小尺度下煙田土壤養(yǎng)分空間變異性研究

張春華，王 佩，王 可，楊 亞，黃正谷，梁 濤，劉國順

（1.川渝中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，成都 610017；2.安徽宣城市宣州區(qū)煙草發(fā)展局，安徽 宣城 242000；3.國家煙草栽培生理生化研究基地，鄭州 450002）

小尺度下煙田土壤養(yǎng)分空間變異性研究

張春華1，王 佩1，王 可2，楊 亞1，黃正谷1，梁 濤1，劉國順3*

（1.川渝中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，成都 610017；2.安徽宣城市宣州區(qū)煙草發(fā)展局，安徽 宣城 242000；3.國家煙草栽培生理生化研究基地，鄭州 450002）

為探討煙田精準(zhǔn)施肥，應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)分析了小尺度下煙田土壤堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)和 pH 等 5 種養(yǎng)分含量的空間分布特征。結(jié)果表明，土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)為 4.43%～33.45%；半方差函數(shù)分析結(jié)果顯示，除有機(jī)質(zhì)具有強(qiáng)空間相關(guān)和堿解氮不具有空間相關(guān)性外，其余土壤養(yǎng)分均具有中等空間相關(guān)性。堿解氮為線性模型，pH 為球形模型，其余為指數(shù)模型。利用克里格最優(yōu)插值，繪制了土壤養(yǎng)分堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)的空間分布圖，并分析了其含量分布狀態(tài)，可為煙田的精準(zhǔn)施肥提供依據(jù)。

土壤養(yǎng)分；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；空間變異；克里格插值

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是土壤的基本屬性和本質(zhì)特征[1]，對(duì)土壤養(yǎng)分空間變異性的研究，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中進(jìn)行變量施肥的基礎(chǔ)[2]。GPS、GIS 技術(shù)與地統(tǒng)計(jì)學(xué)的結(jié)合，極大的推動(dòng)了區(qū)域土壤養(yǎng)分的空間變異性研究，使其成為土壤科學(xué)研究領(lǐng)域的最前沿?zé)狳c(diǎn)[3-5]，Wang 等[6]采用半方差圖和克立格插值法對(duì)土壤養(yǎng)分的空間變異特性進(jìn)行了研究。喬紅波等[7]研究了三門峽煙區(qū)土壤 pH 時(shí)空變異特征，龐夙等[8]研究了會(huì)理縣新植煙區(qū)土壤速效鉀含量空間變異特征及其影響因子。

土壤養(yǎng)分對(duì)煙草的產(chǎn)量和品質(zhì)有極大影響，準(zhǔn)確掌握土壤中養(yǎng)分含量，科學(xué)劃分其含量區(qū)域，進(jìn)行精準(zhǔn)施肥，充分發(fā)揮煙田土壤生產(chǎn)潛力，不僅能夠改善煙株?duì)I養(yǎng)平衡，提高煙葉品質(zhì)，而且對(duì)保護(hù)土壤生態(tài)環(huán)境具有重要意義。本研究立足于我國烤煙規(guī)模化種植、集約化經(jīng)營的實(shí)際情況，探討如何實(shí)施精準(zhǔn)施肥。為此，本文采用 GPS 和 GIS 技術(shù)，應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了植煙土壤養(yǎng)分含量空間變異，繪制了土壤養(yǎng)分含量的空間分布圖，以便于對(duì)土壤養(yǎng)分管理分區(qū)，為其進(jìn)行精準(zhǔn)施肥提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域基本情況

研究區(qū)位于河南省洛寧縣東宋鄉(xiāng)王嶺現(xiàn)代煙草示范基地，該基地中心位于東經(jīng) 111°37′23″，北緯 34°30′32″，海拔 605 m，面積約 78 hm2。屬暖溫帶季風(fēng)型大陸氣候，光照充足，四季分明。全年日照數(shù) 2258.5 h，歷年平均氣溫為 13.7 ℃，年降雨量606 mm，屬豫西丘陵緩坡區(qū)，土壤類型屬于紅壤土。

1.2 樣品的采集和分析

采用網(wǎng)格法采集土壤樣品，用全球定位系統(tǒng)（GPS）進(jìn)行控制點(diǎn)定位，每一樣點(diǎn)在直徑 2 m 范圍內(nèi)選擇 5 個(gè) 0～20 cm 耕層土樣混合，按四分法取分析樣品 1.5 kg，均勻混合后作為該結(jié)點(diǎn)的土樣樣本，如圖1所示，共采集了 63 個(gè)土樣。

圖1 樣區(qū)采樣點(diǎn)分布示意圖Fig. 1 Distribution of sampling sites

土樣經(jīng)風(fēng)干后過 2 mm 篩，供作土壤養(yǎng)分分析。室內(nèi)分析的項(xiàng)目有堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)和 pH。土樣的測定方法[9]：堿解氮的測定方法為堿 解 擴(kuò) 散 法 ； 速 效 磷 的 測 定 方 法 為 0.5mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀的測定方法為2 mol/L NH4OAC 浸提-火焰光度法；有機(jī)質(zhì)的測定方法為重鉻酸鉀氧化-外加熱法；pH 采用 pH 計(jì)法（水土比為 1:25）。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

土壤養(yǎng)分的基本統(tǒng)計(jì)特征通過 SPSS11.0 完成，涉及地統(tǒng)計(jì)學(xué)的半方差函數(shù)計(jì)算、理論模型擬合和Kriging 插值，采用 GS+ for windows 3.0 進(jìn)行分析，土壤養(yǎng)分分布圖的制作采用 ArcGIS 8.3 軟件。有關(guān)地統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理和方法參考文獻(xiàn)[10]。

2 結(jié) 果

2.1 土壤養(yǎng)分含量的統(tǒng)計(jì)特征描述

表1結(jié)果表明，在研究區(qū)域內(nèi)，堿解氮、速效鉀、速效磷、有機(jī)質(zhì)和 pH 平均含量分別為 65.39 mg/kg、9.88 mg/kg、158.8 mg/kg、13.49 g/kg 和 7.31，且平均值和中值很相近，說明特異值對(duì)樣本的數(shù)值影響較??；各養(yǎng)分峰值系數(shù)在-1.36～1.06，偏態(tài)檢驗(yàn)除 pH 外均為正值，表明分布曲線以向左側(cè)傾斜為主；峰度值除速效磷外均為正值，呈“高峰態(tài)”分布[11]。從統(tǒng)計(jì)的變異系數(shù)看[12]，土壤肥力要素的變異系數(shù)在 4.43%～33.45%，土壤 pH 的變異系數(shù)最低為 4.43%，有效磷的變異系數(shù)最高，達(dá)到 33.45%?？傮w來看，堿解氮和 pH 均為弱變異，其余土壤肥力養(yǎng)分的均為中變異。

對(duì)土壤養(yǎng)分用 Kolmogorov-Smironov（K-S）正態(tài)分驗(yàn)概率（PK-S）進(jìn)行檢驗(yàn)[13]，其結(jié)果表明，除速效鉀外，其他各養(yǎng)分呈正態(tài)分布；速效鉀為偏態(tài)分布，經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后，服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

2.2 半方差分析

利用 GS+3.0 地統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)各土壤養(yǎng)分進(jìn)行半方差最優(yōu)模型擬合，選取殘差最小、決定系數(shù)最接近于1的模型類型，圖2是土壤養(yǎng)分各要素的變異函數(shù)圖，表2是根據(jù)各要素變異函數(shù)理論模型得出的相應(yīng)參數(shù)。

表2結(jié)果表明，堿解氮為線性模型，pH 的理論模型為球狀模型，其他各養(yǎng)分的理論模型為指數(shù)模型，堿解氮的決定系數(shù)為 0.007，其余各養(yǎng)分的決定系數(shù)均大于 0.808，表明模型的擬合度較高，尤其是 pH 的決定系數(shù)達(dá)到 0.954。

在半方差函數(shù)模型中，塊金值（Nugget）表示由實(shí)驗(yàn)誤差和小于取樣尺度上施肥、作物、管理水平等隨機(jī)因素共同引起的變異[14]?；_(tái)值（Sill）表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異；基底效應(yīng)即塊金值與基臺(tái)值之比，表示由隨機(jī)性因素引起的空間變異性占系統(tǒng)總變異的比例。按照區(qū)域化變量空間相關(guān)性程度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15]，當(dāng)基底效應(yīng)＜25%，變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；基底效應(yīng)在 25%～75%，變量具有中等的空間相關(guān)性；而基底效應(yīng)在＞75%時(shí)，變量空間相關(guān)性很弱。表2 結(jié)果表明，pH 的基底效應(yīng)為23.99%，具有強(qiáng)空間相關(guān)性；速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)分別介于 26.21%～31.28%，說明它們都具有中等空間相關(guān)性；而堿解氮的基底效應(yīng)為 100%，空間相關(guān)性較差。

表1 土壤養(yǎng)分描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Descriptive statistics of soil nutrients

變程表明屬性因子空間自相關(guān)范圍的大小，它與觀測尺度以及在取樣尺度上影響土壤養(yǎng)分的各種生態(tài)過程、人為因素、自然條件等作用都有關(guān)[16]。在變程之內(nèi)具有空間相關(guān)性，反之則不存在。表2結(jié)果表明，土壤養(yǎng)分的變程在 30～610.7 m 范圍內(nèi)變化，pH 的變程最大，為 610.7 m；其次是有機(jī)質(zhì)，變程為 43.5 m；速效磷的變程最小，為 30 m。

表2 土壤養(yǎng)分變異函數(shù)理論參數(shù)Table 2 Best fitted semivariogram models of soil nutrients and corresponding parameters

圖2變異函數(shù)曲線圖表明，土壤速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)曲線變化較為劇烈，說明控制這3種土壤養(yǎng)分變化的各種生態(tài)過程在整個(gè)變程范圍之內(nèi)所起的重要程度不同；pH 曲線變化較平穩(wěn)，由于pH 變異函數(shù)圖的最大間隔距離為 317 m，小于相應(yīng)理論模型的變程（610.7 m），所以圖示不是一般標(biāo)準(zhǔn)的球狀模型曲線圖，但這并不影響理論模型的可信度，說明在整個(gè)尺度上各種生態(tài)過程同等重要；堿解氮的曲線變化平穩(wěn)，說明在所有尺度上都表現(xiàn)為隨機(jī)變異。

2.3 GIS 支持下土壤養(yǎng)分的克里格插值分析

根據(jù)所得到的半方差函數(shù)模型，利用 Kriging對(duì)土壤中各種養(yǎng)分進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插，并繪制出其空間分布圖（圖3）。圖3 表明，在研究區(qū)域內(nèi)，堿解氮半方差函數(shù)沒達(dá)到顯著水平，利用反距離權(quán)值法進(jìn)行插值預(yù)測，堿解氮含量在 65.26～70.71 mg/kg 的土壤占總面積的 73.65%，主要分布在研究區(qū)域的西部和東部的東南角區(qū)域。速效磷含量在 5.60～11.69 mg/kg 的土壤占總面積的 86.59%，其含量高的區(qū)域主要分布在中偏西部。速效鉀含量在 156.68～187.68 mg/kg 的土壤占總面積的 70.45%，而在研究區(qū)域東部的中間區(qū)域含量最低。有機(jī)質(zhì)在中間區(qū)域含量相對(duì)較高，而在西北方向的中間區(qū)域含量最低，其含量低于 12.21 g/kg。pH 在研究區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)自西北向東南逐漸升高的趨勢。

3 討 論

本研究結(jié)果表明，在整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)，土壤養(yǎng)分均表現(xiàn)出空間變異性，其變異性大小表現(xiàn)為：速效磷＞有機(jī)質(zhì)＞速效鉀＞堿解氮＞pH?？傮w來看，堿解氮和 pH 均為弱變異，其余土壤肥力養(yǎng)分的均為中變異。煙田土壤養(yǎng)分變程為：pH＞有機(jī)質(zhì)＞速效鉀＞速效磷，速效磷變程最小，一方面可能是由于煙田生態(tài)系統(tǒng)中施用磷肥的區(qū)域性差異，另一方面是施用磷肥后其土壤中的殘留量或形態(tài)不同，導(dǎo)致土壤有效磷含量的空間自相關(guān)距離較小。

圖2 土壤養(yǎng)分要素的變異函數(shù)理論模型Fig. 2 Experimental and model-fitted semivariograms of soil nutrients

本研究結(jié)果表明，在研究區(qū)內(nèi)速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)的基底效應(yīng)在 26.21%～31.28%，表現(xiàn)出中等的空間結(jié)構(gòu)性，表明其變異是由結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素（人為因素與土壤微變異等）共同作用的結(jié)果，與黃新杰等[17]研究結(jié)果一致。pH 的基底效應(yīng)為 23.99%，表現(xiàn)出很強(qiáng)的空間結(jié)構(gòu)性，其空間變異由母質(zhì)、地形和成土過程等因素引起。堿解氮具有塊金效應(yīng)，這與梁中龍等[18]研究結(jié)果一致，但姜勇等[19]認(rèn)為堿解氮具有較強(qiáng)的空間變異性，這說明引起堿解氮變化的各因素都是隨機(jī)作用的，這與種植制度、田間耕作管理、地表污染等人為活動(dòng)有直接關(guān)系。

從土壤養(yǎng)分的空間分布來看，堿解氮含量缺乏區(qū)域占總面積的 26.35%，這可能與前茬作物的種植及施肥量有關(guān)；速效鉀含量缺乏區(qū)域占總面積的29.55%，主要分布在研究區(qū)域西部；研究區(qū)域有機(jī)質(zhì)含量中等偏上。速效磷含量整體偏低，這與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民很少施用化學(xué)磷肥及磷的固定有一定關(guān)系。土壤中的氮、磷、鉀等是烤煙需求較多的營養(yǎng)元素，對(duì)煙株的生長和煙葉產(chǎn)量與品質(zhì)的形成具有重要作用[20]。故建議依據(jù)養(yǎng)分空間分布圖，全區(qū)西部需增施氮肥和鉀肥，全區(qū)磷含量普遍較低，需補(bǔ)施磷肥，以確保煙葉正常生長發(fā)育。

4 結(jié) 論

該研究相關(guān)分析表明，煙田土壤養(yǎng)分在小尺度下存在空間變異，據(jù)此可為煙田土壤養(yǎng)分管理分區(qū)及建立施肥模型提供理論依據(jù)，同時(shí)可對(duì)煙田進(jìn)行精準(zhǔn)施肥管理，為提高煙葉品質(zhì)均質(zhì)化提供施肥技術(shù)支持。

[1] 王洪杰，李憲文，史學(xué)正，等. 不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分的分布及其與土壤顆粒組成的關(guān)系[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2002，17（2）：44-47.

[2] Goovaerts P. Geostatistics in soil science: state-of-the-art and perspectives[J]. Geodemia, 1999, 89: 1-45.

[3] 劉國順，常棟，葉協(xié)鋒，等. 基于 GIS 的緩坡煙田土壤養(yǎng)分空間變異研究[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，33（8）：2586-2595.

[4] 金繼運(yùn). “精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”及其在我國的應(yīng)用前景[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，1998，4（1）：1-7.

[5] 王新中，劉國順，張正楊，等. 土壤粒級(jí)空間分布及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系[J]. 中國煙草科學(xué)，2011，32（5）：47-51.

[6] Wang Xinzhong, Liu Guoshun, Hu Hongchao, et al. Determination of management zones for a tobacco field based on soil fertility[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2009, 173: 168-175.

[7] 喬紅波，張慧，高瑞，等. 三門峽煙區(qū)土壤 pH 時(shí)空變異特征[J]. 中國煙草科學(xué)，2010，31（4）：48-51.

[8] 龐夙，陶曉秋，張英，等. 會(huì)理縣新植煙區(qū)土壤速效鉀含量空間變異特征及其影響因子[J]. 中國煙草科學(xué)2012，33（1）：32-36.

[9] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

[10] 王政權(quán). 地統(tǒng)計(jì)學(xué)及在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，1999：65-132.

[11] 雷詠雯，危常州，李俊華，等. 不同尺度下土壤養(yǎng)分空間變異特征的研究[J]. 土壤，2004，36（4）：376-381.

[12] 張朝生，章申，何建邦，等. 長江水系沉積物重金屬含量空間分布特征研究-地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[J]. 地理學(xué)報(bào)，1997，52（2）：185-192.

[13] 郭旭東，傅伯杰，陳利頂，等. 河北省遵化平原土壤養(yǎng)分的時(shí)空變異特征[J]. 地理學(xué)報(bào)，2000，55（5）：555-566.

[14] Ci-Hen Y J, Lee D Y, Guoetal H Y. Geostatistical analysis of soil properties of mid-west Taiwan soil [J]. Soil Science, 1997, 162(4): 151-162．

[15] Burgess T M, Webster R. Optimal interpolation and is-arithmic mapping of soil properties. 1. The semi-variogram and punctual Kriging [J]. J. Soil Sci., 1980, 31: 315-341.

[16] Trangmar B B, Yost R S, Uehara G, et al. Application of geostatistics to spatial studies of soil properties[J]. Adv. Agr., 1985, 38: 44-94.

[17] 黃新杰，屠乃美，李艷芳，等. 湖南省煙稻輪作區(qū)土壤養(yǎng)分的空間變異特征[J]. 中國煙草科學(xué)，2012，33（3）：13-16.

[18] 梁中龍，甘海華，戴軍，等. 廣州岑村農(nóng)用地土壤養(yǎng)分空間變異性研究[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，25（3）：22-25.

[19] 姜勇，張玉革，梁文舉，等. 沈陽市蘇家屯區(qū)耕層土壤養(yǎng) 分 空 間 變 異 性 研 究[J]. 應(yīng) 用 生 態(tài) 學(xué) 報(bào) ，2003，14（10）：1673-1676.

[20] 劉 國 順 . 煙 草 栽 培 學(xué)[M]. 北 京 ： 中 國 農(nóng) 業(yè) 出 版 社 ，2003：142-145.

Spatial Variability of SoiI Nutrients in Tobacco Fields Based on Geostatisics with Small Scale

ZHANG Chunhua1, WANG Pei1, WANG Ke2, YANG Ya1, HUANG Zhenggu1, LIANG Tao1, LIU Guoshun3*
(1. China Tobacco Chuanyu Industrial Co., Ltd., Chengdu 610017, China; 2. Xuanzhou District Tobacco Development Bureau of Xuancheng, Xuancheng, Anhui 242000, China; 3. China National Tobacco Cultivation, Physiology and Biochemistry Research Center, Zhengzhou 450002, China)

Spatial distribution of soil available nitrogen, available phosphorus, available potassium, organic matter, and pH in tobacco fields was studied to provide theoretical basis for precision agriculture by using geostatistics and GIS technique on small scale. The results indicated that soil available nutrients had medium variability with coefficient of variation from 4.43% to 33.45%. Semivariogram analysis showed that soil nutrients were moderately spatially dependent in a given spatial range, except that soil organic matter was strongly spatially dependent and available nitrogen was not spatially dependent. The semivariograms of soil nutrients were best described by exponential model, except for that of available N, which was best fitted by linear model and pH was best fitted by spherical model. The distributing maps of soil nutrients were drawn by using ordinary kriging, and the distributing results of soil nutrient were analyzed. The study provides an important basis for precision fertilization in tobacco production．

soil nutrient; geostatistic; spatial variability; kriging

S572.06

1007-5119（2014）05-0074-05

10.13496/j.issn.1007-5119.2014.05.014

國家煙草專賣局重點(diǎn)資助項(xiàng)目“典型省份煙草種植區(qū)劃技術(shù)平臺(tái)構(gòu)建”（110200401021）

張春華，男，碩士，主要從事烤煙精準(zhǔn)栽培研究工作。E-mail：zhangchunhua83@sina.com。*通信作者，E-mail：liugsh1851@163.com

2013-08-02

2014-05-10