基于GIS丘陵土壤分區與烤煙推薦施肥研究

江厚龍，劉國順，楊 超，楊永鋒，胡宏超，劉清華

（1.重慶煙草科學研究所，重慶 400715；2.河南農業大學煙草學院，國家煙草栽培生理生化研究基地，鄭州 450002；3.河南省煙草公司平頂山分公司，河南 平頂山 467000）

土壤作為一個時空連續的變異體，即便在一個很小范圍內也具有高度的空間異質性[1-2]。如果忽視土壤養分的這一特性而進行均勻施肥，則會造成高肥區施肥量過多，低肥區施肥量過少[3]，從而造成作物產量和品質的嚴重下降。因此，根據土壤養分含量和作物需肥情況來確定施肥量是非常必要的?？緹熓俏覈匾慕洕魑?，其生長發育和產質量形成受土壤養分和施肥的影響較大[4]。因此，依據土壤養分情況將煙田劃分為不同肥力水平的區域進行精準管理是生產優質煙葉的關鍵。目前，國內外關于植煙土壤分區管理方面的研究報道較少，僅見基于土壤養分條件進行煙田養分分區管理研究的報道[5]?？緹熓且环N特殊的經濟作物，就工業和消費者而言，質量比產量更加重要[6]。因此，必要基于烤煙品質因素進行分區精準管理，目前國內外尚未報道相關的研究。另外，在管理分區方面的報道中，僅對管理分區進行定義[7-8]，偶有研究建立了施肥模型[9]，但未見將施肥模型應用于管理分區并驗證其效果的研究報道。

筆者運用地理信息系統（GIS）、全球定位系統（GPS）和地統計學等方法，研究了試驗區土壤養分的空間分布規律，定義了基于烤煙品質的管理分區；并通過多年布點試驗建立推薦施肥模型，將模型應用于各管理分區，同時對模型在各分區的應用效果進行驗證。旨在通過推薦施肥減少施肥的盲目性、提高農業生產的科學水平、促進農業資源高效持續利用；同時，通過減少農業肥料投入量，降低農業生產對生態環境的威脅。本研究結果將為煙田土壤養分分區管理和推薦施肥模型提供理論依據，為精準農業研究開辟新思路。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究在平頂山市郟縣典型煙草種植地塊進行（34°04′36″N，113°05′04″E），面積 4 hm2，以烤煙（中煙100品種）為主要種植作物，土壤類型為褐土。該區屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫14.6℃，≥10 ℃年活動積溫4734.9 ℃，無霜期220 d左右，年均降雨量680 mm。

1.2 土樣采集與分析

本研究于2009年3月上旬整地施肥前進行土樣采集，利用GPS對每樣點進行定位；采用“網格法”取土壤樣品，間隔為20 m。采樣時以網格點為圓心的5 m范圍內采集10鉆0～20 cm的土壤組成代表該點的混合樣，共采集樣品111個（圖1）。

圖1 試驗區位置及土壤樣點（a）和煙葉烤后樣取樣點（b）分布Fig.1 The location of the study field,spatial distribution pattern of sampling points for soil (a) and flue-cured tobacco (b) (a:111 soil samples; b:39 flue-cured tobacco samples at the corresponding 39 soil samples)

土樣經風干、去雜、磨碎、過篩后備用。分別測定土壤pH（pH計法）、有機質（OM）[10]、活性有機質（ASOM）[11]、總氮（TN）[12]、堿解氮（AN）[13]、速效磷（AP）[14]、速效鉀（AK）[15]和陽離子交換量（CEC）[16]等土壤屬性指標。

1.3 試驗方案設計

2007、2008、2009和2010年分別在平頂山郟縣選取 10個代表性煙田布置大田試驗。每試驗點設7個處理，3次重復，隨機區組排列，小區面積133.4 m2，各處理施肥量見表1。試驗所施肥料為煙草專用復合肥m(N):m(P2O5):m(K2O)=10:10:20、硝銨（含N 30%）、重過磷酸鈣（含P2O5為44%）、K2SO4（含K2O為50%）、KNO3（含N為13%，含K2O為 45%）。磷肥作基肥一次性條施；氮肥和鉀肥 70%作基肥，10%作為穴肥，20%在團棵前分 2次追施。供試品種為中煙100。

表1 試驗各處理肥料施用量 kg/hm2Table 1 The fertilizer rates for each treatment

1.4 分區方法

煙葉樣品于2009年9月獲取?？緹煶墒炱?，從111個土樣點上隨機選取39個（圖1b），采收充分成熟的中部葉進行烘烤，每樣點取 1 kg烤后樣（C2F）。對樣品的外觀質量、物理特性和化學成分及香氣等指標進行測定，并對各樣品進行品吸。將各指標進行量化處理給出分值，并賦予權重[17]，計算最終的品質得分。

1.5 分區驗證方法

2010年4月在各分區內分別選2個代表性地塊，一塊進行推薦施肥，另一塊常規施肥（對照）。田間管理按當地最優進行，于9月取各處理充分成熟的中部葉進行烘烤，取不同處理烤后樣（C3F）各2 kg進行分析。

1.6 數據處理

本研究用SPSS 10.0軟件進行異常值剔除、描述性統計和逐步回歸分析；用GS+軟件[18]進行地統計分析；模糊聚類分析和最佳分區數確定用 MZA軟件[19]進行；利用ArcGIS9.2軟件進行圖層編輯和輸出。

2 結 果

2.1 土壤養分測試數據處理

2.1.1 描述性統計 樣本平均值、標準差、變異系數、最大值及定義概率等廣泛應用于數據分析中，是反映數據整體分布特征和數據分析的第一步，也是對數據進一步分析的基礎[20]。對8種土壤屬性進行統計分析，結果見表2。

由表2可知，該區域土壤pH變幅為7.39～8.44（=7.93），變幅較小，為普遍認同的烤煙生長pH次適宜區。OM含量為17.19 g/kg，適宜烤煙生長，可有效提高煙葉香氣質和香氣量，減少雜氣和刺激性[21-22]。TN 含量為 0.54～1.40 g/kg，為中等偏低[23]。土壤AN、AP和AK是烤煙生長的主要養分因子[5]，其平均值分別為 74.97、7.39、161.40 mg/kg；AN和AP含量偏低，AK含量為較高水平；AP在該區內分布不均，其變異性較大（CV=43.85%）。許多學者也報道了相似的結果[24-26]。表2顯示，大部分土壤養分具有較大的變異性，因此有必要將該區劃分為不同養分水平的分區進行精準管理，以減少因肥料因素而造成煙葉產量和品質的降低。

由偏度、峰度和Kolmogorov-Smirnov（P＞0.05）檢驗表明，所測土壤指標均為正態分布或近似符合正態分布。因此數據均能滿足使用地統計分析要求。

表2 土壤養分的描述性統計Table 2 Descriptive statistics of soil nutrients in study area (n=111)

2.1.2 土壤養分和烤煙品質空間變異性分析 在忽視各向異性和趨勢效應的前提下，擬合了8種養分和烤煙品質的半方差函數模型（表3）。結果顯示，球狀模型能很好地擬合8種土壤養分，而烤煙品質用線性模型能較好擬合，模型能真實地反應空間分布情況。CEC、TN和烤煙品質的塊金值與基臺值比小于25%，具有較強的空間自相關性[27]，說明這2種養分及烤煙品質的空間變異性主要由結構性變異決定。其他土壤養分的空間變異性均由結構性因素和隨機性因素共同決定。利用半方差函數模型對土壤養分和烤煙品質進行Kriging插值（圖2和圖4A）。由圖可知，烤煙品質與土壤養分空間分布極為相似，尤其是與AK和AP。另外，圖2顯示，AK含量屬中等偏上，OM和AP的含量中等偏低，CEC含量表明該研究區土壤具有中等保肥供肥能力。

表3 土壤屬性半方差函數理論模型及有關參數Table 3 Theoretical models and corresponding parameters for semivariogram of soil properties

圖2 土壤養分空間分布特征圖Fig.2 Spatial distribution maps of soil properties

2.2 土壤養分綜合分區

2.2.1 分區數據源提取 為了研究影響該區烤煙品質的關鍵土壤養分因子，利用逐步回歸法進行分析。將土壤 pH、OM、ASOM、TN、AN、AP和CEC作為自變量，烤煙品質得分作為因變量，進行逐步回歸分析，得如下回歸方程：

F檢驗顯示，由逐步回歸所建立的方程達到顯著水平（P=0.03），決定系數R2=0.746，Durbin-Waston 統計量d=1.543，說明該模型擬合度較好。由方程回歸系數可知，AK、OM、AP和CEC對烤煙品質有較大影響，是該區烤煙品質形成的關鍵土壤養分因子；其他3種土壤屬性對烤煙品質無顯著影響。

2.2.2 分區與驗證 將4種關鍵養分因子的空間分布圖轉化成5 m×5 m柵格圖，通過轉點運算提取每個柵格的插值及其坐標，將柵格屬性作為模糊聚類的數據源應用到 MZA軟件中進行模糊聚類分析。在模糊聚類時軟件計算出每分區對應的 FPI（Fuzziness performance index） 和 NCE（Normalized classification entropy），其值越小分區效果越好，同時達到最小時對應的分區數為最佳分區數[19]。由圖3可知，該區域最佳分區數為4，分區結果見圖4B。圖4顯示，分區結果與烤煙品質分布具較高吻合度，說明分區結果是合理的。

圖3 不同分區數所對應的FPI和NCE值Fig.3 FPI and NCE shown as a function of the number of management zone.

圖4 基于煙葉質量的土壤養分分區管理圖Fig.4 Soil nutrient management zone map base on the tobacco-quality

為了驗證基于煙葉品質的管理分區能否有效地量化作物生長的關鍵土壤養分，進而有效地進行精準管理，對各分區的土壤養分和煙葉品質進行分析，結果見表4、5。表4顯示，各土壤養分和煙葉品質在不同分區間具顯著差異，說明分區致使土壤養分和煙葉品質在分區間的差異性趨于增大。由表5可知，分區后土壤養分含量和煙葉品質在分區內趨于一致。因此，認為該分區結果是合理的，可作為精準管理依據。

表4 各管理分區內土壤養分和煙葉品質的差異性檢驗Table 4 One-way variance analysis of soil nutrients and tobacco quality in the four management zones.

表5 管理分區內土壤養分和煙葉品質得分的變異系數 %Table 5 CV of soil nutrient and tobacco quality in the four management zones %

2.3 施肥模型建立

根據4年10點大田試驗數據，計算土壤養分效率、肥料利用率、需肥量，綜合考慮烤煙的品質條件及專家意見來確定目標產量。然后利用土壤基礎肥力，結合土壤有效養分校正系數和肥料利用率，通過公式便可計算出不同目標產量下氮、磷、鉀的推薦施肥量，得到如下推薦施肥模型：

式中，Y為目標產量，SN、SP、SK分別為堿解氮、速效磷和速效鉀的土壤測定值。

2.4 施肥模型的分區驗證

2.4.1 推薦施肥量的計算 在4個分區內分別取土樣測定基礎肥力。利用上述推薦施肥模型和基礎肥力計算各分區的推薦施肥量（表6）。

2.4.2 常規化學成分分析 朱尊權認為用“可用性”來評價煙葉的工業使用價值更為合適[28]，而化學成分又反映了煙葉可用性的優劣[29]。由表7可知，推薦施肥區煙葉的總氮（除分區2外）[30]、煙堿（除分區3外）[31]、鉀（除分區3外）[4]、氯[31]和還原糖[32]及水溶性總糖[32]含量均較對照區更滿足優質煙葉的要求。各區域煙葉的化學成分均較協調，但推薦施肥區的糖類與煙堿、總氮與煙堿及鉀和氯之間的較對照區更加協調[30,33-34]。因此，推薦施肥區煙葉更能滿足優質煙葉要求，說明本試驗所得的推薦施肥模型和推薦施肥量是比較合理的。

2.4.3 致香物質含量分析 致香物質含量是評價煙葉內在質量的核心內容和重要指標之一[35]。本研究將致香物質簡單劃分為苯丙氨酸類、棕色化產物、類西柏烷降解產物、類胡蘿卜素降解產物、新植二烯5類[36]進行分析，結果見表8。

通過對推薦施肥區和對照區烤后煙葉中這幾類致香物質含量分析發現，除分區3和4的推薦施肥區棕色化產物類含量低于對照外，其他各推薦施肥區煙葉各類香氣物質含量及總致香物質含量均較對照高。說明推薦施肥有利于提高烤后煙葉致香物質含量，改善煙葉的品質。因此，可認為本研究結果是合理的。

表6 各分區推薦施肥量Table 6 The recommended fertilizer rates for management zones

表7 烤后煙葉化學成分Table 7 The chemical component contents of cured tobacco leaves

3 討 論

研究表明，該區域土壤養分具有較高的異質性，尤其是土壤AP的變異性最大，因此有必要對該區域進行分區，實施精準管理。地統計分析顯示，8種土壤養分均能用球狀模型進行較好擬合，各養分的空間變異性均受人為因素和結構性因素共同作用（除 TN和 CEC外），本結果與 Wang[37]和Young[38]等報道相似。回歸分析表明，土壤 OM、AP、AK和 CEC是該區域烤煙品質的關鍵養分因子，這與劉國順[4]提出的土壤氮、磷、鉀等養分對煙葉品質有著較大的貢獻一致。利用這4種關鍵養分因子進行模糊聚類分析可將該區劃分為4個不同肥力水平；檢驗顯示，烤煙品質和土壤養分在各分區內趨于一致，分區間具較大差異，說明用此方法來實現煙田養分的差異化管理是可行的；陳彥[39]、李翔[40]和李艷[41]等也曾利用類似方法進行了農田養分分區管理研究。

表8 不同處理對煙葉香氣物質成分含量的影響Table 8 The effect of different treatments on aroma component contents in tobacco leaves

本研究僅以中煙100品種為研究材料，獲得的養分需求量對于其他烤煙品種有一定局限性[42]（尤其是氮肥）。再者，由于受到土壤、降水、灌溉、施肥和氣候等因素影響，造成養分的揮發、淋溶、徑流和禁錮，影響了肥料利用率和土壤養分貢獻率。所以，本研究所得推薦施肥模型參數存在一定局限性，而且各參數年際間還有一定程度的變化。因此，本研究所獲得的推薦施肥模型需經多年多點試驗進行不斷地修正和完善。孫克剛等[43]和潘劍君等[44]也曾運用這種方法來研究施肥模型，并得到較為理想的效果。

將推薦施肥模型運用到管理分區中顯示，運用推薦施肥模型來確定施肥量比常規施肥量更有利于形成化學成分諧調、香氣物質含量高的優質烤煙。本研究的推薦施肥有利于優質烤煙生產、減少農田肥料投入、降低農業成本、緩解農業對環境壓力。因此，可認為本研究的推薦施肥模型是合理的。本文僅從化學成分和致香物質來評價推薦施肥模型是充分的，今后可用烤煙外觀質量、物理特性、化學成分和安全性等對施肥模型進行綜合評價。

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