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杨树是我国造林面积最大的人工林树种之一，全国杨树林总面积达 1010 万 hm2，其中人工林面积 757 万 hm2，占全国人工乔木林总面积的 18.9%，在保障农区增产增收、改善农田小气候、防风固沙等方面发挥着重要作用[1]。杨树也是山东平原地区的主栽树种，居于杨、柳、榆、槐四大用材树种之首，主要分布在鲁西、鲁西南、鲁北、鲁中南平原地区。至 2017 年，山东省杨树用材林面积高达 63.2 万 hm2，栽培面积和蓄积量分别占全省各树种用材林的 88.5% 和 91.9%[2]。近年来针对杨树人工林施肥、修枝、树木生理等已有较多报道[3-7]，但针对林地土壤肥力的研究相对较少。林地土壤综合肥力是土壤水、肥、气、热相互联系的结果，是土壤物理、化学和生物学特性的综合反映，其中物理、化学特性由于相对较稳定，是土壤肥力研究最重要的构成部分，也是研究重点。
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国内关于杨树人工林土壤理化性质的研究多数涉及到不同杨树人工林类型、营林模式、林下植被、管理措施等对其的影响[8-13]，但关于杨树林地土壤肥力评价方面的研究报道较少。罗治建等[14]应用土壤养分状况系统研究法对江汉平原杨树人工林土壤养分状况进行了评价，研究表明试验地区的土壤养分主要限制因子为氮和锌，且氮缺乏程度大于锌；宋丛文等[15]研究了湖北省杨树主栽区农田营造杨树速生丰产林 3～7 年后对林地土壤肥力的影响；胡建忠[16]对黄土高原沟壑区 4 种人工山杨林分的试验研究表明，山杨沙棘混交林改良土壤作用最好，并对土壤质量进行了评价。然而，针对山东省平原地区杨树人工林土壤理化特性和综合肥力的研究鲜见报道。本研究以山东省杨树主栽区长期连作林地为对象，开展土壤理化特性研究和土壤肥力综合评价，可为山东省杨树人工林可持续经营提供参考依据。
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1 材料与方法
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1.1 研究区概况
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研究地区位于山东省杨树主栽区，属于暖温带半湿润季风气候，四季分明，春秋短暂，冬夏较长，年平均气温 11～14℃，≥10℃积温 3800～4600℃，年平均日照数 2300～2900 h，无霜期 180～220 d，平均年降水量 550～950 mm[2，17]。鲁西南和鲁西北平原为黄河冲积平原，杨树林地主要土壤类型是潮土；鲁中南山地丘陵区杨树林地的主要土壤类型为河滩地的河潮土、山前平原的棕壤和褐土。主栽杨树种类为欧美杨、美洲黑杨和毛白杨[2]。
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1.2 样地设置和土样采集
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研究地点设在位于鲁西的莘县，鲁北的东营市垦利区和寿光市，鲁西南的单县和宁阳县，以及鲁南的费县。杨树人工林样地均选自当地国有林场，共有样地 20 块，面积为 100～200 m2，具体情况见表1。土样采集时间为 2020 年 9—11 月。在每块样地随机选 4 个点，取样层次为 0～20 cm，去除石砾等杂物，混合均匀后用四分法取样带回实验室，自然风干后备测。
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1.3 测定指标和方法
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土壤养分状况和土壤物理化学环境共同决定了土壤综合肥力[18]。本研究选择了 15 个土壤理化指标，其中：土壤养分指标 7 个，分别为土壤全氮、全磷、全钾、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾；土壤物理和化学环境指标 8 个，分别为土壤 pH、电导率（EC）、容重、毛管孔隙度、砂粒 （>2 mm）、粉砂粒（0.002～2 mm）、粘粒（<0.002 mm）和粉粘比（粉砂粒与粘粒的比值）。
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土壤有机质测定采用重铬酸钾外加热法；全氮、全磷和全钾分别采用凯氏法、碳酸钠熔融法和氢氧化钠熔融法测定；碱解氮、有效磷和速效钾分别采用碱解扩散法、钼蓝比色法和火焰光度法测定。土壤 pH 采用酸度计（水土比 2.5∶1）测定；EC 采用电导率仪测定[19]；容重采用环刀 （100 cm3）法测定；毛管孔隙度采用环刀浸水法测定[20]；砂粒、粉砂粒和粘粒含量采用吸管法测定[21]。
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1.4 指标分级标准
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关于林地土壤肥力指标，目前国内外尚没有可利用的统一标准。土壤养分指标采用全国第二次土壤普查土壤养分的分级标准[22]，其他指标参考全国土壤普查办公室提出的林地土壤资源评价分级指标，以及前人对林地土壤指标的评价标准[18，23-24]，总结得出林地土壤质量主要指标的分级标准（表2），用于判断杨树林地土壤肥力指标的丰缺状况。由于目前尚没有砂粒和粉砂粒的分级标准，因此未列入这 2 个指标。
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1.5 土壤综合肥力评价
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1.5.1 评价指标的隶属度值计算
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选取表2 中所有土壤指标，参照孙波等[18]的方法，采用综合肥力指数法对杨树人工林土壤肥力进行评价。首先建立各评价指标的隶属度函数，计算其隶属度值。土壤 pH、EC、容重、毛管孔隙度、粘粒和粉粘比的隶属度函数属于抛物线型，公式如式（1）所示。
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土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾的隶属度函数则属于 S 型，公式如式 （2）所示。
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隶属度函数曲线中转折点的取值根据已有研究资料确定[18，22-24]，见表3。然后，根据以上公式和转折点计算得出各项指标的隶属度值。
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1.5.2 土壤综合肥力指数的计算
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首先参照姚荣江等[25]的方法，根据公式（3） 计算各项指标的权重：
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式中：W 为权重，r’ 为某一项评价指标与其他指标之间相关系数的平均值，∑ r’ 为所有同类评价指标相关系数平均值总和。
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然后参照孙波等[18] 的方法，根据公式 （4）～（6）计算出每块样地的综合肥力指数：
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式中：N 表示养分状况指标隶属度集合，E 表示土壤环境指标隶属度集合，W 表示权重，FI 表示综合肥力指数，n 和 e 表示两类指标的隶属度值，i 和 j 表示两类指标的序数，分别为 1～5 和 1～8。
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1.6 数据分析
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利用 Excel 2016 和 Statistica 12.5 进行指标隶属度计算、图表制作和相关分析；采用变异系数来分析土壤肥力指标的变异程度。
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2 结果与分析
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2.1 杨树林地土壤的养分特性
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由表4 可以看出，供试杨树林地土壤有机质平均值为 1.10%，变幅为 0.53%～3.06%，多数处于“较低”水平，仅有 25% 为“适中”水平。由测定结果可知，供试土壤的全氮、全磷和全钾含量均较低，近 2/3 样地的土壤全氮含量处于“很低”水平，20% 为“较低”水平，而仅有 15% 为 “适中”或“较高”水平。供试土壤的全磷和全钾含量均为“很低”或“较低”水平，80% 样地的土壤全钾处于“很低”水平。碱解氮含量的变幅为 10.85～28.35 mg/kg，平均值为 16.69 mg/kg，全部土样的碱解氮含量均为“很低”水平。土壤有效磷平均值为 15.38 mg/kg，整体为“适中”水平，其中 45% 处于“较低”水平；供试林地土壤全钾含量虽然较低，但速效钾含量整体较高，平均值为 83.11 mg/kg，多数（65%）属于“适中”水平，共有 20% 处于“较高”或“很高”水平，仅有余下的 15% 为“较低”水平。
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变异系数反映了指标的敏感性，变异系数越大表明该指标对差异性也越敏感，超过 100% 为强变异，低于 10% 为弱变异，处于 10%～100% 则为中等变异[26]。由表4 可以看出，在 7 个土壤养分指标中，有效磷和有机质的变异系数相对较大，全磷和全钾相对较小，但所有指标均属于中等变异，这说明供试杨树林地养分指标总体上较为稳定，在不同栽培地点之间整体变幅不大。
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2.2 杨树林地土壤的物理和化学环境特性
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由表5 可以看出，在 8 个土壤物理和化学环境指标中，土壤 pH 和容重的变异系数均低于 10%，呈弱变异，说明山东省杨树人工林土壤 pH 和容重相对较为稳定。其余指标均为中等变异，变异系数相对较高的为粉粘比和 EC。
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由分析结果可知，杨树林地土壤 pH 变化范围为 6.07～8.42，平均值为 7.85，70% 样地的土壤表现为微碱性（7.5～8.5），仅有 25% 样地的土壤 pH 为“适中”等级（6.5～7.5）。供试土壤 EC 普遍较低，变幅为 86.30～500.00μS/cm，分别有 65% 和 25% 处于“较低”和“很低”等级。调查结果表明，山东省杨树人工林土壤容重处于 1.24～1.58 g/cm3 之间，其中 85% 样地的土壤容重处于“适中”水平，其余处于“较高”水平。供试样地土壤的毛管孔隙度整体较高，分别有 20% 和 70% 处于 “较高”和“很高”水平，仅有 5% 处于“较低” 水平。
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供试样地土壤的砂粒含量均较高，远大于粉砂粒和粘粒含量。根据美国农业部土壤质地分类标准[27]，20 块杨树林地中的绝大部分（14 个）为砂质壤土，其余为壤质砂土（2 个）和壤土（4 个）。样地土壤粘粒含量普遍很低，有 90% 样地的土壤粘粒含量处于“很低”水平，余下的 10% 处于 “较低”水平。林地土壤的粉粘比整体较低，平均值仅为 0.79，其中有 60% 和 20% 样地土壤的粉粘比分别处于“很低”和“较低”水平。虽然目前尚没有砂粒和粉砂粒的分级标准，但由于供试林地土壤粘粒含量很低，可以推知土壤粉砂粒含量也整体处于较低水平。
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2.3 杨树林地土壤的综合肥力指数
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计算结果表明（表6），不同样地间的土壤综合肥力存在较大差异，供试杨树人工林样地的土壤综合肥力指数变幅为 0.051～0.346，最高值为位于东营黄河三角洲军马场的 20 号样地，而最低值为位于单县高韦庄苗圃的 5 号样地。将不同区域的样地进行比较（图1），可以看出鲁北的杨树林地土壤肥力指数平均值最大，其次为鲁南杨树林地，鲁南、鲁西和鲁西南这 3 个栽培区林地的土壤肥力指数相差不大，三者之间差异没有达到显著性水平（P<0.05）。
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图1 不同区域杨树人工林的土壤综合肥力
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注：柱上不同小写字母表示区域间差异显著（P<0.05）。
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2.4 土壤理化特性、连作时间、林龄和林分密度对土壤综合肥力的影响
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将供试林地土壤理化指标分别与土壤综合肥力指数进行相关分析。结果表明（表7），土壤有机质、全磷、全钾、有效磷、速效钾、粉砂粒含量与土壤综合肥力指标之间的相关系数均达到极显著水平（P<0.01）；容重、粘粒含量与土壤综合肥力指数之间达到显著性相关水平（P<0.05），其他 7 个土壤理化指标与其相关性均不显著（P>0.05）。相关分析表明，杨树连作时间、林龄、林分密度对林地土壤肥力均没有产生显著影响。
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3 讨论
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土壤综合肥力不能直接测定，可通过土壤肥力指标来间接推测。在进行林地土壤肥力评价时，选择适当的评价指标和评价方法起到关键作用。土壤肥力应包括 2 个有机结合的部分，即土壤的养分状况以及土壤在供应植物生理所需物质时所处的环境条件。本研究主要从代表性、可比性、易测性等多方面考虑，选取了 7 个土壤养分指标和 8 个土壤物理和化学环境指标，均是在土壤肥力评价中使用较多的主要指标。考虑到土壤酶活性、微生物数量等生物学指标受人为和环境因素影响较大，不同取样时间造成的变异性也很大，缺乏可比性，因此本研究没有选用这类指标。
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在土壤肥力评价中，一般都是利用多项土壤指标进行综合评判。目前国内外常用的评价方法主要有模糊数学法、肥力指数法、层次分析法、质量模型法、因子分析法等[28-29]。本研究选用了国内外均使用较多的肥力指数法，对山东省杨树人工林土壤肥力进行综合评价，能比较准确地反映林地土壤肥力状况。
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结果表明，山东省鲁西、鲁西南、鲁南杨树主栽区林地土壤肥力整体较低，土壤有机质、全氮、全磷含量处于“较低”水平，80% 供试样地的全钾处于“很低”水平；速效养分中，虽然有效磷和速效钾整体适中，但 100% 样地的碱解氮含量处于“很低”水平。山东省杨树人工林多栽植于黄泛平原地区，土壤砂粒含量高，而粘粒含量很低，保肥保水能力差。因此，土壤中的氮、钾等养分易随降水或灌溉水淋失。山东省杨树人工林连作时间较长，很多林地已连续栽培 30 年以上，有些甚至超过 60 年。这些人工林地多数管理较为粗犷，每年一般施用少量化肥，很少施用有机肥料，虽然经历长期连作和多年经营管理，但林地土壤综合肥力并未得到明显提升。本研究表明，杨树林地土壤肥力指数与连作时间、林龄、林分密度并没有显著相关性，未被这些因素直接影响，主要还是与立地条件、土壤理化特性和经营管理有关。最近山东省多地长期连作杨树林分陆续出现“枯梢”现象，这可能与与林地土壤理化特性较差、综合肥力较低存在密切关联。鉴于目前山东省杨树长期连作林地土壤存在的问题，建议当地林业管理部门和林农开展平衡施肥，加强肥水管理，提高土壤综合肥力，以利于杨树产业的可持续健康发展。
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4 结论
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（1）山东省杨树人工林土壤养分指标总体上较为稳定，在不同栽培地点之间整体变幅不大。林地土壤中不同养分的丰缺状况差异较大，土壤有效磷和速效钾含量整体上处于“适中”水平，而有机质、全氮、全磷为“较低”水平，全钾、碱解氮含量则处于“很低”水平。
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（2）在土壤物理和化学环境指标中，供试杨树林地土壤 pH 总体上表现为微碱性，平均值为 7.85；土壤砂粒含量较高，而粉砂粒、粘粒含量较低，80% 样地为砂质壤土或壤质砂土。土壤粉粘比和 EC 较低；土壤容重处于“适中”水平。
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（3）不同栽培区杨树人工林样地间的土壤综合肥力存在较大差异，以鲁北区林地土壤综合肥力最高，显著高于其他区域；鲁南、鲁西和鲁西南这 3 个栽培区供试林地的土壤肥力指数相差不大，两两之间的差异没有达到显著性水平。
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（4）相关分析表明，土壤有机质、全磷、全钾、有效磷、速效钾、粉砂粒、容重、粘粒与土壤综合肥力指数之间的相关性均达到极显著或显著水平；杨树连作时间、林龄、林分密度对林地土壤肥力均没有产生显著影响。
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摘要
土壤理化特性是土壤综合肥力的重要组成部分，对于诊断土壤质量优劣具有重要意义，可为人工林的合理经营提供参考。以山东省杨树主栽区 20 块长期（10 ～ 60 年）连作人工林样地为研究对象，取样测定 15 个土壤指标，研究了林地土壤的物理和化学特性，并采用综合指数法对土壤综合肥力进行了评价。结果表明：山东省杨树人工林土壤全钾、碱解氮含量总体上处于“很低”水平，有机质、全氮、全磷含量和电导率（EC）处于“较低”水平，有效磷、速效钾含量和容重处于“适中”水平，而毛管孔隙度处于“较高”水平。80% 样地为微碱性砂质壤土或壤质砂土，砂粒含量较高，而粉砂粒、粘粒含量较低。不同样地间的土壤综合肥力存在较大差异，以鲁北区杨树人工林土壤综合肥力指数最高，显著高于鲁南、鲁西和鲁西南这 3 个栽培区。相关分析表明，土壤有机质、全磷、全钾、有效磷、速效钾、容重、粉砂粒、粘粒 8 个理化指标均对土壤综合肥力指数具有显著影响，而全氮、碱解氮、pH、EC、毛管孔隙度、砂粒、粉粘比 7 个指标与其相关性均不显著。杨树连作时间、林龄、林分密度对林地土壤肥力没有明显影响。
Abstract
Soil physico-chemical characteristics are an important part of soil comprehensive fertility，which is of great significance for diagnosing the soil quality and can provide a reference for the rational management of plantations．Taking 20 long-term（10-60 years）continuous cropping poplar plantation plots in the main planting area of poplar trees in Shandong province as the research objects，15 soil indexes were measured，and the physico-chemical characteristics of the forest soil were studied．The comprehensive fertility of the soil was evaluated by the comprehensive index method．The results showed that total potassium and alkaline nitrogen contents in soil of poplar plantations were generally at a“very low”level，organic matter，total nitrogen，total phosphorus and conductivity（EC）were at a“low”level，and the available phosphorus， available potassium and bulk weight were at a“moderate”level，while the capillary porosity was at a“high”level．The soil texture from 80% of the plots are slightly alkaline sandy loam or loam sand，with a high sand content，while the contents of silt and clay are low．There were large differences in soil comprehensive fertility between different plots，with the highest comprehensive soil fertility in poplar plantations in northern region of Shandong province，which was significantly higher than those in the southern，western，and southwestern cultivation areas of Shandong province．The correlation analysis showed that eight soil physico-chemical indexes，such as soil organic matter，total phosphorus，total potassium，available phosphorus，available potassium，bulk weight，silt and clay，had a significant impact on the soil comprehensive fertility index，while the correlation between the soil comprehensive fertility and other seven indexes，such as total nitrogen， alkaline nitrogen，pH，EC，capillary porosity，sand and silt/clay，was not significant．Poplar continuous cropping time， stand age and density did not have a significant effect on soil fertility of plantation.
