湘西植煙土壤有機質和全氮時空變異特征研究①

向世鵬，向德明，田 峰，張黎明,，黎 娟，周米良，田明慧，李 強*

(1 湖南農業大學農學院，長沙 410128；2 湖南省煙草公司湘西州公司，湖南吉首 416000；3 湖南省煙草公司長沙市公司，長沙 410007)

土壤是決定煙草產量和品質的根本因素，其供給狀況直接影響煙株的生長發育[1]。氮素是限制煙草生長和品質產量的首要因素[2-6]，缺氮會導致煙株生長緩慢，發育不良；而氮素過量會導致烤煙生長過旺，成熟延遲且落黃不好，影響烤后煙葉品質，嚴重的甚至造成黑暴煙，失去使用價值[7-11]。有機質是土壤固相部分的重要組成成分，其含量與土壤肥力密切相關[12-13]。對煙草而言，土壤有機質含量過高或過低對于煙草的生長發育都會產生不良影響[14]，只有在有機質含量適宜的條件下，才能生產出優質的煙葉[15]。

湘西州位于湖南西北部，是湖南省重要的烤煙產區之一。雖然已有植煙土壤有機質(SOM)和全氮(TN)時空變異的研究報道[16-20]，關于湘西州植煙土壤方面，也已有了SOM 含量分布特征以及SOM 與有效養分的相關性研究報道[21-22]，但尚無SOM 和TN 時空變異及其之間關系的研究報道。為此，本研究以2000 年和2015 年兩個時期湘西烤煙主產區土壤為研究對象，采用經典統計學和地統計學方法研究了SOM 和TN 含量特征以及時空變異特征，旨在為湘西州烤煙生產科學合理施用有機肥和氮肥提供科學依據。

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，東西寬約170 km，南北長約240 km，國土面積15 462 km2，其中耕地面積1.99 ×106hm2。全州地勢呈西北高東南低的趨勢，地形地貌以山原山地為主，兼有丘陵和小平原。湘西州屬亞熱帶季風濕潤氣候，大陸性氣候特征明顯，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年均氣溫16.5 ～17.5℃，年均降雨量1 290 ～ 1 600 mm，年均日照時數1 219 ～ 1 406 h。

湘西州是湖南主要烤煙產區之一，基本煙田3.07×105hm2，其中水煙1.32×105hm2，旱煙1.75×105hm2，主要烤煙品種為云煙87 和K326，全州年均煙葉產量2.25×104t，種植模式主要為烤煙-綠肥-玉米和烤煙-綠肥-水稻，土壤類型有發生分類上的水稻土、紅壤、黃壤、黃棕壤、石灰土和紫色土等。

1.2 樣品采集和分析

兩次采樣分別在2000 年和2015 年的11—12 月進行。在煙田冬翻前，選取面積≥667 m2的田塊進行樣品采集，用手持式GPS 定位，記錄田塊中心的經緯度和海拔。根據采樣田塊的形狀，采取“X”形或“W”形多點隨機取樣，用土鉆采集耕作層土壤(0 ～20 cm)，每個田塊確保5 個樣點以上，將5 個點的土樣混合均勻后，用四分法取大約1 kg 土樣帶回實驗室，經風干、去雜、研磨、過100 目(0.149 mm)篩后制成待測樣品。SOM 測定采用重鉻酸鉀氧化法，TN測定采用凱氏定氮法[23]。

2000 年采集土壤樣品446 個，2015 年采集土壤樣品1 242 個，2015 年的采樣點包括2000 年的采集點(圖1)。

圖1 樣點分布圖Fig.1 Sampling sites in 2000 and 2015

1.3 土壤有機質和全氮評價標準

本研究參照他人的研究結果[24-25]，制定了湘西煙區養分指標的評價標準，詳見表1。

表1 湘西州植煙土壤SOM 和 TN 分級標準Table 1 Classification standards of SOM and TN

1.4 數據分析

采用IBM Statistics SPSS20.0 進行SOM 和TN 含量的描述性統計和K-S 檢驗[26]。半方差函數模型的計算和理論模型擬合采用GS+9.0 完成[27]，Kriging插值、繪圖及面積統計均在ENRI ArcGIS 10.2.2 中實現[28-30]。

2 結果與分析

2.1 湘西植煙土壤有機質和全氮基本統計特征

15 a 來，湘西植煙土壤SOM 和TN 含量均值均增加顯著，2015 年較2000 年分別上升了5.03 g/kg和0.31 g/kg，上升幅度分別達21.39% 和21.99%，從 “適宜”等級變為“高”等級，最小值變小，而變異系數、最大值、極差均變大，表明SOM 和TN含量在大幅增加的同時，其變異也在變大。

2.2 湘西植煙土壤有機質和全氮時空變異特征

采用多種函數模型對湘西植煙土壤SOM 和TN含量空間分布特征進行擬合，獲得最佳函數模型及其相關參數(表3)，兩個年度的SOM 和TN 含量的最佳函數模型為均為指數模型，各模型均具有較高的擬合精度(RMSSE 接近1，MSE 接近0)，能夠很好地反映SOM 和TN 空間結構特征。兩個年度的SOM 塊金效應均在25% ～ 75%，而TN 的塊金效應均＜25%，表明SOM 的空間變異由隨機因素和結構因素共同決定，而TN 則主要由結構性因素決定。2015 年各指標的塊金效應數值均較2000 年有所增大，反映出隨機性因素對SOM 和TN 的作用變大，表明SOM 和TN的空間結構性減弱，隨機變異性增強。此外，15 a來SOM 和TN 的Moran’s I 值也均有較大下降。經標準化計算，兩個年份Moran’s I 的標準化Z 值均大于2.58，說明兩個年度植煙土壤SOM 和TN 均表現為顯著空間自相關，2015 年標準化Z 值低于2000 年，表明SOM 和TN 的空間自相關性在減弱，隨機性因素對其影響在增強。

表2 不同時期湘西州植煙土壤SOM 和TN 含量狀況Table 2 Statistics of SOM and TN in tobacco-planting area in 2000 and 2015 in Xiangxi

表 3 湘西植煙土壤SOM 和TN 的半方差函數模型及相關參數Table 3 Semi-variogram models and parameters of SOM and TN in tobacco-planting area in Xiangxi

采用普通Kriging 插值法獲取2000 年和2015 年湘西州植煙土壤SOM 和TN 含量空間分布圖(圖2)，并利用ArcGIS 軟件Arctool box 模塊統計不同等級面積，可知，兩個時期SOM 和TN 空間分布無明顯規律性，2015 年湘西植煙土壤SOM 和TN 分級面積與2000 年相比發生較大變化。

2000 年湘西植煙土壤SOM 含量總體較適宜，“適宜”等級面積高達83.05%，“低”和“高”的面積比例分別僅為3.52% 和13.43%。2015 年SOM含量較2000 年有較大變化的趨勢，新增了2000 年未出現的“極高”等級，面積為8.94%；“高”等級亦由原來的小范圍分布增加至45.64%，相應地“適宜”等級的面積下降至45.32%。綜上，2015 年湘西植煙土壤SOM “高”和“極高”等級的面積顯著增加，分別增加了32.21% 和8.94%；而“低”和“適宜”等級則大幅下降，分別下降了3.42% 和37.73%。SOM這一大幅增加的趨勢與有機物料投入增加有關。

2000 年湘西植煙土壤TN 含量總體較適宜，TN“適宜”的面積高達83.33%，“低”、“高”和“極高”的面積比例分別僅為4.20%、12.33% 和0.14%。2015 年植煙土壤TN 較2000 年有較大的變化趨勢，“極高”等級由原來的零星分布增加至10.94%，“高”等級亦由原來的小范圍分布增加至48.00% 而成為主要等級，相應地“適宜”等級的面積下降至38.90%。綜上，2015 年湘西植煙土壤TN“高”和“極高”等級的面積顯著增加，分別增加了35.67%和10.80%；而“低”和“適宜”等級則大幅下降，分別下降了2.04%和44.43%，15 a 來湘西植煙土壤TN 含量大幅增加。

2.3 湘西植煙土壤有機質與全氮的關系

本研究進一步對兩個年度湘西植煙土壤SOM 與TN 含量的關系進行了深入研究。2000 年的數據分析結果表明，土壤SOM 與TN 含量呈極顯著的正線性相關(r=0.853，P=0.000)；進一步采用決策樹模型分析土壤SOM 對TN 含量的影響，結果表明土壤SOM對TN 影響的拐點分別為21.80 g/kg 和24.10 g/kg，2個拐點將土壤按SOM 高低分成3 組，各分組土壤TN均值分別為1.196、1.377、1.652 g/kg，土壤TN 在土壤SOM 分組間差異達極顯著水平(圖略)；采用等樣本數平滑回歸分析的方法分析土壤SOM 與TN 含量的關系，結果顯示烤煙土壤SOM 與TN 含量呈極顯著的線性正相關(R2= 0.980 3，P=0.000)，土壤SOM每增加10 g/kg，TN 相應增加0.424 g/kg(圖3)。

2015 年的數據分析結果與2000 年的結果高度一致，土壤SOM 與TN 呈極顯著正線性相關(r=0.749，P=0.000)；決策樹模型分析結果表明，土壤SOM 對TN 含量影響的拐點分別為16.50、19.94、25.00、29.50、36.20、42.10 g/kg，6 個拐點將土壤按SOM含量高低分成7 組，各分組土壤全氮含量均值分別為0.953、1.298、1.474、1.681、1.929、2.162、2.647 g/kg，TN 在土壤SOM 分組間差異達到極顯著水平(圖略)。等樣本數平滑回歸分析結果顯示(圖3)，烤煙土壤SOM與TN 含量呈極顯著的線性正相關(R2= 0.979 9，P=0.000)，SOM 每增加10 g/kg，TN 相應增加0.431 g/kg。綜上，兩個年份SOM 與TN 含量的關系高度一致。

圖2 湘西植煙土壤SOM 和TN 含量時空分布Fig. 2 Spatial distribution of SOM and TN in 2000 and 2015 in Xiangxi

表4 不同時期湘西植煙土壤SOM 和TN 各等級面積變化Table 4 Area changes of SOM and TN under different grades from 2000 to 2015 in tobacco-planting area in Xiangxi

3 討論

SOM 和TN 均是植煙土壤肥力評價的關鍵指標，對煙株生長和煙葉品質影響顯著[31]。煙草生長對SOM 含量的適應性雖然較廣，但過高或過低不利于煙葉品質，一般認為15 ～ 35 g/kg 對優質煙葉形成最為有利[32]。同樣地，雖然在不同氮素含量的土壤上煙草一般均能完成其生活史，但有利于煙葉品質的土壤TN 適宜含量范圍為1.0 ～ 1.5 g/kg。土壤理化性狀有很強的空間異質性和時空變異性，SOM 和TN 含量的變化是一個隨時間和空間變化而動態變化的過程。糧食作物土壤的相關報道較多，近年來有關植煙土壤SOM 和TN 含量的時空變異也有報道。鄧小華等[33]研究發現，近10 a 來湖南邵陽煙區土壤SOM呈上升趨勢，各縣平均增幅達8.73% ～ 23.67%，與本研究結果一致。15 a 來，湘西植煙土壤SOM 從23.52 g/kg 上升到 28.55 g/kg，逐漸偏離烤煙生長的適宜范圍，增幅達21.39%，這與當地的土壤保育措施如秸稈還田、綠肥種植、商品有機肥施用等措施密不可分。劉勇軍等[34]等研究發現，從2000 年至2015年湖南寧鄉煙區土壤TN 含量增幅達6.63%，且空間分布特點發生巨大變化，也與本研究的結果基本一致。15 a 來，湘西植煙土壤TN 含量從1.41 g/kg 上升到1.72 g/kg，增幅達21.99%，從“適宜”等級變為“高”等級，這可能與氮肥投入量增加以及植煙土壤氮素的逐年累積有關。

耕地土壤變異可分為系統變異和隨機變異，這兩種變異分別由結構因子和人為因子導致[35]。本研究采用目前常用的半方差函數法進行土壤SOM 和TN含量的時空變異研究[27]，不僅可以探明兩者的空間異質性，還可以解析其隨時間變異性，同時可避免樣本方差的影響。本研究中兩個年份植煙土壤的SOM和TN 的最佳函數均為指數模型，模型的RMSSE 接近1，且MSE 接近0，表明模型的擬合精度較高，可以精確反映土壤SOM 和TN 的空間結構特征和時間變化。15 a 間，SOM 和TN 的塊金效應有小幅增加，表明隨機因子(農藝措施、肥料投入等)對其影響程度增強，Moran’s I 值的計算結果也印證了這一結論，這與唐春閨等[19]在瀏陽煙區的研究基本結論一致。說明長期的種植制度、耕作措施和養分管理等人為干預措施對植煙土壤SOM 和TN 均會產生顯著的影響。兩個年份植煙土壤SOM 與TN 含量呈極顯著線性正相關，與王豐等[36]的研究結果基本一致，說明SOM 的礦化釋放是TN 的一個主要來源。

圖3 2000 年和2015 年土壤SOM 與TN 含量的平滑回歸分析Fig. 3 Correlation between soil SOM and TN in 2000 and 2015

4 結論

本研究主要通過地統計學和GIS 技術對湘西植煙土壤SOM 和TN 含量時空變異特征進行了研究。從基本統計特征來看，湘西植煙土壤SOM 和TN 含量均值增加，最小值變小，而變異系數、最大值、極差均變大，表明兩者在大幅增加的同時，其變異也在變大。從空間分布和面積統計結果來看，15 a 來SOM和TN 變化較大，“低”和“適宜”等級的面積下降，高”和“極高”等級的面積增加，SOM 和TN 空間自相關性在減弱，隨機變異性在增強。植煙土壤SOM與TN 含量呈極顯著的線性正相關，SOM 的礦化釋放是TN 的一個主要來源。