松阳县毛竹林地土壤养分空间变异特征分析

毛朝明，蒋灵华

（浙江省松阳县自然资源和规划局，浙江 松阳 323400）

毛竹Phyllostachys edulis作为重要的经济竹种，集约化经营程度较高，施肥等人工耕作措施已得到普遍使用，成为影响毛竹土壤养分变化的重要外在力量。郭晓敏[1]等认为施肥是造成土壤养分变异的主要原因；郭晓东[2]等认为人类施肥、耕作措施的改变及土地利用保护是引起土壤养分变化的主要原因。在制定区域平衡施肥技术方案时，必须先对土壤养分进行较为全面的调查与分析，同时考虑土壤异质的普遍性，根据土壤状况制定不同的施肥措施。传统方法是通过采集较多土壤样品数量和增加采样密度来提高调查的准确性。但是，增加采样数会受到财力、物力、人力的限制。而地统计学[3]的研究方法可以利用已知数据的空间变异规律进行插值从而得到无偏最优估计量，掌握更为准确的土壤空间养分变异情况，为制定精准施肥方案提供更为全面的土壤数据[4-5]。本文以地统计学半方差方法分析研究松阳县毛竹林地土壤的pH、有机质、全氮、碱解氮、全钾、速效钾、全磷和有效磷等体现土壤肥力的主要养分因子及空间异质特征，为准确制定区域毛竹平衡施肥方案，实现土壤养分科学管理提供客观基础数据。

1 研究区概况

松阳县地处浙江省西南山区，地理坐标为28°14′～ 28°36′ N，119°10′～ 119°42′ E，属中亚热带季风气候，温暖湿润，四季分明，山地垂直气候差异明显，年平均气温在14.2～ 17.7℃，极端最高气温40.1℃，极端最低气温-9.7℃，≥10℃年积温4 458～ 5 634℃，全年无霜期在206～ 236 d，多年平均降水量1 532 mm，年蒸发量1 294 mm，年相对湿度79%左右。境内海拔高低相差悬殊，最低海拔78 m，最高峰1 502.8 m，山地面积占87%，成土母质主要为凝灰岩、流纹岩、花岗岩等酸性火山岩，主要发育成红壤和黄壤两大土类。海拔750 m以下主要为红壤（0.4%）和黄红壤（46.9%），海拔750 m以上主要为黄壤（24%），还有岩性土、潮土、水稻土等。根据2015年森林资源二类调查结果，全县现有毛竹林1.2万hm2，主要分布在西南部山区新兴、玉岩、枫坪、竹源、叶村等乡镇，区域特征明显。

2 研究方法

2.1 土壤样品采集

在对全县毛竹林经营历史、经营情况进行调查、资料收集、整理与分析的基础上，选择新兴镇、玉岩镇、枫坪乡、竹源乡、叶村乡5个毛竹主要分布区乡镇，5个乡镇的毛竹林面积占全县毛竹林面积的70%以上，作为研究重点区域。再根据面积和经营水平结合乡镇内的空间布局，确定能代表各种不同毛竹经营强度的18个村（见图1）作为土壤取样采集村。2014年12月至2015年1月，在新兴镇、玉岩镇、枫坪乡、竹源乡各乡（镇）分别选择4个村作为土壤采集村，叶村乡毛竹林面积仅500 hm2左右，毛竹经营强度比较相近，选择2个村作为土壤采集村，分别按照每4.00～ 5.33 hm2采集1个样品的密度，布点采集土壤样品。采集0～ 30 cm表层土样，根据S形确定4～ 6个采样点混合均匀放入取样袋中，并用GPS全球定位系统定位，记录样点所在的经纬度、海拔，同时记载坡度、坡向、立竹结构、经营情况等因子，土样采集后带回实验室后风干并过筛后进行测定，共采集样品144个。

2.2 测定与分析

参照《森林土壤分析方法》（国家林业行业标准LY/T 1210-1279-1999）对影响毛竹生长的主要养分[6]土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾以及土壤pH进行测定分析，其中土壤pH虽然不是养分因子，但它的数值大小影响植物的生长，影响土壤养分因子的释放、固定和迁移等，因此也一并列入分析研究。土壤pH：水土比5:1浸提，酸度计法。土壤有机质：重铬酸钾氧化—外加热法。土壤全氮：硒粉—硫酸铜—硫酸钾消化，半微量凯氏定氮法，全自动（FOSS）凯氏定氮仪测定。土壤碱解氮：碱解—扩散吸收法。土壤有效磷：0.03 mol·L-1氟化铵—0.025 mol·L-1盐酸浸提，钼锑抗比色法。土壤速效钾：1 mol·L-1乙酸钠浸提，火焰光度计法。

图1 松阳县毛竹林地土壤样品采集村分布图Figure 1 Location of soil sampling villages in Songyang county

2.3 数据处理

2.3.1 数据预处理 在土壤采集和实验分析中，会出现分析结果的特异值（即极大值和极小值）。这些特异值对后续的数据分析会造成较大的影响，导致分析结果发生偏差而不准确，因此对实验结果数据进行预处理，从而剔除一些明显的异常值，并对这些数据进行修正，用正常最大值或正常最小值代替。在处理过程中，将特异值与总体数据比较并置于取样空间位置，如果数据与总体数据和周围分布的数据点比较都是异常的，则判断该数值为异常值，以正常最大或正常最小值代替异常值。判断异常值的标准是如果该数值比总体均值大（小）5倍标准差或以上，同时比邻近样点数据的均值大（小）3倍标准差或以上，就认为该数据为异常值，就是用正常最大值或正常最小值代替；否则，认定该数据有效。

2.3.2 数据正态检验和转换 为避免发生比例效应，使基台值和块金值增大，降低估计精度，导致某些结构特征不明显，用地统计学半变异函数分析需在本征假设或二阶平稳假设基础上进行，要求各数值必须符合正态分布或近正态分布，因此必须先对数值进行变异性和分布形态检验，对不符合正态分布的数据进行正态转换，以消除比例效应。

2.3.3 数据分析 用SPSS19统计分析软件（经典统计）对样品主要养分数值统计分析，计算其平均值（MN）、标准差（SD）、最大值、最小值、变异系数（CV）。用地统计分析软件GS+9.0对土壤养分各指标进行半变异方差分析，并通过半方差模型拟合图综合考虑决定系数、残差选出最优半方差函数模型，对其进行分析。

当CV=10%～ 100%时，为中等变异；CV＞100%时，为强变异性，CV＜10%时，为弱变异。

描述分布形态的指标有偏度和峰度。当偏度=0时，随机变量为对称分布，符合正态分布；偏度＜0时，分布为左（负）偏态；偏度＞0时，分布为右（正）偏态。峰度是描述变量分布的平缓或陡峭的指标，正态分布的峰度＝0，如果峰度＞3，峰的形状比较陡峭[7]。

在半方差函数模型中，C0表示块金方差，是由土壤采样、实验分析、施肥、耕作等各种外在随机因素共同引起的变异，其数值大表示人为因素影响较大；偏基台值C表示结构方差，由土壤母质、地形气候、植被等非人为结构因素引起的变异；C0+C为基台值，表示系统内总的变异，是半方差函数随间距递增到一定程度后出现的平稳值；块金系数C0/（C0+C）表示空间变异性程度，是由随机性因素引起的空间变异性占系统总变异的比例，块金系数大说明由随机部分引起的空间变异性程度较大；相反，块金系数小说明变异主要是由内在结构性因素引起的。按照区域化变量空间相关性程度的分级标准，当C0/（C0+C）≤25%时，表示变量具有强烈的空间相关性；当25%＜C0/（C0+C）＜75%时，表示变量具有中等的空间自相关性；C0/（C0+C）≥75%时，变量空间相关性很弱[8]。

3 结果与分析

3.1 样区毛竹林地主要养分平均含量

新兴镇、玉岩镇、枫坪乡、竹源乡、叶村乡5个乡镇毛竹林地土壤主要养分平均含量见表1。5个采样区域，毛竹林都有6～ 8 a的人工经营历史，能够涵盖全县毛竹林不同经营强度类型，基本能代表松阳县毛竹林经营的总体情况。

表1 各样区土壤pH及主要养分平均含量Table 1 Mean pH and main nutrient content in sampling area

从表1可以看出，各毛竹林地土壤的养分都存在较大差异。通过调查进一步发现，玉岩镇因为海拔较高，常年温度比其他乡镇偏低，年温度≤0°C天数多于其他乡镇，冬笋品质好，市场有较强竞争力，冬笋的生产强度较大，但距离县城较远，春笋利用率较低，农民会弃收部分春笋，同时农民施肥时普遍喜好使用氮肥。海拔高，气温低，土壤的微生物活跃度低，造成土壤有机质分解矿化缓慢，是土壤有机质含量和碱解氮指标偏高的主要原因；其他4个乡镇竹农氮素用量比玉岩镇少，土壤中的氮素水平相对较低。

3.2 毛竹林地土壤养分变异分析

松阳县毛竹林地土壤养分描述性统计特征值见表2。

表2 松阳县毛竹林土壤养分描述性统计特征值Table 2 Statistical characteristic of soil nutrient content in P.edulis stands

从表2可知，pH的CV最小，为5.89%，属弱变异。有机质和全钾的CV接近，有效磷和全磷的CV最大，分别为47.37%和45.86%，土壤中各养分元素含量的差异较大。从各养分的偏度和峰度看，各养分的分布仅全钾含量接近正态分布，其余养分含量都不接近正态分布，需要进行转换处理，使其符合或基本符合正态分布。

松阳县自2008年开始大规模开展毛竹笋用林基地建设后，农户对竹山进行施肥管理，大多使用以尿素加少量的过磷酸钙和氯化钾（或硫酸钾）人工自配的氮、磷、钾混合肥为主，用量在750～ 1 125 kg·hm-2之间。农户喜好用氮肥，不施或少施磷、钾肥的现象较多。高施肥、高产出、农户间竹林镶嵌不同经营强度和作业方式、地形破碎等原因造成了样地土壤碱解氮、有效磷和速效钾的偏斜，且变异系数较大。

3.3 毛竹林地土壤养分空间变异半方差分析

松阳县毛竹林地土壤主要养分半方差特征参数函数分析结果见表3。

表3 毛竹林地土壤主要养分半方差特征参数函数分析Table 3 Analysis by semi-variogram on soil nutrients in P.edulis stands

从表3可以看出，松阳县毛竹林地土壤主要养分中，全氮和有效磷含量的分布符合球状模型，呈聚集分布；有机质、全磷和全钾含量的分布符合高斯模型；碱解氮和速效钾含量的分布符合指数模型。所有养分模型的相关系数都不是很高，其中全氮的最高，为0.394；有效磷的最低，为0.145。所有养分C0/（C0+C）均在25%～ 75%，判断为中等空间自相关性。根据数值越大相关性越弱的原理推断，松阳县毛竹林地土壤主要养分空间自相关性以全氮＞碱解氮＞有机质＞全磷＞有效磷＞速效钾＞全钾的顺序逐渐减弱，说明人为活动对土壤养分发生异质性的影响不断增强。

4 结论与讨论

研究结果表明，松阳县毛竹林地土壤pH的平均值为4.75±0.28、有机质含量的平均值为42.94±10.47 g·kg-1、全氮含量的平均值为2.15±0.96 g·kg-1、碱解氮含量的平均值为159.79±70.49 mg·kg-1、全磷含量的平均值为0.19±0.09 g·kg-1、有效磷含量的平均值为2.27±1.45 mg·kg-1、全钾含量的平均值为10.01±2.95 g·kg-1、速效钾含量的平均值为61.28±26.6 mg·kg-1；用经典统计学分析发现土壤有机质、全氮、碱解氮、全钾、有效磷和全磷含量都有较大变异。利用地统计学半方差特征参数函数分析各养分的理论拟合模型发现，全氮和有效磷含量分布符合球状模型；有机质、全磷和全钾含量分布符合高斯模型；碱解氮和速效钾含量分布符合指数模型。同时各养分的块金系数在25%～ 75%，为中等空间自相关性。结合该县毛竹经营行为等综合因素分析认为，松阳县毛竹林土壤主要养分空间变异是自然过程和人为经营活动共同作用的结果，人工经营、气候、林地破碎性和养分随水土的流失等原因改变了土壤原本的连续变化，是产生土壤养分空间变异的主要原因。

松阳县经历“林业三定”（稳定山权林权、划定自留山、确定林业生产责任制）和集体林权制度改革，毛竹林基本已分配到各农户经营，且各户面积规模均不大，农户之间竹山相互镶嵌，农户间生产经营行为存在较大差异，竹林不同经营强度、施肥、林地破碎性和不同经营行为改变了土壤原本的连续变化，使区域各养分含量处于随机分布状态，并进一步加剧了土壤养分的空间异质性。这种变异是自然过程和人为活动共同作用的结果，这与江叶枫[9-10]等的研究结果基本一致。

平衡施肥既能促进植物更好的生长，又能减少不当施肥带来的养分流失，从而减少农业面源污染的发生，也是进一步实现减量增效施肥目标[11]的主要手段。在制定平衡施肥技术方案时，既要全面了解不同土壤的变化情况，也要分析土壤养分变异的特征和规律，根据这种变异特征和规律制定更为合理的施肥方案[12]。

农户间生产方式不同带来的土壤养分异质性，在制定平衡施肥技术方案时，不同农户需要有对应的技术方案，由此会增加技术研制的成本。通过加强毛竹标准化生产技术的应用，形成一定区域范围较为统一的施肥、垦复、挖笋、采伐等生产模式，逐步减少区域土壤的异质性，制定并推广较大区域平衡施肥方案，可以减少各项生产成本，便于技术的统一使用，提高经营的经济效益。