基于Nemerow法的森林土壤肥力综合指数评价

2016-08-02邓小军陈晓龙唐健王会利韩华徐永腾何文平

草业学报 2016年7期

邓小军，陈晓龙，唐健，王会利，韩华，徐永腾，何文平

(1.广西优良用材林资源培育重点实验室, 广西壮族自治区林业科学研究院, 国家林业局中南速生材繁育实验室,广西南宁 530003；2.广西国有大桂山林场，广西贺州 542899；3.天峨县林朵林场，广西天峨 547300)

邓小军1，陈晓龙2，唐健1，王会利1，韩华3，徐永腾3，何文平3

摘要：以广西国有大桂山林场用材林林地为研究区域，以土壤pH值、全量氮、全量磷、全量钾、速效氮、速效磷、速效钾、有效铜、有效锌、有效硼和有效铁作为评价指标，利用Nemerow法进行土壤肥力综合评价。结果表明,不同样地土壤养分因子变异系数在5.02%～65.69%。有机质平均值为28.75 g/kg，处于中等偏下水平。全量N平均含量为1.64 g/kg，速效N为135.5 mg/kg，处于中等或中等偏上水平。全量P2O5平均含量为0.82 g/kg，速效P为1.5 mg/kg，均处于贫乏水平。全量K2O平均含量为23.76 g/kg，速效K为51.8 mg/kg，均处于中等偏下水平。大量元素氮磷钾因子可以概括为“富氮、缺磷、中等钾”。微量元素方面，有效Zn和有效Fe林地平均含量分别为2.03 mg/kg和32.11 mg/kg,处于中等水平，有效B和有效Cu平均含量分别为0.18 mg/kg和0.41 mg/kg,属于贫或极贫水平。大桂山林地土壤肥力综合指数为0.85，桉树、松树林地肥力综合指数分别为0.77和0.82，肥力等级均属于Ⅲ级，杉木林地肥力综合指数为0.90，肥力等级属于Ⅱ级。速效P、有效B、有效Cu均处于贫或极贫水平,是影响研究区域土壤肥力的主要限制因子。

关键词：速效磷；土壤肥力综合指数；土壤化学性质；Nemerow法；森林土壤

土壤是林地丰产的基础，其中土壤肥力是土壤的本质属性[1-2]。土壤为森林存在和发展提供养分元素同时森林植被又会影响土壤发育和养分变化[3]。目前南方速生丰产林发展迅速，面积和产量日益提高，土壤肥力呈下降趋势，森林土壤经营技术与速丰林发展状态极不相称[4]。因此，对森林土壤的正确认识和科学客观评价是准确了解森林土壤本质及更好利用土壤资源的保障，也成为国内外研究重点[5-6]。现在国际国内森林土壤评价主要从森林土壤健康概念出发[7-8]，即着重于全面衡量森林土壤促进森林植被生产和维护森林生态功能的能力及评价森林土壤的长期生产力[9-11]。森林土壤健康或森林土壤质量概念能较全面的反应土壤物理、化学和生物学综合性质，同时反映出土壤作为生命系统位置生物生产力、促进环境质量、维持动植物和人类健康的能力[12-13],其比较符合森林生态系统健康的需要。目前土壤健康或土壤质量评价方法主要有综合指数法、模糊数学综合评判法、灰色聚类法、主成分分析法、人工神经网络法等方法[14],不同的森林土壤肥力评价方法和指标集都具有不同的特点和优势，符合不同的生产目的或者生态评价需求。本研究着重于土壤养分丰缺评价，无论是评价指标还是评价方法着眼林业生产实践需求。以为商品林地适地适树、配方施肥及土壤肥力评级提供参考为目的，根据主导性、敏感性、实用性和独立性选择合适指标[15]，通过Nemerow综合肥力指数法对广西国有大桂山林场林地进行肥力综合评价，从而得出广西大桂山林场林地肥力现状和不同速生丰产林土壤肥力情况差异，以期结合不同树种的养分需求及分配规律为林地可持续经营方案和配方施肥技术提供基础数据和参考意见。

1材料与方法

1.1研究区域概况和土壤样品的采集

广西国营大桂山林场创建于1957年，位于广西、湖南、广东三省交界的贺州市八步区，林地跨贺州市、梧州市。主要林地属于低山地貌类型，海拔200～600 m，最高海拔1204 m，最低海拔80 m。地处中亚热带，属亚热带季风湿润气候，雨热丰富，年平均气温19.3 ℃，最高气温39.7 ℃，最低气温-2.4 ℃，年平均降雨量2056 mm，年蒸发量1275 mm。林地总面积5.84万hm2，成土母岩主要以寒武系的砂岩、砂页岩为主，其次是燕山系的紫色砂岩、砂页岩和少量的花岗岩及其他母质等。土壤类型以山地红壤、紫色土为主，其次是山地黄壤[16]。

样地主要为商品用材林桉树(Eucalyptusrobusta)林、杉木(Cunninghamialanceolata)林和松树(Pinusmassoniana)林。分树种根据地域分布和面积大小设定具有代表性的20块20 m×20 m样地(桉树10个、杉木5个、松树5个)，于2013年11月中旬，注意避开施肥点、路边等区域，按S型布点法分A层(0～20 cm)和B层(20～40 cm)进行多点混合土样采集，装于采样袋中，写好标签带回实验室，风干过筛后测定相关指标。

1.2土壤测定

土壤pH值采用电位法、全N采用半微量凯氏法，全P2O5采用酸溶-钼锑抗比色法，全K2O采用氢氧化钠碱熔-火焰光度法，有机质、速效氮、速效磷、速效钾、有效微量元素(铜、锌、硼、铁)含量测定及分析方法参照《土壤农业化学分析方法》[17]。

1.3土壤肥力综合评价方法

选取pH、有机质、全N、全P2O5、全K2O、速效N、速效P、速效K、有效Cu、有效Zn、有效B、有效Fe共12个土壤属性作为评价指标，取各指标A、B层土壤数据的平均值，结合土壤养分分级标准(表1)和修正的Nemerow法[19]对大桂山林场林地分桉树人工林、杉木人工林和松树人工林进行定量综合肥力评价。

表1　广西林地土壤养分分级标准[18]Table 1　Grading standard of soil nutrient in Guangxi forest land

(1)评价依据:肥力指标高低评价标准，一根据评价目的参考相关标准，选定适宜的指标体系，确定相应的各指标标准值(Si)；二根据表2和表3建议作为评价标准值(Si)或单项肥力指数(Pi)。采用改进后的Nemerow法，进行单项及综合肥力指数评价。

(2)土壤肥力单项指数:肥力单个属性指标值的评价采用单项肥力指数计算：

Pi=Ci/Si

式中，Pi为土壤中指标i的单项肥力指数，Pi高低直接反映该项肥力指标丰富程度，越高表明该指标越丰富，肥力越高；Ci为土壤中某项指标i的实测数据；Si为土壤中某项指标i的评价标准值(本项研究按照表2和表3标准值)。

(3)土壤肥力综合指数法

式中，P综为土壤肥力综合指数 (数值保留2位有效数字)；(Pave)2为土壤各属性肥力指数的平均值平方，其中单项肥力指数Pi>3时，在综合土壤肥力指数(P综)计算时该肥力指数以Pi=3计；(Pmin)2为土壤所有指标中单项肥力指数最小值平方，其中单项肥力指数Pi>3时，该项肥力指数以Pi=3计；n为参与评价的土壤肥力指标个数 (要求10项及以上)。

(4)土壤肥力等级划分:通过综合土壤肥力指数全面反映土壤肥力水平，采用表4中建议标准值评价，分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级3个等级。

表2　广西林地土壤肥力评价指标参考标准值Table 2　Reference standard value of soil fertility evaluation index of Guangxi forest land

表3　广西林地土壤肥力评价指标建议的单项肥力指数Table 3　Individual fertility index of soil fertility evaluation index of Guangxi forest land

表4　广西林地土壤肥力等级划分[19]Table 4　Grading of soil fertility in forest land in Guangxi

2结果与分析

2.1大桂山林地总体土壤肥力情况分析结果

大桂山林地总体土壤肥力情况分析结果见表5，从全场来看土壤各因子变化较大，除pH值外其他因子变异系数均在20%以上，其中有效Cu变异系数达到了65.69%。

全场林地土壤pH值均处于3.78～4.75，平均值为4.36，呈现较强酸性，有机质平均值为28.75 g/kg，处于中等偏下水平。全量N平均含量为1.64 g/kg，速效N平均含量135.5 mg/kg比较丰富，处于中等或中等偏上水平。全量P2O5平均含量为0.82 g/kg，速效P平均含量为1.5 mg/kg，均处于贫乏水平。全量K2O平均含量为23.76 g/kg，速效K含量为51.8 mg/kg，均处于中等偏下水平。故从大量元素来看大桂山林场林地土壤可以概括为“富氮、缺磷、中等钾”。

微量元素方面，有效Zn和有效Fe平均含量分别为2.03 mg/kg和32.11 mg/kg，处于中等水平，有效B和有效Cu平均含量分别为0.18 mg/kg和0.41 mg/kg，属于贫或极贫水平。

根据修正的Nemerow法计算的单项肥力指数大小排序为，有机质>全N>全K2O>全P>速效N>有效Zn>pH值>有效Fe>速效K>有效B>速效P>有效Cu。大桂山林地土壤肥力综合指数为0.85，肥力等级属于Ⅲ级。

表5　大桂山林场林地总体土壤状况Table 5　Descriptive statistics of soil properties in Daguishan forest land

2.2桉树林地土壤肥力情况分析

大桂山桉树林地土壤肥力情况见表6，各土壤因子变化较大，除pH值变异系数为3.05%外，其他因子变异系数均在18.09%到71.40%之间，其中速效K变异系数最高达到了71.40%。

桉树林地土壤pH平均值为4.37，呈现较强酸性，与全场林地土壤pH平均值4.36相仿，有机质平均值为28.73 g/kg，处于中等偏下水平。桉树林地土壤全量N平均含量为1.62 g/kg，速效N平均含量127.4 mg/kg，均处于中等或中等偏上水平。全量P2O5平均含量为0.80 g/kg，速效P平均含量为1.5 mg/kg，均处于贫乏水平。全量K2O平均含量为23.40 g/kg，速效K含量为56.0 mg/kg，均处于中等偏下水平。故从大量元素来看桉树林地土壤同大桂山林场林地土壤整体情况一样呈现“富氮、缺磷、中等钾”。

微量元素方面，桉树林地土壤有效Zn和有效Fe平均含量分别为2.01 mg/kg和28.96 mg/kg，均处于中等或中等偏下水平，有效B和有效Cu平均含量分别为0.17 mg/kg和0.33 mg/kg，均处于贫或极贫水平。

根据修正的Nemerow法计算的单项肥力指数大小排序为：有机质>全N>全K2O>全P2O5>速效N>有效Zn>pH值>速效K>有效Fe>有效B>速效P>有效Cu。大桂山桉树林地土壤肥力综合指数为0.77，低于大桂山林地整体土壤综合系数0.85，肥力等级同样属于Ⅲ级。

表6　桉树林地总体土壤状况Table 6　Descriptive statistics of soil properties in eucalyptus forest land

2.3杉木林地土壤肥力情况分析

大桂山杉木林地土壤肥力情况见表7，pH值变异系数为9.05%，其他变异系数均在16.70%到64.62%之间，其中有效Cu变异系数最高为64.62%。

杉木林地土壤pH平均值为4.29，呈现较强酸性，略低于全场林地土壤pH平均值4.36，有机质平均值为35.69 g/kg，高于桉树林地土壤处于中等偏下水平。杉木林地土壤全量N平均含量为1.84 g/kg，速效N平均含量179.1 mg/kg，分别处于中等和富的水平。全量P2O5平均含量为0.87 g/kg，速效P平均含量为1.5 mg/kg，均处于贫的水平。全量K2O平均含量为20.95 g/kg，速效K含量为58.0 mg/kg，均处于中等偏下水平。

微量元素方面，杉木林地土壤有效Fe平均含量为45.47 mg/kg,肥力水平属于中等，有效Zn、有效B和有效Cu平均含量分别为1.43 mg/kg,0.21 mg/kg和0.54 mg/kg,肥力水平属于贫或极贫。

根据修正的Nemerow法计算的单项肥力指数大小排序为：有机质>全N>速效N>全P2O5>全K2O>有效Fe>pH值>速效K>有效Zn>有效B>有效Cu>速效P。大桂山杉木林地土壤肥力综合指数为0.90,高于大桂山林地整体土壤综合系数0.85，肥力等级属于Ⅱ级。

表7　杉木林地总体土壤状况Table 7　Descriptive statistics of soil properties in Chinese fir forest land

2.4松树林地土壤肥力情况分析

大桂山松树林地土壤肥力情况见表8，各土壤因子变化较大，pH值变异系数为5.70%，其他因子变异系数在22.17%到65.97%之间，其中有效Cu变异系数最高，达到了65.97%。

表8　松树林地总体土壤状况Table 8　Descriptive statistics of soil properties in pine forest land

松树林地土壤pH平均值为4.40,呈现较强酸性，与全场林地土壤pH平均值差异不大，有机质平均值为23.23 g/kg,处于中等偏下水平。松树林地土壤全量N平均含量为1.53 g/kg，速效N平均含量118.6 mg/kg，均处于中等水平。全量P2O5平均含量为0.83 g/kg，速效P平均含量为1.3 mg/kg，均处于贫乏水平。全量K2O平均含量为26.82 g/kg，速效K含量为37.7 mg/kg，均处于中等偏下或贫的水平。

微量元素方面，松树林地土壤有效Fe、有效Zn平均含量分别为28.36 mg/kg和2.56 mg/kg，处于中等水平，有效B和有效Cu平均含量分别为0.17 mg/kg和0.50 mg/kg，属于贫或极贫水平。

根据修正的Nemerow法计算的单项肥力指数大小排序为：有机质>全K2O>全N>全P2O5>速效N>有效Zn>pH值>有效Fe>速效K>有效B>有效Cu>速效P。大桂山松树林地土壤肥力综合指数为0.82,略低于大桂山林地整体土壤综合系数0.85，肥力等级属于Ⅲ级。

3结论与讨论

土壤养分是林木生长、发育以及物质循环的重要基础，其含量和分布情况对林木生长具有很大影响。本研究通过Nemerow法对大桂山主要用材林林地进行综合评价，不同样地土壤各养分的变异系数在5.02%～65.69%，其中pH值的变异系数最低为5.02%，有效Cu的变异系数最高为65.69%。整体上看大桂山林场林地肥力综合指数为0.85，评价等级为Ⅲ级，呈现为“富氮、缺磷、中等钾”，有效B、速效P、有效Cu为肥力主要养分限制因子。分树种来看，杉木、松树、桉树林地肥力综合指数分别为0.90，0.82和0.77，其中桉树、松树林地评价等级为Ⅲ级，杉木林地评价等级为Ⅱ级，这可能由于不同树种经营强度和经营方式不同导致的差异[20]。本次所选定的样地均为速生丰产林商品林地，由于速生丰产林生长周期短，经营强度大，养分需求高。大桂山林场林地跟农用耕地等广西其他土壤情况一样，磷是研究区域的主要肥力限制因子，因此在平衡或配方施肥时应该考虑这点，在经营过程中讲究按平衡施肥原理施肥，做到林木需要多少养分(包括微量元素养分)，便给土壤施肥补充多少，林地缺什么，施肥补什么。另外微量元素养分B、Cu也是研究区域土壤肥力的主要限制因子。尤其是对于B元素相对敏感的桉树林[18]，在平衡施肥中应该特别注重B元素的增加，以避免桉树林缺素病症的发生。

林地土壤和耕地土壤质量评价具有统一性和差异性。林地由于环境恶劣，土壤养分差异大，空间变异性高，在平衡采样成本和保证精度需求时需要考虑和取舍。另外，林地土壤评价结果用于指导林业生产施肥和林地评价，不能像农业耕地一样精细到田块，因此笔者采取区域化评价，把相同树种的区域作为一个评价单元，然后根据该单元评价结果结合树种营养需求规律进行施肥配方，在林业实际应用中更具可操作性。

在土壤质量评价的指标选择上，养分有效性指标的使用是比较稳定的[21]，其他植物生长潜力、水分有效性、根系适宜性等指标也被广泛选用，近年来学者也加大了对土壤酶活等生物学指标的研究，总之评价指标的选择应根据土壤质量评价目的性和针对性不同，对不同的土地利用类型、不同特定功能、不同景观类型选用不同的指标体系[22]。本研究中采用的Nemerow法不仅可以直观的反应研究区单项肥力情况，而且在进行土壤肥力综合评价时考虑了因子的木桶短板效应。其优势在于方法简单，便捷，实用性强，可以根据生产需求和林木营养需求规律调整评价指标，能与林业实际生产中的平衡配方施肥紧密结合，并为之提供直观的参考数据和意见。

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DOI：10.11686/cyxb2015435

*收稿日期：2015-09-14；改回日期：2015-12-28

基金项目：广西优良用材林资源培育重点实验室自主课题资助项目(14-A-02-01)，广西优良用材林资源培育重点实验室开放课题(14B0202)和广西林业科技项目(桂林科字[2014]30号，桂林科研[2015]40号)资助。

作者简介：邓小军(1988-)，男，湖南邵阳人，工程师，硕士。E-mail：dengxiaojun2008@sina.com

* 1Assessment of forest soil fertility using an integrated index based on the Nemerow method

DENG Xiao-Jun1, CHEN Xiao-Long2, TANG Jian1, WANG Hui-Li1, HAN Hua3, XU Yong-Teng3, HE Wen-Ping3

1.GuangxiKeyLaboratoryofSuperiorTimberTreesResourceCultivation,GuangxiZhuangAutonomousRegionForestryResearchInstitute,KeyLaboratoryofCentralSouthFast-growingTimberCultivationofForestryMinistryofChina,Nanning530003,China; 2.GuangxiDaguishanStateForestryFarm,Hezhou542899,China; 3.Tian’eLinduoForestryFarm,Tian’e547300,China

Abstract:This study evaluated soil fertility in a forest utilized for timer production in Daguishan State Forest Farm using the Nemerow method. Soil pH, organic matter, total N, P and K, available N, P, K, Cu, Zn, B and Fe were selected as indicators. The coefficients of variation of these indicators ranged between 5.02%-65.69%. Organic matter content of the studied soil was moderately low with an average of 28.75 g/kg. Similarly, total N and available N were moderate or moderately high with averages of 1.64 g/kg and 135.5 mg/kg, respectively. However, P was very low with an average P2O5 content of 0.82 g/kg and an average available P content of 1.5 mg/kg. Average K2O and available K contents were 23.76 g/kg and 51.8 mg/kg, respectively, moderately low. Soil fertility of the forest could be considered as “nitrogen rich, low phosphorus and moderate potassium”. Trace elements were also variable; available Zn and Fe were 2.03 mg/kg and 32.11 mg/kg, respectively, suggesting moderate levels while available B and Cu were 0.18 mg/kg and 0.41 mg/kg, respectively, indicating low or very low levels. The integrated soil fertility index of Daguishan forest was 0.85. The fertility indices of eucalyptus and pine forests were 0.77 and 0.82, respectively, equivalent to grade Ⅲ, while fir forest had a fertility index of 0.90, equivalent to grade Ⅱ. It was found that soil fertility of the study area was mainly limited by available P, B and Cu.

Key words:available phosphorus; integrated soil fertility index; soil chemical properties; Nemerow method；forest soil

http://cyxb.lzu.edu.cn

邓小军，陈晓龙，唐健，王会利，韩华，徐永腾，何文平. 基于Nemerow法的森林土壤肥力综合指数评价. 草业学报, 2016, 25(7): 34-41.

DENG Xiao-Jun, CHEN Xiao-Long, TANG Jian, WANG Hui-Li, HAN Hua, XU Yong-Teng, HE Wen-Ping. Assessment of forest soil fertility using an integrated index based on the Nemerow method. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(7): 34-41.