喀斯特山區植煙土壤肥力綜合評價及空間分布特征

鄒靜 李熙全 代飛 昝建朋 黃鶯 王光琴 王坡

摘 要：為了明確喀斯特山區植煙土壤速效養分分布特點和土壤綜合肥力，以安順市西秀區為研究區域，采集100個植煙土壤樣本，運用主成分分析法確定各土壤養分指標的權重，通過土壤肥力綜合指標（IFI）法進行綜合評價，同時運用普通克里金法對土壤pH值、堿解氮、速效鉀、有效磷、IFI值的空間分布進行擬合。結果表明：安順市西秀區植煙土壤pH值、有效氮、堿解磷、速效鉀的含量范圍、均值和變異系數分別為4.13～7.64、4.97 mg/kg、10.39%，62.52～249.17 mg/kg、158.40 mg/kg、22.14%，4.44～56.08 mg/kg、19.17 mg/kg、54.93%，35.53～593.35 mg/kg、165.61 mg/kg、56.93%。適宜烤煙生長的土壤pH值面積占總面積的85.89%，呈連續分布;堿解氮高及較高區域占60.01%，適宜區域占15.92%，低及較低區域占24.07%，交替分布，多呈島狀零星分布;土壤有效磷西低東高，適宜區域占64.22%，低及較低區域占35.78%，分布較連續;速效鉀含量也呈西低東高，適宜區域占20.01%，低及較低區域占79.99%，分布零星。評價顯示土壤綜合肥力西高東低，低肥力（IFI<0.2）區域分布占31.84%，限制因素是堿解氮含量過高、磷鉀含量過低;較低肥力（0.2≤IFI<0.4）區域面積占26.54%，限制因素是鉀含量低下;肥力中等及較高（0.4≤IFI<0.8）區域面積占36.56%，氮含量是主要限制因素，磷鉀適宜;高肥力（IFI≥0.8）區域面積占5.06%，氮磷鉀養分含量及比例協調。

關鍵詞：植煙土壤;土壤肥力;綜合評價;空間分布

中圖分類號：S572

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0457（2021）02-0029-07

國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2021.02.005

Abstract：In order to clarify the distribution characteristics of available nutrients and comprehensive soil fertility of tobacco-growing soil in karst mountainous areas，100 tobacco-growing soil samples were collected in Xixiu District of Anshun City，and the weight of each soil nutrient index was determined by principal component analysis.Comprehensive evaluation was carried out by IFI method，and the spatial distribution of soil pH value，alkali-hydrolyzable nitrogen，available potassium，available phosphorus and IFI value was fitted by ordinary Kriging method.The results showed that the range，mean value and coefficient of variation of pH value，available phosphorus，available nitrogen and available potassium in tobacco-growing soil in Xixiu District of Anshun City were 4.13～7.64 mg/kg，4.97 mg/kg，10.39%，62.52～249.17 mg/kg and 158.40 mg，4.44～56.08 mg/kg，19.17 mg/kg，54.93%，35.53～593.35 mg/kg，165.61 mg/kg，respectively.The soil pH value area suitable for flue-cured tobacco growth accounted for 85.89% of the total area，showing a continuous distribution; high and high alkali-hydrolyzable nitrogen accounted for 60.01%，suitable areas accounted for 15.92%，and low areas accounted for 24.07%，which were alternately distributed and mostly distributed sporadically like islands; Soil available phosphorus was low in the west and high in the east，with suitable area accounting for 64.22%，low and lower areas accounting for 35.78%，and the distribution was continuous; The content of available potassium was also low in the west and high in the east，with suitable areas accounting for 20.01%，low and lower areas accounting for 79.99%，with sporadic distribution.The evaluation showed that the comprehensive soil fertility was high in the west and low in the east，and the regional distribution of low fertility （IFI<0.2） accounted for 31.84%.The limiting factors were the high content of alkali-hydrolyzable nitrogen and the low content of phosphorus and potassium.The area with low fertility （0.2 ≤ IFI < 0.4） accounted for 26.54%，and the limiting factor was low potassium content.The area with medium and high fertility （0.4 ≤ IFI < 0.8） accounted for 36.56%，nitrogen content was the main limiting factor，and phosphorus and potassium were suitable; The area with high fertility （IFI≥0.8） accounted for 5.06%，and the nutrient contents and proportions of N，P and K were coordinated.

Keywords：Tobacco growing soil;soil fertility;comprehensive assessment;Xixiu District of Anshun

煙草是中國西南部主要的經濟作物，以收獲葉片為主，煙葉質量的好壞直接決定了其經濟價值。隨著農業種植集約化程度的提高和化學肥料的不合理施用，養分虧缺加劇，非均衡化問題日逾突出，煙區面臨煙葉質量下降等嚴峻問題[1]。由于西南煙區是典型的喀斯特地貌，長期不合理的土地利用方式導致水土流失嚴重，土壤逐漸石漠化，養分貧瘠，地表崎嶇不平，因而土壤異質性高[2]。環境對喀斯特土壤養分異質性的形成影響極為復雜，在人為干預下，土地利用方式是影響坡地土壤養分含量的主要環境制約因子[3-4]。劉玉等[5]在研究土地利用方式對養分影響時也發現喀斯特地區土壤理化性質隨土地利用方式改變而改變。在貴州、云南、廣西三地，喀斯特地貌以緩坡丘陵為主，山地特征顯著，土壤空間異質性的現象較為普遍。這三個煙區每年烤煙種植面積占全國植煙面積的52.32%，所以了解土壤養分在喀斯特地貌空間的分布特征是有必要的。土壤養分的豐缺狀況與供應程度直接影響著烤煙的生長發育[6]及烤煙化學品質[7]，因此選取喀斯特山地地貌發育典型的區域——安順西秀區為調查對象，分析探討在植煙土壤養分空間分布特征，可為喀斯特地貌區域植煙土壤養分的變化規律提供理論支撐，為優化煙葉生產施肥技術提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

以貴州省安順市西秀區東部所轄同一煙草基地單元為研究區域，包括了楊武鄉、雙堡鎮、雞場鎮、東屯鎮、巖臘鄉及相鄰區域。研究區域地處貴州高原中部，介于E105°57′38″～106°17′22″，N 26°0′7″～26°14′17″之間。屬于亞熱帶季風濕潤型氣候，年平均氣溫在13.2～15.0 ℃之間。年平均降雨量在968～1309 mm，雨量較為充沛。地處長江系烏江流域和珠江水系北盤江流域的分水嶺地帶，地層為溶巖與非溶巖地貌相間發育特征，山峰、溶洞遍布，土壤資源類型多。地勢西北高，東南低。

1.2 數據來源及取樣方法

2019 年8月選取煙草基地單元內連片煙田，采用隨機取樣法，每一百畝設置一個取樣點，共采集土壤樣品100份。取樣深度0～20 cm 土層，每個取樣點按五點取樣法，混勻后取2 kg帶回實驗室用于養分指標分析。

1.3 方法

1.3.1 空間插值

用半方差函數和克里金插值分析，得到土壤養分空間分布情況。克里金插值是空間插值一種較為廣泛的方法，其中以精度較高適用性較強的普通克里金插值法應用最廣[8]。

1.3.2 土壤肥力綜合評價

采用模糊評價法對土壤綜合肥力進行評價。為避免計算結果受數量級不同的影響，先對土壤各項養分指標值進行標準化處理。本研究采用求隸屬度的方法對原始數據進行處理。常用的隸屬函數有兩種類型，即S型（公式1）和拋物線型（公式2）[9]。

式中，f（x）為各個指標的隸屬函數值;x為各指標含量;x1、x2、x3、x4為指標轉折點。拋物線型隸屬函數是指土壤一些性質對土壤肥力的影響有一個最佳范圍，超過此范圍，隨著評價指標偏離程度的增大，對土壤肥力、作物生長的影響越不利。S型隸屬函數是指在一定范圍內，土壤評價指標值與土壤肥力的好壞呈正相關關系，而低于某轉折點或高于某轉折點對土壤功能、作物生長的影響均較小。隸屬函數各指標評價的臨界值是依據煙草生長發育對土壤養分適宜性，結合煙草產量和品質對土壤肥力指標需求效應[10-11]來劃定的。其中pH值、堿解氮為拋物線型隸屬函數，速效鉀、有效磷為S型隸屬函數。烤煙生長和植煙土壤養分上、下限及最優值界限如下（表1）[12-15]：pH值分別為X2=5.5，X3=7.5，X1=4.5、X4=8.5;土壤堿解氮劃分為：X2=110 mg/kg，X3=180 mg/kg，X1= 65 mg/kg，X4=240 mg/kg;有效磷劃分為：X1=5 mg/kg，X4=40 mg/kg;速效鉀劃分為：X1=80 mg/kg，X4=350 mg/kg。通過隸屬度函數將各指標轉換成0.1～1之間的數值。評價因素等于1時表示最適宜烤煙生長，越偏離1代表越限制烤煙的生長。

各個養分指標對土壤肥力的影響程度不同，根據前人的研究方法[16]，用主成分分析方法，采用公式（3）計算出各指標的權重系數

式中，βj為第 j 個變量的權系數;αij為第i個主成分的特征向量（主成分得分）;Ci為提取主成分之后，第i個主成分因素在所有主成分因素中的方差相對貢獻率，k為提取主成分個數。再根據公式（4）將權系數歸一化，得到最終的權重。結果見表2。

式中，Wj為第 j 個變量的權重，n為評價指標體系的變量數。

1.3.3 測定項目與方法

土壤養分測定方法參照文獻[17]進行，其中有機質采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法，酸堿度采用pH計法，堿解氮采用堿解擴散法，有效磷采用Olsen法，速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法。

1.4 數據處理

利用Excel 2010對土壤養分含量進行描述性統計，ArcGIS 10.5軟件進行空間分析，SPSS 15.0進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 土壤pH

適宜烤煙生長的土壤呈酸性至中性反應，pH值范圍為4.5～8.5[18]。安順市西秀區植煙土壤pH范圍在4.13～7.64，平均值為4.97，變異系數為10.39%（表3）。有部分煙田的土壤pH值低于4.5，呈強酸性反應，占了總面積的17.39%。土壤pH 4.5～8.5的土壤面積占了總面積的85.89%，適宜烤煙生長;最利于養分有效化和優質烤煙生長的區域（pH 5.5～7.5）占總面積的32.47%。

從空間分布上看（圖2a），pH<4.5的區域主要分布在東部區域，即東屯北部與雙堡相接區域、雙堡南部與楊武相接區域;pH7.5～8.5的區域分別在雞場北部、東屯南部。分布均無連續性，呈零星分布。其余區域因為分布面積大，所以呈連片分布。

2.2 土壤速效養分

2.2.1 土壤堿解氮

適宜烤煙生長的堿解氮一般認為在60～240 mg/kg[18]。由表3可知，研究區域內速效氮含量范圍為62.52 ～249.17 mg/kg，平均值為158.40 mg/kg，變異系數為22.14%，大部分適宜烤煙生長，且含量較高，分布較為零星。圖2b顯示，氮過低含量（<60 mg/kg）區域占總面積的5.99%，較低含量（60～110 mg/kg）的占18.08%，較高含量（180～240 mg/kg）的占33.62%，氮過高含量（大于240 mg/kg）區域占26.39%。土壤堿解氮有一個高值區呈斑塊狀零星分布，高值區域出現在種植技術較差的西部，以雞場鄉、巖臘鄉為主。低含量區域分布在楊武北部、東屯東南部。總的來看，堿解氮含量以巖臘、雞場較高，楊武和東屯南部含量較低，且不同含量區域交替出現，多處呈島狀分布，空間分布上無明顯規律。

2.2.2 土壤有效磷

土壤有效磷含量10 ～20 mg/kg，被認為是最適宜烤煙生長的范圍[18]，5～40 mg/kg是可以種植烤煙范圍[18]。由表3得知研究區域土壤有效磷含量最小為4.44 mg/kg，最大值為56.08 mg/kg，平均值為19.17 mg/kg，變異系數達到54.93%，說明西秀區土壤有效磷區域間差異較大。土壤有效磷含量極度缺乏（<5 mg/kg）的區域面積達13.47%，土壤有效磷含量豐富（>40 mg/kg）的有15.08%，有效磷適宜烤煙生長（>10 mg/kg）的土地占64.22%的面積，分布最廣泛。從分布來看（圖2c），呈現明顯的西低東高規律，東屯、雙堡有少部分零星分布，缺乏的地區在巖臘、雞場鄉境內，高值區出現在楊武鄉。有效磷分布整體呈塊狀分布，說明相鄰種植區域內磷肥管理措施相似。

2.2.3 土壤速效鉀

煙草是喜鉀的作物，鉀是公認的煙草品質元素，國際上普遍將煙葉含鉀量作為優質煙的重要指標之一。

從表3可知土壤速效鉀含量最小值為35.53 mg/kg，最大值為593.35 mg/kg，平均165.51 mg/kg。區域內速效鉀對烤煙生長來說含量較低，有不同程度的匱乏，其中有44.02%的區域處于極度貧乏（<80 mg/kg），較低水平的有35.97%（80～160 mg/kg），一共占了總面積的79.99%。速效鉀含量豐富的地區僅占1.34%。

速效鉀含量變異系數達56.93%，且在同一種植區域內不同鉀含量土壤呈島狀、零星分布（圖2d），說明不同區域土壤速效鉀含量差異大，呈現高度異質性。速效鉀含量從西到東逐漸增高，高值區域在東部，東屯南部，所占面積極小。

2.3 土壤肥力綜合評價

煙區土壤肥力綜合評價可為烤煙精準施肥提供依據。土壤肥力綜合評價，挑選的均是對烤煙生長產生重要影響的土壤因素。前人研究發現土壤綜合肥力指數IFI與煙葉產質量的正相關關系均極有統計學意義，模糊綜合評價法對于植煙土壤肥力狀況的評價是可行的[19]。

從表4可知，西秀區四個煙區土壤肥力綜合評價得分為0.56，屬中等肥力（III）。變異系數為35.78%。將土壤計算出的IFI值根據前人的標準劃分為5個等級 [20-21]：高（IFI≥0.8）、較高（0.6≤IFI<0.8）、中等（0.4≤IFI<0.6）、較低（0.2≤IFI<0.4）和低（IFI<0.2）。土壤肥力綜合評分高的土壤占總面積的5.06%，較高的區域也僅占總面積的14.94%。低肥力土壤占了總面積的31.84%。

總的來說土壤肥力綜合評價的分布為：土壤肥力從西向東逐漸增加，呈條帶狀分布，楊武地區出現島狀分布。高肥力區域僅出現在東屯鄉的東南部。低值區出現在西部以及東屯北部。中等肥力區域分布在整個楊武鄉及部分東屯東南部、雙堡東部。低肥力主要分布在西部雞場、巖臘及東屯北邊部分地方。

土壤肥力低的部分主要集中在西部雞場、巖臘鄉及東屯北部部分地區，此區域堿解氮含量較高、磷鉀含量過低，氮磷鉀比例嚴重失衡導致土壤肥力低下。較低肥力的區域分布在東北部，主要覆蓋在雞場東部、雙堡除西部以外的區域以及東屯西北部，該區域氮含量較高，磷含量處于適宜水平，鉀含量過低，說明鉀含量低下是限制該區土壤肥力的主要因素。中等及較高肥力區域，土壤磷含量高、鉀含量相對較高、氮含量偏低，說明氮含量是此等級土壤中主要限制因素。高肥力的地區氮磷含量適宜，鉀含量較高，最適宜烤煙種植。總的來說，提高西秀區土壤肥力，要考慮各地方單質元素含量背景值，因缺補缺，才能更有效地提高土壤肥力。

3 結論與討論

以往對喀斯特土壤養分研究表明，土地利用方式會導致土壤理化性狀的改變[22]。氮是影響煙草生長發育及煙葉品質的最重要礦質元素，它對煙草碳代謝有重要的影響，氮過高過低都會導致煙葉品質下降[23-24]。本研究中，土壤堿解氮隸屬平均值達到0.77 mg·kg-1（表2），說明整個區域適宜種煙面積較多，總體來說堿解氮含量略高，主要以巖臘、雞場較高，且不同含量區域交替出現，多處呈島狀分布，空間分布上無明顯規律，且變異系數為22.14%，說明在同一種植區域內，土壤堿解氮在空間分布上無關聯。烤煙種植采取輪作制度，烤煙種植季田間水肥管理基本一致，輪作期間種植的作物類型、施肥量、田間管理措施等差異可能是導致堿解氮空間分布差異的主要原因。因此，在原有“玉米—烤煙”輪作模式被打破的情況下，應重視前作對土壤氮素含量及有效性的影響。

有效磷、速效鉀變異系數相對pH、堿解氮較高，異質性強，變異系數分別為54.93%、56.93%，喀斯特山區地形復雜，所以在同一種植區域內呈零星分布，大部分區域有效磷含量適宜，速效鉀含量偏低。而影響土壤有效磷、速效鉀含量的原因較多，坡度、質地、風化速率和淋溶、肥料施用、輪作方式都會對土壤磷、鉀含量產生影響[25-28]。土壤有效磷、速效鉀呈明顯西低東高規律，有效磷分布較連續，速效鉀伴隨部分零星分布。不同有效磷含量區域分布與行政區域分布較為吻合，說明相同行政區域土壤磷的管理具有相似性，而地形地貌不是影響磷異質性分布的主要因素，可能是磷移動性較差所致。不同速效鉀含量區域分布零星，且變異系數大，固然是地形地貌及人為因素共同作用的結果，但鉀含量高低與生產種植技術水平在地域上高度吻合，說明人為因素應該是主導因素，地形地貌可能加劇了鉀的異質性分布。

研究區域部分煙田pH值小于4.5，主要分布在雙堡、楊武，呈零星分布狀，大部分連片區域pH處于適宜水平。煙田酸性較強的原因應該是自然酸化和人為活動酸化的疊加，在熟化過程中土壤自然酸化是緩慢的，人為活動也是造成土壤酸化的因素，其中，化肥的施用會加速土壤酸化[29]。也有報道認為銨態氮的硝化和NO-3的淋溶會導致土壤酸化[30]，土壤堿解氮較高，說明過度的施用氮肥可能是導致土壤酸化的主要原因。盡管如此，與土壤速效養分相比，土壤酸堿性的變化仍是緩慢的，土壤pH差異較小，變異系數僅為10.39 %，在空間上分布較N、K連續。

總之，空間分析表明在烤煙基地單元內，土壤養分存在明顯的異質性，而導致異質性的的原因主要是養分的人為管理過程，而喀斯特地貌僅加劇了養分異質性分布。對于變化緩慢的pH值、移動性較差的磷地形地貌的影響較小，而對于移動性較強的氮、鉀，地貌的影響較大。

西秀區土壤肥力綜合評價結果表明土壤綜合肥力從西向東逐漸增加，呈條帶狀分布，楊武地區出現島狀分布，高肥力區域僅出現在東屯鄉的東南部，低值區出現在西部以及東屯北部。本研究中土壤肥力低下區域，堿解氮含量過高、磷鉀含量過低，氮磷鉀比例嚴重失衡導致土壤肥力低下;較低肥力區域，鉀含量低下是主要限制因素;中等及較高肥力區域，氮含量是主要限制因素。由于農業產業結構調整，原有“玉米—烤煙”種植模式被打破，多種種植模式對土壤肥力的影響導致土壤當季肥力差異較大，再加上喀斯特地貌發育，加劇了土壤養分異質化。為了便于養分管理，通過土壤肥力綜合性評價，明確了不同肥力區域的限制因子，為基地單元養分的精準化管理提供了可行方法。

本研究僅采用單一的統計方法對植煙土壤土壤肥力進行了綜合評價，尚存在不完善的地方，未加入生物、物理指標，未調查地形、氣候、土地利用方式等影響因素。后期可結合起來對土壤肥力有一個更全面的分析。

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