基于空間插值法的遵義煙區(qū)植煙土壤養(yǎng)分時空變化

張恒 黃鶯 劉明宏 丁飛 楊楷 方?jīng)_沖

摘 ?要：為明確遵義煙區(qū)近10年田間管理技術(shù)對植煙土壤養(yǎng)分的影響，以遵義中部煙區(qū)為例，運用反距離權(quán)重法對比分析了遵義市播州區(qū)、匯川區(qū)、新蒲新區(qū)2006年和2016年的植煙土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、緩效鉀、速效鉀、pH的變化。結(jié)果表明，遵義植煙土壤中不同養(yǎng)分含量變化具有差異性，表現(xiàn)在土壤緩效鉀和速效鉀含量分別增加了36.43%和57.25%;土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、pH分別下降了23.17%、18.62%、16.78%、49.88%、0.52。在空間分布上，分別有87.2%、81.1%、90%、93.5%、80.0%的土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、pH呈下降趨勢;分別有84.2%、90.2%的土壤緩效鉀、速效鉀呈增加趨勢。養(yǎng)分空間分布的變化規(guī)律表征遵義煙區(qū)田間施肥和管理技術(shù)較為統(tǒng)一;同時顯示，遵義煙區(qū)應(yīng)增加有機肥和磷的施用量，維持氮總量，減少無機氮和鉀的施用量并根據(jù)區(qū)域狀況進行合理配方施肥。

關(guān)鍵詞：植煙土壤;反距離權(quán)重法;土壤養(yǎng)分;時空變化

Abstract： In order to determine the effects of field management practices on tobacco growing soil nutrients in Zunyi tobacco area in the past 10 years， taking the central area of Zunyi as an example， the method of inverse distance weight in ArcGIS was employed to analyse the changes of soil organic matter， total nitrogen， alkali hydrolyzed nitrogen， available phosphorus， slow-release potassium， available potassium and pH in 2006 and 2016 in Bozhou， Huichuan District and Xinpu New District of Zunyi， respectively. Results showed that the variation of nutrient contents in Zunyi tobacco growing soils was distinct. The contents of slow-release potassium and available potassium increased by 36.43% and 57.25%， respectively， while the contents of organic matter， total nitrogen， alkali hydrolyzed nitrogen， available phosphorus and pH decreased by 23.17%， 18.62%， 16.78%， 49.88% and 0.52， respectively. In terms of spatial distribution， the contents of soil organic matter， total nitrogen， available nitrogen and available phosphorus mainly exhibited decreasing trend， accounting for 87.2%， 81.1%， 90%， 93.5% and 80.0% of the total area， respectively， whereas the contents of slow-release potassium and available potassium exhibited increasing trend， accounting for 84.2% and 90.2% of the total area， respectively. The variations of nutrient spatial distribution indicates that the application of field fertilization and management practices is standardized， and its effect on tobacco growing soil in Zunyi tobacco area exhibits identity. The variation of different nutrient contents proved higher application level of organic and phosphorus， maintenance of the current level of total nitrogen， and lower rates of inorganic nitrogen and potassium applied， meanwhile rational formula fertilization should be performed according to local situations.

Keywords： tobacco growing soil; inverse distance weight method; soil nutrient; temporal and spatial variation

土壤養(yǎng)分作為土壤肥力的重要組成要素，為烤煙生長提供所必需的營養(yǎng)元素。協(xié)調(diào)的養(yǎng)分供應(yīng)對煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要的影響[1-2]。而養(yǎng)分失調(diào)會使烤煙生長環(huán)境逐漸惡化，導(dǎo)致煙葉發(fā)育不良，煙葉質(zhì)量下降[3-4]。土壤養(yǎng)分在時間和空間上是一種連續(xù)變異體，開墾后的土壤受水肥管理、栽培模式等人為因素影響進而影響土壤的生產(chǎn)功能[5-6]。土壤養(yǎng)分在時間上的變化是由水肥管理、栽培模式等因素造成，而區(qū)域管理的差異在土壤養(yǎng)分空間變化上得以體現(xiàn)[7]。一般認為，合理的管理和栽培措施能促進土壤養(yǎng)分含量的提高和協(xié)調(diào)，如施肥量的增加和秸稈還田促使土壤養(yǎng)分增加[8-9]，合理施用有機肥能夠提升農(nóng)田土壤微生物碳量和氮含量[10]。不合理的管理和栽培使土壤肥力降低，如高密度種植、無休耕、不恰當(dāng)?shù)那安缱魑?、不合理的施肥等都影響著養(yǎng)分含量[11-12]。在同一個區(qū)域，由于對土壤養(yǎng)分管理存在差異，會導(dǎo)致養(yǎng)分出現(xiàn)差異性的變化，如湖南瀏陽植煙土壤pH、有效磷和速效鉀含量上升，但有機質(zhì)和堿解氮含量下降[13];云南大理州植煙土壤有效硫的增幅顯著高于其他指標[14]。耕作土壤養(yǎng)分的時空變異，除了受人為因素影響外，還有明顯的生態(tài)氣候烙印，降雨量和海拔都會影響土壤有機碳、全氮、全磷的變化[15-16]。因此，通過研究近10年遵義中部植煙土壤養(yǎng)分的時空變異，探討水肥管理、栽培措施等對土壤養(yǎng)分的影響，提出合理的改進方法，可為實現(xiàn)烤煙穩(wěn)產(chǎn)提質(zhì)和可持續(xù)發(fā)展提供理論參考。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于貴州遵義中部，是中間香型煙葉風(fēng)格的典型煙區(qū)，主要包括播州區(qū)、匯川區(qū)和新蒲新區(qū)，植煙面積約30 000 hm2。介于東經(jīng)106°17′22″～107°26′25″，北緯27°13′15″～28°04′09″之間，國土面積4186.63 km2。該區(qū)域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候，年平均氣溫14.9 ℃，降雨量1035.7 mm，海拔800～1300 m。

1.2 ?土壤樣品采集與來源

采用隨機取樣法取樣。以烤煙種植基地單元為基礎(chǔ)，每4 hm2左右設(shè)置1個取樣點。每個取樣點選取能代表該區(qū)域生產(chǎn)能力和肥力狀況的煙田1塊，按五點取樣法取0～25 cm耕層土壤制成混和樣。2006年取土壤樣品共457個，其中195個來源于遵義市測土配方施肥土壤樣品，262個來源于同期貴州省煙草公司植煙土壤監(jiān)測樣品。2016年454個土壤樣品來自遵義縣分公司植煙土壤調(diào)查，2016年植煙土壤取樣點均在2006取樣點附近進行取樣（圖1）?？臻g數(shù)據(jù)底圖來源于貴州省縣級行政區(qū)劃圖（1∶5萬）。

1.3 ?研究方法

利用ArcGIS軟件中的反距離權(quán)重法，進行空間插值運算，生成土壤養(yǎng)分的空間分布圖;再利用ArcGIS的空間分析差值法得到2006—2016年土壤養(yǎng)分的時空變化圖。

反距離權(quán)重插值法是以插值點與樣本點之間的距離為權(quán)重的插值方法，對于插值點越近的樣本點賦予的權(quán)重越大，其權(quán)重貢獻與距離成反比。表示為：

式中，Z是插值點估計值;Zi（i=1+n）是實測樣本值;n為參與計算的實測樣本數(shù);Di為插值點與第i個站點間的距離;P是距離的冪，它顯著影響內(nèi)插的結(jié)果，它的選擇標準是最小平均絕對誤差。當(dāng)取P=2時，則稱反距離平方加權(quán)法。

1.3.1 ?土壤養(yǎng)分測定方法[17] ?有機質(zhì)：重鉻酸鉀容量法-外加熱法;酸堿度：pH計法;土壤全氮：凱氏蒸餾法;堿解氮：堿解擴散法;有效磷：Olsen法;速效鉀：NH4OAc浸提-火焰光度法;緩效鉀：1 mol/L熱HNO3?提，火焰光度法。

1.3.2 ?土壤養(yǎng)分分級標準 ?依據(jù)煙草生長發(fā)育對土壤養(yǎng)分適宜性以及第二次全國土壤普查土壤養(yǎng)分含量分級標準[18]，將遵義煙田土壤養(yǎng)分劃分為6個不同等級（表1）。

1.3.3 ?數(shù)據(jù)處理 ?利用Excel 2010對土壤養(yǎng)分含量進行描述性統(tǒng)計，ArcGIS 10.5軟件制作土壤養(yǎng)分的空間分布圖。

2 ?結(jié) ?果

2.1 ?土壤有機質(zhì)含量及分布變化

2006年植煙土壤有機質(zhì)含量以中上和高水平為主，其中83.7%的土壤中含量在20～40 g/kg（圖2a）;2016年土壤有機質(zhì)含量以20～30 g/kg為主，分布面積占整個植煙區(qū)域的81.1%（圖2b）。與2006年相比，2016年高水平樣點增加，極值增大，但總體含量呈下降趨勢，平均下降23.17%（表2）。下降面積占植煙土壤總面積的87.2%，新浦東北部、匯川東部和播州西部等區(qū)域下降程度較大（圖2c）。

2.2 ?土壤氮含量及分布變化

2.2.1 ?土壤全氮含量及分布變化 ?2006年該區(qū)域64.6%的土壤中含量為1.5～2.0 g/kg，處于高水平（圖3a）;2016年92.8%的區(qū)域含量在1.0～2.0 g/kg，處于中上和高水平（圖3b）。與2006年相比，土壤全氮含量極值增大、變異系數(shù)增加、高含量點增加（表3）。其中東南部變化較小，西北部明顯下降，平均下降18.62%，下降面積占植煙土壤總面積的81.1%左右，下降程度大的主要分布在匯川和播州（圖3c）。2.2.2 ?土壤堿解氮含量及分布變化 ?2006年植煙土壤中堿解氮含量分布為北高南低，以大于150 mg/kg為主，分布面積占63.9%（圖4a）;2016年則多在120～150 mg/kg之間，占植煙區(qū)域的66.2%（圖4b）。與2006年相比，變異系數(shù)降低，養(yǎng)分差異縮小，平均下降16.78%（表4），下降面積占植煙總面積的90%。研究區(qū)域內(nèi)堿解氮含量下降幅度以<40 mg/kg為主，分布在匯川西部、播州東部和整個新浦，占下降面積的51.5%（圖4c）。

2.3 ?土壤有效磷含量及分布變化

2006年植煙土壤有效磷含量以高水平為主，81.4%的土壤中含量在20～30 mg/kg之間（圖5a），2016年則以中等水平為主，有90.1%的區(qū)域在5～20 mg/kg（圖5b）。2016年土壤有效磷含量極值縮小，變異系數(shù)增加，平均降低了49.88%（表5）。其降低的面積占總植煙面積的93.5%左右，下降量以<15 mg/kg和15～30 mg/kg為主，分別占37.6%和27.2%，下降區(qū)域呈條帶狀分布，在匯川東部、新浦西部和播州中部向東西部過渡的區(qū)域（圖5c）。

2.4 ?土壤鉀含量及分布變化

2.4.1 ?土壤緩效鉀含量及分布變化 ?2006年植煙土壤緩效鉀含量以200～300 mg/kg的居多，占植煙區(qū)域的63.0%，分布在播州的中部和匯川南部（圖6a）;2016年植煙區(qū)域的72.5%在200～400 mg/kg，播州西北部較高、東南部相對較低，新蒲分布較為均衡，匯川分布差異較大（圖6b）。2016年較2006年緩效鉀極值增大，標準差增加，含量呈增加趨勢，平均增加了36.43%（表6）。84.2%區(qū)域含量上升，播州西北部增加幅度最大（圖6c）。

2.4.2 ?土壤速效鉀含量及分布變化 ?2006年速效鉀含量以中上水平為主，55.3%區(qū)域含量在100～150 mg/kg（圖7a）;2016年速效鉀含量以極高水平為主，59.0%的區(qū)域含量大于200 mg/kg（圖7b）。2016年速效鉀含量與2006年相比兩極化更嚴重，標準差增加，極值增大，速效鉀呈增加趨勢，平均增加57.25%（表7）。90.2%的區(qū)域含量上升，增加幅度最大的是新蒲的東北部;51.3%的區(qū)域增加量<100 mg/kg，35.5%的區(qū)域增加量在100～200 mg/kg（圖7c）。

2.5 ?土壤pH及分布變化

2006年68.4%的植煙土壤pH在6.5～7.5，以中性為主，播州和新蒲有相對較多的石灰性土壤分布（圖8a）;2016年96.7%的植煙土壤pH在5.5～7.5，微酸性土壤主要分布在新浦和匯川的西部還有播州的西北部，中性土壤主要分布在播州和匯川（圖8b）。2016年標準差和變異系數(shù)變小，平均下降了0.52個單位（表8）。80%的區(qū)域pH下降，幅度最大的是新蒲和播州的西北部（圖8c）。

3 ?討 ?論

本研究結(jié)果表明，2016年與2006年相比，土壤有機質(zhì)含量降低，可能是無機肥施用多，有機肥施用量少，同時煙稈無法還田，造成土壤中有機物來源減少，長時間的積累低于消耗導(dǎo)致有機質(zhì)降低[19]。目前有機質(zhì)的下降已造成植煙土壤養(yǎng)分不協(xié)調(diào)，保肥能力降低;雖然有機質(zhì)含量仍然處于中上水平，但煙葉質(zhì)量下降較為明顯。通過合理施用有機肥能夠增加煙葉經(jīng)濟效益、改善化學(xué)成分的協(xié)調(diào)性、勁頭、刺激性、吃味及雜氣，同時增加土壤有益微生物量、土壤養(yǎng)分含量、活化土壤固定的磷、鉀元素[20-21]，因此表1的評價體系已不適用于該區(qū)域。在該區(qū)域增施有機肥仍然能夠改善煙葉品質(zhì)和協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分。

土壤全氮由無機氮和有機氮組成，堿解氮包括無機氮及易水解的有機氮。堿解氮從極高下降到高水平，下降27.15 mg/kg;全氮從高水平下降到中上邊緣，下降0.35 g/kg，說明全氮的降低主要是由于有機氮下降導(dǎo)致，這可能與土壤有機質(zhì)下降有關(guān)[22]。因此需適當(dāng)?shù)脑鍪┯袡C肥以提高土壤氮含量和供氮能力[23]。

土壤有效磷含量出現(xiàn)急劇下降，這可能與近10年磷施用不足有關(guān)。遵義土壤中富含鐵、鋁氧化物，磷易被固定[24]，烤煙施肥方案中僅考慮了烤煙對磷的需求量，而忽略了植煙土壤對磷的固定作用;與此同時，在不能同時滿足烤煙與環(huán)境（主要是微生物）對磷的需求時，可能產(chǎn)生磷的生物固定，導(dǎo)致土壤中有效磷逐年下降。以上兩種成因是否是遵義煙區(qū)植煙土壤有效磷缺乏的直接原因，誰是主導(dǎo)因素，尚需進一步證明。

土壤緩效鉀和速效鉀呈現(xiàn)上升趨勢，且增加幅度較大，為36.43%和57.25%。速效鉀含量水平由中上升至極高，這可能是因為近10年來鉀肥用量逐漸增加所致，應(yīng)控制其施用量，速效鉀增加的同時也促使緩效鉀略有提升。

土壤pH下降可能與過量化肥施用、土地復(fù)種指數(shù)增加導(dǎo)致[25]。土壤pH降至微酸和中性為主，對區(qū)域內(nèi)烤煙生長并無大的影響。

從土壤養(yǎng)分的空間分布來看，土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、pH、緩效鉀和速效鉀的變化量在不同區(qū)域間存在著明顯的差異，但仍能顯示田間施肥和管理技術(shù)執(zhí)行較為統(tǒng)一。絕大部分區(qū)域的土壤養(yǎng)分變化量不是特別的大，說明現(xiàn)有田間施肥和管理技術(shù)基本能維持土壤養(yǎng)分的穩(wěn)定供應(yīng)，但也反映出一些不足，主要是有機肥、磷肥施用不足。

4 ?結(jié) ?論

通過對遵義播州、匯川、新浦10年前后（2006年、2016年）植煙土壤養(yǎng)分變化的研究發(fā)現(xiàn)，土壤緩效鉀和速效鉀含量增加了36.43%和57.25%;土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、pH下降了23.17%、18.62%、16.78%、49.88%、0.52。在空間分布上，大部分區(qū)域土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、pH呈現(xiàn)下降趨勢，分別占植煙土壤總面積的87.2%、81.1%、90%、93.5%、80.0%;土壤緩效鉀和速效鉀則呈現(xiàn)增加趨勢，分別占植煙土壤總面積的84.2%和90.2%。養(yǎng)分空間分布的變化規(guī)律表征遵義煙區(qū)田間施肥和管理技術(shù)實施較為統(tǒng)一;遵義煙區(qū)應(yīng)增加有機肥和磷的施用量，維持氮總量，減少無機氮和鉀的施用量并根據(jù)區(qū)域狀況進行合理配方施肥。

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