湘西植烟土壤养分管理分区研究

向德明 李强 黎娟 胡瑞文 彭宇 张黎明 田明慧 周米良

摘要：为研究湘西植烟区域土壤养分特征和分区状况，采用GPS和模糊c均值聚类相结合的方法，对湘西植烟土壤主要养分进行管理分区。结果表明：（1）湘西植烟土壤有机质含量偏高，有效磷含量极高，全氮、碱解氮和速效钾的含量均为中等水平，各项养分指标均为中等程度变异。（2）通过相关分析筛选法，选取有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾作为养分管理分区指标。（3）湘西烟区可划分为3个养分管理分区，第1分区的特点是适氮、超高磷、高钾;第2分区的特点是适氮、适磷、低钾;第3分区的特点是适氮、高磷、钾素适宜。3个分区间有11项土壤养分指标含量差异显著或极显著。

关键词：植烟区;土壤养分;管理分区;湘西

中图分类号 S572文献标识码 A文章编号 1007-7731（2019）13-0119-04

Abstract： To study the soil nutrient characteristics and zoning of tobacco planting area in Xiangxi，Using the method of combining GPS and fuzzy c-means clustering，management zoning of main nutrients of tobacco planting soil in Xiangxi，Hunan province.The results show that：（1）The content of organic matter in soil of Xiangxi was high，the content of effective phosphorus was very high，and the content of total nitrogen，alkaline nitrogen and available potassium were medium level，all the above nutrient indexes showed moderate variation.（2）Through correlation analysis and screening，organic matter，total nitrogen，alkali-hydrolyzed nitrogen，available phosphorus and available potassium were selected as the zoning indexes of nutrient management.（3） Xiangxi tobacco area can be divided into three nutrient management zones. The characteristics of the first zone are suitable nitrogen，ultra-high phosphorus and high potassium;The characteristics of the second zone are suitable nitrogen and phosphorus and low potassium;The characteristics of the third zone are suitable nitrogen，high phosphorus and suitable potassium. There were significant or extremely significant differences in the contents of 11 soil nutrient indexes among the three zones.

Key words： Tobacco planting area;Soil nutrients;Manage partitions;Xiangxi

適宜的土壤环境条件是生产优质烟叶的基础[1]。植烟土壤的养分状况，会直接影响烤烟对矿质营养元素的吸收程度，进而影响烤烟的生长发育、品质及风格[2-4]。充分了解土壤养分状况是制定烤烟施肥管理方案的首要前提，科学的施肥管理方案是保护植烟土壤环境和保障烤烟优质适产的重要基础[5，6]。近年来，国内植烟土壤养分状况分析及评价，以及土壤养分管理分区已成为了研究热点[7-9]，而湘西是湖南省典型浓香型优质烟区之一[10]，却少有对其土壤养分管理分区进行研究的报道。鉴于此，本研究通过GPS和模糊c均值聚类相结合的方法，对湘西植烟土壤主要养分状况及管理分区进行了研究，以期了解湘西植烟土壤养分区域特点和分区状况，为湘西烟区土壤养分分区管理提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 区域自然概况 湘西位于湖南省西北部，是湖南省烟草种植大州，位于东经109°10′～110°22.5′，北纬27°44.5′～29°38′，地处湘、鄂、黔、渝四省市交界处。湘西地貌形态的总体轮廓是以山原山地为主，兼有丘陵和小平原，并向北西突出的弧形山区地貌。属亚热带季风湿润气候，具有明显的大陆性气候特征，四季分明，水热同季，降水充沛。年均降水量1300～1500mm，年平均气温12～16℃，7月平均气温24～27℃，1月平均气温1.7～4.3℃，无霜期达240～288d。土壤类型主要有黄壤、黄棕壤及紫砂壤等。

1.2 样品采集与分析 2015年3月，采用GPS技术在湘西7个植烟县的基本烟田进行定点取样，共取样1242个。采用5点取样法或“W”形取样法进行取样，随后用四分法保留大约1kg土样带回实验室进行检测。取回的土壤样品经风干、研磨及过筛后，进行土壤养分含量测定。土壤有机质采用重铬酸钾—硫酸法;土壤全氮采用半微量凯氏法;土壤碱解氮采用碱解扩散法;土壤有效磷采用碳酸氢钠钼蓝比色法;土壤速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度计法。具体测定方法参照《土壤农业化学分析方法》[11]。

1.3 评价标准 参照前人的研究结果[12-13]，并结合当地实际情况，制定了湘西烟区养分指标的评价标准，详见表1。

1.4 数据分析 模糊c均值聚类（FCM）是用隶属度确定每个数据点属于某个类别程度的一种非监督的聚类方法，在土壤、地形和遥感等数据的分类中运用较多。聚类过程引入模糊性能指数（FPI）和归一化分类熵（NCE）2项参数对农田管理分区数（模糊类别数）进行定量化表达和聚类有效性检验。其计算公式如下：

FPI数值在0～1。FPI越小，表示聚类时共用数据少，类别划分越明显，聚类效果越好。NCE越小则模糊c分区的分解量越大，分类效果越好。FPI和NCE同时达到最小值时的聚类数为最佳分类数。

模糊c-均值聚类在Matlab软件中完成。多元统计分析利用SPSS 19.0完成。

2 结果与分析

2.1 植烟土壤养分含量的基本特征 湘西植烟土壤主要养分含量基本特征如表2所示。由表2可知，从土壤养分含量均值来看，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量均值分别为28.55g/kg、1.72g/kg、147.01mg/kg、38.15mg/kg和219.34mg/kg，其中有机质含量偏高，全氮、碱解氮和速效钾含量均为中等水平，有效磷含量极高;从土壤养分含量的标准差和变化范围来看，各指标的含量变化幅度较大，最小值与最大值相差极大;从变异系数来看，各项养分指标的变异系数在30%～100%，均为中等变异。各项养分指标通过K-S检验、峰度检验和偏度检验表明，有机質、全氮、碱解氮和速效钾服从正态分布，有效磷经对数转换后服从正态分布。

2.2 植烟土壤养分指标相关性分析 由表3可知，各养分指标均相互呈现极显著正相关关系，选取有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾作为养分管理分区指标。

2.3 湘西植烟土壤肥力分区 利用Matlab软件对土壤养分数据进行模糊c-均值聚类分析，运算参数设置如下：最大迭代次数为300，收敛阈值为0.0001，模糊指数为1.30，最大分区数为6，最小分区数为2，NCE和FPI同时达到最小值时的分区数为最佳分区数（图1）。图1的NCE和FPI在分区数为3个时都同时达到最小值，研究区的最佳分区数为3个。考虑到分区的连续性、行政区域的完整性和实际种植情况，获得湘西植烟土壤养分管理分区图（图2）。各分区所包括的乡镇见表4，进一步对分区结果进行验证，以分区为单位对各养分指标进行统计，结果见表5，18项主要养分指标中的11项在分区间差异达显著或极显著水平，表明分区合理有效。第1分区的特点是适氮、超高磷、高钾，第2分区的特点是适氮、适磷、低钾，第3分区的特点是适氮、高磷、钾素适宜。

3 结论与讨论

采用模糊c均值聚类法，对湘西植烟土壤肥力指标进行分区，结果如下：湘西植烟土壤按肥力高低可分为3个分区，各分区特点如下：第1分区的特点是适氮、超高磷、高钾，第2分区的特点是适氮、适磷、低钾，第3分区的特点是适氮、高磷、钾素适宜。18项主要养分指标中的11项在分区间差异达显著或极显著水平，表明肥力分区合理有效。

由于湘西烟区地形地貌复杂，海拔落差较大，因而形成包含完整县域行政区域的有效分区较难实现，因而在本次分区过程中，以乡镇为单位进行分区，不考虑分区的连续性和县域行政区域的完整性，虽分区的工作量加大，但对于烤烟养分管理更具指导意义。

参考文献

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（责编：张宏民）