贵州省铜仁市植烟土壤主要养分空间变异特征分析

谭智勇 谌潇雄 刘 杰 谭大新 白 彬 周兴华 赵 辉

（1铜仁学院经济管理学院，554300，贵州铜仁；2贵州财经大学管理科学与工程学院，550025，贵州贵阳；3贵州省烟草公司铜仁市公司，554300，贵州铜仁；4临澧县农业农村局，415200，湖南临澧）

土壤养分是烟草生长发育所需营养元素的重要来源，研究植烟区域土壤养分空间分布特征，对其施肥管理和生态环境保护具有重要意义[1]。近年来，关于植烟土壤养分空间分布特征的研究较多。吴杰等[2]研究发现，重庆植烟区域土壤中N、P、K及有机质等含量有逐渐增加的趋势，建议生产上严格控制氮肥投入量，同时提升磷和钾肥的有效性。孙燕鑫等[3]研究了云南曲靖烟区马龙和沾益2个县土壤中铁元素含量的分布特征及其主要影响因素，结果表明，马龙和沾益植烟土壤有效铁含量较丰富，平均66.23mg/kg，但地区间差异显著，土壤有效铁含量与pH呈极显著负相关。李自林等[4]采集了云南省靖西市10个植烟乡镇的206个土壤样品，选取pH和有机质等8个土壤评价指标，运用隶属度函数模型、指数和法和克里金插值法对靖西市烟区土壤肥力进行适宜性评价，结果表明，采样区土壤肥力均在Ⅴ级以上，适宜性指数0.54，肥力中等偏下。李强等[5]基于地统计学方法和模糊数学原理对马龙县植烟土壤养分适宜性进行综合评价，结果表明，区域内植烟土壤养分适宜性指数为优的区域占研究区域总面积的0.19%，良的区域占19.63%，一般的区域占59.17%，中等的区域占21.01%。周星等[6]运用地统计学和地理信息系统（GIS）相结合的方法研究了四川省剑阁县植烟土壤养分的空间变异特征，形成了养分指标空间分布图，直观地反映出土壤养分分布状况和丰缺情况，为剑阁县植烟土壤的差异化管理奠定了基础。

科学平衡施肥对提高烤烟产量和质量、节约生产成本、提高经济效益、保护生态环境以及实现耕地可持续利用具有重要的现实意义[7-9]，铜仁市地处武陵山区，其植烟土壤养分相关的研究报道较少。本文以贵州省铜仁市植烟土壤为研究对象，利用地统计学和GIS等方法相结合分析了植烟土壤养分的空间分布特征，为铜仁市植烟土壤科学平衡施肥、提高肥料利用率、保护资源环境、实现烟叶优质适产和可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于贵州省铜仁市江口县、石阡县、思南县、印江土家族苗族自治县、德江县、沿河土家族自治县和松桃苗族自治县7个县的植烟地块（107°45′～109° 30′ E，27°7′～29°5′ N）进行。铜仁市位于贵州省东北部，与湖南省和重庆市接壤，属于典型的中亚热带湿润气候，年均温度 18℃，年日照时数1250h，年降雨量1100.0～1400.0mm，生态条件适宜烟株生长[10]。铜仁市是贵州省重要的植烟市，年烟叶种植面积达7.33×103hm2（11万亩），烟叶外观形态和内在品质相对较好。

1.2 样品采集与分析

试验于2019年11月进行。采用GPS定位技术，在贵州省铜仁市7个植烟县的主要植烟区域布置采样点，共采集土壤样品202个（图1）。取样遵循均匀性和代表性的原则，取样工具为木铲（防止取样工具对土壤养分测定结果的影响），取样深度0～20cm，用四分法取土样约1kg，经风干、研磨、过筛后装袋备用。采用重铬酸钾―硫酸氧化法测定土壤有机质含量，采用碱解扩散法测定碱解氮含量，采用钼锑抗比色法测定有效磷含量，采用乙酸铵交换―原子吸收法[11]测定交换性钾含量。

图1 植烟土壤取样点分布Fig.1 Distribution of soil sampling location

1.3 数据处理与统计方法

将铜仁市植烟土壤养分含量分为极低、低、中等、高和极高5个等级[12-14]，各等级的划分指标见表1。用SPSS 19.0软件进行数据处理和常规统计分析，用ArcGIS 10.2软件进行Kriging插值和绘图。在进行海拔与土壤养分指标关系平滑回归分析时，先对每项海拔按数值大小进行等样本数分组，各土壤养分指标均划分为10组（去掉1个最大值和1个最小值，每组10个），再计算各样本组该海拔的平均值和土壤养分含量的平均值，得到新变量，最后基于新变量样本采用回归法分析海拔与植烟土壤养分含量的关系。

表1 铜仁市植烟土壤主要养分分级标准Table 1 Classification standard of main nutrients of tobacco planting soil in Tongren

2 结果与分析

2.1 铜仁市植烟土壤主要养分含量基本统计特征

由表2可知，铜仁市植烟土壤有机质含量范围为5.47～59.81g/kg，处于中等及以上水平含量占比87.60%，有机质含量丰富。碱解氮含量范围为27.33～241.32mg/kg，处于中等及以上水平含量占比97.00%，其中高及以上水平含量占比54.90%，碱解氮含量偏高。有效磷含量范围为1.50～115.96mg/kg，处于低及以下水平含量占比30.70%，约1/3的样本数有效磷含量偏低，同时处于高及以上水平含量占比33.70%，约1/3的样本数有效磷含量偏高。交换性钾含量范围为46.20～977.10mg/kg，处于中等及以上水平含量占比88.60%，其中高及以上水平含量占比76.20%，交换性钾含量丰富。土壤主要养分变异系数范围为 25.51%～75.51%，均属于中等变异，变异系数依次为有效磷＞交换性钾＞有机质＞碱解氮。

表2 铜仁市植烟土壤主要养分统计特征Table 2 Descriptive analysis of main nutrients of tobacco planting soil in Tongren

2.2 土壤主要养分含量空间结构分析

选取克里金算法中的普通克里金法（Ordinary Kriging）[15]确定铜仁市植烟土壤主要养分的空间分布特征，分别用不同模型对土壤主要成分进行拟合，获取其最优半方差函数模型及其相关参数，标准化均方根误差（RMSE）接近1且标准化平均误差（MSE）接近0，能够很好地反映土壤主要养分的空间结构特征。结果（表3）显示，土壤有机质、碱解氮和交换性钾含量符合球状模型，而土壤有效磷含量符合指数模型。铜仁市植烟土壤主要养分块金效应在60.38%～67.02%范围内，均具有中等的空间相关性，主要养分指标的空间变异是由结构性因素和随机性因素共同作用的结果。

表3 土壤主要养分含量半方差函数模型及其拟合参数Table 3 The semi variogram models of main nutrients and its corresponding parameters

2.3 土壤主要养分含量区域分布特征

土壤养分空间分布情况见图2，土壤有机质和碱解氮含量的空间分布呈现一定的相关性，均呈现由东往西增加的趋势。松桃县和江口县有机质和碱解氮含量均处于中等水平，而石阡县西南部、德江县和沿河县交界处、思南县南部零星区域有机质含量偏高，德江县、思南县和石阡县大部分区域、沿河县和印江县西部碱解氮含量偏高。土壤有效磷和交换性钾含量空间分布情况如下，思南县中部及南部、思南与石阡交界处、德江县北部、沿河县西北部、江口县南部零星区域有效磷含量偏低，印江县大部分区域、松桃县西部、江口县北部、沿河县和德江县及石阡县南部有效磷含量偏高，全市交换性钾含量较为丰富，整体呈东部比西部高的趋势。

图2 铜仁市植烟土壤养分区域分布Fig.2 Regional distribution of soil nutrients in Tongren

2.4 土壤主要养分含量垂直分布特征

铜仁市植烟区域海拔跨度大，取样点海拔范围为440～1380m，海拔差达到940m。由表4可知，有机质、碱解氮和交换性钾含量均与海拔呈极显著正相关性（P＜0.01），有效磷含量与海拔呈正相关，但相关性不显著。平滑回归分析结果（图3）表明，有机质、碱解氮和交换性钾含量与海拔呈线性正相关，但其线性拟合程度一般，其R2在0.3238～0.6076范围内，R2表现为交换性钾＞碱解氮＞有机质。

图3 土壤主要养分与海拔的平滑回归分析Fig.3 Smooth regression analysis of soil nutrients and altitude

表4 土壤主要养分与海拔的相关系数Table 4 Correlation coefficients between main soil nutrients and altitude

3 讨论

有机质是土壤固相的重要组成成分，是评价土壤肥力和土壤质量的重要的指标之一[16-17]。铜仁市植烟土壤有机质含量为5.47～59.81g/kg，处于中等及以上水平的植烟区占比87.60%，有机质含量丰富，这可能与近年来铜仁市植烟区域土壤大力开展绿肥翻压等增施有机肥的措施有关。碱解氮是氮素营养的主要来源，是评价土壤肥力的重要指标之一[18-19]。铜仁市碱解氮含量范围为27.33～241.32mg/kg，处于中等及以上水平的植烟区含量占比97.00%，其中高及以上水平含量占比54.90%，碱解氮含量偏高，这与云南[5]、湖北[20]和广西[21]等烟区结果相似。

基于空间相关性分析的图形绘制分析，能更加直观地发现适宜土壤有机质与碱解氮含量分布区域，为当地烟草种植规划提供依据。铜仁市植烟土壤有机质和碱解氮含量的空间分布呈现一定的相关性，均呈由东往西增加的趋势，在垂直分布上有机质、碱解氮含量与海拔呈极显著正相关。土壤有机质、碱解氮含量与土壤供氮能力呈正相关，均能为烟草提供大量氮元素，特别是在烟草生长后期，土壤中氮素过高会导致烟叶贪青晚熟，上中部烟叶烟碱含量提高，降低烟叶品质。因此，在铜仁市西部植烟县，特别是其高海拔植烟地块，要适当控制有机肥和氮肥施用量，以提高烟叶品质。

土壤磷是植物磷素营养的主要来源，其含量高、低和有效性是衡量土壤肥力的主要指标之一[22]。铜仁市有30.70%的植烟土壤有效磷含量低于15mg/kg，分别分布在思南县中部及南部、思南县与石阡县交界处、德江县北部、沿河县西北部和江口县南部零星区域，建议这些区域注重增施磷肥，以满足烟草正常生长发育和品质形成的需要。同时铜仁市有33.70%的植烟土壤中有效磷含量高于30mg/kg，分别分布在印江县大部分区域、松桃县西部、江口县北部、沿河县和德江县及石阡县南部，建议这些区域适当控制磷肥的施用量。

土壤速效钾易被作物吸收利用，其含量高低常被作为判断植烟土壤钾素丰缺的重要指标[23]，土壤交换性钾占速效钾的90%以上[24]，是土壤速效钾的主要来源。铜仁市有88.60%植烟土壤交换性钾含量超过150mg/kg，含量丰富，其含量平均值较10年前增幅在50%以上[25]，土壤中交换性钾含量增长较快。钾是与烟草品质关系最为密切的矿质元素之一，当烟叶钾含量≥2%时，其燃烧性、焦油产生量、香气质、香气量和阴燃持火力显著改善[26]。但是土壤中交换性钾过高可能会导致与其他阳离子产生拮抗作用，影响烟草生长发育。因此，铜仁市植烟土壤在确保烤烟生产所必需的钾肥施用量的情况下，应适当控制钾肥的施用量。

4 结论

铜仁市植烟土壤有机质含量为5.47～59.81g/kg，碱解氮含量为27.33～241.32mg/kg，有效磷含量为1.50～115.96mg/kg，交换性钾含量为46.20～977.10mg/kg。铜仁市植烟土壤中有机质和交换性钾含量丰富，碱解氮含量偏高，应适当控制相应肥料的施用。33.70%的植烟土壤中有效磷含量高于30mg/kg，建议这些区域适当控制磷肥的施用。30.70%的植烟土壤有效磷含量低于15mg/kg，建议这些区域注重增施磷肥，以满足烟草正常新陈代谢和品质形成的需要。

铜仁市植烟土壤有机质与碱解氮含量的空间分布呈现一定的相关性，均呈由东往西增加的趋势。在垂直分布上有机质、碱解氮和交换性钾含量与海拔呈极显著正相关。