毕节市植烟土壤耕层厚度空间分布及其与地形因子的相关性

王鑫 符德龙 徐梦洁 陈雪

摘  要：了解植烟土壤耕层厚度的空间分布及其与地形因子的相关性，可以为植烟土壤耕层保护、优化农业生产管理措施和实现耕地的可持续利用提供依据。本研究以毕节市472个植烟土壤样点调查数据为基础，结合地形数据，利用地统计学、IDW插值法和Pearson相关分析等方法探讨了毕节市植烟土壤耕层厚度、空间分布及与地形因子的相关性。结果表明，毕节市植烟土壤耕层厚度平均为15.9 cm，略低于全国平均值16.5 cm;全市86.68%土壤耕层厚度处于10.1～20.0 cm，但各区县差异显著，最大值为35 cm，最小值仅2 cm，相差达17.5倍。在空间分布上西部地区植烟土壤耕层厚度大于东部地区，小于5.0 cm和大于25.0 cm耕层厚度则呈孤岛形态分布;相关性分析表明，毕节市植烟土壤耕层厚度与高程显著正相关，与坡向、坡度和坡形无显著相关性。总之，毕节市92.63%的区域土壤耕层厚度超过10 cm，受地形因素影响小，适合烟草种植。

关键词：植烟土壤;耕层厚度;空间分布;地形因子;IDW插值;相关性分析

中图分类号：S572.06          文章编号：1007-5119（2019）02-0023-07      DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2019.02.004

Abstract： It is important to reveal the relationship between soil cultivation layer thickness （SCLT） and geographical factors that will be benefit for soil protection， field management and land sustainable utilization. In this study， a total of 472 surveyed soil sites in Bijie city were used to evaluate such a relationship combined with geostatistics， IDW and Person analysis methods. The results showed that the SCLT of Bijie city was 15.9 cm in average that is less than 16.5 cm of the average of the country. 86.88% of the area fell in the range of 10.1-20.0 cm in SCLT. However， a great variation could be observed with the maximum being 35 cm and the minimum being 2 cm in SCLT. In the spatial distribution， the SCLT in the west part was larger than the east of Bijie city and the zones of SCLT lower than 5.0 cm or larger than 25.0 cm were distributed in island shape in the region. Regress analysis suggested that SCLT was positively related to altitude but not to the hill slope， direction and shape. In generally， the area with more than 10 cm in SCLT accounted for 92.63% of the city that influenced little by the geographical factors and the SCLT was suitable for tobacco planting.

Keywords： tobacco plantation soil; soil cultivation layer thickness; spatial distribution; geographical factors; IDW; correlation analysis

土壤耕作层与土地生产力密切相关，土壤耕作层为植物提供物理支撑和其生长所必需的营养物质与水分[1]。良好的耕作层厚度与结构有利于作物生长和根系分布[2]，从而实现作物的高产稳产和农业的可持续发展[3]。一般来说，耕作层是指经耕种熟化的表土层，通常厚度为15～20 cm，质地为粒状、团粒状或碎块状结构，易受生产活动、地表生物、气候条件和地形因素等的影响[4]。近年来，由于采用浅层旋耕等耕作方式以及人为生产活动的影响，土壤耕层变浅，耕层有效土壤明显减少，作物单产存在降低风险[5]。因此，研究耕层结构与构建对作物的高产稳产以及土地可持续利用愈发重要。

目前，对耕层结构及构建的研究已有不少[6-8]。研究者主要从耕作方式和耕层构造角度开展研究。郑洪兵等[6]对吉林省玉米农田耕层现状加以调查，发现长期采用传统耕作方式使得农田犁底层增厚，耕层变薄。刘武仁等[7]通过人工模拟方式构造不同类型耕层结构，指出不同的耕层构造方式会导致耕层厚度存在差异，并且虛实并存的耕层结构能有效促进玉米的生长发育。粱伟[8]基于GIS技术，研究福建省粮食生产的主要限制因素，发现耕作方式会影响耕层厚度，进而限制粮食产量。除此之外，不同的土壤类型在耕层厚度上也存在差异[9-10]。除此之外，有的文献还从耕地的水旱和土壤母质演化角度分析影响耕层理化指标变化情况[11-12]，虽然土壤耕作层是人为耕作形成，但也会受到地形因子的影响。譬如关中平原地区平均现代耕层厚度为0～35 cm左右[4]，而贵州省毕节市植烟区平均耕层厚度0～16 cm左右，低于关中平原平均厚度。除了自身母质与土壤发育原因外，关中平原地区地势较为平坦，坡度较小，相比于毕节市更利于人工和机械深翻操作，耕层厚度相对较深。

本研究以毕节市472个植烟土壤样点调查数据为基础，以耕层厚度为切入点，进行统计和空间分析，探讨耕层厚度与地形因子的相关性。以期为植烟土壤耕层保护、优化农业生产管理措施和实现耕地的可持续利用提供依据。

1  材料与方法

1.1  研究区概况

毕节市地处川、滇、黔三省交界处的东经103°36′～106°43′和北纬26°21′～27°46′，属于典型喀斯特岩溶地貌。土壤类型复杂多样，以黄壤为主，其次是石灰土，其他还有红壤、黄棕壤、山地灌木草甸土、砖红性红壤和水稻土[13]。毕节市地形地貌东西区别显著，其地势西高东低，东部地区以金沙为例，水网发达，地表分割破碎，山地和丘陵地貌显著，适宜发展农业。西部威宁县等地山高坡陡，地势起伏大，是典型的山原山地地貌，林牧业发展潜力大，但水土流失严重。毕节市旱地主要农作物有玉米、小麦、土豆、大豆和油菜，经济作物以烤烟为主。耕作方式主要以小麦烟草，小麦玉米，油菜玉米等套作两熟或小麦玉米大豆等套作三熟制为主[14]。

1.2  调查样点

遵循均匀取样的原则并结合烟草种植情况，在毕节市共布设472个采样点（图1），并利用GPS定位仪记录点位的位置，于2017年6—8月完成实地采样工作。

1.3  测定方法

在每个样点挖掘土壤剖面，从表层直至母质;根据土壤学大辞典记录的相关方法[15]，划分土壤层次，划分成耕作层及土壤層，用钢尺测量土壤层厚度，记录至mm。

1.4  数据处理与分析方法

以2017年毕节市行政区划图为底图，下载30 m30 m的DEM影像，提取采样点高程、坡度、坡向等数据。用SPSS 22软件对数据进行正态分布检验和描述性统计分析[16]，用ArcGIS10.2采用反距离权重法（IDW）对土壤耕作层厚度进行空间分布分析[17-18];最后利用SPSS 22软件对地形因子与土壤耕作层厚度进行相关性分析[19]：在ArcGIS软件环境下，提取DEM图中的高程、坡度、坡向和坡形，其中高程、坡度和坡向均可直接提取，坡形根据之前的研究[20-21]加以度量。坡向可进一步划分为

阴坡（0～45°、315～360°），半阳坡（45～135°）， 阳坡（135～275°）和半阴坡（275～315°），对其按类别编码，在此基础上进行与耕层厚度的相关分析。计算坡形系数P[21]，将坡形划分为凹形坡（P<−0.5），直线坡（−0.5≤P≤0.5）和凸形坡（P>0.5），并对P与耕层厚度的相关性进行分析。

2  结  果

2.1  土壤耕作层厚度统计特征

毕节市植烟土壤耕层厚度统计分析结果（表1）表明，毕节市植烟土壤平均耕层厚度低于我国土壤平均耕层厚度16.5 cm[22]。并且中位数和众数也说明本次调查所得耕层厚度的普遍水平16.0 cm略小于全国土壤平均耕层厚度。最大值与最小值之间相差17.5倍，相差较大。总体变异系数31.4%，说明毕节市耕层属于中等空间变异范畴[23-24]。为了进一步了解数据的分布情况，采用连续型变量频数表建立方法[25]，根据全距33.0 cm和6组组数确定的组距6 cm，划分组段及统计各组段频数（表2）。

由表2可见，50%的植烟区调查点土壤厚度介于14.0～20.0 cm之间，并且中位数、众数和平均数均处于该组内，因此该组耕层厚度可以代表一半的植烟区调查点土壤耕层厚度现状。仅有0.8%的调查耕层厚度大于26.0 cm，绝大部分调查点耕层厚度处于8.0～26.0 cm之间，占总调查点的90.9%。总体而言毕节市植烟区耕层厚度略低于全国平均水平，并且各调查点差距较大。

以各县为单位进一步进行分析（表3），结果表明，毕节市除赫章、威宁和黔西三县外，植烟区平均耕层均小于全国耕层平均厚度。各地区耕层厚度差距较大，比如赫章县耕层厚度是七星关区的两倍。各个地区耕层厚度均属于中等程度空间变异，并且市区所在地的七星关变异程度最大。从数值上分析，变异系数和平均数以及最小值之间存在着某种联系，但是这种联系并不强烈。由此可见，毕节市各地区耕层厚度在数值上存在差异，有必要进一步分析毕节市植烟区耕层厚度在空间上的分布情况。

2.2  土壤耕作层厚度的空间分布

根据数据分布情况，以5 cm为区间将毕节市植烟区耕层厚度划分为6个等级（图2）。大于25.0 cm和小于5 cm的耕层厚度占总面积比例最小，两者相加仅占总面积的0.20%，15.1～20.0 cm厚度占总面积的54.37%超过总面积的一半，并且88.47%的植烟区耕层厚度达到10.01～20.0 cm。

植烟区耕层厚度空间差异不仅表现为面积比重差异，还表现为分布形态差异，5.1～25 cm耕层厚度土壤往往成片分布，比如大方、纳雍和七星关交界处所处的大范围内都以耕层厚度10.1～15.0 cm区域为主体连成一片;又比如赫章县中上偏东部地区以15.1～20.0 cm耕层厚度为主，而大于25 cm等厚度土壤则以岛状形式存在。就整个毕节市而言，在南北方向上耕层厚度并未表现出显著特征，但在东西方向上，西边威宁县以15.1～20.0 cm厚度为主，东边以10.1～20.0 cm耕层厚度为主，耕层厚度逐渐减少的同时，还包含其他多种岛状分布。

就各区县而言，耕层厚度的空间分布也存在差异（表4）。比如最西边的威宁县，耕层厚度空间分布表现出以15.1～20.0 cm耕层厚度为主，多种耕层厚度并存的特点，15.1～20.0 cm厚度耕层面积占比85.42%;10.1～15.0 cm厚度面积占比8.91%，呈岛状零散分布于中部靠南地区;大于25 cm厚度耕层面积占比0.20%，呈块状分布于北部靠近边界地区。织金县与威宁县耕层厚度分布情况类似，以10.1～15.0 cm为主，其面积占比60.78%，分布在东南部地区;15.1～20.0 cm厚度面积占比27.70%，分布在西南部和东北部;10.1～15.0 cm厚度耕层，其面积占比0.07%，呈现处块状分布于东南部10.1～15.0 cm厚度区域内。

在全市和分区尺度上，研究区耕层土壤厚度呈现出自西向东耕层厚度逐渐减弱的趋势，这与毕节市的海拔变化趋势类似，据此可推测毕节市耕层厚度与地形因子之间存在着某种联系，因此进一步探讨土壤耕作层厚度与地形因子的关联。

2.3  土壤耕作层厚度与地形因子的相关性分析

结果表明（表5），毕节市植烟土壤耕层厚度与地形因子存在着相关性。毕节市植烟土壤耕层厚度与高程显著正相关，与坡向、坡度和坡形无显著相关性。

2.4  土壤耕作层厚度等级划分

根系是烟株吸收土壤中水分和养分以及合成激素、生物碱的重要器官，其大小、分布及活力在很大程度上影响着烟草的产量和品质[26]。而耕层作为根系的载体，为作物提供物理支撑、营养物质和水分，足够的耕层厚度才能够促进作物高产稳产[1-2]。烟根由主根、侧根和不定根三部分组成，主根可下扎2 m以上，但70%～80%的根系集中于16～50 cm的土层内，烟根的横向分布为25～28 cm，适宜的耕层厚度更加有利于烟草品质的提高和产量的提升[27]。据此，以耕层满足烟草生长为标准，将耕层厚度人为划分为小于10 cm（较薄），10～25 cm（一般）和大于25 cm（较厚）[27-28]。对毕节市植烟区土壤耕层厚度进行人为的划分和分区统计（图3）。

3  讨  论

描述性统计和空间分析均发现，毕节市植烟区耕层厚度在各个地区存在着差异，并且处于中等空间变异。影响植烟区耕层厚度的因素有很多，总结之前的研究，并结合毕节市植烟区现状可能存在以下几种因素：（1）自身结构性因素中的成土母质的差别。周旭等[30]发现贵州省普安县耕层厚度非常浅薄，并指出可能是广泛分布的碳酸盐母质成土十分缓慢造成。毕节市与普安县情况类似，属于喀斯特岩溶地貌，部分地区同样存在着大量的碳酸盐母质，所以不同的成土母质会造成耕层厚度的不同。（2）随机因素中的不合理耕作制度。毕节市烟草种植长期以旋耕为主，相关研究证明，长期采用一种或几种耕作模式，会对耕层的厚度和硬度等产生影响[31]。刘武仁等[32]以土壤硬度为指标，在研究中指出常年免耕的情况下，0～20 cm耕层随深度增加，土壤逐渐变硬，土壤的通气和雨水渗入能力减弱，作物产量降低。石彦琴等[33]发现长期实行以旋耕和免耕为主的耕作体系，会导致耕层变浅、变紧。耕层变浅，有效土壤减少。（3）人口的快速增长造成的环境压力。由于烟草是高经济价值作物，增长的人口在一定程度上推动了对烟草种植的需求[34]，从而强化对植烟土壤的开发利用。白伟等[22]研究发现，对耕地连续高强度开发和不合理使用，会导致土壤耕层变浅、耕层有效土壤数量減少。本研究发现，七星关变异系数稍大于纳雍县，理论上七星关受到人为因素造成的影响多一点，但是两者的平均耕层厚度相差两倍左右。综合分析，城区位于七星关，人口较多，对土地需求不同，并且两者在成土母质上也存在差异。因此，植烟区土壤耕层厚度是各种因素综合作用的结果。

毕节存在着严重的喀斯特石漠化现象和水土流失现象，具体表现在土地承载能力小，环境再生能力弱，一旦被破坏便难以恢复[35-37]。与此同时，研究发现毕节市地形因子与耕层厚度并不存在显著相关性。可见，除了自然的地形因子，人为的利用及管理措施对耕层厚度也产生十分重要的影响。因此，为了保持植烟土壤有效的耕层厚度，在烟草种植中应更多地采用科学合理的耕作保护措施，更加合理地变换耕作方式、注重水土流失现象的防治和对植烟区耕地的合理利用，不宜高强度地使用耕地，以促进烟草的品质和产量的提升以及环境的可持续发展。

4  结  论

本研究结果表明，毕节市植烟土壤总体平均耕层厚度低于我国平均水平，且各区县间土壤耕层厚度存在显著的空间差异。毕节市植烟土壤耕层厚度与高程显著正相关，与坡向、坡度和坡形无显著相关性。在后续研究中，应更多地从土壤耕层结构和其他自然要素着手分析耕层厚度影响因素，以进一步构建合理耕层。

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