郭迎新，陳永亮，苗琪，范志勇，孫軍偉，崔振嶺，李軍營(yíng)

洱海流域植煙土壤養(yǎng)分時(shí)空變異特征及肥力評(píng)價(jià)

1中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，云南玉溪 653100；3云南省煙草公司大理州公司，云南大理 671000

【目的】通過(guò)研究洱海流域植煙土壤養(yǎng)分時(shí)空變異特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)域植煙土壤肥力分級(jí)評(píng)價(jià)及其空間可視化的目標(biāo)，進(jìn)而為洱海流域煙田養(yǎng)分分區(qū)管理、平衡施肥、農(nóng)業(yè)面源污染防控等提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā恳?011—2013年、2018年和2020年洱海流域植煙區(qū)964個(gè)土壤樣品為研究對(duì)象，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systems，GIS）技術(shù)探究養(yǎng)分的時(shí)空變異特征和區(qū)域分布格局，并采用Fuzzy綜合評(píng)價(jià)法對(duì)植煙區(qū)土壤肥力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)?！窘Y(jié)果】2011—2020年洱海流域植煙土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀的均值為7.3、59.6 g·kg-1、3.5 g·kg-1、54.4 mg·kg-1、192.0 mg·kg-1，均表現(xiàn)為中等變異。植煙土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量豐富，豐缺等級(jí)處于中上等級(jí)及以上的區(qū)域面積占比分別為85.2%、93.8%、94.5%及78.8%，存在明顯的區(qū)域變異性。植煙土壤肥力處于I—V級(jí)的區(qū)域面積占比分別為8.4%、25.0%、40.3%、23.3%、3.0%。洱海流域植煙土壤整體偏堿性，pH值呈現(xiàn)出洱海北部高于南部的現(xiàn)狀；有機(jī)質(zhì)和全氮含量高值區(qū)主要分布于洱海北部和西部；有效磷含量高值區(qū)以斑塊狀分布在洱海北部、東部和西部；速效鉀含量高值區(qū)呈片狀分布在洱海北部和東部?！窘Y(jié)論】洱海流域植煙土壤整體肥力較高，III級(jí)及以上高肥力區(qū)主要分布在洱海北部和東部。同時(shí)，洱海北部和西部植煙土壤氮磷元素含量豐富，區(qū)域內(nèi)存在農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)。

煙田；土壤養(yǎng)分；時(shí)空變異；土壤肥力評(píng)價(jià)；洱海流域

0 引言

【研究意義】煙草是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，也是寶貴的化工原料和重要的蛋白質(zhì)來(lái)源[1]。煙草生態(tài)適應(yīng)性較強(qiáng)，從60°N到45°S的范圍內(nèi)均有適合烤煙種植的地方，但生態(tài)環(huán)境的差異決定著煙葉特定品質(zhì)和風(fēng)味特色[2-3]。洱海流域是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)，得益于區(qū)域內(nèi)豐富的光熱條件和充沛的水資源，煙葉具有油份足，香氣質(zhì)清香，氣味純凈的特點(diǎn)，烤煙產(chǎn)業(yè)成為該區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要支柱[4]。近年來(lái)，由于不合理的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、旅游過(guò)度開(kāi)發(fā)、生態(tài)意識(shí)淡薄等原因致使大量營(yíng)養(yǎng)元素排入洱海，2008—2017年中洱海水質(zhì)僅有兩年為Ⅱ類(lèi)優(yōu)質(zhì)水源[5]。據(jù)估算，2018年洱海流域農(nóng)業(yè)面源污染的總氮排放量為2 752.56 t，總磷排放量為259.33 t，遠(yuǎn)超出洱海Ⅱ類(lèi)水質(zhì)的水環(huán)境承載力[6-7]。流域內(nèi)種植業(yè)導(dǎo)致的面源污染在總污染負(fù)荷中占比最高，其中植煙土壤氮磷元素流失系數(shù)較高[7-9]。土壤養(yǎng)分是烤煙生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)元素的直接來(lái)源，極大程度決定了煙葉的產(chǎn)量與品質(zhì)?；贕IS技術(shù)探究土壤養(yǎng)分時(shí)空變異具有管理空間不均勻分布資源的功能，可以直接反映區(qū)域內(nèi)煙田施肥策略及耕作方式等農(nóng)業(yè)制度的合理性，為洱海流域潛在養(yǎng)分淋失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，煙田土壤肥力定量評(píng)價(jià)是評(píng)價(jià)煙草生態(tài)適宜性和營(yíng)養(yǎng)診斷的前提，更是區(qū)域養(yǎng)分管理策略的重要科學(xué)依據(jù)[10]。鑒于此，明確洱海流域植煙土壤養(yǎng)分時(shí)空變異特征，建立植煙土壤肥力分級(jí)評(píng)價(jià)體系并實(shí)現(xiàn)空間可視化，是煙田養(yǎng)分資源高效利用和降低淋失風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)，對(duì)發(fā)揮洱海流域煙田生產(chǎn)潛力以及農(nóng)業(yè)發(fā)展可持續(xù)具有指導(dǎo)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】當(dāng)前，地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)相結(jié)合宏觀研究土壤養(yǎng)分時(shí)空變異特征，并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法綜合評(píng)價(jià)土壤肥力是土壤養(yǎng)分研究的熱點(diǎn)。我國(guó)土壤養(yǎng)分變異特征研究起步相對(duì)較晚，研究方法經(jīng)歷了由經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)到地統(tǒng)計(jì)學(xué)再到新型輔助技術(shù)的過(guò)程[11]?；诘亟y(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS技術(shù)可在不同尺度范圍內(nèi)將土壤屬性與地理數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合，更加高效直觀地反映出整個(gè)研究區(qū)土壤養(yǎng)分變異特征和分布狀況[12-13]。常乃杰等以云南省玉溪市植煙區(qū)土壤為研究對(duì)象，得出土壤養(yǎng)分的變異特征和空間分布，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為管理單元提出5個(gè)烤煙養(yǎng)分管理分區(qū)及相應(yīng)的基肥和追肥配方[14]。土壤肥力評(píng)價(jià)方法有灰色關(guān)聯(lián)法、模糊評(píng)判法、聚類(lèi)分析法等，目前沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，需根據(jù)實(shí)際情況選取適宜的評(píng)價(jià)方法。徐辰生等在結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)基礎(chǔ)上，采用Fuzzy綜合評(píng)價(jià)法建立南平煙區(qū)植煙土壤肥力評(píng)價(jià)體系[15]。倪明等研究了保山市植煙土壤養(yǎng)分的時(shí)空變異特征，并根據(jù)土壤肥力指數(shù)對(duì)土壤肥力適宜性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為指導(dǎo)植煙施肥實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)[16]。在不同尺度上，土壤養(yǎng)分的變異規(guī)律不盡相同[17]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】以往大理州植煙土壤研究?jī)H停留在經(jīng)典數(shù)理統(tǒng)計(jì)層面，并缺乏植煙土壤的量化評(píng)價(jià)，對(duì)洱海流域施肥策略合理化和防控?zé)熖锩嬖次廴救狈_性指導(dǎo)[4,18-20]?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以2011—2020年以來(lái)964個(gè)洱海流域植煙土壤樣點(diǎn)為研究對(duì)象，基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)探究了土壤養(yǎng)分的時(shí)空變異特征和區(qū)域分布格局，并對(duì)植煙區(qū)土壤肥力進(jìn)行了定量化評(píng)價(jià)，旨在為洱海流域煙田養(yǎng)分分區(qū)管理、平衡施肥、農(nóng)業(yè)面源污染防控等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

洱海流域位于我國(guó)云南省大理白族自治州，流域面積為2 565 km2，主要包括大理市及洱源縣的16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。洱海流域?qū)俚途暩咴瓉啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，溫暖濕潤(rùn)，干濕分明，年均氣溫15.1℃，全年平均降水量1 000 mm，其中，85%以上的降雨集中在5—10月的雨季，年相對(duì)濕度為66%。洱海隸屬瀾滄江-湄公河水系，湖面高程1 966 m時(shí)湖面積為252.191 km2。流域內(nèi)大小河溪117條，主要有北部的羅時(shí)江、彌苴河、永安江，西部的“蒼山十八溪”和南部的波羅江、金星河等。該流域位于大理的平壩地區(qū)并且水資源豐富，擁有著優(yōu)越的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，是大理人民賴(lài)以生存和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。流域內(nèi)種植業(yè)主要是種植糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物，經(jīng)濟(jì)作物主要包括烤煙、蔬菜等。根據(jù)大理州煙草公司制訂的《大理州洱海流域烤煙生態(tài)種植實(shí)施方案》，每年在洱海流域種植烤煙近4 000 hm2，其中，大理市約1 600 hm2，洱源縣約2 400 hm2。

1.2 樣品采集與分析

根據(jù)洱海流域烤煙種植情況，選取成片性好的植煙土壤每13.3 hm2布1個(gè)取樣點(diǎn)，于2011—2013年、2018年、2020年分別采集88個(gè)、233個(gè)、643個(gè)土壤樣品（圖1）。土樣采集時(shí)間避開(kāi)雨季選在烤煙前茬作物收獲后未進(jìn)行翻耕和施肥時(shí)，以反映取樣點(diǎn)的真實(shí)理化性狀，同時(shí)使用GPS定位，記錄經(jīng)緯度、海拔高度等采樣點(diǎn)信息。田間取樣時(shí)，按“S”形方式取耕層（0—20 cm）的混合土樣，除去石塊、植物根系和凋落物后，用四分法取1 kg土樣帶回實(shí)驗(yàn)室。土樣登記編號(hào)后風(fēng)干、磨細(xì)、過(guò)篩、混勻、裝瓶備分析測(cè)定用，測(cè)定項(xiàng)目包括土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷及速效鉀等。采用玻璃電極法（水土比為2.5﹕1）測(cè)定土壤pH；采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量；采用凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮含量；采用鉬銻抗比色法測(cè)定土壤有效磷含量；采用火焰光度法測(cè)定土壤速效鉀含量[21]。

1.3 植煙土壤肥力評(píng)價(jià)方法

1.3.1 土壤肥力指標(biāo)隸屬度值和權(quán)重 采用Fuzzy綜合評(píng)價(jià)法對(duì)洱海流域植煙土壤肥力定量評(píng)價(jià)。參考洱海流域植煙土壤肥力特征和陳美球等的研究[22-24]，選取土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀5項(xiàng)指標(biāo)作為洱海流域植煙土壤肥力綜合指標(biāo)值（integrated fertility index，IFI）的評(píng)價(jià)因子。隸屬度是模糊數(shù)學(xué)中的一個(gè)重要概念，土壤各項(xiàng)肥力指標(biāo)隸屬度值由隸屬度函數(shù)計(jì)算得來(lái)。隸屬度函數(shù)可將實(shí)測(cè)的土壤pH和土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)值進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為0—1的無(wú)量綱值，其值的大小反映出該項(xiàng)指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度。據(jù)作物效應(yīng)曲線(xiàn)的差異性可將隸屬度函數(shù)分為拋物線(xiàn)型和S型兩種，其中pH、有機(jī)質(zhì)、全氮屬于拋物線(xiàn)型，有效磷和速效鉀屬于S型。其函數(shù)表達(dá)式為：

圖1 洱海流域植煙土壤采樣點(diǎn)分布圖

拋物線(xiàn)型隸屬度函數(shù)：

S型隸屬度函數(shù)：

式中，N表示第個(gè)樣品的第個(gè)土壤肥力指標(biāo)隸屬度值，為土壤肥力指標(biāo)的測(cè)定值。參考王政等[15-16,25]的方法確定土壤各養(yǎng)分指標(biāo)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)閾值，各指標(biāo)的閾值為1、2、3、4（表1）。

權(quán)重系數(shù)是反映土壤各肥力指標(biāo)貢獻(xiàn)度的關(guān)鍵參數(shù)，直接作用于植煙土壤肥力評(píng)價(jià)的結(jié)果。確定權(quán)重系數(shù)的方法有相關(guān)系數(shù)法、主成分分析法、專(zhuān)家評(píng)分法等。本研究權(quán)重系數(shù)采用相關(guān)系數(shù)法，首先計(jì)算出土壤各肥力指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)的平均數(shù)，以其占土壤全部肥力指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)平均數(shù)之和的比作為該項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

1.3.2 模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)方法 IFI可由隸屬度值和權(quán)重計(jì)算得出，其值的大小受各項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)豐缺情況共同影響。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[16,26]，可將IFI分為5個(gè)等級(jí)，并對(duì)洱海流域植煙土壤進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)，即I級(jí)（0.8

式中，W為第個(gè)土壤樣品的第個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，N同1.3.1。表示為土壤樣品個(gè)數(shù)，表示每個(gè)樣品中土壤養(yǎng)分指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

原始數(shù)據(jù)的異常值剔除、正態(tài)性檢驗(yàn)、相關(guān)系數(shù)計(jì)算采用SPSS 18.0，常規(guī)性統(tǒng)計(jì)由Microsoft Excel 2019完成。在Minitab 19.2中將土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)或Box-Cox變換，使之服從正態(tài)分布。使用GS+9.0軟件完成地統(tǒng)計(jì)分析，獲取最優(yōu)變異函數(shù)半方差理論模型及參數(shù)。運(yùn)用ArcGIS 10.6中Geostatistical Analyst模塊的普通克里金插值法進(jìn)行插值并完成空間分布圖，最后運(yùn)用Reclassify工具，將土壤養(yǎng)分指標(biāo)的插值結(jié)果重新分類(lèi)柵格，從而計(jì)算得到每個(gè)豐缺等級(jí)的面積百分比。

表1 拋物線(xiàn)和S型函數(shù)曲線(xiàn)各指標(biāo)的閾值

“/”表示空值“/” Means null

2 結(jié)果

2.1 洱海流域植煙土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)分析

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看（表2），2011—2020年以來(lái)土壤pH、有機(jī)質(zhì)和全氮含量均值整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，2018—2020年上升幅度較大；有效磷含量均值表現(xiàn)為2011—2018年迅速上升，之后增幅減緩并趨于穩(wěn)定；速效鉀含量均值則先增加后減少。2011—2020年植煙土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀的均值為7.3、59.6 g·kg-1、3.5 g·kg-1、54.4 mg·kg-1、192.0 mg·kg-1。變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）是數(shù)據(jù)離散程度的表現(xiàn)，2011—2020年植煙土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀的變異系數(shù)為11.6%、44.9%、47.3%、52.0%、52.7%，均屬于中等程度變異，各年份中以土壤pH的變異系數(shù)最小，速效鉀的變異系數(shù)最大。

峰度和偏度表示數(shù)據(jù)分布的正態(tài)性，分別用來(lái)衡量數(shù)據(jù)的非對(duì)稱(chēng)特征和集中程度。由偏度和峰度檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，各項(xiàng)土壤指標(biāo)均不服從正態(tài)分布，各年份土壤指標(biāo)呈現(xiàn)不同程度的正偏態(tài)或負(fù)偏態(tài)，2011—2013年土壤pH偏斜程度最大。為提高地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和克里金插值的準(zhǔn)確性，需對(duì)土壤各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)數(shù)或Box-Cox正態(tài)化處理。

表2 洱海流域植煙土壤養(yǎng)分含量描述性統(tǒng)計(jì)特征

2.2 植煙土壤養(yǎng)分的空間變異特征

利用GS+軟件對(duì)2011—2020年土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行模型擬合，選取最優(yōu)半方差函數(shù)模型及參數(shù)，定量地展示了土壤肥力特征的空間變異結(jié)構(gòu)（表3）。擬合模型的優(yōu)劣可通過(guò)決定系數(shù)和殘差來(lái)判斷，決定系數(shù)越大，殘差越小，說(shuō)明擬合的半方差函數(shù)模型和參數(shù)最優(yōu)。表3結(jié)果表明，洱海流域內(nèi)的土壤養(yǎng)分指標(biāo)均存在較好的半方差結(jié)構(gòu)，皆為高斯模型。從決定系數(shù)上來(lái)看，速效鉀擬合效果最佳，決定系數(shù)為0.705。

表3 土壤養(yǎng)分的半方差函數(shù)模型及參數(shù)

土壤養(yǎng)分指標(biāo)的空間變異特征存在隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性?xún)蓚€(gè)明顯的特征，隨機(jī)性是由耕作制度、施肥方式和土地利用方式等人類(lèi)活動(dòng)所導(dǎo)致，而結(jié)構(gòu)性則是依賴(lài)于成土母質(zhì)、地形地貌、自然氣候等自然條件形成。塊基比（塊金值/基臺(tái)值）表示隨機(jī)性變異占系統(tǒng)總變異（隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性）的比例，其值的大小反映了隨機(jī)因素對(duì)總空間變異特征的影響程度。從塊基效應(yīng)來(lái)看，2011—2020年植煙土壤pH塊基比<25%，土壤屬性存在強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，表明母質(zhì)、氣候和地形等自然因素對(duì)其空間變異起主導(dǎo)作用；相比之下，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀塊基比處于25%—75%，表現(xiàn)為中等空間自相關(guān)性，表明空間變異由人為和自然因素共同影響。

2.3 植煙土壤養(yǎng)分的空間分布格局

土壤養(yǎng)分的空間分布格局是其空間變異特征的具體表現(xiàn)。在獲得最優(yōu)半方差函數(shù)模型及參數(shù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ArcGIS 10.6中的普通克里金插值法繪制洱海流域植煙土壤主要養(yǎng)分（pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀）空間分布圖，可以直觀地反映各鄉(xiāng)鎮(zhèn)植煙土壤的肥力狀況（圖2）。根據(jù)圖2-a，pH分布總體上呈現(xiàn)北高南低的趨勢(shì)，pH處于6.5—7.0為主要分布區(qū)域，普遍分布于洱海西部、東部和除下關(guān)鎮(zhèn)以外的南部；其次pH處于7.0—8.0的區(qū)域主要集中分布在包括三營(yíng)鎮(zhèn)、茈碧湖鎮(zhèn)、右所鎮(zhèn)和鄧川鎮(zhèn)在內(nèi)的洱海北部；pH處于8.0以上的高值地區(qū)主要以斑塊狀分布于洱海北部和下關(guān)鎮(zhèn)的大部分區(qū)域。

圖2 洱海流域植煙土壤養(yǎng)分含量空間分布格局

根據(jù)圖2-b和2-c，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的空間分布呈現(xiàn)高度的相似性，這與兩者間相關(guān)系數(shù)為0.965有關(guān)。有機(jī)質(zhì)和全氮均總體上呈由洱海西北部向東南部逐漸遞減的趨勢(shì)，空間分布有較好的規(guī)律性，其高值區(qū)主要位于在包括牛街鄉(xiāng)、三營(yíng)鎮(zhèn)、茈碧湖鎮(zhèn)、右所鎮(zhèn)在內(nèi)的洱海北部和包括喜洲鎮(zhèn)、灣橋鎮(zhèn)、銀橋鎮(zhèn)、大理鎮(zhèn)在內(nèi)的洱海西部，整體呈聚集分布；低值區(qū)主要以斑塊狀分布于洱海南部和東北部。

根據(jù)圖2-d，洱海流域不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)煙田土壤有效磷含量呈現(xiàn)明顯的區(qū)域差異性，但規(guī)律性不突出，總體上呈現(xiàn)由灣橋鎮(zhèn)、挖色鎮(zhèn)北部向南部方向逐漸減少的趨勢(shì)。植煙土壤有效磷以大于40 mg·kg-1為主要分布區(qū)域，以斑塊狀分布在洱海北部、東部和西部。根據(jù)圖2-e，速效鉀分布空間連續(xù)性好，總體上呈現(xiàn)由洱海東北部向西南部逐漸減小的趨勢(shì)。速效鉀含量大于200 mg·kg-1的區(qū)域呈片狀分布在洱海北部和東部；速效鉀含量小于50 mg·kg-1的區(qū)域以插花狀分布在洱海流域速效鉀的低值區(qū)。

2.4 植煙土壤養(yǎng)分含量豐缺等級(jí)分布及其相關(guān)分析

結(jié)合全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定土壤主要養(yǎng)分（有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀）6個(gè)豐缺評(píng)價(jià)等級(jí)，并計(jì)算出2011—2020年洱海流域植煙區(qū)土壤養(yǎng)分豐缺等級(jí)面積比例現(xiàn)狀（表4）。從表4結(jié)果來(lái)看，植煙土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量豐富，處于中上等級(jí)及以上的區(qū)域面積占比分別為85.2%、93.8%、94.5%及78.8%，各項(xiàng)指標(biāo)屬于低等級(jí)的區(qū)域面積只占零星比例。

由表5可知洱海流域植煙土壤各項(xiàng)肥力指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系（Pearson相關(guān)系數(shù)），除速效鉀與有機(jī)質(zhì)、速效鉀與全氮外，其余養(yǎng)分兩兩互相在0.01水平存在極顯著相關(guān)性。其中，土壤pH和有效磷含量呈負(fù)向相關(guān)關(guān)系，其余均為正向相關(guān)；土壤有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量相關(guān)關(guān)系最為密切，相關(guān)系數(shù)為0.965。權(quán)重系數(shù)采用相關(guān)系數(shù)法來(lái)確定，是植煙土壤肥力評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。由表5可以看出，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的權(quán)重系數(shù)較大，分別為0.278和0.269，速效鉀的權(quán)重系數(shù)最小。

表4 2011—2020年洱海流域植煙土壤養(yǎng)分豐缺等級(jí)面積百分比

表5 土壤肥力指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)、相關(guān)系數(shù)平均值和權(quán)重系數(shù)

**表示在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)**Significant correlation at the levels of 0.01 (2-tailed)

2.5 洱海流域植煙土壤肥力評(píng)價(jià)

采用Fuzzy綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算出IFI值并進(jìn)行分級(jí)，以量化評(píng)價(jià)洱海流域植煙土壤肥力（圖3）。由圖3可知，研究區(qū)土壤肥力處于III級(jí)及以上的區(qū)域面積占比73.7%，V級(jí)土壤占比3.0%。為進(jìn)一步研究土壤IFI空間分布的差異性，通過(guò)克里金插值繪制出土壤分級(jí)空間分布圖（圖4）。如圖4所示，I級(jí)和II級(jí)高質(zhì)量土壤主要以斑塊狀分布在洱海北部、洱海東部和包括鳳儀鎮(zhèn)在內(nèi)的洱海南部；III級(jí)土壤分布具有較好的連續(xù)性，主要分布在包括牛街鄉(xiāng)、三營(yíng)鎮(zhèn)、茈碧湖鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)在內(nèi)的洱海北部和包括喜洲鎮(zhèn)和銀橋鎮(zhèn)在內(nèi)的部分洱海西部；IV級(jí)和V級(jí)主要以斑塊狀分布在洱海北部、包括喜洲鎮(zhèn)和大理鎮(zhèn)在內(nèi)的海西地區(qū)和包括下關(guān)鎮(zhèn)和鳳儀鎮(zhèn)在內(nèi)的洱海南部。

3 討論

3.1 土壤pH和有機(jī)質(zhì)

土壤酸堿度是影響土壤養(yǎng)分形態(tài)轉(zhuǎn)化和根系活力的重要因素之一[27-28]。本研究表明2011—2020年洱海流域植煙土壤存在pH升高現(xiàn)象，pH均值由7.2增長(zhǎng)為7.4。前人研究了大理州2012年以前植煙土壤pH時(shí)，發(fā)現(xiàn)大理煙區(qū)土壤酸堿度適中，呈現(xiàn)偏酸性[4,18-19]，與本研究結(jié)果不一致，可能由于是取樣年份不同，也可能是取樣尺度不同產(chǎn)生的差異。黃俊杰[20]發(fā)現(xiàn)洱源縣植煙土壤的pH為7.27，顯著高于大理州其他縣市，而洱海流域涵蓋了洱源縣的大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)。由表2和表3可知，該區(qū)域內(nèi)植煙土壤pH主要受成土母質(zhì)、地形條件和土壤類(lèi)型等自然因素影響，同時(shí)其變異系數(shù)相較于其他指標(biāo)最小，表明土壤pH在一定區(qū)域內(nèi)的變異性較小，與趙晴月等研究結(jié)果相似[29]。洱海流域植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富，豐缺等級(jí)處于中上等級(jí)及以上的區(qū)域面積占為85.2%。相比于2011—2013年，2020年植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量提升了18.9%。值得注意的是，2018—2020年土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮和pH上升趨勢(shì)顯著高于2011—2018年，可能與近年在洱海流域煙田開(kāi)展有機(jī)肥全面替代化肥的施肥策略有關(guān)。蔡澤江等發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥可提升土壤pH，可能是由于有機(jī)肥中堿性物質(zhì)釋放，降低硝化作用、較少硝態(tài)氮和H+產(chǎn)生量、以及增加H+消耗等機(jī)制所致[30-31]。該區(qū)域內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量變化受人類(lèi)活動(dòng)的影響，也印證了上述猜想（表3）。有機(jī)肥具有提升土壤物理性質(zhì)、優(yōu)化農(nóng)田微生物群落等積極作用，李春儉則指出煙草栽培中要控制有機(jī)肥的施用量，避免烤煙生育后期氮素吸收過(guò)多進(jìn)而影響煙葉品質(zhì)[1]。漆智平等認(rèn)為適宜優(yōu)質(zhì)烤煙生長(zhǎng)的土壤pH為5.5—7.0，施用NH4Cl和(NH4)2SO4可以降低植煙土壤pH[32]。因此，針對(duì)洱海流域植煙土壤pH偏高的現(xiàn)狀，建議(NH4)2SO4等生理酸性肥料與有機(jī)肥適量配合施用以進(jìn)行土壤改良。

圖3 洱海流域植煙土壤等級(jí)面積百分比

圖4 洱海流域植煙土壤肥力分級(jí)空間分布圖

3.2 土壤全氮、有效磷和速效鉀

植煙土壤全氮、有效磷和速效鉀含量在其產(chǎn)量和品質(zhì)形成中發(fā)揮著舉足輕重的作用，是反映土壤供肥能力的重要指標(biāo)。本研究表明，洱海流域93.8%植煙土壤的全氮含量豐缺等級(jí)處于中上等級(jí)及以上，2011年以來(lái)洱海流域煙田土壤全氮含量均值表現(xiàn)為逐年升高，直到2020年其含量升高至3.7 g·kg-1，可能與農(nóng)戶(hù)過(guò)量氮肥投入有關(guān)。優(yōu)化氮素供應(yīng)是當(dāng)下烤煙實(shí)現(xiàn)農(nóng)田養(yǎng)分資源高產(chǎn)高效的關(guān)鍵措施，氮肥用量不足和過(guò)量都會(huì)導(dǎo)致烤煙產(chǎn)值下降[33]。洱海流域主要種植烤煙品種為K326和紅花大金元，SU等發(fā)現(xiàn)二次模型適用于兩個(gè)品種對(duì)氮素的響應(yīng)，其最適施氮量分別為90和60 kg N·hm-2，在此施氮量下可取得提升烤煙品質(zhì)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的雙贏效果[34-35]。洱海流域植煙土壤全氮和有機(jī)質(zhì)在變異系數(shù)、最優(yōu)插值模型、空間分布格局等方面呈現(xiàn)出高度的一致性，與兩者之間較高的相關(guān)系數(shù)有密切關(guān)系。謝國(guó)雄等認(rèn)為陸地生態(tài)系統(tǒng)中的氮素主要儲(chǔ)存于土壤有機(jī)質(zhì)庫(kù)，導(dǎo)致兩者存在緊密相關(guān)性[36]，而LIU等認(rèn)為這種相關(guān)關(guān)系與復(fù)雜的生物地球化學(xué)有關(guān)[37]。分析結(jié)果顯示，全氮含量的高值區(qū)主要分布在洱海北部和西部，而洱海北部的三營(yíng)鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)及入湖河流恰為流域重點(diǎn)污染源區(qū)[8,38-39]。同時(shí)，洱海西部降雨量高于東部約25%—30%，增加了海西地區(qū)養(yǎng)分流失造成農(nóng)業(yè)面源污染的風(fēng)險(xiǎn)[40]。依據(jù)實(shí)際土壤氮素含量分布情況，建議洱海西部和北部煙田氮肥施用量參考品種需肥特性進(jìn)行減施，其他各區(qū)域可結(jié)合實(shí)際情況合理化土壤氮素含量，對(duì)烤煙品質(zhì)提升和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

流域植煙土壤有效磷處于高和極高水平區(qū)域面積占比81.5%，速效鉀總體處于高和極高水平區(qū)域面積占比50.2%。2011—2018年土壤有效磷和速效鉀含量提升明顯（表2），表明期間煙田施肥量普遍較高，2018年以后可能受到肥料政策推廣的影響，導(dǎo)致有效磷含量不再大幅升高且速效鉀含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。從各年份的變異系數(shù)來(lái)看，有效磷和速效鉀均高于土壤其他指標(biāo)，同時(shí)兩者的塊基比均處于25%—75%之間，說(shuō)明土壤中磷、鉀的空間分布具有一定隨機(jī)性，受到施肥、灌溉、土地利用方式等人為因素和自然因素的共同作用，與張玲娥等的研究結(jié)果一致[41-42]。在一定范圍內(nèi)，土壤有效磷的含量隨施磷量的增加而上升，農(nóng)戶(hù)施肥量的差異導(dǎo)致了有效磷含量的分布變異。同時(shí)，磷素在土壤中易發(fā)生吸附、沉積和轉(zhuǎn)化作用，大部分以難溶性的化合物形式被土壤固定[43]，較差的移動(dòng)性加劇了空間分布的差異性。雖然鉀素具有一定的移動(dòng)性，但實(shí)際農(nóng)事操作因經(jīng)濟(jì)狀況致使農(nóng)戶(hù)的施鉀量有所差異[14]。洱海流域植煙土壤磷素含量豐富，烤煙生育期對(duì)磷素吸收平穩(wěn)且吸收量相對(duì)較低[1]，尤其是洱海北部及洱海西部的磷素含量高值區(qū)應(yīng)適量減少磷肥投入，減少土壤磷素累積；鉀素則是烤煙的品質(zhì)元素，當(dāng)前土壤速效鉀含量基本可以滿(mǎn)足烤煙的正常生長(zhǎng)需要，洱海東部地區(qū)可適量減少鉀肥投入。因此，針對(duì)洱海流域土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分資源現(xiàn)狀和烤煙養(yǎng)分吸收特征，提出“控氮、減磷、穩(wěn)鉀”的總體施肥方案。

3.3 土壤肥力評(píng)價(jià)

本文以土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀為肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用Fuzzy綜合評(píng)價(jià)法對(duì)2011—2020年洱海流域植煙土壤肥力作出評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，洱海流域植煙土壤肥力處于III級(jí)及以上的占比73.7%，肥力高值區(qū)主要分布在洱海北部和東部，說(shuō)明洱海流域植煙土壤整體上質(zhì)量較優(yōu)，可以為煙株提供良好的生長(zhǎng)發(fā)育條件。吳杰等發(fā)現(xiàn)IFI值與烤煙等級(jí)結(jié)構(gòu)和均價(jià)均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，該評(píng)價(jià)方法可以代表研究區(qū)域內(nèi)烤煙的實(shí)際生產(chǎn)狀況[44]。李曉寧等則認(rèn)為土壤肥力評(píng)價(jià)結(jié)果僅代表土壤潛在肥力，烤煙最終產(chǎn)量還受到生態(tài)因子和施肥措施等因素影響[45]。高肥力土壤往往存在較大養(yǎng)分淋失風(fēng)險(xiǎn)，流失的營(yíng)養(yǎng)元素會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化，致使周邊區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞[46-47]，所以如何高效利用土壤養(yǎng)分資源成為提升洱海流域煙田經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的關(guān)鍵。烤煙的初生根和大量次生根以叢狀分布，通常集中在0—20 cm土層，氮磷養(yǎng)分淋失也會(huì)降低煙株根層對(duì)養(yǎng)分的吸收。HOU等用15N標(biāo)記NH4NO3方法探究煙田氮素去向，4年試驗(yàn)結(jié)果表明烤煙氮素積累利用率僅為34.3%[48]。目前，養(yǎng)分高效利用研究在三大糧食作物中取得可喜進(jìn)展，前人在不增加氮肥投入的情況下充分發(fā)揮農(nóng)田的生產(chǎn)潛力，并有效降低活性氮的損失[49-51]。筆者認(rèn)為洱海作為我國(guó)“新三湖”重點(diǎn)保護(hù)湖泊之一，植煙土壤的養(yǎng)分在部分地區(qū)富集現(xiàn)狀將會(huì)加劇該區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境退化，在洱海流域煙田應(yīng)采取“分區(qū)管理，以需定量，分期調(diào)控”的肥料管理策略，使肥料供應(yīng)和煙株養(yǎng)分需求達(dá)到數(shù)量上匹配、時(shí)間上同步、空間上的耦合，提升肥料利用率。

4 結(jié)論

與2011—2013年相比，近10年洱海流域植煙土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量均呈上升趨勢(shì)。區(qū)域內(nèi)植煙土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量較高，有機(jī)質(zhì)和全氮含量高值區(qū)主要分布于洱海北部和西部；有效磷以大于40 mg·kg-1為主要分布區(qū)域，以斑塊狀分布在洱海北部、東部和西部；速效鉀含量大于200 mg·kg-1的區(qū)域呈片狀分布在洱海北部和東部。

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Spatial-Temporal Variability of Soil Nutrients and Assessment of Soil Fertility in Erhai Lake Basin

1College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193;2Yunnan Academy of Tobacco Agriculture Science, Yuxi 653100, Yunnan;3Yunan Dali Tobacco Company, Dali 671000, Yunan

【Objective】By studying the spatial-temporal variation characteristics of tobacco-planting soil nutrients in Erhai Lake Basin (ELB), the objective of grading evaluation and spatial visualization of tobacco-planting soil fertility in this region was achieved, so as to provide a scientific basis for the nutrient management, balanced fertilization, and the control of agricultural non-point source pollution of tobacco-planting areas in ELB.【Method】Based on the 964 tobacco-planting soil samples in ELB collected in 2011-2013, 2018 and 2020, this study explored the spatial-temporal variability of nutrients and regional distribution patterns by using Geostatistics, Geographic Information Systems (GIS) technology, and Fuzzy integrated fertility index method to quantify the soil fertility in tobacco-planting areas. 【Result】The average values of soil pH, soil organic matter (SOM), total nitrogen (TN), Olsen-P (AP) and available potassium (AK) of tobacco-planting soil in ELB were 7.3, 59.6 g·kg-1, 3.5 g·kg-1, 54.4 mg·kg-1, and 192.0 mg·kg-1, respectively, all of which belonging to moderate variation. Tobacco-planting soil was rich in SOM, TN, AP and AK, and the proportions of areas within the upper-middle level accounted for 85.2%, 93.8%, 94.5% and 78.8%, respectively, showing obvious variation at regional scale. The area of tobacco-planting soil fertility were graded to five levels (from high to low: I to V), which accounted for 8.4%, 25.0%, 40.3%, 23.3% and 3.0%, respectively. The pH of tobacco-planting soil was relatively alkaline in ELB, which was higher in the northern than in the southern; the highest concentrations of SOM and TN occurred in the northern and the western region; the areas with high AP concentration were distributed in patches in the northern, eastern and western region of Erhai Lake; the areas with high AK concentration were distributed in flakes in the northern and eastern of Erhai Lake. 【Conclusion】Collectively, the fertility of the tobacco-growing soil in ELB was in high level, and the high-quality soil areas above grade III were mainly distributed in the northern and eastern region. Meanwhile, the tobacco-planting soil in the northern and western Erhai Lake were rich in nitrogen and phosphorus, and there was a risk of agricultural non-point source pollution in the region.

tobacco field; soil nutrient; spatial-temporal variability; assessment of soil fertility; Erhai Lake Basin

2021-03-17；

2021-06-28

中國(guó)煙草總公司云南省公司科技項(xiàng)目（2020530000241005）

郭迎新，Tel：18810755191；E-mail：yingxguo@163.com。通信作者李軍營(yíng)，Tel：13508778753；E-mail：ljy1250@163.com

10.3864/j.issn.0578-1752.2022.10.009

（責(zé)任編輯 李云霞）