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    福建龍巖煙區(qū)植煙土壤pH時(shí)空變異研究

    2019-12-14 14:06:48錢笑杰肖靖洪雅芳李發(fā)林史國(guó)強(qiáng)譚茜曾文龍蔡海洋熊德中
    熱帶作物學(xué)報(bào) 2019年10期
    關(guān)鍵詞:植煙煙區(qū)龍巖

    錢笑杰 肖靖 洪雅芳 李發(fā)林 史國(guó)強(qiáng) 譚茜 曾文龍 蔡海洋 熊德中

    摘??要??為了了解龍巖煙區(qū)植煙土壤pH的時(shí)間和空間分布情況,本文采用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方式,進(jìn)行了龍巖煙區(qū)植煙土壤pH的時(shí)空變異研究。結(jié)果表明:1982、2001、2011年龍巖煙區(qū)植煙土壤pH分別為5.34、5.03、5.23,土壤酸化得到有效抑制;1982、2001、2011年土壤pH半方差函數(shù)模型分別為線性模型、線性模型、指數(shù)模型??臻g分布上,1982、2001、2011年高值區(qū)域分別呈現(xiàn)塊狀、點(diǎn)狀、塊狀;不適宜種植烤煙的地區(qū)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),最適宜區(qū)面積減少。

    關(guān)鍵詞??植煙土壤;土壤pH;時(shí)空變異;龍巖煙區(qū);地統(tǒng)計(jì)學(xué)中圖分類號(hào)??S572??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼??A

    Spatial and Temporal Variability of Soil pH in Longyan Tobacco Planting Areas

    QIAN Xiaojie1, XIAO Jing2, HONG Yafang3, LI Falin1, SHI Guoqiang1, TAN Qian4, ZENG Wenlong5,CAI Haiyang4*, XIONG Dezhong4

    1. Fujian Institute of Tropical Crops, Zhangzhou, Fujian 363004, China; 2. Fujian Eco-Tech Center for State Farm and South Subtropical Crops, Fuzhou, Fujian 350001, China; 3. Fujian Rural Work Resrarch Center, Fuzhou, Fujian 350001, China; 4. College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350007, China; 5. Longyan Tobacco Company, Longyan, Fujian 364000, China

    Abstract ?The spatial and temporal variation of pH value of tobacco-growing soil in Longyan tobacco-growing areas was studied by the combination of traditional statistics and geostatistics. pH values of tobacco planting soil in Longyan tobacco-growing areas in 1982, 2001 and 2011 was 5.34, 5.03 and 5.23, respectively, meaning soil acidification was effectively inhibited. The semi-variance function model of soil pH in 1982, 2001 and 2011 was a linear model, linear model and exponential model correspondingly. In terms of spatial distribution, the high-value areas in 1982, 2001 and 2011 was in the form of block, dot and block accordingly.?The areas that are not suitable for growing flue-cured tobacco show a trend of increasing first and then decreasing, and the area of the most suitable area is reduced.

    Keywords ?tobacco planting soil; soil pH; spatial-temporal variation; Longyan tobacco area; geostatistics

    DOI ?10.3969/j.issn.1000-2561.2019.10.021

    近年來(lái)土壤酸化進(jìn)程加速,嚴(yán)重危害熱帶和亞熱帶地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全[1-2]。土壤酸化不利于土壤肥力的保持、土壤微生物的生長(zhǎng)活動(dòng)及養(yǎng)分循環(huán)的進(jìn)行[1?3-4]。黃運(yùn)湘等[5]研究表明土壤酸化導(dǎo)致氮、磷、鉀供應(yīng)能力下降;王海斌等[6]研究表明茶樹根際土壤酸化顯著影響了土壤微生物數(shù)量變化,微生物對(duì)土壤酸度具有敏感性;Manzoni 等[7]和田永強(qiáng)等[8]研究表明土壤酸化影響土壤碳、氮等元素礦化,不利于土壤養(yǎng)分的循環(huán)。此外,土壤酸化會(huì)活化土壤重金屬,王存龍等[9]發(fā)現(xiàn)山東煙臺(tái)土壤酸化會(huì)促進(jìn)Cd、Pb等的釋放與活化。土壤酸化能夠增加病害發(fā)生,樊小林等[10]發(fā)現(xiàn)提高土壤pH能夠降低巴拿馬?。菸。┑陌l(fā)病率和病情指數(shù)。土壤酸化的直接表現(xiàn)為土壤pH下降,適宜的土壤pH能夠促進(jìn)土壤養(yǎng)分的有效吸收[11]。pH是土壤酸堿性的反映,土壤的酸堿度直接影響著烤煙對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收,隨著植煙土壤酸堿度研究的深入,已引起越來(lái)越多的關(guān)注。前人研究表明,當(dāng)土壤pH值過(guò)低,微量元素的有效性較低;當(dāng)土壤pH值過(guò)高,則不利于大量元素的吸收[12-13]。植煙土壤pH值過(guò)高或過(guò)低均不利于煙葉對(duì)于土壤礦物營(yíng)養(yǎng)的吸收,不利于烤煙體內(nèi)的碳氮代謝,進(jìn)而影響煙葉的生長(zhǎng)狀況。

    不同區(qū)域土壤pH的影響因素不盡相同,開展區(qū)域土壤pH的豐缺評(píng)價(jià)能夠因地制宜指導(dǎo)區(qū)域土壤改良[14]。近年來(lái)對(duì)土壤pH區(qū)域內(nèi)部差異、時(shí)間尺度變化等研究較多[15-17],但對(duì)熱帶亞熱帶農(nóng)用地作物優(yōu)勢(shì)種植區(qū)土壤pH的時(shí)空變異研究較少[18],3個(gè)時(shí)期的時(shí)間尺度pH變化研究鮮有報(bào)道[19]。福建地區(qū)丘陵、山地較多,基于復(fù)雜地貌下的縣域特色農(nóng)業(yè)的影響因素不同。煙草產(chǎn)業(yè)一直是龍巖市農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)之一,龍巖煙區(qū)土壤也是典型的亞熱帶紅壤區(qū)農(nóng)用地土壤,開展近30年土壤pH的時(shí)空變異研究,對(duì)煙稻輪作系統(tǒng)下的土壤養(yǎng)分綜合管理具有指導(dǎo)意義。

    1??材料與方法

    1.1資料收集

    1982年第2次土壤普查資料的收集。收集了龍巖煙區(qū)永定縣、上杭縣、武平縣、連城縣、長(zhǎng)汀縣、漳平市6個(gè)縣(市)的1∶5萬(wàn)土壤圖、土壤剖面樣品采樣點(diǎn)分布圖,土壤普查總結(jié),土樣理化性狀分析匯總數(shù)據(jù)資料等。根據(jù)龍巖煙區(qū)現(xiàn)有烤煙種植區(qū)域,選擇具有代表性的土壤樣點(diǎn)共354個(gè),并收集整理354個(gè)樣點(diǎn)的耕層土壤pH數(shù)據(jù)。

    2001年龍巖煙區(qū)植煙土壤平衡施肥相關(guān)資料的收集。收集了2001年龍巖煙區(qū)平衡施肥數(shù)據(jù)資料(2001年在福建省煙草公司統(tǒng)一部署下,龍巖煙區(qū)開展了平衡施肥工作,共測(cè)試分析了1362個(gè)土壤樣品的理化性狀)。本次研究以第2次土壤普查354個(gè)代表性土壤樣點(diǎn)分布為依據(jù),選取與其采樣點(diǎn)相近點(diǎn)的相同土壤類型的樣點(diǎn)數(shù)據(jù),共360個(gè),收集整理了360個(gè)樣點(diǎn)的耕層土壤pH數(shù)據(jù)。

    1∶15萬(wàn)龍巖市行政區(qū)圖、1∶15萬(wàn)龍巖市土地利用現(xiàn)狀圖及數(shù)據(jù)庫(kù)資料等。土壤樣品的采集:采樣地點(diǎn)以第2次土壤普查354個(gè)代表性土壤樣點(diǎn)分布為依據(jù),選取與其采樣點(diǎn)相近點(diǎn)的相同土壤類型的樣點(diǎn)366個(gè),采集耕層土壤。2011年12月采樣時(shí),采用GPS定位記錄了樣點(diǎn)的地理坐標(biāo),經(jīng)Arcview投影轉(zhuǎn)換后生成龍巖煙區(qū)植煙土壤采樣點(diǎn)分布圖(圖1)。

    1.2測(cè)定方法及植煙土壤pH分級(jí)指標(biāo)的確定

    土壤pH測(cè)定方法:采用NY/T 1121.2-2006《土壤檢測(cè)?第2部分:土壤pH的測(cè)定》中的電位法。

    本文參考唐莉娜等[20]、陳朝陽(yáng)[21]等對(duì)福建煙區(qū)植煙土壤pH的研究,適宜煙草生長(zhǎng)的pH范圍為5.0~7.0,其中最適宜煙草生長(zhǎng)的pH范圍為5.5~6.5,因此龍巖市植煙土壤pH分級(jí)指標(biāo)按表1來(lái)劃分。

    1.3數(shù)據(jù)處理

    數(shù)據(jù)分析采用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法。統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 18和Excel 2007軟件完成,其中半方差函數(shù)模型擬合在GS+9.0中實(shí)現(xiàn),克里格插值和插值圖繪制選擇在ArcGIS 9.3軟件完成。在得出龍巖煙區(qū)植煙土壤3個(gè)時(shí)段的土壤pH,通過(guò)ArcGis軟件功進(jìn)一步得出土壤pH的時(shí)空變異狀況。

    對(duì)所研究區(qū)域的不同時(shí)期的土壤樣品應(yīng)用Geostatiscal Analyst模塊中的Explore Data工具中的Histogram和Normal QQ plot進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn),GS+9.0軟件進(jìn)行半方差模型的擬合和地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,運(yùn)用Geostatistical Wizard中的Kriging分析模塊進(jìn)行克里格插值,制作土壤pH的插值空間分布圖。將利用克里格插值方法得到的1982、2001和2011年土壤pH賦值到耕地圖斑上,然后建立研究區(qū)耕地土壤pH數(shù)據(jù)庫(kù),最終出圖。龍巖煙區(qū)為煙稻輪作系統(tǒng),植煙土壤區(qū)以龍巖六縣(市)水田圖斑為控制區(qū)域,對(duì)土壤pH分區(qū)后的柵格圖層以龍巖煙區(qū)1.75萬(wàn)hm2進(jìn)行面積評(píng)差,最終確定1982、2001、2011年3個(gè)時(shí)期土壤pH的面積以及比重。

    2??結(jié)果與分析

    2.1龍巖煙區(qū)植煙土壤pH的空間變化

    1982、2001、2011年土壤pH數(shù)據(jù)經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換,經(jīng)Arcgis 9.3中的Geostatiscal Analyst模塊中的Explore Data工具中的Histogram和Normal QQ plot檢驗(yàn),符合正態(tài)分布。為了解1982、2001、2011年土壤pH局部變異特征,對(duì)3個(gè)時(shí)期土壤pH進(jìn)行半方差模型擬合,研究其空間特征。圖2、圖3、圖4和表2為3時(shí)期土壤pH半方差模型最優(yōu)模型擬合結(jié)果,其中1982、2001年土壤pH為線性模型,2011年土壤pH為指數(shù)模型。1982、2001、2011年土壤pH塊金效應(yīng)分別為85.47%、94.90%、44.62%。塊金效應(yīng)<25%為強(qiáng)空間依賴性,25%<塊金效應(yīng)<75%為中等空間依賴性,塊金效應(yīng)>75%為弱空間依賴性,可知1982、2001年土壤pH為弱空間依賴性,2011年土壤pH為中等空間依賴性??臻g的依賴性呈現(xiàn)先變?nèi)踉僮儚?qiáng)的特點(diǎn)。

    通過(guò)半方差函數(shù)模型的模擬,本文選用普通克里格插值方法,對(duì)龍巖市煙區(qū)1982、2001、2011年土壤pH進(jìn)行插值。龍巖煙區(qū)pH一直以偏酸性為主,1982年空間分布上(圖5),主要高值區(qū)分

    布在長(zhǎng)汀縣西北部地區(qū)、連城縣的中北部地區(qū)、以及上杭縣的南部地區(qū),呈現(xiàn)塊狀分布。2001年龍巖煙區(qū)空間分布上(圖6),主要高值區(qū)各縣市均有零星點(diǎn)狀分布,其中在長(zhǎng)汀縣的西北部、上杭縣的南部地區(qū)、漳平市的中部地區(qū)存在較大范圍的高值區(qū)。2011年龍巖煙區(qū)空間分布上(圖7),高值區(qū)主要在3個(gè)地區(qū):長(zhǎng)汀縣以新橋鎮(zhèn)為中心的區(qū)域、上杭縣以中赤鄉(xiāng)和十方鎮(zhèn)為中心的區(qū)域、以及漳平市的東北部。3時(shí)期的高值區(qū)在上杭縣南部以中赤鄉(xiāng)和十方鎮(zhèn)為中心的區(qū)域均有分布,表明該區(qū)域土壤pH的影響主要是自然原因。1982年龍巖煙區(qū)植煙土壤低值區(qū)域主要在漳平市大部分地區(qū);2001年龍巖煙區(qū)植煙土壤低值區(qū)域主要在漳平市的西北部地區(qū)以及永定縣的西南地區(qū);2011年龍巖煙區(qū)植煙土壤低值區(qū)域主要在永定縣的西南地區(qū),以及永定與上杭縣的北部交界處。

    本文通過(guò)預(yù)測(cè)誤差來(lái)檢驗(yàn)所得結(jié)果是否符合,通過(guò)檢驗(yàn)(表3)發(fā)現(xiàn),1982、2001、2011年3時(shí)期土壤pH的預(yù)測(cè)誤差的均值、預(yù)測(cè)誤差的均方根、平均預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差、平均標(biāo)準(zhǔn)差均較小;標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測(cè)誤差均接近于1。因此,龍巖煙區(qū)植煙土壤pH選用普通克里格插值方法結(jié)果滿足要求。

    2.2龍巖煙區(qū)植煙土壤pH的時(shí)間變異

    由表4可知,2001年龍巖煙區(qū)植煙土壤pH

    注:同列不同小寫字母表示不同時(shí)間pH間存在顯著差異(P<0.05);不同大寫字母表示不同時(shí)間pH間存在極顯著差異(P<0.01)。

    比1982年龍巖煙區(qū)植煙土壤pH平均值下降0.31,2011年龍巖煙區(qū)植煙土壤pH比2001年龍巖煙區(qū)植煙土壤pH上升0.20。經(jīng)Duncan差異分析,3時(shí)期土壤pH均達(dá)極顯著差異。1982、2001、2011年土壤pH主要范圍為5.0~5.5,處于適宜烤煙生長(zhǎng)的范圍。

    從表5可知,pH<5.0(不適宜種植烤煙區(qū))龍巖煙區(qū)植煙土壤的面積,1982年為2828.00?hm2;2001年為6592.25 hm2;2011年為1438.50 hm2。2001年比1982年的不適宜植煙土壤面積比重增加了21.51%,2011年比2001年的不適宜植煙土壤面積減少了29.45%。至2011年,龍巖煙區(qū)植煙土壤面積的91.78%均為適宜烤煙生長(zhǎng)或者最適宜烤煙生長(zhǎng)的區(qū)域。2011年、1982年土壤pH最適宜區(qū)域面積比較,龍巖煙區(qū)最適宜植煙土壤面積下降了14.05%,且最適宜植煙面積的絕對(duì)面積較小。由圖8可知,1982—2001年龍巖煙區(qū)植煙土壤pH下降較嚴(yán)重區(qū)域(pH下降大于0.5),在2001–2011年土壤pH的變化圖中,絕大多數(shù)地區(qū)均表現(xiàn)為pH上升。其中永定縣的中部地區(qū)、武平縣的東南部地區(qū)上升較明顯(pH上升大于0.5個(gè)單位)。其中漳平市東部地區(qū)2個(gè)時(shí)間段中均表現(xiàn)為pH上升較明顯區(qū)。同時(shí),長(zhǎng)汀縣的中南部地區(qū)、上杭縣的東南部地區(qū)在2個(gè)時(shí)期中均表現(xiàn)為較小的下降(pH下降為0~0.5之間),應(yīng)引起關(guān)注。

    3??討論

    塊金效應(yīng)大小反映的是土壤性質(zhì)對(duì)空間的依賴性強(qiáng)弱,是土壤性質(zhì)空間變異的結(jié)果,Liu等[22]研究表明,空間依賴性越強(qiáng),受自然因素影響越大,受人類活動(dòng)影響越小。龍巖煙區(qū)1982、2001、2011年塊金效應(yīng)分別為85.47%、94.90%、44.62%,隨時(shí)間變化,人類活動(dòng)是其結(jié)構(gòu)因子變化的主要原因。pH高值區(qū)域空間分布變化為塊狀—點(diǎn)狀—塊狀,反映的是耕作制度變化對(duì)土壤pH的影響。1982—2001年,耕作制度(家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制)的變化讓龍巖煙區(qū)空間變異依賴性減弱。21世紀(jì)初期起,龍巖市煙草公司開展統(tǒng)一的配方施肥、土壤改良以及龍巖市煙區(qū)種植戶減少、土地流轉(zhuǎn)加速[23],煙區(qū)煙草種植趨向連片,均一化方向發(fā)展,外因(土壤管理)的影響削弱,內(nèi)因(土壤形成因素)對(duì)土壤pH的空間變異的貢獻(xiàn)更大[24]。郝紅瑞等[25]指出,變程(Range)是最為重要的參數(shù),2011年pH變程(Range)相對(duì)1982、2001年減小,也是塊金效應(yīng)變小的可能原因。

    1982—2001年,耕作制度的變化帶來(lái)的化學(xué)肥料施用量的過(guò)量施用是龍巖煙區(qū)植煙土壤pH下降的主要原因。2001—2011年,龍巖煙區(qū)生石灰、測(cè)土配方施肥的推廣[26],促進(jìn)龍巖煙區(qū)土壤pH均值在該時(shí)期有所提高。龍巖煙區(qū)在2001—2011年,土壤酸化現(xiàn)象得到了一定的抑制,但亞熱帶地區(qū)自然現(xiàn)象(強(qiáng)烈淋溶作用)和酸沉降、化肥施用、作物吸收陽(yáng)離子等人類活動(dòng)因素在本區(qū)

    域持續(xù)影響土壤酸化[1]。周曉陽(yáng)等[27]認(rèn)為南方水旱輪作模式也會(huì)出現(xiàn)土壤酸化,鄧小華等[28]研究表明水土流失狀況顯著影響植煙土壤pH,水土流失嚴(yán)重的植煙土壤容易酸化。因此,龍巖煙區(qū)應(yīng)合理注意有機(jī)肥配施化肥,定期注重土壤改良劑進(jìn)行調(diào)酸。同時(shí),長(zhǎng)汀縣是福建省水土流失典型縣域單元,本研究發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)汀縣的中南部地區(qū)、上杭縣的東南部地區(qū)兩時(shí)期均出現(xiàn)土壤pH下降現(xiàn)象,該區(qū)域更需關(guān)注水土流失治理,以達(dá)到改良土壤酸堿度的目的。

    4??結(jié)論

    (1)1982、2001、2011年3年土壤pH均值呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì),土壤pH分別為5.34、5.03、5.23,土壤pH在煙葉適宜生長(zhǎng)的范圍之內(nèi)。

    (2)半方差函數(shù)模型擬合表明,1982、2001年土壤pH為線性模型,2011年土壤pH為指數(shù)模型。1982、2001年土壤pH為弱空間依賴性,2011年土壤pH為中等空間依賴性,空間依賴性呈現(xiàn)先變?nèi)踉僮儚?qiáng)的特點(diǎn)。

    (3)pH高值區(qū)域空間分布上,1982、2011年土壤pH呈現(xiàn)塊狀分布特征;2001年土壤pH呈現(xiàn)點(diǎn)狀分布特征。

    (4)時(shí)間變化上,不適宜種植烤煙的地區(qū)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),1982、2001、2011年龍巖煙區(qū)植煙土壤不適宜種植烤煙區(qū)面積分別為2828.00、6592.25、1438.50 hm2。最適宜區(qū)面積減少,與1982年相比,2011年龍巖煙區(qū)最適宜植煙土壤面積下降了14.05%,且最適宜植煙的面積的絕對(duì)面積較小。

    (5)近30年龍巖煙區(qū)植煙土壤pH有酸化現(xiàn)象,pH整體略微下降,土壤酸化得到了有效的抑制。

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