浙江省杭州市临安区(30°14'N，119°42'E)被誉为“山核桃之乡”。山核桃是临安的主要经济作物，其面积和产量分别占全国60%和70%以上，主要分布在西部山区的7个镇，包括湍口镇、清凉峰镇、河桥镇、昌化镇、龙岗镇、岛石镇和太阳镇。临安属季风型气候，温暖湿润，光照充足，雨水充沛，四季分明。临安年平均气温为16.4 ℃，7月平均气温为29.1 ℃，极端最高气温为41.7 ℃，1月平均最低气温为4.1 ℃，极端最低气温为-13.0 ℃，年平均降水量为1 628.6 mm，降水集中在4-9月，年平均日照时数为1 847.3 h，无霜期为235 d。山核桃林地多分布在海拔50 ~ 1 200 m的丘陵山地，土壤类型主要为油黄泥、黄红泥、钙质页岩土、黄泥土^[13]。

本研究根据临安区山核桃栽植面积和分布区域等信息，选取山核桃栽植面积较广、分布较为集中的湍口镇、清凉峰镇、河桥镇、昌化镇、龙岗镇、岛石镇、太阳镇为山核桃土壤主要采集区域。根据以往采样策略研究的基础和经验，考虑不同的母岩、土壤类型、地形地貌、样点分布的均匀度以及样点对整个连续分布面的可代表性等多种因素，利用Arc GIS地理信息系统软件，以研究区行政区划图、土壤类型图、山核桃空间分布现状图等为底图，进行了实验室室内布点，按照1 km²山核桃林地布设1个样点，形成了研究区山核桃林地采样布点图。

2013年3月和4月，山核桃林地施肥前，进行了山核桃林地土壤样品采集。以研究区行政区划图、交通图和采样布点图为基础，采用差分全球定位系统(GPS)野外采样导航和定位，结合山核桃实际分布和种植情况，采用混合法，在7个镇共采集土壤样品189个(图 1)。在10 m半径范围内，按“梅花”型布点，采集5个子样点表层0~20 cm的土壤样品，混合均匀后组成1个混合土样，样品质量约1 kg·份^-1，捡去树根、草皮和石子等杂物，装于塑料袋中，带回实验室。同时，记录采样点山核桃的立地条件、土壤情况、农户施肥管理和山核桃产量情况等。

图  1  采样点分布图

Figure 1.  Sampling point distribution map

土壤样品在室内常温晾摊自然风干，捡除石块、根系等异物，用木棒磨碎，过2 mm尼龙筛，再从2 mm土壤样品中取出一部分，用陶瓷研钵研磨过100目筛子，2 mm和100目的土样分别装于封口袋中，编号保存备用。

土壤理化性状的测定均采用常规分析方法，土壤pH值采用m(土): m(水)为1.0: 2.5的悬浊液测定；土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定；土壤氮采用碱解扩散法测定；土壤磷采用盐酸-氟化铵(HCl-NH₄F)浸提，钼锑抗比色法测定；土壤钾采用醋酸铵浸提，火焰光度计测定^[14]。

本研究中，采用Excel 2010和SPSS 18.0统计分析软件进行数据的描述统计分析、正态分布检验；利用GS⁺ 7.0地统计软件完成地统计分析，半方差模型拟合，以及空间相关性分析；用Arc GIS 10.2地理信息系统软件进行Kriging空间最优无偏插值和空间分析成果图的制作。

首先，对研究区的数据进行预处理，以保证分析结果的准确性。异常值出现概率低，但是异常值的存在会造成研究数据的偏态分布，进而影响分析结果的准确性。由于本研究的样本容量为189个，样本容量偏大，因此采用阈值法对数据进行异常值检验，检验结果发现研究区土壤pH值及养分数据异常值均在4个以下，甚至没有异常值，证明本研究采样合理。

地统计学中，半方差分析和Kriging插值都要求数据符合正态分布，否则可能产生比例效应，会影响基台值和块金值，降低估计精度^[15]。正态检验的方法主要有直方图法、P—P和Q—Q正态概率图检验、偏度峰度联合检验法、夏皮洛-威尔克检验、χ²法检验、科尔莫戈洛夫-斯米尔洛夫检验法^[16]。由于本研究的样本容量为189个，属于大样本，因此使用峰度偏度联合检验法对异常值处理后的数据进行检验。检验结果发现有机质、碱解氮、速效钾的偏度和峰度不同程度降低，并符合正态分布，而土壤有效磷和pH值的偏度和峰度值仍然偏大，不符合正态分布，为此需对这两者进行数据转换。对不符合正态分布的数据进行对数转换后发现，两者的偏度和峰度明显降低，并且能较好地符合正态分布或者近似正态分布。结果见表 1。

由表 2可知：研究区山核桃林地土壤pH值平均为pH 5.23，范围为pH 4.19~7.52，且仅有4个样品pH值超过pH 7.0，故土壤属于酸性土壤。然而研究区位于天目山系石灰岩母岩的土壤上，土壤应该偏碱性，这说明研究区土壤酸化严重。土壤有机质为9.7~67.7 g·kg^-1，平均值为31.6 g·kg^-1。土壤碱解氮为56.61~268.97 mg·kg^-1，平均为155.40 mg·kg^-1。土壤有效磷为1.37~143.28 mg·kg^-1，平均为14.04 mg·kg^-1。土壤速效钾为18.92~255.74 mg·kg^-1，平均为85.73 mg·kg^-1。

土壤的肥力状况需要借助土壤肥力水平分级标准来进行评价。由于对山核桃林地土壤的研究较少，迄今还没有相应的肥力分级标准来衡量山核桃土壤的肥力状况。本研究以农业上采用的常规农作物肥力等级划分标准为参考，如表 3所示。

由表 3可知：土壤pH值大部分为pH 4~6，其中有87%的土壤pH值在pH 6以下，仅有13%的土壤属于碱性和微酸性。土壤有机质质量分数主要分布在第3等级和第4等级，所占比例为54%，小于10.0 g·kg^-1的仅有0.5%，说明有机质比较丰富。土壤碱解氮质量分数普遍较高，主要处在分级标准的第3等级，且所占比例为76%。碱解氮大于200 mg·kg^-1的区域占15%，小于100 mg·kg^-1的区域仅有8%。与碱解氮相反，土壤有效磷普遍不足，63%的土壤有效磷不足10 mg·kg^-1，其中不足5 mg·kg^-1的区域占40%，超过10 mg·kg^-1的占37%。土壤速效钾较丰富，其中大于50 mg·kg^-1的区域占80%，即大部分区域都处在第2等级及以上，而低于50 mg·kg^-1的只占20%。

根据ZHANG等^[17]对变异系数的划分，当变异系数小于10%时属于弱变异，10%~90%为中等变异，大于90%则为高度变异。由表 2可知：研究区土壤pH值、有机质、碱解氮、速效钾均属于中等程度变异，其质量分数差异较小。其中土壤pH值变异系数仅为12.24%，说明研究区土壤pH值较为接近，最大值只是属于个别现象，绝大多数采样点土壤都呈酸性。在上述养分指标中，有效磷变异系数最大，达到了141.03%，属于高度变异。结合前面的土壤养分等级评价结果，表明研究区土壤有效磷质量分数具有明显的变异性，质量分数高低差异较大。

土壤酸碱度是土壤养分的重要特征之一，不仅影响土壤微生物活性，而且与土壤养分的形成、转化以及有效性有密切关系，也是影响土壤肥力的主要因素之一^[18]。山核桃适宜生长在微酸性及以上的土壤中。调查显示山核桃出现连片的叶片黄化，枯萎，根系死亡严重现象时，林地土壤pH值均小于pH 5.0。洪游游等^[11]的研究结果表明：土壤pH值在20世纪末为pH 6.0 ~ 7.0，然而本研究土壤pH值仅为pH 5.23，在山核桃生育期pH值可能更低。由此可知：山核桃林地土壤严重酸化。随着山核桃市场需求量的增加，林农为了提高山核桃产量，大量施肥，以提高山核桃生长所需的养分。已有研究发现：施肥是导致土壤酸化的主要因素^[19]。研究区大量施用的氮肥，仅一部分被植物所吸收，大部分氮经过硝化作用产生酸，造成土壤酸化^[12]。土壤酸化又会影响山核桃对营养元素的吸收，从而导致山核桃产量和品质下降^[20]。

土壤有机质是土壤肥力的物质基础，影响作物对微量元素的吸收，从而影响农作物的产量和品质^[21]。有研究表明^[22]：土壤有机质与其他速效养分不同，它在植物生长期间变化较小，并保持相对稳定。这是研究区土壤有机质变异系数偏小，质量分数差异不明显的主要原因。研究区土壤有机质平均值达31.6 g·kg^-1，处在分级标准的第3等级。林地土壤有机质丰富。调查发现^[23]：土壤有机质与土壤碱解氮呈极显著正相关，研究区大量氮肥的施用，不仅使土壤碱解氮普遍较高，还提高了有机质质量分数。同时，山核桃树木常年枯枝落叶堆积，无人清扫，也是导致林区土壤有机质丰富的原因之一。

氮素是植物所必须的营养元素之一。研究区氮素水平高低能有效反映林农施肥状况。调查发现：林农大多施用氮磷钾复合肥，研究区土壤碱解氮普遍较高，平均值达155.4 mg·kg^-1，而且质量分数处在第3等级和第4等级的区域占91%。显然，这与研究区大量施肥有关。化肥在分解过程中会产生二氧化碳以及各种有机酸，二氧化碳除被植物吸收外，溶解在土壤水分中形成碳酸以及各种有机酸、无机酸，一方面加剧了土壤酸化，另一方面则促进土壤中难溶性矿质养分的溶解，从而增加土壤中的有效养分^[24]。

缺磷是植物生长的主要限制因素之一^[25]。初步调查发现：品质好的山核桃大部分都生长于石灰性母质发育的土壤上，而这种类型的土壤磷养分一般都比较贫瘠^[26]。石灰岩土壤含有大量可交换性钙，磷易与钙形成磷酸二钙、磷酸八钙、羟基磷灰石以及难溶的磷灰石等磷酸钙盐沉淀，是降低磷的有效性的主要途径^[27]。有研究表明^[28]：土壤有效磷达10 mg·kg^-1的时候才能满足山核桃的生长。研究区63%的土壤有效磷不足10 mg·kg^-1，所以研究区土壤有效磷质量分数亟待提高。施肥特别是酸性肥料和氮肥的施用有助于提高土壤磷的有效性^[29]，因此，为了提高磷质量分数，林农不同程度施用氮肥，而研究区有效磷变异系数达141.03%，其质量分数高低差异显然与林农施肥管理水平不同密切相关。

由于施入土壤中的氮容易转化，随雨水淋失，磷易于被土壤固定，而钾不会发生形态的转化，因此研究区土壤速效钾质量分数高低能够很好地反映林农施肥状况。高产山核桃林的最低肥力要求中土壤速效钾不得低于55 mg·kg^-1。肥力等级评价结果显示：土壤速效钾大于50 mg·kg^-1的区域占80%。可见，研究区山核桃土壤速效钾绝大部分能满足山核桃生长且质量分数相对较高，从而也反映出林农施肥量较大。

变异系数仅仅反映了样本的总体特征，并不能准确反映空间的变化规律，即不能反映土壤养分的结构性和随机性、相关性和独立性。地统计学能够很好地反映研究区土壤养分含量的空间变异结构。因此，本研究采用地统计学方法对土壤养分数据进行了半方差函数变异性分析，使用GS⁺ 7.0软件对土壤养分及pH值数据进行了半方差模型拟合，得到各养分及pH值的半方差函数理论模型及相关参数(表 4)。由表 4可知：土壤pH值较好地符合高斯模型，土壤有机质和碱解氮符合指数模型，土壤有效磷和速效钾较好地符合球状模型。

土壤养分异质性是随机因素与结构因素共同作用的结果。在半方差函数模型中，块金值(C₀)表示由人为活动等非自然因素引起的变异，属于随机变异；基台值(C)表示系统内的总变异；块基比C₀/(C₀+C)表示随机因素引起的空间变异在系统变异中所占的比例，是反映区域化变量空间相关性程度的重要指标。当C₀/(C₀+C)＜25%时，表明变量具有强烈的空间自相关，即主要受到结构性变异的影响；当C₀/(C₀+C)为25%~75%时，变量属于中等程度空间自相关；当C₀/(C₀+C)＞75%，变量空间自相关程度较弱，即主要受随机因素影响^[30]。变程表示在一定尺度下变量空间相关性的作用范围，在变程范围内变量存在空间相关性，超过变程则不存在。由表 4可见：pH值、有机质、碱解氮块基比均小于25%，表明这三者的变异主要是由土壤母质、类型等结构性因素引起。但是由于三者变程较小，尤其是碱解氮，变程仅为0.81 km，这主要是由于受到人为施肥的广泛影响，从而削弱了三者各自的相关性。有效磷、速效钾块基比为25%~75%，属于中等程度空间自相关，说明有效磷和速效钾受到结构性和随机性因素的双重作用。

为了直观描述土壤养分及pH值在空间上的分布特征，了解研究区内各个乡镇的土壤养分状况，本研究在半方差函数分析的基础上，利用拟合得到的理论模型及其相关参数，结合土壤肥力等级评价标准，应用普通克里格方法进行了最优无偏插值，绘制了土壤养分及pH值的空间分布图(图 2)。

图  2  研究区土壤理化性质及产量空间分布图

Figure 2.  Spatial distribution of soil physical and chemical properties and yield in the study area

由图 2可见：土壤pH值呈近似“U”型分布格局，除了几个高值斑块区土壤偏碱性外，其余大部分区域土壤呈酸性，并由南向北酸化程度逐渐增强。土壤有机质质量分数由东北向西南逐渐递减，东部有机质质量分数相对较高。土壤碱解氮质量分数无明显空间分布特征，区域内有机质质量分数差异不明显且相当丰富。土壤有效磷质量分数由西向东逐渐递减，并在西北部出现相对高值区。土壤速效钾质量分数由中部向东西两边递增，然而土壤有效磷和速效钾呈斑块状的空间分布特征。

从土壤pH值和养分的空间分布情况来看，龙岗、昌化中北部，太阳西南以及清凉峰西部土壤酸化严重，属于一级，pH值低于pH 5，其余地区pH值为pH 5~6，pH值处于3级和4级的土壤几乎没有。研究区土壤有机质质量分数都极其丰富，其中岛石、龙岗、昌化、太阳、湍口镇以及河桥东部有机质质量分数都处于3级，且太阳以及太阳和昌化交界处出现了2个高值区，有机质质量分数处于4级，大于40 g·kg^-1。清凉峰、河桥中西部以及湍口部分地区有机质处于2级，质量分数也较丰富。与有机质相同，研究区土壤碱解氮质量分数也很丰富，几乎所有镇都处在3级，太阳镇北部碱解氮达到了4级。由前面分析可知，研究区土壤有效磷质量分数变异较大，在各级均有分布，63%的土壤有效磷不能满足山核桃正常生长，主要分布在太阳、昌化、龙岗、清凉峰大部分地区以及河桥、湍口部分地区，其质量分数低于10 mg·kg^-1，其中龙岗北部、清凉峰西南、太阳和昌化交接地带有效磷严重不足，低于5 mg·kg^-1。其余地区有效磷能够很好满足山核桃生长，尤其是岛石、清凉峰和河桥部分区域有效磷质量分数极高，处于4级。然而高磷容易造成磷的淋失，因此需要注意磷淋失风险。土壤速效钾质量分数变异性也相对较大，各级均有分布，主要分布在2级以上，且岛石南部、昌化中部、河桥中部的高值区有效钾大于80 mg·kg^-1。研究区土壤速效钾均能够满足山核桃正常生长。

自然和人为的双重作用导致土壤养分及pH值空间分布具有较大的变异性，尤其是人为施肥的影响。其次，土壤理化性质之间的相互作用不可忽视。由于受到成土母岩、海拔以及人为施肥等因素的影响，导致研究区不同乡镇土壤pH值差异明显，但是同一乡镇pH值变化程度不同，显然是人为干扰的结果，尤其是长期施用大量化学肥料所致。研究区内有机质质量分数丰富，但空间分布格局显示不同镇之间土壤有机质仍然存在差异。有机质质量分数较高的太阳以及昌化，海拔较高，石灰岩面积分布广，有利于土壤有机质的积累。而海拔较低的河桥、清凉峰以及湍口，石灰岩分布面积小，导致其有机质质量分数相对较低^[31]。研究区内有效氮差异不明显，显然这与研究区氮肥施入量相当有关。土壤有效磷与速效钾质量分数高低差异大，空间分布极为不均。土壤有机磷的矿化和无机磷的溶解很大程度上取决于土壤酸度，酸性土壤速效磷质量分数随pH值的升高而增加^[32]。由空间分布图可知土壤pH值较低的区域其有效磷质量分数相对较低，而pH值较高的区域有效磷质量分数较高。速效钾主要来源于成土母质与人为施肥，研究区施肥水平不同加剧了有效磷与速效钾的空间分布不均。

产量是最直接反映山核桃林地经济效益的指标，更是林农密切关心的问题。尽管山核桃产量会受到气象等多种因素的影响，但从以往的调查和果实分析来看，营养条件是造成山核桃果实产量大小年的主导因子^[33]。

由图 2可知：岛石、昌化、太阳等3个镇山核桃产量较高，河桥西部产量低，而东部地区产量高。其余镇山核桃产量较低，尤其是龙岗镇，产量偏低。

结合研究区土壤养分及pH值分布图可知：产量较高的岛石、昌化、太阳、河桥4个镇土壤pH值相对较高，产量偏低的龙岗镇土壤pH值极低。山核桃产量高低与土壤有机质质量分数高低具有较好的对应关系，然而也存在部分区域不一致现象，产量较低的湍口和龙岗其有机质质量分数反而较高。由于研究区碱解氮相当丰富，因此山核桃产量高低已不受土壤碱解氮限制。山核桃产量较高的岛石、昌化、太阳、河桥其土壤有效磷质量分数较高，产量偏低的龙岗其土壤有效磷质量分数也较低，而湍口和清凉峰山核桃产量与土壤有效磷水平并不一致。与有效磷相似，太阳、昌化、河桥、龙岗的山核桃产量与土壤速效钾质量分数较为一致，而清凉峰、湍口、岛石的山核桃产量与土壤速效钾质量分数却并不一致。综上所述，山核桃产量受土壤pH值及有机质、速效钾的影响较大，同时可能还受到地质、气象等其他多种因素的影响。

研究区土壤严重酸化，pH值的平均值仅为pH 5.23，不适宜山核桃的生长。从山核桃养分需求来看，土壤有机质、碱解氮和速效钾都比较充足，而有效磷处于低水平，大部分地区有效磷不足。

从空间分布情况来看，研究区7个镇土壤都应注重酸化改良，其中龙岗、昌化、清凉峰西部以及河桥中部酸化严重，应引起足够重视。土壤有机质、碱解氮、速效钾均能较好满足山核桃正常生长，但岛石北部小部分地区速效钾质量分数略显不足，应合理补充钾肥，岛石、昌化、河桥中部以及太阳北部小范围需要控制钾肥的施入。研究区碱解氮相当丰富，应适当减少氮肥施用。昌化、太阳全镇，龙岗南部、北部，清凉峰南部，湍口南部急需补充施入磷肥，而岛石全镇、清凉峰与河桥交界区有效磷极其丰富，必须严格控制磷肥的施用，以防止磷淋失对土壤造成污染。此外，研究区山核桃产量高低不一，其产量受土壤酸碱度、有机质、速效钾影响较大。因此，研究区山核桃林地土壤一方面要注重酸化的改良，另一方面要因地制宜控制或施用化学肥料，保持土壤养分平衡，促进山核桃产业健康稳定发展。