川北植烟土壤有机质和全氮空间变异研究

唐杰，王昌全，李启权，李冰，易云亮

四川农业大学资源环境学院，四川省成都市温江区公平镇惠民路211号 611130

川北植烟土壤有机质和全氮空间变异研究

唐杰，王昌全，李启权，李冰，易云亮

四川农业大学资源环境学院，四川省成都市温江区公平镇惠民路211号 611130

运用GIS技术及地统计学方法，研究了川北植烟土壤有机质和全氮空间变异特征及其影响因素。结果表明，植烟土壤有机质含量变幅为(5.80～42.00)g.kg-1，全氮含量变幅为(0.66～2.39)g.kg-1，土壤有机质和全氮块金系数分别为61.7%和72.0%，说明空间自相关性较弱。空间插值表明，旺苍县绝大部分区域及剑阁县中部土壤有机质含量适宜，而元坝区和剑阁县区域内较大范围边缘有机质较缺乏；剑阁县及元坝区大部分区域土壤全氮含量适宜，而旺苍县大部分区域土壤全氮含量偏高。

GIS；地统计学；有机质；全氮；变异系数

土壤是烤烟种植的重要载体及烟叶养分的主要来源[1]。其中，土壤氮素是土壤养分的重要组成部分，也是烤烟生长发育的必需元素；土壤氮素是决定烟草产量及品质最重要的营养元素之一,直接制约着烟株形态,生长速度,叶片大小及烟叶产量与品质[2-3]。土壤有机质在陆地生态系统的碳平衡和土壤资源的可持续利用中具有重要作用，而且是评价土壤肥力和环境质量的重要指标[4-5]。随着3S技术的不断发展,土壤特性空间变异性研究已成为土壤科学领域的热点之一，国内外已有许多学者结合地统计学方法研究了土壤有机质和全氮的空间变异特征及其对烤烟的影响，探讨了变异的原因，并取得了丰富的研究成果[6-8]。

川北烟区位于四川省北部，是四川省烤烟的重要产区之一,近年来，围绕川北烟区在土壤养分状况与烤烟质量和化学成分分析的关系[9-10]等方面开展了大量的研究工作,但是目前很少有涉及川北烟区植烟县（区）土壤有机质和全氮综合空间分布状况及变异程度的研究报道。为此，本研究试图通过对川北植烟土壤有机质和全氮的综合研究，以GIS软件作为研究辅助基础，采用地统计学方法对川北植烟土壤有机质和全氮空间变异特征进行研究。以期揭示该烟区土壤有机质和全氮的空间分布特征，为川北烟区烤烟生产中土壤养分状况分析、管理和合理平衡施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

川北烟区位于四川省的北部，由广元市旺苍县、剑阁县和元坝区构成，处于东经105°11′至106°44′，北纬31°32′至 32°39′之间,山地向盆地过渡地带，平均海拔700 m，属于亚热带湿润季风气候，年平均气温16.1℃，年降雨量800～1000 mm，日照数1300～1400 h，四季分明，光热资源丰富。该烟区是烤烟的适宜种植区,也是四川省烤烟的重要生产区域之一。

1.2 试验设计

1.2.1 土壤采样

采用GPS定位技术，取样点遵循均匀性、代表性原则，同时兼顾土壤类型、地形特点等，用手持式GPS定位，记录采样点的经纬度和高程，以定位点为中心，在半径10 m的圆形区域内多点混合均匀取样，取样深度0～20 cm，在川北烟区3个植烟主产县（区）基本烟田区共采集土壤样品3534个，其中旺苍县1117个，剑阁县1260个，元坝区1157个。

1.2.2 样品测定方法

土壤有机质和全氮的测定分别采用重铬酸钾-硫酸氧化外加热法测定和凯氏法测定[11-12]。

1.3 数据处理方法

1.3.1 研究方法

根据川北烟区实际地形地貌，从不同海拔、不同质地和不同土壤类型三个角度分别进行有机质和全氮的空间变异及适宜程度进行综合分析，并结合半方差函数模型及克里格空间插值方法对整个烟区土壤有机质和全氮进行研究。

1.3.1.1 半方差函数理论

地统计学是基于区域化变量理论的空间分析方法并已在土壤属性预测中得到广泛应用[13]。半方差函数计算公式:

式中，h为两样本间的分隔距离，也称步长；r(h)是样本距为h的半方差；Z(xi)和Z(xi+h)分别是变量Z在空间位置xi和xi+h上的取值；N(h)指样本距为h时的样点对数，对试验变差函数进行拟合最常用的理论模型有线性模型、指数模型、球状模型和高斯模型，模型的最优选择可由决定系数(R2)及残差平方和(Residual sum of squares)判定。

1.3.1.2 克立格插值方法

本研究采用普通克立格法，它是单个变量的局部线性最优无偏估计，是最常用及稳健的方法。线性Z*(X0)公式如下：

式中，Z*(X0)是待估点X0处的估计值,λi是赋予观测值Z(Xi)的权重,表示各观测值对估计值的贡献,且Σλi= 1,在保证估计值无偏性和最优性的条件下，可由变量半方差函数计算得到,n是参与点估值的实测值的数目。

1.3.2 软件支撑

SPSS19.0：描述性统计分析及相关参数关联性分析。ArcGIS9.3：数字化地图及Ordinary kriging插值图。GS+Version9：半方差函数分析。

1.4 土壤中有机质和全氮适宜程度评价标准

根据全国烟叶种植区域规划[14]及曾庆宾等[15]研究，综合制定土壤有机质和全氮适宜程度评价标准（表1），对川北植烟土壤有机质和全氮进行综合评价。

表1 植烟土壤有机质和全氮含量及比值适宜程度分级标准Tab.1 OM and TN content in tobacco-growing soil and its appropriate classification standard g.kg-1

2 结果与分析

2.1 土壤有机质和全氮总体特征分析

土壤有机质和全氮总体特征见表2，川北烟区植烟土壤有机质平均值为20.88 g.kg-1，植烟土壤全氮含量平均值为1.41 g.kg-1。有机质和全氮的变异系数分别是34.19%和21.71%，均属于中等强度变异；该区域土壤有机质和全氮分别有40.87%和56.02%的处于适宜水平。

表2 植烟土壤有机质和全氮含量统计特征Tab.2 statistical characteristics of OM and TN in tobacco-growing soil g.kg-1

2.2 不同县域土壤有机质和全氮特征分析

由表3可知，川北烟区各区县土壤有机质和全氮分布均较为均匀，且均属于中等程度变异。其中，旺苍县有机质平均值含量最高为24.85 g.kg-1，且变化幅度最大（5.80～42.00 g.kg-1）。元坝区有机质平均含量最低为18.38 g.kg-1。旺苍县和剑阁县均有40%以上的植烟区域有机质含量处于适宜水平，而剑阁县和元坝区土壤中分别有52.70%和54.62%的处于较缺乏水平，这些县域应及时补充有机肥料。旺苍县、剑阁县、元坝区土壤全氮平均含量均达到1.3 g.kg-1，处于最适宜种烟范围，县域间差异不大。其中，旺苍县全氮平均值含量最大达1.54 g.kg-1，元坝区全氮平均值含量最小是1.30 g.kg-1，旺苍县土壤全氮分别有27.57%和24.62%处于较偏高和偏高水平，该县域应适当减少氮素的施入量。

表3 不同县域土壤有机质和全氮特征分析Tab.3 Characteristics analysis of OM and TN in tobacco-growing soil of different counties g.kg-1

2.3 土壤有机质和全氮空间结构分析

本研究的各项变量经GS+Version9检验均符合正态分布。因此，直接进行变异函数模型的拟合，得到有机质和全氮的半方差图（图1）及相应参数量（表4）。

由表4可知，植烟土壤的有机质和全氮半方差分析均为球状（Spherical）模型，两变量拟合度均比较高，分别为94.3%和和93.2%。其中，土壤有机质和全氮块金系数分别为0.617和0.720，说明其空间自相关性较弱，其变异受地形地貌、土壤质地和土壤类型等结构因素影响较大。

表4 土壤有机质和全氮半方差函数理论模型及相关参数Tab.4 Soil OM and TN semivariance function theory model and its related parameters

图1 植烟土壤有机质和全氮半方差函数图Fig.1 Semivariograms of OM and TN in tobacco growing soil

2.4 植烟土壤有机质和全氮空间分布特征

根据半方差函数模型,利用ArcGIS地统计学模块对土壤中有机质和全氮进行克里格插值(图2)。从图2可以看出，研究区植烟土壤有机质和全氮在地形地貌、土壤质地和土壤类型等共同影响下的空间分布规律差异较大，但研究区植烟土壤有机质与全氮含量之间仍具有较好的相关性,两者的相关系数为：0.856 ，符合赵业婷等的研究结果[16]。旺苍县的土壤有机质含量高，其土壤全氮含量也高；剑阁县中部的土壤有机质含量较高，土壤全氮也较高。旺苍县绝大部分区域及剑阁县中部土壤有机质含量适宜，而元坝区和剑阁县区域内较大范围边缘有机质较缺乏；剑阁县及元坝区大部分区域土壤全氮含量适宜，而旺苍县大部分区域土壤全氮含量偏高。

图2 植烟土壤有机质和全氮空间插值图Fig.2 Spatial interpolation of OM and TN in tobacco-growing soils

2.5 主要影响因素分析

2.5.1 海拔

川北植烟区域范围主要分布在500～1000 m之间，海拔高度的不同会影响区域温度、水分状况及土地利用方式等的差异，因而影响土壤养分含量的变化。从表5可以看出，海拔1000～1500 m土壤大于海拔＜500 m土壤，而海拔500～1000 m土壤有机质和全氮含量最低，该结果与前期研究结论[17]相一致。土壤中各海拔高度的有机质平均变异系数高于全氮，两变量均有中等程度的变异。各海拔高度的土壤有机质和全氮均有40%以上达到适宜水平，1000～1500 m中的土壤有机质达适宜水平所占比例最大为51.18%，而500～1000 m中的土壤全氮达适宜水平最多达到57.83%，海拔高度＜500 m及500～1000m中的土壤有机质分别有48.00%和45.85%的处于较缺乏水平以上，该海拔区域应适当增加有机肥的施用，而各海拔高度的土壤全氮均有较大比例处于较偏高水平以上，所以整个研究区应合理控制氮肥的施入量。

表5 不同海拔高度有机质和全氮统计分析Tab.5 Statistical analysis of OM and TN at different altitudes g.kg-1

2.5.2土壤类型

不同的土壤类型具有不同成土过程和发育程度，其供肥能力相应具有明显差异性，因而造成土壤养分元素的组成、区域分布各异。由表6可知，不同土壤类型的土壤有机质和全氮平均值差异不大，黄壤、黄棕壤及水稻土有机质平均含量较高，分别为24.67 g.kg-1、22.80 g.kg-1及22.05 g.kg-1，这跟黄壤和黄棕壤一般处于山地雨水较多的地带，生物活动而累积有机质较高密切相关。而新积土和紫色土有机质含量平均值均低于20 g.kg-1处于较缺乏水平，分别为18.67 g.kg-1和18.08 g.kg-1，这与前人研究结果[18]大体一致，但更为全面的得出土壤有机质在新积土中同样平均含量相对较低。各类土壤有机质含量变异系数均大于30%，属于中等程度变异，黄棕壤变异系数更是达到36.72%。新积土、水稻土、黄壤中的有机质含量均有45%以上达到适宜程度，而黄棕壤和紫色土分别有40.22%和60.22%的有机质处于较缺乏水平，这些土壤类型的区域应该加强有机肥的施肥比例，以期为提高土壤有机质的含量。黄壤全氮平均值含量最高为1.52 g.kg-1而新积土平均含量最低为1.19 g.kg-1，土壤全氮平均水平同样与前人研究结果[18]相符合。各土类土壤全氮含量变异系数差异不大，其中新积土变异系数最高达21.56%。各土类均有40%以上的土壤全氮含量属于适宜水平，其中新积土、水稻土紫色土更有50%以上的土壤全氮含量丰富程度属于适宜水平，而黄壤和黄棕壤全氮含量有50%以上处于较偏高水平，该土类应减少氮肥的施入量。

2.5.3 土壤质地

不同的土壤质地具有不同土质结构，其保肥能力相应具有显著的差异性，因而造成土壤养分含量及区域分布具有差异性。由表7可知，川北烟区不同质地有机质和全氮含量平均值差异不大。各类土壤质地有机质和全氮变异程度均属于中等变异，且各类土壤质地有机质的平均变异系数（30%左右）大于全氮，说明该研究区区域受人为因素影响较大。壤土有机质平均植含量最高，为24.91 g.kg-1。而变异系数从砂土至粘土依次减小（砂土35.30%＞砂壤土35.17%＞壤土34.21%＞粘壤土33.92%＞粘土29.17%），其中砂土变异系数最高为35.30%，粘土变异系数最低为29.17%。壤土和粘土有机质含量均有50%以上处于适宜程度。但砂壤土和粘壤分别有42.24%和51.13%有机质处于较缺乏。而各类土壤质地全氮平均含量差异不大，变幅较小，其中，壤土全氮平均含量最高为1.54 g.kg-1，各类土壤质地全氮变异程度均属于中等程度变异，其中粘壤土变异系数最大为21.84%，各类土壤质地均有45%以上土壤全氮含量处于适宜程度，说明该研究区全氮含量丰富，但同样要控制氮肥的施入量。研究区不同质地土壤有机质与全氮平均含量水平与前人研究结果[19]大体不太一致，尤其是粘壤土的有机质与全氮平均含量相对较低，这与当地的人为因素影响密切相关。

表6 不同土壤类型有机质和全氮统计分析Tab.6 Statistical analysis of OM and TN in different types of soil g.kg-1

表7 不同土壤质地有机质和全氮统计分析Tab.7 Statistical analysis of OM and TN in soils of different texture g.kg-1

3 结论

（1）川北烟区植烟土壤有机质含量总体均有中等程度的空间变异性。元坝区土壤中54.62%的土壤处于较缺乏水平以上，宜增加有机肥的施用。旺苍县52.19%的土壤全氮处于较偏高水平以上，宜合理控制氮肥的施入量。

（2）研究区土壤有机质与全氮含量相关系数为0.856，土壤有机质和全氮块金系数分别为0.617和0.720，其变异受地形地貌、土壤质地和土壤类型等结构因素影响较大。

（3）川北植烟土壤有机质和全氮空间分布差异明显，影响因素主要由海拔高度、土壤质地和土壤类型构成，研究区区域应根据三个主要因素及相应的影响程度，合理调控有机肥与氮肥的施肥比例。

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Spatial variability of organic matter and total nitrogen in tobacco growing soil in the north part of Sichuan province

TANG Jie，WANG Changquan，LI Qiquan，LI Bing，YI Yunliang
College of Resources and Environment,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China

Spatial variability of organic matter and total nitrogen in north tobacco-growing areas of Sichuan province were studied by using GIS technology and relevant statistical methods.Results showed that organic matter content in the sampled area was between 5.80 ～ 42.00 g.kg-1,and total nitrogen content varied between 0.66 ～ 2.39g.kg-1.Half variance analysis showed that the block gold coefficient of oil organic matter and total nitrogen were 61.7% and 72.0% respectively,which showed weak spatial autocorrelation.Spatial interpolation showed that soil organic matter content was appropriate while total nitrogen content was higher above average in most places of Wangcang county.Soil organic matter content was relatively low while total nitrogen content was appropriate in Yuanba county.Soil organic matter content was appropriate in central part of Jiange county while relatively low in surrounding areas.Total nitrogen content was at appropriate level in most places of Jiange.

GIS; statistics; organic matter; total nitrogen; coefficient of variation

10.3969/j.issn.1004-5708.2014.05.011

S572.06 文献标志码：A 文章编号：1004-5708（2014）05-0066-07

四川省烟草公司重点项目“四川烤烟肥料减施增效技术研究”（201202004）；四川省烟草公司重点项目“四川植烟土壤质量监测评价及退化阻控技术研究”（201202005）

唐杰（1991—），本科，主要从事土壤质量与资源环境可持续的研究，Email：810672533@qq.com

王昌全（1962—），博士，教授，主要从事土壤与环境可持续方面的研究，Tel：028-86290997 Email：w.changquan@163.com

2014-04-04