马尾松初级种子园土壤养分丰缺诊断与评价1)

李鹏 杨章旗 陈虎梁远毅 梁贤祯 苏沃榜

(广西马尾松工程技术研究中心(广西壮族自治区林业科学研究院)，南宁，530002)(广西藤县大芒界种子园)

土壤肥力是土壤质量的重要组成部分，用于表征土壤供给作物生长各种养分元素的综合能力，土壤养分是肥力的重要构成因素，容易检测和控制[1-2]。土壤养分丰缺诊断是针对指定区域内土壤养分的限制性因子和养分失衡等做出的判断[3]，主要目的是为了更好的利用土地资源，为科学施肥、林分调整以及制定和防止养分贫瘠化的措施和策略提供科学依据[4]。在明晰土壤养分障碍因子的基础上，进行区域内土壤肥力综合评价，对于挖掘土壤肥力潜力，提高生产力，实现土地资源集约化管理和利用具有重要意义。

马尾松(Pinusmassoniana)是我国重要乡土树种，因其具有速生、耐贫瘠、用途广等优良特性，一直是我国南方主要工业材用和脂用树种[5]。近年来，我国在马尾松种子园建设[6-8]、经营管理[9]和育种[10-11]等方面已做了大量研究，并取得了重要成果，为种子园的科学营建和管理提供了支撑。种子园作为林木遗传育种的重要基地，具有良种生产、新种质创制等重要功能[12]。马尾松在进入盛果期时，土壤养分贫瘠化是限制马尾松雌雄球花芽分化、结实率和种子产量的重要因子[13]，及时补充生长所需的养分元素，调节生长和各器官养分平衡，对提高其产量具有重要作用。秦雪等[14]对都匀马尾松种子园的土壤调查研究表明，土壤养分各元素间存在一定促进和抑制作用；潘琼蓉等[15]对马尾松1代种子园进行母树和土壤营养诊断，表明磷、钙、钼、镁、硼是影响马尾松种子园产量的主导因子；陆梅等[16]和陈元镇等[17]对马尾松2代种子园土壤营养诊断表明，氮、镁、钼等营养元素是影响马尾松球果产量的主导因子。虽然以上研究丰富了马尾松种子园的土壤贫瘠化研究体系，但仍有不足，一是研究主要集中于贵州地区，忽视了不同立地条件马尾松林地本身土壤理化性质存在差异，土壤养分的丰缺状况和障碍因子并不相同；二是研究主要集中于单因子土壤养分的诊断，而未反映区域土壤养分的综合肥力水平，不利于土壤养分的管理和集约化管理。因此，本研究以桂东马尾松1代种子园为研究对象，开展不同立地类型(坡度、坡向、坡位)土壤养分丰缺诊断及综合评价，诊断识别土壤养分的障碍(或主导)因子及表征土壤肥力的最小数据集指标，综合评价区域内土壤肥力指数，为土壤养分贫瘠障碍因子消除、科学配方施肥，提高种子园产量，实现土地资源集约化管理和利用提供技术支持。

1 研究区概况

研究区位于广西藤县大芒界种子园(111°6′44″～111°10′25″E，23°2′53″～23°5′14″N)，属亚热带季风气候，日照充足，气候温暖，雨量充沛，年均降水量1 472 mm，年蒸发量1 057 mm，年平均气温21.3 ℃，极端最低温-3.0 ℃，极端最高温39.5 ℃，年均日照时间1 758 h，无霜期323 d。种子园于1978年定植砧木，1981年采用124个无性系进行嫁接，面积53 hm2，共分为8个大区，32个小区，种植密度240株/hm2，保存密度204株/hm2，株行距7 m×7 m。2015年进行截顶、拉枝定型，之后每年对母树进行适当修剪。土壤为紫色砂页岩发育而成的赤红壤。

2 研究方法

2.1 土壤样品的采集与测定

根据种子园的基本调查情况，选择不同立地类型(坡度、坡向、坡位)的42棵母树作为目标树，距离母树周围1 m处随机选择9个采样点，用土钻法采集0～30 cm的土壤样品，采集的土样混合均匀。采用四分法，取其中一份约500 g装入无菌样品袋带回实验室，并放入专用土样风干盘中，摊成2～3 cm薄层，室温下自然风干，避免阳光直射或暴晒。去除植物残体、土壤动物、根系、石块，碾碎、研磨过筛(2 mm)，用于土壤化学性质测定。

根据林业行业标准(LY/T 1210～1275—2016)，pH采用酸度计法测定(m(土)∶V(水)=1.0 g∶2.5 mL)；采用重铬酸钾高温外热法测定有机质的质量分数；采用碱解扩散法测定速效氮的质量分数；采用Mehlich 3浸提测定有效磷、速效钾、钙、镁、铁、锌的质量分数；采用甲亚胺比色法-间断化学分析仪测定速效硼的质量分数。

2.2 种子产量的测定

所有目标树进行统一订牌、编号，采用“全收获法”在每株目标树的树冠东、西、南、北4个方向收集所有球果称质量；具体每个方向随机收集5粒球果，每株目标树收集20个球果带回实验室分析称质量，经洗涤置于烘箱105 ℃杀青2 h后65 ℃烘干至恒质量，去壳后测算其含水率，计算种子产量。

2.3 土壤养分丰缺分级标准

根据国标西南区耕地质量等级划分标准(GB/T 33469—2016)，参照孙波等[18]和曹继钊等[19]对南方红壤区土壤养分贫瘠划分标准，结合广西马尾松人工林土壤实际情况，制定出广西低山丘陵区土壤养分丰缺的分级标准(见表1)，对马尾松种子园土壤养分状况进行丰缺状况分析。

表1 土壤养分丰缺分级标准

2.4 数据分析与处理

2.4.1 土壤养分障碍因子的确定

参考陈海艳[20]和陈元镇[17]等的方法，采用线性逐步回归方程(公式1)确定土壤养分单一效应作用，二次多项式逐步回归方程(公式2)确定元素间的交互效应，从而进行土壤养分障碍因子的确定。其诊断模型如下：

(1)

(2)

式中：Y为种子产量(因变量)，Xi表示第i个土壤养分指标(自变量)，k0表示常数项系数，kij表示一次项常数项系数，kii表示二次项常数项系数，m表示指标的个数。

2.4.2 土壤肥力最小数据集的确定

首先对所选择的指标进行主成分分析，根据分析结果，提取特征值≥1的主成分，在荷载矩阵中，选择每个主成分下的因子荷载>0.6的指标，并纳入各主成分指标；然后对每个主成分中高荷载指标进行皮尔森相关性分析，若相关性系数r≤0.6则全部选入，若r>0.6则考虑综合荷载值的大小，选择综合荷载值较大的指标和其在10%范围内的指标，作为最大影响因子的候选指标；最后，对选择的候选指标进行综合对比，去掉重复，选入最大影响因子。

综合荷载值的计算公式为：

(3)

式中：Nij是第i个变量在特征值≥1的前j个主成分的综合荷载值；Rij为第i个变量在第j个主成分的荷载；λj为第j个主成分的特征值。

2.4.3 土壤综合肥力评价

(1)土壤养分的标准化，运用隶属度函数对数据进行标准化(归一化)处理，隶属度公式为：

(4)

式中:a为函数的最小值;b为函数的最大值;x为指标的测量值。

(2)权重的确定，根据综合荷载值(公式3)的计算结果，确定各项养分指标的权重。

(3)综合指数的计算，采用加权隶属度值公式，计算综合肥力指数(I)，其计算公式为：

(5)

式中：Ij表示第j种类型土壤综合肥力指数;Wi和Ni分别表示第i个指标权重和隶属度值。

采用Excel 2016和IMB SPSS Statistics 20.0软件对数据进行统计分析。

3 结果分析

3.1 土壤养分含量和种子产量及其分布特征

由表2可知，土壤pH平均4.41，变化幅度3.91～5.18，变异系数最小为7.59%。有机质质量分数为2.53～67.05 g·kg-1，平均25.68 g·kg-1，变异系数55.61%。速效养分元素锌、钙、钾和铁得质量分数变异系数较大，分别为86.74%、69.82%、57.77%和54.69%，均在50%以上，属于强变异，表明这些元素随立地因子变化的敏感性较强，其平均质量分数分别为0.87、103.01、35.15和29.7 mg·kg-1；速效养分元素氮、磷、镁和硼的质量分数的变异系分别为41.78%、41.89%、35.97%和39.75%，变异范围35%～50%，属中等变异性，其平均质量分数分别为120.7、1.56、6.93和0.32 mg·kg-1。单株种子产量平均为150.24 g，变化幅度为80.4～311 g，变异系数为37.51%，属中等变异。

由图1可知，马尾松种子园土壤养分和种子产量均符合正态分布特征。

表2 马尾松种子园土壤养分和种子产量统计

3.2 土壤养分丰缺分级诊断

由表3可知，根据土壤养分丰缺分级标准对42个土样进行土壤养分丰缺分级诊断，土壤pH均小于5.5，土壤pH在酸性4.5～5.5范围的为33.33%，土壤强酸性环境(pH<4.5)占66.67%，表明马尾松种子园土壤主要属于强酸性土壤且酸化较严重；38.1%的土壤有机质处于较高水平，19.05%的土壤有机质处于中等水平，16.66%的土壤有机质处于适宜水平，19.05%的土壤有机质处于低水平，7.14%的土壤有机质处于极缺水平，表明种子园土壤有机质质量分数比较适宜或具有较高水平；土壤速效氮丰富，仅有4.76%的土壤处于低水平；有效磷缺乏严重，16.67%的土壤有效磷处于极缺水平，71.43%的土壤有效磷处于低水平；速效硼缺乏严重，28.57%的土壤速效硼处于极缺水平，61.9%的土壤速效硼处于低水平；速效钾、速效钙和速效镁的丰缺规律类似，均有21.43%的土壤处于极缺水平，50.00%、47.62%和64.29%处于低水平；速效铁质量分数比较均衡，只有33.33%的土壤处于低水平；45.24%的土壤速效锌处于极缺水平，23.81%的土壤速效锌处于低水平。

频数表示出现在指标数据范围内的样点数量。

表3 种子园土壤养分丰缺分级结果

3.3 土壤养分障碍因子的确定

由表4可知，根据土壤养分的诊断模型，构建种子产量与土壤养分指标的线性和二次多项式的逐步回归方程，线性回归方程中土壤养分单一效应的主导因子是N、P、Mg和Zn，二次多项式逐步线性回归方程中元素交互作用的主导因子是土壤有机质、P、N×Mg、K×Zn和Ca×Mg。

表4 线性和二次多项式的逐步回归方程

由表5可知，对比土壤养分的各主导因子的t值及其显著性水平，单一元素效应方面，土壤N、P、Mg和Zn是影响种子产量的主导因子，影响程度由大到小的顺序为：N、Mg、P、Zn；元素间交互作用方面，N×Mg、K×Zn和Ca×Mg等养分效应显著，能显著促进种子产量，元素间交互效应由大到小的顺序为：N×Mg、K×Zn和Ca×Mg。

表5 各主导因子的回归参数

3.4 最小数据集的确定

由表6可知，对10个土壤养分指标进行主成分分析，测度(KMO)统计量=0.732>0.6，巴特利特(Bartlett)球形度检验F=340.39，自由度(df)=45，p<0.001，表明适合进行主成份分析。选择特征值>1的主成分有2个，累计方差贡献率为72.04%，这2个主成分解释了大部分土壤养分信息。第1主成分(PC1)方差贡献率为44.55%，因子载荷>0.6的有：有机质、速效氮、有效磷、速效铁、速效锌、速效硼；第2主成分(PC2)方差贡献率为27.49%，因子载荷>0.6的有：pH、速效钙、速效镁。根据相关性和综合荷载值进行指标筛选，PC1中有机质的综合荷载值最大为2.039，10%范围为1.835 1～2.242 9，其与有效磷的相关系数r<0.6，与速效氮、速效铁、速效锌和速效硼呈显著正相关(r>0.6)，则选择有机质、速效氮、有效磷纳入最佳量化指标；PC2中pH的综合荷载值最大为1.676，10%范围为1.508～1.843 6，其与速效钙、速效镁呈显著负相关(r>0.6)，则选择pH、速效镁纳入最佳量化指标。综上所述，pH、有机质、速效氮、有效磷、速效镁共5项指标，作为反映土壤肥力的最小数据集指标。

3.5 土壤综合肥力指数及其与种子产量的相关性

由表7可知，马尾松单株种子产量与土壤有机质、速效养分质量分数均具有显著正相关关系(p<0.05)，而与pH无显著相关。

表6 土壤养分指标载荷矩阵和综合荷载值

由表8可知，全部指标土壤综合肥力指数平均为40.28%，变化幅度为20.93%～70.49%，最小数据集指标的土壤肥力指数平均为41.82%，变化幅度为21.62%～71.88%，属于中等土壤肥力水平。

表7 土壤养分指标和单株种子产量的相关性系数

表8 全指标和最小数据集指标土壤综合肥力指数

由图2可知，基于10个全部指标的综合肥力指数与基于5个指标的综合肥力指数间具有极显著相关性(R2=0.899 1)。

IT为全部指标土壤综合肥力指数，IM为最小数据集指标土壤综合肥力指数。

由图3可知，两种类型下土壤综合肥力指数(IT和IM)与单株种子产量均具有极显著相关性(p<0.001)。表明土壤综合肥力的大小能够显著影响种子产量变化，而使用5个指标计算的综合肥力指数能够代表整个土壤肥力指数，减小数据的冗余，且拟合效果较好。

◆为IT数据，——为IT线性；▲为IM数据，----为IM线性。

4 结论与讨论

马尾松种子园经营管理过程中，丰富的土壤养分状况是保证种子园高产重要因素。本研究中，马尾松种子园土壤的pH<5.5，其中，样地66.67%土壤的pH<4.5，处于酸性和强酸性环境，主要是由于种子园长期施用化肥导致[21-22]，一般认为马尾松适宜土壤pH为5.5～6.5。土壤有机质是土壤微生物代谢活动的能量来源，种子园有机质质量分数适宜，样地73.83%的土壤有机质质量分数处于中等以上水平(≥15 g·kg-1)，这与曹胜等[23]研究结果相似。种子园速效氮丰富，样地95.24%的土壤速效氮质量分数处于中等以上水平(≥60 mg·kg-1)，由于氮肥的施用比例偏高，氮肥过量投入是导致土壤酸化的重要原因[24]。土壤有效磷、速效锌和速效硼缺乏严重，样地71.73%的土壤有效磷质量分数处于低水平(1.0～2.5 mg·kg-1)，样地16.67%的土壤有效磷质量分数处于极缺状态(<1.0 mg·kg-1)，样地61.9%的土壤速效硼质量分数处于低水平(0.25～0.5 mg·kg-1)，样地28.57%的土壤速效硼质量分数处于极低水平(<0.25 mg·kg-1)。样地23.81%和45.24%土壤速效锌质量分数处于低水平(0.5～1.0 mg·kg-1)和极缺状态(<0.5 mg·kg-1)。曹继钊等[19]发现广西八角林土壤速效氮质量分数处于中上水平，速效磷和速效硼质量分数处于极缺状态，速效锌属中下水平，这样本研究结果相一致。土壤速效钾、速效钙和速效镁的丰缺规律类似均呈现中度缺乏，21.43%土壤处于极缺水平，45%～65%土壤处于低水平，这与杜贤明等[25]研究的结果相一致。由于土壤酸化严重，加之降水丰富，土壤中可移动性K+、Ca2+和Mg2+离子流失造成土壤养分匮乏[26]。南方红壤是经过脱硅富铁铝等一系列地球化过程形成，铁虽然不是叶绿素组成成分，但却是叶绿素合成的重要物质，本研究中，样地66.67%的速效铁质量分数处于中等以上水平(>20 mg·kg-1)，相对比较适中。

养分障碍因子分析发现，氮、磷、镁和锌是影响种子园产量单一效应主导因子，氮-镁、钾-锌和钙-镁相互作用效应显著，均对种子产量具有显著促进作用。陈海艳等[20]研究表明，磷、镁、硼和钼及氮-硼、镁-硼、磷-镁、镁-钼的交互作用是影响杉木种子园产量主导因子；陈元镇等[17]研究表明氮、镁和钼及氮-钙、氮-硼、磷-钾、磷-钙、钾-镁、钾-硼的交互作用是影响马尾松种子园产量主导因子，这与本研究结果并不完全一致。虽然立地类型以及种子园管理措施不一致，但均呈现出氮、磷和镁对产量具有较强的作用。此外，本研究选择pH、有机质、速效氮、有效磷、速效镁5项指标作为反映土壤综合肥力的最小数据集指标。土壤pH作为土壤生物化学环境反映，显著影响土壤微生物代谢、土壤速效元素释放，以及植物养分吸收和果实产量和质量[27]；有机质作为土壤重要组成部分，影响土壤中许多反应发生[28]；土壤氮和磷可用于土壤诊断和肥力评估[29]；镁是叶绿素的主要成分，与产量密切相关[30]。因此，pH、有机质、速效氮、有效磷、速效镁可以作为反映种子园土壤综合肥力最小数据集指标。

根据全部指标计算的土壤综合肥力指数平均值为40.28%，最小数据集指标平均值为41.82%，属于中等土壤肥力水平，土壤综合肥力水平不高。两种方法计算的土壤综合肥力指数之间，以及分别与单株种子产量均具有极显著相关性，表明土壤综合肥力大小能够显著影响种子产量的高低；而使用5个指标计算的综合肥力指数能够代表整个土壤肥力指数，减小数据的冗余，且拟合效果较好。因此，在种子园的经营和管理过程中应该注意配方施肥或培肥技术的应用，提高种子园土壤综合肥力，从而提高种子产量。应重视氮、磷、镁、锌肥的合理施用，补充磷、锌、硼肥；采取相应措施改善土壤pH，使土壤由强酸性向酸性、弱酸性转变。本研究仅作为种子园土壤养分诊断及土壤综合肥力的基础调查研究，为种子园合理利用土壤养分和精确测土配方施肥提供基础数据。