瀏陽植煙區(qū)土壤主要養(yǎng)分的空間分布及管理分區(qū)

唐春閨，李 帆，向世鵬，楊紅武，劉優(yōu)雄，李 立，李 強

（1.湖南省煙草公司長沙市公司，長沙410007；2.湖南農(nóng)業(yè)大學湖南長沙410128）

瀏陽植煙區(qū)土壤主要養(yǎng)分的空間分布及管理分區(qū)

唐春閨1，李 帆1，向世鵬1，楊紅武1，劉優(yōu)雄1，李 立1，李 強2＊

（1.湖南省煙草公司長沙市公司，長沙410007；2.湖南農(nóng)業(yè)大學湖南長沙410128）

為實現(xiàn)瀏陽植煙區(qū)烤煙養(yǎng)分精準管理，采用地統(tǒng)計學和模糊c均值聚類相結合的方法，研究瀏陽植煙區(qū)土壤主要養(yǎng)分的空間分布和精準分區(qū)。結果表明：瀏陽植煙區(qū)土壤主要養(yǎng)分指標均為中等程度變異，各項指標均表現(xiàn)為中等的空間相關性，其空間變異同時受結構性因素和隨機性因素的影響。其中，土壤pH、有機質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量的均值分別為5.69、29.30g／kg、145.11mg／kg和206.33mg／kg，屬中等水平；約有20%的面積土壤速效鉀缺乏。全氮和有效磷含量均值分別為1.74g／kg和42.37mg／kg，分別屬高和極高水平。瀏陽植煙區(qū)可劃分為高氮高磷低鉀，高氮高磷鉀素中等，適氮高磷鉀素中等3個養(yǎng)分管理分區(qū)，3個分區(qū)間有機質(zhì)、全氮（g／kg）、堿解氮和速效鉀含量差異顯著或極顯著。

植煙區(qū)；土壤養(yǎng)分；空間分布；管理分區(qū)；瀏陽；湖南

土壤是煙草礦質(zhì)養(yǎng)分的主要來源，是煙葉生產(chǎn)的基礎，植煙土壤養(yǎng)分含量直接影響烤煙生長發(fā)育和營養(yǎng)水平，并進一步影響煙葉的產(chǎn)質(zhì)量和風格特色［12］。適宜的土壤養(yǎng)分是煙草獲取優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)的重要前提，探明土壤養(yǎng)分狀況是制定施肥方案的重要參考依據(jù)。因此我國許多煙區(qū)就植煙土壤養(yǎng)分狀況分析、豐缺評價、綜合評價等方面開展了大量研究［35］。近年來，養(yǎng)分管理分區(qū)成為研究熱點，不同尺度植煙土壤養(yǎng)分管理分區(qū)的研究已有文獻報道［67］，對植煙土壤養(yǎng)分的差異化管理起到很好作用。

瀏陽市位于湖南省長沙市東部（東經(jīng)113°10′24″～114°14′58″，北緯27°51′20″～28°34′06″），屬亞熱帶季風濕潤氣候，總面積5 007.75km2。其熱量充足，降水豐沛，光照較足，氣候變化隨山地垂直差異明顯。年均溫度17.5℃，1月平均氣溫5.4℃，7月平均氣溫28.7℃。土壤類型有紅壤、黃壤、水稻土、黃棕壤及沖積土等，是湖南省煙草種植第二大縣（市）。瀏陽植煙區(qū)是典型濃香型優(yōu)質(zhì)煙區(qū)之一，所產(chǎn)煙葉品質(zhì)上乘，香氣濃郁，配伍性佳，是多個知名卷煙品牌的主料煙葉，但目前有關其植煙土壤的報道主要為養(yǎng)分含量狀況分析［8］和綜合評價［9］方面，相關研究結果對于煙區(qū)烤煙養(yǎng)分管理的指導性不夠，特別是未見有關該煙區(qū)土壤養(yǎng)分管理分區(qū)的研究報道。為此，筆者采用地統(tǒng)計學和模糊c均值聚類相結合的方法研究瀏陽植煙區(qū)土壤主要養(yǎng)分空間分布特征和豐缺狀況，并進一步對煙區(qū)土壤養(yǎng)分進行分區(qū)，旨在為瀏陽植煙區(qū)烤煙養(yǎng)分分區(qū)管理提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

瀏陽植煙區(qū)北盛及杖沖等19個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的植煙土壤。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品采集按照瀏陽縣烤煙生產(chǎn)布局，于2014年11—12月在翻耕前選取代表性的植煙田塊190個，取樣遵循代表性、均勻性的原則，每200目布置1個取樣點，準確記載取樣田塊中心的GPS信息。采用5點取樣法采集耕作層0～20cm土壤，將5點土壤混勻，并采用四分法保留約1kg樣品進行風干過篩，共采集190個土壤樣品。樣品分布：北盛鎮(zhèn)25個、杖沖鎮(zhèn)7個、淳口鎮(zhèn)24、達滸鎮(zhèn)5個、大圍山鎮(zhèn)3個、洞陽鎮(zhèn)5個、高坪鎮(zhèn)1個、古港鎮(zhèn)3個、官渡鎮(zhèn)7個、官橋鄉(xiāng)4個、焦溪鄉(xiāng)3個、龍伏鎮(zhèn)12個、普跡鎮(zhèn)5個、三口鄉(xiāng)10個、沙市鎮(zhèn)32個、社港鎮(zhèn)17個、小河鄉(xiāng)5個、永安鎮(zhèn)16個和張坊鎮(zhèn)6個。

1.2.2 測定內(nèi)容參照《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》［10］進行測定。其中，pH采用玻璃電極法，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法，全氮采用開氏定氮法，堿解氮采用堿解擴散法，有效磷采用鉬銻抗比色法，速效鉀采用火焰光度法。

1.2.3 土壤養(yǎng)分指標分級標準植煙土壤主要養(yǎng)分分級標準的制定參考全國第二次土壤普查和《中國植煙土壤及煙草養(yǎng)分綜合管理》［11］制定，將瀏陽植煙區(qū)土壤主要養(yǎng)分指標分為極低、低、中等、高和極高5個等級（表1）。

表1 植煙土壤主要養(yǎng)分指標分級標準Table1 Classified standard of main soil nutrients in tobacco－planting soil

1.2.4 地統(tǒng)計學原理地統(tǒng)計學是以區(qū)域化變量理論為基礎，以半方差函數(shù)為基本工具的一種數(shù)學方法。半方差函數(shù)是描述土壤性質(zhì)空間變異的一個函數(shù)，反映了不同距離觀測值的空間自相關程度，其是研究土壤特性空間變異性的關系，同時也是進行空間布局估計的基礎。常用半方差函數(shù)模型有環(huán)狀模型（Circular）、球狀模型（Spherical）、高斯模型（Gaussian）和指數(shù)模型（Exponential）等。Kriging插值法是利用區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結構特點，對未測點的取值進行線性無偏最優(yōu)估計的一種方法。公式如下［1213］。

式中，γ（h）為半方差函數(shù)；h為步長；N（h）為觀測樣點對數(shù)；Z（xi）和Z（xi＋h）分別是區(qū)域化變量Z（x）在空間位置xi和xi＋h的實測值。Z＊（x）為點x處的估計值，Z（xi）為參與估計的第i個有效觀測值，N為參與估計的有效觀測值個數(shù)，λi為賦予觀測值Z（xi）的權重（其和為1），表示各觀測值對估計值Z＊（x）的貢獻，在保證估值無偏性（即估值偏差的平均值為0）和最優(yōu)性（即估值方差最?。l件下，可由變量半方差函數(shù)計算。

1.2.5 模糊c均值聚類方法模糊c均值聚類（FCM）是用隸屬度確定每個數(shù)據(jù)點屬于某個類別程度的一種非監(jiān)督的聚類方法，在土壤、地形、產(chǎn)量和遙感等數(shù)據(jù)的分類中運用較多［14］。FCM是一個迭代優(yōu)化的分類過程，具體是用隸屬度將n個觀測值分配到c個分類中的一種聚類算法［15］。聚類過程引入模糊性能指數(shù)（FPI）和歸一化分類熵（NCE）2項參數(shù)對農(nóng)田管理分區(qū)數(shù)（模糊類別數(shù)）進行定量化表達和聚類有效性檢驗［15］。具體利用MZA1.0.1軟件對土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)進行模糊c均值聚類分析，以300作為最大迭代次數(shù)，以0.001為收斂閾值，模糊指數(shù)取值1.30～2.0，模糊類別數(shù)取2～6進行c均值模糊聚類，同時計算得到各分類數(shù)NCE和FPI的取值。計算公式如下。

式中，n為觀測值，c為分類數(shù)，uik為第i個像元對第k個管理分區(qū)的隸屬度。

FPI數(shù)值介于0～1。FPI越小，表示聚類時共用數(shù)據(jù)少，類別劃分越明顯，聚類效果越好；反之FPI越大，則聚類效果差。NCE越小則模糊c分區(qū)的分解量越大，分類效果越好；反之NCE越大，分類效果越差。FPI和NCE同時達到最小值時的聚類數(shù)為最佳分類數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用拉依達準則法識別并剔除異常值。描述性統(tǒng)計和K－S檢驗（Kolmogorov－Smimov test）利用SPSS19.0完成［16］。采用GS＋9.0進行半方差函數(shù)分析和理論模型［12］，模型選取以RMSSE接近1，且MSE接近0為好，以確保選取的模型具有較高的擬合精度［17］。Kriging插值和繪圖采用ArcGIS 10.2.2實現(xiàn)［18］。模糊c均值聚類在MZA1.0.1中完成。

2 結果與分析

2.1 植煙土壤的主要養(yǎng)分指標

從表2可見，瀏陽植煙區(qū)土壤pH、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量的均值分別為5.69、29.30g／kg、1.74g／kg、145.1 1mg／kg、42.37mg／kg和206.33mg／kg，其中，pH、有機質(zhì)、堿解氮和速效鉀均為中等水平，全氮和有效磷分別為高和極高水平。從土壤養(yǎng)分指標的變化范圍看，各指標的最大值與最小值均相差較大；從變異系數(shù)看，各項養(yǎng)分指標的變異系數(shù)在10%～100%，均為中等變異。峰度檢驗、偏度檢驗和K－S檢驗表明，6項土壤養(yǎng)分指標均服從正態(tài)分布。

表2 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計Table2 Descriptive statistics of soil nutrients

表3 土壤養(yǎng)分指標的半方差函數(shù)模型及有關參數(shù)Table3 Semi－variogram models of soil nutrients and related parameters

圖1 瀏陽植煙區(qū)土壤主要養(yǎng)分的空間分布特征Fig.1 Spatial distribution of main nutrients in tobacco－planting soil in Liuyang

2.2 植煙土壤養(yǎng)分含量的空間分布

從表3可見，土壤pH和全氮的最佳擬合模型為高斯模型，有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀的最佳擬合模型為指數(shù)模型；各土壤養(yǎng)分指標的塊金效應在25%～75%，表明瀏陽植煙區(qū)土壤養(yǎng)分指標是由結構性因素和隨機因素共同作用的結果，并具有中等的空間相關性。

從圖1可見，pH低等級（5～5.5）和中等（5.5～7.0）為主要分布等級，低等級主要分布在張坊鎮(zhèn)、大圍山鎮(zhèn)、官橋鄉(xiāng)和普跡鎮(zhèn)，中等級覆蓋全縣70%的區(qū)域；有機質(zhì)主要分布等級為中等級（25～35g／kg）和高等級（35～45g／kg），高等級主要分布在高坪鎮(zhèn)，中等級覆蓋90%以上的植煙區(qū)域；全氮主要分布面積為高等級（1.5～2.0g／kg）和很高等級（＞2.0g／kg），很高等級主要分布在官橋鄉(xiāng)、普跡鎮(zhèn)、達滸鎮(zhèn)和大圍山鎮(zhèn)，高等級則覆蓋60%以上的植煙區(qū)域；堿解氮主要分布面積是中等級（100～180mg／kg），覆蓋95%以上的植煙區(qū)域；有效磷主要分布面積為很高等級（＞30mg／kg），覆蓋90%以上的植煙區(qū)域；速效鉀主要分布面積是低等級（80～160）和中等級（160～240），低等級主要零星分布在大圍山、張坊、社港鎮(zhèn)、龍伏、普跡、棖沖和官橋，中等級覆蓋70%以上的植煙區(qū)域。

2.3 土壤養(yǎng)分的管理分區(qū)

從圖2可見，當分區(qū)數(shù)為3個時，NCE和FPI均為最小值，表明研究區(qū)的最佳分區(qū)數(shù)為3個?？紤]到分區(qū)的連續(xù)性、行政區(qū)域的完整性和實際種植情況，獲得瀏陽植煙土壤養(yǎng)分管理分區(qū)圖（圖3）。其中，第一分區(qū)位于西南部，包括官橋、普跡和杖沖3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)；第二分區(qū)位于東北部，包括達滸、大圍山、官渡、張坊、小河、三口、古港和溪江等8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)；第三分區(qū)位于西北部，包括永安、沙市鎮(zhèn)、社港鎮(zhèn)、洞陽、北盛、蕉溪、淳口和龍伏等8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。進一步以分區(qū)為單位對各養(yǎng)分指標進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，6項主要養(yǎng)分指標中的有機質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀等4項在分區(qū)間差異達顯著或極顯著水平（表4），表明分區(qū)合理有效。第一分區(qū)的特點是高氮高磷低鉀，第二分區(qū)的特點是高氮高磷鉀素中等，第三分區(qū)的特點是適氮高磷鉀素中等。

圖2 土壤FPI和NCE隨分區(qū)數(shù)的變化Fig.2 Variation of soil FPI and NCE with partition number

圖3 瀏陽植煙區(qū)土壤養(yǎng)分的管理分區(qū)Fig.3 Management zones maps of soil nutrients in Liuyang

表4 瀏陽植煙區(qū)各分區(qū)主要養(yǎng)分的指標多重比較Table4 Multiple comparison of main nutrients in various management zones in Liuyang tobacco－planting area

3 結論與討論

瀏陽植煙區(qū)土壤pH、有機質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量均值分別為5.69、29.30mg／kg、145.11mg／kg和206.33mg／kg，均為中等水平；全氮和有效磷含量均值分別為1.74g／kg和42.37mg／kg，達高和極高水平。各項指標均為中等程度的變異。

土壤pH和全氮最佳擬合模型為高斯模型，有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀的最佳擬合模型為指數(shù)模型；土壤主要養(yǎng)分指標塊金效應在25%～75%，表明6項土壤養(yǎng)分指標均表現(xiàn)為中等的空間相關性，且同時受結構因素和隨機因素的影響。瀏陽植煙區(qū)大部分區(qū)域土壤pH適宜烤煙生長，僅有30%左右的區(qū)域呈弱酸性；大部分區(qū)域有機質(zhì)為中等至高等級；大部分區(qū)域全氮為高至很高等級；95%以上區(qū)域堿解氮為中等等級；90%以上區(qū)域有效磷為很高等級，有少部分區(qū)域速效鉀缺乏（約20%）。

利用地統(tǒng)計學和模糊c均值聚類算法將瀏陽植煙土壤劃分為3個養(yǎng)分管理分區(qū)，3個分區(qū)間土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀含量差異達顯著或極顯著水平，表明分區(qū)效果較好，生產(chǎn)上可根據(jù)各分區(qū)養(yǎng)分差異，制定相應的養(yǎng)分管理規(guī)程，推行差異化養(yǎng)分管理技術和肥料投入量。

［1］曹志洪.優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)的土壤與施肥［M］.南京：江蘇科學技術出版社，1991.

［2］李強，周冀衡，楊榮生，等.曲靖植煙土壤養(yǎng)分空間變異及土壤肥力適宜性評價［J］.應用生態(tài)學報，2011，22（4）：950－956.

［3］楊忠華，劉方，趙澤英，等.基于GIS和地統(tǒng)計學的農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異性研究［J］.貴州農(nóng)業(yè)科學，2009，37（9）：120－124.

［4］李強，周冀衡，宋淑芳，等.基于地統(tǒng)計學的羅平煙區(qū)土壤主要養(yǎng)分豐缺評價［J］.湖南農(nóng)業(yè)大學學報（自然科學版），2015，41（1）：42－46.

［5］彭志良，趙澤英，李中元，等.喀斯特山區(qū)村級尺度下農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間變異特性［J］.貴州農(nóng)業(yè)科學，2008，36（5）：81－84.

［6］武德傳，羅紅香，宋澤民，等.黔南山地植煙土壤主要養(yǎng)分空間變異和管理分區(qū)［J］.應用生態(tài)學報，2014，25（6）：1701－1707.

［7］劉國順，江厚龍，楊永鋒，等.基于烤煙品質(zhì)確定煙田的養(yǎng)分管理分區(qū)［J］.植物營養(yǎng)與肥料學報，2011，17（4）：996－1004.

［8］李良勇，謝鵬飛，劉峰，等.湖南瀏陽煙區(qū)氣候土壤因素和煙葉質(zhì)量特點［J］.湖南農(nóng)業(yè)大學學報（自然科學版），2006，32（5）：497－501.

［9］王林，盧秀萍，肖漢乾，等.瀏陽植煙土壤肥力狀況的綜合評價［J］.河南農(nóng)業(yè)大學學報，2006，40（6）：597－601.

［10］魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2000.

［11］陳江華.中國植煙土壤及煙草養(yǎng)分綜合管理［M］.北京：科學出版社，2008.

［12］王政權.地統(tǒng)計學及在生態(tài)學中的應用［M］.北京：科學出版社，1999.

［13］SHAKIL A R.Geostatistical analysis of soil moisture measurements and remotely sensed data at different spatial scales［J］.Environmental Geology，2004，45：339－349.

［14］FRIDGEN J J，KITCHEN N R，SUDDUTH K A，et al.Management zone analyst（MZA）：software forsubfield management zone delineation［J］.Agronomy Journal，2004，96：100－108.

［15］李艷，史舟，吳次芳，等.基于模糊聚類分析的田間精確管理分區(qū)研究［J］.中國農(nóng)業(yè)科學，2007，40（1）：114－122.

［16］郝黎仁，攀元，郝哲歐.SPSS實用統(tǒng)計分析［M］.北京：中國水利水電出版社，2002.

［17］鄭海龍，陳杰，鄧文靖，等.城市邊緣帶土壤重金屬空間變異及其污染評價［J］.土壤學報，2006，43（1）：39－45.

［18］吳秀芹，張洪巖，李瑞改，等.ArcGIS9地理信息系統(tǒng)應用與實踐（下冊）［M］.北京：清華大學出版社，2007.

（責任編輯：王 海）

Spatial Variability and Management Zone of Soil Major Nutrients in Tobacco Fields in Liuyang County

TANG Chungui1，LI Fan1，XIANG Shipeng1，YANG Hongwu1，LIU Youxiong1，LI Li1，LI Qiang2＊
（1.Changsha Branch，Hunan Provincial Tobacco Company，Changsha，Hunan410007；2.Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan410128，China）

In order to achieve site specific nutrient management of tobacco in Liuyang，based on GPS，geo－statistics and fuzzy c－mean algorithm，spatial variability and management zone of soil major nutrients in tobacco fields in Liuyang were studied.Results：Main soil nutrients were intermediate variability.Various indicators showed moderate spatial dependence.Spatial variability of main nutrients were caused by structural factors and random factors.Soil pH，organic matter，alkali hydrolyzable nitrogen and available potassium were at moderate level，with mean of 5.69，29.30g／kg，145.11mg／kg and 206.33mg／kg，total nitrogen and available phosphorus were at“high”and“very high”level，with mean of 1.74g／kg and 42.37mg／kg，about 20%of the area was of deficient available potassium in soil.Liuyang tobacco－planting area can be divided into three nutrient management zone，There are significant difference or very significant in soil organic matter，total nitrogen，alkali solution nitrogen and available potassium content among the three divisions，including high N－h(huán)igh P－low K，high N－h(huán)igh P－moderate K and moderate N－h(huán)igh P－moderate K.

tobacco－planting area；soil nutrients；spatial variability；management zone；Liuyang；Hunan

S158；S572

A

1001－3601（2016）10－0424－0058－04

2016－06－14；2016－10－05修回

湖南省煙草公司項目“長沙植煙土壤肥力分區(qū)及摻混肥配方研發(fā)與推廣”（CYKJ2015－04）

唐春閨（1979－），女，農(nóng)藝師，碩士，從事煙草栽培技術研究。E－mail：617335424＠qq.com

＊通訊作者：李 強。E－mail：zqiangli＠126.com