南平煙區植煙土壤肥力評價研究

徐辰生，陳愛國，徐 茜，戴培剛，劉光亮，陶 健*

（1.福建省煙草公司南平市公司，福建 南平 353000；2.中國農業科學院煙草研究所，青島 266101）

南平煙區植煙土壤肥力評價研究

徐辰生1，陳愛國2，徐 茜1，戴培剛2，劉光亮2，陶 健2*

（1.福建省煙草公司南平市公司，福建 南平 353000；2.中國農業科學院煙草研究所，青島 266101）

基于煙田土壤采樣數據，對南平煙區土壤肥力進行綜合評價，為煙田土壤營養診斷和管理提供科學依據。選擇Fuzzy綜合評價法（IFI）對采樣點土壤肥力進行評價，然后采用ANUSplin方法由采樣點插值得到土壤肥力空間格局，并按照分位數原則分級（由高至低：I至VI）后進行分析。結果表明，土壤有機質和氮元素含量是影響研究區土壤肥力的重要因素，在土壤肥力綜合評價中的權重系數較大。研究區土壤肥力呈西部高而東北部低的空間格局，空間異質性大。其中，邵武市和光澤縣土壤IFI平均值較高，土壤肥力質量好。邵武市土壤肥力均在II等級以上，而光澤縣土壤肥力均在III等級以上，兩縣中的I等級土壤占I等級土壤總面積的84.54%。采用Fuzzy綜合評判法能夠準確、有效地評價土壤肥力等級，結合插值方法適于把握區域土壤肥力的空間格局特征。

土壤肥力；Fuzzy評價；ANUSplin插值；空間格局

土壤肥力是土壤的養分針對植物的供應能力，以及土壤養分供應植物時環境條件的綜合體現［1］。其中，土壤養分是土壤肥力的核心部分，是土壤肥力綜合評價的根本。煙田土壤肥力是煙葉產量和品質形成的重要影響因子，對烤煙種植前的煙田土壤肥力進行綜合評價不僅能夠為煙草種植過程中養分管理和農事操作提供基礎信息，更能夠為煙田土壤和煙草作物營養診斷提供科學依據［2-4］。

前人研究表明，土壤肥力評價指標已由單一養分指標的豐缺診斷發展到多因子綜合定量評價［5-9］，雖然不同地區的指標選取存在不同的側重點，但仍集中在土壤養分指標。當前，對小區域土壤肥力的定量化評價方法［10］，主要是運用地理信息系統（GIS）及地統計學原理開展土地適宜性評價和農用地分等定級，以及采用主成分分析法、灰色關聯法、專家分析法、模糊綜合評價法、信息熵法等統計學方法對土壤肥力進行綜合評價。中國植煙區土壤肥力的綜合評價主要集中在各種營養元素的豐缺診斷方面，評價方法趨于定量化。但是，對南平煙區土壤肥力的空間格局分析，以及土壤肥力關鍵指標分析方面仍有所欠缺。因此，本研究基于烤煙種植前的煙田土壤采樣數據，選擇Fuzzy綜合評判法對土壤肥力進行定量化評價，采用隸屬度函數量化養分指標在土地系統中的狀態及其對作物產量的驅動作用。然后，結合空間插值方法獲取整個研究區土壤肥力質量狀況，對土壤肥力的空間格局進行評價，并分析土壤肥力的關鍵決定指標。

1　材料與方法

1.1研究區域

研究區為福建省南平煙區，位于福建省北部、武夷山脈東南側，東西寬230 km，南北長230.4 km，總土地面積約為 2.6×104km2，植煙區土地面積約為210 km2［11］，為中國東南煙區典型的山地田煙。區域內武夷山脈和鷲峰山脈環抱構成“閩北盆地”，自西北向東南傾斜，地形復雜，土壤肥力空間變異度高。土壤類型以灰泥田和黃泥田為主，灰泥田熟化層較厚，質地中至重壤，耕性松軟，有機質含量豐富；黃泥田土質黏重，耕性不良，肥力較低。

1.2數據與方法

1.2.1土壤采樣數據 根據2014年統計資料可知，研究區內各縣市植煙面積比例由高至低依次為邵武市（20.85%）、建陽市（15.74%）、光澤縣（13.60%）、浦城縣（11.20%）、武夷山市（10.11%）、順昌縣（8.98%）、政和縣（6.97%）、松溪縣（6.40%）、延平區（3.08%）和建甌市（3.06%）。因此，本研究按照各縣植煙面積比例大小，在各縣市采集共計 287個土壤樣品數據（圖1），其中邵武市71個、建陽市43個、光澤縣36個、浦城縣32個、武夷山市26個、順昌縣15個、政和縣17個、松溪縣20個、延平區15個、建甌市12個。土壤樣品采集時間在2014年冬季或春季，在典型煙田中，按照“隨機”、“等量”和“多點混合”的原則進行采樣，采用“S”形布點采樣，采樣深度為0～30 cm耕作層。檢測指標共計8項，包括：土壤pH、有機質、總氮、總磷、總鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀。

圖1　研究區農田面積比例及采樣點分布示意圖Fig. 1 Spatial patterns of cropland percentage and soil samples in the studied areas

按照土壤農業化學的常規分析方法對各養分指標含量進行測定［12］：土壤pH值用pH計法（水比土為 1:2.5）；有機質用重鉻酸鉀滴定法；總氮用硫酸-硫酸鉀-硫酸銅消煮滴定法；堿解氮用堿解擴散法；總磷、有效磷用鉬銻抗比色法；總鉀、速效鉀用火焰光度計法。

1.2.2煙田分布數據 研究區內農田種植制度主要為煙-稻復種，年初首先種植烤煙，收獲后種植水稻。因此研究首先界定農田分布位置及范圍，以準確分析煙區土壤肥力的空間格局。本研究選用了中國科學院資源環境數據中心的 1:100000土地利用數據集（圖1），該數據集基于Landsat TM/ETM+遙感數據，以遙感圖像計算機人機交互判讀技術為核心，形成了較成熟的土地利用分類技術體系，并且已廣泛應用于中國土地利用研究中［13-14］。

1.2.3研究方法 （1）Fuzzy綜合評價法：采用Fuzzy綜合評價法對土壤綜合肥力進行定量化評價，該方法根據模糊數學中的加乘法原則，將土壤綜合肥力指標（IFI）定義為各養分指標隸屬度與權重系數的乘積之和。其計算公式為：

式中，qi是第i項養分指標的隸屬度；wi是第i項養分指標的權重系數。IFI值在0～1之間，數值越高，表明土壤肥力質量越好。其中，養分指標的隸屬度函數依據養分指標對作物產量的效應曲線，反映了養分指標在土地系統中的狀態［10］，是養分指標對作物產量驅動作用的定量化表達。隸屬度函數有S型（公式2）和拋物線型（公式3）兩種：

式中，x1、x2、x3、x4分別為隸屬度函數曲線的轉折點閾值。參照烤煙生長發育對各土壤養分指標的需求并結合前人研究［3，7，15］，分別確定各養分指標的隸屬度函數曲線及其轉折點閾值（表1）。在對各養分指標進行數值特征分析的同時，也依據各養分指標的隸屬度對其適宜性進行分析。

表1　各評價指標所屬隸屬度函數及其轉折點閾值Table1 Membership function and its threshold values of each evaluation indicator

權重系數反映了養分指標在土壤肥力評價中的相對貢獻，采用相關系數法確定［16-17］。此外，相關系數還反映了各養分指標間的相關性。

（2）空間插值方法：基于各采樣點采用Fuzzy綜合評價法所得到的IFI值，采用ANUSplin方法插值得到南平煙區土壤IFI空間柵格數據。該方法采用優化薄板平滑樣條函數，考慮了氣象站點的地理坐標，并將高程作為協變量引入插值過程中，還可添加其他輔助數據。與傳統插值方法（如Kriging、IDW等）從x、y二維角度衡量采樣點指標的相關程度相比，ANUSplin采用多維薄板樣條抽樣法，將高程作為協變量時從x、y、z三維角度衡量采樣點指標的相關程度，比傳統插值方法擁有更高的精度和靈活性［18］。

2　結　果

2.1各指標含量、隸屬度與權重系數分析

由表2可以看出，研究區土壤pH、有機質、總氮、總磷、總鉀、堿解氮和有效磷7項指標在各縣市間差異明顯。研究區土壤pH的平均值為5.34，最高為延平區（5.53），最低為武夷山市（5.19）；土壤有機質的平均值為 34.28 g/kg，最高為光澤縣（38.98 g/kg），最低為松溪縣（26.75 g/kg）；土壤總氮平均值為1.62 g/kg，最高為光澤縣（1.97 g/kg），最低為延平區（1.21 g/kg）；土壤總磷的平均值為0.55 g/kg，最高為光澤縣（0.73 g/kg），最低為建甌市（0.41 g/kg）；土壤總鉀的平均值為 24.72 g/kg，最高為光澤縣（36.24 g/kg），最低為順昌縣（17.24 g/kg）；土壤堿解氮的平均值為 134.99 mg/kg，最高為浦城縣（166.32 mg/kg），最低為建甌市（101.16 mg/kg）；土壤有效磷平均值為 43.30 mg/kg，最高為松溪縣（62.97 mg/kg），最低為光澤縣（33.19 mg/kg）；土壤速效鉀含量差異不顯著，平均值為131.77 mg/kg。

表2　研究區各養分指標平均值Table 2 Averaged values of each nutrient content in the studied areas

由表3可知，研究區土壤pH、有機質、總氮、總鉀和堿解氮5項指標的隸屬度值在各縣市間的差異明顯。其中，土壤pH的隸屬度值平均為0.64，最高為政和縣（0.84），最低為武夷山市（0.38）；土壤有機質的隸屬度值平均為 0.69，最高為邵武市（0.85），最低為光澤縣（0.50）；土壤總氮的隸屬度值平均為0.83，最高為光澤縣（0.95），最低為延平區（0.58）；土壤總鉀的隸屬度值平均為0.90，最高為光澤縣和浦城縣（均為1.00），最低為順昌縣（0.77）；土壤堿解氮的隸屬度值平均為0.19，最高為松溪縣（0.38），最低為邵武市（0.12）。研究區土壤總磷、有效磷和速效鉀3項指標的隸屬度值差異不顯著，其平均值分別為0.23、0.89和0.47。

表3　研究區各養分指標隸屬度平均值Table 3 Averaged membership values of each nutrient content in the studied areas

由表4可知，在各土壤養分指標中，總氮、堿解氮和有機質的權重系數最高，分別為 0.18、0.17 和0.15，而總鉀、pH和有效磷的權重系數最低，分別為0.04、0.08和0.10。結合相關系數和權重系數可知，pH與其他6項指標的相關系數通過顯著性檢驗，表明該指標是衡量土壤肥力的重要指標，是影響土壤養分元素循環的關鍵要素，但是其權重系數較低，在土壤肥力本底評價中的貢獻較小。

表4　各養分指標間的相關系數、平均值和權重系數Table 4 Correlation coefficient， its averaged value and weight coefficient of each nutrient content

2.2土壤肥力空間格局分析

圖3為研究區土壤IFI空間分布圖，按照分位數原則分級后統計各等級土壤在各縣市中的面積百分比，以對比各縣市間土壤肥力狀況的差異。由圖3可知，研究區土壤肥力質量呈西部高而東北部低的空間格局，土壤IFI均在0.52以上，土壤肥力狀況較好，但空間異質性大。其中，邵武市和光澤縣土壤肥力質量最好，土壤IFI均在0.55以上。結合表3可知邵武市土壤肥力均在II等級以上，而光澤縣土壤肥力均在 III等級以上；浦城縣和松溪縣土壤IFI較低，浦城縣土壤肥力等級在IV級及以下的土壤面積占99.04%，松溪縣有99.64%土壤的肥力等級在IV級及以下。

圖3　研究區土壤IFI空間格局Fig. 3 Spatial pattern of soil IFI in the studied areas

按照各等級土壤在各縣市中的面積百分比來看（表5），I等級土壤主要分布在邵武市和光澤縣，兩者占I等級土壤總面積的84.54%；II等級土壤主要分布在順昌縣、建陽市、延平區和光澤縣，4個縣、市、區的II等級土壤占總面積的86.98%；III等級土壤主要分布在延平區、建甌市、建陽市、順昌縣和武夷山市，5個縣、市、區中的III等級土壤占總面積的90.01%；IV等級土壤主要分布在建甌市、建陽市和武夷山市，3個市的IV等級土壤占總面積的71.33%；V等級土壤主要分布在浦城縣、建甌市、松溪縣和政和縣，4個縣、市的V等級土壤占總面積的83.80%；VI等級土壤均分布在浦城縣。

表5　研究區各土壤肥力等級在各縣域內的面積百分比Table 5 Area percentage of each soil quality grade in different counties of the studied areas

3　討　論

（1）采用土壤IFI定量化評價表明，研究區土壤肥力呈西部高而東北部低的空間格局。其中邵武市和光澤縣土壤肥力質量最好，邵武市土壤肥力均在II等級以上，而光澤縣土壤肥力均在III等級以上；浦城縣和松溪縣土壤肥力等級較低。

基于采樣點養分含量和隸屬度數據可知，邵武市和光澤縣的土壤總氮、總鉀和有效磷含量非常適宜于烤煙生長，土壤肥力質量好，與土壤IFI空間格局一致?；谕寥繧FI空間格局，結合各縣、市、區土壤樣品中各養分指標的隸屬度和權重系數可知，邵武市和光澤縣土壤肥力的狀況最好，主要歸因于：邵武市土壤有機質、總氮、總鉀和有效磷的含量適宜，隸屬度高，尤其是土壤有機質和氮元素含量對土壤肥力的貢獻率大，權重系數高；光澤縣土壤總氮、總鉀和有效磷的含量適宜，隸屬度高，尤其是所有采樣點的總鉀含量均達到最適宜程度，且總氮含量的隸屬度值最高；浦城縣土壤肥力主要受限于土壤總磷和堿解氮含量，松溪縣土壤肥力則受限于土壤總磷和速效鉀含量。

（2）由各指標權重系數可知，土壤有機質和氮元素含量是影響研究區土壤肥力的重要因素，總氮、堿解氮和有機質的權重系數最高，三者之和超過了0.50。土壤pH與有機質、總氮、總鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀6項指標均顯著相關，表明pH是影響土壤養分元素循環的關鍵要素，但其權重系數僅為0.08，在土壤肥力本底評價中的貢獻較小。

研究區土壤養分指標的權重系數依次為總氮、堿解氮、有機質、總磷、速效鉀、有效磷、pH、總鉀；隸屬度值依次為總鉀、有效磷、總氮、有機質、pH、速效鉀、總磷、堿解氮。權重系數反映了營養指標在土壤肥力評價中的貢獻率，隸屬度則反映了土壤營養指標對烤煙種植的適宜性程度。綜合兩者來看，研究區土壤總鉀、有效磷、總氮含量適宜，pH和有機質含量適中，速效鉀含量略低，而總磷、堿解氮含量明顯不足。烤煙種植前土壤有效磷含量仍然保持適宜水平，堿解氮含量不足，但總氮含量較高。因此，研究區煙田土壤肥力提升需要從增強總磷和速效氮元素含量入手，同時提升堿解氮、有效磷、速效鉀的均衡性，保證根系的均衡吸收。

4　結　論

（1）南平煙區土壤肥力狀況呈西部高而東北部低的空間格局，邵武市和光澤縣土壤肥力質量最好，浦城縣和松溪縣土壤肥力等級較低。邵武市土壤有機質、總氮、總鉀和有效磷的含量適宜，尤其是土壤有機質和氮元素含量對土壤肥力的貢獻率大，光澤縣土壤總氮、總鉀和有效磷的含量適宜，尤其是總氮和總鉀含量的適宜度最高，浦城縣土壤肥力主要受限于土壤總磷和堿解氮含量，松溪縣土壤肥力則受限于土壤總磷和速效鉀含量。

（2）總體來看，南平煙區土壤總鉀、有效磷、總氮含量適宜，pH和有機質含量適中，速效鉀含量略低，而總磷、堿解氮含量明顯不足。土壤有機質和氮元素含量是影響土壤肥力的重要因素，總氮、堿解氮和有機質三者在土壤肥力評價中的權重系數最高。土壤pH與有機質、總氮、總鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀6項指標均顯著相關，表明土壤pH是影響土壤養分元素循環的關鍵要素，但在土壤肥力本底評價中的貢獻較小。

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Integrated Evaluation of Soil Fertility in Nanping Tobacco Planting Areas

XU Chensheng1， CHEN Aiguo2， XU Qian1， DAI Peigang2， LIU Guangliang2， TAO Jian2*
（1. Nanping Tobacco Company， Nanping， Fujian 353000， China； 2. Tobacco Research Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences， Qingdao 266101， China）

soil nutrient data derived from field sampling was used to evaluate soil fertility of tobacco planting areas in Nanping. The evaluation could provide basic information for soil diagnosis and management. The soil fertility indexes of all sampling plots were evaluated by Fuzzy integrated fertility index （IFI） method， and then were interpolated to a raster dataset by ANUSplin interpolation method. The dataset was graded to six levels （from high to low: I to VI） by quantile method. The results showed that soil organic matter and nitrogen content exerted as crucial factors affecting the soil IFI index， due to their important roles in the biogeochemical cycle. Spatial pattern of the soil IFI showed a decreasing trend from west to northeast with a highly spatial variation in the studied areas. The highest index was found in the west part including Shaowu City and Guangze County， which accounted for 84.54% of total I-level soil areas. The soil IFI of the entire Shaowu City exceeded II-level， while the soil IFI of the entire Guangze County exceeded III-level. The Fuzzy IFI method provides an efficient approach to quantify soil fertility， and could detect spatial patterns of regional soil fertility when coupled with the interpolation method.

soil fertility； fuzzy evaluation method； ANUSplin interpolation； spatial pattern

S572.06

1007-5119（2016）04-0024-06

10.13496/j.issn.1007-5119.2016.04.005

福建省煙草公司南平市公司科技項目（NYK2015-03-03）；福建省煙草公司南平市公司技術開發項目［閩煙合同（2014）182號］

徐辰生（1978-），碩士，農藝師，主要研究方向為煙草栽培生理。E-mail：xvchensheng@126.com。*通信作者，E-mail：taojiancaas@163.com

2016-01-21

2016-07-05