保山市植烟土壤养分时空变异特征及土壤肥力适宜性评价

倪 明，濮永瑜，何 翔，胡志明，伏成秀，刘 芮，张 庆，段 焰，杨佩文，朱红业*

(1.云南省农业科学院农业环境资源研究所，云南 昆明 650205；2.云南省烟草公司保山市公司，云南 保山 678000)

【研究意义】土壤是农业生产的基础，也是作物生长的重要媒介，土壤为农作物的生长发育提供了必需的矿质营养元素，适宜的土壤条件有利于作物的优质高产[1]。土壤是自然界的一个动态系统，随时间和空间不断发生改变，同时还受自然环境、社会等多种因素的影响，土壤养分含量表现出较高的异质性[2-3]。烟草是一种适应性较广的作物，不同土壤肥力条件下均能生长；其次，土壤是影响烟叶内在品质的重要生态条件之一，适宜的土壤肥力条件是烟草优质适产的基础[4-5]。植烟土壤肥力适宜性评价通过对某区域内各土壤肥力因素的综合评价来确定其对烟草种植的适宜性程度，定性、定量、定位评价烟草在某区域种植的地力适宜性，合理利用植烟土壤资源，对指导植烟施肥实践，稳定烟叶优质适产，促进植烟土壤保育和可持续发展具有重要的意义[6]。【前人研究进展】目前，植烟土壤养分空间分布已成为相关领域的研究热点之一。李强等利用GPS 技术研究了曲靖植烟土壤养分状况总体状况和空间变异特征，并基于模糊数学模型对植烟土壤肥力适宜性进行综合评价[3]。王育军等利用模糊数学模型并结合地统计学和 GIS 技术的方法对罗平县植烟区土壤养分状况及肥力适宜性进行评价，并对该植烟区内土壤肥力年度间变化情况进行分析[5]。胡瑞文等[7]基于GIS 技术、地统计学和模糊数学方法对花垣植烟区土壤进行土壤肥力适宜性综合评价，并分析了影响土壤肥力的因素。【本研究切入点】土壤养分空间变异主要集中于土壤养分空间分布特征与影响因素、土壤养分空间分布特征与综合评价、土壤重金属污染分析及耕地土壤地力综合评价等[8-9]。保山市是云南省重要的优质烟区之一，对于行业发展具有重要影响。目前，关于保山市植烟土壤肥力水平的研究报道还较少，涉及动态变化的更少。【拟解决的关键问题】本研究以云南省保山市5个县(市、区)植烟土壤为研究对象，利用模糊数学模型隶属函数法对该植烟区2015—2019年采集的1465份土壤样本养分状况的空间变异规律进行研究，并对植烟区土壤肥力适宜性进行综合评价，以期为保山市植烟区合理施肥、土壤养分管理及优质烤烟生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

2015-2019年，在云南省保山市5个县(市、区)的基本烟田进行定位取样(E 98°25′～100°02′，N 24°08′～25°51′)，共收集到代表性土壤样本1465个。其中，隆阳区340个，昌宁县345个，龙陵县179个，施甸县311个，腾冲市290个。烟苗移栽前进行土壤样品采集，遵循均匀性、代表性原则。采用5点取样法采集0～20 cm耕层土壤，每取样点采集2.5～3.5 kg混合土样，用四分法取1.5 kg土样带回实验室。

1.2 土壤养分指标及测定方法

据生产实践经验，结合对研究区土壤养分指标含量和空间变异性的分析，选择土壤pH值、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、有效硼、有效锌、有效镁和水溶性氯为评价指标[10]。将土壤样本登记编号，经风干、研磨过筛，根据相关技术方法进行土壤养分指标含量测定[11]。

1.3 土壤养分评价标准

采用土壤养分分级法对植烟土壤进行丰缺状况分析。评价依据参考《保山烤烟综合标准》植烟土壤养分丰缺状况5级体系。此外，土壤肥力适宜性等级根据变异系数的大小划分，共分为5级：I级：SFI≥0.70；II级：0.55

1.4 土壤养分评价方法

植烟土壤肥力适宜性评价采用模糊数学模型隶属函数法。由于不同评价指标对土壤肥力的影响程度存在差异，因而本研究采用主成分分析法计算土壤肥力适宜性评价指标的权重大小。土壤肥力适宜性指数(soil fertility suitability index，SFI)计算公式如下：

(1)

式中：Nij和Wij分别为第i个土壤样品的第j个养分指标的隶属度值和相应的权重大小。

确定隶属函数公式(2)、(3)，把不规则分布、定量或定性描述的数值换算为从0到1分布的无量纲差异的隶属值。常见的综合评价的隶属函数类型主要有S型、反S型和抛物线型3种，其中pH、有机质、碱解氮、有效镁和水溶性氯为抛物线型(公式2)，速效磷、速效钾、有效硼和有效锌为 S 型(公式3)，函数表达式为：

(2)

(3)

式中：x为各土壤肥力指标的实际测量值，x4和x1表示各指标的上、下临界值，x3和x2为各指标的上、下限最优值。

1.5 数据统计分析

测定数据结果采用Microsoft Excel 2016、SPSS 25.0软件进行基本统计分析。

2 结果与分析

2.1 植烟土壤养分含量时间变异特征分析

如表1所示,2015-2019年，土壤pH呈弱酸性，变异强度低且适宜烟草植株的生长；有机质、碱解氮含量丰富，变异强度中等；速效钾、有效硼含量丰富，变异强度高；土壤有效磷、有效镁含量较丰富，变异强度高；土壤有效锌、水解性氯含量较丰富，变异强度较高。

表1 保山市植烟区土壤养分状况特征

2.2 植烟土壤养分空间变异特征分析

保山市5县(市、区)植烟土壤pH、有效磷、有机质和水溶性氯空间变异特征如表2所示。土壤pH 为5.57～7.17，空间变异系数为8.96 %～16.77 %，空间变异较小；其中，隆阳区、施甸县土壤pH偏高。土壤有效磷含量为22.70～36.20 mg·kg-1，含量较丰富，空间变异系数为64.81 %～87.13 %，空间变异大；其中，腾冲市土壤有效磷含量最高，全市土壤有效磷含量均高于适宜水平。土壤水溶性氯含量为15.43～21.65 mg·kg-1，含量较适宜，空间变异系数为136.87 %～220.01 %，空间变异大；其中，施甸县土壤水溶性氯含量最高，为21.65 mg·kg-1。土壤有机质含量为27.82～47.26 g·kg-1，含量丰富，空间变异系数为42.79 %～54.90 %，空间变异大，5县(市、区)有机质含量表现为腾冲市>龙陵县>施甸县>隆阳区>昌宁县。

表2 保山市植烟土壤pH、有效磷、水溶性氯和有机质空间变异分析

5县(市、区)植烟土壤有效硼和有效锌空间变异特征如表3所示。土壤有效硼含量为0.39～0.58 mg·kg-1，含量适宜，空间变异系数为50.26 %～112.62 %，空间变异大；其中，昌宁县土壤有效硼含量最高，为0.58 mg·kg-1。土壤有效锌含量为2.50～4.67 mg·kg-1，含量较丰富，空间变异系数为95.08 %～501.39 %，空间变异大；5县(市、区)土壤有效锌含量从高到低为昌宁县>施甸县>腾冲市>隆阳区>龙陵县。

表3 保山市植烟土壤有效硼、有效锌空间变异分析

5县(市、区)植烟土壤土壤碱解氮、速效钾和有效镁空间变异特征如表4所示。土壤碱解氮含量为103.50～163.03 mg·kg～1，含量丰富，空间变异系数为34.68 %～47.73 %，空间变异大；其中，腾冲市土壤碱解氮含量最高。土壤速效钾含量为171.05～365.52 mg·kg～1，含量丰富，空间变异系数为55.25 %～70.42 %，空间变异大；其中，施甸县土壤速效钾含量最高，腾冲市的最少。土壤有效镁含量为78.16～517.93 mg·kg～1，含量较丰富，空间变异系数为70.05 %～136.67 %，空间变异大；其中，隆阳区土壤有效镁含量要明显高于其余4县(市、区)。

表4 保山市5县(市、区)植烟土壤碱解氮、速效钾和有效镁空间变异分析

2.3 土壤肥力指标的隶属函数类型及曲线拐点值

保山市植烟土壤肥力指标隶属函数类型和阈值如表5所示，pH值、有机质、碱解氮、有效镁和水溶性氯的隶属函数曲线为抛物线型，速效钾、有效磷、有效硼和有效锌的隶属函数曲线为S型。据植烟区土壤养分指标权重可知，9个评价指标中碱解氮的权重最大，为16.46 %，有效磷的权重最小，为2.25 %。

表5 土壤养分指标权重及隶属函数的阈值

2.4 保山市5县植烟区土壤肥力适宜性评价

保山市5县(市、区)植烟土壤肥力适宜性评价结果如表6所示，土壤肥力适宜性指数平均值为0.589，为II级土壤，平均变异系数为23.76 %，表明全市植烟土壤肥力状况较好，且植烟土壤的肥力空间变异较小。昌宁县土壤肥力适宜性指数均值最大，为0.682，腾冲市的土壤肥力适宜性指数均值最小，为0.506，各县(市、区)土壤肥力适宜性指数表现为昌宁县>施甸县>龙陵县>隆阳区>腾冲市。

表6 保山市5县(市、区)土壤肥力适宜性综合评价结果

3 讨 论

本研究以保山市5个县(市、区)植烟土壤为研究对象，由于该研究区域地形地势的复杂性和植烟土壤养分的空间变异性，基于模糊数学模隶型属函数法进行综合评价，系统研究植烟区土壤养分含量的异质性，准确评价保山市植烟土壤肥力的适宜性。本研究中，1465个取样点均根据植烟区田块的分布情况选择，取样密度大，覆盖区域广，数据多服从正态分布，满足统计分析要求。其次，合理的取样密度对植烟区土壤肥力适宜性评价的准确性和资源节约意义重大[12]。本研究主要采用区域五点取样法，且样本基数多，取样密度大，评价结果准确性较高。但受土壤样本采集和分析测试成本的影响，无法让供试样本数量无限增加以提高适宜性综合评价的准确性。土壤肥力适宜性评价中，土壤样品的取样方法直接影响评价结果的客观性和准确性[13]。取样点及取样密度的选择在土壤肥力综合评价中是一个技术难题，没有统一的标准，且不同地区取样的技术方法也存在差异。

现如今，结合模糊数学模型探索科学的取样方法已成为生态学研究的热点之一。土壤评价指标的选取较为广泛，但不同的研究地区其选取的指标存在一定的差异，这可能与不同植烟地区土壤养分状况的差异较大有一定的关系[14-15]。本研究基于前人的研究基础及研究区域的土壤养分含量状况特征，确定了9个土壤养分指标[16-17]。评价方法的选择也尤为重要，不同评价方法所得评价结果的优劣尚无准确定论。本研究采用模糊数学模型隶属函数法进行综合评价，构建各土壤养分指标的隶属函数，计算各植烟县(市、区)区域土壤肥力适宜性指数。其中，各养分指标隶属函数的阈值和权重大小的确定较重要，直接影响评价结果的准确性。本研究依据《保山烤烟综合标准》中确定的土壤养分分级标准，确定个养分指标的阈值，采用主成分分析法确定各养分指标的权重，明确了各养分指标对土壤肥力适宜性指数的重要度，科学有效地对保山市植烟土壤的肥力适宜性进行综合评价。此外，还需注意的是，本研究植烟土壤肥力适宜性综合评价的结果仅能代表保山市植烟土壤潜在的生产能力，若要更准确科学地评价该地区烟草的生产力，还需考虑地形地貌、气候条件、栽培管理技术等多种因素的影响。

本研究中，5个县(市、区)植烟土壤肥力适宜性指数表现为昌宁县>施甸县>龙陵县>隆阳区>腾冲市，土壤肥力适宜性指数平均值为0.589，平均变异系数为23.76 %，表明全市植烟土壤肥力状况较好，适宜烟草植株的生产。但土壤有效磷、有效镁和有效锌含量偏高在一定程度上影响了土壤的肥力水平，合理控制磷肥、镁肥和锌肥的施用量是解决该问题的有效途径之一。植烟土壤肥力适宜性评价结果还发现，腾冲市无I级植烟土壤， II级和III级土壤占91.38 %，这可能是由于腾冲市植烟土壤有效镁和速效钾含量略低于其余4个县(区)植烟土壤，经隶属函数法计算后，其土壤肥力适宜性指数就偏低。此外，隆阳区和施甸县土壤pH 值偏高，分别为7.17和7.03，烟草生长最适pH 值在5.50～6.50，建议施用酸性肥料调节土壤pH 值至适宜范围内。

4 结 论

(1)2015-2019年，保山市5个县(市、区)植烟区土壤pH呈降低趋势，有效硼含量变化较稳定，有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、有效镁、有效锌、水解性氯含量呈增加趋势。

(2)土壤pH、有效硼和水溶性氯较适宜，有机质、碱解氮和速效钾含量丰富，有效磷、有效镁和有效锌含量较高，除pH和有机质外，其余7项指标的含量空间变异较大。

(3)保山市5县(市、区)平均土壤肥力适宜性指数为0.589，平均变异系数为23.76 %，表明全市植烟土壤肥力状况较好，且植烟土壤的肥力空间变异较小。昌宁县土壤肥力适宜性指数均值最大，各县(市、区)土壤肥力适宜性指数表现为：昌宁县>施甸县>龙陵县>隆阳区>腾冲市。