湘西喀斯特區植煙土壤有效磷時空變異及風險評估①

李 強，戴美玲，向德明，黎 娟，周米良，田 峰，田明慧，張黎明1,

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湘西喀斯特區植煙土壤有效磷時空變異及風險評估①

李 強1,2，戴美玲2，向德明3，黎 娟1*，周米良3，田 峰3，田明慧3，張黎明1,3

(1湖南農業大學農學院，長沙 410128；2湖南農業大學煙草研究院，長沙 410128；3湖南省煙草公司湘西州公司，湖南吉首 416000)

為揭示典型喀斯特煙區土壤有效磷的時空變異特征，為喀斯特地貌煙區合理施磷和控制磷素面源污染提供依據，以湘西州2000年和2014年耕地土壤有效磷含量為研究對象，利用空間自相關、半方差函數及分形維數等方法，對縣域內土壤速效養分時空變異特征和環境風險進行了評價。結果表明，2014年土壤有效磷平均含量增加了30.89 mg/kg，增幅達425.48%；土壤有效磷Moran’s I 指數標準化值下降，分形維數和塊金效應增加，說明土壤有效磷空間結構減弱，隨機變異性增強；土壤有效磷“極高”、“很高”和“高”等級面積顯著增加，分別增加了28.36%、26.89% 和25.94%；而“低”和“極低”等級面積分別下降了57.45% 和27.12%；土壤有效磷含量與海拔、成土母質、土地利用類型、輪作模式及有機質含量關系密切；2014年湘西州有效磷含量超過風險臨界值的概率大幅增加，很高風險(概率>80%)、高風險(概率60% ~ 80%)和中等風險(概率40% ~ 60%)區域分別占研究區域面積的1.77%、5.40% 和13.96%。其中，龍山縣北部和永順縣東部應作為農業面源磷污染的重點控制區。

喀斯特；植煙土壤；有效磷；時空變異；環境風險

磷是煙草必需的大量元素之一，一般占煙株干重的0.15% ~ 0.60%，在光合作用、呼吸作用、Krebs循環和氮代謝過程中起著重要的生理作用[1-2]。土壤磷是植物磷素營養的主要來源，其含量高低和有效性是衡量土壤肥力的主要指標之一，對植物生長發育有重要影響。近30多年來，我國磷肥投入大幅增加，據報道從1980年到2011年，我國磷肥消費量由270萬t上升到820萬t，增長了3倍，中國土壤出現磷盈余，磷盈余總量達9.8×105t，磷盈余強度2.5 kg/hm2，植煙區土壤磷素的供應能力大幅提高[3-4]。由于烤煙特殊的施肥習慣，一般常采取氮磷鉀比例為1:1 ~ 1.5:3.0，加上烤煙的磷肥利用率較低，導致植煙土壤比一般農田的磷素盈余更為嚴重[5]，甚至造成一些煙區水體磷污染[6]。此外，當土壤磷素過高對煙葉品質也有不良影響，如導致煙株早花，葉脈突出、組織粗糙、彈性差、油分少、易破碎。中國煙草種植主要集中在南部和西南部，地形多為山地和丘陵，過多的磷素隨雨水淋失的幾率較大，極易造成環境污染風險。而有關喀斯特煙區土壤磷素環境風險的研究卻鮮見報道。湖南湘西是典型的喀斯特地貌，烤煙種植歷史悠久，過多的磷素極易隨地表徑流淋失。鑒于此，本文擬采用地統計學、克里格插值法(Kriging)和概率克里格插值法(Probability Kriging)，研究典型喀斯特植煙區的磷素環境風險，旨在為煙區烤煙磷素管理和環境保護提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 區域自然概況

湘西州位于湖南省西北部，地處湘鄂黔渝4省市交界處，是湖南省烤煙主產區之一，位于109°10′ ~ 110°22.5′E，27°44.5′ ~ 29°38′N 之間，全州東西寬約170 km，南北長約240 km，總面積15 462 km2。湘西州地勢由西北向東南傾斜，平均海拔800 ~ 200 m，地貌形態的總體輪廓是一個以山原山地為主，兼有丘陵和小平原，并向北西突出的弧形山區地貌。西南石灰巖分布極廣，巖溶發育充分，多溶洞、伏流；西北石英砂巖密布，因地殼作用形成小片峰。東西部為低山丘陵區，平均海撥200 ~ 500 m，溪河縱橫其間，兩岸多沖積平原。湘西州屬亞熱帶季風濕潤氣候，具有明顯的大陸性氣候特征。年平均氣溫為16.5 ~ 17.5 ℃，平均降水1 290 ~ 1 600 mm，日照時數平均在1 406 ~ 1 219 h。土壤類型有水稻土、潮土、紅壤、黃壤、黃棕壤、石灰土和紫色土等。湘西州基本煙田3.07×105hm2，其中水旱輪作煙田1.32×105hm2，旱地煙田面積1.75×105hm2，主要種植烤煙品種為云煙87和K326，全州年均煙葉產量2.25×104t，輪作模式主要為烤煙–綠肥–玉米–綠肥–烤煙和烤煙–綠肥–水稻–綠肥–烤煙，烤煙施肥采用基肥+追肥的管理模式。

1.2 樣品采集和分析

土壤取樣布點按基本煙田面積進行，第1次取樣于2000年12月進行，每20 ~ 33.33 hm2布置1個樣點，共采集446個土樣(表1)；第2次取樣于2014年11—12月進行，每13.33 ~ 26.67 hm2布置1個取樣點，采集土樣1 242個(表1)。采集方法為在土壤冬翻前，選取667 m2以上的田塊進行取樣，用手持式GPS定位，記錄田塊中心的地理信息，采用五點取樣法或“S”形取0 ~ 20 cm土樣，每個田塊確保5點以上，充分混勻后用四分法取大約1 kg土樣。兩期土樣的有效磷均采用鉬銻抗比色法測定[7]。

表1 土壤取樣信息

1.3 土壤有效磷評價標準

土壤有效磷分級標準參考全國第二次土壤普查結果和文獻[8]制定，將湘西植煙土壤有效磷含量分為極低(<5 mg/kg)、低(5 ~ 10 mg/kg)、適宜(10 ~ 20 mg/kg)、高(20 ~ 30 mg/kg)、很高(30 ~ 40 mg/kg)和極高(>40 mg/kg)(環境風險級)6個等級。

1.4 數據分析

采用SPSS17.0進行描述性統計和K–S檢驗(Kolmogorov-Smirnov test)[9]。實驗半方差函數模型的計算和理論模型擬合采用GS+9.0軟件完成[10]，克里格插值(Kriging)、概率克里格插值(Probability Kriging)、繪圖及面積統計均在ArcGIS 10.2.2軟件實現[8,11-12]。

2 結果與分析

2.1 植煙土壤有效磷的基本統計特征及年代變化

2個時期湘西州土壤有效磷含量列于表2。14年間有效磷含量發生巨大變化，2014年土壤有效磷含量平均值較2000年增加了30.89 mg/kg，增幅達425.48%，由“低”等級變為“很高”等級。有效磷的變異系數由2000年的85.09% 上升到2014年的90.06%，增加了4.97%。極小值變化較小，而極大值則由2000年的52.60 mg/kg上升到2014年的234.00 mg/kg，增加了181.40 mg/kg。極差由2000年的52.30 mg/kg上升到2014年的233.16 mg/kg，增加了180.86 mg/kg。表明不僅有效磷的含量發生巨大變化，同時有效磷含量的變異也較大。進一步對湘西植煙土壤有效磷含量的等級分布情況進行分析(表3)，發現與2000年相比，2014年土壤有效磷“極低”和“低”的樣品比例分別下降了37.60和26.16個百分點，相應地“適宜”、“高”、“很高”和“極高”等級的樣品比例分別增加了3.40、15.18、11.97和33.21個百分點。

2.2 植煙土壤有效磷時空變異特征

土壤養分變異來自結構因子和隨機因子，結構因子包括土壤母質、地形、氣候等非人為因素，隨機因子主要包括施肥、耕作和灌溉等人為因素；前者引起系統變異，并使變量呈空間相關性，后者造成隨機變異，表現為削弱變量的空間相關性[13]。半方差函數用于描述區域化變量的空間變異，可避免樣本方差的影響[11,14]，本試驗中分別用不同模型對土壤有效磷進行擬合，獲取土壤有效磷的最優半方差函數模型及其相關參數(表4)，RMSE接近1且MSE接近0，表明選取的模型具有很高的擬合精度，能夠很好地反映土壤有效磷的空間結構特征。2個時期土壤有效磷最佳半方差函數模型均為指數模型，2000年和2014年土壤有效磷的塊金效應分別為8.90% 和65.66%，14年間有效磷塊金效應增幅較大，反映出結構性因素作用和隨機性因素作用發生較大變化[10,15]，表明在過去的14年間，植煙土壤有效磷的空間結構性減弱，隨機變異性增強，這與磷肥、有機肥投入等隨機因子對土壤有效磷含量影響程度增大有關。

表2 不同時期湘西植煙土壤有效磷含量狀況(mg/kg)

表3 不同時期湘西州土壤樣品有效磷等級分布及變化

表4 土壤有效磷半方差函數模型及相關參數比較

注: RMSE為標準化均方根誤差；MSE 為標準化平均誤差。

此外，從2000年到2014年，土壤有效磷的Moran’s I 值由0.388變為0.097。經標準化計算，兩年Moran’s I 的標準化值均大于2.58，說明2個時期耕地土壤有效磷含量在0.05統計水平下顯著空間自相關，2014年標準化值低于2000年，表明14年來土壤有效磷的空間自相關性在減弱，隨機性因素的影響增強，與前文塊金效應的分析一致。

除空間結構和空間自相關分析以外，進一步利用分形維數對兩個時期土壤有效磷的空間結構特點進行定量描述(表4)。土壤有效磷的分形維數由2000年的1.915變為2014年的1.984，升高了0.069，14年間研究區土壤有效磷呈現出更多較小尺度上的變異特點，其隨機變異比例相對增加，這也印證了前文半方差變異函數和空間自相關的分析結果。

2.3 土壤有效磷時空分布變化

根據獲取的半方差函數模型，利用普通Kriging最優內插法，按照分級標準繪制了兩個時期土壤有效磷含量空間分布圖(圖1)，并利用ArcGIS軟件面積統計模塊對繪制的有效磷空間分布圖進行面積統計。兩個時期土壤有效磷含量空間分布規律均不明顯，2014年湘西植煙土壤有效磷含量分級面積比例與2000年相比有較大變化(圖1和表5)。2000年有效磷含量總體較低，“低”和“極低”的植煙面積比例分別達58.94% 和27.12%，其中有效磷“低”等級在各個植煙縣均有大面積分布，有效磷“極低”等級主要分布在中部和南部；有效磷“適宜”的植煙面積比例為13.37%，主要分布在東部的永順縣和古丈縣；有效磷“高”和“很高”等級僅零星分布在龍山縣北部。2014年植煙土壤有效磷含量較2000年有大幅增加，新增了2000年未出現的“極高”等級面積達28.36%，“高”和“很高”等級亦由原來的零星分布分別增加至26.46% 和26.94%，“適宜”等級的面積增加至16.75%，“低”等級面積下降至1.49%，“極低”等級則完全消失。其中，“極高”等級在各植煙縣均有分布，在北部和東部分布較為集中；“很高”和“高”等級的分布較為分散，呈小斑塊狀分布在各縣；“適宜”等級以較大斑塊狀散落分布在各植煙縣；“低”等級僅零星分布在古丈、保靖和龍山。從兩個年份的變化來看，湘西植煙土壤有效磷含量變化劇烈。可見，2014年土壤有效磷“極高”等級、“很高”和“高”等級面積顯著增加，分別增加了28.36%、26.89% 和25.94%；而“低”和“極低”等級則大幅下降，分別比2000年下降了57.45% 和27.12%。14年來湘西植煙土壤有效磷含量呈大幅增加趨勢，這與磷肥的長期投入和逐年積累有關。

圖1 湘西植煙土壤磷素含量空間分布

表5 不同時期土壤有效磷各等級面積統計及變化

2.4 土壤有效磷的影響因素

2.4.1 海拔 湘西煙區從海拔100 m到1 400 m均有烤煙種植，土壤有效磷與海拔的相關分析表明，土壤有效磷含量與海拔呈極顯著正相關關系(= –0.254，= 0.000)。進一步采用決策樹模型分析海拔高度對土壤有效磷含量的影響(圖2)，結果表明海拔對土壤有機質含量影響的拐點為467、839.7和1 023 m，3個拐點將海拔劃成4個分組：≤467 m、467 ~ 839.7 m、839.7 ~ 1 023 m和>1 023 m，4個海拔分組下土壤有效磷含量分別為27.416、36.013、47.930和62.741 mg/kg，土壤有效磷在海拔分組間差異達到極顯著水平，呈現隨海拔升高有效磷含量快速升高的趨勢。

2.4.2 成土母質 龍山植煙土壤主要成土母質為坡積物、洪積物、殘積物和沖積物，有效磷含量在4種成土母質間存在極顯著差異(表6)，由高到低依次為坡積物、洪積物、殘積物和沖積物，其中坡積物有效磷含量已基本達到淋失風險臨界值，洪積物為很高等級，殘積物和沖積物為高等級。從變異程度來看，坡積物、洪積物和沖積物為中等強度變異，殘積物表現為強變異。

2.4.3 土地利用類型和輪作制度 湘西植煙土壤的利用類型為旱地和水田，土壤有效磷在2種土地利用類型間差異達極顯著水平，旱地土壤有效磷含量平均為40.76 mg/kg，水田土壤有效磷含量平均為29.34 mg/kg (表7)。湘西烤煙種植的輪作模式主要有煙–空閑、煙–玉米、煙–綠肥、煙–稻和煙–油菜，不同輪作模式土壤有效磷差異極顯著，以煙–空閑–煙、煙–玉米–煙輪作模式下的土壤有效磷含量最高，顯著高于煙–綠肥–煙、煙–稻–煙、煙–油菜–煙(表8)，這與煙–空閑–煙、煙–玉米–煙2種輪作模式的磷素投入較大有關。

圖2 海拔高度對土壤有效磷含量影響的決策樹分析

表6 湘西不同成土母質土壤有效磷含量(mg/kg)

注： 表中同列數據小寫字母不同表示差異達到<0.05顯著水平，大寫字母不同表示差異達到<0.01顯著水平，下同。

表7 湘西不同土地利用類型土壤有效磷含量(mg/kg)

2.4.4 有機質含量 湘西植煙土壤有機質含量平均為28.55 g/kg，處于適宜烤煙生長的范圍。土壤有效磷含量與有機質含量呈極顯著正相關關系(= 0.206，= 0.000)。進一步采用決策樹模型分析土壤有機質含量對主要土壤養分指標的影響(圖3)，結果表明土壤有機質含量對有效磷影響的拐點為16.5、22.50和27.00 g/kg，該拐點將有機質劃成4個分組：≤16.5 g/kg、16.5 ~ 22.50 g/kg、22.50 ~ 27.00 g/kg和>27.00 g/kg，4組土壤有效磷含量分別為15.034、29.359、38.845和45.965 mg/kg，土壤有效磷在這4個分組間差異達到極顯著水平，呈現隨有機質增加土壤有效磷含量快速升高的趨勢。

表8 湘西不同輪作模式土壤有效磷含量(mg/kg)

圖3 有機質對土壤有效磷含量影響的決策樹分析

2.5 土壤有效磷含量的環境風險評價

以上分析顯示目前湘西植煙土壤磷素盈余較為嚴重。磷素移動性較小，且在土壤中易被固定，盈余的磷素在耕層土壤中不斷積累，在地表徑流和土壤侵蝕等因素的作用下，其對水體污染的風險增大，有研究發現土壤有效磷達33 ~ 36 mg/kg后，土壤磷素便極易發生磷素淋溶[16]。本文參照這一研究結果，以40 mg/kg為磷素淋溶臨界值，采用概率克里格插值法對湘西植煙土壤有效磷含量的環境風險進行評價，結果見圖4。

圖4 湘西植煙土壤有效磷含量超過環境臨界值的概率

與圖1比較發現，有效磷含量高的區域其超過風險臨界值的概率也較高，與空間分布的趨勢基本一致。2000年全市有效磷含量超過風險臨界值的概率普遍較低，概率區間60% ~ 80%(高風險)的面積主要分布在花垣縣，占研究區面積的1.16%，概率區間40% ~ 60%(中等風險)的面積僅零星分布在永順、花垣和保靖，占研究區面積的4.41%；概率區間20% ~ 40%(低風險)主要分布在永順、花垣和保靖，占研究區面積的16.37%；概率小于20%(無風險)的區域面積最大，占總面積的78.06%，分布在全州各縣。2014年全市有效磷含量超過風險臨界值的概率大幅增加，概率>80%(很高風險)的區域以小斑塊狀分布龍山縣、永順縣和花垣縣，占研究區域面積的1.77%；概率區間60% ~ 80%(高風險)的區域分散分布在全州7個植煙縣中的4個，占研究區域面積的5.40%；概率區間40% ~ 60%(中等風險)的區域在全州7個植煙縣均有分布，占研究區域面積的13.96%；低風險和無風險區在全州7個植煙縣均有分布，分布占研究區域面積的37.42% 和41.44%；14年來土壤磷素環境風險大幅增加，不同風險級別呈點狀和片狀同時發生，說明磷素環境風險的發生普遍存在。

3 討論

2000年到2014年湘西植煙土壤有效磷平均含量由7.26 mg/kg上升到38.15 mg/kg，增加了30.89 mg/kg，增幅高達425.48%，整體上由“低”等級變為“很高”等級；從不同等級的面積變化來看，2014年土壤有效磷“極高”、“很高”和“高”等級面積顯著增加，分別增加了28.36%、26.89% 和25.94%；而“低”和“極低”等級則大幅下降，分別比2000年下降了57.45% 和27.12%；14年間，研究區域土壤有效磷環境風險概率顯著上升，其中中等風險區面積增加了9.56%，高風險和很高風險區面積分別增加了4.25% 和1.77%，無風險區下降了36.62%，低風險區增加了21.05%。與他人關于我國很多農區土壤有效磷含量大幅增加的研究結果基本一致[17-20]。烤煙對于磷素供應的要求是足而不過多，一般植煙土壤有效磷含量10 ~ 20 mg/kg即可滿足烤煙生長。過多的磷素營養對于煙葉品質有顯著的不利影響，研究中發現高磷土壤上種植烤煙，煙葉的木質素和細胞壁物質總量呈增加趨勢[21]，而在高磷土壤上過量施用磷肥則會造成化學成分協調性變差，感官質量變差[22]。

本文的研究結果顯示海拔高度、土壤母質、土地利用類型、土壤輪作模式均會對土壤有效磷產生影響。據文獻報道，我國不少煙區土壤有效磷含量高于30 mg/kg，甚至超過40 mg/kg[23-29]，一方面與我國農業生產普遍磷肥投入較高有關，此外還與烤煙種植的特有施肥習慣關系密切，我國烤煙施肥普遍采取的氮磷鉀比例為1:1 ~ 1.5:3.0，而烤煙磷肥的當季利用率卻僅為15% 左右[30]。據調查，湘西植煙土壤每667 m2投入磷素達8 ~ 10 kg/a，外源磷的大量、長期投入是植煙土壤磷素過高的主要原因，文中不同輪作制度下土壤有效磷含量的差異有力支撐這一論點，這與前人的研究一致[31-32]；據報道，在我國當前的烤煙生產中，磷肥的施用量已遠遠超過烤煙需要量，導致土壤磷素積累，增加土壤磷素的流失風險[33-34]。當土壤磷素超過32 mg/kg時，施磷4 kg/667 m2(約為當前常規施磷水平的一半)，煙葉外觀質量和內在質量均明顯變差[35]，筆者在云南羅平煙區的調研有力支持了這一觀點，當地部分植煙大戶在有效磷35 mg/kg以上的植煙土壤上均不施用磷肥，但產值產量均和施用磷肥的沒有區別。因此，針對當前研究區土壤磷素現狀，建議適當控制磷肥用量，推行測土施肥技術，有效磷在30 mg/kg以上的煙田土壤可減少磷肥用量50% 以上，有效磷在40 mg/kg以上的煙田土壤可嘗試開展“啟動性施磷”技術[36]和隔年施磷技術[37]，以保護喀斯特區植煙生態環境和保障煙葉生產的可持續發展。

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Temporal and Spatial Variability Risk Assessment of Soil Phosphorous in Karst Tobacco-planting Region of Xiangxi, Hunan

LI Qiang1,2,DAI Meilin2, XIANG Deming3, LI Juan1*, ZHOU Miliang3, TIAN Feng3,TIAN Minghui3, ZHANG Liming1,3

(1 College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2 Tobacco Research Institute, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 3 Xiangxi Branch of Hunan Provincial Tobacco Company, Jishou, Hunan 416000, China)

Based on methods of spatial autocorrelation, semi-variance function and the fractal dimension as well as the data of soil available phosphorus in 2000 and 2014, the spatiotemporal variation and environmental risks of soil available phosphorus in Karst tobacco-planting region in Xiangxi of Hunan were studied. The results showed that, during the 14 years, soil available phosphorus content increased by 30.89 mg/kg; thescores of soil available phosphorus index decreased, fractal dimension and the nugget effect increased, indicating a weaker spatial structure and stronger stochastic variability; the areas of ‘extremely high’, ‘very high’ and ‘high’ levels were increased by 28.36%, 26.89% and 25.94%, while the areas of ‘low’ and ‘very low’ levels decreased by 57.45% and 27.12%, respectively; There were significant correlation between soil available phosphorus and elevation, soil parent material, land use type, rotation mode and SOM content; Probability of soil available phosphorus content exceed the risk critical value increased greatly, the total areas of very high risk (probability >80%), high risk (probability 60%–80%) and medium risk (probability 40%–60%) accounted for 1.77%, 5.40% and 13.96% of the total study area, respectively. North of Longshan and east of Yongshun are the key regions to control agricultural non-point pollution of phosphorus.

Karst area; Tobacco-planting soil; Available phosphorus; Spatiotemporal variation; Environmental risk

湖南省教育廳項目(CX2010B309)，湖南省煙草公司項目(2016-02)和湘西烤煙良好農業操作規范及推廣應用研究項目(州煙司2012-37)資助。

(adalee619@163.com)

李強(1982—)，男，江蘇儀征人，博士，講師，主要從事煙草生理生化方面的研究。E-mail: zqiangli@126.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.01.024

S572.06

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