河南省新安县郁山林区土壤速效养分分析

王芳芳, 余凤荣, 童晨, 童亿勤,2,3,4,*

河南省新安县郁山林区土壤速效养分分析

王芳芳1, 余凤荣1, 童晨1, 童亿勤1,2,3,4,*

1. 宁波大学地理与空间信息技术系, 宁波 315211 2. 宁波大学陆海国土空间利用与治理研究中心, 宁波 315211 3. 宁波市高等学校协同创新中心“宁波陆海国土空间利用与治理协同创新中心”, 宁波 315211 4. 浙江省新型重点专业智库宁波大学东海研究院, 宁波 315211

以河南省新安县郁山林区为研究对象, 利用野外采样结合室内分析, 系统的测定了土壤pH值、铵态氮、速效磷、速效钾四项指标。按照全国第二次土壤普查分级标准, 依次对土壤养分指标进行分项评价和综合评价, 并采用改进的内梅罗综合指数法分析土壤肥力水平。结果表明: 郁山林区土壤pH值变幅范围是5.70—8.77, 符合北方土壤特性, 基本适合林业的发展。土壤铵态氮含量变幅范围是43.43—105.70 mg·kg-1, 变异系数21.03%, 属于低水平(4级)。土壤速效磷含量变幅范围是13.45—54.35 mg·kg-1, 变异系数30.22%, 属于较高水平(2级)。土壤速效钾含量变幅范围是58.67—93.36 mg·kg-1, 变异系数13.18%, 属于低水平(4级)。土壤综合养分指数为1.63,变异系数51.10%, 属于土壤养分综合评价等级分类标准的3级, 土壤养分肥力程度一般。因而建议今后在林区的管理中施加氮肥和钾肥, 平衡土壤养分, 实现林业可持续发展。

郁山林区; 土壤速效养分; 土壤养分评价; 可持续发展

0 前言

土壤是森林生态系统的重要组成成分,是森林生长的重要载体[1]。土壤养分是土壤提供植物生长所必需的营养元素[2], 是易于被控制和调节的土壤因子[3]。因此对林地土壤进行养分分析有利于反映林木生长状况, 有利于提高林地生产力[4]。

对林地土壤养分的研究可追溯到19世纪德国李比希提出的土壤矿质营养学说, 这一学说为土壤养分的研究奠定了基础[5]。Shiferaw A、Tadesse W等研究发现土壤粘土颗粒百分比和可交换的钠含量有显着性差异, 这为改善土壤肥力提供了重要的基础[6]。美国土壤学会把湿度、温度、光照等要素总结为影响土壤肥力的因素, 认为土壤肥力是土壤养分提高的诊断标准之一[7]。在国内, 徐煲烨等[8]在分析油茶树林土壤时, 发现深度不同土壤的养分含量也不同。蔡能等[9]针对不同土壤类型, 得出土壤养分存在显著的空间异质性特征。在土壤养分评价中, 研究者多运用主成分分析法、模糊综合评价法[10]、层次分析法[11]、系统聚类分析法[12]等不同方法从多角度多方面对土壤养分进行评价。目前对林区土壤养分分析多是从影响因素、不同土壤类型,不同深度等进行研究, 而对土壤元素缺乏的原因则少有涉及。鉴于此, 本文就郁山林区土壤进行采样, 分析土壤养分现状, 探究影响养分因子缺乏的原因, 为林区科学育林的可持续发展积累基础资料[13]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

郁山林区位于河南省洛阳市新安县西南部,地理坐标介于34°40′N—34°42′N,112°4′E—112°6′E,总面积7.95 km²。其地势西高东低, 海拔在380 m—613 m之间, 属于低山丘陵地貌。该区为暖温带季风气候, 夏季炎热, 冬季寒冷, 气温日较差、年较差较大, 降水多集中在夏季, 其中7、8月降水量最多, 降水可达150 mm以上,冬季降水少, 12月到次年2月降水量都在40 mm以下, 降水量是土壤水分得到补充的重要来源[14], 而土壤水分状况直接影响土壤养分转化, 7、8月份土样养分转化最为明显, 所以养分流失最为严重。林区土壤以棕壤、黄棕壤为主, 有少量山地褐土, 土层薄厚不一, 土壤pH值呈中性偏碱, 针叶林下土壤有微酸性特点。林区植被主要是温带落叶阔叶林, 有针叶林分布。林区动物有小松鼠、野兔、猫头鹰等10多种, 植物有侧柏()、油松()、楸()、杜梨()等100多种, 物种较丰富。2000年, 为响应国家天然林资源保护工程的号召, 同时为适应旅游开发的需要, 郁山林区开始申请森林公园项目, 目前已成为当地著名的国家森林公园。

图1 研究区地理位置

Figure 1 Geographical location of the study area

1.2 研究方法

1.2.1 野外采样法

2018年12月23—26日在河南洛阳新安县郁山林区北坡进行采样, 采样区分为三个样地, 山麓处取样10份, 山坡处取样10份, 山顶处取样10份, 共计30份土样(图2)。每部分样地大约相距150 m, 在每个小的采样点内利用五点采样法(图3), 取样深度为林区表层0—30 cm。首先用小铲子去掉采样点表层枯枝落叶、残根、石砾等杂物, 然后采集表层的土壤样品约300 g, 将其均匀混合装入袋中为一个样品, 详细记录各个样点的位置。30份样品采集结束后迅速带回土壤实验室, 置于干净、透风处摊平、风干, 并利用0.25 mm土壤筛对风干后的土样进行过滤筛选。

1.2.2 室内试验法

(1)土壤pH值测定。选用仪器雷磁pHS—3C型pH酸度计, 测定方法为玻璃电极法[15]。首先选用精准天平仪器对30份土样每份称5 g, 将其置100 mL烧杯中, 用量筒量取每份无二氧化碳的蒸馏水25 mL(土: 水=1: 5)加入烧杯; 之后用搅拌棒搅拌约1—3分钟, 净置半个小时左右澄清; 最后将pH玻璃电极的球插到悬液面下, 等待pH计在标定标准液之后, 对每一份待测土样分别进行测定。

图2 郁山林区北坡土壤样本分布示意

Figure 2 Distribution diagram of soil samples on the north slope of Yushan forest area

图3 五点取样法示意

Figure 3 Schematic diagram of five-point sampling method

(2)土壤速效养分含量的测定。首先需要制备土壤浸提剂、空白液、标准液、土壤待测液, 然后将制备好的空白液、标准液置入两个比色皿, 待将比色皿置于土壤速测仪中进行标定后, 再将土壤待测液注入一个比色皿, 把比色皿放置于机器中, 即可开始对30份土壤速效养分进行测定(测定指标为铵态氮、速效磷、速效钾), 测定所使用的机器是豫农2000型养分速测仪。其中铵态氮采用半微量凯氏法[16], 速效磷采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法[17], 速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度计法[18], 为保证实验的准确性, 测试样品重复2—3次, 当测定指标处于稳定状态时才开始读数记录。

1.3 土壤养分评价方法

土壤的肥力水平反映土壤养分含量, 选择评价因子时尽量多选取与肥力有关的指标[19]。新安县郁山林区土壤养分分析选定三个指标, 评价按照养分分项评价和养分综合评价两部分进行。首先对比参考土壤养分分级标准对郁山林区土壤的铵态氮、速效钾、速效磷进行参数标准化处理[20]。本文将采用标准化后的参数, 进行条件函数计算, 以消除各指标之间的量纲差别:

式中,P称为分肥力系数;C为该属性测定值;为土壤属性值的分级标准(表1), 而指标的分项评价则主要参考全国第二次土壤普查养分分级标准。

表1 土壤各属性分级标准值[21]

将各项指标标准化处理之后, 采用改进的内梅罗综合指数公式[22]并参考土壤养分综合评价等级分类标准(表3)对郁山林区土壤进行整体评价。改进的内梅罗公式如下所示:

式中,为土壤养分综合指数,分肥力系数,为参与评价的土壤指标个数, 上述改进的内梅罗公式采用的最小值代替之前的最大值, 突出土壤指标中的某个最不好的指标对肥力的影响, 为提高评价的可信度, 增加了修正项(–1)/[23]。根据公式(1)和公式(2)所得到的肥力系数, 按照全国第二次土壤普查分级标准和表3进行土壤分项评价和综合评价。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值特征

土壤酸碱性影响植物的生长, 绝大多数的植物在极度酸或极度碱的环境都下难以正常生存。根据土壤酸碱程度可将土壤划分为不同等级, 土壤酸碱程度一般用pH值来表示, pH值在5.5—6.5为酸性; 6.5—7.5为中性; 7.5—8.5为碱性; 8.5— 9.5为强碱性。

由表2知, 新安县郁山林区土壤pH值最低值为5.70, 最高值为8.77平均值为7.52, 变幅范围5.70—8.77, 林区土壤pH值在不同的采样点有不同的变化, 但总体上还是符合北方土壤偏碱的特性。因此针对郁山林区采样点pH值不同的现象, 应该注意维持土壤酸碱平衡, 实施配套平衡, 科学施肥, 保护林地。

郁山林区土壤pH值大都在在5—9之间比较适合林区植物生长。根据记录样本7号、8号、9号、27号在松树底下采集呈弱酸性, 这里的酸性土壤成因可能是在雨热同期的季节里, 降雨多, 生物物质循环非常迅速, 土壤的风化作用、成土作用强烈, 加上有机物分解过程中会产生有机酸, 所以土壤pH值会偏低, 呈现出酸性特征; 郁山林下人工培育的树种化肥的使用也会增加土壤的酸性。在采集样本中发现松树林下土壤pH值呈酸性, 土壤颜色多呈黑褐色, 相对比其他土壤较肥沃、疏松、透气性好, 当地村民会利用它培育花种, 种植花卉, 是比较理想的酸性腐殖质土。采样点为1号、2号、3号、4号、5号土壤呈碱性特征, 根据记录知采集地点为山麓, 山麓土壤质地坚硬、易于板结、透气性差, 但总体来看同一坡向样本之间差异不是很大, 说明郁山林区土壤主要呈中性偏碱。采样点为27号、28号、29号土壤偏酸, 原因可能主要是随着海拔的升高, 降雨量可能增加, 导致酸性淋溶作用增强, 从而影响土壤pH值, 所以土壤又呈现微酸性。该林区酸性土壤适宜栽种松树()、杉类植物, 碱性土壤生长柽柳(Lour.)、种植油菜(L.)、苹果(Mill.)等。

2.2 土壤速效养分分析

土壤速效养分的分析指标主要是土壤铵态氮, 土壤速效磷和土壤速效钾, 通过这三项指标的测定, 获得各个分项指标的养分等级, 最后利用改进的内梅罗公式综合评价郁山林区土壤养分等级, 为维护土壤养分流失, 保护林地资源提供有效的建议。

2.2.1 土壤铵态氮特征

由图4可得, 新安县郁山林区表层土壤铵态氮含量变幅为43.43—105.70mg·kg-1, 平均值77.88mg·kg-1, 最小值43.43mg·kg-1, 最大值105.70mg·kg-1, 变异系数为21.03%。依据全国第二次土壤普查养分分级标准—铵态氮, 可以得出郁山林区土壤铵态氮含量偏低, 属于4、5级, 很少一部分属于3级。土壤中的铵态氮含量可能受地势地形影响。一般情况下, 地势越低, 土壤越潮湿, 气温越高, 越利于氮元素积累, 土壤铵态氮含量越高; 反之, 地势越高, 土壤越干燥, 气温越低, 不利于氮元素积累, 土壤铵态氮含量越低。郁山林区土壤样品的采样区共分为三部分, 山麓地势低, 气温高, 氮素容易积累, 铵态氮含量高; 山腰部分铵态氮含量适中; 山顶地势高, 气温较低, 土壤环境干燥, 氮素不容易积累, 因而山顶土壤铵态氮含量低。

表2 郁山林区土壤pH值数据

土壤铵态氮最高含量为8号采样点105.70 mg·kg-1, 最低含量为25号采样点43.43 mg·kg-1, 变异系数适中, 由此可见该地铵态氮含量分布差异不是很大。8号记录的位置位于山麓松树底下, 含量值最高, 可能是因为植被茂盛, 土壤潮湿, 氮素容易积累, 导致土壤铵态氮含量高[24]。25号记录的位置位于山顶, 可能由于空气干燥, 氮素不容易积累, 造成氨态氮含量低。土壤养分中氮元素是叶绿素的重要部分, 也是松树、杨树等树木生长的重要元素。土壤中缺氮会影响到树木整个新陈代谢过程, 导致光合作用减弱, 从而影响叶绿素的合成, 影响树木发育。林区树木出现诸如成长缓慢、植株矮小、叶子发黄等现象, 一般都是缺少氮元素造成的。所以针对林区铵态氮含量低的地区应该采取合理措施, 精准施肥, 改善树种质量, 减少缺氮对植物叶绿素的合成以及植株叶色的影响, 为林业的可持续发展奠定坚实基础。

2.2.2 土壤速效磷特征

由图5可得, 郁山林区土壤速效磷变幅范围为13.45—54.35mg·kg-1, 最小值为13.45mg·kg-1,最大值为54.35mg·kg-1,平均值为54.35mg·kg-1, 变异系数30.22%。依据全国第二次土壤普查养分分级标准—速效磷, 得知郁山林区表层土壤速效磷含量属于2、3级。郁山林区土壤速效磷含量高, 这可能是由于植物对磷的吸收利用率较低[25]。吸收率较低是因为磷在土壤中的扩散系数小, 移动性弱易于固定, 使人误以为土壤中缺磷, 从而在林区人工培育树种时会偏施磷肥, 造成土壤中的磷含量较高的特征。

图4 郁山林区各样本土壤铵态氮含量

Figure 4 The nitrogen content of ammonium soil in each sample of in Yushan forest area

图5 郁山林区各样本土壤速效磷含量

Figure 5 The content of quick-acting phosphorus in each sample of soil in Yushan forest area

土壤速效磷的最高含量为6号采样点54.35mg·kg-1, 最低含量为22号采样点13.45mg·kg-1, 变异系数大, 由此可见速效磷的分布是不太均匀的。原因可能是当地农民施用磷肥程度不同造成的, 6号采样点位于山麓处, 人工施肥机会相对较多, 22号采样点位于山顶采样区施肥机会较少, 而且一些复合肥由于磷的成本比较低, 商家为了降低生产成本, 利润最大化, 增加磷的含量并且保持复合肥总含量不变, 从而造成了土壤中磷的含量高。树木种子中含磷较多, 磷能够增强树木的抗寒能力, 促进树种根系发育。但是过度使用, 会造成碱性增强、土壤板结、土壤理化性质恶化, 还可能造成土壤中有害元素的积累, 从而影响林区树木的生长发育。因此针对本研究区土壤养分中磷元素的含量保持现状即可，不用过多或过少追加磷肥。

2.2.3 土壤速效钾特征

由图6可知郁山林区土壤速效钾变幅范围为56.67—96.36 mg·kg-1, 最小值为56.67mg·kg-1,最大值为96.36mg·kg-1,平均值74.27mg·kg-1, 变异系数13.18%; 参照全国第二次土壤普查养分分级标准—速效钾, 可以得出郁山林区表层土壤速效钾含量处于4级。这可能与化肥使用结构不合理有关,偏施氮磷肥, 钾肥投入不足, 是该地区土壤养分钾元素含量不足的主要原因; 随着现代科技的发展, 大力提倡推广森林树种新品种, 林地栽培量的增加, 需要钾元素的含量也会增加, 但土壤中钾元素总的含量不变, 需求增多也会造成土壤中钾的含量偏低; 下雨时钾元素的移出也会增加造成钾的流失[26]。

土壤速效钾的最高含量为3号采样点96.36 mg·kg-1, 最低含量为1号采样点56.67mg·kg-1, 变异系数小, 由此可见该地速效钾含量分布是均匀的。1号速效钾最低含量和3号速效钾最高含量同时位于山麓, 造成含量不同的原因, 可能与采样点的自身的养分状况有关，且钾元素易于移动。钾元素能使树木光合作用增强, 可以提高树木的抗旱、抗寒能力。但缺钾也会导致叶缘焦枯, 生长困难, 叶片发黄变形。因此, 针对郁山林区现状, 应该大力推广配方施肥技术, 合理加大钾肥施用量, 科学施用钾肥, 改善土壤肥力, 促进林业发展。

图6 郁山林区各样本土壤速效钾含量

Figure 6 The content of quick-acting potassium in each sample of soil in Yushan forest area

2.3 综合评价

河南省新安县郁山林区土壤总体上pH呈中性偏碱, 变幅范围5.70—8.77, 部分土壤呈弱酸性, 这符合北方土壤酸碱性。实验数据显示个别采样点会有大的差别, 但是并不影响郁山林区土壤养分的总体趋势。河南省新安县郁山林区土壤铵态氮肥力系数为0.72—1.76, 均值是1.30, 属于低等级; 速效磷2.35—3.00, 均值2.96, 属于较高等级; 速效钾1.17—1.93, 均值1.49, 属于低等级。土壤综合养分指数为1.63, 变异系数51.10%, 属于土壤养分综合评价等级分类标准的3级(表5), 土壤综合养分肥力程度一般。建议今后在林区的管理中多施加氮肥和钾肥, 平衡土壤养分, 更好地实现林业的可持续发展。

3 讨论和结论

通过对河南省新安县郁山林区土壤pH值、土壤铵态氮、土壤速效磷、土壤速效钾四项指标测定分析, 结论如下:

表3 土壤养分综合评价等级分类标准[27]

(1) 土壤pH值变幅范围为5.7—8.77, 平均值7.52, 变异系数为11.18%, 呈中性偏碱特征, 部分针叶林地区土壤呈微酸特征。基本适合林业的发展, 在林业发展的过程中应注意酸碱平衡。

(2) 土壤铵态氮含量43.431—105.70 mg·kg-1, 平均值77.88 mg·kg-1, 变异系为21.03%, 为低水平(4级)。铵态氮的含量偏低在林区管理中, 可以适当增加氮元素摄入。

(3) 土壤速效磷含量54.351—3.45 mg·kg-1, 平均值31.55 mg·kg-1, 变异系数30.22%, 为较高水平(2级)。土壤速效磷分布差异相对比较大, 但土壤养分中磷元素的含量为较高等级, 可以保持现状, 林区不用过多的关注磷元素的发展。

(4) 土壤速效钾含量在58.67—93.36 mg·kg-1之间, 平均值74.27 mg·kg-1, 变异系数13.18%, 为低水平(4级)。采样点中速效钾分布比较均匀差异小, 但是速效钾在土壤养分评价标准中属于中下等, 所以林区要重视钾元素的流失, 在管理中多增加土壤中钾元素的摄入。

(5) 土壤综合养分指数为1.63, 变异系数51.10%, 属于土壤养分综合评价等级分类标准的3级, 土壤综合养分肥力程度一般。因此建议今后在林区管理中应该注意因地制宜, 科学施肥, 增加氮肥和钾肥, 实现林业的可持续发展。

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Analysis of soil availablenutrients in Yushan forest area of Xin'an County, Henan Province

WANG Fangfang1, YU Fengrong1, TONG Chen1, TONG Yiqin1,2,3,4,*

1. Department of Geography and Spatial Information Techniques, Ningbo University, Ningbo 315211 2. Center for land and marine spatial utilization and governance research, Ningbo University, Ningbo 315211 3. Ningbo Universities Collaborative Innovation Center for land and marine spatial utilization and governance research at Ningbo University, Ningbo 315211 4. Donghai Institute, Ningbo University, Ningbo 315211

Taking Yushan forest area in Xin'an County of Henan Province as the research object, four indexes of soil pH value, ammonium nitrogen, available phosphorus and available potassium were determined systematically by means of field sampling and indoor analysis. According to the grading standard of the second National Soil Census, the soil nutrient indexes were evaluated separately and comprehensively, and the improved Nemero comprehensive index method was used to analyze the soil fertility level. The results showed that: The variation range of soil pH value in Yushan forest area was 5.70-8.77, which was consistent with the characteristics in the northern soil, and was basically suitable for the development of forestry. The variation range of soil ammonium nitrogen content was 43.43-105.70 mg·kg-1, and the coefficient of variation was 21.03%, which belonged to low level (grade 4). The variation range of soil available phosphorus content was 13.45-54.35 mg·kg-1, and the coefficient of variation was 30.22%, which belonged to a high level (grade 2). The variation range of soil available potassium content was58.67-93.36 mg·kg-1, and the coefficient of variation was 13.18%, which belonged to low level (grade 4). The comprehensive index of soil nutrients was 1.63, and the coefficient of variation was 51.10%, which was the third grade of the comprehensive nutrient level and soil fertility was general. Therefore, it is suggested that nitrogen fertilizer and potassium fertilizer should be applied in forest management in the future to balance soil nutrients and achieve sustainable development of forestry.

Yushan forest area; soil available nutrients; soil nutrient evaluation; sustainable developmemt

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.02.009

S714.8

A

1008-8873(2021)02-067-07

2019-11-13;

2019-12-21基金项目:NSFC-浙江两化融合联合基金项目 (U1609203); 浙江省科技厅/公益技术应用研究项目(2016C33021)

王芳芳(1995—), 女, 河南洛阳人,硕士研究生,主要从事区域发展与环境研究, E-mail: 274738580@qq.com

童亿勤(1962—), 男,高级实验师, 硕士生导师, 主要从事区域资源环境与可持续发展, E-mail:tongyqnb@163.com

王芳芳, 余凤荣, 童晨, 等. 河南省新安县郁山林区土壤速效养分分析[J]. 生态科学, 2021, 40(2): 67–73.

WANG Fangfang, YU Fengrong, TONG Chen, et al. Analysis of soil quick-acting nutrients in Yushan forest area of Xin'an County, Henan Province[J]. Ecological Science, 2021, 40(2): 67–73.