基于GIS和FCM的寧鄉植煙土壤養分管理分區

唐春閨+李強+李帆+楊紅武+向世鵬+劉優雄+李立

摘要：采用GPS、地統計學和模糊c均值聚類相結合的方法，對湖南省寧鄉植煙土壤主要養分的空間變異特征和管理分區進行研究。結果表明，寧鄉植煙土壤主要養分指標均為中等程度變異，有機質、有效磷和速效鉀3項指標的塊金效應在25%～75%之間，表明研究區域該3項養分指標是由結構性因素和隨機因素共同作用的結果；堿解氮的塊金效應>75%，表明研究區土壤堿解氮主要由隨機性因素決定。土壤有機質為高水平，堿解氮和速效鉀均為中等水平，有效磷為極高水平，研究區大部分區域有機質、堿解氮、有效磷為中等至極高，但約有40%的面積土壤速效鉀缺乏。寧鄉煙區可劃分為3個養分管理分區，分區間有機質、全氮、堿解氮和速效鉀含量差異極顯著。

關鍵詞：煙區；土壤養分；空間變異；管理分區

中圖分類號：S158；S572 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）06-1029-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.06.009

Abstract： Base on GPS， geo-statistics and fuzzy c-mean algorithm， spatial variability and management zone of soil major nutrients in tobacco fields in Ningxiang were studied. The results indicates that soil main nutrients were intermediate variability. The nugget to sill ratio of organic matter， available potassium and available phosphorus was 25%～75%， which was of moderate spatial dependence. Spatial variability of these 3 nutrients were caused by structural factors and random factors. And the nugget to sill ratio of alkali hydrolyzable nitrogen was >75%， which was of week spatial dependence. Spatial variability of alkali hydrolyzable was caused by random factors. Soil organic matter was high level， alkali hydrolyzable nitrogen and available potassium and available phosphorus were moderate level. Available phosphorus was very high level. Most of study area organic matter， hydrolyzable nitrogen， total nitrogen， available phosphorus are moderate to extremely high， but about 40% of the area of soil available potassium deficiency. Ningxiang tobacco area could be divided into 3 nutrient management zone， there were very significant in organic matter， available potassium， available phosphorus and alkaline hydrolyzable nitrogen between management zone.

Key words： tobacco area； soil nutrients； spatial variability； management zone

土壤是煙草礦質養分的主要來源，是煙葉生產的基礎，植煙土壤養分狀況直接影響烤煙生長發育、營養狀況，進而影響煙葉的產量、品質和風格[1，2]。適宜的土壤養分是煙草獲取優質適產的重要前提，探明土壤養分狀況是制定施肥方案的重要參考。因此中國煙區就植煙土壤養分狀況分析、豐缺評價、綜合評價等方面開展了大量研究[3-5]。近年來，養分管理分區成為研究熱點，有大量對不同尺度植煙土壤養分管理分區的報道[6，7]，對植煙土壤養分的差異化管理起到很好的作用。湖南省寧鄉煙區是中國濃香型優質煙區之一，其煙葉品質純正，配伍性好，受到眾多重點卷煙工業企業的青睞，但有關其植煙土壤的報道主要為含量狀況分析[8]和綜合評價方面[9]，但未見有關該煙區土壤養分管理分區的報道。鑒于此，本研究采用地統計學和模糊c均值聚類相結合的方法對寧鄉植煙土壤主要養分空間分布進行研究，并進一步對該煙區進行了養分管理分區，旨在為煙區土壤養分精準管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 區域自然概況

寧鄉位于湖南省東部偏北，長沙市西部，是湖南省煙草種植大縣，位于東經111°53′-112°46′，北緯27°55′-28°29′之間，寧鄉東西長88 km，南北寬69 km，總面積2 906 km2。境內多為丘陵地帶，境內地貌有山地、丘崗、平原。地表輪廓大體是北、西、南緣山地環繞，東南丘陵起伏，北部崗地平緩，東北低平開闊，整個地勢由西向東呈階梯狀逐級傾斜。寧鄉縣屬中亞熱帶向北亞熱帶過渡的大陸性季風濕潤氣候，四季分明，寒冷期短，炎熱期長。年平均氣溫16.8 ℃，1月平均氣溫4.5 ℃，7月平均氣溫28.9 ℃。年平均無霜期274 d，年平均日照1 737.6 h，境內雨水充足，年均降水量1 358.3 mm，年平均相對濕度81%。土壤類型有紅壤、黃壤、水稻土、黃棕壤及沖積土等。

1.2 樣品采集與分析

2014年11～12月翻耕前，選取有代表性的植煙田塊，并準確記載田塊中心的GPS信息，采用五點取樣法采集耕作層0～20 cm土壤，將五點土壤混勻，并采用四分法保留約1 kg樣品進行風干過篩，用于主要養分指標測定，具體測定方法參照文獻[10]進行。

1.3 土壤養分指標分級標準

植煙土壤主要養分分級標準的制定參考全國第二次土壤普查和文獻[11]制定，將瀏陽植煙土壤主要養分指標分為極低、低、中、高和極高5個等級（表1）。

1.4 模糊c均值聚類

模糊c均值聚類（FCM）是用隸屬度確定每個數據點屬于某個類別程度的一種非監督的聚類方法，在土壤、地形、產量和遙感等數據的分類中運用較多[12]。FCM是一個迭代優化的分類過程，具體是用隸屬度將n個觀測值分配到c個分類中的一種聚類算法[13]。聚類過程引入模糊性能指數（FPI）和歸一化分類熵（NCE）2項參數對農田管理分區數（模糊類別數）進行定量化表達和聚類有效性檢驗[13]。分別可用公式表示如下：

FPI=1-■1-■■（uik）2/n （1）

NCE=■1-■■uikloga（uik） （2）

FPI數值介于0到1之間。FPI越小，表示聚類時共用數據少，類別劃分越明顯，聚類效果越好；反之，FPI越大，則聚類效果越差。NCE越小則模糊c分區的分解量越大，分類效果越好；反之，NCE越大，分類效果越差。FPI和NCE同時達到最小值時的聚類數為最佳分類數。

1.5 數據分析

采用拉依達準則法識別并剔除異常值。描述性統計和K-S檢驗（Kolmogorov-Smimov test）利用SPSS 19.0完成[14]。采用GS+9.0進行半方差函數分析和理論模型構建[15，16]，模型選取以RMSSE接近1，且MSE接近0為好，以確保選取的模型具有較高的擬合精度[17]。Kriging插值和繪圖采用ArcGIS 10.2.2實現[18]。模糊c-均值聚類在MZA1.0.1中完成。

2 結果與分析

2.1 植煙土壤養分指標基本統計特征

植煙土壤主要養分基本統計特征列于表2。從土壤養分指標均值來看，有機質為37.26 g/kg，堿解氮、有效磷和速效鉀均值分別為173.63、30.92、169.05 mg/kg。其中，有機質為高水平，堿解氮和速效鉀均為中等水平，有效磷為極高水平；從土壤養分指標的變化范圍來看，各指標的最大值與最小值均相差較大；從變異系數來看，各項養分指標的變異系數均在10%～100%，均為中等變異。峰度檢驗、偏度檢驗和K-S檢驗表明，有機質、堿解氮和速效鉀符合正態分布，有效磷經對數轉換后符合正態分布。

2.2 植煙土壤養分含量的空間變異

2.2.1 空間結構分析 分別用不同半方差函數模型對植煙土壤主要養分指標進行擬合，獲得了各項指標最優半方差函數模型及其相關參數（表3），RMSSE接近1且MSE接近0，表明選取的模型具有很高的擬合精度。土壤有機質和速效鉀最佳擬合模型為高斯模型，堿解氮和有效磷的最佳擬合模型為指數模型；有機質、有效磷和速效鉀3項指標的塊金效應在25%～75%之間，表明研究區域該3項養分指標是由結構性因素和隨機因素共同作用的結果，并具有中等的空間相關性；堿解氮的塊金效應>75%，表明研究區土壤堿解氮主要由隨機性因素決定，且空間相關性較弱。

2.2.2 空間分布 根據所得的半方差函數模型，利用普通Kriging最優內插法，繪制了植煙土壤主要養分指標空間分布圖（圖1），并利用ArcGIS中的統計模塊對各指標的不同等級的面積進行統計。有機質主要分布等級為中等（25～35 g/kg）和高等（35～45 g/kg），中等等級主要分布在道林鎮和大屯營鄉，高等級覆蓋了其余80%以上的植煙區域；堿解氮主要分布面積是中等（110～180 mg/kg）和高等級（180～240 mg/kg），中等等級主要分布在道林鎮、大屯營鄉和流沙河鎮，高等級覆蓋了其余40%以上的植煙區域；有效磷主要分布面積為中等（10～20 mg/kg）、高等（20～30 mg/kg）和很高等級（>30 mg/kg），中等等級約占20%，高等和很高等級約各占40%；速效鉀主要分布面積是低等級（80～160 mg/kg）和中等等級（160～240 mg/kg），低等級面積約占60%，中等等級面積約占40%。

2.2 土壤養分管理分區

利用MZA1.0.1軟件對土壤養分數據進行模糊c均值聚類分析，以300作為最大迭代次數，以0.001為收斂閾值，模糊指數取值1.30～2.00，模糊類別數取2～6進行c均值模糊聚類，同時計算得到各分類數NCE和FPI的取值（圖2），當分區數為3個時NCE和FPI均為最小值，表明研究區的最佳分區數為3個。

考慮到分區的連續性、行政區域的完整性和實際種植情況，獲得瀏陽植煙土壤養分管理分區，各分區所包含的鄉鎮和位置見圖3。由圖3可知，第一分區位于中南部，包括資福和偕樂橋2個鄉鎮；第二分區位于中西部，包括橫市、大成橋、黃材、老糧倉、流沙河、沙田、雙鳧鋪、巷子口和喻家坳9個鄉鎮；第三分區位于東南部，包括大屯營和道林2個鄉鎮。

進一步對分區結果進行驗證，以分區為單位對各養分指標進行統計，結果見表4。4項主要養分指標中分區間差異均達顯著或極顯著水平，表明分區合理有效。第一分區的特點是高氮高磷低鉀，第二分區的特點是高氮高磷鉀素中等，第三分區的特點是適氮適磷低鉀。

3 小結與討論

寧鄉植煙土壤有機質為高水平，均值為37.26 g/kg，有效磷為極高水平，堿解氮和速效鉀均為中等水平，均值分別為173.63、30.92、169.05 mg/kg，各項指標均為中等程度的變異，有機質、堿解氮和速效鉀符合正態分布，有效磷經對數轉換后符合正態分布。

土壤有機質和速效鉀最佳擬合模型為高斯模型，堿解氮和速效磷的最佳擬合模型為指數模型；有機質、有效磷和速效鉀3項指標的塊金效應在25%～75%之間，表明研究區域該3項養分指標是由結構性因素和隨機因素共同作用的結果；堿解氮的塊金效應>75%，表明研究區土壤堿解氮主要由隨機性因素決定。寧鄉煙區大部分區域土壤有機質為中等至高等級；60%以上區域堿解氮為高等級；80%以上區域有效磷為高等和很高等級；大部分區域土壤速效鉀為中等等級，約20%左右的區域速效鉀缺乏。

利用地統計學和模糊c均值聚類算法將寧鄉植煙土壤劃分為3個養分管理分區，3個分區間有機質、堿解氮和速效鉀含量差異達到極顯著水平，表明分區效果較好，生產中可根據各分區養分差異，制定相應的養分管理規程，推行差異化養分管理技術和肥料投入量。

參考文獻：

[1] 曹志洪.優質烤煙生產的土壤與施肥[M].南京：江蘇科學技術出版社，1991.

[2] 李 強，周冀衡，楊榮生，等.曲靖植煙土壤養分空間變異及土壤肥力適宜性評價[J].應用生態學報，2011，22（4）：950-956.

[3] 匡傳富，周國生，鄧正平，等.湖南郴州煙區土壤養分狀況分析[J].中國煙草科學，2010，31（3）：33-37.

[4] 李 強，周冀衡，宋淑芳，等.基于地統計學的羅平煙區土壤主要養分豐缺評價[J].湖南農業大學學報（自然科學版），2015，41（1）：42-46.

[5] 化黨領，魏修彬，鄭文冉，等.坡耕地植煙土壤養分資源特征及適宜性綜合評價[J].水土保持學報，2011，25（6）：81-86.

[6] 武德傳，羅紅香，宋澤民，等.黔南山地植煙土壤主要養分空間變異和管理分區[J].應用生態學報，2014，25（6）：1701-1707.

[7] 劉國順，江厚龍，楊永鋒，等.基于烤煙品質確定煙田的養分管理分區[J].植物營養與肥料學報，2011，17（4）：996-1004.

[8] 謝鵬飛，鄧小華，何命軍，等.寧鄉縣植煙土壤養分豐缺狀況分析[J].中國農學通報，2011，27（5）：154-162.

[9] 黃 浩.湖南寧鄉植煙土壤與煙葉質量的綜合評價研究[D].長沙：湖南農業大學，2014.

[10] 魯如坤.土壤農業化學分析方法[M].北京：中國農業科技出版社，2000.

[11] 陳江華，劉建利，李志宏.中國植煙土壤及煙草養分綜合管理[M].北京：科學出版社，2008.

[12] FRIDGEN J J，KITCHEN N R，SUDDUTH K A，et al. Management zone analyst（MZA）：Software for subfield management zone delineation[J].Agronomy Journal，2004，96（1）：100-108.

[13] 李 艷，史 舟，吳次芳，等.基于模糊聚類分析的田間精確管理分區研究[J].中國農業科學，2007，40（1）：114-122.

[14] 郝黎仁，攀 元，郝哲歐.SPSS實用統計分析[M].北京：中國水利水電出版社，2002.

[15] 王政權.地統計學及在生態學中的應用[M].北京：科學出版社，1999.

[16] ROMSHOO S A. Geostatistical analysis of soil moisture measurements and remotely sensed data at different spatial scales[J].Environmental Geology，2004，45（3）：339-349.

[17] 鄭海龍，陳 杰，鄧文靖，等.城市邊緣帶土壤重金屬空間變異及其污染評價[J].土壤學報，2006，43（1）：39-45.

[18] 吳秀芹，張洪巖，李瑞改，等.ArcGIS9地理信息系統應用與實踐[M].北京：清華大學出版社，2007.