湘西植烟土壤有机质和全氮时空变异特征研究①

向世鹏，向德明，田 峰，张黎明,，黎 娟，周米良，田明慧，李 强*

(1 湖南农业大学农学院，长沙 410128；2 湖南省烟草公司湘西州公司，湖南吉首 416000；3 湖南省烟草公司长沙市公司，长沙 410007)

土壤是决定烟草产量和品质的根本因素，其供给状况直接影响烟株的生长发育[1]。氮素是限制烟草生长和品质产量的首要因素[2-6]，缺氮会导致烟株生长缓慢，发育不良；而氮素过量会导致烤烟生长过旺，成熟延迟且落黄不好，影响烤后烟叶品质，严重的甚至造成黑暴烟，失去使用价值[7-11]。有机质是土壤固相部分的重要组成成分，其含量与土壤肥力密切相关[12-13]。对烟草而言，土壤有机质含量过高或过低对于烟草的生长发育都会产生不良影响[14]，只有在有机质含量适宜的条件下，才能生产出优质的烟叶[15]。

湘西州位于湖南西北部，是湖南省重要的烤烟产区之一。虽然已有植烟土壤有机质(SOM)和全氮(TN)时空变异的研究报道[16-20]，关于湘西州植烟土壤方面，也已有了SOM 含量分布特征以及SOM 与有效养分的相关性研究报道[21-22]，但尚无SOM 和TN 时空变异及其之间关系的研究报道。为此，本研究以2000 年和2015 年两个时期湘西烤烟主产区土壤为研究对象，采用经典统计学和地统计学方法研究了SOM 和TN 含量特征以及时空变异特征，旨在为湘西州烤烟生产科学合理施用有机肥和氮肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 区域自然概况

湘西州位于湖南省西北部，东西宽约170 km，南北长约240 km，国土面积15 462 km2，其中耕地面积1.99 ×106hm2。全州地势呈西北高东南低的趋势，地形地貌以山原山地为主，兼有丘陵和小平原。湘西州属亚热带季风湿润气候，大陆性气候特征明显，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，年均气温16.5 ～17.5℃，年均降雨量1 290 ～ 1 600 mm，年均日照时数1 219 ～ 1 406 h。

湘西州是湖南主要烤烟产区之一，基本烟田3.07×105hm2，其中水烟1.32×105hm2，旱烟1.75×105hm2，主要烤烟品种为云烟87 和K326，全州年均烟叶产量2.25×104t，种植模式主要为烤烟-绿肥-玉米和烤烟-绿肥-水稻，土壤类型有发生分类上的水稻土、红壤、黄壤、黄棕壤、石灰土和紫色土等。

1.2 样品采集和分析

两次采样分别在2000 年和2015 年的11—12 月进行。在烟田冬翻前，选取面积≥667 m2的田块进行样品采集，用手持式GPS 定位，记录田块中心的经纬度和海拔。根据采样田块的形状，采取“X”形或“W”形多点随机取样，用土钻采集耕作层土壤(0 ～20 cm)，每个田块确保5 个样点以上，将5 个点的土样混合均匀后，用四分法取大约1 kg 土样带回实验室，经风干、去杂、研磨、过100 目(0.149 mm)筛后制成待测样品。SOM 测定采用重铬酸钾氧化法，TN测定采用凯氏定氮法[23]。

2000 年采集土壤样品446 个，2015 年采集土壤样品1 242 个，2015 年的采样点包括2000 年的采集点(图1)。

图1 样点分布图Fig.1 Sampling sites in 2000 and 2015

1.3 土壤有机质和全氮评价标准

本研究参照他人的研究结果[24-25]，制定了湘西烟区养分指标的评价标准，详见表1。

表1 湘西州植烟土壤SOM 和 TN 分级标准Table 1 Classification standards of SOM and TN

1.4 数据分析

采用IBM Statistics SPSS20.0 进行SOM 和TN 含量的描述性统计和K-S 检验[26]。半方差函数模型的计算和理论模型拟合采用GS+9.0 完成[27]，Kriging插值、绘图及面积统计均在ENRI ArcGIS 10.2.2 中实现[28-30]。

2 结果与分析

2.1 湘西植烟土壤有机质和全氮基本统计特征

15 a 来，湘西植烟土壤SOM 和TN 含量均值均增加显著，2015 年较2000 年分别上升了5.03 g/kg和0.31 g/kg，上升幅度分别达21.39% 和21.99%，从 “适宜”等级变为“高”等级，最小值变小，而变异系数、最大值、极差均变大，表明SOM 和TN含量在大幅增加的同时，其变异也在变大。

2.2 湘西植烟土壤有机质和全氮时空变异特征

采用多种函数模型对湘西植烟土壤SOM 和TN含量空间分布特征进行拟合，获得最佳函数模型及其相关参数(表3)，两个年度的SOM 和TN 含量的最佳函数模型为均为指数模型，各模型均具有较高的拟合精度(RMSSE 接近1，MSE 接近0)，能够很好地反映SOM 和TN 空间结构特征。两个年度的SOM 块金效应均在25% ～ 75%，而TN 的块金效应均＜25%，表明SOM 的空间变异由随机因素和结构因素共同决定，而TN 则主要由结构性因素决定。2015 年各指标的块金效应数值均较2000 年有所增大，反映出随机性因素对SOM 和TN 的作用变大，表明SOM 和TN的空间结构性减弱，随机变异性增强。此外，15 a来SOM 和TN 的Moran’s I 值也均有较大下降。经标准化计算，两个年份Moran’s I 的标准化Z 值均大于2.58，说明两个年度植烟土壤SOM 和TN 均表现为显著空间自相关，2015 年标准化Z 值低于2000 年，表明SOM 和TN 的空间自相关性在减弱，随机性因素对其影响在增强。

表2 不同时期湘西州植烟土壤SOM 和TN 含量状况Table 2 Statistics of SOM and TN in tobacco-planting area in 2000 and 2015 in Xiangxi

表 3 湘西植烟土壤SOM 和TN 的半方差函数模型及相关参数Table 3 Semi-variogram models and parameters of SOM and TN in tobacco-planting area in Xiangxi

采用普通Kriging 插值法获取2000 年和2015 年湘西州植烟土壤SOM 和TN 含量空间分布图(图2)，并利用ArcGIS 软件Arctool box 模块统计不同等级面积，可知，两个时期SOM 和TN 空间分布无明显规律性，2015 年湘西植烟土壤SOM 和TN 分级面积与2000 年相比发生较大变化。

2000 年湘西植烟土壤SOM 含量总体较适宜，“适宜”等级面积高达83.05%，“低”和“高”的面积比例分别仅为3.52% 和13.43%。2015 年SOM含量较2000 年有较大变化的趋势，新增了2000 年未出现的“极高”等级，面积为8.94%；“高”等级亦由原来的小范围分布增加至45.64%，相应地“适宜”等级的面积下降至45.32%。综上，2015 年湘西植烟土壤SOM “高”和“极高”等级的面积显著增加，分别增加了32.21% 和8.94%；而“低”和“适宜”等级则大幅下降，分别下降了3.42% 和37.73%。SOM这一大幅增加的趋势与有机物料投入增加有关。

2000 年湘西植烟土壤TN 含量总体较适宜，TN“适宜”的面积高达83.33%，“低”、“高”和“极高”的面积比例分别仅为4.20%、12.33% 和0.14%。2015 年植烟土壤TN 较2000 年有较大的变化趋势，“极高”等级由原来的零星分布增加至10.94%，“高”等级亦由原来的小范围分布增加至48.00% 而成为主要等级，相应地“适宜”等级的面积下降至38.90%。综上，2015 年湘西植烟土壤TN“高”和“极高”等级的面积显著增加，分别增加了35.67%和10.80%；而“低”和“适宜”等级则大幅下降，分别下降了2.04%和44.43%，15 a 来湘西植烟土壤TN 含量大幅增加。

2.3 湘西植烟土壤有机质与全氮的关系

本研究进一步对两个年度湘西植烟土壤SOM 与TN 含量的关系进行了深入研究。2000 年的数据分析结果表明，土壤SOM 与TN 含量呈极显著的正线性相关(r=0.853，P=0.000)；进一步采用决策树模型分析土壤SOM 对TN 含量的影响，结果表明土壤SOM对TN 影响的拐点分别为21.80 g/kg 和24.10 g/kg，2个拐点将土壤按SOM 高低分成3 组，各分组土壤TN均值分别为1.196、1.377、1.652 g/kg，土壤TN 在土壤SOM 分组间差异达极显著水平(图略)；采用等样本数平滑回归分析的方法分析土壤SOM 与TN 含量的关系，结果显示烤烟土壤SOM 与TN 含量呈极显著的线性正相关(R2= 0.980 3，P=0.000)，土壤SOM每增加10 g/kg，TN 相应增加0.424 g/kg(图3)。

2015 年的数据分析结果与2000 年的结果高度一致，土壤SOM 与TN 呈极显著正线性相关(r=0.749，P=0.000)；决策树模型分析结果表明，土壤SOM 对TN 含量影响的拐点分别为16.50、19.94、25.00、29.50、36.20、42.10 g/kg，6 个拐点将土壤按SOM含量高低分成7 组，各分组土壤全氮含量均值分别为0.953、1.298、1.474、1.681、1.929、2.162、2.647 g/kg，TN 在土壤SOM 分组间差异达到极显著水平(图略)。等样本数平滑回归分析结果显示(图3)，烤烟土壤SOM与TN 含量呈极显著的线性正相关(R2= 0.979 9，P=0.000)，SOM 每增加10 g/kg，TN 相应增加0.431 g/kg。综上，两个年份SOM 与TN 含量的关系高度一致。

图2 湘西植烟土壤SOM 和TN 含量时空分布Fig. 2 Spatial distribution of SOM and TN in 2000 and 2015 in Xiangxi

表4 不同时期湘西植烟土壤SOM 和TN 各等级面积变化Table 4 Area changes of SOM and TN under different grades from 2000 to 2015 in tobacco-planting area in Xiangxi

3 讨论

SOM 和TN 均是植烟土壤肥力评价的关键指标，对烟株生长和烟叶品质影响显著[31]。烟草生长对SOM 含量的适应性虽然较广，但过高或过低不利于烟叶品质，一般认为15 ～ 35 g/kg 对优质烟叶形成最为有利[32]。同样地，虽然在不同氮素含量的土壤上烟草一般均能完成其生活史，但有利于烟叶品质的土壤TN 适宜含量范围为1.0 ～ 1.5 g/kg。土壤理化性状有很强的空间异质性和时空变异性，SOM 和TN 含量的变化是一个随时间和空间变化而动态变化的过程。粮食作物土壤的相关报道较多，近年来有关植烟土壤SOM 和TN 含量的时空变异也有报道。邓小华等[33]研究发现，近10 a 来湖南邵阳烟区土壤SOM呈上升趋势，各县平均增幅达8.73% ～ 23.67%，与本研究结果一致。15 a 来，湘西植烟土壤SOM 从23.52 g/kg 上升到 28.55 g/kg，逐渐偏离烤烟生长的适宜范围，增幅达21.39%，这与当地的土壤保育措施如秸秆还田、绿肥种植、商品有机肥施用等措施密不可分。刘勇军等[34]等研究发现，从2000 年至2015年湖南宁乡烟区土壤TN 含量增幅达6.63%，且空间分布特点发生巨大变化，也与本研究的结果基本一致。15 a 来，湘西植烟土壤TN 含量从1.41 g/kg 上升到1.72 g/kg，增幅达21.99%，从“适宜”等级变为“高”等级，这可能与氮肥投入量增加以及植烟土壤氮素的逐年累积有关。

耕地土壤变异可分为系统变异和随机变异，这两种变异分别由结构因子和人为因子导致[35]。本研究采用目前常用的半方差函数法进行土壤SOM 和TN含量的时空变异研究[27]，不仅可以探明两者的空间异质性，还可以解析其随时间变异性，同时可避免样本方差的影响。本研究中两个年份植烟土壤的SOM和TN 的最佳函数均为指数模型，模型的RMSSE 接近1，且MSE 接近0，表明模型的拟合精度较高，可以精确反映土壤SOM 和TN 的空间结构特征和时间变化。15 a 间，SOM 和TN 的块金效应有小幅增加，表明随机因子(农艺措施、肥料投入等)对其影响程度增强，Moran’s I 值的计算结果也印证了这一结论，这与唐春闺等[19]在浏阳烟区的研究基本结论一致。说明长期的种植制度、耕作措施和养分管理等人为干预措施对植烟土壤SOM 和TN 均会产生显著的影响。两个年份植烟土壤SOM 与TN 含量呈极显著线性正相关，与王丰等[36]的研究结果基本一致，说明SOM 的矿化释放是TN 的一个主要来源。

图3 2000 年和2015 年土壤SOM 与TN 含量的平滑回归分析Fig. 3 Correlation between soil SOM and TN in 2000 and 2015

4 结论

本研究主要通过地统计学和GIS 技术对湘西植烟土壤SOM 和TN 含量时空变异特征进行了研究。从基本统计特征来看，湘西植烟土壤SOM 和TN 含量均值增加，最小值变小，而变异系数、最大值、极差均变大，表明两者在大幅增加的同时，其变异也在变大。从空间分布和面积统计结果来看，15 a 来SOM和TN 变化较大，“低”和“适宜”等级的面积下降，高”和“极高”等级的面积增加，SOM 和TN 空间自相关性在减弱，随机变异性在增强。植烟土壤SOM与TN 含量呈极显著的线性正相关，SOM 的矿化释放是TN 的一个主要来源。