瀘州煙區土壤有機質和全氮空間變異特征及其影響因素

肖 怡, 李 珊, 李啟權*, 王昌全,李 斌 ，余亮志

(1. 四川農業大學資源學院，四川 成都 611130；2. 四川省煙草公司，四川 成都 610041)

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瀘州煙區土壤有機質和全氮空間變異特征及其影響因素

肖 怡1, 李 珊1, 李啟權1*, 王昌全1,李 斌2，余亮志1

(1. 四川農業大學資源學院，四川 成都 611130；2. 四川省煙草公司，四川 成都 610041)

根據瀘州煙區199個土壤采樣點數據，采用地統計學和回歸分析方法對其植煙土壤有機質和全氮空間變異特征及其影響因素進行分析，為區域土壤有機質和全氮的調控提供科學依據。結果表明，研究區土壤有機質和全氮含量范圍分別為5.00～81.50 和0.45～3.61 g·kg-1，變異系數分別為43.31 %和31.98 %，均屬于中等強度的空間變異性。半方差分析表明，土壤有機質和全氮的塊金系數分別為0.402和0.385，說明兩個指標具有中等強度的空間自相關性，其空間變異受結構因素和隨機因素共同影響。空間插值結果得出，研究區南部土壤有機質和全氮含量總體高于北部。成土母質、土壤類型、海拔和熟制對土壤有機質含量變異的獨立解釋能力分別為4.6 %、0.3 %、32.0 %和3.0 %，對土壤全氮含量變異的獨立解釋能力分別為5.5 %、2.5 %、35.4 %和13.2 %；海拔因素是影響有機質和全氮含量變異的主控因素。研究區應根據不同影響因素下的養分狀況，合理調控有機肥和氮肥的施用。

有機質；全氮；空間變異；地統計學；影響因素

土壤是影響煙葉品質的重要生態條件之一，選擇適宜種煙并具有良好結構和肥力狀況的土壤是提高煙葉品質的關鍵。已有研究表明，土壤有機質和全氮含量與煙葉品質密切相關，有機質和全氮含量的高低對煙葉生產具有重要意義[1]。土壤有機質是衡量土壤肥力高低的重要指標之一[2]，不僅能促使土壤結構的形成，改善土壤物理、化學性質，提高土壤的吸收性能和緩沖性能，同時它本身又含有煙葉所需要的各種養分[3-4]。而土壤全氮是土壤養分的重要組成部分，也是烤煙生長發育的必須要素，直接制約著煙株形態、生長速度、葉片大小及煙葉產量與品質[5-6]。

受各種因素共同影響，不同區域土壤有機質和全氮含量存在明顯的空間異質性。這種異質性不僅是農田精確施肥的基礎，還是引起區域有機質和全氮遷移轉化不確定性的一個重要因素。因此準確掌握區域土壤有機質和全氮的空間變異特征及其影響因素，對煙區土壤有機質和全氮的科學調控具有指導性作用。隨著3S技術的不斷發展，國內外已有許多學者運用地統計學方法對不同區域內土壤有機質和全氮的空間變異性開展了大量研究，揭示了各種環境背景下土壤有機質和全氮的空間變異特征。如丘陵區[7-8]﹑平原區[9-10]﹑山地[11-12]﹑盆地[13]以及森林區[14]內，由于影響因素的差異，土壤有機質和全氮表現出明顯不同的空間變異特征，因此掌握土壤有機質和全氮的空間變異特征，對指導不同區域烤煙種植具有重要的現實意義。

瀘州煙區位于四川省東南部，是四川省烤煙的重要產區之一。近年來，已有學者圍繞瀘州煙區土壤性質等方面展開了研究工作，如宋文峰等[15]研究了瀘州煙區pH分布特點及其與土壤養分的關系，謝強等[16]研究了瀘州植煙土壤中的微量元素含量，但目前很少有涉及瀘州植煙區縣土壤有機質和全氮空間變異特征及其影響因素的研究報道。為此，本研究以瀘州市2個植煙縣(古藺和敘永)為研究區，通過實地采集的199個土壤采樣點，在GIS軟件的支持下，結合地形、成土母質﹑土壤類型和熟制等因素，采用地統計學和回歸分析等方法對瀘州煙區植煙土壤有機質和全氮的空間變異特征及其影響因素進行研究，以期為該區域土壤有機質和全氮含量的科學調控提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

瀘州煙區位于四川省東南部(27°44′～28°30′N,105°16′～106°17′E)，包含古藺和敘永2縣，區域總面積為6162 km2。研究區總體地勢南高北低，海拔范圍為265～1892 m，地形以山地，中山和丘陵為主。區內屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年均氣溫17.5～18.0 ℃，年平均降水量748～1155 mm，年均無霜期在300 d以上，年平均日照時數1200～1400 h，具有光熱資源豐富，雨量充沛，四季分明的特點，是四川優質烤煙生產區域之一[17-18]。研究區成土母質主要以風化物和殘積物為主。土壤類型主要有水稻土、紫色土、黃壤和新積土4個土類，含9個亞類和29個土屬。土地利用以農地利用方式為主，典型種植制度包括水田一年一熟、旱地一年一熟和其他2種作物輪作3種方式。

1.2 實驗設計

采用GPS定位技術，取樣點在遵循均勻性、代表性原則下，兼顧區域成土母質、土壤類型、海拔等因素。田間取樣時，用手持GPS定位，在半徑10 m的圓形區域內多點混合均勻取樣，取樣深度0～20 cm，在瀘州煙區2個植煙主產縣共采集土壤樣品199個(圖1)，其中古藺縣99個，敘永縣100個。土壤有機質和全氮含量的測定分別采用重鉻酸鉀-硫酸氧化外加熱法測定和凱氏法測定[19]。

圖1 研究區位置及土壤采樣點分布Fig.1 Location of the study area and spatial distribution of soil samples

1.3 數據處理與分析方法

1.3.1 地統計學方法 半方差函數是地統計學的理論基礎，地統計學方法的關鍵是擬合出精度較高的半方差函數模型[20]。在模型擬合時可根據擬合結果的決定系數(R2)和殘差(RSS)的大小來確定最優的半方差模型。半方差擬合結果的參數中，變程(A)可以反映空間變量自相關范圍的大小，塊金值和基臺值之比[C0/(C0+C)]則可以揭示土壤屬性的空間自相關程度。一般認為，塊金值與基臺值的比值<25 %時，空間變量具有強烈的空間自相關性，該變量主要受結構性因素的影響；若比值在25 %～75 %，表明該變量具有中等程度的空間自相關性，受結構性因素和隨機性因素共同作用；若比值>75 %，說明該變量的空間自相關性很弱，主要受隨機性因素控制。其中，結構性因素主要是指土壤在形成過程中的成土母質﹑地形因子﹑及土壤形成后的土壤類型等，隨機性因素則是指施肥﹑耕作措施﹑種植制度等各種人為活動因素；結構因素使得土壤屬性具有空間自相關性，而隨機因素則減弱土壤屬性的空間自相關性，增大其異質性。半方差函數計算公式如下：

式中，h為2個樣本間的分隔距離，也稱步長；r(h)是樣本距為h的半方差；Z(xi)和Z(xi+h)分別是變量Z在空間位置xi和xi+h上的取值；N(h)指樣本距為h時的樣點對數。對半方差函數進行擬合最常用的理論模型有線性模型、指數模型、球狀模型和高斯模型。

如果半方差函數結果表明研究對象的空間相關性存在，則可以利用普通克里格進行空間插值[21]。計算公式如下：

式中，Z*(x0)是待估點x0處的估計值，Z(xi)是實測值，λi分配給每個實測值的權重且∑λi=1。n是參與點估值的實測值的數目。

1.3.2 回歸分析法 運用回歸分析法分析研究區域成土母質﹑土壤類型﹑海拔和熟制對土壤有機質和全氮含量的影響，回歸方程中的校正決定系數反映各影響因素對土壤有機質和全氮含量變化的獨立解釋能力并以此確定有機質和全氮含量變異的主控因素。

1.3.3 軟件平臺 用SPSS19.0進行描述性統計分析﹑相關性分析；GS+7.0進行半方差函數分析；數字化地圖及Ordinary Kriging插值在ArcGIS9.3中完成。

2 結果與分析

2.1 土壤有機質和全氮含量總體特征

統計結果(表1)表明，研究區土壤有機質平均值為29.71 g·kg-1；土壤全氮平均值為1.72 g·kg-1。根據全國煙葉種植區域報告中對植煙土壤有機質和全氮含量的等級劃分[22]，研究區土壤有機質和全氮含量處于中等偏上水平的樣點分別占77.89 %和92.47 %，只有6.03 %的樣點有機質含量低于20 g·kg-1，2.51 %的樣點全氮含量低于1.0 g·kg-1。有機質和全氮的變異系數分別為43.31 %和31.98 %，均屬于中等強度變異，說明兩者的空間分布并不均勻，且有機質變異程度大于全氮。K-S檢驗結果表明，研究區域內有機質和全氮含量均符合正態分布。

從不同縣域來看，古藺縣和敘永縣有機質和全氮含量差異明顯。其中，古藺縣有機質平均值含量較高達30.70 g·kg-1，敘永縣有機質含量均值最低為28.74 g·kg-1。2縣均有70 %以上的樣點有機質含量處于中等偏上水平，而敘永縣有29 %的樣點有機質含量處于缺乏水平，這些樣點所在區域應及時補充有機肥料。古藺縣全氮平均值含量最大達1.92 g·kg-1，敘永縣最小為1.51 g·kg-1。古藺﹑敘永全氮含量均有90 %左右的樣點處于中等偏上水平，這些樣點所在區域應適當減少氮素的施用量。

表1 研究區植煙土壤有機質和全氮含量統計特征

注：OM，有機質；TN,全氮。下同。

Note： OM, organic matter; TN, total nitrogen. The same as below.

表2 土壤有機質和全氮半方差函數理論模型及有關參數

2.2 土壤有機質和全氮空間結構特征

常規統計分析只能得出研究區土壤有機質和全氮含量變化的全貌，其空間分布的隨機性﹑結構性﹑獨立性和相關性得不到反映。因此需進一步采用地統計學方法對其空間結構和分布特征進行分析。從半方差擬合結果來看，研究區土壤有機質和全氮均符合球狀模型，2個模型的擬合決定系數R2均在0.88以上(表2和圖2)，擬合程度較高，可以用來反映研究區土壤有機質和全氮的空間變異結構特征。從擬合模型的參數來看，有機質和全氮的變程分別為45.80和69.50 km，表明有機質和全氮空間自相關的范圍較大，其中全氮空間自相關的范圍大于有機質。土壤有機質和全氮的塊金系數分別為0.402和0.385，說明兩者均具有中等的空間相關性，其變異受結構因素和隨機因素的共同影響。從有機質和全氮的塊金系數來看，有機質受隨機性因素的影響程度略高于全氮。

2.3 土壤有機質和全氮空間分布特征

根據半方差函數模型，利用ArcGIS中的地統計模塊對土壤有機質和全氮進行克里格插值，得到研究區土壤有機質和全氮含量的空間分布圖(圖3)。由圖3可知，研究區土壤有機質和全氮含量在空間分布上有較明顯的相似性，均具有南高北低且分布不均的特點。其中，有機質含量西南部最高，包括營山鄉和麻城鄉﹑摩尼鎮等部分區域，達到40.00 g·kg-1以上，這些區域應該減少有機肥的施用，控制有機質含量；北部最低，不足值6.00 g·kg-1；全氮含量最高值則出現在研究區西南部、南部和東南部，達2.00 g·kg-1以上，最低值出現在研究區北部，不足值0.50 g·kg-1。 結合全國煙葉種植區域規劃中有機質﹑全氮的分級和插值圖得出，研究區有機質和全氮含量絕大部分處于中等偏上水平，兩者含量分別以30～40 g·kg-1(較豐富)和1.50～2.00 g·kg-1(較豐富)的范圍分布最廣；北部大部分區域全氮含量< 1.00 g·kg-1，處于缺乏水平，所在鄉鎮應適當加大氮肥的施用量，提高全氮含量。

2.4 影響因素

2.4.1 成土母質 成土母質是土壤形成的基礎，不同成土母質下發育的土壤有機質與全氮含量存在明顯差異，是影響其含量變化的重要因素。方差分析得出，研究區不同成土母質發育的土壤有機質(P<0.05)和全氮(P<0.05)含量均存在顯著差異。其中，石灰巖、砂巖、灰巖風化物發育土壤的有機質含量均顯著高于泥頁巖風化物；灰巖風化物發育土壤的有機質含量顯著高于砂巖風化物。石灰巖、砂巖、灰巖風化物發育土壤的全氮均顯著高于泥頁巖風化物，但這三種母質之間差異并不顯著。統計結果表明(表3)，砂巖﹑泥頁巖風化物發育的土壤有機質均值含量相對較低，石灰巖﹑灰巖風化物發育土壤的有機質均值含量較高，分別為34.34和37.11 g·kg-1。各類成土母質發育的土壤有機質均屬中等程度變異，其中泥頁巖風化物變異系數最高為53.87 %，灰巖風化物變異系數最低為30.67 %。除泥頁巖風化物外，其余成土母質發育形成的土壤均有80%以上的有機質含量達中等偏上水平；4種成土母質發育形成的土壤的有機質含量低于10.00 g·kg-1的區域很少，所占比例不到整個研究區的10 %。全氮含量在各類成土母質發育土壤中差異也較為明顯。砂巖風化物發育土壤的全氮平均含量最高為1.86 g·kg-1，泥頁巖最低為1.31 g·kg-1。各成土母質發育形成的土壤全氮含量的變異程度比有機質低，屬中等程度變異。除石灰巖風化物以外，其余成土母質發育土壤的全氮含量均有85 %以上屬中等偏上水平；僅泥頁巖風化物發育土壤有12.77 %的土壤全氮含量低于1.00 g·kg-1，其余成土母質缺乏全氮含量比例較少。

圖2 植煙土壤有機質和全氮半方差函數Fig.2 Semi-variograms of organic matter and total nitrogen in tobacco growing soil

圖3 植煙土壤有機質和全氮空間插值Fig.3 Interpolation of the concentrations of organic matter and total nitrogen in tobacco growing soil

2.4.2 土壤類型 不同土壤類型具有不同的成土過程 、發育程度及耕作管理措施，因此造成在不同土壤類型間土壤特性存在差異。方差分析表明，研究區不同土壤類型的有機質(P<0.05)和全氮(P<0.05)含量均存在顯著差異。其中，黃壤有機質含量顯著高于紫色土，略高于水稻土但兩者差異并不顯著；水稻土與紫色土有機質含量差異也不顯著。黃壤全氮含量顯著高于紫色土和水稻土，后兩者差異不明顯。統計結果表明(表4)，黃壤有機質和全氮的均值含量最高，分別為31.84和1.85 g·kg-1，這與黃壤一般處于雨水較多的地帶，生物積累作用較強而有機質較高密切相關[23]。紫色土有機質和全氮均值含量最低，分別為23.73和1.53 g·kg-1，與前人研究結果大體一致[7]。各土類有機質和全氮均屬于中等變異，有機質變異程度大于全氮。其中，水稻土有機質變異系數最大為47.73 %，紫色土全氮變異系數最大為37.91 %。黃壤，水稻土均有70 %以上的有機質含量達到中等偏上，紫色土有40 %以上的有機質含量低于20 g·kg-1，有機質含量偏低，部分區域暫不宜種植烤煙。黃壤和水稻土均有90 %以上全氮含量處于中等偏上水平，紫色土相對較低只有85 %左右。

表3 不同成土母質土壤有機質和全氮含量統計特征

注:同列不同小字母表示差異顯著 (P≤0.05)，下同。

Notes: In table, different small letters following data represent significance at 0.05 level. The same as below.

表4 不同土壤類型土壤有機質和全氮含量統計特征

2.4.3 海拔 海拔高度的不同會影響區域溫度、水分狀況等的差異，因而影響土壤養分含量的變化。方差分析表明，研究區內不同海拔分段的土壤有機質(P<0.05)和全氮(P<0.05)含量均存在顯著差異。其中，海拔在1200～1500 m之間的土壤有機質含量顯著高于0～600、600～900和900～1200 m；海拔900～1200 m的土壤有機質含量顯著高于0～600和600～900 m；海拔600～900 m的土壤有機質含量顯著高于0～600 m。海拔1200～1500和900～1200 m的土壤全氮含量均顯著高于0～600和600～900 m，而前兩者差異不顯著；海拔600～900 m的土壤全氮含量顯著高于0～600 m。統計結果表明(表5)，海拔1200～1500 m土壤有機質和全氮均值含量最高，分別為40.34和2.05 g·kg-1；0～600 m土壤有機質和全氮均值含量最低，分別為19.86和1.20 g·kg-1。研究區土壤有機質﹑全氮含量與海拔高度呈正相關，即有機質和全氮含量隨著海拔的升高而增大,與前期研究結論相一致[8]。產生這樣的原因是瀘州煙區以山地﹑中山和丘陵為主，隨著海拔的升高，氣溫逐漸降低，有機質分解轉化慢，所以土壤有機質含量隨海拔升高而增大；土壤氮素來源于有機質，全氮隨有機質的增大而增大。不同海拔分段下土壤有機質變異程度均大于全氮，其中，海拔900～1200 m土壤有機質變異強度最大，為39.91 %；海拔600～900 m土壤全氮變異強度最大，為28.14 %。從不同海拔分段來看，海拔1200～1500 m土壤有機質和全氮含量均處于中等偏上水平的比例最大，達到100 %；海拔0～600 m土壤有機質和全氮含量均達到中等偏上的比例最小，分別為49.09 %和83.64 %。

2.4.4 熟制 土地利用可反映人為活動的不同，熟制則更進一步反映人類耕作和施肥狀況的差異，因而更能揭示人為活動對土壤有機質和全氮含量的影響。方差分析表明，研究區內不同熟制下的土壤有機質(P<0.05)和全氮(P<0.05)含量均存在顯著差異。其中，一年一熟的土壤有機質和全氮含量顯著高于一年兩熟，一年三熟的土壤有機質和全氮含量含量與前兩者的差異并不顯著。統計結果得出(表6)，一年一熟的土壤有機質和全氮均值含量最高，分別為31.09和1.78 g·kg-1；一年兩熟的兩者均值含量最低，分別為22.32和1.33 g·kg-1。這主要是因為一年一熟多分布在溫度較低的地區，有機質分解緩慢，土壤中有機質和全氮含量高；而其余2種熟制多分布在溫度較低的地區，有機質分解較迅速，土壤有機質和全氮含量較低。不同熟制下土壤有機質和全氮均屬于中等變異強度，一年一熟下兩者含量變異系數最高，分別為42.97 %和31.46 %。一年三熟下土壤有機質和全氮含量處于中等偏上水平的比例最大，為100 %；一年一熟下有80 %以上土壤有機質和全氮達中等偏上；僅一年兩熟下有40 %以上土壤有機質含量處于缺乏水平，其余熟制缺乏有機質的比例相對較少。

表5 不同海拔分段土壤有機質和全氮含量統計特征

表6 不同熟制下土壤有機質和全氮含量統計特征

表7 不同影響因素下土壤有機質和全氮含量的回歸分析結果

2.5 主控因素

表7中各回歸方程的校正決定系數可以看出，各影響因素對研究區土壤有機質和全氮含量變異的獨立解釋能力大小均為海拔>成土母質>熟制>土壤類型。其中，海拔因素對有機質和全氮含量變異的獨立解釋能力均最大，分別為31.3 %和37.8 %；土壤類型對兩者含量變異的獨立解釋能力最小，分別為2.7 %和3.7 %。這主要是因為研究區從南向北地勢逐漸上升，水熱條件在水平和立體空間分布不均一且差異很大，土壤區域分布明顯。海拔較低的丘陵地區，高溫多濕，多形成貧瘠的紫色土；隨著海拔的升高，溫度降低，有機質分解緩慢，積累明顯增強，多形成較肥沃的黃壤或黃棕壤。成土母質從北到南隨海拔的升高而呈條帶狀分布，因此海拔反映了水熱條件分配、成土母質及土壤類型的綜合影響，對土壤有機質和全氮含量空間變異的影響最大。研究區應根據不同影響因素下養分狀況和對有機質和全氮含量變異的影響程度，合理規劃煙草種植區域，科學調控有機質和全氮含量。

3 結 論

(1)研究區土壤有機質和全氮含量變化范圍為5.00～81.50 和0.45～3.61 g·kg-1，絕大部分處于中等偏上水平，最適宜烤煙種植的有機質和全氮分別占64.82 %和51.26 %；有機質和全氮變異系數分別為43.31 %和31.98 %，均具有中等強度的空間變異性，有機質空間變異程度大于全氮。

(2)研究區土壤有機質和全氮塊金系數分別為0.402和0.385，說明其變異受結構性因素和隨機性因素的共同影響，但結構性因素對全氮的影響程度大于有機質；有機質和全氮有效變程分別為45.80和69.50 km，表明兩者空間自相關性的范圍較大，其中全氮空間自相關的范圍大于有機質。空間分布上，土壤有機質和全氮具有一定的相似性，總體上均表現為南部高于北部，且區域兩者含量絕大部分處于中等偏上水平。

(3)各影響因素中，海拔對有機質和全氮含量空間變異的獨立解釋能力最大，其余依次是熟制、成土母質和土壤類型，這主要是由于海拔因素海拔反映了水熱條件分配、成土母質及土壤類型空間分布的綜合影響，因而對土壤有機質和全氮含量變異的影響最大。研究區應綜合考慮不同因素下養分狀況和對有機質和全氮含量變異的影響程度，進行合理的種煙區域規劃，科學調控有機質和全氮含量。

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(責任編輯 李 潔)

Spatial Variability of Soil Organic Matter and Total Nitrogen in Tobacco Production Area of Luzhou and Its Influencing Factors

XIAO Yi1, LI Shan1, LI Qi-quan1*, WANG Chang-quan1, LI Bin2,YU Liang-zhi1

(1.College of Resources, Sichuan Agricultural University, Sichuan Chengdu 611130, China; 2.Tobacco Company of Sichuan Province, Sichuan Chengdu 610041, China)

Spatial variability of soil organic matter and total nitrogen in the south part of Luzhou were analyzed using Geostatistics methods. The effects of the influencing factors were quantified by regression analysis based on 199 soil samples. This study provides a theory basis for scientific regulation of soil organic matter and total nitrogen in tobacco-growing areas of Luzhou. Results showed that the concentration of soil organic matter and total nitrogen ranged from 5.00 to 81.50 and 0.45 to 3.61 g·kg-1respectively, the variation coefficient of soil organic matter and total nitrogen were 43.31 % and 31.98 % respectively with moderate variability. The semi-variogram analysis showed that the nugget to sill ratio of soil organic matter and total nitrogen were 0.404 and 0.378 respectively, which suggested that soil organic matter and total nitrogen had moderate spatial correlation and their spatial variability were determined by structural and random factors. Kriging interpolation maps indicated that both the soil organic matter and total nitrogen showed a decreasing trend from south to north. Soil parent material, soil type, attitude and cropping system respectively contributed to 4.6 %,0.3 %,32.0 % and 3.0 % of soil organic matter variability and respectively contributed to 5.5 %,2.5 %,35.4 % and 13.2 % of total nitrogen variability. Altitude was the dominant factor that influenced the variability of soil organic matter and total nitrogen content. Scientific management should be adopted to manage organic and nitrogen fertilizer in soil according to the status of organic matter and total nitrogen content of different influencing factors.

Organic matter; Total nitrogen; Spatial variability; Geostatistics; Influencing factor

1001-4829(2016)08-1924-08

10.16213/j.cnki.scjas.2016.08.031

2015-06-05

中國煙草總公司四川省公司重點科技項目(SCYC20 1402006)

肖 怡(1993-)，女，四川宜賓人，主要從事土壤環境質量研究，E-mail：yiguaer@sina.com, 聯系方式：18008114397，*為通訊作者。

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