基于空间插值法的遵义烟区植烟土壤养分时空变化

来源:用户上传      作者:张恒 黄莺 刘明宏 丁飞 杨楷 方冲冲

　　摘  要：为明确遵义烟区近10年田间管理技术对植烟土壤养分的影响，以遵义中部烟区为例，运用反距离权重法对比分析了遵义市播州区、汇川区、新蒲新区2006年和2016年的植烟土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、缓效钾、速效钾、pH的变化。结果表明，遵义植烟土壤中不同养分含量变化具有差异性，表现在土壤缓效钾和速效钾含量分别增加了36.43%和57.25%;土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、pH分别下降了23.17%、18.62%、16.78%、49.88%、0.52。在空间分布上，分别有87.2%、81.1%、90%、93.5%、80.0%的土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、pH呈下降趋势;分别有84.2%、90.2%的土壤缓效钾、速效钾呈增加趋势。养分空间分布的变化规律表征遵义烟区田间施肥和管理技术较为统一;同时显示，遵义烟区应增加有机肥和磷的施用量，维持氮总量，减少无机氮和钾的施用量并根据区域状况进行合理配方施肥。
　　关键词：植烟土壤;反距离权重法;土壤养分;时空变化
　　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
　　土壤養分作为土壤肥力的重要组成要素，为烤烟生长提供所必需的营养元素。协调的养分供应对烟叶产量和品质具有重要的影响[1-2]。而养分失调会使烤烟生长环境逐渐恶化，导致烟叶发育不良，烟叶质量下降[3-4]。土壤养分在时间和空间上是一种连续变异体，开垦后的土壤受水肥管理、栽培模式等人为因素影响进而影响土壤的生产功能[5-6]。土壤养分在时间上的变化是由水肥管理、栽培模式等因素造成，而区域管理的差异在土壤养分空间变化上得以体现[7]。一般认为，合理的管理和栽培措施能促进土壤养分含量的提高和协调，如施肥量的增加和秸秆还田促使土壤养分增加[8-9]，合理施用有机肥能够提升农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，如高密度种植、无休耕、不恰当的前茬作物、不合理的施肥等都影响着养分含量[11-12]。在同一个区域，由于对土壤养分管理存在差异，会导致养分出现差异性的变化，如湖南浏阳植烟土壤pH、有效磷和速效钾含量上升，但有机质和碱解氮含量下降[13];云南大理州植烟土壤有效硫的增幅显著高于其他指标[14]。耕作土壤养分的时空变异，除了受人为因素影响外，还有明显的生态气候烙印，降雨量和海拔都会影响土壤有机碳、全氮、全磷的变化[15-16]。因此，通过研究近10年遵义中部植烟土壤养分的时空变异，探讨水肥管理、栽培措施等对土壤养分的影响，提出合理的改进方法，可为实现烤烟稳产提质和可持续发展提供理论参考。 　　1  材料与方法
　　1.1  研究区域概况
　　研究区域位于贵州遵义中部，是中间香型烟叶风格的典型烟区，主要包括播州区、汇川区和新蒲新区，植烟面积约30 000 hm2。介于东经106°17′22″～107°26′25″，北纬27°13′15″～28°04′09″之间，国土面积4186.63 km2。该区域属中亚热带季风性湿润气候，年平均气温14.9 ℃，降雨量1035.7 mm，海拔800～1300 m。
　　1.2  土壤样品采集与来源
　　采用随机取样法取样。以烤烟种植基地单元为基础，每4 hm2左右设置1个取样点。每个取样点选取能代表该区域生产能力和肥力状况的烟田1块，按五點取样法取0～25 cm耕层土壤制成混和样。2006年取土壤样品共457个，其中195个来源于遵义市测土配方施肥土壤样品，262个来源于同期贵州省烟草公司植烟土壤监测样品。2016年454个土壤样品来自遵义县分公司植烟土壤调查，2016年植烟土壤取样点均在2006取样点附近进行取样（图1）。空间数据底图来源于贵州省县级行政区划图（1∶5万）。
　　1.3  研究方法
　　利用ArcGIS软件中的反距离权重法，进行空间插值运算，生成土壤养分的空间分布图;再利用ArcGIS的空间分析差值法得到2006—2016年土壤养分的时空变化图。
　　反距离权重插值法是以插值点与样本点之间的距离为权重的插值方法，对于插值点越近的样本点赋予的权重越大，其权重贡献与距离成反比。表示为：
　　式中，Z是插值点估计值;Zi（i=1+n）是实测样本值;n为参与计算的实测样本数;Di为插值点与第i个站点间的距离;P是距离的幂，它显著影响内插的结果，它的选择标准是最小平均绝对误差。当取P=2时，则称反距离平方加权法。
　　1.3.1  土壤养分测定方法[17]  有机质：重铬酸钾容量法-外加热法;酸碱度：pH计法;土壤全氮：凯氏蒸馏法;碱解氮：碱解扩散法;有效磷：Olsen法;速效钾：NH4OAc浸提-火焰光度法;缓效钾：1 mol/L热HNO3?提，火焰光度法。
　　1.3.2  土壤养分分级标准  依据烟草生长发育对土壤养分适宜性以及第二次全国土壤普查土壤养分含量分级标准[18]，将遵义烟田土壤养分划分为6个不同等级（表1）。
　　1.3.3  数据处理  利用Excel 2010对土壤养分含量进行描述性统计，ArcGIS 10.5软件制作土壤养分的空间分布图。
　　2  结  果
　　2.1  土壤有机质含量及分布变化
　　2006年植烟土壤有机质含量以中上和高水平为主，其中83.7%的土壤中含量在20～40 g/kg（图2a）;2016年土壤有机质含量以20～30 g/kg为主，分布面积占整个植烟区域的81.1%（图2b）。与2006年相比，2016年高水平样点增加，极值增大，但总体含量呈下降趋势，平均下降23.17%（表2）。下降面积占植烟土壤总面积的87.2%，新浦东北部、汇川东部和播州西部等区域下降程度较大（图2c）。
　　2.2  土壤氮含量及分布变化
　　2.2.1  土壤全氮含量及分布变化  2006年该区域64.6%的土壤中含量为1.5～2.0 g/kg，处于高水平（图3a）;2016年92.8%的区域含量在1.0～2.0 g/kg，处于中上和高水平（图3b）。与2006年相比，土壤全氮含量极值增大、变异系数增加、高含量点增加（表3）。其中东南部变化较小，西北部明显下降，平均下降18.62%，下降面积占植烟土壤总面积的81.1%左右，下降程度大的主要分布在汇川和播州（图3c）。2.2.2  土壤碱解氮含量及分布变化  2006年植烟土壤中碱解氮含量分布为北高南低，以大于150 mg/kg为主，分布面积占63.9%（图4a）;2016年则多在120～150 mg/kg之间，占植烟区域的66.2%（图4b）。与2006年相比，变异系数降低，养分差异缩小，平均下降16.78%（表4），下降面积占植烟总面积的90%。研究区域内碱解氮含量下降幅度以<40 mg/kg为主，分布在汇川西部、播州东部和整个新浦，占下降面积的51.5%（图4c）。
　　2.3  土壤有效磷含量及分布变化
　　2006年植烟土壤有效磷含量以高水平为主，81.4%的土壤中含量在20～30 mg/kg之间（图5a），2016年则以中等水平为主，有90.1%的区域在5～20 mg/kg（图5b）。2016年土壤有效磷含量极值缩小，变异系数增加，平均降低了49.88%（表5）。其降低的面积占总植烟面积的93.5%左右，下降量以<15 mg/kg和15～30 mg/kg为主，分别占37.6%和27.2%，下降区域呈条带状分布，在汇川东部、新浦西部和播州中部向东西部过渡的区域（图5c）。
　　2.4  土壤钾含量及分布变化
　　2.4.1  土壤缓效钾含量及分布变化  2006年植烟土壤缓效钾含量以200～300 mg/kg的居多，占植烟区域的63.0%，分布在播州的中部和汇川南部（图6a）;2016年植烟区域的72.5%在200～400 mg/kg，播州西北部较高、东南部相对较低，新蒲分布较为均衡，汇川分布差异较大（图6b）。2016年较2006年缓效钾极值增大，标准差增加，含量呈增加趋势，平均增加了36.43%（表6）。84.2%区域含量上升，播州西北部增加幅度最大（图6c）。
　　2.4.2  土壤速效钾含量及分布变化  2006年速效钾含量以中上水平为主，55.3%区域含量在100～150 mg/kg（图7a）;2016年速效钾含量以极高水平为主，59.0%的区域含量大于200 mg/kg（图7b）。2016年速效钾含量与2006年相比两极化更严重，标准差增加，极值增大，速效钾呈增加趋势，平均增加57.25%（表7）。90.2%的区域含量上升，增加幅度最大的是新蒲的东北部;51.3%的区域增加量<100 mg/kg，35.5%的区域增加量在100～200 mg/kg（图7c）。 　　2.5  土壤pH及分布变化
　　2006年68.4%的植烟土壤pH在6.5～7.5，以中性为主，播州和新蒲有相对较多的石灰性土壤分布（图8a）;2016年96.7%的植烟土壤pH在5.5～7.5，微酸性土壤主要分布在新浦和汇川的西部还有播州的西北部，中性土壤主要分布在播州和汇川（图8b）。2016年标准差和变异系数变小，平均下降了0.52个单位（表8）。80%的区域pH下降，幅度最大的是新蒲和播州的西北部（图8c）。
　　3  讨  论
　　本研究结果表明，2016年与2006年相比，土壤有机质含量降低，可能是无机肥施用多，有机肥施用量少，同时烟秆无法还田，造成土壤中有机物来源减少，长时间的积累低于消耗导致有机质降低[19]。目前有机质的下降已造成植烟土壤养分不协调，保肥能力降低;虽然有机质含量仍然处于中上水平，但烟叶质量下降较为明显。通过合理施用有机肥能够增加烟叶经济效益、改善化学成分的协调性、劲头、刺激性、吃味及杂气，同时增加土壤有益微生物量、土壤养分含量、活化土壤固定的磷、钾元素[20-21]，因此表1的评价体系已不适用于该区域。在该区域增施有机肥仍然能够改善烟叶品质和协调土壤养分。
　　土壤全氮由无机氮和有机氮组成，碱解氮包括无机氮及易水解的有机氮。碱解氮从极高下降到高水平，下降27.15 mg/kg;全氮从高水平下降到中上边缘，下降0.35 g/kg，说明全氮的降低主要是由于有机氮下降导致，这可能与土壤有机质下降有关[22]。因此需适当的增施有机肥以提高土壤氮含量和供氮能力[23]。
　　土壤有效磷含量出现急剧下降，这可能与近10年磷施用不足有关。遵义土壤中富含铁、铝氧化物，磷易被固定[24]，烤烟施肥方案中僅考虑了烤烟对磷的需求量，而忽略了植烟土壤对磷的固定作用;与此同时，在不能同时满足烤烟与环境（主要是微生物）对磷的需求时，可能产生磷的生物固定，导致土壤中有效磷逐年下降。以上两种成因是否是遵义烟区植烟土壤有效磷缺乏的直接原因，谁是主导因素，尚需进一步证明。
　　土壤缓效钾和速效钾呈现上升趋势，且增加幅度较大，为36.43%和57.25%。速效钾含量水平由中上升至极高，这可能是因为近10年来钾肥用量逐渐增加所致，应控制其施用量，速效钾增加的同时也促使缓效钾略有提升。
　　土壤pH下降可能与过量化肥施用、土地复种指数增加导致[25]。土壤pH降至微酸和中性为主，对区域内烤烟生长并无大的影响。
　　从土壤养分的空间分布来看，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、pH、缓效钾和速效钾的变化量在不同区域间存在着明显的差异，但仍能显示田间施肥和管理技术执行较为统一。绝大部分区域的土壤养分变化量不是特别的大，说明现有田间施肥和管理技术基本能维持土壤养分的稳定供应，但也反映出一些不足，主要是有机肥、磷肥施用不足。
　　4  结  论
　　通过对遵义播州、汇川、新浦10年前后（2006年、2016年）植烟土壤养分变化的研究发现，土壤缓效钾和速效钾含量增加了36.43%和57.25%;土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、pH下降了23.17%、18.62%、16.78%、49.88%、0.52。在空间分布上，大部分区域土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、pH呈现下降趋势，分别占植烟土壤总面积的87.2%、81.1%、90%、93.5%、80.0%;土壤缓效钾和速效钾则呈现增加趋势，分别占植烟土壤总面积的84.2%和90.2%。养分空间分布的变化规律表征遵义烟区田间施肥和管理技术实施较为统一;遵义烟区应增加有机肥和磷的施用量，维持氮总量，减少无机氮和钾的施用量并根据区域状况进行合理配方施肥。
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