广西百色典型烟草种植区土壤肥力评价

2017-05-17冯诚莫光森

广西农学报 2016年5期

冯诚+莫光森

摘要：【目的】为科学评价广西典型烟草种植区土壤的肥力质量，为进行科学烟草种植提供有效的参考数据。【方法】以廣西百色烟区为评价单元，通过对百色烟区靖西、德保、隆林、乐业和凌云5个烟叶主产区采集100个土壤样品，并分析16种土壤肥力因子，结合土壤肥力丰脊评价和主成分分析法评价了广西典型烟草种植区土壤的肥力质量。【结果】研究区土壤肥力质量较好，有机质、全氮、全钾、速效钾和有效锰总体处于中等水平，适宜烟草的种植，部分种植区pH和全磷需进行合理的改善。不同烟草种植区之间的肥力既存在一致性，又表现出各自的特征。百色烟区土壤肥力指标可以分为4个主成分，反映烟草种植区88%的土壤信息。第1主成分为营养元素综合因子，贡献率为32.92%；第2主成分为土壤酸碱度因子，贡献率为25.61%；第3主成分为有机质和全氮，是具有双面性的因子，贡献率为16.84%；第4主成分为微量元素因子，贡献率为12.63%。【结论】通过养分丰脊评价和主成分分析相结合，可以较为全面和客观的反映烟草种植区土壤的肥力特征。

关键词：百色烟区；土壤；肥力；分析

中图分类号：S572 S158 文献标识码：A 文章编号：1003-4374（2016）05-0046-06

Abstract：【Objective】 The study was carried out to determine the fertility characteristics of soil in the typical tobacco cultivation area of Guangxi， and provide useful information for the cultivation of tobacco reasonable. 【Method】 In this study， 16 soil fertility indexes were analyzed from 100 soil samples from Jingxi， Debao， Longlin， Leye and Linyun County in Baise tobacco cultivation area of Guangxi Province. The soil fertility of the selected areas were evaluated by both the soil fertility grade and principal component analysis.【Result】The results shows that the organic matter， nitrogen， potassium， soil available potassium and bio-available magnesium were at the medium levels， suggesting that soil fertility indexes in the selected areas were suitable for the cultivation of tobacco. Nevertheless， the soil was supposed to improve in regarding to the low pH and phosphorus. The soil fertility were various among the selected areas. Four main components were classified and behaved about 88% of the soil information of tobacco planting areas. The first main component was regarded as the nutrient factor， contributed to 32.92%. The second main component was supposed to soil acidity or alkalinity factor， contributed to 25.61%. The third main component was nitrogen and organic matter， which has double edged and contributed to 16.84%. The fourth main component was related to trace element， which contributed to 12.63%.【Conclusion】 These results suggested that the soil fertility of tobacco cultivation area could be evaluated accurately by the combination of soil nutrient grades and principal component analysis.

Key words： Baise tobacco planting area； soil； fertility factor； principal component analysis

土壤是全球生物圈可持续发展的基础，是农业活动的生产资料，也是评价农业发展、土地管理和可持续发展能力的重要依据[1～3]。土壤质量的好坏直接影响其农作物的品种和质量[4]。土壤养分是土壤质量的最为直观的表现形式，也是土壤质量最为核心的内容，与作物安全生产、生态环境保护和人类健康都有极为密切的关系[5～7]。不同地质类型、气候、地形和土壤母质换进下土壤的养分表现出不同的特征[8]。同时，人类施肥强度、耕作强度和耕作方式的不同也导致土壤养分的变化[9～10]。总体来说，土壤养分在自然和人为活动的综合作用下，处于不断的变化和更新过程中。为了实现作物的优质生产和环境友好，应根据不同区域土壤肥力的不同制定不同的土壤资源利用方式和科学的施肥方式。因此，研究不同区域土壤的肥力状况，是实现土壤合理利用和提高农作物品质的重要前提[11]。

目前，评价土壤肥力的方法主要有平均值法、加权平均法、内梅罗综合评价法、基于统计数据的主成分分析法和聚类分析法等[12～16]。土壤肥力是土壤中众多因子的共同反映，土壤的物理、化学和生物指标都可能是最终的评价指标，由于土壤属性的时空不均一性、数据的不易获取性和指标之间的关系性等因素的制约，无法获取所有指标的数据，只能从众多候选指标中选择有代表性的指标作为评价指标[17]。主成分分析法可以对多个指标进行降维处理，提取主要的指标，并赋予不同指标的权重，被广泛用于对多指标体系的土壤肥力评价[18～20]。虽然主成分分析已在土壤肥力评价上广泛应用，但这些研究主要基于对所调查的肥力因子进行分析，没有考虑不同区域土壤的丰脊特征。因此，本次研究采用将土壤养分分级指标与主成分分析法相结合的手段来评价土壤养分的丰脊特征和土壤质量。

中国是世界上最大的烟草生产国和消费国，广西是中国重要的烟草生产基地，烟草的种植给广西经济的发展和人民生活水平的提高做出了重大贡献。目前，已有一些研究对三明烟区和三门峡烟区土壤的肥力状况进行研究[21，22]，但是这些研究只是对少数的肥力指标进行评价，且未有针对广西烟区的调查研究。本次研究选择广西百色烟区为研究区域，调查了5个烟草种植区100个土壤样品的理化性质，结合养分丰脊评价方法和主成分分析方法，对百色烟区土壤肥力特征进行研究，以期为科学种植烟草提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域为广西百色市，市域坐标为22°51'～25°07'N，104°28'～107°54'E，西接云南，北靠贵州，东临南宁，南壤越南。百色位于亚热带季风气候区，光照充足，雨水充沛，年平均气温为19.0℃～22.1℃，年均降雨量为1113～1713mm，全年无霜期达330d以上，是我国重要的烟草种植区。

1.2 样品采集与测试分析

本次研究对百色烟区的靖西、德保、隆林、乐业和凌云5个烟叶主产区土壤进行系统采集（图1），选取集中连片的区域进行采集，每15公顷采集一个表层土壤（0～20cm）样品，每个土壤由10～15个子样品混合而成。共采集土壤样品100个，其中靖西25个、德保12个、隆林13个、乐业25个、凌云25个。样品采集后用密封袋保存以防污染。将样品在室温下风干并研磨过1mm筛，以备后续测试。

根据国家标准对土壤的理化性质进行测试分析。pH按照1：1的固液比配比后，利用pH计进行测定；有机质根据外加热法进行测定；全氮采用半微量开氏法测定；全磷运用NaOH熔融钼锑抗比色法；全钾采用NaOH熔融火焰光度法；碱态氮采用流动分析仪测定；速效磷采用Olsen法；速效钾采用NH4OAc浸提火焰光度法；缓效钾采用热HNO3浸提火焰光度法；交换性钙和镁采用EDTA容量法；有效硫采用磷酸盐-乙酸溶液浸出法；有效铁、锰、铜和锌采用EDPA浸提原子吸收法测定。

1.3 数据处理

数据经Excel处理后，运用SPSS22.0软件的描述性统计（descriptive statistics）计算样品的平均值、标准差和变异系数，并采用SPSS22.0软件的因子分析（factor analysis）对土壤肥力进行主成分分析。

2 结果与讨论

2.1 百色烟区土壤的肥力特征

土壤是植物健康生长的基质，其土壤肥力的丰脊特征直接影响着植物的健康状况。土壤为植物生长提供了必要的物质养分和机械支撑，而土壤的养分特征主要受土壤的理化性质如pH、有机质、全氮、全磷、全钾、速效钾、速效氮、速效磷和微量元素等的影响[8]。pH是指示土壤酸碱度的指标，pH太低对烟草的生长和烟叶的品质都会造成较为不利的影响，一般烟草可以在4.0～8.5的pH范围内生长，而最佳的pH范围为5.5～6.5之间[21]。通过对百色烟区土壤pH值的分析可知（表1），百色烟区的pH分布范围为4.82～5.08，说明百色烟区的土壤pH偏低，因此有必要对土壤进行合理的改良，以实现种植烟草的最佳环境。

土壤有机质的含量直接决定土壤的物理化学性质和肥力水平，为植物的生长提供重要的营养。然而，当土壤有机质含量过高时，会导致烟株生长过于旺盛，使得烟叶不易于变黄，引起成熟周期变长，并导致烤后烟叶暗淡，影响烟叶的质量和品质[21]。因此，烟草种植区土壤的有机质应保持在合理的范围。将百色烟区土壤有机质含量（2.48%～2.82%，表1）与国家养分划分标准（表2）比较可知，百色烟区的土壤有机质属于中等水平，适宜烟叶的种植。

氮、磷和钾是烟叶生长所必须的大量元素，对烟叶的生长、产量与品质有着极其重要的作用[16]。当土壤磷含量不足时，烟苗可能出现蹲苗的现象，直接影响烟叶的健康生长。氮虽然是烟叶生长所必须的大量元素，当其含量过高时，会导致烟叶生长过于旺盛，对烟叶的质量和品质造成影响。钾可以有效提高烟叶的产量，提高烟叶的质量，并且可以增强烟草的抗逆力[11]。当烟草缺钾时，烟叶尖边缘开始黄化并出现褐斑，甚至坏死。同时缺钾也会引起烟叶青色部位继续生长而使得叶面出現畸形，严重影响烟叶的质量。将百色烟区土壤中氮、磷、钾、速效磷和速效钾与国家土壤养分分级指标比较可知，百色烟区全氮属于中等水平，全磷属于缺乏水平，速效磷含量较为丰富，全钾处于中等至丰富水平，而速效钾属于中等水平。通过以上对比可知，总体而言百色烟区的土壤营养元素含量较为合理，是种植烟草的合适区域。

烟叶除需要氮、磷和钾等养分组成外，还需要吸收极少量的铁、锰、铜和锌等作为养料。而植物中所需的这些微量元素主要通过吸收土壤中有效态的微量元素获取。通过对百色烟区不同采样区对比可知，百色烟区不同采样区土壤的微量元素含量虽然高低不等，但总体处于一个含量水平。将百色烟区土壤中有效态微量元素含量与国家土壤微量元素分级指标（表3）对比可知，有效铁为过量水平，有效锰为缺乏至适量水平，有效锌为高量水平，有效铜总体处于过量水平。

通过以上分析可知，百色烟区有机质、全氮、全钾、速效钾和有效锰总体处于中等水平，速效磷、有效铁和有效锌属于过量水平，而pH和全磷属于缺乏水平。因此，应合理的补充磷肥和碱性土壤改良剂。

2.2 土壤肥力状况的主成分分析

由于百色烟区不同县土壤中不同因子的肥力水平表现出不同的特征，仅仅从某一方面的指标来反映和评价百色烟区土壤的养分水平是不合理的。同时，由于影响土壤养分的因子众多，不同因子之间也存在一定的相关性，使得反映土壤肥力状况的许多因子之间存在一定的重叠[14]。因此，进行土壤肥力质量评价，应从各种反映土壤肥力的土壤属性中选择出对土壤肥力质量较为敏感的指标组成尽可能小的数据库集[13]。最小的数据库集的确定方法主要有主成分分析法、聚类分析法和专家打分法等，其中主成分分析法是应用最为广泛的方法。主成分分析法可以在复杂的大量的指标中选取出几个不相关的综合指标，从而可以反映出原来全部指标所能提供的大部分特征。因此，本次研究选择土壤中的pH、有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾、缓效钾、交换性钙、交换性镁、有效硫、有效铁、有效锰、有效锌和有效铜共16种因子（依次用A1、A2、A3、…、A16表示），利用主成分分析对百色烟区土壤肥力进行评价，筛选出可以表征大多数变异的具有独立性、代表性和敏感性的评价指标。

为了避免变量量纲和数量级不一致对计算结果的影响，保证计算结果的精确性、客观性、准确性和科学性，应对原始数据矩阵进行标准化处理，可以得到各个因子之间的相关关系。百色烟区土壤中各因子之间的相关关系见表4，可知土壤肥力的多個指标之间存在着较好的相关性，说明这个土壤肥力评价的因子存在着一定的重叠。因此，利用主成分成分法得到土壤肥力的最小指标集对评价土壤肥力具有重要的作用。

基于SPSS的主成分分析，可以得到矩阵的特征值、特征向量、贡献率和累积贡献率（表5）。根据特征值需≥1的要求，可以提出4个主成分。由表5可知，第1主成分占总方差贡献率的32.92%，第2主成分占总方差贡献率的25.61%，第3主成分占总方差贡献率的16.84%，第4主成分占总方差贡献率的12.63%，四者之和为88.00%，即说明这4个主成分可以把土壤全部肥力指标提供信息的88%反映出来。

由表5可知，在第1主成分上，碱解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾和缓效钾有较大的正值，该主成分反映了土壤供给烟叶营养元素的丰脊特征。在第2主成分上，pH、交换性钙、有效硫、有效铁和有效锰有较大的正值，该组反映了土壤酸碱度特征。在第3主成分上，全氮和有机质有较大的正值，有机质和全氮含量过高或过低都不利于烟叶的质量和品质。第4主成分上有效锌和有效铜有较大的正值，代表了微量元素的特征。

3 结论

（1）百色烟区土壤肥力整体较好，有机质、全氮、全钾、速效钾和有效锰总体处于中等水平，速效磷、有效铁和有效锌属于过量水平，而pH和全磷属于缺乏水平。不同烟草种植区之间的肥力存在一定的差异，但总体处于同一水平。

（2）16个土壤肥力因子可以划分为4个主成分，反映了百色烟区土壤88%的信息，其中第1主成分为营养元素综合因子，贡献率为32.92%；第2主成分为土壤酸碱度因子，贡献率为25.61%；第3主成分为有机质和全氮，是具有双面性的因子，贡献率为16.84%；第4主成分为微量元素因子，贡献率为12.63%。

（3）基于土壤肥力丰脊评价和主成分分析相结合，既可以细致辨别土壤的肥力限制因子，给出合理的施肥和改良举措，又可以从复杂的土壤肥力因子中找出规律，宏观的分析不同地区土壤肥力的质量。因此，将这两种方法结合，可以客观和细致的反映出土壤的肥力质量。

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