貴州省銅仁市植煙土壤主要養分空間變異特征分析

譚智勇 諶瀟雄 劉 杰 譚大新 白 彬 周興華 趙 輝

（1銅仁學院經濟管理學院，554300，貴州銅仁；2貴州財經大學管理科學與工程學院，550025，貴州貴陽；3貴州省煙草公司銅仁市公司，554300，貴州銅仁；4臨澧縣農業農村局，415200，湖南臨澧）

土壤養分是煙草生長發育所需營養元素的重要來源，研究植煙區域土壤養分空間分布特征，對其施肥管理和生態環境保護具有重要意義[1]。近年來，關于植煙土壤養分空間分布特征的研究較多。吳杰等[2]研究發現，重慶植煙區域土壤中N、P、K及有機質等含量有逐漸增加的趨勢，建議生產上嚴格控制氮肥投入量，同時提升磷和鉀肥的有效性。孫燕鑫等[3]研究了云南曲靖煙區馬龍和沾益2個縣土壤中鐵元素含量的分布特征及其主要影響因素，結果表明，馬龍和沾益植煙土壤有效鐵含量較豐富，平均66.23mg/kg，但地區間差異顯著，土壤有效鐵含量與pH呈極顯著負相關。李自林等[4]采集了云南省靖西市10個植煙鄉鎮的206個土壤樣品，選取pH和有機質等8個土壤評價指標，運用隸屬度函數模型、指數和法和克里金插值法對靖西市煙區土壤肥力進行適宜性評價，結果表明，采樣區土壤肥力均在Ⅴ級以上，適宜性指數0.54，肥力中等偏下。李強等[5]基于地統計學方法和模糊數學原理對馬龍縣植煙土壤養分適宜性進行綜合評價，結果表明，區域內植煙土壤養分適宜性指數為優的區域占研究區域總面積的0.19%，良的區域占19.63%，一般的區域占59.17%，中等的區域占21.01%。周星等[6]運用地統計學和地理信息系統（GIS）相結合的方法研究了四川省劍閣縣植煙土壤養分的空間變異特征，形成了養分指標空間分布圖，直觀地反映出土壤養分分布狀況和豐缺情況，為劍閣縣植煙土壤的差異化管理奠定了基礎。

科學平衡施肥對提高烤煙產量和質量、節約生產成本、提高經濟效益、保護生態環境以及實現耕地可持續利用具有重要的現實意義[7-9]，銅仁市地處武陵山區，其植煙土壤養分相關的研究報道較少。本文以貴州省銅仁市植煙土壤為研究對象，利用地統計學和GIS等方法相結合分析了植煙土壤養分的空間分布特征，為銅仁市植煙土壤科學平衡施肥、提高肥料利用率、保護資源環境、實現煙葉優質適產和可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于貴州省銅仁市江口縣、石阡縣、思南縣、印江土家族苗族自治縣、德江縣、沿河土家族自治縣和松桃苗族自治縣7個縣的植煙地塊（107°45′～109° 30′ E，27°7′～29°5′ N）進行。銅仁市位于貴州省東北部，與湖南省和重慶市接壤，屬于典型的中亞熱帶濕潤氣候，年均溫度 18℃，年日照時數1250h，年降雨量1100.0～1400.0mm，生態條件適宜煙株生長[10]。銅仁市是貴州省重要的植煙市，年煙葉種植面積達7.33×103hm2（11萬畝），煙葉外觀形態和內在品質相對較好。

1.2 樣品采集與分析

試驗于2019年11月進行。采用GPS定位技術，在貴州省銅仁市7個植煙縣的主要植煙區域布置采樣點，共采集土壤樣品202個（圖1）。取樣遵循均勻性和代表性的原則，取樣工具為木鏟（防止取樣工具對土壤養分測定結果的影響），取樣深度0～20cm，用四分法取土樣約1kg，經風干、研磨、過篩后裝袋備用。采用重鉻酸鉀―硫酸氧化法測定土壤有機質含量，采用堿解擴散法測定堿解氮含量，采用鉬銻抗比色法測定有效磷含量，采用乙酸銨交換―原子吸收法[11]測定交換性鉀含量。

圖1 植煙土壤取樣點分布Fig.1 Distribution of soil sampling location

1.3 數據處理與統計方法

將銅仁市植煙土壤養分含量分為極低、低、中等、高和極高5個等級[12-14]，各等級的劃分指標見表1。用SPSS 19.0軟件進行數據處理和常規統計分析，用ArcGIS 10.2軟件進行Kriging插值和繪圖。在進行海拔與土壤養分指標關系平滑回歸分析時，先對每項海拔按數值大小進行等樣本數分組，各土壤養分指標均劃分為10組（去掉1個最大值和1個最小值，每組10個），再計算各樣本組該海拔的平均值和土壤養分含量的平均值，得到新變量，最后基于新變量樣本采用回歸法分析海拔與植煙土壤養分含量的關系。

表1 銅仁市植煙土壤主要養分分級標準Table 1 Classification standard of main nutrients of tobacco planting soil in Tongren

2 結果與分析

2.1 銅仁市植煙土壤主要養分含量基本統計特征

由表2可知，銅仁市植煙土壤有機質含量范圍為5.47～59.81g/kg，處于中等及以上水平含量占比87.60%，有機質含量豐富。堿解氮含量范圍為27.33～241.32mg/kg，處于中等及以上水平含量占比97.00%，其中高及以上水平含量占比54.90%，堿解氮含量偏高。有效磷含量范圍為1.50～115.96mg/kg，處于低及以下水平含量占比30.70%，約1/3的樣本數有效磷含量偏低，同時處于高及以上水平含量占比33.70%，約1/3的樣本數有效磷含量偏高。交換性鉀含量范圍為46.20～977.10mg/kg，處于中等及以上水平含量占比88.60%，其中高及以上水平含量占比76.20%，交換性鉀含量豐富。土壤主要養分變異系數范圍為 25.51%～75.51%，均屬于中等變異，變異系數依次為有效磷＞交換性鉀＞有機質＞堿解氮。

表2 銅仁市植煙土壤主要養分統計特征Table 2 Descriptive analysis of main nutrients of tobacco planting soil in Tongren

2.2 土壤主要養分含量空間結構分析

選取克里金算法中的普通克里金法（Ordinary Kriging）[15]確定銅仁市植煙土壤主要養分的空間分布特征，分別用不同模型對土壤主要成分進行擬合，獲取其最優半方差函數模型及其相關參數，標準化均方根誤差（RMSE）接近1且標準化平均誤差（MSE）接近0，能夠很好地反映土壤主要養分的空間結構特征。結果（表3）顯示，土壤有機質、堿解氮和交換性鉀含量符合球狀模型，而土壤有效磷含量符合指數模型。銅仁市植煙土壤主要養分塊金效應在60.38%～67.02%范圍內，均具有中等的空間相關性，主要養分指標的空間變異是由結構性因素和隨機性因素共同作用的結果。

表3 土壤主要養分含量半方差函數模型及其擬合參數Table 3 The semi variogram models of main nutrients and its corresponding parameters

2.3 土壤主要養分含量區域分布特征

土壤養分空間分布情況見圖2，土壤有機質和堿解氮含量的空間分布呈現一定的相關性，均呈現由東往西增加的趨勢。松桃縣和江口縣有機質和堿解氮含量均處于中等水平，而石阡縣西南部、德江縣和沿河縣交界處、思南縣南部零星區域有機質含量偏高，德江縣、思南縣和石阡縣大部分區域、沿河縣和印江縣西部堿解氮含量偏高。土壤有效磷和交換性鉀含量空間分布情況如下，思南縣中部及南部、思南與石阡交界處、德江縣北部、沿河縣西北部、江口縣南部零星區域有效磷含量偏低，印江縣大部分區域、松桃縣西部、江口縣北部、沿河縣和德江縣及石阡縣南部有效磷含量偏高，全市交換性鉀含量較為豐富，整體呈東部比西部高的趨勢。

圖2 銅仁市植煙土壤養分區域分布Fig.2 Regional distribution of soil nutrients in Tongren

2.4 土壤主要養分含量垂直分布特征

銅仁市植煙區域海拔跨度大，取樣點海拔范圍為440～1380m，海拔差達到940m。由表4可知，有機質、堿解氮和交換性鉀含量均與海拔呈極顯著正相關性（P＜0.01），有效磷含量與海拔呈正相關，但相關性不顯著。平滑回歸分析結果（圖3）表明，有機質、堿解氮和交換性鉀含量與海拔呈線性正相關，但其線性擬合程度一般，其R2在0.3238～0.6076范圍內，R2表現為交換性鉀＞堿解氮＞有機質。

圖3 土壤主要養分與海拔的平滑回歸分析Fig.3 Smooth regression analysis of soil nutrients and altitude

表4 土壤主要養分與海拔的相關系數Table 4 Correlation coefficients between main soil nutrients and altitude

3 討論

有機質是土壤固相的重要組成成分，是評價土壤肥力和土壤質量的重要的指標之一[16-17]。銅仁市植煙土壤有機質含量為5.47～59.81g/kg，處于中等及以上水平的植煙區占比87.60%，有機質含量豐富，這可能與近年來銅仁市植煙區域土壤大力開展綠肥翻壓等增施有機肥的措施有關。堿解氮是氮素營養的主要來源，是評價土壤肥力的重要指標之一[18-19]。銅仁市堿解氮含量范圍為27.33～241.32mg/kg，處于中等及以上水平的植煙區含量占比97.00%，其中高及以上水平含量占比54.90%，堿解氮含量偏高，這與云南[5]、湖北[20]和廣西[21]等煙區結果相似。

基于空間相關性分析的圖形繪制分析，能更加直觀地發現適宜土壤有機質與堿解氮含量分布區域，為當地煙草種植規劃提供依據。銅仁市植煙土壤有機質和堿解氮含量的空間分布呈現一定的相關性，均呈由東往西增加的趨勢，在垂直分布上有機質、堿解氮含量與海拔呈極顯著正相關。土壤有機質、堿解氮含量與土壤供氮能力呈正相關，均能為煙草提供大量氮元素，特別是在煙草生長后期，土壤中氮素過高會導致煙葉貪青晚熟，上中部煙葉煙堿含量提高，降低煙葉品質。因此，在銅仁市西部植煙縣，特別是其高海拔植煙地塊，要適當控制有機肥和氮肥施用量，以提高煙葉品質。

土壤磷是植物磷素營養的主要來源，其含量高、低和有效性是衡量土壤肥力的主要指標之一[22]。銅仁市有30.70%的植煙土壤有效磷含量低于15mg/kg，分別分布在思南縣中部及南部、思南縣與石阡縣交界處、德江縣北部、沿河縣西北部和江口縣南部零星區域，建議這些區域注重增施磷肥，以滿足煙草正常生長發育和品質形成的需要。同時銅仁市有33.70%的植煙土壤中有效磷含量高于30mg/kg，分別分布在印江縣大部分區域、松桃縣西部、江口縣北部、沿河縣和德江縣及石阡縣南部，建議這些區域適當控制磷肥的施用量。

土壤速效鉀易被作物吸收利用，其含量高低常被作為判斷植煙土壤鉀素豐缺的重要指標[23]，土壤交換性鉀占速效鉀的90%以上[24]，是土壤速效鉀的主要來源。銅仁市有88.60%植煙土壤交換性鉀含量超過150mg/kg，含量豐富，其含量平均值較10年前增幅在50%以上[25]，土壤中交換性鉀含量增長較快。鉀是與煙草品質關系最為密切的礦質元素之一，當煙葉鉀含量≥2%時，其燃燒性、焦油產生量、香氣質、香氣量和陰燃持火力顯著改善[26]。但是土壤中交換性鉀過高可能會導致與其他陽離子產生拮抗作用，影響煙草生長發育。因此，銅仁市植煙土壤在確保烤煙生產所必需的鉀肥施用量的情況下，應適當控制鉀肥的施用量。

4 結論

銅仁市植煙土壤有機質含量為5.47～59.81g/kg，堿解氮含量為27.33～241.32mg/kg，有效磷含量為1.50～115.96mg/kg，交換性鉀含量為46.20～977.10mg/kg。銅仁市植煙土壤中有機質和交換性鉀含量豐富，堿解氮含量偏高，應適當控制相應肥料的施用。33.70%的植煙土壤中有效磷含量高于30mg/kg，建議這些區域適當控制磷肥的施用。30.70%的植煙土壤有效磷含量低于15mg/kg，建議這些區域注重增施磷肥，以滿足煙草正常新陳代謝和品質形成的需要。

銅仁市植煙土壤有機質與堿解氮含量的空間分布呈現一定的相關性，均呈由東往西增加的趨勢。在垂直分布上有機質、堿解氮和交換性鉀含量與海拔呈極顯著正相關。