保山市植煙土壤養(yǎng)分時(shí)空變異特征及土壤肥力適宜性評(píng)價(jià)

倪 明，濮永瑜，何 翔，胡志明，伏成秀，劉 芮，張 慶，段 焰，楊佩文，朱紅業(yè)*

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，云南 昆明 650205；2.云南省煙草公司保山市公司，云南 保山 678000)

【研究意義】土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是作物生長(zhǎng)的重要媒介，土壤為農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育提供了必需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，適宜的土壤條件有利于作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[1]。土壤是自然界的一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，隨時(shí)間和空間不斷發(fā)生改變，同時(shí)還受自然環(huán)境、社會(huì)等多種因素的影響，土壤養(yǎng)分含量表現(xiàn)出較高的異質(zhì)性[2-3]。煙草是一種適應(yīng)性較廣的作物，不同土壤肥力條件下均能生長(zhǎng)；其次，土壤是影響煙葉內(nèi)在品質(zhì)的重要生態(tài)條件之一，適宜的土壤肥力條件是煙草優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)的基礎(chǔ)[4-5]。植煙土壤肥力適宜性評(píng)價(jià)通過對(duì)某區(qū)域內(nèi)各土壤肥力因素的綜合評(píng)價(jià)來確定其對(duì)煙草種植的適宜性程度，定性、定量、定位評(píng)價(jià)煙草在某區(qū)域種植的地力適宜性，合理利用植煙土壤資源，對(duì)指導(dǎo)植煙施肥實(shí)踐，穩(wěn)定煙葉優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)，促進(jìn)植煙土壤保育和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[6]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，植煙土壤養(yǎng)分空間分布已成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。李強(qiáng)等利用GPS 技術(shù)研究了曲靖植煙土壤養(yǎng)分狀況總體狀況和空間變異特征，并基于模糊數(shù)學(xué)模型對(duì)植煙土壤肥力適宜性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[3]。王育軍等利用模糊數(shù)學(xué)模型并結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)和 GIS 技術(shù)的方法對(duì)羅平縣植煙區(qū)土壤養(yǎng)分狀況及肥力適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)該植煙區(qū)內(nèi)土壤肥力年度間變化情況進(jìn)行分析[5]。胡瑞文等[7]基于GIS 技術(shù)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)和模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)花垣植煙區(qū)土壤進(jìn)行土壤肥力適宜性綜合評(píng)價(jià)，并分析了影響土壤肥力的因素?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】土壤養(yǎng)分空間變異主要集中于土壤養(yǎng)分空間分布特征與影響因素、土壤養(yǎng)分空間分布特征與綜合評(píng)價(jià)、土壤重金屬污染分析及耕地土壤地力綜合評(píng)價(jià)等[8-9]。保山市是云南省重要的優(yōu)質(zhì)煙區(qū)之一，對(duì)于行業(yè)發(fā)展具有重要影響。目前，關(guān)于保山市植煙土壤肥力水平的研究報(bào)道還較少，涉及動(dòng)態(tài)變化的更少。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以云南省保山市5個(gè)縣(市、區(qū))植煙土壤為研究對(duì)象，利用模糊數(shù)學(xué)模型隸屬函數(shù)法對(duì)該植煙區(qū)2015—2019年采集的1465份土壤樣本養(yǎng)分狀況的空間變異規(guī)律進(jìn)行研究，并對(duì)植煙區(qū)土壤肥力適宜性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為保山市植煙區(qū)合理施肥、土壤養(yǎng)分管理及優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

2015-2019年，在云南省保山市5個(gè)縣(市、區(qū))的基本煙田進(jìn)行定位取樣(E 98°25′～100°02′，N 24°08′～25°51′)，共收集到代表性土壤樣本1465個(gè)。其中，隆陽(yáng)區(qū)340個(gè)，昌寧縣345個(gè)，龍陵縣179個(gè)，施甸縣311個(gè)，騰沖市290個(gè)。煙苗移栽前進(jìn)行土壤樣品采集，遵循均勻性、代表性原則。采用5點(diǎn)取樣法采集0～20 cm耕層土壤，每取樣點(diǎn)采集2.5～3.5 kg混合土樣，用四分法取1.5 kg土樣帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)及測(cè)定方法

據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合對(duì)研究區(qū)土壤養(yǎng)分指標(biāo)含量和空間變異性的分析，選擇土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效硼、有效鋅、有效鎂和水溶性氯為評(píng)價(jià)指標(biāo)[10]。將土壤樣本登記編號(hào)，經(jīng)風(fēng)干、研磨過篩，根據(jù)相關(guān)技術(shù)方法進(jìn)行土壤養(yǎng)分指標(biāo)含量測(cè)定[11]。

1.3 土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

采用土壤養(yǎng)分分級(jí)法對(duì)植煙土壤進(jìn)行豐缺狀況分析。評(píng)價(jià)依據(jù)參考《保山烤煙綜合標(biāo)準(zhǔn)》植煙土壤養(yǎng)分豐缺狀況5級(jí)體系。此外，土壤肥力適宜性等級(jí)根據(jù)變異系數(shù)的大小劃分，共分為5級(jí)：I級(jí)：SFI≥0.70；II級(jí)：0.55

1.4 土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)方法

植煙土壤肥力適宜性評(píng)價(jià)采用模糊數(shù)學(xué)模型隸屬函數(shù)法。由于不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)土壤肥力的影響程度存在差異，因而本研究采用主成分分析法計(jì)算土壤肥力適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重大小。土壤肥力適宜性指數(shù)(soil fertility suitability index，SFI)計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Nij和Wij分別為第i個(gè)土壤樣品的第j個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬度值和相應(yīng)的權(quán)重大小。

確定隸屬函數(shù)公式(2)、(3)，把不規(guī)則分布、定量或定性描述的數(shù)值換算為從0到1分布的無量綱差異的隸屬值。常見的綜合評(píng)價(jià)的隸屬函數(shù)類型主要有S型、反S型和拋物線型3種，其中pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效鎂和水溶性氯為拋物線型(公式2)，速效磷、速效鉀、有效硼和有效鋅為 S 型(公式3)，函數(shù)表達(dá)式為：

(2)

(3)

式中：x為各土壤肥力指標(biāo)的實(shí)際測(cè)量值，x4和x1表示各指標(biāo)的上、下臨界值，x3和x2為各指標(biāo)的上、下限最優(yōu)值。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

測(cè)定數(shù)據(jù)結(jié)果采用Microsoft Excel 2016、SPSS 25.0軟件進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 植煙土壤養(yǎng)分含量時(shí)間變異特征分析

如表1所示,2015-2019年，土壤pH呈弱酸性，變異強(qiáng)度低且適宜煙草植株的生長(zhǎng)；有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量豐富，變異強(qiáng)度中等；速效鉀、有效硼含量豐富，變異強(qiáng)度高；土壤有效磷、有效鎂含量較豐富，變異強(qiáng)度高；土壤有效鋅、水解性氯含量較豐富，變異強(qiáng)度較高。

表1 保山市植煙區(qū)土壤養(yǎng)分狀況特征

2.2 植煙土壤養(yǎng)分空間變異特征分析

保山市5縣(市、區(qū))植煙土壤pH、有效磷、有機(jī)質(zhì)和水溶性氯空間變異特征如表2所示。土壤pH 為5.57～7.17，空間變異系數(shù)為8.96 %～16.77 %，空間變異較?。黄渲?，隆陽(yáng)區(qū)、施甸縣土壤pH偏高。土壤有效磷含量為22.70～36.20 mg·kg-1，含量較豐富，空間變異系數(shù)為64.81 %～87.13 %，空間變異大；其中，騰沖市土壤有效磷含量最高，全市土壤有效磷含量均高于適宜水平。土壤水溶性氯含量為15.43～21.65 mg·kg-1，含量較適宜，空間變異系數(shù)為136.87 %～220.01 %，空間變異大；其中，施甸縣土壤水溶性氯含量最高，為21.65 mg·kg-1。土壤有機(jī)質(zhì)含量為27.82～47.26 g·kg-1，含量豐富，空間變異系數(shù)為42.79 %～54.90 %，空間變異大，5縣(市、區(qū))有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為騰沖市>龍陵縣>施甸縣>隆陽(yáng)區(qū)>昌寧縣。

表2 保山市植煙土壤pH、有效磷、水溶性氯和有機(jī)質(zhì)空間變異分析

5縣(市、區(qū))植煙土壤有效硼和有效鋅空間變異特征如表3所示。土壤有效硼含量為0.39～0.58 mg·kg-1，含量適宜，空間變異系數(shù)為50.26 %～112.62 %，空間變異大；其中，昌寧縣土壤有效硼含量最高，為0.58 mg·kg-1。土壤有效鋅含量為2.50～4.67 mg·kg-1，含量較豐富，空間變異系數(shù)為95.08 %～501.39 %，空間變異大；5縣(市、區(qū))土壤有效鋅含量從高到低為昌寧縣>施甸縣>騰沖市>隆陽(yáng)區(qū)>龍陵縣。

表3 保山市植煙土壤有效硼、有效鋅空間變異分析

5縣(市、區(qū))植煙土壤土壤堿解氮、速效鉀和有效鎂空間變異特征如表4所示。土壤堿解氮含量為103.50～163.03 mg·kg～1，含量豐富，空間變異系數(shù)為34.68 %～47.73 %，空間變異大；其中，騰沖市土壤堿解氮含量最高。土壤速效鉀含量為171.05～365.52 mg·kg～1，含量豐富，空間變異系數(shù)為55.25 %～70.42 %，空間變異大；其中，施甸縣土壤速效鉀含量最高，騰沖市的最少。土壤有效鎂含量為78.16～517.93 mg·kg～1，含量較豐富，空間變異系數(shù)為70.05 %～136.67 %，空間變異大；其中，隆陽(yáng)區(qū)土壤有效鎂含量要明顯高于其余4縣(市、區(qū))。

表4 保山市5縣(市、區(qū))植煙土壤堿解氮、速效鉀和有效鎂空間變異分析

2.3 土壤肥力指標(biāo)的隸屬函數(shù)類型及曲線拐點(diǎn)值

保山市植煙土壤肥力指標(biāo)隸屬函數(shù)類型和閾值如表5所示，pH值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效鎂和水溶性氯的隸屬函數(shù)曲線為拋物線型，速效鉀、有效磷、有效硼和有效鋅的隸屬函數(shù)曲線為S型。據(jù)植煙區(qū)土壤養(yǎng)分指標(biāo)權(quán)重可知，9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中堿解氮的權(quán)重最大，為16.46 %，有效磷的權(quán)重最小，為2.25 %。

表5 土壤養(yǎng)分指標(biāo)權(quán)重及隸屬函數(shù)的閾值

2.4 保山市5縣植煙區(qū)土壤肥力適宜性評(píng)價(jià)

保山市5縣(市、區(qū))植煙土壤肥力適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果如表6所示，土壤肥力適宜性指數(shù)平均值為0.589，為II級(jí)土壤，平均變異系數(shù)為23.76 %，表明全市植煙土壤肥力狀況較好，且植煙土壤的肥力空間變異較小。昌寧縣土壤肥力適宜性指數(shù)均值最大，為0.682，騰沖市的土壤肥力適宜性指數(shù)均值最小，為0.506，各縣(市、區(qū))土壤肥力適宜性指數(shù)表現(xiàn)為昌寧縣>施甸縣>龍陵縣>隆陽(yáng)區(qū)>騰沖市。

表6 保山市5縣(市、區(qū))土壤肥力適宜性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3 討 論

本研究以保山市5個(gè)縣(市、區(qū))植煙土壤為研究對(duì)象，由于該研究區(qū)域地形地勢(shì)的復(fù)雜性和植煙土壤養(yǎng)分的空間變異性，基于模糊數(shù)學(xué)模隸型屬函數(shù)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，系統(tǒng)研究植煙區(qū)土壤養(yǎng)分含量的異質(zhì)性，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)保山市植煙土壤肥力的適宜性。本研究中，1465個(gè)取樣點(diǎn)均根據(jù)植煙區(qū)田塊的分布情況選擇，取樣密度大，覆蓋區(qū)域廣，數(shù)據(jù)多服從正態(tài)分布，滿足統(tǒng)計(jì)分析要求。其次，合理的取樣密度對(duì)植煙區(qū)土壤肥力適宜性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和資源節(jié)約意義重大[12]。本研究主要采用區(qū)域五點(diǎn)取樣法，且樣本基數(shù)多，取樣密度大，評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性較高。但受土壤樣本采集和分析測(cè)試成本的影響，無法讓供試樣本數(shù)量無限增加以提高適宜性綜合評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。土壤肥力適宜性評(píng)價(jià)中，土壤樣品的取樣方法直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性[13]。取樣點(diǎn)及取樣密度的選擇在土壤肥力綜合評(píng)價(jià)中是一個(gè)技術(shù)難題，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，且不同地區(qū)取樣的技術(shù)方法也存在差異。

現(xiàn)如今，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)模型探索科學(xué)的取樣方法已成為生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。土壤評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取較為廣泛，但不同的研究地區(qū)其選取的指標(biāo)存在一定的差異，這可能與不同植煙地區(qū)土壤養(yǎng)分狀況的差異較大有一定的關(guān)系[14-15]。本研究基于前人的研究基礎(chǔ)及研究區(qū)域的土壤養(yǎng)分含量狀況特征，確定了9個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)[16-17]。評(píng)價(jià)方法的選擇也尤為重要，不同評(píng)價(jià)方法所得評(píng)價(jià)結(jié)果的優(yōu)劣尚無準(zhǔn)確定論。本研究采用模糊數(shù)學(xué)模型隸屬函數(shù)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，構(gòu)建各土壤養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬函數(shù)，計(jì)算各植煙縣(市、區(qū))區(qū)域土壤肥力適宜性指數(shù)。其中，各養(yǎng)分指標(biāo)隸屬函數(shù)的閾值和權(quán)重大小的確定較重要，直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究依據(jù)《保山烤煙綜合標(biāo)準(zhǔn)》中確定的土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確定個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)的閾值，采用主成分分析法確定各養(yǎng)分指標(biāo)的權(quán)重，明確了各養(yǎng)分指標(biāo)對(duì)土壤肥力適宜性指數(shù)的重要度，科學(xué)有效地對(duì)保山市植煙土壤的肥力適宜性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。此外，還需注意的是，本研究植煙土壤肥力適宜性綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果僅能代表保山市植煙土壤潛在的生產(chǎn)能力，若要更準(zhǔn)確科學(xué)地評(píng)價(jià)該地區(qū)煙草的生產(chǎn)力，還需考慮地形地貌、氣候條件、栽培管理技術(shù)等多種因素的影響。

本研究中，5個(gè)縣(市、區(qū))植煙土壤肥力適宜性指數(shù)表現(xiàn)為昌寧縣>施甸縣>龍陵縣>隆陽(yáng)區(qū)>騰沖市，土壤肥力適宜性指數(shù)平均值為0.589，平均變異系數(shù)為23.76 %，表明全市植煙土壤肥力狀況較好，適宜煙草植株的生產(chǎn)。但土壤有效磷、有效鎂和有效鋅含量偏高在一定程度上影響了土壤的肥力水平，合理控制磷肥、鎂肥和鋅肥的施用量是解決該問題的有效途徑之一。植煙土壤肥力適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，騰沖市無I級(jí)植煙土壤， II級(jí)和III級(jí)土壤占91.38 %，這可能是由于騰沖市植煙土壤有效鎂和速效鉀含量略低于其余4個(gè)縣(區(qū))植煙土壤，經(jīng)隸屬函數(shù)法計(jì)算后，其土壤肥力適宜性指數(shù)就偏低。此外，隆陽(yáng)區(qū)和施甸縣土壤pH 值偏高，分別為7.17和7.03，煙草生長(zhǎng)最適pH 值在5.50～6.50，建議施用酸性肥料調(diào)節(jié)土壤pH 值至適宜范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

(1)2015-2019年，保山市5個(gè)縣(市、區(qū))植煙區(qū)土壤pH呈降低趨勢(shì)，有效硼含量變化較穩(wěn)定，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效鎂、有效鋅、水解性氯含量呈增加趨勢(shì)。

(2)土壤pH、有效硼和水溶性氯較適宜，有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量豐富，有效磷、有效鎂和有效鋅含量較高，除pH和有機(jī)質(zhì)外，其余7項(xiàng)指標(biāo)的含量空間變異較大。

(3)保山市5縣(市、區(qū))平均土壤肥力適宜性指數(shù)為0.589，平均變異系數(shù)為23.76 %，表明全市植煙土壤肥力狀況較好，且植煙土壤的肥力空間變異較小。昌寧縣土壤肥力適宜性指數(shù)均值最大，各縣(市、區(qū))土壤肥力適宜性指數(shù)表現(xiàn)為：昌寧縣>施甸縣>龍陵縣>隆陽(yáng)區(qū)>騰沖市。