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        川北植煙土壤有機(jī)質(zhì)和全氮空間變異研究

        2014-11-27 03:11:52唐杰王昌全李啟權(quán)李冰易云亮
        中國煙草學(xué)報 2014年5期
        關(guān)鍵詞:劍閣縣旺蒼縣植煙

        唐杰,王昌全,李啟權(quán),李冰,易云亮

        四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,四川省成都市溫江區(qū)公平鎮(zhèn)惠民路211號 611130

        川北植煙土壤有機(jī)質(zhì)和全氮空間變異研究

        唐杰,王昌全,李啟權(quán),李冰,易云亮

        四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,四川省成都市溫江區(qū)公平鎮(zhèn)惠民路211號 611130

        運(yùn)用GIS技術(shù)及地統(tǒng)計學(xué)方法,研究了川北植煙土壤有機(jī)質(zhì)和全氮空間變異特征及其影響因素。結(jié)果表明,植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量變幅為(5.80~42.00)g.kg-1,全氮含量變幅為(0.66~2.39)g.kg-1,土壤有機(jī)質(zhì)和全氮塊金系數(shù)分別為61.7%和72.0%,說明空間自相關(guān)性較弱??臻g插值表明,旺蒼縣絕大部分區(qū)域及劍閣縣中部土壤有機(jī)質(zhì)含量適宜,而元壩區(qū)和劍閣縣區(qū)域內(nèi)較大范圍邊緣有機(jī)質(zhì)較缺乏;劍閣縣及元壩區(qū)大部分區(qū)域土壤全氮含量適宜,而旺蒼縣大部分區(qū)域土壤全氮含量偏高。

        GIS;地統(tǒng)計學(xué);有機(jī)質(zhì);全氮;變異系數(shù)

        土壤是烤煙種植的重要載體及煙葉養(yǎng)分的主要來源[1]。其中,土壤氮素是土壤養(yǎng)分的重要組成部分,也是烤煙生長發(fā)育的必需元素;土壤氮素是決定煙草產(chǎn)量及品質(zhì)最重要的營養(yǎng)元素之一,直接制約著煙株形態(tài),生長速度,葉片大小及煙葉產(chǎn)量與品質(zhì)[2-3]。土壤有機(jī)質(zhì)在陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡和土壤資源的可持續(xù)利用中具有重要作用,而且是評價土壤肥力和環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)[4-5]。隨著3S技術(shù)的不斷發(fā)展,土壤特性空間變異性研究已成為土壤科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一,國內(nèi)外已有許多學(xué)者結(jié)合地統(tǒng)計學(xué)方法研究了土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間變異特征及其對烤煙的影響,探討了變異的原因,并取得了豐富的研究成果[6-8]。

        川北煙區(qū)位于四川省北部,是四川省烤煙的重要產(chǎn)區(qū)之一,近年來,圍繞川北煙區(qū)在土壤養(yǎng)分狀況與烤煙質(zhì)量和化學(xué)成分分析的關(guān)系[9-10]等方面開展了大量的研究工作,但是目前很少有涉及川北煙區(qū)植煙縣(區(qū))土壤有機(jī)質(zhì)和全氮綜合空間分布狀況及變異程度的研究報道。為此,本研究試圖通過對川北植煙土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的綜合研究,以GIS軟件作為研究輔助基礎(chǔ),采用地統(tǒng)計學(xué)方法對川北植煙土壤有機(jī)質(zhì)和全氮空間變異特征進(jìn)行研究。以期揭示該煙區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間分布特征,為川北煙區(qū)烤煙生產(chǎn)中土壤養(yǎng)分狀況分析、管理和合理平衡施肥提供科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)域概況

        川北煙區(qū)位于四川省的北部,由廣元市旺蒼縣、劍閣縣和元壩區(qū)構(gòu)成,處于東經(jīng)105°11′至106°44′,北緯31°32′至 32°39′之間,山地向盆地過渡地帶,平均海拔700 m,屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,年平均氣溫16.1℃,年降雨量800~1000 mm,日照數(shù)1300~1400 h,四季分明,光熱資源豐富。該煙區(qū)是烤煙的適宜種植區(qū),也是四川省烤煙的重要生產(chǎn)區(qū)域之一。

        1.2 試驗設(shè)計

        1.2.1 土壤采樣

        采用GPS定位技術(shù),取樣點(diǎn)遵循均勻性、代表性原則,同時兼顧土壤類型、地形特點(diǎn)等,用手持式GPS定位,記錄采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程,以定位點(diǎn)為中心,在半徑10 m的圓形區(qū)域內(nèi)多點(diǎn)混合均勻取樣,取樣深度0~20 cm,在川北煙區(qū)3個植煙主產(chǎn)縣(區(qū))基本煙田區(qū)共采集土壤樣品3534個,其中旺蒼縣1117個,劍閣縣1260個,元壩區(qū)1157個。

        1.2.2 樣品測定方法

        土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的測定分別采用重鉻酸鉀-硫酸氧化外加熱法測定和凱氏法測定[11-12]。

        1.3 數(shù)據(jù)處理方法

        1.3.1 研究方法

        根據(jù)川北煙區(qū)實(shí)際地形地貌,從不同海拔、不同質(zhì)地和不同土壤類型三個角度分別進(jìn)行有機(jī)質(zhì)和全氮的空間變異及適宜程度進(jìn)行綜合分析,并結(jié)合半方差函數(shù)模型及克里格空間插值方法對整個煙區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮進(jìn)行研究。

        1.3.1.1 半方差函數(shù)理論

        地統(tǒng)計學(xué)是基于區(qū)域化變量理論的空間分析方法并已在土壤屬性預(yù)測中得到廣泛應(yīng)用[13]。半方差函數(shù)計算公式:

        式中,h為兩樣本間的分隔距離,也稱步長;r(h)是樣本距為h的半方差;Z(xi)和Z(xi+h)分別是變量Z在空間位置xi和xi+h上的取值;N(h)指樣本距為h時的樣點(diǎn)對數(shù),對試驗變差函數(shù)進(jìn)行擬合最常用的理論模型有線性模型、指數(shù)模型、球狀模型和高斯模型,模型的最優(yōu)選擇可由決定系數(shù)(R2)及殘差平方和(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,它是單個變量的局部線性最優(yōu)無偏估計,是最常用及穩(wěn)健的方法。線性Z*(X0)公式如下:

        式中,Z*(X0)是待估點(diǎn)X0處的估計值,λi是賦予觀測值Z(Xi)的權(quán)重,表示各觀測值對估計值的貢獻(xiàn),且Σλi= 1,在保證估計值無偏性和最優(yōu)性的條件下,可由變量半方差函數(shù)計算得到,n是參與點(diǎn)估值的實(shí)測值的數(shù)目。

        1.3.2 軟件支撐

        SPSS19.0:描述性統(tǒng)計分析及相關(guān)參數(shù)關(guān)聯(lián)性分析。ArcGIS9.3:數(shù)字化地圖及Ordinary kriging插值圖。GS+Version9:半方差函數(shù)分析。

        1.4 土壤中有機(jī)質(zhì)和全氮適宜程度評價標(biāo)準(zhǔn)

        根據(jù)全國煙葉種植區(qū)域規(guī)劃[14]及曾慶賓等[15]研究,綜合制定土壤有機(jī)質(zhì)和全氮適宜程度評價標(biāo)準(zhǔn)(表1),對川北植煙土壤有機(jī)質(zhì)和全氮進(jìn)行綜合評價。

        表1 植煙土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量及比值適宜程度分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 OM and TN content in tobacco-growing soil and its appropriate classification standard g.kg-1

        2 結(jié)果與分析

        2.1 土壤有機(jī)質(zhì)和全氮總體特征分析

        土壤有機(jī)質(zhì)和全氮總體特征見表2,川北煙區(qū)植煙土壤有機(jī)質(zhì)平均值為20.88 g.kg-1,植煙土壤全氮含量平均值為1.41 g.kg-1。有機(jī)質(zhì)和全氮的變異系數(shù)分別是34.19%和21.71%,均屬于中等強(qiáng)度變異;該區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)和全氮分別有40.87%和56.02%的處于適宜水平。

        表2 植煙土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量統(tǒng)計特征Tab.2 statistical characteristics of OM and TN in tobacco-growing soil g.kg-1

        2.2 不同縣域土壤有機(jī)質(zhì)和全氮特征分析

        由表3可知,川北煙區(qū)各區(qū)縣土壤有機(jī)質(zhì)和全氮分布均較為均勻,且均屬于中等程度變異。其中,旺蒼縣有機(jī)質(zhì)平均值含量最高為24.85 g.kg-1,且變化幅度最大(5.80~42.00 g.kg-1)。元壩區(qū)有機(jī)質(zhì)平均含量最低為18.38 g.kg-1。旺蒼縣和劍閣縣均有40%以上的植煙區(qū)域有機(jī)質(zhì)含量處于適宜水平,而劍閣縣和元壩區(qū)土壤中分別有52.70%和54.62%的處于較缺乏水平,這些縣域應(yīng)及時補(bǔ)充有機(jī)肥料。旺蒼縣、劍閣縣、元壩區(qū)土壤全氮平均含量均達(dá)到1.3 g.kg-1,處于最適宜種煙范圍,縣域間差異不大。其中,旺蒼縣全氮平均值含量最大達(dá)1.54 g.kg-1,元壩區(qū)全氮平均值含量最小是1.30 g.kg-1,旺蒼縣土壤全氮分別有27.57%和24.62%處于較偏高和偏高水平,該縣域應(yīng)適當(dāng)減少氮素的施入量。

        表3 不同縣域土壤有機(jī)質(zhì)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 土壤有機(jī)質(zhì)和全氮空間結(jié)構(gòu)分析

        本研究的各項變量經(jīng)GS+Version9檢驗均符合正態(tài)分布。因此,直接進(jìn)行變異函數(shù)模型的擬合,得到有機(jī)質(zhì)和全氮的半方差圖(圖1)及相應(yīng)參數(shù)量(表4)。

        由表4可知,植煙土壤的有機(jī)質(zhì)和全氮半方差分析均為球狀(Spherical)模型,兩變量擬合度均比較高,分別為94.3%和和93.2%。其中,土壤有機(jī)質(zhì)和全氮塊金系數(shù)分別為0.617和0.720,說明其空間自相關(guān)性較弱,其變異受地形地貌、土壤質(zhì)地和土壤類型等結(jié)構(gòu)因素影響較大。

        表4 土壤有機(jī)質(zhì)和全氮半方差函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)Tab.4 Soil OM and TN semivariance function theory model and its related parameters

        圖1 植煙土壤有機(jī)質(zhì)和全氮半方差函數(shù)圖Fig.1 Semivariograms of OM and TN in tobacco growing soil

        2.4 植煙土壤有機(jī)質(zhì)和全氮空間分布特征

        根據(jù)半方差函數(shù)模型,利用ArcGIS地統(tǒng)計學(xué)模塊對土壤中有機(jī)質(zhì)和全氮進(jìn)行克里格插值(圖2)。從圖2可以看出,研究區(qū)植煙土壤有機(jī)質(zhì)和全氮在地形地貌、土壤質(zhì)地和土壤類型等共同影響下的空間分布規(guī)律差異較大,但研究區(qū)植煙土壤有機(jī)質(zhì)與全氮含量之間仍具有較好的相關(guān)性,兩者的相關(guān)系數(shù)為:0.856 ,符合趙業(yè)婷等的研究結(jié)果[16]。旺蒼縣的土壤有機(jī)質(zhì)含量高,其土壤全氮含量也高;劍閣縣中部的土壤有機(jī)質(zhì)含量較高,土壤全氮也較高。旺蒼縣絕大部分區(qū)域及劍閣縣中部土壤有機(jī)質(zhì)含量適宜,而元壩區(qū)和劍閣縣區(qū)域內(nèi)較大范圍邊緣有機(jī)質(zhì)較缺乏;劍閣縣及元壩區(qū)大部分區(qū)域土壤全氮含量適宜,而旺蒼縣大部分區(qū)域土壤全氮含量偏高。

        圖2 植煙土壤有機(jī)質(zhì)和全氮空間插值圖Fig.2 Spatial interpolation of OM and TN in tobacco-growing soils

        2.5 主要影響因素分析

        2.5.1 海拔

        川北植煙區(qū)域范圍主要分布在500~1000 m之間,海拔高度的不同會影響區(qū)域溫度、水分狀況及土地利用方式等的差異,因而影響土壤養(yǎng)分含量的變化。從表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土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量最低,該結(jié)果與前期研究結(jié)論[17]相一致。土壤中各海拔高度的有機(jī)質(zhì)平均變異系數(shù)高于全氮,兩變量均有中等程度的變異。各海拔高度的土壤有機(jī)質(zhì)和全氮均有40%以上達(dá)到適宜水平,1000~1500 m中的土壤有機(jī)質(zhì)達(dá)適宜水平所占比例最大為51.18%,而500~1000 m中的土壤全氮達(dá)適宜水平最多達(dá)到57.83%,海拔高度<500 m及500~1000m中的土壤有機(jī)質(zhì)分別有48.00%和45.85%的處于較缺乏水平以上,該海拔區(qū)域應(yīng)適當(dāng)增加有機(jī)肥的施用,而各海拔高度的土壤全氮均有較大比例處于較偏高水平以上,所以整個研究區(qū)應(yīng)合理控制氮肥的施入量。

        表5 不同海拔高度有機(jī)質(zhì)和全氮統(tǒng)計分析Tab.5 Statistical analysis of OM and TN at different altitudes g.kg-1

        2.5.2土壤類型

        不同的土壤類型具有不同成土過程和發(fā)育程度,其供肥能力相應(yīng)具有明顯差異性,因而造成土壤養(yǎng)分元素的組成、區(qū)域分布各異。由表6可知,不同土壤類型的土壤有機(jī)質(zhì)和全氮平均值差異不大,黃壤、黃棕壤及水稻土有機(jī)質(zhì)平均含量較高,分別為24.67 g.kg-1、22.80 g.kg-1及22.05 g.kg-1,這跟黃壤和黃棕壤一般處于山地雨水較多的地帶,生物活動而累積有機(jī)質(zhì)較高密切相關(guān)。而新積土和紫色土有機(jī)質(zhì)含量平均值均低于20 g.kg-1處于較缺乏水平,分別為18.67 g.kg-1和18.08 g.kg-1,這與前人研究結(jié)果[18]大體一致,但更為全面的得出土壤有機(jī)質(zhì)在新積土中同樣平均含量相對較低。各類土壤有機(jī)質(zhì)含量變異系數(shù)均大于30%,屬于中等程度變異,黃棕壤變異系數(shù)更是達(dá)到36.72%。新積土、水稻土、黃壤中的有機(jī)質(zhì)含量均有45%以上達(dá)到適宜程度,而黃棕壤和紫色土分別有40.22%和60.22%的有機(jī)質(zhì)處于較缺乏水平,這些土壤類型的區(qū)域應(yīng)該加強(qiáng)有機(jī)肥的施肥比例,以期為提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量。黃壤全氮平均值含量最高為1.52 g.kg-1而新積土平均含量最低為1.19 g.kg-1,土壤全氮平均水平同樣與前人研究結(jié)果[18]相符合。各土類土壤全氮含量變異系數(shù)差異不大,其中新積土變異系數(shù)最高達(dá)21.56%。各土類均有40%以上的土壤全氮含量屬于適宜水平,其中新積土、水稻土紫色土更有50%以上的土壤全氮含量豐富程度屬于適宜水平,而黃壤和黃棕壤全氮含量有50%以上處于較偏高水平,該土類應(yīng)減少氮肥的施入量。

        2.5.3 土壤質(zhì)地

        不同的土壤質(zhì)地具有不同土質(zhì)結(jié)構(gòu),其保肥能力相應(yīng)具有顯著的差異性,因而造成土壤養(yǎng)分含量及區(qū)域分布具有差異性。由表7可知,川北煙區(qū)不同質(zhì)地有機(jī)質(zhì)和全氮含量平均值差異不大。各類土壤質(zhì)地有機(jī)質(zhì)和全氮變異程度均屬于中等變異,且各類土壤質(zhì)地有機(jī)質(zhì)的平均變異系數(shù)(30%左右)大于全氮,說明該研究區(qū)區(qū)域受人為因素影響較大。壤土有機(jī)質(zhì)平均植含量最高,為24.91 g.kg-1。而變異系數(shù)從砂土至粘土依次減?。ㄉ巴?5.30%>砂壤土35.17%>壤土34.21%>粘壤土33.92%>粘土29.17%),其中砂土變異系數(shù)最高為35.30%,粘土變異系數(shù)最低為29.17%。壤土和粘土有機(jī)質(zhì)含量均有50%以上處于適宜程度。但砂壤土和粘壤分別有42.24%和51.13%有機(jī)質(zhì)處于較缺乏。而各類土壤質(zhì)地全氮平均含量差異不大,變幅較小,其中,壤土全氮平均含量最高為1.54 g.kg-1,各類土壤質(zhì)地全氮變異程度均屬于中等程度變異,其中粘壤土變異系數(shù)最大為21.84%,各類土壤質(zhì)地均有45%以上土壤全氮含量處于適宜程度,說明該研究區(qū)全氮含量豐富,但同樣要控制氮肥的施入量。研究區(qū)不同質(zhì)地土壤有機(jī)質(zhì)與全氮平均含量水平與前人研究結(jié)果[19]大體不太一致,尤其是粘壤土的有機(jī)質(zhì)與全氮平均含量相對較低,這與當(dāng)?shù)氐娜藶橐蛩赜绊懨芮邢嚓P(guān)。

        表6 不同土壤類型有機(jī)質(zhì)和全氮統(tǒng)計分析Tab.6 Statistical analysis of OM and TN in different types of soil g.kg-1

        表7 不同土壤質(zhì)地有機(jī)質(zhì)和全氮統(tǒng)計分析Tab.7 Statistical analysis of OM and TN in soils of different texture g.kg-1

        3 結(jié)論

        (1)川北煙區(qū)植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量總體均有中等程度的空間變異性。元壩區(qū)土壤中54.62%的土壤處于較缺乏水平以上,宜增加有機(jī)肥的施用。旺蒼縣52.19%的土壤全氮處于較偏高水平以上,宜合理控制氮肥的施入量。

        (2)研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)與全氮含量相關(guān)系數(shù)為0.856,土壤有機(jī)質(zhì)和全氮塊金系數(shù)分別為0.617和0.720,其變異受地形地貌、土壤質(zhì)地和土壤類型等結(jié)構(gòu)因素影響較大。

        (3)川北植煙土壤有機(jī)質(zhì)和全氮空間分布差異明顯,影響因素主要由海拔高度、土壤質(zhì)地和土壤類型構(gòu)成,研究區(qū)區(qū)域應(yīng)根據(jù)三個主要因素及相應(yīng)的影響程度,合理調(diào)控有機(jī)肥與氮肥的施肥比例。

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        [15]曾慶賓,袁家富,彭成林,等.攀枝花市植煙土壤養(yǎng)分狀況評價[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,51(2):243-246.

        [16]趙業(yè)婷,常慶瑞,李志鵬,等.渭北臺塬區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)與全氮空間特征[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2014(08):201-206.

        [17]郭永龍,畢如田,王瑾,等.華北典型山區(qū)忻州不同小生境坡耕地土壤肥力特征[J].水土保持學(xué)報,2013,27(5):205-208.

        [18]張倩,王昌全,李冰,等.攀西植煙土壤有機(jī)質(zhì)和全氮空間變異性研究[J].核農(nóng)學(xué)報,2013,27(4):0501-0508.

        [19]邢喆,黃標(biāo),董成森,等.江蘇省沭陽縣農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的時空差異及其影響因素[J].土壤,2013,45(3):405-411.

        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 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1004-5708(2014)05-0066-07

        四川省煙草公司重點(diǎn)項目“四川烤煙肥料減施增效技術(shù)研究”(201202004);四川省煙草公司重點(diǎn)項目“四川植煙土壤質(zhì)量監(jiān)測評價及退化阻控技術(shù)研究”(201202005)

        唐杰(1991—),本科,主要從事土壤質(zhì)量與資源環(huán)境可持續(xù)的研究,Email:810672533@qq.com

        王昌全(1962—),博士,教授,主要從事土壤與環(huán)境可持續(xù)方面的研究,Tel:028-86290997 Email:w.changquan@163.com

        2014-04-04

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