劍閣縣植煙土壤養(yǎng)分的空間變異研究

周 星，彭 毅，吳紹軍，顧會(huì)戰(zhàn)，劉 雷

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，成都611130；2.四川廣元市煙草公司，四川 廣元628000）

土壤養(yǎng)分和施肥情況對烤煙生長情況、產(chǎn)量和質(zhì)量有很大的影響。過去由于受“重產(chǎn)量輕質(zhì)量”指導(dǎo)思想的影響，中國的煙葉品質(zhì)受損嚴(yán)重。為了提高烤煙品質(zhì)，國家主管部門和科技單位大力引導(dǎo)，努力貫徹主攻質(zhì)量的生產(chǎn)方針。在此背景下，我國煙草工作者也加大了對烤煙營養(yǎng)和施肥技術(shù)的研究［1］。

土壤是烤煙生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件之一，是一種形成和演化過程極其復(fù)雜的綜合體。由于受氣候、地形地貌、成土母質(zhì)、生物和時(shí)間等自然因素和耕作習(xí)慣、施肥等人為因素的影響，土壤具有高度的空間異質(zhì)性［2］。土壤養(yǎng)分狀況反映出土壤基本性質(zhì)，它提供植物生長發(fā)育所需的營養(yǎng)條件及環(huán)境條件。土壤養(yǎng)分中的大量元素和中、微量元素對植物各具生理功能，不能相互替代，對煙株的正常生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)有著重要的意義。土壤養(yǎng)分狀況在時(shí)間和空間上具有不同程度的變異性。在廣闊的煙田上，土壤是不均一變化的時(shí)空連續(xù)體，即使在同一時(shí)刻、相同的區(qū)域內(nèi)土壤質(zhì)地（土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)）也可能有明顯差異，這種屬性稱為土壤空間變異性［3］?？臻g變異性是土壤的自然屬性之一，其中土壤養(yǎng)分的空間變異就是土壤中所含養(yǎng)分在不同空間位置所表現(xiàn)出的差異性［4］。中國煙農(nóng)在生產(chǎn)上通常忽視了土壤養(yǎng)分的空間變異，憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行均一化施肥，結(jié)果造成了田間養(yǎng)分分布不均勻［5］。這樣既不符合按需施肥的原則，也不能達(dá)到提高肥料利用率和“優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)”的目的。合理施用化肥是我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大技術(shù)問題之一，其重要性和緊迫性隨農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和肥料施用量的增加而日益突出。在充分了解植煙土壤養(yǎng)分空間變異情況和豐缺狀況的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化配方施肥，使土壤養(yǎng)分達(dá)到適宜煙葉種植的范圍，滿足煙株正常生長發(fā)育所需的營養(yǎng)供應(yīng)，這是保證煙葉優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)的必要條件之一，同時(shí)也是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

20世紀(jì)70年代，Burgess等首次在土壤科學(xué)研究領(lǐng)域中使用到地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法［6］，克服了傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)理論分析在研究土壤性質(zhì)的空間變異性方面未考慮空間方位因素的不足之處。隨著地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）的發(fā)展，GIS以其獨(dú)特的優(yōu)勢和強(qiáng)大的功能，被廣泛地應(yīng)用于植煙土壤空間變異研究、適宜性評價(jià)和分區(qū)管理等多方面基礎(chǔ)研究工作中［7－9］。地統(tǒng)計(jì)學(xué)是定量分析土壤性質(zhì)的空間分布、空間變異尺度等空間變異特性的有效方法；而GIS能有效解決土壤性質(zhì)的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的問題。近年來，GIS與地統(tǒng)計(jì)學(xué)兩者結(jié)合發(fā)展趨勢非常迅速，極大地推動(dòng)了區(qū)域土壤養(yǎng)分的空間變異性研究。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS相結(jié)合的方法研究廣元市劍閣縣煙田土壤養(yǎng)分的空間變異特征，揭示該研究區(qū)土壤養(yǎng)分空間分布狀況及空間變異規(guī)律，為煙葉生產(chǎn)提供合理的施肥建議，以期通過提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)管理措施來改善土壤養(yǎng)分的有效性，為生產(chǎn)高品質(zhì)的煙葉提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

劍閣縣位于四川盆地北緣，地處川、陜、甘三省結(jié)合部，全縣幅員面積3 204km2，轄23鎮(zhèn)、34鄉(xiāng)，屬亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候，四季分明。年平均氣溫約15.4℃，年均降水量1 039.4mm，全年無霜期約270d，年平均日照時(shí)數(shù)為1 328.3h。地理位置介于東經(jīng)105°09′—105°49′、北緯31°31′—32°17′，地勢西北高，東南低，低山地貌特點(diǎn)顯著，地貌形態(tài)差異懸殊，海拔500～700m的寬谷低山區(qū)占總面積的50.34%；海拔70～1 000m的窄谷低山區(qū)占40.23%。地貌類型以低山區(qū)為主。境內(nèi)土壤類型主要為中性、微酸性、微堿性的紫色土或黃壤土。

1.2 土樣采集和測定

利用GPS定位技術(shù)在研究區(qū)內(nèi)定點(diǎn)采樣，見圖1，2012年劍閣縣土壤采樣點(diǎn)的布點(diǎn)規(guī)劃和土壤采集工作均由四川省廣元市煙草專賣局完成。共采集樣品313個(gè)，土樣的測定方法均采用常規(guī)分析方法［10］，測定共包括土壤pH值、全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀6個(gè)常規(guī)指標(biāo)。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布

1.3 數(shù)據(jù)分析

原始數(shù)據(jù)處理采用三倍標(biāo)準(zhǔn)差法代替異常離群數(shù)據(jù)，處理后數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析。使用GS＋9.0軟件對土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析前采用 Kolmogorov－Simrnov（K－S）正態(tài)分布概率（PK－S）進(jìn)行數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢測，對不成正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換使其符合正態(tài)分布以滿足地統(tǒng)計(jì)分析的前提要求。地統(tǒng)計(jì)分析包括空間變異性分析、半方差函數(shù)計(jì)算、理論最佳模型的擬合。使用Arc－GIS 9.3軟件中的普通克里金法（Kriging）對土壤養(yǎng)分各指標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)、無偏克里金插值，分別得到土壤養(yǎng)分各指標(biāo)的空間分布格局圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 劍閣縣煙田土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對研究區(qū)內(nèi)419個(gè)采樣點(diǎn)的植煙土壤養(yǎng)分處理數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析處理，結(jié)果如表1所示。參照《中國植煙土壤及煙草養(yǎng)分綜合管理》［11］提出的土壤養(yǎng)分豐缺標(biāo)準(zhǔn)（見表2），對土壤養(yǎng)分各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析。

檢驗(yàn)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)正態(tài)性時(shí)取顯著水平a＝0.05，若PK－S＞0.05，表明數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，對不成正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換使其符合正態(tài)分布以滿足地統(tǒng)計(jì)分析的要求。由表1可知，土壤養(yǎng)分pH、有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量PK－S＞0.05，滿足正態(tài)分布，速效磷和速效鉀含量PK－S＜0.05，但數(shù)據(jù)經(jīng)過自然對數(shù)轉(zhuǎn)換后也服從正態(tài)分布特征。變異系數(shù)（C.V.）表示土壤特性空間變異性的強(qiáng)弱。變異系數(shù)≤10%為弱變異性，10%＜C.V.＜100%為中等變異性，C.V.≥100%為強(qiáng)變異性。土壤pH變異系數(shù)最小，僅為8.336%，為弱變異性，土壤pH平均值為7.85，表明土壤總體上呈現(xiàn)為堿性。其余養(yǎng)分指標(biāo)含量變異系數(shù)均在10%～100%范圍內(nèi)，為中等強(qiáng)度變異，但變異程度各不相同，其中速效鉀變異系數(shù)最大，為59.486%；有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀變異系數(shù)相近且數(shù)值較小，在土壤中相對穩(wěn)定。由于人為原因?qū)е轮矡熗寥拦芾泶胧┯兴町惡偷匦我蜃拥认嚓P(guān)性的影響導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量變異程度也有所差異。描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果結(jié)合豐缺指標(biāo)表可知，土壤養(yǎng)分堿解氮、速效磷、速效鉀平均值均在中等豐缺范圍內(nèi)；有機(jī)質(zhì)平均值為15.079g／kg，全氮平均值為0.877g／kg，兩者皆處于植煙土壤養(yǎng)分缺乏等級(jí)，屬于土壤養(yǎng)分肥力指標(biāo)較不適宜范圍，會(huì)導(dǎo)致煙葉品質(zhì)與產(chǎn)量的下降。

表1 土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計(jì)

表2 植煙土壤養(yǎng)分豐缺標(biāo)準(zhǔn)

然而描述性統(tǒng)計(jì)學(xué)分析只能片面地分析土壤養(yǎng)分的整體情況，相關(guān)數(shù)值代表具有一定局限性，反映出的信息較模糊。為了進(jìn)一步了解研究區(qū)植煙土壤養(yǎng)分空間變異特征和影響因素，將應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)一步研究。

2.2 劍閣縣煙田土壤養(yǎng)分的地統(tǒng)計(jì)分析

地統(tǒng)計(jì)學(xué)中半變異函數(shù)模型是空間描述與空間預(yù)測的關(guān)鍵。應(yīng)用半方差函數(shù)理論模型對劍閣縣植煙土壤屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)擬合。土壤養(yǎng)分指標(biāo)含量都滿足正態(tài)分布，從而可以減少統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的估計(jì)預(yù)測誤差。利用地統(tǒng)計(jì)軟件GS＋來對土壤養(yǎng)分指標(biāo)含量進(jìn)行半方差分析，根據(jù)首要考慮因素（決定系數(shù)與殘差和次要考慮因素塊金值與變程的大?。﹣磉x擇最優(yōu)函數(shù)模型，決定系數(shù)越大或殘差越小擬合出的半方差函數(shù)模型精度越高，依據(jù)模型進(jìn)一步得出土壤屬性半方差函數(shù)的相應(yīng)參數(shù)，見表3。

表3 土壤屬性半方差函數(shù)理論模型及模型參數(shù)

半方差函數(shù)中塊金值（C0）與基臺(tái)值（C＋C0）的比值，也就是隨機(jī)變異占系統(tǒng)空間總變異的比例，能直接反映出系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性程度，稱之為塊金效應(yīng)。從表3可以看出，研究區(qū)內(nèi)土壤pH、堿解氮、速效磷的C0／（C＋C0）小于25%，均表現(xiàn)為強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，說明結(jié)構(gòu)性因素（土壤類型、成土母質(zhì)、地形地貌和氣候等自然因素）對其空間變異起主導(dǎo)性作用，土壤中的pH、堿解氮、速效磷的含量相對穩(wěn)定；有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀的C0／（C＋C0）在25%～75%之間，表現(xiàn)為中等空間相關(guān)性，說明研究區(qū)內(nèi)其土壤養(yǎng)分指標(biāo)受到結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素（試驗(yàn)測量誤差和耕作、施肥、管理水平及種植制度等人為因素）的共同影響，人為活動(dòng)相關(guān)的隨機(jī)因素已逐漸對土壤養(yǎng)分中有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀的含量變異起著較大的影響，與結(jié)構(gòu)性因素共同影響土壤的空間分布。

變程表示土壤養(yǎng)分空間相關(guān)性作用范圍，其值的大小受觀測尺度的影響。變程范圍內(nèi)，樣點(diǎn)間的距離越小，空間相關(guān)性越大。由表3可知，研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的變程在12～201m范圍內(nèi)變化，具有明顯差異，說明6種土壤養(yǎng)分指標(biāo)的影響因素在不同的尺度上起作用，其大小順序?yàn)樗傩р洠居袡C(jī)質(zhì)＞全氮＞速效磷≥pH≥堿解氮。

植煙土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮的半方差理論模型以球狀模型為最佳，其余土壤養(yǎng)分各指標(biāo)的理論模型擬合均選擇高斯模型。速效鉀和有機(jī)質(zhì)的決定系數(shù)都為0.87，表明擬合效果理想；全氮和速效磷的擬合效果次之，分別為0.69和0.58；堿解氮和土壤pH的決定系數(shù)較低，擬合效果較差。

2.3 劍閣縣煙田土壤養(yǎng)分的空間分布特征

根據(jù)半方差函數(shù)參數(shù)的建立和最優(yōu)擬合模型的選擇，分別對植煙土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行普通Kriging插值，對未采樣區(qū)域土壤屬性含量進(jìn)行估算，繪制出研究區(qū)土壤養(yǎng)分屬性含量的空間分布圖參照土壤養(yǎng)分豐缺標(biāo)準(zhǔn)，對研究區(qū)植煙土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行分布圖中陰影處為非植煙鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

由圖2可知，土壤養(yǎng)分各指標(biāo)空間分布情況。劍閣縣整體土壤屬性偏堿，處于中等偏下適宜等級(jí)范圍，應(yīng)根據(jù)植煙土壤不同堿性程度適量進(jìn)行施用硫酸亞鐵和硫磺粉等酸性肥料來改善土壤堿性環(huán)境至適宜的土壤酸度范圍pH5.5～7；植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量整體較為欠缺，將妨礙煙株生長和根系發(fā)育，降低煙株抗逆性和主要經(jīng)濟(jì)性狀指標(biāo)，不利于煙草優(yōu)良品質(zhì)的形成。持續(xù)增長的化肥施用量導(dǎo)致土壤中的養(yǎng)分耗竭，因此在生產(chǎn)上應(yīng)增施有機(jī)糞肥、提倡秸稈還田、實(shí)行輪作或間作制度，保持和提高有機(jī)質(zhì)含量，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境及土壤的理化性狀；大部分植煙土壤全氮處于較適宜范圍，可進(jìn)行氮肥的適量補(bǔ)充以保證土壤含氮量適當(dāng)，同時(shí)應(yīng)注意施氮肥量的平衡，加強(qiáng)對其使用量的控制，以及使用時(shí)間的掌握，避免煙株出現(xiàn)后期貪青晚熟，煙葉高氮高煙堿，降低煙葉品質(zhì)及可用性；植煙土壤堿解氮含量整體處于優(yōu)異水平；煙草的生長發(fā)育及代謝過程中速效磷具有重要的生理功能，植煙土壤速效磷含量分布均在較適宜至適宜范圍內(nèi)，針對植煙土壤速效磷含量較適宜區(qū)，可適量增加磷肥的施用量，提高土壤磷素水平至適宜等級(jí)，同時(shí)應(yīng)注意磷肥施肥方式，以提高速效磷利用效率。鉀是烤煙最重要的品質(zhì)元素之一，既能增強(qiáng)煙草的抗逆能力，提高煙葉的燃燒性和吸濕性，又能降低煙葉帶來的危害［12］。絕大部分植煙土壤速效鉀含量處于120～200mg／kg較適宜范圍內(nèi)。劍閣縣植煙土壤多為中性偏堿性土壤，土壤中交換性鈣離子對煙株吸收鉀離子有著頡頏作用，從而影響煙葉的正常生長代謝和品質(zhì)。故生產(chǎn)中應(yīng)注重加強(qiáng)鉀肥的施用，以提高土壤中鉀素水平和煙株?duì)I養(yǎng)含鉀量。

圖2 土壤養(yǎng)分的空間分布

3 結(jié) 論

（1）劍閣縣植煙土壤pH平均值為7.85，呈堿性，pH變異系數(shù)最小，僅為8.336%，為弱變異性，其余養(yǎng)分指標(biāo)含量均為中等變異性，但變異程度各不相同。植煙土壤養(yǎng)分含量平均值表現(xiàn)出不同豐缺等級(jí)，有機(jī)質(zhì)和全氮的平均值處于植煙土壤養(yǎng)分缺乏等級(jí)水平，堿解氮、速效磷和速效鉀平均值均在中等豐缺范圍內(nèi)。描述性結(jié)果與臘貴曉［13］和呂小娜［14］研究中土壤描述性結(jié)果具有明顯的差異，地域性差異對描述結(jié)果具有較大的影響。

（2）劍閣縣植煙土壤pH值、堿解氮和速效磷含量相對穩(wěn)定，成土母質(zhì)、地形、土壤類型、氣候等穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)性因素對其空間變異起主導(dǎo)性作用；有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀為中等空間相關(guān)性，受到結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素的共同影響。人為活動(dòng)等隨機(jī)因素已逐漸對土壤養(yǎng)分中有機(jī)質(zhì)、全氮等養(yǎng)分空間變異產(chǎn)生較大的影響，與結(jié)構(gòu)性因素共同對土壤的空間分布起貢獻(xiàn)作用。養(yǎng)分空間自相關(guān)距離具有明顯差異，分別在12～201m范圍內(nèi)，在不同的尺度上起作用。經(jīng)過半方差理論模型擬合，有機(jī)質(zhì)和堿解氮以球狀模型為最佳，其余養(yǎng)分指標(biāo)以高斯模型為適。這與張英［15］研究土壤養(yǎng)分空間變異結(jié)果有所差異，可能受自然因素、人為因素等多方面綜合共同影響導(dǎo)致。

（3）土壤養(yǎng)分空間分布圖可以直觀呈現(xiàn)出劍閣縣植煙區(qū)整體土壤pH值、全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀6個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)的分布情況，同時(shí)反映出劍閣縣植煙鄉(xiāng)鎮(zhèn)各養(yǎng)分指標(biāo)的豐缺狀況，可為煙葉種植為施肥提供指導(dǎo)，針對不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同養(yǎng)分指標(biāo)等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的施肥管理，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)管理具有一定的指導(dǎo)作用，為廣元市劍閣縣植煙土壤的差異化管理奠定了基礎(chǔ)。植煙土壤養(yǎng)分管理中，應(yīng)以優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)為目的，不能盲目地提高某一種營養(yǎng)元素的用量，要注重平衡施肥的基本原則，否則會(huì)導(dǎo)致煙葉質(zhì)量受到影響。要根據(jù)土壤類型、烤煙需肥量和肥料養(yǎng)分性質(zhì)，制定合理科學(xué)的方法，來滿足煙草生長對養(yǎng)分的需求，維持土壤肥力的平衡穩(wěn)定，提高施肥利用率，提高煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)。

在今后研究中，需完善廣元市劍閣縣煙葉種植生產(chǎn)的自然屬性數(shù)據(jù)（如地形地貌、氣象、水文等資源數(shù)據(jù)），以及相應(yīng)的社會(huì)屬性數(shù)據(jù)，使結(jié)果分析更合理準(zhǔn)確，為研究區(qū)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)施肥提供理論基礎(chǔ)和決策依據(jù)。

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