25]；對杉木人工林表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的研究表明，不同土壤類型有機(jī)質(zhì)含量差異較大，表現(xiàn)為黃壤>紅壤>赤紅壤[26]。但未見有研究將桉樹和杉木兩個優(yōu)勢樹種林分的土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行對比分析，有待進(jìn)一步研究確認(rèn)。

本研究對全區(qū)人工林土壤進(jìn)行區(qū)劃，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和近五年的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)對土壤肥力進(jìn)行區(qū)域化評價，可為今后各區(qū)人工林的營林管理和施肥策略制定提供理論基礎(chǔ)。在分區(qū)的基礎(chǔ)上，各分區(qū)人工林土壤肥力量化分級是下一步需要開展的工作，可進(jìn)一步提升人工林科學(xué)施肥水平，促使全區(qū)人工林精準(zhǔn)施肥和地力提升工作的開展，提高林地生產(chǎn)力和可持續(xù)發(fā)展能力。