基于地质背景的山核桃林地土壤肥力因子分析

董建华，赵伟明，赵科理，胡俊靖，李 皓，袁紫倩，雷亦晨

（1.杭州市林业科学研究院，浙江 杭州 310022；2.浙江农林大学a.环境与资源学院；b.浙江省土壤污染生物修复重点实验室，浙江 临安 311300）

山核桃Carya cathayensis是浙江名特优产品，主要分布在浙江西北部天目山地区，山核桃产业是主产区林农主要经济来源。近年来，随着山核桃产品市场认可度的提升，农民加大了对山核桃林的投入力度，特别加大化学肥料的施用量，以促进高产。但是，不同地质背景下发育的山地土壤元素分布特征差异较大[1-2]。相关研究也表明：山核桃的生长分布在一定程度上受地层、岩石类型的影响[3]，不同基岩分布区，山核桃生长差别较大[4]。长期单一施用化肥作为养分补给来源，容易造成土壤养分不均衡，甚至导致土壤酸化和地力衰退，影响山核桃生长。因此，山核桃林地施肥应具有针对性。揭示不同地质背景下发育的山核桃林地土壤的肥力特性可以为山核桃健康施肥管理提供一些参考。近年来，针对山核桃植物营养、繁育技术和产品加工等方面的研究相对较多[5-12]，关于山核桃林地土壤肥力的研究虽然逐步增多[13-16]，但以农业地质环境为基础，开展山核桃林地土壤肥力特性的研究鲜见报道。笔者通过GIS 技术和因子分析等方法，研究不同地质背景下山核桃林地土壤肥力特性，以期为山核桃健康施肥和养分调控提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于浙江省杭州市，是山核桃的主要产区。该区年平均气温为16.6 ℃，夏季平均气温33.8 ℃，冬季平均气温3.6 ℃，年平均降水量1 399 mm，年平均日照时数1 899 h，无霜期250 d。杭州市大地构造处于扬子准地台钱塘台褶带，中元古代以后，地层发育齐全，山核桃主要分布在海拔50～1 200 m 的丘陵山地，立地为震旦系—奥陶系不纯碳酸盐岩类，泥盆系砂砾岩类，侏罗系流纹质熔结凝灰岩、凝灰熔岩等组成的火山岩类[16]。

1.2 样品采集与制备

按1 km×1 km 网格布设山核桃林地土壤采样点（即选取平方千米网格中有山核桃林分的点确定为采样点）[14]。在对不同地质背景下山核桃林地土壤开展普查的基础上，根据林地采样布点图，于2013年春季，山核桃林地施肥前，通过全球定位系统（GPS）导航和定位，在杭州临安、淳安、桐庐等3 个山核桃主要分布区确定288 个采样点。在选定的典型样地上，按“S”型布点，分别采集5 个点的表层（0～20 cm）土样，将其混合成1 个土壤样品，然后采用四分法留取样品1 kg，带回实验室。

1.3 土壤测定方法与数据分析

土壤pH 值测定采用pH 计（水土质量比2.5 ∶1.0）电位法；有机质（OM）含量测定采用重铬酸钾- 外加热法；碱解氮（AN）含量测定采用碱解扩散法；速效磷（AP）含量测定采用Olsen 法；速效钾（AK）含量测定采用乙酸铵浸提-火焰光度法；交换性钙（ECa）、交换性镁（EMg）含量测定采用乙酸铵交换- 原子吸收分光光度法；有效硼（AB）含量测定采用热水浸提- 电感耦合等离子光谱法（简称ICPOES）；有效铁（AFe）、有效锰（AMn）、有效铜（ACu）、有效锌（AZn）含量测定采用DTPA 浸提-电感耦合等离子光谱法[17]。

在ArcGIS 软件环境下利用调查样点的空间和土壤养分信息建立杭州市山核桃主产区土壤样点养分数据库。对杭州市矿产资源分布电子图进行矢量化处理，取得山核桃主要分布区地质地层的矢量数据。将杭州市山核桃主产区地质地层分布的矢量数据、山核桃林小班分布矢量数据、行政区划矢量数据逐一入库。从数据库中提取研究区样点分布矢量图和地质地层矢量图，通过叠加获取各调查点的地质年代和岩石地层等属性。提取数据库中的地质地层矢量图和山核桃小班分布图，统计研究区地层和山核桃林地总面积，并通过地质地层矢量图和山核桃小班分布图的相交处理，统计得到各类地层面积以及不同地层内山核桃林地面积。

使用SPSS 17.0 统计分析软件进行方差分析和因子分析。

2 结果与分析

2.1 山核桃分布的地质构造特征

从地质年代特征来看，研究区除中生界三叠系和新生界第三系缺失外，自元古界震旦系至新生界侏罗系均有发育。但以奥陶系地层出露最多，其次为侏罗系地层和寒武系地层（见图1和表1）。

图1 杭州市山核桃地质分布Fig.1 Geological distribution of C.cathayensis in Hangzhou

表1 山核桃在不同地质背景发育土壤的分布Table 1 Distribution of C.cathayensis in soil under different geological background conditions

从山核桃的分布情况来看，主要分布在该区出露的寒武系、奥陶系、侏罗系和震旦系地层上。由表1可见：分布于寒武系的山核桃林面积最多，达23 216.92 hm2，占山核桃总面积的55.51%；其次为奥陶系，面积9 799.45 hm2，占总面积的23.43%；然后是侏罗系，面积5 518.24 hm2，占山核桃总分布面积的13.19%，其他地层山核桃分布较少。

从研究区所出露各地层的山核桃栽培利用情况来看，以寒武系地层利用率最高，山核桃栽培面积占寒武系地层总面积的31.61%；其次为震旦系地层，山核桃栽培利用比例为12.15%；再次是奥陶系地层，为11.43%；而侏罗系地层仅为7.80%。

同一年代地层具有相似岩性变化和岩性组合，但不同年代地层出露的岩体存在着较大的岩性差异。在山核桃主要分布的地层中，寒武系的西阳山组、杨柳岗组、华严寺组等地层的岩性以灰岩为主；而奥陶系的印渚埠组、胡乐组以及震旦系的兰田、皮园村组等地层主要是钙质页岩、泥质页岩和砂岩等；侏罗系的黄尖组地层以流汶岩、凝灰岩等酸性岩为主，同时有部分花岗岩和花岗闪长岩等出露岩体。

2.2 不同地质背景下发育的土壤养分特征分析

2.2.1 土壤有机质和pH 值

不同地层发育的山核桃林地土壤有机质含量差异不大（见表2）。由表2可以看出，奥陶系发育的土壤有机质含量最高（31.53 g/kg），其次为侏罗系（31.13 g/kg）、寒武系（31.00 g/kg）。

土壤酸碱性对土壤养分的存在状态、转化和有效性存在重要影响。因近年来山核桃林地大量施用化肥，再加上本区降水较丰富，土壤淋溶作用较强，土壤酸化明显。由表2可以看出，不同地质背景下土壤pH 值均低于6.0。但土壤pH 值对母岩仍有较大的继承性，不同母质发育土壤pH值存在极显著差异，不同地质背景下形成的土壤pH 值从高到低依次是：寒武系发育的土壤（5.72）、奥陶系发育的土壤（5.27）、侏罗系发育的土壤（4.92）。

2.2.2 速效养分

土壤原生矿物风化释放的养分是土壤速效养分的基本来源，人工施肥则是耕作土壤养分，特别是氮、磷、钾等营养元素的重要补充[18]。由不同地层发育的山核桃林地土壤的速效养分含量见表2。由表2可以看出，不同地质背景下土壤碱解氮含量无显著差异，各地层发育土壤碱解氮含量均大于150 mg/kg，能较好地供应山核桃生长。

不同地质背景下土壤速效磷含量从高到低依次是寒武系（13.44 mg/kg）、奥陶系（9.03 mg/kg）、侏罗系（7.41 mg/kg），经方差分析可知，不同地质背景下发育土壤速效磷的含量差异达到显著水平。

与N、 P 不同，土壤速效钾含量最高的是侏罗系发育的土壤（87.50 mg/kg），其次是寒武系（87.11 mg/kg），奥陶系发育土壤钾的含量最低（83.68 mg/kg）。这与侏罗系酸性火成岩如花岗岩类母岩中富含长石、云母等含钾丰富的矿物有一定关系[19]。

2.2.3 中量营养元素

不同地层发育的山核桃林地土壤中量营养元素含量见表2。表2中方差分析结果表明，不同地质背景下土壤的有效钙、有效镁的含量达到极显著水平，且可以看出不同地层发育土壤的pH 值、交换性钙和交换性镁的分布特征相似。土壤交换性钙和交换性镁含量最高的是寒武系发育的土壤，其次是奥陶系、侏罗系发育的土壤。

表2 不同地层发育土壤的化学性质†Table 2 Chemical properties of soil from different strata

土壤中钙、镁主要来源于成土母质，其含量主要受成土母质及风化和成土条件的影响。山核桃分布区的寒武系发育的土壤成土母岩以富含碳酸钙的灰岩、泥质灰岩和钙质泥岩为主，风化成土过程中碳酸钙延缓了土壤盐基的淋失和土壤的酸化进程，土壤pH 值最高，交换性钙和交换性镁的含量也最高。侏罗系发育的土壤成土母岩以酸性火成岩为主，CaCO3含量偏低，风化成土过程中盐基淋失较多，土壤pH 值最低，交换性钙、交换性镁也相对贫乏。

2.2.4 微量营养元素

以背景地质体为基础的地质背景是土壤有效性微量元素含量的重要决定因素[20]。由不同地层发育的山核桃林地土壤微量营养元素含量见表2。由表2可以看出，不同地质背景下土壤微量元素含量差异较大。方差分析结果表明，不同地质背景下土壤的有效态铁、有效态锰、有效态铜、有效态锌、有效态硼的含量差异达到显著水平。有效态铁和有效态锰的含量由高到低依次是奥陶系、寒武系、侏罗系；有效铜、有效态锌、有效态硼的含量由高到低依次是寒武系、奥陶系、侏罗系。可以看出，奥陶系、寒武系发育土壤微量元素含量整体高于侏罗系发育土壤，在一定程度上说明土壤中微量元素分布特征受其下地质单位的空间分布的影响。

2.3 影响山核桃生长的关键土壤肥力因子分析

反映土壤肥力特性的各指标之间关系复杂，利用因子分析降维的思想，可以提取较少几个不相关的公共因子反映大部分的土壤信息[21-22]。采用主成分分析法，按照特征根≥1 的原则提取公因子，为了更加明确每个公共因子的含义及其与载荷较大的变量的关系，运用最大方差旋转法对初始因子进行正交旋转，得到旋转后的因子载荷矩阵[23-26]。

主成分分析方差解释结果见表3。由表3可以看出，侏罗系、奥陶系、寒武系分别有5、4、5 个特征根大于1，其对土壤养分的累积贡献率分别为81.245%、71.796%、74.549%，均代表了绝大部分信息，能够对所分析的问题进行较好的解释。不同地层发育的土壤第1 个因子的特征根均较高，对解释原有变量的贡献最大，不同因子的特征根值依次降低。

表3 主成分分析方差解释Table 3 Total variance explaination of principal component analysis

因子载荷矩阵中载荷量的大小，表明对该主成分的影响高低程度[23]。侏罗系地层发育土壤肥力指标的主因子F1在土壤pH 值、交换性镁、交换性钙、有效态铜、有效态锌的载荷较大，主因子F2在碱解氮、有机质的载荷较大，主因子F3在有效铁、有效锰的载荷较大、主因子F4、F5在速效磷、有效硼、速效钾的载荷较大；奥陶系地层发育土壤肥力指标的主因子F1在土壤pH 值、交换性钙、交换性镁载荷较大，主因子F2在有机质、碱解氮、有效硼的载荷较大，主因子F3在有效铜、有效锌的载荷较大，主因子F4在速效磷、速效钾、有效铁、有效锰的载荷较大；寒武系发育土壤肥力指标的主因子F1在土壤pH 值、交换性钙、有效磷、有效铁的载荷较大，主因子F2在碱解氮、有机质、有效硼的载荷较大，主因子F3在有效锰、交换性镁的载荷较大，主因子F4、F5在速效钾、有效态锌、有效态铜的载荷较大（见表4）。

可以看出不同地层发育的土壤元素在因子载荷上存在一些共性，第1 主成分在土壤pH 值和交换性钙、交换性镁的因子载荷均较大，呈共生组合，说明这3 个肥力因子是影响山核桃生长的关键因子。第2 主成分在碱解氮、有机质的因子载荷均较大，说明这2 个肥力因子与山核桃的生长密切相关。速效钾在第4、第5 主成分均有较大的因子载荷，可能暗示该元素对山核桃的生长有着一定的控制作用。

表4 旋转后的因子载荷矩阵Table 4 Rotated factor loading matrix

不同地层发育的土壤元素在因子载荷上又呈现出各自的特点，除土壤pH 值、交换性钙、交换性镁外，有效态铜、有效态锌也在侏罗系的第1 主成分表现出较大的因子载荷，说明除上述3 个关键因子外，铜、锌也是侏罗系制约山核桃生长的关键因子。而奥陶系、寒武系发育的土壤中硼的制约效应要大于这2 个元素。寒武系发育的土壤第1 主成分速效磷和有效态铁的因子载荷表现出负相关关系，且交换性钙、交换性镁的因子载荷也小于其他2 个地层，这在一定程度上反映出寒武系土壤盐基饱和度高，钙、镁元素对山核桃生长的制约作用小于其他2 个地层，该地层土壤的酸化可能与氮肥的大量施用关系更为密切，速效磷和有效态铁与土壤pH值呈负相关，可能是由于在寒武系发育的石灰性土壤中养分的氧化反应占了主导地位。

3 结论与讨论

杭州市山核桃主要分布在寒武系地层，以及与之上接的奥陶系部分地层，其次是侏罗系地层。不同时代的各种岩层和地质体以及地质营力对土壤的形成和变化有明显的控制作用[27]，本研究中发现，在山核桃主要分布的寒武系、奥陶系和侏罗系3 个地层中，土壤pH 值、交换性钙、交换性镁、有效铜和有效锌含量依次下降，差异显著。徐小磊等[4]经研究发现，同一地层的岩-土系统在不同地点有基本相同的元素迁移规律，导致土壤中的微量元素分配受控于其下地质单位的空间分布，植物生长必需的微量营养元素表现出由南华系向寒武系地层中土壤强烈富集的趋势，陈世权等[28]经研究也发现，不同母岩发育的山核桃林地土壤pH 值差异较大，花岗岩发育的土壤酸碱度最低，与本研究结果具有一致性。

经营措施等人为干扰是影响土壤性质变化的主要因子。施肥和化学除草会引发土壤出现不同程度的酸化。本研究中发现，山核桃林地土壤普遍处于酸性状态（pH 值在4.92～5.72），与20世纪80年代第2 次土壤普查结果（pH 值在6.0～8.0）相比显著降低。但不同地层所具有的母岩特性、成土过程使其土壤对酸的缓冲能力存在一定的差异。在侏罗系地层中，山核桃主要分布在黄尖组地层发育的土壤中，其成土母岩以流纹岩和凝灰岩为主[4]，部分分布在花岗岩和石英二长岩发育的土壤中。该系地层岩性为酸性，其发育的土壤均呈酸性至微酸性，阳离子交换量整体不高，因此，土壤缓冲性能低，土壤更容易酸化；奥陶系出露的地层中，山核桃主要分布在印渚埠组及印渚埠、胡乐组并层，另外长坞组和宁国组地层也有少量出露。其岩性以粉砂质页岩夹钙质页岩和页岩为主，部分夹泥灰岩、瘤状泥灰岩和粉砂岩。该类土壤在成土过程中经历了不同程度的脱硅富铝化过程，盐基离子淋失强烈，土壤普遍呈现为弱酸性至酸性；由于代换性酸度大，土壤酸化风险高，其对酸的缓冲能力主要取决于成土母质中碳酸钙的含量，母质中碳酸钙含量越高，对酸的缓冲能力越强[29]。寒武系发育的山核桃林地土壤在研究区分布的面积最大，出露的地层主要有西阳山组、华严寺组、杨柳纲组和荷塘、大陈岭组合并层，其中以西阳山组出露最广。其岩性主要为含炭、泥质的碳酸盐岩类[3]，Ca2+十分丰富，增强了土壤有机质团粒结构的稳定性，从而大大提高了对有效养分的吸附能力，表现出多种微量元素的富集，具有良好的持肥能力和较强的对酸缓冲能力。

施肥对山核桃林地土壤主要养分的含量水平影响较大。研究表明：3 种地层土壤的有效氮含量均位于较高水平，其平均值均在150 mg/kg 以上；有效钾和有效磷平均含量位于中等偏下水平。究其原因，主要是林农在施肥实践中，过多偏施氮素肥料和氮、磷、钾养分比例各占15%的复合肥所造成，而没有根据山核桃植物营养需求规律，科学平衡施肥。研究区大部分山核桃林地土壤微量元素养分相对贫乏，一方面是由于受地质背景的影响，其中有效铜和有效锌含量随寒武系、奥陶系和株罗系地层依次呈明显下降，而土壤有效硼在研究区呈整体贫乏状态；另一方面主要是长期以来在山核桃施肥实践中忽视对铜、锌和硼等微量元素肥的补充和使用而造成。

山核桃为喜钙树种，适宜种植在灰岩、钙质页岩发育的中性至微酸性土壤[13]。因子分析结果表明：土壤pH 值和交换性钙、交换性镁是影响山核桃生长的关键因子。土壤pH 值、交换性钙和交换性镁含量最高的寒武系发育的土壤上山核桃的分布面积最广，占到研究区山核桃总分布面积的55.51%，调查中也发现寒武系山核桃长势相对较好，干腐病等病害的发生程度也较低。山核桃的生长和Cu、Zn 等在土壤中的分布联系紧密，和一定的地层分布一致，其中以Cu 吻合最好[4]。本研究中发现，铜、锌、硼等微量元素在不同地层发育土壤的因子载荷差异明显，这些差异可能是对山核桃长势及产量起决定性作用或具有一定的制约作用的因素所引起。在本研究中，没有进一步将不同地质背景下的山核桃林地土壤肥力特性和山核桃植物营养及果实品质、产量进行综合分析与对比，在后续的研究中，应进一步加强不同地质条件土壤肥力差异对林地土壤和山核桃生长之间的定量影响研究，继续深入研究不同地质背景下影响山核桃产量、品质的土壤限制因子。