整治區植煙土壤有機質空間變異特征及肥力等級評價

摘要：以恩施州清江源現代煙草農業科技園（以下簡稱清江源）、恩施市城郊現代煙草農業基地單元（以下簡稱城郊）和利川市柏楊現代煙草農業基地單元（以下簡稱柏楊）整治區域土壤為例，采用地理信息系統（GIS）技術和地統計學方法，研究了土壤有機質的空間變異特征，并進行了肥力等級評價。結果表明，清江源、城郊和柏楊整治區域土壤有機質平均含量分別為關鍵詞：植煙土壤；有機質；變異系數；空間變異性；肥力等級評價

中圖分類號：S572；S153.6+21 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）19-4601-04

近年來，隨著現代煙草農業建設的推進，對分散種植的煙田進行綜合整治，在全國范圍內建立了一大批現代煙草農業基地單元。由于對原來自然形成的土壤進行翻壓和客土填埋，導致土壤物理結構、土壤化學成分和土壤生態環境都發生了較大的變化，在一定程度上限制了土壤肥力的提高。有機質含量是反映土壤肥力水平的一個重要指標，它不僅是土壤的有機養分庫，而且是保持土壤團粒結構、改善土壤水分、通氣條件和微生物活性的重要組分。調查植煙土壤有機質含量及其空間變異特征，可以為整治區域土壤培育方向和合理施肥提供科學依據，因而成為現代煙草農業基地建設首要解決的問題之一。

采用地統計學方法可以比較準確地了解土壤養分的空間分布特征及變異規律，對農業生產中的土壤改良、精準施肥以及農產品的高產優質和高效生產都具有重要意義[1]。目前，地理信息系統（GIS）技術與地統計學方法在農業生產中尤其是在精準施肥等方面得到了越來越廣泛的應用[2-6]。本研究采用GIS技術與地統計學相結合的方法，研究恩施州清江源現代煙草農業科技園（以下簡稱清江源）、恩施市城郊現代煙草農業基地單元（以下簡稱城郊）和利川市柏楊現代煙草農業基地單元（以下簡稱柏楊）土地整治區煙田土壤有機質含量及其空間變異特征，并進行有機質肥力等級評價，以期為整治區域土壤培育方向和合理施肥提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究地區概況

1.3 數據分析

用“平均值±3倍標準差”方法去除異常值，利用SPSS 13.0軟件對土壤有機質含量進行描述性統計分析；采用Cochran[8]和姜城等[9]的方法對取樣數量進行估計；用地統計學軟件GS+ 7.0進行半方差函數計算和模型擬合，對土壤有機質含量空間變異的影響因素進行分析，具體參考張淑娟等[10]和李強等[11]的方法；在ArcGIS 9.3平臺上制作有機質含量空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 整治區植煙土壤有機質含量描述性統計分析

2.2 整治區植煙土壤合理取樣數量分析

根據Cochran[8]關于區域純隨機取樣數量的計算公式，計算出2個置信水平3個不同相對誤差下每個研究區域所需的取樣數量（表2）。可以看出，置信水平越低，所需要的取樣數量就越少；在一定置信水平條件下，區域土壤有機質變異越大，達到相同精度所需要的取樣數量就越多；在相同精度下可允許相對誤差越大，所需要的取樣數量就越少。例如在95%置信水平和5%相對誤差條件下，如果針對土壤有機質含量進行取樣分析，城郊土壤需要采集121個土樣，清江源土壤需要采集86個土樣，而柏楊土壤只要采集42個土樣就足夠了。由此可以看出，在本試驗中，柏楊實際采樣數量基本達到95%置信水平和5%相對誤差條件，而清江源和城郊則分別相差15個和63個。

相對于土壤氮、磷、鉀等養分來說，土壤有機質含量是相對穩定的土壤屬性，其空間變異通常也相對較小，因此在實際工作中，由于常常需要對土壤氮、磷、鉀等養分同時進行分析，需要加大樣品采集密度，此時可以通過適當減少土壤有機質樣品分析數量的方法，以降低樣品分析成本。

2.3 整治區植煙土壤有機質含量半方差分析

半方差函數是描述土壤性質空間變異的一個函數，反映不同距離觀測值之間的變化。模型的選擇取決于變異函數理論模型的擬合參數，

一般認為，塊金值（C0）表示由隨機部分引起的空間異質性，基臺值（C0+C）表示系統內總的變異。塊金系數C0/（C0+C）表示由隨機因素所引起的異質性占總的空間異質性的程度[15，16]。按照區域化變量空間相關程度的分級標準，塊金系數小于25%說明變量具有強烈的空間自相關性，塊金系數為25%～75%說明變量具有中等空間自相關性，大于75%說明變量的空間自相關性較弱[17]。根據陳延良等[18]和于婧[19]的分析，土壤養分空間變異主要是由于成土母質、土壤類型、氣候及生物活動（包括人類耕種措施）等因素所致，而半方差函數中的參數從不同的角度揭示了土壤性狀產生差異的主導因素及其變異程度。在本研究中，城郊土壤有機質具有中等空間自相關性，說明土壤有機質含量在該區域內的空間變異是由成土母質、土壤類型等結構性因素和人類活動等人為因素共同決定的。

最大相關距離（變程）反映出屬性因子空間自相關范圍的大小，它與觀測尺度以及在取樣尺度上影響土壤屬性的各種生態過程、人為因素、自然條件等都有關[20]。表3結果表明，城郊土壤有機質含量的變程較大，在500 m以上，說明其變異以大塊狀變異為主，即有機質含量在較大的范圍內存在著空間自相關性。

2.4 整治區植煙土壤有機質空間分布及等級評價

土壤有機質的空間分布圖是土壤有機質空間異質性的具體表現，是土壤在不同區域的物理、化學和生物學過程相互作用的結果[21]。圖2表示清江源、城郊和柏楊區域土壤有機質空間分布規律。從圖2可以看出，清江源土壤有機質出現3個等級，且不同等級分布比較零散；城郊土壤只有2個等級，西部土壤有機質含量較高，而東部區域土壤有機質含量較低；柏楊土壤有機質含量也是2個級別，但低值等級所占比例較小，整體分布比較均勻。

表4表示清江源、城郊和柏楊區域土壤有機質含量等級及其所占比例。82.3%的清江源土壤、88.2%的城郊土壤和100%的柏楊土壤有機質含量均屬于偏低和低等級。城郊土壤有機質偏低等級（10～20 g/kg）所占的比例分別比清江源和柏楊低33.8%和46.3%，而低等級（6～10 g/kg）分別比清江源和柏楊增加2.65倍和2.30倍。整體而言，清江源、城郊和柏楊土壤有機質含量都較低，城郊最低，其次是柏楊，清江源最高。因此，在各區域進行推薦施肥時應增施或多施有機肥。

3 結論

3個區域土壤有機質含量均較低，其中城郊最低，分別比清江源和柏楊低36.4%和28.7%。不同區域土壤有機質含量變異系數為18.8%～33.2%。

恩施城郊土壤實際采樣數量不能滿足在95%置信水平和5%相對誤差條件下的空間變異性研究，其次是清江源，而柏楊實際采樣數量比較合理。

恩施城郊土壤有機質含量的半方差理論變異函數對實際的擬合最好，且F檢驗達到極顯著水平。

恩施城郊土壤有機質偏低等級（10～20 g/kg）所占的比例分別比清江源和柏楊低33.8%和46.3%，而低等級（6～10 g/kg）所占比例分別比清江源和柏楊增加2.65倍和2.30倍。

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