湘西植煙土壤有機(jī)質(zhì)和全氮時(shí)空變異特征研究①

向世鵬，向德明，田 峰，張黎明,，黎 娟，周米良，田明慧，李 強(qiáng)*

(1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128；2 湖南省煙草公司湘西州公司，湖南吉首 416000；3 湖南省煙草公司長沙市公司，長沙 410007)

土壤是決定煙草產(chǎn)量和品質(zhì)的根本因素，其供給狀況直接影響煙株的生長發(fā)育[1]。氮素是限制煙草生長和品質(zhì)產(chǎn)量的首要因素[2-6]，缺氮會(huì)導(dǎo)致煙株生長緩慢，發(fā)育不良；而氮素過量會(huì)導(dǎo)致烤煙生長過旺，成熟延遲且落黃不好，影響烤后煙葉品質(zhì)，嚴(yán)重的甚至造成黑暴煙，失去使用價(jià)值[7-11]。有機(jī)質(zhì)是土壤固相部分的重要組成成分，其含量與土壤肥力密切相關(guān)[12-13]。對煙草而言，土壤有機(jī)質(zhì)含量過高或過低對于煙草的生長發(fā)育都會(huì)產(chǎn)生不良影響[14]，只有在有機(jī)質(zhì)含量適宜的條件下，才能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的煙葉[15]。

湘西州位于湖南西北部，是湖南省重要的烤煙產(chǎn)區(qū)之一。雖然已有植煙土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)和全氮(TN)時(shí)空變異的研究報(bào)道[16-20]，關(guān)于湘西州植煙土壤方面，也已有了SOM 含量分布特征以及SOM 與有效養(yǎng)分的相關(guān)性研究報(bào)道[21-22]，但尚無SOM 和TN 時(shí)空變異及其之間關(guān)系的研究報(bào)道。為此，本研究以2000 年和2015 年兩個(gè)時(shí)期湘西烤煙主產(chǎn)區(qū)土壤為研究對象，采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了SOM 和TN 含量特征以及時(shí)空變異特征，旨在為湘西州烤煙生產(chǎn)科學(xué)合理施用有機(jī)肥和氮肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域自然概況

湘西州位于湖南省西北部，東西寬約170 km，南北長約240 km，國土面積15 462 km2，其中耕地面積1.99 ×106hm2。全州地勢呈西北高東南低的趨勢，地形地貌以山原山地為主，兼有丘陵和小平原。湘西州屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，大陸性氣候特征明顯，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年均氣溫16.5 ～17.5℃，年均降雨量1 290 ～ 1 600 mm，年均日照時(shí)數(shù)1 219 ～ 1 406 h。

湘西州是湖南主要烤煙產(chǎn)區(qū)之一，基本煙田3.07×105hm2，其中水煙1.32×105hm2，旱煙1.75×105hm2，主要烤煙品種為云煙87 和K326，全州年均煙葉產(chǎn)量2.25×104t，種植模式主要為烤煙-綠肥-玉米和烤煙-綠肥-水稻，土壤類型有發(fā)生分類上的水稻土、紅壤、黃壤、黃棕壤、石灰土和紫色土等。

1.2 樣品采集和分析

兩次采樣分別在2000 年和2015 年的11—12 月進(jìn)行。在煙田冬翻前，選取面積≥667 m2的田塊進(jìn)行樣品采集，用手持式GPS 定位，記錄田塊中心的經(jīng)緯度和海拔。根據(jù)采樣田塊的形狀，采取“X”形或“W”形多點(diǎn)隨機(jī)取樣，用土鉆采集耕作層土壤(0 ～20 cm)，每個(gè)田塊確保5 個(gè)樣點(diǎn)以上，將5 個(gè)點(diǎn)的土樣混合均勻后，用四分法取大約1 kg 土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)風(fēng)干、去雜、研磨、過100 目(0.149 mm)篩后制成待測樣品。SOM 測定采用重鉻酸鉀氧化法，TN測定采用凱氏定氮法[23]。

2000 年采集土壤樣品446 個(gè)，2015 年采集土壤樣品1 242 個(gè)，2015 年的采樣點(diǎn)包括2000 年的采集點(diǎn)(圖1)。

圖1 樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Sampling sites in 2000 and 2015

1.3 土壤有機(jī)質(zhì)和全氮評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本研究參照他人的研究結(jié)果[24-25]，制定了湘西煙區(qū)養(yǎng)分指標(biāo)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，詳見表1。

表1 湘西州植煙土壤SOM 和 TN 分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standards of SOM and TN

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用IBM Statistics SPSS20.0 進(jìn)行SOM 和TN 含量的描述性統(tǒng)計(jì)和K-S 檢驗(yàn)[26]。半方差函數(shù)模型的計(jì)算和理論模型擬合采用GS+9.0 完成[27]，Kriging插值、繪圖及面積統(tǒng)計(jì)均在ENRI ArcGIS 10.2.2 中實(shí)現(xiàn)[28-30]。

2 結(jié)果與分析

2.1 湘西植煙土壤有機(jī)質(zhì)和全氮基本統(tǒng)計(jì)特征

15 a 來，湘西植煙土壤SOM 和TN 含量均值均增加顯著，2015 年較2000 年分別上升了5.03 g/kg和0.31 g/kg，上升幅度分別達(dá)21.39% 和21.99%，從 “適宜”等級變?yōu)椤案摺钡燃?，最小值變小，而變異系?shù)、最大值、極差均變大，表明SOM 和TN含量在大幅增加的同時(shí)，其變異也在變大。

2.2 湘西植煙土壤有機(jī)質(zhì)和全氮時(shí)空變異特征

采用多種函數(shù)模型對湘西植煙土壤SOM 和TN含量空間分布特征進(jìn)行擬合，獲得最佳函數(shù)模型及其相關(guān)參數(shù)(表3)，兩個(gè)年度的SOM 和TN 含量的最佳函數(shù)模型為均為指數(shù)模型，各模型均具有較高的擬合精度(RMSSE 接近1，MSE 接近0)，能夠很好地反映SOM 和TN 空間結(jié)構(gòu)特征。兩個(gè)年度的SOM 塊金效應(yīng)均在25% ～ 75%，而TN 的塊金效應(yīng)均＜25%，表明SOM 的空間變異由隨機(jī)因素和結(jié)構(gòu)因素共同決定，而TN 則主要由結(jié)構(gòu)性因素決定。2015 年各指標(biāo)的塊金效應(yīng)數(shù)值均較2000 年有所增大，反映出隨機(jī)性因素對SOM 和TN 的作用變大，表明SOM 和TN的空間結(jié)構(gòu)性減弱，隨機(jī)變異性增強(qiáng)。此外，15 a來SOM 和TN 的Moran’s I 值也均有較大下降。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，兩個(gè)年份Moran’s I 的標(biāo)準(zhǔn)化Z 值均大于2.58，說明兩個(gè)年度植煙土壤SOM 和TN 均表現(xiàn)為顯著空間自相關(guān)，2015 年標(biāo)準(zhǔn)化Z 值低于2000 年，表明SOM 和TN 的空間自相關(guān)性在減弱，隨機(jī)性因素對其影響在增強(qiáng)。

表2 不同時(shí)期湘西州植煙土壤SOM 和TN 含量狀況Table 2 Statistics of SOM and TN in tobacco-planting area in 2000 and 2015 in Xiangxi

表 3 湘西植煙土壤SOM 和TN 的半方差函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)Table 3 Semi-variogram models and parameters of SOM and TN in tobacco-planting area in Xiangxi

采用普通Kriging 插值法獲取2000 年和2015 年湘西州植煙土壤SOM 和TN 含量空間分布圖(圖2)，并利用ArcGIS 軟件Arctool box 模塊統(tǒng)計(jì)不同等級面積，可知，兩個(gè)時(shí)期SOM 和TN 空間分布無明顯規(guī)律性，2015 年湘西植煙土壤SOM 和TN 分級面積與2000 年相比發(fā)生較大變化。

2000 年湘西植煙土壤SOM 含量總體較適宜，“適宜”等級面積高達(dá)83.05%，“低”和“高”的面積比例分別僅為3.52% 和13.43%。2015 年SOM含量較2000 年有較大變化的趨勢，新增了2000 年未出現(xiàn)的“極高”等級，面積為8.94%；“高”等級亦由原來的小范圍分布增加至45.64%，相應(yīng)地“適宜”等級的面積下降至45.32%。綜上，2015 年湘西植煙土壤SOM “高”和“極高”等級的面積顯著增加，分別增加了32.21% 和8.94%；而“低”和“適宜”等級則大幅下降，分別下降了3.42% 和37.73%。SOM這一大幅增加的趨勢與有機(jī)物料投入增加有關(guān)。

2000 年湘西植煙土壤TN 含量總體較適宜，TN“適宜”的面積高達(dá)83.33%，“低”、“高”和“極高”的面積比例分別僅為4.20%、12.33% 和0.14%。2015 年植煙土壤TN 較2000 年有較大的變化趨勢，“極高”等級由原來的零星分布增加至10.94%，“高”等級亦由原來的小范圍分布增加至48.00% 而成為主要等級，相應(yīng)地“適宜”等級的面積下降至38.90%。綜上，2015 年湘西植煙土壤TN“高”和“極高”等級的面積顯著增加，分別增加了35.67%和10.80%；而“低”和“適宜”等級則大幅下降，分別下降了2.04%和44.43%，15 a 來湘西植煙土壤TN 含量大幅增加。

2.3 湘西植煙土壤有機(jī)質(zhì)與全氮的關(guān)系

本研究進(jìn)一步對兩個(gè)年度湘西植煙土壤SOM 與TN 含量的關(guān)系進(jìn)行了深入研究。2000 年的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，土壤SOM 與TN 含量呈極顯著的正線性相關(guān)(r=0.853，P=0.000)；進(jìn)一步采用決策樹模型分析土壤SOM 對TN 含量的影響，結(jié)果表明土壤SOM對TN 影響的拐點(diǎn)分別為21.80 g/kg 和24.10 g/kg，2個(gè)拐點(diǎn)將土壤按SOM 高低分成3 組，各分組土壤TN均值分別為1.196、1.377、1.652 g/kg，土壤TN 在土壤SOM 分組間差異達(dá)極顯著水平(圖略)；采用等樣本數(shù)平滑回歸分析的方法分析土壤SOM 與TN 含量的關(guān)系，結(jié)果顯示烤煙土壤SOM 與TN 含量呈極顯著的線性正相關(guān)(R2= 0.980 3，P=0.000)，土壤SOM每增加10 g/kg，TN 相應(yīng)增加0.424 g/kg(圖3)。

2015 年的數(shù)據(jù)分析結(jié)果與2000 年的結(jié)果高度一致，土壤SOM 與TN 呈極顯著正線性相關(guān)(r=0.749，P=0.000)；決策樹模型分析結(jié)果表明，土壤SOM 對TN 含量影響的拐點(diǎn)分別為16.50、19.94、25.00、29.50、36.20、42.10 g/kg，6 個(gè)拐點(diǎn)將土壤按SOM含量高低分成7 組，各分組土壤全氮含量均值分別為0.953、1.298、1.474、1.681、1.929、2.162、2.647 g/kg，TN 在土壤SOM 分組間差異達(dá)到極顯著水平(圖略)。等樣本數(shù)平滑回歸分析結(jié)果顯示(圖3)，烤煙土壤SOM與TN 含量呈極顯著的線性正相關(guān)(R2= 0.979 9，P=0.000)，SOM 每增加10 g/kg，TN 相應(yīng)增加0.431 g/kg。綜上，兩個(gè)年份SOM 與TN 含量的關(guān)系高度一致。

圖2 湘西植煙土壤SOM 和TN 含量時(shí)空分布Fig. 2 Spatial distribution of SOM and TN in 2000 and 2015 in Xiangxi

表4 不同時(shí)期湘西植煙土壤SOM 和TN 各等級面積變化Table 4 Area changes of SOM and TN under different grades from 2000 to 2015 in tobacco-planting area in Xiangxi

3 討論

SOM 和TN 均是植煙土壤肥力評價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)，對煙株生長和煙葉品質(zhì)影響顯著[31]。煙草生長對SOM 含量的適應(yīng)性雖然較廣，但過高或過低不利于煙葉品質(zhì)，一般認(rèn)為15 ～ 35 g/kg 對優(yōu)質(zhì)煙葉形成最為有利[32]。同樣地，雖然在不同氮素含量的土壤上煙草一般均能完成其生活史，但有利于煙葉品質(zhì)的土壤TN 適宜含量范圍為1.0 ～ 1.5 g/kg。土壤理化性狀有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性和時(shí)空變異性，SOM 和TN 含量的變化是一個(gè)隨時(shí)間和空間變化而動(dòng)態(tài)變化的過程。糧食作物土壤的相關(guān)報(bào)道較多，近年來有關(guān)植煙土壤SOM 和TN 含量的時(shí)空變異也有報(bào)道。鄧小華等[33]研究發(fā)現(xiàn)，近10 a 來湖南邵陽煙區(qū)土壤SOM呈上升趨勢，各縣平均增幅達(dá)8.73% ～ 23.67%，與本研究結(jié)果一致。15 a 來，湘西植煙土壤SOM 從23.52 g/kg 上升到 28.55 g/kg，逐漸偏離烤煙生長的適宜范圍，增幅達(dá)21.39%，這與當(dāng)?shù)氐耐寥辣Ｓ胧┤缃斩掃€田、綠肥種植、商品有機(jī)肥施用等措施密不可分。劉勇軍等[34]等研究發(fā)現(xiàn)，從2000 年至2015年湖南寧鄉(xiāng)煙區(qū)土壤TN 含量增幅達(dá)6.63%，且空間分布特點(diǎn)發(fā)生巨大變化，也與本研究的結(jié)果基本一致。15 a 來，湘西植煙土壤TN 含量從1.41 g/kg 上升到1.72 g/kg，增幅達(dá)21.99%，從“適宜”等級變?yōu)椤案摺钡燃?，這可能與氮肥投入量增加以及植煙土壤氮素的逐年累積有關(guān)。

耕地土壤變異可分為系統(tǒng)變異和隨機(jī)變異，這兩種變異分別由結(jié)構(gòu)因子和人為因子導(dǎo)致[35]。本研究采用目前常用的半方差函數(shù)法進(jìn)行土壤SOM 和TN含量的時(shí)空變異研究[27]，不僅可以探明兩者的空間異質(zhì)性，還可以解析其隨時(shí)間變異性，同時(shí)可避免樣本方差的影響。本研究中兩個(gè)年份植煙土壤的SOM和TN 的最佳函數(shù)均為指數(shù)模型，模型的RMSSE 接近1，且MSE 接近0，表明模型的擬合精度較高，可以精確反映土壤SOM 和TN 的空間結(jié)構(gòu)特征和時(shí)間變化。15 a 間，SOM 和TN 的塊金效應(yīng)有小幅增加，表明隨機(jī)因子(農(nóng)藝措施、肥料投入等)對其影響程度增強(qiáng)，Moran’s I 值的計(jì)算結(jié)果也印證了這一結(jié)論，這與唐春閨等[19]在瀏陽煙區(qū)的研究基本結(jié)論一致。說明長期的種植制度、耕作措施和養(yǎng)分管理等人為干預(yù)措施對植煙土壤SOM 和TN 均會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。兩個(gè)年份植煙土壤SOM 與TN 含量呈極顯著線性正相關(guān)，與王豐等[36]的研究結(jié)果基本一致，說明SOM 的礦化釋放是TN 的一個(gè)主要來源。

圖3 2000 年和2015 年土壤SOM 與TN 含量的平滑回歸分析Fig. 3 Correlation between soil SOM and TN in 2000 and 2015

4 結(jié)論

本研究主要通過地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS 技術(shù)對湘西植煙土壤SOM 和TN 含量時(shí)空變異特征進(jìn)行了研究。從基本統(tǒng)計(jì)特征來看，湘西植煙土壤SOM 和TN 含量均值增加，最小值變小，而變異系數(shù)、最大值、極差均變大，表明兩者在大幅增加的同時(shí)，其變異也在變大。從空間分布和面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，15 a 來SOM和TN 變化較大，“低”和“適宜”等級的面積下降，高”和“極高”等級的面積增加，SOM 和TN 空間自相關(guān)性在減弱，隨機(jī)變異性在增強(qiáng)。植煙土壤SOM與TN 含量呈極顯著的線性正相關(guān)，SOM 的礦化釋放是TN 的一個(gè)主要來源。