靖西市植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量的時(shí)空變異特征①

張一揚(yáng)，粟深河，林北森，陸亞春，韋 忠*

靖西市植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量的時(shí)空變異特征①

張一揚(yáng)1，粟深河1，林北森2，陸亞春2，韋 忠2*

(1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；2 廣西壯族自治區(qū)煙草公司百色市公司，廣西百色 533000)

為了解靖西市植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量時(shí)空變異特征，分析了土壤有機(jī)質(zhì)含量狀況、年際間變化、空間變異特征及與土壤養(yǎng)分、煙稻輪作年限的關(guān)系。結(jié)果表明：①2006年、2012年、2017年靖西市煙區(qū)植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量總體上屬偏高和豐富水平，平均值分別為35.72、35.80和38.84 g/kg，無(wú)處于“缺乏”狀態(tài)的植煙土壤樣本，“偏低”的植煙土壤樣本2012年僅為5.30%。地統(tǒng)計(jì)學(xué)表明，總體呈現(xiàn)偏高和豐富以上色斑。②植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量有隨著時(shí)間推移，均值增加的趨勢(shì)，2017年度植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于2006年度和2012年度。③2017年度植煙土壤有機(jī)質(zhì)與對(duì)應(yīng)的其他土壤養(yǎng)分因子的回歸分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析均顯示，全氮、堿解氮和有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性較高，且存在植煙土壤全氮、堿解氮含量隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量增高而增加的趨勢(shì)。

植煙土壤；有機(jī)質(zhì)；時(shí)空變異；灰色關(guān)聯(lián)

土壤有機(jī)質(zhì)含量高低，直接影響土壤物理、化學(xué)性質(zhì)和肥力水平，從而影響煙葉內(nèi)在質(zhì)量和可用性[1-3]。土壤有機(jī)質(zhì)能夠改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力，改善土壤結(jié)構(gòu)和耕層微生物區(qū)系[4-8]，適宜的有機(jī)質(zhì)含量水平對(duì)協(xié)調(diào)煙葉碳氮代謝和提高煙葉內(nèi)在化學(xué)成分具有十分重要的作用[9-10]。區(qū)域植煙土壤有機(jī)質(zhì)特征一直是研究熱點(diǎn)問(wèn)題，運(yùn)用GIS地統(tǒng)計(jì)分析模塊，對(duì)不同尺度區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)變異開(kāi)展了大量的研究[1, 4-5, 7-8, 11-16]。但這些研究多拘于取樣時(shí)間和空間尺度問(wèn)題，主要集中于某一區(qū)域某一年度植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量的描述性統(tǒng)計(jì)和差異性分析，或者關(guān)注土壤有機(jī)質(zhì)與其他土壤養(yǎng)分因子、煙葉化學(xué)品質(zhì)成分的簡(jiǎn)單相關(guān)性分析[17-21]，沒(méi)有從多年輪作種植制度下，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分布和動(dòng)態(tài)變化方面開(kāi)展研究。因此，本文在多年連續(xù)土壤取樣測(cè)試分析的基礎(chǔ)上，研究區(qū)域植煙土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布特征和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，運(yùn)用分組回歸、灰色關(guān)聯(lián)分析等方法進(jìn)一步探討土壤有機(jī)質(zhì)含量與其他養(yǎng)分和種植年限間的定量關(guān)系，為區(qū)域植煙土壤保育和養(yǎng)分平衡管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

靖西市隸屬?gòu)V西壯族自治區(qū)，位于105°56′ ~ 106°48′E，22°51′ ~ 23°34′N(xiāo)。境內(nèi)以溶蝕高原地貌為主，地勢(shì)由西北向東南傾斜，略呈階梯形態(tài)，西北部海拔706 ~ 1 040 m，中部700 ~ 850 m，東南部中部250 ~ 650 m。屬亞熱帶季風(fēng)氣候，平均氣溫為20.5 ℃，年總降水量為1 636.3 mm，無(wú)霜期為336 d，年日照總時(shí)數(shù)為1 500 h。植煙面積2006年2.1 hm2，2012年和2017年穩(wěn)定在4 000 hm2左右。植煙土壤是以水稻土(田煙)、紅壤和石灰土(地?zé)?為主，且以水稻土居多，是百色市重要的植煙區(qū)域。

1.2 土壤樣品采集

2006年、2012年和2017年3次采集靖西市植煙區(qū)域10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)煙稻輪作區(qū)土壤樣品，有代表性的土壤樣本數(shù)量分別為41個(gè)(2006年)、94個(gè)(2012年)和78個(gè)(2017年)。在晚稻收獲后，翻地施肥前采集0 ~ 20 cm深度的耕層土壤，采用“S”形取樣法，每一地塊15 ~ 20個(gè)取樣點(diǎn)制成一個(gè)混合樣。土樣經(jīng)田間編號(hào)，并用GPS儀定位經(jīng)緯度信息，并記載地塊相應(yīng)的耕作施肥等信息。土樣經(jīng)過(guò)風(fēng)干、混勻、磨細(xì)、過(guò)篩等預(yù)處理后裝瓶備測(cè)。所采集土壤樣品均為水稻土。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

土樣由廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所測(cè)定。測(cè)定項(xiàng)目為土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、有效硫、有效鋅、有效硼、水溶性氯、有效鐵、有效銅、有效錳等，各指標(biāo)的測(cè)定方法見(jiàn)鮑士旦著《土壤農(nóng)化分析》[22]。

1.4 土壤有機(jī)質(zhì)含量分級(jí)

依據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)含量與煙葉生長(zhǎng)發(fā)育及品質(zhì)的關(guān)系[14, 16]，將植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量分為缺乏(<10 g/kg)、偏低(10 ~ 20 g/kg)、適宜(20 ~ 30 g/kg)、偏高(30 ~40 g/kg)和豐富(>40 g/kg)等5 級(jí)，根據(jù)各級(jí)樣本數(shù)分布頻率進(jìn)行比較。

1.5 土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布圖繪制

采用SPSS 24軟件進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理及分析，探索分析法剔除異常離群數(shù)據(jù)，Shapiro-wilk 法檢測(cè)數(shù)據(jù)正態(tài)性，如果不符合正態(tài)分布，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換；用ArcGIS 12.0軟件中的地統(tǒng)計(jì)學(xué)模塊的Kriging 插值方法繪制植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分布圖[23-24]。

1.6 土壤有機(jī)質(zhì)含量與其他養(yǎng)分和種植年限關(guān)系分析

采用SPSS 24統(tǒng)計(jì)軟件回歸和分組回歸的方法，研究土壤有機(jī)質(zhì)和其他養(yǎng)分因子及種植年限的定量關(guān)系。采用DPS 10.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度大小排序綜合判斷每一土壤養(yǎng)分與有機(jī)質(zhì)的關(guān)聯(lián)度[25-27]。

2 結(jié)果與分析

2.1 植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量總體分布特征及年際間變化

從表1可以看出，2006年、2012年和2017年靖西市煙區(qū)植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量總體上屬偏高和豐富水平，平均值分別為35.72、35.80和38.84 g/kg，變異系數(shù)分別為20.44%、12.85% 和20.08%，屬弱變異和中等變異。無(wú)處于“缺乏”狀態(tài)的土壤樣本，“偏低”的土壤樣本2012年僅為5.30%。

與2006年度相比，2012年度植煙土壤平均有機(jī)質(zhì)含量增加了0.08 g/kg，升幅不足1%；2017年度則增加了3.12 g/kg，升幅達(dá)8.7%；2017年度與2012年度植煙土壤平均有機(jī)質(zhì)含量相比，增加了3.04 g/kg，升幅為8.5%?？梢钥闯觯?006—2012年度植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量增加緩慢，2012—2017年度植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量增速加快?？傮w而言，植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量呈增加的趨勢(shì)。方差分析結(jié)果表明，不同年份之間的植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量差異達(dá)顯著水平(= 7.237；= 0.001)，2017年度植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于2006年度和2012年度，而2012年度和2006年度植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著。

表1 靖西市煙區(qū)植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量

注：表中同列數(shù)據(jù)大寫(xiě)字母不同表示年份間差異達(dá)<0.01顯著水平。

2.2 植煙土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量空間分布特征

采用ArcGIS 10.2軟件地統(tǒng)計(jì)分析模塊繪制靖西市煙區(qū)2017年度植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布圖，能夠更加直觀地分析植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分布特征。利用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，原始數(shù)據(jù)不是正態(tài)分布(Shapiro-wilk df = 78，值為0.975，= 0.000)，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后，選擇2 階趨勢(shì)效應(yīng)和球狀擬合模型進(jìn)行Kriging 插值(圖1)。2017年度靖西市煙區(qū)植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量總體呈現(xiàn)偏高和豐富以上色斑。中部和東南部植煙土壤有機(jī)質(zhì)處于豐富含量水平，有兩個(gè)豐富圓狀圖斑散落在西部和東北位置。以植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量30.0 ~ 40.0 g/kg為主要分布區(qū)域，其次是有機(jī)質(zhì)含量在40.0 ~ 55.0 g/kg的分布區(qū)域，無(wú)有機(jī)質(zhì)含量較低區(qū)域出現(xiàn)。植煙土壤全氮含量和堿解氮含量空間分布也呈現(xiàn)出與土壤有機(jī)質(zhì)含量類(lèi)似的空間分布特征，揭示出土壤有機(jī)質(zhì)與全氮、堿解氮含量有內(nèi)在的相關(guān)性。

2.3 植煙土壤有機(jī)質(zhì)與其他土壤養(yǎng)分回歸分析

將2017年度植煙土壤有機(jī)質(zhì)與對(duì)應(yīng)的其他土壤養(yǎng)分因子做回歸分析，結(jié)果如圖2。14個(gè)方程的決定系數(shù)為0.015 6 ~ 0.771 8，全氮、堿解氮和有機(jī)質(zhì)的回歸方程擬合度較高，決定系數(shù)在0.500 0以上，回歸方程的顯著性檢驗(yàn)達(dá)到了顯著水平，回歸方程有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的意義，且存在植煙土壤全氮、堿解氮含量隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量增高而增加的趨勢(shì)。其他土壤養(yǎng)分因子與土壤有機(jī)質(zhì)含量沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的相關(guān)性。

圖1 植煙土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量空間分布

圖2 不同植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量與其他土壤養(yǎng)分相關(guān)性

2.4 植煙土壤有機(jī)質(zhì)與其他土壤養(yǎng)分的灰色關(guān)聯(lián)分析

土壤由于成土母質(zhì)、風(fēng)化過(guò)程、人為耕作和多樣化生態(tài)條件的影響，而成為了一個(gè)復(fù)雜的灰色系統(tǒng)[28]，雖然科學(xué)家開(kāi)展了大量的科學(xué)研究，仍然存在不同養(yǎng)分因子之間復(fù)雜的關(guān)系難以探明。目前檢測(cè)的土壤養(yǎng)分因子，存在量綱的差異和數(shù)值數(shù)量級(jí)的區(qū)別。因此，需要將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，以使其具有可比性。以植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量為母序列，以土壤其他養(yǎng)分因子含量作為子序列，設(shè)Δmin= 0，分辨系數(shù)ρ = 0.5，完成灰色關(guān)聯(lián)度分析。按照灰色關(guān)聯(lián)分析原則，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)大的子序列與母序列的關(guān)系最為密切，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)小的子序列與母序列的關(guān)系為疏遠(yuǎn)，建立關(guān)聯(lián)序。由表2可知，在各土壤養(yǎng)分與有機(jī)質(zhì)含量的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)中以全氮最大，有效鉬最?。魂P(guān)聯(lián)系數(shù)大小順序?yàn)椋喝?堿解氮>全磷>氯離子>有效硫>速效鉀>有效磷>有效鋅>有效鉬。

表2 植煙土壤有機(jī)質(zhì)與其他土壤養(yǎng)分的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

表3 不同種植年限對(duì)土壤肥力因子的影響

2.5 煙稻輪作制度下不同種植年限對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)與其他土壤肥力因子的影響

按照不同的煙稻輪作種植年限，將2017年度土壤樣本分組進(jìn)行方差分析。6~10 a種植年限的土壤樣本占22.2%，11~15 a占64.4%。從總體來(lái)看，植煙土壤有機(jī)質(zhì)、pH、全氮、全磷和全鉀含量不同種植年限比較，沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的差異。隨著種植年限的增加，有機(jī)質(zhì)存在明顯的增加趨勢(shì)，煙稻輪作10 a后，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了0.77 g/kg，輪作15 a以上，增加了3.69 g/kg。pH存在隨著種植年限的增加而增加的趨勢(shì)，田間調(diào)查也發(fā)現(xiàn)耕層土壤存在次生鹽堿化的趨勢(shì)。

3 討論

2006年、2012年和2017年靖西市煙區(qū)植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量總體上屬偏高和豐富水平，平均值分別為35.72、35.80和38.84 g/kg，無(wú)處于“缺乏”狀態(tài)的植煙土壤樣本。本研究結(jié)果與2002—2003年開(kāi)展的全國(guó)煙區(qū)植煙土壤養(yǎng)分豐缺評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，全國(guó)煙區(qū)有機(jī)質(zhì)含量低于15 g/kg 的土壤僅占全部土壤的17.1%，介于15 ~ 25 g/kg 之間的土壤占30.5%，我國(guó)超過(guò)一半的植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量偏高[29]，而優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)以土壤有機(jī)質(zhì)含量適中較好。美國(guó)煙區(qū)植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量處在20 ~ 25 g/kg范圍，津巴布韋、巴西、阿根廷等國(guó)植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量一般低于20 g/kg。與國(guó)內(nèi)外優(yōu)質(zhì)煙區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量比較而言，靖西市土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍偏高。

靖西市煙區(qū)植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量有隨著時(shí)間推移呈增加的趨勢(shì)，2017年度植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于2006年度和2012年度。干濕交替的水分管理較常規(guī)連續(xù)淹水能顯著提高土壤顆粒有機(jī)碳和微生物生物量碳含量以及各活性有機(jī)碳組分的分配比例。煙稻輪作10 a后，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了0.77 g/kg，輪作15 a以上，增加了3.69 g/kg。湖南省30 a稻田秸稈還田等外源有機(jī)物質(zhì)的輸入對(duì)增加0 ~ 20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量起到了顯著作用，而底層由于犁底層的存在，外源有機(jī)物質(zhì)很難進(jìn)一步往下遷移，從而使得耕層有機(jī)質(zhì)含量呈增加趨勢(shì)[30]。近5 a來(lái)，靖西市煙區(qū)重視植煙稻田有機(jī)肥的投入和秸稈還田，但由于水資源缺乏，稻田蓄水時(shí)間長(zhǎng)，土壤有機(jī)質(zhì)礦化較慢，呈現(xiàn)出土壤有機(jī)質(zhì)含量增加趨勢(shì)，與上述研究結(jié)論較為吻合。

采用ArcGIS 10.2軟件地統(tǒng)計(jì)分析模塊繪制靖西市煙區(qū)2017年度植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布圖，能夠更加直觀地分析植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分布特征，總體呈現(xiàn)偏高和豐富以上色斑。植煙土壤全氮和堿解氮含量分布特征也呈現(xiàn)出與有機(jī)質(zhì)類(lèi)似的空間分布特征。基于空間相關(guān)性分析的圖形繪制，與植煙鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃圖疊加，能更加直觀地發(fā)現(xiàn)適宜土壤有機(jī)質(zhì)含量分布區(qū)域，為煙草種植規(guī)劃提供更為明了的依據(jù)。

2017年度植煙土壤有機(jī)質(zhì)與對(duì)應(yīng)的其他土壤養(yǎng)分因子回歸分析，全氮、堿解氮和有機(jī)質(zhì)的回歸方程擬合度較高，決定系數(shù)在0.500 0以上，且存在植煙土壤全氮、堿解氮含量隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量增高而增加的趨勢(shì)。在各土壤養(yǎng)分與有機(jī)質(zhì)含量的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)中以全氮最大，有效鉬最??；關(guān)聯(lián)系數(shù)大小順序?yàn)椋喝?堿解氮>全磷>氯離子>有效硫>速效鉀>有效磷>有效鋅>有效鉬?；貧w分析要求數(shù)據(jù)量大，且數(shù)據(jù)的分布特征符合正態(tài)分布，尤其是多因素非典型分布特征的現(xiàn)象，回歸分析的結(jié)果具有不確定性?；疑P(guān)聯(lián)度分析是定量地描述因素之間相互變化的情況，所需數(shù)據(jù)較少，對(duì)數(shù)據(jù)要求低。利用兩種不同的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所得結(jié)果基本一致，尤其是土壤全氮、堿解氮與有機(jī)質(zhì)的變化趨勢(shì)一致性較好。另外，灰色關(guān)聯(lián)度分析更直觀揭示了土壤有機(jī)質(zhì)與其他土壤養(yǎng)分因子的關(guān)聯(lián)度大小關(guān)系。

土壤中氮素有 95% 以上為有機(jī)氮，二者相關(guān)性極為顯著，而且堿解氮主要是來(lái)源于土壤中的易堿解部分的有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮[31]。煙葉品質(zhì)與土壤全氮和堿解氮含量關(guān)系密切，尤其是煙葉成熟期，土壤堿解氮含量高，不利于煙葉成熟落黃和內(nèi)在化學(xué)成分的協(xié)調(diào)性。因此，靖西市煙區(qū)植煙土壤應(yīng)采取高起壟、二次培土等措施，增強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)礦化和堿解氮的消耗，有利于提高煙葉內(nèi)在質(zhì)量和評(píng)吸價(jià)值。

4 結(jié)論

靖西市土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍偏高，且表現(xiàn)出隨著時(shí)間推移呈增加的趨勢(shì)，并得到了空間分布特征分析的印證。

植煙土壤有機(jī)質(zhì)與全氮、堿解氮的相關(guān)性較高，存在植煙土壤全氮、堿解氮含量隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量增高而增加的趨勢(shì)。建議在土壤有機(jī)質(zhì)含量大于30 g/kg的植煙區(qū)域，通過(guò)深耕、曬垡、高起壟、降低地下水位等技術(shù)措施，加速土壤有機(jī)質(zhì)礦化。

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Temporal and Spatial Variability of Soil Organic Matter Content in Jingxi Tobacco Growing Area

ZHANG Yiyang1, SU Shenhe1, LIN Beisen2, LU Yachun2, WEI Zhong2*

(1 Agronomy College, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2 Baise Tobacco Company of Guangxi Zhuang Autonomous Region, Baise, Guangxi 533000, China)

The temporal and spatial variation characteristics of soil organic matter (SOM) content in tobacco planting fields in Jingxi and their relationship with soil nutrient contents and tobacco-rice rotation years were analyzed. The results showed that: 1) SOM contents in 2006, 2012 and 2017 were all generally high and rich, with the mean value of 35.72, 35.80 and 38.84 g/kg, respectively. There were no deficient level soil samples, and the low-level soil samples in 2012 were only 5.30%. Geostatistics showed that the overall appearance was high and the above spots were more abundant. 2) SOM content increased with time, and SOM content in 2017 was significantly higher than those in 2006 and 2012. 3) Regression analysis between SOM and other soil nutrients in 2017 showed that total nitrogen, hydrolyzable alkali nitrogen had higher positive correlation with SOM, and the coefficient of determination was above 0.5000.

Tobacco growing soil; Organic matter; Temporal and spatial variation; Grey correlation.

S158

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.01.029

張一揚(yáng), 粟深河, 林北森, 等. 靖西市植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量的時(shí)空變異特征. 土壤, 2020, 52(1): 202–206.

廣西壯族自治區(qū)煙草專(zhuān)賣(mài)局(公司)科技項(xiàng)目(2017-02)資助。

張一揚(yáng)(1974—)，男，湖南永州人，碩士，副研究員，主要從事煙草科學(xué)與工程技術(shù)教學(xué)與研究。E-mail: zyy@hunau.edu.cn