浏阳植烟区土壤主要养分的空间分布及管理分区

唐春闺，李 帆，向世鹏，杨红武，刘优雄，李 立，李 强

（1.湖南省烟草公司长沙市公司，长沙410007；2.湖南农业大学湖南长沙410128）

浏阳植烟区土壤主要养分的空间分布及管理分区

唐春闺1，李 帆1，向世鹏1，杨红武1，刘优雄1，李 立1，李 强2＊

（1.湖南省烟草公司长沙市公司，长沙410007；2.湖南农业大学湖南长沙410128）

为实现浏阳植烟区烤烟养分精准管理，采用地统计学和模糊c均值聚类相结合的方法，研究浏阳植烟区土壤主要养分的空间分布和精准分区。结果表明：浏阳植烟区土壤主要养分指标均为中等程度变异，各项指标均表现为中等的空间相关性，其空间变异同时受结构性因素和随机性因素的影响。其中，土壤pH、有机质、碱解氮和速效钾含量的均值分别为5.69、29.30g／kg、145.11mg／kg和206.33mg／kg，属中等水平；约有20%的面积土壤速效钾缺乏。全氮和有效磷含量均值分别为1.74g／kg和42.37mg／kg，分别属高和极高水平。浏阳植烟区可划分为高氮高磷低钾，高氮高磷钾素中等，适氮高磷钾素中等3个养分管理分区，3个分区间有机质、全氮（g／kg）、碱解氮和速效钾含量差异显著或极显著。

植烟区；土壤养分；空间分布；管理分区；浏阳；湖南

土壤是烟草矿质养分的主要来源，是烟叶生产的基础，植烟土壤养分含量直接影响烤烟生长发育和营养水平，并进一步影响烟叶的产质量和风格特色［12］。适宜的土壤养分是烟草获取优质适产的重要前提，探明土壤养分状况是制定施肥方案的重要参考依据。因此我国许多烟区就植烟土壤养分状况分析、丰缺评价、综合评价等方面开展了大量研究［35］。近年来，养分管理分区成为研究热点，不同尺度植烟土壤养分管理分区的研究已有文献报道［67］，对植烟土壤养分的差异化管理起到很好作用。

浏阳市位于湖南省长沙市东部（东经113°10′24″～114°14′58″，北纬27°51′20″～28°34′06″），属亚热带季风湿润气候，总面积5 007.75km2。其热量充足，降水丰沛，光照较足，气候变化随山地垂直差异明显。年均温度17.5℃，1月平均气温5.4℃，7月平均气温28.7℃。土壤类型有红壤、黄壤、水稻土、黄棕壤及冲积土等，是湖南省烟草种植第二大县（市）。浏阳植烟区是典型浓香型优质烟区之一，所产烟叶品质上乘，香气浓郁，配伍性佳，是多个知名卷烟品牌的主料烟叶，但目前有关其植烟土壤的报道主要为养分含量状况分析［8］和综合评价［9］方面，相关研究结果对于烟区烤烟养分管理的指导性不够，特别是未见有关该烟区土壤养分管理分区的研究报道。为此，笔者采用地统计学和模糊c均值聚类相结合的方法研究浏阳植烟区土壤主要养分空间分布特征和丰缺状况，并进一步对烟区土壤养分进行分区，旨在为浏阳植烟区烤烟养分分区管理提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

浏阳植烟区北盛及杖冲等19个乡镇的植烟土壤。

1.2 试验方法

1.2.1 样品采集按照浏阳县烤烟生产布局，于2014年11—12月在翻耕前选取代表性的植烟田块190个，取样遵循代表性、均匀性的原则，每200目布置1个取样点，准确记载取样田块中心的GPS信息。采用5点取样法采集耕作层0～20cm土壤，将5点土壤混匀，并采用四分法保留约1kg样品进行风干过筛，共采集190个土壤样品。样品分布：北盛镇25个、杖冲镇7个、淳口镇24、达浒镇5个、大围山镇3个、洞阳镇5个、高坪镇1个、古港镇3个、官渡镇7个、官桥乡4个、焦溪乡3个、龙伏镇12个、普迹镇5个、三口乡10个、沙市镇32个、社港镇17个、小河乡5个、永安镇16个和张坊镇6个。

1.2.2 测定内容参照《土壤农业化学分析方法》［10］进行测定。其中，pH采用玻璃电极法，有机质采用重铬酸钾氧化法，全氮采用开氏定氮法，碱解氮采用碱解扩散法，有效磷采用钼锑抗比色法，速效钾采用火焰光度法。

1.2.3 土壤养分指标分级标准植烟土壤主要养分分级标准的制定参考全国第二次土壤普查和《中国植烟土壤及烟草养分综合管理》［11］制定，将浏阳植烟区土壤主要养分指标分为极低、低、中等、高和极高5个等级（表1）。

表1 植烟土壤主要养分指标分级标准Table1 Classified standard of main soil nutrients in tobacco－planting soil

1.2.4 地统计学原理地统计学是以区域化变量理论为基础，以半方差函数为基本工具的一种数学方法。半方差函数是描述土壤性质空间变异的一个函数，反映了不同距离观测值的空间自相关程度，其是研究土壤特性空间变异性的关系，同时也是进行空间布局估计的基础。常用半方差函数模型有环状模型（Circular）、球状模型（Spherical）、高斯模型（Gaussian）和指数模型（Exponential）等。Kriging插值法是利用区域化变量的原始数据和半方差函数的结构特点，对未测点的取值进行线性无偏最优估计的一种方法。公式如下［1213］。

式中，γ（h）为半方差函数；h为步长；N（h）为观测样点对数；Z（xi）和Z（xi＋h）分别是区域化变量Z（x）在空间位置xi和xi＋h的实测值。Z＊（x）为点x处的估计值，Z（xi）为参与估计的第i个有效观测值，N为参与估计的有效观测值个数，λi为赋予观测值Z（xi）的权重（其和为1），表示各观测值对估计值Z＊（x）的贡献，在保证估值无偏性（即估值偏差的平均值为0）和最优性（即估值方差最小）条件下，可由变量半方差函数计算。

1.2.5 模糊c均值聚类方法模糊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、产量和遥感等数据的分类中运用较多［14］。FCM是一个迭代优化的分类过程，具体是用隶属度将n个观测值分配到c个分类中的一种聚类算法［15］。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［15］。具体利用MZA1.0.1软件对土壤养分数据进行模糊c均值聚类分析，以300作为最大迭代次数，以0.001为收敛阈值，模糊指数取值1.30～2.0，模糊类别数取2～6进行c均值模糊聚类，同时计算得到各分类数NCE和FPI的取值。计算公式如下。

式中，n为观测值，c为分类数，uik为第i个像元对第k个管理分区的隶属度。

FPI数值介于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；反之FPI越大，则聚类效果差。NCE越小则模糊c分区的分解量越大，分类效果越好；反之NCE越大，分类效果越差。FPI和NCE同时达到最小值时的聚类数为最佳分类数。

1.3 数据统计与分析

采用拉依达准则法识别并剔除异常值。描述性统计和K－S检验（Kolmogorov－Smimov test）利用SPSS19.0完成［16］。采用GS＋9.0进行半方差函数分析和理论模型［12］，模型选取以RMSSE接近1，且MSE接近0为好，以确保选取的模型具有较高的拟合精度［17］。Kriging插值和绘图采用ArcGIS 10.2.2实现［18］。模糊c均值聚类在MZA1.0.1中完成。

2 结果与分析

2.1 植烟土壤的主要养分指标

从表2可见，浏阳植烟区土壤pH、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量的均值分别为5.69、29.30g／kg、1.74g／kg、145.1 1mg／kg、42.37mg／kg和206.33mg／kg，其中，pH、有机质、碱解氮和速效钾均为中等水平，全氮和有效磷分别为高和极高水平。从土壤养分指标的变化范围看，各指标的最大值与最小值均相差较大；从变异系数看，各项养分指标的变异系数在10%～100%，均为中等变异。峰度检验、偏度检验和K－S检验表明，6项土壤养分指标均服从正态分布。

表2 土壤养分描述性统计Table2 Descriptive statistics of soil nutrients

表3 土壤养分指标的半方差函数模型及有关参数Table3 Semi－variogram models of soil nutrients and related parameters

图1 浏阳植烟区土壤主要养分的空间分布特征Fig.1 Spatial distribution of main nutrients in tobacco－planting soil in Liuyang

2.2 植烟土壤养分含量的空间分布

从表3可见，土壤pH和全氮的最佳拟合模型为高斯模型，有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的最佳拟合模型为指数模型；各土壤养分指标的块金效应在25%～75%，表明浏阳植烟区土壤养分指标是由结构性因素和随机因素共同作用的结果，并具有中等的空间相关性。

从图1可见，pH低等级（5～5.5）和中等（5.5～7.0）为主要分布等级，低等级主要分布在张坊镇、大围山镇、官桥乡和普迹镇，中等级覆盖全县70%的区域；有机质主要分布等级为中等级（25～35g／kg）和高等级（35～45g／kg），高等级主要分布在高坪镇，中等级覆盖90%以上的植烟区域；全氮主要分布面积为高等级（1.5～2.0g／kg）和很高等级（＞2.0g／kg），很高等级主要分布在官桥乡、普迹镇、达浒镇和大围山镇，高等级则覆盖60%以上的植烟区域；碱解氮主要分布面积是中等级（100～180mg／kg），覆盖95%以上的植烟区域；有效磷主要分布面积为很高等级（＞30mg／kg），覆盖90%以上的植烟区域；速效钾主要分布面积是低等级（80～160）和中等级（160～240），低等级主要零星分布在大围山、张坊、社港镇、龙伏、普迹、枨冲和官桥，中等级覆盖70%以上的植烟区域。

2.3 土壤养分的管理分区

从图2可见，当分区数为3个时，NCE和FPI均为最小值，表明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，获得浏阳植烟土壤养分管理分区图（图3）。其中，第一分区位于西南部，包括官桥、普迹和杖冲3个乡镇；第二分区位于东北部，包括达浒、大围山、官渡、张坊、小河、三口、古港和溪江等8个乡镇；第三分区位于西北部，包括永安、沙市镇、社港镇、洞阳、北盛、蕉溪、淳口和龙伏等8个乡镇。进一步以分区为单位对各养分指标进行统计发现，6项主要养分指标中的有机质、全氮、碱解氮和速效钾等4项在分区间差异达显著或极显著水平（表4），表明分区合理有效。第一分区的特点是高氮高磷低钾，第二分区的特点是高氮高磷钾素中等，第三分区的特点是适氮高磷钾素中等。

图2 土壤FPI和NCE随分区数的变化Fig.2 Variation of soil FPI and NCE with partition number

图3 浏阳植烟区土壤养分的管理分区Fig.3 Management zones maps of soil nutrients in Liuyang

表4 浏阳植烟区各分区主要养分的指标多重比较Table4 Multiple comparison of main nutrients in various management zones in Liuyang tobacco－planting area

3 结论与讨论

浏阳植烟区土壤pH、有机质、碱解氮和速效钾含量均值分别为5.69、29.30mg／kg、145.11mg／kg和206.33mg／kg，均为中等水平；全氮和有效磷含量均值分别为1.74g／kg和42.37mg／kg，达高和极高水平。各项指标均为中等程度的变异。

土壤pH和全氮最佳拟合模型为高斯模型，有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的最佳拟合模型为指数模型；土壤主要养分指标块金效应在25%～75%，表明6项土壤养分指标均表现为中等的空间相关性，且同时受结构因素和随机因素的影响。浏阳植烟区大部分区域土壤pH适宜烤烟生长，仅有30%左右的区域呈弱酸性；大部分区域有机质为中等至高等级；大部分区域全氮为高至很高等级；95%以上区域碱解氮为中等等级；90%以上区域有效磷为很高等级，有少部分区域速效钾缺乏（约20%）。

利用地统计学和模糊c均值聚类算法将浏阳植烟土壤划分为3个养分管理分区，3个分区间土壤有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量差异达显著或极显著水平，表明分区效果较好，生产上可根据各分区养分差异，制定相应的养分管理规程，推行差异化养分管理技术和肥料投入量。

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（责任编辑：王 海）

Spatial Variability and Management Zone of Soil Major Nutrients in Tobacco Fields in Liuyang County

TANG Chungui1，LI Fan1，XIANG Shipeng1，YANG Hongwu1，LIU Youxiong1，LI Li1，LI Qiang2＊
（1.Changsha Branch，Hunan Provincial Tobacco Company，Changsha，Hunan410007；2.Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan410128，China）

In order to achieve site specific nutrient management of tobacco in Liuyang，based on GPS，geo－statistics and fuzzy c－mean algorithm，spatial variability and management zone of soil major nutrients in tobacco fields in Liuyang were studied.Results：Main soil nutrients were intermediate variability.Various indicators showed moderate spatial dependence.Spatial variability of main nutrients were caused by structural factors and random factors.Soil pH，organic matter，alkali hydrolyzable nitrogen and available potassium were at moderate level，with mean of 5.69，29.30g／kg，145.11mg／kg and 206.33mg／kg，total nitrogen and available phosphorus were at“high”and“very high”level，with mean of 1.74g／kg and 42.37mg／kg，about 20%of the area was of deficient available potassium in soil.Liuyang tobacco－planting area can be divided into three nutrient management zone，There are significant difference or very significant in soil organic matter，total nitrogen，alkali solution nitrogen and available potassium content among the three divisions，including high N－high P－low K，high N－high P－moderate K and moderate N－high P－moderate K.

tobacco－planting area；soil nutrients；spatial variability；management zone；Liuyang；Hunan

S158；S572

A

1001－3601（2016）10－0424－0058－04

2016－06－14；2016－10－05修回

湖南省烟草公司项目“长沙植烟土壤肥力分区及掺混肥配方研发与推广”（CYKJ2015－04）

唐春闺（1979－），女，农艺师，硕士，从事烟草栽培技术研究。E－mail：617335424＠qq.com

＊通讯作者：李 强。E－mail：zqiangli＠126.com