王鑫 符德龍 徐夢潔 陳雪

摘? 要：了解植煙土壤耕層厚度的空間分布及其與地形因子的相關(guān)性，可以為植煙土壤耕層保護、優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施和實現(xiàn)耕地的可持續(xù)利用提供依據(jù)。本研究以畢節(jié)市472個植煙土壤樣點調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合地形數(shù)據(jù)，利用地統(tǒng)計學(xué)、IDW插值法和Pearson相關(guān)分析等方法探討了畢節(jié)市植煙土壤耕層厚度、空間分布及與地形因子的相關(guān)性。結(jié)果表明，畢節(jié)市植煙土壤耕層厚度平均為15.9 cm，略低于全國平均值16.5 cm;全市86.68%土壤耕層厚度處于10.1～20.0 cm，但各區(qū)縣差異顯著，最大值為35 cm，最小值僅2 cm，相差達17.5倍。在空間分布上西部地區(qū)植煙土壤耕層厚度大于東部地區(qū)，小于5.0 cm和大于25.0 cm耕層厚度則呈孤島形態(tài)分布;相關(guān)性分析表明，畢節(jié)市植煙土壤耕層厚度與高程顯著正相關(guān)，與坡向、坡度和坡形無顯著相關(guān)性。總之，畢節(jié)市92.63%的區(qū)域土壤耕層厚度超過10 cm，受地形因素影響小，適合煙草種植。

關(guān)鍵詞：植煙土壤;耕層厚度;空間分布;地形因子;IDW插值;相關(guān)性分析

中圖分類號：S572.06????????? 文章編號：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

土壤耕作層與土地生產(chǎn)力密切相關(guān)，土壤耕作層為植物提供物理支撐和其生長所必需的營養(yǎng)物質(zhì)與水分[1]。良好的耕作層厚度與結(jié)構(gòu)有利于作物生長和根系分布[2]，從而實現(xiàn)作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3]。一般來說，耕作層是指經(jīng)耕種熟化的表土層，通常厚度為15～20 cm，質(zhì)地為粒狀、團粒狀或碎塊狀結(jié)構(gòu)，易受生產(chǎn)活動、地表生物、氣候條件和地形因素等的影響[4]。近年來，由于采用淺層旋耕等耕作方式以及人為生產(chǎn)活動的影響，土壤耕層變淺，耕層有效土壤明顯減少，作物單產(chǎn)存在降低風(fēng)險[5]。因此，研究耕層結(jié)構(gòu)與構(gòu)建對作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)以及土地可持續(xù)利用愈發(fā)重要。

目前，對耕層結(jié)構(gòu)及構(gòu)建的研究已有不少[6-8]。研究者主要從耕作方式和耕層構(gòu)造角度開展研究。鄭洪兵等[6]對吉林省玉米農(nóng)田耕層現(xiàn)狀加以調(diào)查，發(fā)現(xiàn)長期采用傳統(tǒng)耕作方式使得農(nóng)田犁底層增厚，耕層變薄。劉武仁等[7]通過人工模擬方式構(gòu)造不同類型耕層結(jié)構(gòu)，指出不同的耕層構(gòu)造方式會導(dǎo)致耕層厚度存在差異，并且虛實并存的耕層結(jié)構(gòu)能有效促進玉米的生長發(fā)育。粱偉[8]基于GIS技術(shù)，研究福建省糧食生產(chǎn)的主要限制因素，發(fā)現(xiàn)耕作方式會影響耕層厚度，進而限制糧食產(chǎn)量。除此之外，不同的土壤類型在耕層厚度上也存在差異[9-10]。除此之外，有的文獻還從耕地的水旱和土壤母質(zhì)演化角度分析影響耕層理化指標變化情況[11-12]，雖然土壤耕作層是人為耕作形成，但也會受到地形因子的影響。譬如關(guān)中平原地區(qū)平均現(xiàn)代耕層厚度為0～35 cm左右[4]，而貴州省畢節(jié)市植煙區(qū)平均耕層厚度0～16 cm左右，低于關(guān)中平原平均厚度。除了自身母質(zhì)與土壤發(fā)育原因外，關(guān)中平原地區(qū)地勢較為平坦，坡度較小，相比于畢節(jié)市更利于人工和機械深翻操作，耕層厚度相對較深。

本研究以畢節(jié)市472個植煙土壤樣點調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以耕層厚度為切入點，進行統(tǒng)計和空間分析，探討耕層厚度與地形因子的相關(guān)性。以期為植煙土壤耕層保護、優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施和實現(xiàn)耕地的可持續(xù)利用提供依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 研究區(qū)概況

畢節(jié)市地處川、滇、黔三省交界處的東經(jīng)103°36′～106°43′和北緯26°21′～27°46′，屬于典型喀斯特巖溶地貌。土壤類型復(fù)雜多樣，以黃壤為主，其次是石灰土，其他還有紅壤、黃棕壤、山地灌木草甸土、磚紅性紅壤和水稻土[13]。畢節(jié)市地形地貌東西區(qū)別顯著，其地勢西高東低，東部地區(qū)以金沙為例，水網(wǎng)發(fā)達，地表分割破碎，山地和丘陵地貌顯著，適宜發(fā)展農(nóng)業(yè)。西部威寧縣等地山高坡陡，地勢起伏大，是典型的山原山地地貌，林牧業(yè)發(fā)展?jié)摿Υ螅亮魇乐?。畢?jié)市旱地主要農(nóng)作物有玉米、小麥、土豆、大豆和油菜，經(jīng)濟作物以烤煙為主。耕作方式主要以小麥煙草，小麥玉米，油菜玉米等套作兩熟或小麥玉米大豆等套作三熟制為主[14]。

1.2? 調(diào)查樣點

遵循均勻取樣的原則并結(jié)合煙草種植情況，在畢節(jié)市共布設(shè)472個采樣點（圖1），并利用GPS定位儀記錄點位的位置，于2017年6—8月完成實地采樣工作。

1.3? 測定方法

在每個樣點挖掘土壤剖面，從表層直至母質(zhì);根據(jù)土壤學(xué)大辭典記錄的相關(guān)方法[15]，劃分土壤層次，劃分成耕作層及土壤層，用鋼尺測量土壤層厚度，記錄至mm。

1.4? 數(shù)據(jù)處理與分析方法

以2017年畢節(jié)市行政區(qū)劃圖為底圖，下載30 m30 m的DEM影像，提取采樣點高程、坡度、坡向等數(shù)據(jù)。用SPSS 22軟件對數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗和描述性統(tǒng)計分析[16]，用ArcGIS10.2采用反距離權(quán)重法（IDW）對土壤耕作層厚度進行空間分布分析[17-18];最后利用SPSS 22軟件對地形因子與土壤耕作層厚度進行相關(guān)性分析[19]：在ArcGIS軟件環(huán)境下，提取DEM圖中的高程、坡度、坡向和坡形，其中高程、坡度和坡向均可直接提取，坡形根據(jù)之前的研究[20-21]加以度量。坡向可進一步劃分為

陰坡（0～45°、315～360°），半陽坡（45～135°）， 陽坡（135～275°）和半陰坡（275～315°），對其按類別編碼，在此基礎(chǔ)上進行與耕層厚度的相關(guān)分析。計算坡形系數(shù)P[21]，將坡形劃分為凹形坡（P<?0.5），直線坡（?0.5≤P≤0.5）和凸形坡（P>0.5），并對P與耕層厚度的相關(guān)性進行分析。

2? 結(jié)? 果

2.1? 土壤耕作層厚度統(tǒng)計特征

畢節(jié)市植煙土壤耕層厚度統(tǒng)計分析結(jié)果（表1）表明，畢節(jié)市植煙土壤平均耕層厚度低于我國土壤平均耕層厚度16.5 cm[22]。并且中位數(shù)和眾數(shù)也說明本次調(diào)查所得耕層厚度的普遍水平16.0 cm略小于全國土壤平均耕層厚度。最大值與最小值之間相差17.5倍，相差較大?？傮w變異系數(shù)31.4%，說明畢節(jié)市耕層屬于中等空間變異范疇[23-24]。為了進一步了解數(shù)據(jù)的分布情況，采用連續(xù)型變量頻數(shù)表建立方法[25]，根據(jù)全距33.0 cm和6組組數(shù)確定的組距6 cm，劃分組段及統(tǒng)計各組段頻數(shù)（表2）。

由表2可見，50%的植煙區(qū)調(diào)查點土壤厚度介于14.0～20.0 cm之間，并且中位數(shù)、眾數(shù)和平均數(shù)均處于該組內(nèi)，因此該組耕層厚度可以代表一半的植煙區(qū)調(diào)查點土壤耕層厚度現(xiàn)狀。僅有0.8%的調(diào)查耕層厚度大于26.0 cm，絕大部分調(diào)查點耕層厚度處于8.0～26.0 cm之間，占總調(diào)查點的90.9%。總體而言畢節(jié)市植煙區(qū)耕層厚度略低于全國平均水平，并且各調(diào)查點差距較大。

以各縣為單位進一步進行分析（表3），結(jié)果表明，畢節(jié)市除赫章、威寧和黔西三縣外，植煙區(qū)平均耕層均小于全國耕層平均厚度。各地區(qū)耕層厚度差距較大，比如赫章縣耕層厚度是七星關(guān)區(qū)的兩倍。各個地區(qū)耕層厚度均屬于中等程度空間變異，并且市區(qū)所在地的七星關(guān)變異程度最大。從數(shù)值上分析，變異系數(shù)和平均數(shù)以及最小值之間存在著某種聯(lián)系，但是這種聯(lián)系并不強烈。由此可見，畢節(jié)市各地區(qū)耕層厚度在數(shù)值上存在差異，有必要進一步分析畢節(jié)市植煙區(qū)耕層厚度在空間上的分布情況。

2.2? 土壤耕作層厚度的空間分布

根據(jù)數(shù)據(jù)分布情況，以5 cm為區(qū)間將畢節(jié)市植煙區(qū)耕層厚度劃分為6個等級（圖2）。大于25.0 cm和小于5 cm的耕層厚度占總面積比例最小，兩者相加僅占總面積的0.20%，15.1～20.0 cm厚度占總面積的54.37%超過總面積的一半，并且88.47%的植煙區(qū)耕層厚度達到10.01～20.0 cm。

植煙區(qū)耕層厚度空間差異不僅表現(xiàn)為面積比重差異，還表現(xiàn)為分布形態(tài)差異，5.1～25 cm耕層厚度土壤往往成片分布，比如大方、納雍和七星關(guān)交界處所處的大范圍內(nèi)都以耕層厚度10.1～15.0 cm區(qū)域為主體連成一片;又比如赫章縣中上偏東部地區(qū)以15.1～20.0 cm耕層厚度為主，而大于25 cm等厚度土壤則以島狀形式存在。就整個畢節(jié)市而言，在南北方向上耕層厚度并未表現(xiàn)出顯著特征，但在東西方向上，西邊威寧縣以15.1～20.0 cm厚度為主，東邊以10.1～20.0 cm耕層厚度為主，耕層厚度逐漸減少的同時，還包含其他多種島狀分布。

就各區(qū)縣而言，耕層厚度的空間分布也存在差異（表4）。比如最西邊的威寧縣，耕層厚度空間分布表現(xiàn)出以15.1～20.0 cm耕層厚度為主，多種耕層厚度并存的特點，15.1～20.0 cm厚度耕層面積占比85.42%;10.1～15.0 cm厚度面積占比8.91%，呈島狀零散分布于中部靠南地區(qū);大于25 cm厚度耕層面積占比0.20%，呈塊狀分布于北部靠近邊界地區(qū)?？椊鹂h與威寧縣耕層厚度分布情況類似，以10.1～15.0 cm為主，其面積占比60.78%，分布在東南部地區(qū);15.1～20.0 cm厚度面積占比27.70%，分布在西南部和東北部;10.1～15.0 cm厚度耕層，其面積占比0.07%，呈現(xiàn)處塊狀分布于東南部10.1～15.0 cm厚度區(qū)域內(nèi)。

在全市和分區(qū)尺度上，研究區(qū)耕層土壤厚度呈現(xiàn)出自西向東耕層厚度逐漸減弱的趨勢，這與畢節(jié)市的海拔變化趨勢類似，據(jù)此可推測畢節(jié)市耕層厚度與地形因子之間存在著某種聯(lián)系，因此進一步探討土壤耕作層厚度與地形因子的關(guān)聯(lián)。

2.3? 土壤耕作層厚度與地形因子的相關(guān)性分析

結(jié)果表明（表5），畢節(jié)市植煙土壤耕層厚度與地形因子存在著相關(guān)性。畢節(jié)市植煙土壤耕層厚度與高程顯著正相關(guān)，與坡向、坡度和坡形無顯著相關(guān)性。

2.4? 土壤耕作層厚度等級劃分

根系是煙株吸收土壤中水分和養(yǎng)分以及合成激素、生物堿的重要器官，其大小、分布及活力在很大程度上影響著煙草的產(chǎn)量和品質(zhì)[26]。而耕層作為根系的載體，為作物提供物理支撐、營養(yǎng)物質(zhì)和水分，足夠的耕層厚度才能夠促進作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[1-2]。煙根由主根、側(cè)根和不定根三部分組成，主根可下扎2 m以上，但70%～80%的根系集中于16～50 cm的土層內(nèi)，煙根的橫向分布為25～28 cm，適宜的耕層厚度更加有利于煙草品質(zhì)的提高和產(chǎn)量的提升[27]。據(jù)此，以耕層滿足煙草生長為標準，將耕層厚度人為劃分為小于10 cm（較薄），10～25 cm（一般）和大于25 cm（較厚）[27-28]。對畢節(jié)市植煙區(qū)土壤耕層厚度進行人為的劃分和分區(qū)統(tǒng)計（圖3）。

3? 討? 論

描述性統(tǒng)計和空間分析均發(fā)現(xiàn)，畢節(jié)市植煙區(qū)耕層厚度在各個地區(qū)存在著差異，并且處于中等空間變異。影響植煙區(qū)耕層厚度的因素有很多，總結(jié)之前的研究，并結(jié)合畢節(jié)市植煙區(qū)現(xiàn)狀可能存在以下幾種因素：（1）自身結(jié)構(gòu)性因素中的成土母質(zhì)的差別。周旭等[30]發(fā)現(xiàn)貴州省普安縣耕層厚度非常淺薄，并指出可能是廣泛分布的碳酸鹽母質(zhì)成土十分緩慢造成。畢節(jié)市與普安縣情況類似，屬于喀斯特巖溶地貌，部分地區(qū)同樣存在著大量的碳酸鹽母質(zhì)，所以不同的成土母質(zhì)會造成耕層厚度的不同。（2）隨機因素中的不合理耕作制度。畢節(jié)市煙草種植長期以旋耕為主，相關(guān)研究證明，長期采用一種或幾種耕作模式，會對耕層的厚度和硬度等產(chǎn)生影響[31]。劉武仁等[32]以土壤硬度為指標，在研究中指出常年免耕的情況下，0～20 cm耕層隨深度增加，土壤逐漸變硬，土壤的通氣和雨水滲入能力減弱，作物產(chǎn)量降低。石彥琴等[33]發(fā)現(xiàn)長期實行以旋耕和免耕為主的耕作體系，會導(dǎo)致耕層變淺、變緊。耕層變淺，有效土壤減少。（3）人口的快速增長造成的環(huán)境壓力。由于煙草是高經(jīng)濟價值作物，增長的人口在一定程度上推動了對煙草種植的需求[34]，從而強化對植煙土壤的開發(fā)利用。白偉等[22]研究發(fā)現(xiàn)，對耕地連續(xù)高強度開發(fā)和不合理使用，會導(dǎo)致土壤耕層變淺、耕層有效土壤數(shù)量減少。本研究發(fā)現(xiàn)，七星關(guān)變異系數(shù)稍大于納雍縣，理論上七星關(guān)受到人為因素造成的影響多一點，但是兩者的平均耕層厚度相差兩倍左右。綜合分析，城區(qū)位于七星關(guān)，人口較多，對土地需求不同，并且兩者在成土母質(zhì)上也存在差異。因此，植煙區(qū)土壤耕層厚度是各種因素綜合作用的結(jié)果。

畢節(jié)存在著嚴重的喀斯特石漠化現(xiàn)象和水土流失現(xiàn)象，具體表現(xiàn)在土地承載能力小，環(huán)境再生能力弱，一旦被破壞便難以恢復(fù)[35-37]。與此同時，研究發(fā)現(xiàn)畢節(jié)市地形因子與耕層厚度并不存在顯著相關(guān)性?？梢姡俗匀坏牡匦我蜃?，人為的利用及管理措施對耕層厚度也產(chǎn)生十分重要的影響。因此，為了保持植煙土壤有效的耕層厚度，在煙草種植中應(yīng)更多地采用科學(xué)合理的耕作保護措施，更加合理地變換耕作方式、注重水土流失現(xiàn)象的防治和對植煙區(qū)耕地的合理利用，不宜高強度地使用耕地，以促進煙草的品質(zhì)和產(chǎn)量的提升以及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

4? 結(jié)? 論

本研究結(jié)果表明，畢節(jié)市植煙土壤總體平均耕層厚度低于我國平均水平，且各區(qū)縣間土壤耕層厚度存在顯著的空間差異。畢節(jié)市植煙土壤耕層厚度與高程顯著正相關(guān)，與坡向、坡度和坡形無顯著相關(guān)性。在后續(xù)研究中，應(yīng)更多地從土壤耕層結(jié)構(gòu)和其他自然要素著手分析耕層厚度影響因素，以進一步構(gòu)建合理耕層。

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