湘西植煙土壤養(yǎng)分管理分區(qū)研究

向德明 李強 黎娟 胡瑞文 彭宇 張黎明 田明慧 周米良

摘要：為研究湘西植煙區(qū)域土壤養(yǎng)分特征和分區(qū)狀況，采用GPS和模糊c均值聚類相結(jié)合的方法，對湘西植煙土壤主要養(yǎng)分進(jìn)行管理分區(qū)。結(jié)果表明：（1）湘西植煙土壤有機質(zhì)含量偏高，有效磷含量極高，全氮、堿解氮和速效鉀的含量均為中等水平，各項養(yǎng)分指標(biāo)均為中等程度變異。（2）通過相關(guān)分析篩選法，選取有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀作為養(yǎng)分管理分區(qū)指標(biāo)。（3）湘西煙區(qū)可劃分為3個養(yǎng)分管理分區(qū)，第1分區(qū)的特點是適氮、超高磷、高鉀;第2分區(qū)的特點是適氮、適磷、低鉀;第3分區(qū)的特點是適氮、高磷、鉀素適宜。3個分區(qū)間有11項土壤養(yǎng)分指標(biāo)含量差異顯著或極顯著。

關(guān)鍵詞：植煙區(qū);土壤養(yǎng)分;管理分區(qū);湘西

中圖分類號 S572文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2019）13-0119-04

Abstract： To study the soil nutrient characteristics and zoning of tobacco planting area in Xiangxi，Using the method of combining GPS and fuzzy c-means clustering，management zoning of main nutrients of tobacco planting soil in Xiangxi，Hunan province.The results show that：（1）The content of organic matter in soil of Xiangxi was high，the content of effective phosphorus was very high，and the content of total nitrogen，alkaline nitrogen and available potassium were medium level，all the above nutrient indexes showed moderate variation.（2）Through correlation analysis and screening，organic matter，total nitrogen，alkali-hydrolyzed nitrogen，available phosphorus and available potassium were selected as the zoning indexes of nutrient management.（3） Xiangxi tobacco area can be divided into three nutrient management zones. The characteristics of the first zone are suitable nitrogen，ultra-high phosphorus and high potassium;The characteristics of the second zone are suitable nitrogen and phosphorus and low potassium;The characteristics of the third zone are suitable nitrogen，high phosphorus and suitable potassium. There were significant or extremely significant differences in the contents of 11 soil nutrient indexes among the three zones.

Key words： Tobacco planting area;Soil nutrients;Manage partitions;Xiangxi

適宜的土壤環(huán)境條件是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉的基礎(chǔ)[1]。植煙土壤的養(yǎng)分狀況，會直接影響烤煙對礦質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收程度，進(jìn)而影響烤煙的生長發(fā)育、品質(zhì)及風(fēng)格[2-4]。充分了解土壤養(yǎng)分狀況是制定烤煙施肥管理方案的首要前提，科學(xué)的施肥管理方案是保護植煙土壤環(huán)境和保障烤煙優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)的重要基礎(chǔ)[5，6]。近年來，國內(nèi)植煙土壤養(yǎng)分狀況分析及評價，以及土壤養(yǎng)分管理分區(qū)已成為了研究熱點[7-9]，而湘西是湖南省典型濃香型優(yōu)質(zhì)煙區(qū)之一[10]，卻少有對其土壤養(yǎng)分管理分區(qū)進(jìn)行研究的報道。鑒于此，本研究通過GPS和模糊c均值聚類相結(jié)合的方法，對湘西植煙土壤主要養(yǎng)分狀況及管理分區(qū)進(jìn)行了研究，以期了解湘西植煙土壤養(yǎng)分區(qū)域特點和分區(qū)狀況，為湘西煙區(qū)土壤養(yǎng)分分區(qū)管理提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域自然概況 湘西位于湖南省西北部，是湖南省煙草種植大州，位于東經(jīng)109°10′～110°22.5′，北緯27°44.5′～29°38′，地處湘、鄂、黔、渝四省市交界處。湘西地貌形態(tài)的總體輪廓是以山原山地為主，兼有丘陵和小平原，并向北西突出的弧形山區(qū)地貌。屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，具有明顯的大陸性氣候特征，四季分明，水熱同季，降水充沛。年均降水量1300～1500mm，年平均氣溫12～16℃，7月平均氣溫24～27℃，1月平均氣溫1.7～4.3℃，無霜期達(dá)240～288d。土壤類型主要有黃壤、黃棕壤及紫砂壤等。

1.2 樣品采集與分析 2015年3月，采用GPS技術(shù)在湘西7個植煙縣的基本煙田進(jìn)行定點取樣，共取樣1242個。采用5點取樣法或“W”形取樣法進(jìn)行取樣，隨后用四分法保留大約1kg土樣帶回實驗室進(jìn)行檢測。取回的土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、研磨及過篩后，進(jìn)行土壤養(yǎng)分含量測定。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀—硫酸法;土壤全氮采用半微量凱氏法;土壤堿解氮采用堿解擴散法;土壤有效磷采用碳酸氫鈉鉬藍(lán)比色法;土壤速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度計法。具體測定方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[11]。

1.3 評價標(biāo)準(zhǔn) 參照前人的研究結(jié)果[12-13]，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，制定了湘西煙區(qū)養(yǎng)分指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)，詳見表1。

1.4 數(shù)據(jù)分析 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、地形和遙感等數(shù)據(jù)的分類中運用較多。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(jìn)行定量化表達(dá)和聚類有效性檢驗。其計算公式如下：

FPI數(shù)值在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。NCE越小則模糊c分區(qū)的分解量越大，分類效果越好。FPI和NCE同時達(dá)到最小值時的聚類數(shù)為最佳分類數(shù)。

模糊c-均值聚類在Matlab軟件中完成。多元統(tǒng)計分析利用SPSS 19.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 植煙土壤養(yǎng)分含量的基本特征 湘西植煙土壤主要養(yǎng)分含量基本特征如表2所示。由表2可知，從土壤養(yǎng)分含量均值來看，土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均值分別為28.55g/kg、1.72g/kg、147.01mg/kg、38.15mg/kg和219.34mg/kg，其中有機質(zhì)含量偏高，全氮、堿解氮和速效鉀含量均為中等水平，有效磷含量極高;從土壤養(yǎng)分含量的標(biāo)準(zhǔn)差和變化范圍來看，各指標(biāo)的含量變化幅度較大，最小值與最大值相差極大;從變異系數(shù)來看，各項養(yǎng)分指標(biāo)的變異系數(shù)在30%～100%，均為中等變異。各項養(yǎng)分指標(biāo)通過K-S檢驗、峰度檢驗和偏度檢驗表明，有機質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀服從正態(tài)分布，有效磷經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后服從正態(tài)分布。

2.2 植煙土壤養(yǎng)分指標(biāo)相關(guān)性分析 由表3可知，各養(yǎng)分指標(biāo)均相互呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，選取有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀作為養(yǎng)分管理分區(qū)指標(biāo)。

2.3 湘西植煙土壤肥力分區(qū) 利用Matlab軟件對土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行模糊c-均值聚類分析，運算參數(shù)設(shè)置如下：最大迭代次數(shù)為300，收斂閾值為0.0001，模糊指數(shù)為1.30，最大分區(qū)數(shù)為6，最小分區(qū)數(shù)為2，NCE和FPI同時達(dá)到最小值時的分區(qū)數(shù)為最佳分區(qū)數(shù)（圖1）。圖1的NCE和FPI在分區(qū)數(shù)為3個時都同時達(dá)到最小值，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，獲得湘西植煙土壤養(yǎng)分管理分區(qū)圖（圖2）。各分區(qū)所包括的鄉(xiāng)鎮(zhèn)見表4，進(jìn)一步對分區(qū)結(jié)果進(jìn)行驗證，以分區(qū)為單位對各養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表5，18項主要養(yǎng)分指標(biāo)中的11項在分區(qū)間差異達(dá)顯著或極顯著水平，表明分區(qū)合理有效。第1分區(qū)的特點是適氮、超高磷、高鉀，第2分區(qū)的特點是適氮、適磷、低鉀，第3分區(qū)的特點是適氮、高磷、鉀素適宜。

3 結(jié)論與討論

采用模糊c均值聚類法，對湘西植煙土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行分區(qū)，結(jié)果如下：湘西植煙土壤按肥力高低可分為3個分區(qū)，各分區(qū)特點如下：第1分區(qū)的特點是適氮、超高磷、高鉀，第2分區(qū)的特點是適氮、適磷、低鉀，第3分區(qū)的特點是適氮、高磷、鉀素適宜。18項主要養(yǎng)分指標(biāo)中的11項在分區(qū)間差異達(dá)顯著或極顯著水平，表明肥力分區(qū)合理有效。

由于湘西煙區(qū)地形地貌復(fù)雜，海拔落差較大，因而形成包含完整縣域行政區(qū)域的有效分區(qū)較難實現(xiàn)，因而在本次分區(qū)過程中，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位進(jìn)行分區(qū)，不考慮分區(qū)的連續(xù)性和縣域行政區(qū)域的完整性，雖分區(qū)的工作量加大，但對于烤煙養(yǎng)分管理更具指導(dǎo)意義。

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（責(zé)編：張宏民）