會理縣新植煙區(qū)土壤速效鉀含量空間變異特征及其影響因子

龐 夙，陶曉秋，張 英，王 勇，李廷軒

（1.四川省煙草質(zhì)量監(jiān)督檢測站，成都 610041；2.四川省煙草公司涼山州公司，四川 西昌 615000；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，四川 雅安 625014）

煙葉品質(zhì)直接決定了煙草的經(jīng)濟(jì)價值[1-2]，良好的煙葉品質(zhì)不僅需要較高的栽培技術(shù)和后期的調(diào)制水平，更需要以適宜的土壤生態(tài)環(huán)境和合理的養(yǎng)分管理作為種植煙草的先決條件。我國是世界上最大的煙葉種植國和卷煙生產(chǎn)國[3-4]，合理的植煙土壤養(yǎng)分管理對提高我國煙葉品質(zhì)、發(fā)展卷煙生產(chǎn)以及降低煙葉生產(chǎn)成本具有重要意義[5]。在土壤養(yǎng)分中，煙草需鉀量大，鉀素也是煙草最為重要的品質(zhì)元素之一，對煙草植株抗病性、抗逆能力、葉色、燃燒性和吸濕性均有重要影響，對于植煙土壤鉀素的研究受到了相關(guān)學(xué)者的廣泛重視[6]。

土壤養(yǎng)分的空間變異性是普遍存在且比較復(fù)雜的，充分了解區(qū)域內(nèi)的土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)、分布特征及其影響因子對于農(nóng)田養(yǎng)分管理和施肥決策具有重要意義。隨著 3S技術(shù)的發(fā)展，土壤養(yǎng)分空間變異特征研究已成為土壤科學(xué)的熱點之一[7-13]。

四川省涼山州是我國最適宜煙葉生產(chǎn)的重要產(chǎn)區(qū)之一，占四川省年產(chǎn)量的70%以上[14]。為了進(jìn)一步發(fā)展煙草種植，涼山州煙草公司在部分縣（市）開發(fā)新植煙單元，并通過實施“現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)單元建設(shè)測土配方項目”了解植煙單元土壤養(yǎng)分狀況。其中，會理縣特色優(yōu)質(zhì)煙葉單元涉及南閣、內(nèi)東、橫山3個鄉(xiāng)，其自然條件具有較強的代表性，且樣點分布的均勻性較好，有利于進(jìn)行土壤養(yǎng)分含量空間變異特征及其影響因子的研究。為此，本研究以上述 3個鄉(xiāng)植煙區(qū)為研究區(qū)域，采用地統(tǒng)計學(xué)和GIS相結(jié)合的方法，對土壤速效鉀含量空間變異特征及其影響因子進(jìn)行研究，以期為區(qū)域內(nèi)植煙土壤鉀素管理及鉀肥施用提供基礎(chǔ)信息。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在會理縣橫山鄉(xiāng)、內(nèi)東鄉(xiāng)和南閣鄉(xiāng)進(jìn)行（地理位置見圖1）。該區(qū)域?qū)儆谥衼啛釒О霛駶櫄夂騾^(qū)，海拔高度多為1000～2000 m，年平均氣溫15.1℃，平均相對濕度69%，年均降水量1150 mm，晝夜溫差大，干濕季節(jié)明顯，土壤類型多為紅壤、黃壤、砂土及紫色土，地形主要包括河谷、低山山地、中山山地，其中中山山地面積比重最大。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣點采集 在保證土壤樣品代表性的前提下，采樣點在研究區(qū)盡量分布均勻，同時兼顧土壤類型和地形特點。每個土樣以取土點為中心，在10 m半徑內(nèi)取5～10個0～20 cm耕層土樣混合而成，同時用GPS（Garmin 72）記錄中心點的位置，3個鄉(xiāng)共采集土樣277個，但由于后期地統(tǒng)計分析需要通過標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間對具有極端值的樣點進(jìn)行取舍，所以實際分析采用樣點262個（圖2）。

1.2.2 測定項目及方法 土壤速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定，pH、有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量（CEC）、土壤顆粒組成均按照常規(guī)土壤分析方法進(jìn)行[15]。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 常規(guī)統(tǒng)計分析：采用 SPSS 13.0對土壤速效鉀含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析；單一樣本K-S檢驗土壤速效鉀含量數(shù)據(jù)的分布形態(tài)；相關(guān)性分析用于比較各種土壤理化性質(zhì)對速效鉀含量的影響；單因素方差分析（ANOVA）比較速效鉀在不同土壤類型和地形條件之間的差異，若有顯著性差異，則采用鄧肯新復(fù)極差法（SSR）進(jìn)行多重比較。地統(tǒng)計學(xué)分析：在 GS+5.3平臺上對土壤速效鉀含量進(jìn)行半方差函數(shù)分析；利用ArcGIS 9.0對土壤速效鉀含量進(jìn)行普通克里格插值和過營養(yǎng)化預(yù)測。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 The location map of study area

圖2 土樣采集點分布Fig.2 The distribution of soil sample sites

2 結(jié)果與討論

2.1 描述性統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析表明（表1），研究區(qū)土壤速效鉀含量處于正態(tài)分布，屬于中等變異強度（90%＞CV＞10%），且其最小值和最大值差異較大，表明其在研究區(qū)內(nèi)值域分布范圍廣泛。上述分析表明，由于研究區(qū)內(nèi)施肥等管理措施差異較大，導(dǎo)致土壤速效鉀呈現(xiàn)出中等變異，對后期的鉀素管理和鉀肥施用的合理性提出了更高的要求，且需要對其空間特征和具體影響因素進(jìn)行深入研究。

此外，參照文獻(xiàn)[16]提出的植煙土壤主要養(yǎng)分豐缺標(biāo)準(zhǔn)，對所采集分析的土壤主要養(yǎng)分豐缺狀況進(jìn)行評價，結(jié)果表明，采集的262個土樣中，40.84%的樣品速效鉀含量處于缺乏和極缺狀態(tài)，27.86%處于中等水平，豐富以上占31.30%。表明該區(qū)域土壤速效鉀含量總體處于中等偏上的水平。

表1 土壤速效鉀含量統(tǒng)計特征Table 1 Statistical characteristics of soil available potassium contents

2.2 空間結(jié)構(gòu)分析

半方差分析表明（圖3），研究區(qū)土壤速效鉀的變化全域均為45 619.20 m，且在34 214.40 m范圍內(nèi)變化相對穩(wěn)定，而當(dāng)速效鉀的步長變化域大于該距離范圍時，其散點圖逐漸分散，這是由于土壤速效鉀含量空間變異的各向異性導(dǎo)致的。因為隨著距離的增加，導(dǎo)致土壤速效鉀含量空間變異的各種因素在不同方向上的差異會越來越明顯[19]。因此，速效鉀含量在其變化穩(wěn)定的距離范圍內(nèi)（34 214.40 m）表現(xiàn)出各向同性的趨勢，而這個穩(wěn)定變化的范圍即為速效鉀含量的各向同性變化域。

圖3 全域內(nèi)土壤養(yǎng)分實驗與理論半方差Fig.3 Global experimental and model-fitted semivariograms of soil nutrient at the full extent

在各向同性域內(nèi)對不同步長間距下的土壤速效鉀含量半方差函數(shù)模型進(jìn)行擬合，得到了擬合效果較好的模型（R2較大而RSS較?。?，以進(jìn)一步分析土壤速效鉀含量的空間結(jié)構(gòu)特征。由表2分析可知，速效鉀含量以8000 m步長間距下的線性模型為最佳模型，而塊金值和基臺值之比＞75%，表明速效鉀含量空間相關(guān)性較弱，其空間變異受到了隨機(jī)性因子（施肥等）的強烈影響[17-18]。速效鉀含量的變程較大，達(dá)27 292 m，說明其在研究區(qū)域內(nèi)具有空間相關(guān)性的范圍十分廣泛，表明雖然速效鉀含量的空間變異受到了隨機(jī)性因子的強烈影響，但結(jié)構(gòu)性因子（土壤類型、地形條件等）對速效鉀含量的影響范圍仍較為廣泛。

2.3 空間分布特征及過營養(yǎng)化預(yù)測

在空間結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，采用普通克里格（Ordinary kriging）插值繪制了研究區(qū)土壤速效鉀空間分布圖（圖4），并按照參考文獻(xiàn)[16]提出的植煙土壤速效鉀豐缺標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了豐缺等級劃分。此外，考慮到該方法具有一定的“平滑效應(yīng)”，空間分布圖以矢量形式進(jìn)行展示。

由圖4可知，研究區(qū)土壤速效鉀含量包括缺乏、中等和豐富3個等級，且分別主要分布在南閣鄉(xiāng)、

表2 土壤速效鉀含量各向同性半方差函數(shù)理論模型及有關(guān)參數(shù)Table 2 Theoretical isotropic semivariogram model and corresponding parameters of the concentrations of available potassium

內(nèi)東鄉(xiāng)和橫山鄉(xiāng)境內(nèi)。由于鉀含量對煙葉品質(zhì)的影響很大，而煙葉含鉀量的提高主要得益于施用鉀肥，因此對于南閣鄉(xiāng)和內(nèi)東鄉(xiāng)植煙土壤應(yīng)不同程度地補充鉀肥以提高煙葉品質(zhì)，而對于橫山鄉(xiāng)植煙土壤應(yīng)適當(dāng)控制鉀肥的施用量以降低煙葉種植成本。

由于土壤速效鉀在研究區(qū)內(nèi)有豐富等級分布（以克里格插值平滑后的結(jié)果為準(zhǔn)），因此表明若繼續(xù)按現(xiàn)有施肥水平進(jìn)行平均施肥，很可能導(dǎo)致在植煙過程中出現(xiàn)過鉀素過營養(yǎng)化的風(fēng)險，需要對其風(fēng)險概率進(jìn)行預(yù)測以降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本和環(huán)境壓力，并同時提高煙葉品質(zhì)。由于土壤養(yǎng)分過營養(yǎng)化一般是由于土壤養(yǎng)分本身處于豐富或豐富以上水平，而施肥又不斷帶入養(yǎng)分，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分過剩而引起。因此，本研究對以土壤速效鉀豐富等級的上限值（350 mg/kg）為臨界值進(jìn)行克里格（Disjunctive kriging）插值分析。

由圖5可知，研究區(qū)土壤速效鉀含量出現(xiàn)過營養(yǎng)化的風(fēng)險概率較低，僅為0%～33%，未達(dá)到調(diào)整農(nóng)業(yè)技術(shù)和種植業(yè)布局的風(fēng)險概率（50%），過營養(yǎng)化風(fēng)險概率較高的地區(qū)分布較為離散且面積相對較小，表明該植煙區(qū)未來的土壤鉀素管理仍應(yīng)以“平衡和調(diào)控”策略為主。

圖4 土壤速效鉀含量空間分布Fig.4 The spatial distribution map of available potassium

圖5 土壤養(yǎng)分過營養(yǎng)化風(fēng)險預(yù)測概率Fig.5 Eutrophication probability distribution map of soil nutrient

2.4 影響因子分析

2.4.1 土壤理化性質(zhì) 由表3可知，土壤速效鉀含量與土壤pH呈極顯著負(fù)相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，而與黏粒含量表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是由于隨著土壤pH增加，鉀素的有效性降低，從而導(dǎo)致速效鉀含量的下降。土壤有機(jī)質(zhì)不但提供了植物生長所需要的養(yǎng)分，也通過影響土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)改善土壤的養(yǎng)分狀況，從而提高了土壤速效鉀含量。而黏粒含量高的土壤，其養(yǎng)分淋失弱，保水保肥能力較強，因此速效鉀含量相對高于其他質(zhì)地土壤。

2.4.2 土壤類型 不同土壤類型具有不同的耕作管理措施和成土過程，因此造成養(yǎng)分含量因土壤類型的不同而產(chǎn)生差異[6]。統(tǒng)計分析表明（表4），研究區(qū)土壤速效鉀含量在4種主要土壤類型中的變化順序為黃壤＞紅壤＞紫色土＞砂土。其中，黃壤和紅壤均極顯著大于紫色土和砂土，但黃壤和紅壤之間，以及紫色土和砂土之間速效鉀含量差異并不明顯。由于黃壤和紅壤屬于鐵鋁土綱，在其成土過程中，包括鉀離子在內(nèi)的鹽基離子會大量淋失，其本身含鉀量要低于成土?xí)r間較短的紫色土，但由于研究區(qū)內(nèi)黃壤多種植坡地?zé)煟t壤多種植田煙，施鉀量較高，而紫色土多種植山地?zé)?，施鉀量較低，因此導(dǎo)致黃壤和紅壤速效鉀含量相對較高。此外，由于砂土土粒之間空隙較大，養(yǎng)分容易隨水淋失，保水保肥性能很差，因此其速效鉀含量相對最低。

表3 土壤理化性質(zhì)與速效鉀含量的相關(guān)性分析Table 3 The correlation analysis between soil physico-chemical properties and available potassium

表4 土壤類型對速效鉀含量的影響Table 4 Available potassium contents as affected by different soil types

2.4.3 地形條件 相關(guān)研究結(jié)果表明，地形對土壤養(yǎng)分含量有較大影響[14]。由表5分析可知，中山山地土壤速效鉀含量分別極顯著地高于低山山地和河谷，而后兩種地形間差異并不明顯，這主要是由于海拔越高的區(qū)域，氣溫越低，蒸發(fā)量越小，土壤濕度越大，有機(jī)質(zhì)的輸入量越大，物質(zhì)的分解率較小，因此造成中山山地土壤效鉀含量相對較高。此外，由于研究區(qū)內(nèi)前期的種植業(yè)主要集中在中山山地，長期大量而集中的鉀肥施用也導(dǎo)致了較高的速效鉀含量。

表5 地形條件對速效鉀含量的影響Table 5 Available potassium contents as affected by different terrain conditions

3 小 結(jié)

會理縣特色優(yōu)質(zhì)煙葉單元土壤速效鉀含量處于中等變異強度，值域分布范圍廣泛，主要包括缺乏、中等和豐富3個等級，總體豐缺狀況處于中等偏上水平。

土壤速效鉀含量空間相關(guān)性很弱，其空間變異主要受到隨機(jī)性因子的影響，但其具有空間相關(guān)性的范圍仍較為廣泛；土壤速效鉀多以中等和豐富等級分布，其中，豐富等級多分布于橫山鄉(xiāng)范圍內(nèi)，而缺乏等級多處于南閣鄉(xiāng)境內(nèi)，在植煙中應(yīng)按區(qū)域調(diào)整鉀肥施用量；土壤速效鉀出現(xiàn)過營養(yǎng)化的風(fēng)險概率整體較低，概率較高的區(qū)域分布較為離散且面積較小。

土壤pH對速效鉀含量的影響達(dá)到了負(fù)極顯著水平，而有機(jī)質(zhì)含量和粘粒含量對土壤速效鉀含量的影響分別達(dá)到了顯著和極顯著水平；土壤速效鉀含量在4種土壤類型及3種地形條件之間差異并沒有達(dá)到顯著水平，只在個別土壤類型及地形條件之間表現(xiàn)出極顯著差異，表明由于受到人為因素的干擾，土壤類型和地形條件對養(yǎng)分含量的影響并不明顯，需要在后期的研究中進(jìn)一步分析各類控鉀因子間的交互效應(yīng)。

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