基于GIS丘陵土壤分區(qū)與烤煙推薦施肥研究

江厚龍，劉國順，楊 超，楊永鋒，胡宏超，劉清華

（1.重慶煙草科學(xué)研究所，重慶 400715；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，國家煙草栽培生理生化研究基地，鄭州 450002；3.河南省煙草公司平頂山分公司，河南 平頂山 467000）

土壤作為一個時空連續(xù)的變異體，即便在一個很小范圍內(nèi)也具有高度的空間異質(zhì)性[1-2]。如果忽視土壤養(yǎng)分的這一特性而進(jìn)行均勻施肥，則會造成高肥區(qū)施肥量過多，低肥區(qū)施肥量過少[3]，從而造成作物產(chǎn)量和品質(zhì)的嚴(yán)重下降。因此，根據(jù)土壤養(yǎng)分含量和作物需肥情況來確定施肥量是非常必要的?？緹熓俏覈匾慕?jīng)濟(jì)作物，其生長發(fā)育和產(chǎn)質(zhì)量形成受土壤養(yǎng)分和施肥的影響較大[4]。因此，依據(jù)土壤養(yǎng)分情況將煙田劃分為不同肥力水平的區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)管理是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)外關(guān)于植煙土壤分區(qū)管理方面的研究報道較少，僅見基于土壤養(yǎng)分條件進(jìn)行煙田養(yǎng)分分區(qū)管理研究的報道[5]?？緹熓且环N特殊的經(jīng)濟(jì)作物，就工業(yè)和消費(fèi)者而言，質(zhì)量比產(chǎn)量更加重要[6]。因此，必要基于烤煙品質(zhì)因素進(jìn)行分區(qū)精準(zhǔn)管理，目前國內(nèi)外尚未報道相關(guān)的研究。另外，在管理分區(qū)方面的報道中，僅對管理分區(qū)進(jìn)行定義[7-8]，偶有研究建立了施肥模型[9]，但未見將施肥模型應(yīng)用于管理分區(qū)并驗(yàn)證其效果的研究報道。

筆者運(yùn)用地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）和地統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法，研究了試驗(yàn)區(qū)土壤養(yǎng)分的空間分布規(guī)律，定義了基于烤煙品質(zhì)的管理分區(qū)；并通過多年布點(diǎn)試驗(yàn)建立推薦施肥模型，將模型應(yīng)用于各管理分區(qū)，同時對模型在各分區(qū)的應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。旨在通過推薦施肥減少施肥的盲目性、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)水平、促進(jìn)農(nóng)業(yè)資源高效持續(xù)利用；同時，通過減少農(nóng)業(yè)肥料投入量，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對生態(tài)環(huán)境的威脅。本研究結(jié)果將為煙田土壤養(yǎng)分分區(qū)管理和推薦施肥模型提供理論依據(jù)，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究開辟新思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在平頂山市郟縣典型煙草種植地塊進(jìn)行（34°04′36″N，113°05′04″E），面積 4 hm2，以烤煙（中煙100品種）為主要種植作物，土壤類型為褐土。該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫14.6℃，≥10 ℃年活動積溫4734.9 ℃，無霜期220 d左右，年均降雨量680 mm。

1.2 土樣采集與分析

本研究于2009年3月上旬整地施肥前進(jìn)行土樣采集，利用GPS對每樣點(diǎn)進(jìn)行定位；采用“網(wǎng)格法”取土壤樣品，間隔為20 m。采樣時以網(wǎng)格點(diǎn)為圓心的5 m范圍內(nèi)采集10鉆0～20 cm的土壤組成代表該點(diǎn)的混合樣，共采集樣品111個（圖1）。

圖1 試驗(yàn)區(qū)位置及土壤樣點(diǎn)（a）和煙葉烤后樣取樣點(diǎn)（b）分布Fig.1 The location of the study field,spatial distribution pattern of sampling points for soil (a) and flue-cured tobacco (b) (a:111 soil samples; b:39 flue-cured tobacco samples at the corresponding 39 soil samples)

土樣經(jīng)風(fēng)干、去雜、磨碎、過篩后備用。分別測定土壤pH（pH計(jì)法）、有機(jī)質(zhì)（OM）[10]、活性有機(jī)質(zhì)（ASOM）[11]、總氮（TN）[12]、堿解氮（AN）[13]、速效磷（AP）[14]、速效鉀（AK）[15]和陽離子交換量（CEC）[16]等土壤屬性指標(biāo)。

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2007、2008、2009和2010年分別在平頂山郟縣選取 10個代表性煙田布置大田試驗(yàn)。每試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)7個處理，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積133.4 m2，各處理施肥量見表1。試驗(yàn)所施肥料為煙草專用復(fù)合肥m(N):m(P2O5):m(K2O)=10:10:20、硝銨（含N 30%）、重過磷酸鈣（含P2O5為44%）、K2SO4（含K2O為50%）、KNO3（含N為13%，含K2O為 45%）。磷肥作基肥一次性條施；氮肥和鉀肥 70%作基肥，10%作為穴肥，20%在團(tuán)棵前分 2次追施。供試品種為中煙100。

表1 試驗(yàn)各處理肥料施用量 kg/hm2Table 1 The fertilizer rates for each treatment

1.4 分區(qū)方法

煙葉樣品于2009年9月獲取?？緹煶墒炱冢瑥?11個土樣點(diǎn)上隨機(jī)選取39個（圖1b），采收充分成熟的中部葉進(jìn)行烘烤，每樣點(diǎn)取 1 kg烤后樣（C2F）。對樣品的外觀質(zhì)量、物理特性和化學(xué)成分及香氣等指標(biāo)進(jìn)行測定，并對各樣品進(jìn)行品吸。將各指標(biāo)進(jìn)行量化處理給出分值，并賦予權(quán)重[17]，計(jì)算最終的品質(zhì)得分。

1.5 分區(qū)驗(yàn)證方法

2010年4月在各分區(qū)內(nèi)分別選2個代表性地塊，一塊進(jìn)行推薦施肥，另一塊常規(guī)施肥（對照）。田間管理按當(dāng)?shù)刈顑?yōu)進(jìn)行，于9月取各處理充分成熟的中部葉進(jìn)行烘烤，取不同處理烤后樣（C3F）各2 kg進(jìn)行分析。

1.6 數(shù)據(jù)處理

本研究用SPSS 10.0軟件進(jìn)行異常值剔除、描述性統(tǒng)計(jì)和逐步回歸分析；用GS+軟件[18]進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析；模糊聚類分析和最佳分區(qū)數(shù)確定用 MZA軟件[19]進(jìn)行；利用ArcGIS9.2軟件進(jìn)行圖層編輯和輸出。

2 結(jié) 果

2.1 土壤養(yǎng)分測試數(shù)據(jù)處理

2.1.1 描述性統(tǒng)計(jì) 樣本平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、最大值及定義概率等廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析中，是反映數(shù)據(jù)整體分布特征和數(shù)據(jù)分析的第一步，也是對數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)[20]。對8種土壤屬性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表2。

由表2可知，該區(qū)域土壤pH變幅為7.39～8.44（=7.93），變幅較小，為普遍認(rèn)同的烤煙生長pH次適宜區(qū)。OM含量為17.19 g/kg，適宜烤煙生長，可有效提高煙葉香氣質(zhì)和香氣量，減少雜氣和刺激性[21-22]。TN 含量為 0.54～1.40 g/kg，為中等偏低[23]。土壤AN、AP和AK是烤煙生長的主要養(yǎng)分因子[5]，其平均值分別為 74.97、7.39、161.40 mg/kg；AN和AP含量偏低，AK含量為較高水平；AP在該區(qū)內(nèi)分布不均，其變異性較大（CV=43.85%）。許多學(xué)者也報道了相似的結(jié)果[24-26]。表2顯示，大部分土壤養(yǎng)分具有較大的變異性，因此有必要將該區(qū)劃分為不同養(yǎng)分水平的分區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)管理，以減少因肥料因素而造成煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)的降低。

由偏度、峰度和Kolmogorov-Smirnov（P＞0.05）檢驗(yàn)表明，所測土壤指標(biāo)均為正態(tài)分布或近似符合正態(tài)分布。因此數(shù)據(jù)均能滿足使用地統(tǒng)計(jì)分析要求。

表2 土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計(jì)Table 2 Descriptive statistics of soil nutrients in study area (n=111)

2.1.2 土壤養(yǎng)分和烤煙品質(zhì)空間變異性分析 在忽視各向異性和趨勢效應(yīng)的前提下，擬合了8種養(yǎng)分和烤煙品質(zhì)的半方差函數(shù)模型（表3）。結(jié)果顯示，球狀模型能很好地擬合8種土壤養(yǎng)分，而烤煙品質(zhì)用線性模型能較好擬合，模型能真實(shí)地反應(yīng)空間分布情況。CEC、TN和烤煙品質(zhì)的塊金值與基臺值比小于25%，具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性[27]，說明這2種養(yǎng)分及烤煙品質(zhì)的空間變異性主要由結(jié)構(gòu)性變異決定。其他土壤養(yǎng)分的空間變異性均由結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同決定。利用半方差函數(shù)模型對土壤養(yǎng)分和烤煙品質(zhì)進(jìn)行Kriging插值（圖2和圖4A）。由圖可知，烤煙品質(zhì)與土壤養(yǎng)分空間分布極為相似，尤其是與AK和AP。另外，圖2顯示，AK含量屬中等偏上，OM和AP的含量中等偏低，CEC含量表明該研究區(qū)土壤具有中等保肥供肥能力。

表3 土壤屬性半方差函數(shù)理論模型及有關(guān)參數(shù)Table 3 Theoretical models and corresponding parameters for semivariogram of soil properties

圖2 土壤養(yǎng)分空間分布特征圖Fig.2 Spatial distribution maps of soil properties

2.2 土壤養(yǎng)分綜合分區(qū)

2.2.1 分區(qū)數(shù)據(jù)源提取 為了研究影響該區(qū)烤煙品質(zhì)的關(guān)鍵土壤養(yǎng)分因子，利用逐步回歸法進(jìn)行分析。將土壤 pH、OM、ASOM、TN、AN、AP和CEC作為自變量，烤煙品質(zhì)得分作為因變量，進(jìn)行逐步回歸分析，得如下回歸方程：

F檢驗(yàn)顯示，由逐步回歸所建立的方程達(dá)到顯著水平（P=0.03），決定系數(shù)R2=0.746，Durbin-Waston 統(tǒng)計(jì)量d=1.543，說明該模型擬合度較好。由方程回歸系數(shù)可知，AK、OM、AP和CEC對烤煙品質(zhì)有較大影響，是該區(qū)烤煙品質(zhì)形成的關(guān)鍵土壤養(yǎng)分因子；其他3種土壤屬性對烤煙品質(zhì)無顯著影響。

2.2.2 分區(qū)與驗(yàn)證 將4種關(guān)鍵養(yǎng)分因子的空間分布圖轉(zhuǎn)化成5 m×5 m柵格圖，通過轉(zhuǎn)點(diǎn)運(yùn)算提取每個柵格的插值及其坐標(biāo)，將柵格屬性作為模糊聚類的數(shù)據(jù)源應(yīng)用到 MZA軟件中進(jìn)行模糊聚類分析。在模糊聚類時軟件計(jì)算出每分區(qū)對應(yīng)的 FPI（Fuzziness performance index） 和 NCE（Normalized classification entropy），其值越小分區(qū)效果越好，同時達(dá)到最小時對應(yīng)的分區(qū)數(shù)為最佳分區(qū)數(shù)[19]。由圖3可知，該區(qū)域最佳分區(qū)數(shù)為4，分區(qū)結(jié)果見圖4B。圖4顯示，分區(qū)結(jié)果與烤煙品質(zhì)分布具較高吻合度，說明分區(qū)結(jié)果是合理的。

圖3 不同分區(qū)數(shù)所對應(yīng)的FPI和NCE值Fig.3 FPI and NCE shown as a function of the number of management zone.

圖4 基于煙葉質(zhì)量的土壤養(yǎng)分分區(qū)管理圖Fig.4 Soil nutrient management zone map base on the tobacco-quality

為了驗(yàn)證基于煙葉品質(zhì)的管理分區(qū)能否有效地量化作物生長的關(guān)鍵土壤養(yǎng)分，進(jìn)而有效地進(jìn)行精準(zhǔn)管理，對各分區(qū)的土壤養(yǎng)分和煙葉品質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)果見表4、5。表4顯示，各土壤養(yǎng)分和煙葉品質(zhì)在不同分區(qū)間具顯著差異，說明分區(qū)致使土壤養(yǎng)分和煙葉品質(zhì)在分區(qū)間的差異性趨于增大。由表5可知，分區(qū)后土壤養(yǎng)分含量和煙葉品質(zhì)在分區(qū)內(nèi)趨于一致。因此，認(rèn)為該分區(qū)結(jié)果是合理的，可作為精準(zhǔn)管理依據(jù)。

表4 各管理分區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分和煙葉品質(zhì)的差異性檢驗(yàn)Table 4 One-way variance analysis of soil nutrients and tobacco quality in the four management zones.

表5 管理分區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分和煙葉品質(zhì)得分的變異系數(shù) %Table 5 CV of soil nutrient and tobacco quality in the four management zones %

2.3 施肥模型建立

根據(jù)4年10點(diǎn)大田試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算土壤養(yǎng)分效率、肥料利用率、需肥量，綜合考慮烤煙的品質(zhì)條件及專家意見來確定目標(biāo)產(chǎn)量。然后利用土壤基礎(chǔ)肥力，結(jié)合土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)和肥料利用率，通過公式便可計(jì)算出不同目標(biāo)產(chǎn)量下氮、磷、鉀的推薦施肥量，得到如下推薦施肥模型：

式中，Y為目標(biāo)產(chǎn)量，SN、SP、SK分別為堿解氮、速效磷和速效鉀的土壤測定值。

2.4 施肥模型的分區(qū)驗(yàn)證

2.4.1 推薦施肥量的計(jì)算 在4個分區(qū)內(nèi)分別取土樣測定基礎(chǔ)肥力。利用上述推薦施肥模型和基礎(chǔ)肥力計(jì)算各分區(qū)的推薦施肥量（表6）。

2.4.2 常規(guī)化學(xué)成分分析 朱尊權(quán)認(rèn)為用“可用性”來評價煙葉的工業(yè)使用價值更為合適[28]，而化學(xué)成分又反映了煙葉可用性的優(yōu)劣[29]。由表7可知，推薦施肥區(qū)煙葉的總氮（除分區(qū)2外）[30]、煙堿（除分區(qū)3外）[31]、鉀（除分區(qū)3外）[4]、氯[31]和還原糖[32]及水溶性總糖[32]含量均較對照區(qū)更滿足優(yōu)質(zhì)煙葉的要求。各區(qū)域煙葉的化學(xué)成分均較協(xié)調(diào)，但推薦施肥區(qū)的糖類與煙堿、總氮與煙堿及鉀和氯之間的較對照區(qū)更加協(xié)調(diào)[30,33-34]。因此，推薦施肥區(qū)煙葉更能滿足優(yōu)質(zhì)煙葉要求，說明本試驗(yàn)所得的推薦施肥模型和推薦施肥量是比較合理的。

2.4.3 致香物質(zhì)含量分析 致香物質(zhì)含量是評價煙葉內(nèi)在質(zhì)量的核心內(nèi)容和重要指標(biāo)之一[35]。本研究將致香物質(zhì)簡單劃分為苯丙氨酸類、棕色化產(chǎn)物、類西柏烷降解產(chǎn)物、類胡蘿卜素降解產(chǎn)物、新植二烯5類[36]進(jìn)行分析，結(jié)果見表8。

通過對推薦施肥區(qū)和對照區(qū)烤后煙葉中這幾類致香物質(zhì)含量分析發(fā)現(xiàn)，除分區(qū)3和4的推薦施肥區(qū)棕色化產(chǎn)物類含量低于對照外，其他各推薦施肥區(qū)煙葉各類香氣物質(zhì)含量及總致香物質(zhì)含量均較對照高。說明推薦施肥有利于提高烤后煙葉致香物質(zhì)含量，改善煙葉的品質(zhì)。因此，可認(rèn)為本研究結(jié)果是合理的。

表6 各分區(qū)推薦施肥量Table 6 The recommended fertilizer rates for management zones

表7 烤后煙葉化學(xué)成分Table 7 The chemical component contents of cured tobacco leaves

3 討 論

研究表明，該區(qū)域土壤養(yǎng)分具有較高的異質(zhì)性，尤其是土壤AP的變異性最大，因此有必要對該區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，實(shí)施精準(zhǔn)管理。地統(tǒng)計(jì)分析顯示，8種土壤養(yǎng)分均能用球狀模型進(jìn)行較好擬合，各養(yǎng)分的空間變異性均受人為因素和結(jié)構(gòu)性因素共同作用（除 TN和 CEC外），本結(jié)果與 Wang[37]和Young[38]等報道相似?；貧w分析表明，土壤 OM、AP、AK和 CEC是該區(qū)域烤煙品質(zhì)的關(guān)鍵養(yǎng)分因子，這與劉國順[4]提出的土壤氮、磷、鉀等養(yǎng)分對煙葉品質(zhì)有著較大的貢獻(xiàn)一致。利用這4種關(guān)鍵養(yǎng)分因子進(jìn)行模糊聚類分析可將該區(qū)劃分為4個不同肥力水平；檢驗(yàn)顯示，烤煙品質(zhì)和土壤養(yǎng)分在各分區(qū)內(nèi)趨于一致，分區(qū)間具較大差異，說明用此方法來實(shí)現(xiàn)煙田養(yǎng)分的差異化管理是可行的；陳彥[39]、李翔[40]和李艷[41]等也曾利用類似方法進(jìn)行了農(nóng)田養(yǎng)分分區(qū)管理研究。

表8 不同處理對煙葉香氣物質(zhì)成分含量的影響Table 8 The effect of different treatments on aroma component contents in tobacco leaves

本研究僅以中煙100品種為研究材料，獲得的養(yǎng)分需求量對于其他烤煙品種有一定局限性[42]（尤其是氮肥）。再者，由于受到土壤、降水、灌溉、施肥和氣候等因素影響，造成養(yǎng)分的揮發(fā)、淋溶、徑流和禁錮，影響了肥料利用率和土壤養(yǎng)分貢獻(xiàn)率。所以，本研究所得推薦施肥模型參數(shù)存在一定局限性，而且各參數(shù)年際間還有一定程度的變化。因此，本研究所獲得的推薦施肥模型需經(jīng)多年多點(diǎn)試驗(yàn)進(jìn)行不斷地修正和完善。孫克剛等[43]和潘劍君等[44]也曾運(yùn)用這種方法來研究施肥模型，并得到較為理想的效果。

將推薦施肥模型運(yùn)用到管理分區(qū)中顯示，運(yùn)用推薦施肥模型來確定施肥量比常規(guī)施肥量更有利于形成化學(xué)成分諧調(diào)、香氣物質(zhì)含量高的優(yōu)質(zhì)烤煙。本研究的推薦施肥有利于優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)、減少農(nóng)田肥料投入、降低農(nóng)業(yè)成本、緩解農(nóng)業(yè)對環(huán)境壓力。因此，可認(rèn)為本研究的推薦施肥模型是合理的。本文僅從化學(xué)成分和致香物質(zhì)來評價推薦施肥模型是充分的，今后可用烤煙外觀質(zhì)量、物理特性、化學(xué)成分和安全性等對施肥模型進(jìn)行綜合評價。

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