豫中植煙區(qū)土壤速效養(yǎng)分的空間變異分析

陳海生, 王世界, 趙玉明

(1.平頂山學院 河南 平頂山 467000; 2.浙江同濟科技職業(yè)學院, 杭州 311231)

豫中植煙區(qū)土壤速效養(yǎng)分的空間變異分析

陳海生1,2, 王世界1, 趙玉明1

(1.平頂山學院 河南 平頂山 467000; 2.浙江同濟科技職業(yè)學院, 杭州 311231)

利用地統(tǒng)計學和GIS相結(jié)合的方法，探討了豫中烤煙種植區(qū)土壤速效氮、磷、鉀含量空間變異特征。結(jié)果表明：研究區(qū)速效氮含量屬于偏低水平，而速效鉀和速效磷為偏高水平。以速效氮的變異系數(shù)為最小，速效磷的變異系數(shù)為最大。土壤 pH與速效氮和速效磷都成呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，土壤有機質(zhì)與速效氮、速效磷和速效鉀都達到極顯著的正相關(guān)關(guān)系。研究區(qū)3種土壤速效養(yǎng)分中，除了速效氮為線性模型外，速效鉀和速效磷都是球狀模型。速效磷和速效鉀屬于中等強度的空間變異性，而速效氮屬于弱的空間相關(guān)性。本烤煙種植區(qū)土壤速效養(yǎng)分的等值線圖可更準確和直觀地了解研究區(qū)土壤養(yǎng)分的空間分布，從而為精確施肥提供依據(jù)。

地統(tǒng)計學; GIS; 土壤速效養(yǎng)分; 豫中

土壤特性具有空間連續(xù)性和變異性特征。隨著3S技術(shù)的發(fā)展，土壤特性空間變異特征研究已成為土壤科學領(lǐng)域的熱點之一。土壤速效氮、速效磷、速效鉀是土壤中活躍的速效性養(yǎng)分，是土壤肥料三要素氮(N)、磷(P)、鉀(K)被吸收利用的最有效養(yǎng)分形態(tài)，其含量因其對評價土壤肥力水平高低具有很好的表征作用，常作為土壤特性空間變異特征研究的對象[1-2]。

地統(tǒng)計學是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，半方差函數(shù)為基本工具的一種數(shù)學方法，可用于分析在空間分布上既存在隨機性又存在結(jié)構(gòu)性的自然現(xiàn)象。近年已有一些研究利用地統(tǒng)計學和GIS技術(shù)相結(jié)合的方法分析植煙田土壤養(yǎng)分的空間變異性[3-6]。煙葉生產(chǎn)具有區(qū)域內(nèi)相對集中和統(tǒng)一管理的特點，進行豫中植煙區(qū)土壤速效養(yǎng)分空間變異及分布特征的研究，對進一步提高該煙田管理水平，進而改善煙葉質(zhì)量有重要的指導意義。

豫中植煙區(qū)包括許昌、平頂山、漯河的煙區(qū)，地處北亞熱帶與暖溫帶氣候的過渡地帶，是我國烤煙種植的發(fā)源地之一[4]。該區(qū)地貌為豫西山地向黃淮平原的過渡帶，自西向東漸低。土壤類型多為褐土、潮土，烤煙常年種植面積為3.67×105hm2，為河南省植煙面積最大產(chǎn)區(qū)，其煙葉質(zhì)量以色澤鮮亮、油分充足、香味濃郁、配伍性強而聞名中外，被譽為濃香型煙葉的典型代表[4]。本研究利用地統(tǒng)計學和GIS相結(jié)合的方法，探討豫中植煙區(qū)土壤速效養(yǎng)分因子的空間異質(zhì)性特征，旨在為提高該區(qū)域煙葉香氣質(zhì)量而進行的精確田間栽培管理、定位施肥和土壤改良提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集與測定方法

2009年2月下旬至4月上旬對研究區(qū)內(nèi)土樣進行采集。取樣點根據(jù)基本煙田分布情況進行布置，遵循均勻性、代表性的原則。平原區(qū)每33.3 km2采集一個混合土樣，低山丘陵煙區(qū)每20.00 km2采集一個土樣。田間取樣時，用手持式GPS定位，記錄采樣點的經(jīng)緯度和高程，以定位點為中心，在半徑10 m的圓形區(qū)域內(nèi)多點(10個點)混合取樣，所采土樣均為耕層土壤，取樣深度0～20 cm，用四分法取大約1 kg土樣帶回實驗室。共采集土樣1 259個(見圖1)。土壤pH、有機質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀均用常規(guī)方法測定[7]。

1.2數(shù)據(jù)處理方法

地統(tǒng)計學方法：利用半方差函數(shù)的相關(guān)參數(shù)對研究區(qū)土壤速效養(yǎng)分含量進行空間結(jié)構(gòu)分析[4-6]。軟件平臺：(1) SPSS10.0:描述性統(tǒng)計分析；(2) GS+5.3：半方差函數(shù)分析；(3) ArcGIS: 數(shù)字化地圖、Kriging插值[5-6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 豫中煙區(qū)土壤速效養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計特征

由于特異值的存在會造成變量連續(xù)表面的中斷，影響變量的分布特征，因此本文采用域法識別特異值，即樣本平均值a加、減三倍標準差S，在區(qū)間[a-3S，a+3S]以外的數(shù)據(jù)均定為特異值，然后分別用正常的最大值和最小值代替特異值，用SPSS 10.0對土壤養(yǎng)分分別進行Kolmogorov-Smironov檢驗。

從表1可以看出，研究區(qū)速效氮的平均值為53.59 mg/kg，在23.16～101.2 mg/kg間變動，按照土壤養(yǎng)分分級標準，屬于偏低水平。速效鉀的平均值為112.51 mg/kg，在46.46～248.07 mg/kg間變動，屬于偏高水平。速效磷的平均值為12.55 mg/kg，在2.19～101.21 mg/kg間變動，屬于偏高水平。

表1 豫中煙區(qū)土壤速效養(yǎng)分含量的描述性統(tǒng)計

研究區(qū)三種土壤速效養(yǎng)分中，除了速效磷為非正態(tài)分布外，其他的都為正態(tài)分布。從變異系數(shù)來看，以速效氮的變異系數(shù)為最小，為25.37%，其次是速效鉀，為36.51%。速效磷的變異系數(shù)為最大，達98.34%，這與各煙區(qū)施用磷肥的數(shù)量上差異較大存在著密切的關(guān)系。

2.2 煙田速效性養(yǎng)分與土壤環(huán)境相關(guān)關(guān)系

在土壤養(yǎng)分屬性中，土壤 pH與速效氮和速效磷

都呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別達到0.154，0.283，但與速效鉀沒有達到顯著水平。土壤有機質(zhì)與速效氮、速效磷和速效鉀都達到極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.288，0.137，0.254。這說明在豫中煙區(qū)，要提高土壤速效養(yǎng)分含量，就必須要重視施用有機肥。另外速效氮與速效磷和速效鉀都呈極顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.115和0.154。速效磷和速效鉀也呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.277(表2)。

表2 豫中煙區(qū)土壤速效養(yǎng)分與土壤環(huán)境的相關(guān)矩陣

注：*表示在0.05水平上顯著；**表示在0.01水平上顯著。

2.3 半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)分析

在地統(tǒng)計學中，半方差函數(shù)的計算要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布或近似正態(tài)分布，否則可能存在比例效應[8-9]，本文利用K-S軟件對數(shù)據(jù)的正態(tài)分布進行檢驗，并在GS+地統(tǒng)計學軟件中對不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉(zhuǎn)換，使其符合正態(tài)分布[10]。表3是根據(jù)各要素半方差函數(shù)模型得出的相應參數(shù)。

表3 研究區(qū)土壤肥力因子的半方差模型及其參數(shù)值

注：表中C0表示塊金方差，C表示結(jié)構(gòu)方差，Range為自相關(guān)距，C0/(C0+C)表示空間異質(zhì)性程度[4-6]。

從表3可以看出本研究區(qū)3種土壤速效養(yǎng)分中，除了速效氮為線性模型外，速效鉀和速效磷都是球狀模型。速效磷和速效鉀的C0/(C0+C)分別為0.345和0.471，在0.25～0.75之間，因此屬于中等強度的空間變異性，而速效氮屬于弱的空間相關(guān)性。從分維數(shù)來看，從大到小的次序依次是速效氮、速效鉀、速效磷。分維數(shù)越小，被研究對象的空間相關(guān)程度越高。這與三種土壤速效養(yǎng)分的C0/(C0+C)變化一致。

2.4 烤煙種植區(qū)土壤速效養(yǎng)分的空間分布

根據(jù)所得到的半方差函數(shù)模型，應用普通克立格法(ordinary-kriging)進行最優(yōu)內(nèi)插[11-13]繪制研究區(qū)土壤速效養(yǎng)分含量的插值分布圖(圖2)。

圖2 研究區(qū)土壤速效養(yǎng)分的空間分布

氮以蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素、煙堿等形式存在于煙株體內(nèi)，氮素供應不足，煙株生長緩慢，植株矮小，葉色淺淡，早衰黃化，葉小而薄，品質(zhì)差。豫中烤煙種植區(qū)土壤中速效氮含量平均值為53.594 mg/kg，大于96.2 mg/kg的高值區(qū)位于研究區(qū)的西南角,僅占研究區(qū)總面積的4.40%；土壤中速效氮含量為59.5～64.9 mg/kg的位于研究區(qū)的西部和東部的一小部分地區(qū)，占研究區(qū)總面積的17.86%；土壤速效氮含量在23.2～48.0 mg/kg的低值區(qū)位于研究區(qū)的中部，占研究區(qū)總面積的10.43%；其余部分為48.0～59.5 mg/kg的中值區(qū)，這部分面積最大，占研究區(qū)總面積的67.36%。

磷能增強煙株抗旱抗寒能力，促進葉片成熟，提高煙葉品質(zhì)。豫中烤煙種植區(qū)土壤中速效磷含量平均值為12.547 mg/kg，大部分土壤速效磷的含量都大于11.87 mg/kg,這些高值區(qū)位于研究區(qū)的西部和西北部以及南部和東南部的大部分地區(qū),這部分面積最大,占研究區(qū)總面積的75.68%；土壤中速效磷含量小于7.56 mg/kg的低值區(qū)位于研究區(qū)中北部和東南角，占研究區(qū)總面積的2.54%；土壤速效磷含量在7.56～11.87 mg/kg的中值區(qū)位于研究區(qū)的中西部和中北部，占研究區(qū)總面積的21.77%。

同其他作物相比，烤煙的營養(yǎng)特點是對鉀的需求量大。較高的含鉀量能保持煙葉較好的可燃性，滿足烤煙的需鉀量是保證煙株正常生長，獲得優(yōu)質(zhì)煙葉的重要條件之一。豫中烤煙種植區(qū)土壤中速效鉀含量普遍高平均值為112.51 mg/kg,小于96.2 mg/kg的低值區(qū)位于研究區(qū)的中北部,僅占研究區(qū)總面積的6.93%；大于126.5 mg/kg的高值區(qū)位于研究區(qū)的東部、南部和西部，占研究區(qū)總面積的47.735%；速效鉀含量在96.2～126.5 mg/kg的中值區(qū)位于研究區(qū)的東部、中南部和中西部，占研究區(qū)總面積的46.33%。

3 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)3種土壤速效養(yǎng)分中，除了速效磷為非正態(tài)分布外，其他的都為正態(tài)分布。研究區(qū)速效氮含量屬于偏低水平，而速效鉀和速效磷為偏高水平。以速效氮的變異系數(shù)為最小，速效磷的變異系數(shù)為最大。

(2) 土壤pH與速效氮和速效磷都呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，土壤有機質(zhì)與速效氮、速效磷和速效鉀都達到極顯著的正相關(guān)關(guān)系。

(3) 研究區(qū)3種土壤速效養(yǎng)分中，除了速效氮為線性模型外，速效鉀和速效磷都是球狀模型。速效磷和速效鉀屬于中等強度的空間變異性，而速效氮屬于弱的空間相關(guān)性。

(4) 大部分地區(qū)的速效氮含量為48.0～59.5 mg/kg，這些中值區(qū)分布在研究區(qū)的中部，占研究區(qū)總面積的67.36%。大部分土壤速效磷的含量都大于11.87 mg/kg,這些高值區(qū)位于研究區(qū)的西部和西北部以及南部和東南部的大部分地區(qū),這部分面積最大,占研究區(qū)總面積的75.68%。速效鉀含量大于126.5 mg/kg的高值區(qū)位于研究區(qū)的東部、南部和西部，占研究區(qū)總面積的47.735%。

[1] 龐夙,李廷軒,王永東,等.土壤速效氮、磷、鉀含量空間變異特征及其影響因子[J].植物營養(yǎng)與肥料學報,2009,15(1):114-120.

[2] 王寶峰,劉國順,葉協(xié)鋒.坡地植煙土壤速效養(yǎng)分空間分析[J].西南農(nóng)業(yè)學報,2012,25(l):217-222.

[3] 陳海生,劉國順,葉協(xié)鋒,等.盧氏煙區(qū)土壤肥力因子空間變異性分析[J].河南農(nóng)業(yè)大學學報,2008,42(1):46-50.

[4] 劉大雙,陳海生,楊慶民.豫中植煙田土壤顆粒組成的空間變異性分析[J].江西農(nóng)業(yè)學報,2012,24(4):87-90.

[5] Jiang Hou-long, Liu Guo-shun, Wang Xin-zhong, et al. Spatial variability of soil properties in a long-term tobacco plantation in central China[J]. Soil Science,2010,175(3):137-144.

[6] 龐夙,陶曉秋,張英,等.會理縣新植煙區(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,2012(1):32-36,42.

[7] 南京農(nóng)業(yè)大學.土壤農(nóng)化分析[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1986.

[8] 楊清云,曾鋒.森林土壤空間變異性及其樣本容量的確定[J].水土保持研究,2004,11(3):54-56.

[9] 盧玉東,譚欽文.土壤侵蝕空間變異性及趨勢預測的地統(tǒng)計學分析[J].水土保持研究,2005,12(5):149-152.

[10] 李寶富,熊黑鋼,龍?zhí)?等.田塊尺度下凍融前后土壤剖面鹽分空間變異性研究[J].水土保持研究,2011,18(4):140-144.

[11] Fucheng L, Xuezheng S, Dongsheng Y. Mapping soil properties of the typical area of Taihu Lake watershed by geostatistics and geographic information systems-A case study of total nitrogen in topsoil[J]. Acta Pedologica Sinica,2004,41(1):20-27.

[12] Burgess T M, Webster R. Optimal interpolation and isarithmic mapping of soil properties[J]. Journal of Soil Science,1980,31(2):333-341.

[13] Liu X, Xu J, Zhang M, et al. Spatial variability of soil available Zn and Cu in paddy rice fields of China[J]. Environmental Geology,2008,55(7):1569-1576.

SpatialVariabilityofAvailableSoilNutrientsinTobaccoPlantingFieldsinCentralHe′nanProvince

CHEN Hai-sheng1,2, WANG Shi-jie1, ZHAO Yu-ming1

(1.PingdingshanUniversity,Pingdingshan,He′nan467000,China;2.ZhejiangTongjiVocationalCollegeofScienceandTechnology,Hangzhou311231,China)

Geostatistics method with geographic information system(GIS),was applied to study the spatial variability of available soil nutrients of tobacco planting fields in Central China. The results showed that the contents of available N were at lower level, while the contents of available P and available K were at high levels. The coefficient of variation of available N is the smallest among three nutrients, while the coefficient of variation of available P was the greatest. Analysis of the isotropic variogram indicated that the contents of available N in tobacco planting fields were well described by liner model, while the contents of available P and available K were well described by spherical models. Available K and P had a medium spatial autocorrelation, while the available N had weak autocorrelation. Correlation matrix of soil nutrients revealed that there was significant positive correlation between soil pH and available N and available P in the study regions, while there was significant positive correlation between soil organic matter and available N， available P and available K. The maps generated by ordinary Kriging also revealed the distribution of available soil nutrients in central He′nan Province, which can provided the basis for precise fertilization.

geostatistics; GIS; available soil nutrient; central He′nan Province

2014-04-18

：2014-06-02

國家煙草專賣局重點資助項目“典型省份煙草種植區(qū)劃技術(shù)平臺構(gòu)建”(110200401021)

陳海生(1965—),男,浙江臨海人,博士后,副教授,主要從事地理信息系統(tǒng)研究。E-mail:haishch@126.com

王世界(1978—),男,河南鹿邑人,講師,碩士,研究方向為土地資源管理。E-mail:wsj0601@163.com

S158.3

：A

：1005-3409(2014)04-0078-04