Soil Nutrient Characteristics and Fertility Evaluation of Carya dabieshanensis Forest Land

研究区域包括安徽金寨县、霍山县以及湖北省罗田县，属于北亚热带湿润季风气候，金寨县年平均气温15.6 ℃，极端最高气温41.7 ℃，极端最低气温−13.9 ℃，无霜期平均228 d，年平均降雨量1 400 mm；霍山县年平均气温15.0 ℃，极端最高气温43.0 ℃，极端最低气温−17.0 ℃，无霜期平均220 d，年平均降雨量1 366 mm；罗田县年平均气温16.4 ℃，极端最高气温41.6 ℃，极端最低气温−14.6 ℃，无霜期平均240 d，年平均降雨量1 330 mm。

土壤样品采集位置见表1，分别为安徽省金寨县的吴家店镇、果子园乡、古碑镇、关庙乡、沙河乡、燕子河镇、长岭乡、天堂寨镇，霍山县的太阳乡和湖北省罗田县的九资河镇。根据大别山山核桃投产林的分布情况确定采样林分，每个林分根据面积确定采样数量，在林分中按“S”形路径布点，采样深度为0～30 cm，采用四分法去除作物残体和杂物后留取1 kg土样，并记录采样位置、日期等信息。土壤样品带回实验室风干、磨碎、过筛后用塑料封口袋密封后置于4 ℃冰箱避光保存备用。

土壤pH值采用电位法；有机质含量采用外加热法；全氮含量采用半微量凯氏法；土壤碱解氮含量采用碱解扩散法；全磷和有效磷含量采用钼锑抗比色法；土壤全钾和速效钾含量采用火焰光度法^[13]。

大别山山核桃林地土壤各肥力指标评价分级标准根据第二次全国土壤普查并依据有关资料制定（表2），同时参考前人的研究成果^[14-16]，构建林地土壤综合肥力评价指标体系。

不同肥力指标的权重Wi通过pearson相关分析法确定，公式如下：

$ Wi=\frac{r{i}_{均}}{{\displaystyle \sum r{i}_{均}}} $ ，其中，ri_均——第i个土壤肥力指标与其他指标间相关系数的均值。

结合实际土壤状况，确定大别山山核桃林地土壤肥力各评价指标的隶属度函数拐点的取值（表3）。并计算出各项肥力指标的隶属度值N。pH值采用峰值型隶属度函数，有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾采用戒上型隶属度函数。

峰值型隶属度函数：

戒上型隶属度函数：

其中，x₁、x₂、x₃和x₄分别为相应函数的拐点取值。

土壤肥力综合指数：IFI= $\sum\limits_{{\text{i}} = 1}^{\text{n}} {{{NiWi}}}$ ，其中，Wi——第i个土壤肥力指标的权重，Ni——第i个土壤肥力指标的隶属度。

结合大别山山核桃林地土壤的实际情况，本研究采用等间距法将林区土壤养分状况分为5个土壤肥力等级：IFI>0.80，Ⅰ级，土壤肥力水平高；0.6<IFI<0.8，Ⅱ级，土壤肥力水平较高；0.4<IFI<0.6，Ⅲ级，土壤肥力水平中等；0.2<IFI<0.4，Ⅳ级，土壤肥力水平较低；IFI<0.2，Ⅴ级，土壤肥力水平低。IFI取值在0到1之间，值越接近1，代表土壤肥力越好。

使用Microsoft Excel 2019和 SPSS 20.0软件系统对样品数据进行统计分析。

大别山山核桃林地土壤pH值介于4.34～6.55，平均值为5.19，属酸性土（表2），变异系数为7.32%（表4）。不同乡镇间土壤pH差异不显著，除JGZY（4.87）和JGB（4.99）外，其余乡镇均大于5.0。由图1可知，全区强酸性、酸性、弱酸性和中性土壤分别占3.41%、71.60%、23.86%和1.14%，无弱碱性和碱性土壤。

Figure 1.  Frequency distribution map of soil fertility indicators

土壤有机质含量介于10.88～121.34 g·kg⁻¹，平均值为53.11 g·kg⁻¹，有机质含量丰富，变异系数为43.87%，属于中等变异。不同乡镇间土壤有机质含量存在显著差异（P<0.05），其中以JSH土壤有机质含量最高，达到67.47 g·kg⁻¹，其次为JCL（64.56 g·kg⁻¹）、JWJD（58.73 g·kg⁻¹）和JGM（58.20 g·kg⁻¹），JYZH最低（仅为34.33 g·kg⁻¹）。全区有机质主要集中于极丰富水平占比为73.86%，丰富、中等、缺乏的土壤分别占9.09%、13.64%和3.41%，无有机质极缺乏、很缺乏土壤（图1）。

土壤全氮的含量介于0.37～2.16 g·kg⁻¹，均值1.02 g·kg⁻¹，变异系数40.78%，属于中等变异。不同乡镇间土壤全氮含量差异不显著（P>0.05），其中以JGB含量最高，为1.30 g·kg⁻¹，其次是JGZY（1.24 g·kg⁻¹）和JGM（1.22 g·kg⁻¹），JWJD最低（仅为0.76 g·kg⁻¹）。全区全氮极丰富和丰富水平较少，占比为4.55%和9.09%，中等、缺乏、很缺乏、极缺乏的土壤分别占30.68%、28.41%、21.59%和5.68%。土壤碱解氮含量变化范围51.18～552.95 mg·kg⁻¹，平均值为179.41 mg·kg⁻¹，碱解氮含量总体较高，变异系数为45.82%，变异水平中等。不同乡镇间土壤碱解氮含量存在显著差异（P<0.05），其中以JCL含量最高，为274.96 mg·kg⁻¹，其次为JSH（226.70 mg·kg⁻¹）和JGM（206.17 mg·kg⁻¹），均大于200 mg·kg⁻¹；JYZH最低，仅为JCL的42.32%。全区土壤碱解氮含量主要分布于极丰富和丰富水平，分别占60.23%和19.32%，无极度缺乏的土壤。

土壤全磷含量介于0.19～2.46 g·kg⁻¹，均值为0.99 g·kg⁻¹，变异系数54.37%，属于中等变异。不同乡镇间土壤全磷含量存在显著差异（P<0.05），其中以JTTZ含量最高，为1.40 g·kg⁻¹，其次是JYZH（1.35 g·kg⁻¹）和JGZY（1.26 g·kg⁻¹），JGM最低，为0.61 g·kg⁻¹。全区全磷主要分布于极丰富水平，占47.73%，其余分别占6.82%（丰富）、14.77%（中等）、19.32%（缺乏）、10.23%（很缺乏）和1.14%（极缺乏）。土壤有效磷含量介于3.03～62.20 mg·kg⁻¹之间，平均为21.30 mg·kg⁻¹，变异系数为70.00%，变异幅度较大。不同乡镇间土壤有效磷含量存在显著差异（P<0.05），其中以JTTZ最高，达到36.76 mg·kg⁻¹，JWJD、JSH、JGZY、JGB、JYZH、LJZH之间含量相近，JCL含量最低，为9.33 mg·kg⁻¹，仅为JTTZ的25.38%。林区土壤有效磷含量主要集中于丰富和中等水平，均占29.55%，无极度缺乏的土壤。

土壤全钾含量介于2.59～16.55 g·kg⁻¹，平均为8.24 g·kg⁻¹，变异系数为32.34%，变异程度中等。不同乡镇间土壤全钾含量差异不显著（P>0.05），其中以HTY最大，达到10.07 g·kg⁻¹，其次是JGB（9.37 g·kg⁻¹）和JGM（9.04 g·kg⁻¹），JGZY和JYZH最低，分别为6.91 g·kg⁻¹和6.71 g·kg⁻¹。林区土壤全钾含量主要分布于很缺乏水平，占比为69.32%，全区无丰富和极丰富水平。土壤速效钾含量变化范围25.87～160.52 mg·kg⁻¹之间，平均为71.52 mg· kg⁻¹，变异系数为37.34%，与土壤全钾变异程度一致。不同乡镇间土壤速效钾含量存在显著差异（P<0.05），其中以JGM最高，达到92.16 mg·kg⁻¹；JGZY最低，仅为JGM的51.87%。林区土壤速效钾含量相对较匮乏，分别占59.09%（缺乏），26.14%（很缺乏），3.41%（极缺乏），10.23%（中等），丰富仅占1.13%。

隶属度越接近于理想值1，表示土壤肥力越高。由雷达图（图2）可知，有机质的平均隶属度值最高，达0.91；碱解氮次之，为0.88，全钾的平均隶属度值最低，仅为0.25，其次为速效钾，为0.31。根据土壤各养分指标权重（表5）可知，有机质权重值最大，为0.29；其次为速效钾和有效磷，分别为0.22和0.20，其中权重低于0.10的有pH、全磷和全钾，说明土壤肥力的提高更依赖于有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量的增加。

Figure 2.  Radar map of average affiliation of soil fertility indicators

相关性分析表明（表5），有机质与全氮呈显著正相关（P<0.05），与碱解氮、速效钾呈极显著正相关（P<0.01），全磷与碱解氮呈极显著负相关（P<0.01），与有效磷呈极显著正相关（P<0.01），碱解氮与有效磷呈极显著负相关（P<0.01），与速效钾呈极显著正相关（P<0.01），其他指标间相关性均不显著，其中土壤的pH具有很好的独立性。

选取土壤pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾8个指标对大别山山核桃林地土壤进行肥力综合评价（表6），10个乡镇的土壤综合肥力指数（IFI）变幅范围是0.52～0.72，平均值为0.61，各乡镇IFI由大到小依次为：JTTZ（0.719，Ⅱ级）>JGM（0.675，Ⅱ级）>JWJD（0.653，Ⅱ级）>JSH（0.648，Ⅱ级）>JGB（0.612，Ⅱ级）>JCL（0.569，Ⅲ级）>JGZY（0.566，Ⅲ级）>HTY（0.555，Ⅲ级）>JYZH（0.553，Ⅲ级）>LJZH（0.523，Ⅲ级）。大别山山核桃天然分布区内50.00%的土壤肥力较高，其余处于中等水平，大别山山核桃土壤肥力综合评价等级为Ⅱ级，土壤综合肥力较丰富。

通过主成分分析对土壤各肥力指标与IFI之间的载荷情况进行分析（表7），根据特征值大于1共提取到4个主成分，方差贡献率分别为28.20%、23.27%、13.43%和12.49%，累计方差贡献率为77.39%，基本能反应土壤肥力的基本信息。IFI与有机质、碱解氮在第一主成分（PC1）上占主要决定因素，载荷值均大于0.70；第二主成分（PC2）中主要决定因子为全磷和有效磷，分别为0.82和0.90；第三主成分（PC3）pH的载荷值为0.79，表明土壤酸碱度对肥力的影响；全钾在第四主成分（PC4）中具有较大载荷，为0.85。

土壤pH值通过影响土壤养分的有效性、微生物的活动及矿物质的转化来制约植物生长发育^[17-19]。一般认为，微酸性至中性的土壤适宜山核桃生长，过高或过低都会对果实的品质产生不利影响^[19]。本研究中，大别山山核桃林地土壤pH平均值为5.19，比2006年大别山山核桃平田、西园和仙桃三个居群^[20]的土壤pH平均值降低了11.73%，并且相比大别山相近海拔的其他林地^[21-22]，大别山山核桃林地土壤酸性更强，10个乡镇中71.60%的土壤为酸性土，其中3.41%的土壤为强酸性。因此不合理的施肥习惯可能是土壤酸化的主导因素，尤其大量施用氮肥，过量的氮肥经过硝化作用产生酸，造成土壤酸化^[23]。土壤酸化会限制营养元素的吸收，增加大别山山核桃根腐病和干腐病的致病风险，进而影响果实产量和质量。

有机质是土壤肥沃和健康的重要指标^[24]。本研究中大别山山核桃10个乡镇土壤平均有机质含量达1级（较丰富），土壤有机质含量达丰富以上占82.95%，变异系数为43.87%，大别山山核桃林区总体海拔较高（平均为722 m），人为干扰较少，因此与凋落物分解较慢有关外，同时与林地土壤空间异质性强有关^[25]，大别山山核桃通常生长在土层相对深厚山谷和缓坡，这些小地形更易积累较多的地表凋落物层，从而导致较高的有机质含量。土壤有机质含量与全氮、碱解氮、速效钾呈显著正相关，这与柳书俊^[26]的研究一致，说明在矿化过程中有机质丰富的土壤能释放大量的营养元素为植物生长提供养分。

全氮、全磷、全钾是指土壤中各种形态的氮、磷、钾总量。大别山山核桃地10个乡镇土壤全氮平均水平达3级，属中等水平，与重庆核桃主产区相近^[27]。碱解氮反映土壤氮的短期供应能力，受气候、土壤有机质及各种矿质养分元素影响^[28]。本研究中，大别山山核桃林地10个乡镇土壤平均碱解氮含量达1级（较丰富），碱解氮含量达丰富以上占79.55%，其平均含量比临安区山核桃^[29]高出26.20%。在经营中，应注意控制氮肥使用量，避免过量使用引起资源浪费和环境问题，特别是土壤酸化问题^[30]；在氮含量相对缺乏区域应注意科学增施氮肥。

本研究中，大别山山核桃林地10个乡镇土壤全磷平均含量达2级（丰富），其平均含量比贵州核桃^[31]高出28.57%。有效磷不仅能反映土壤磷素状态的动态变化，还能反映土壤对植物的供磷水平^[32]。大别山山核桃林地平均土壤有效磷含量为21.30 mg·kg⁻¹，达2级（丰富），高于临安区7个山核桃产区^[33]。大别山山核桃林地土壤有效磷水平的空间差异性较大，变异系数为70.00%，在统计学中，10%<CV<100%属于中等变异^[34-35]，这与谢林峰^[29]对山核桃林地的研究一致。大别山山核桃生产经营中应因地制宜，一般认为土壤中速效磷含量>25 mg·kg⁻¹，施磷肥无效^[36]，而JTTZ林地有效磷含量达到36.76 mg·kg⁻¹，过量的磷会引发一系列的环境风险，应控制磷肥的使用，以免造成环境污染和不必要的浪费^[37]；JGZY含量仅为9.22 mg·kg⁻¹，应合理增施磷肥。相关性分析表明，土壤碱解氮和全磷、有效磷含量呈极显著负相关，这与马闪闪等^[38]的研究一致。在高氮条件下，土壤磷有效性降低，氮磷养分比例失调可能会成为影响作物产量和品质的限制因子。

大别山山核桃林地10个乡镇土壤全钾平均含量为5级（很缺乏），整体处于偏低水平，土壤缺少钾素会对植物叶片形态、果实产量和品质等造成严重影响^[39]。土壤中的速效钾能提高植物抗逆能力^[40]。本研究中，土壤平均速效钾含量为71.52 mg·kg⁻¹，处于4级（缺乏），丰富及以上仅占1.13%，这不仅与土壤母岩类型和传统施肥管理重氮肥轻钾肥有关，也与在营养转化过程中，果皮和种仁对钾的需求量大有关 ^[41]，土壤中的钾不断被吸收又得不到相应补充。此外，土壤的酸化也会加剧土壤钾素的流失^[11]。相关分析表明，速效钾与有机质、碱解氮呈极显著正相关（P<0.01），大别山山核桃林地土壤有机质和碱解氮含量丰富，而速效钾缺乏，应增施钾肥，土壤中K⁺的增加也可以替换H⁺将土壤活性酸转化成潜性酸，从而提高pH值，改善大别山山核桃林地土壤条件。

模糊综合评价法利用隶属度和权重对相互制约的多因素进行定量评价，使评价更加准确可靠，在土壤肥力评价中应用广泛^[42-43]。大别山山核桃林地土壤综合肥力处于较高水平，其中JTTZ、JGM和JWJD土壤综合肥力较高；JYZH和LJZH土壤综合肥力相对欠缺。综合分析各评价指标的权重可以量化表征其对土壤质量的贡献情况，大别山山核桃土壤中有机质、碱解氮含量对土壤肥力的影响最大。施肥管理中应在保证有机质、碱解氮含量充足的情况下，增施钾肥，合理增施磷肥，有利于维持土壤肥力。

大别山山核桃林区土壤存在一定程度的酸化现象，总体上土壤有机质、氮素、磷素含量丰富，钾素含量缺乏，因此在生产经营中应合理使用生石灰、土壤改良剂等提高pH值，注意及时补充钾肥、控制氮肥、稳定磷肥。不同乡镇间土壤肥力差异显著，采取因地适宜的施肥策略，果子园乡、古碑镇、燕子河镇应针对性的增施有机肥和氮肥；天堂寨镇应控制磷肥的施用量；长岭乡应大量补充磷肥。