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摘 要：为了明确文山市不同生态区土壤养分空间异质性及适宜性，给烤烟种植区划及养分调控提供参考依据，采用描述性统计分析、聚类分析、主成分分析和模糊数学隶属函数方法对2011—2015年文山市4个生态区1100份土壤样品进行了分析。结果表明，文山市不同生态区土壤pH，有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量具有明显的时间异质性，速效氮和速效钾含量偏低，有机质和速效磷含量相对丰富。pH中强度变异，有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量强变异，具有较强的空间异质性，可聚为3类。平均土壤适宜性指数（SFI为0.50）偏低。结果说明，文山市4个生态区植烟土壤主要养分均质性和适宜性较低，整体以西南陡坡区土壤适宜性相对较好。
关键词：文山市；土壤养分；时空异质性；土壤适宜性指数
中图分类号：S572.061 文章编号：1007-5119（2016）06-0037-06 DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2016.06.007
Spatial-temporal Heterogeneity and Suitability of Soil Nutrients in Different Ecological Regions of Wenshan City
WANG Zheng1， ZHANG Xiaolong2， AO Jincheng2*， CHEN Tinghui3， YU Dongcan3，
LU Ye2， ZHAO Changrong2
（1. China Tobacco Guangxi Industrial Co.， Ltd.， Nanning 530001， China； 2. Yunnan Reascend Tobacco Technology （Group） Co.， Ltd.， Kunming 650106， China； 3. Wenshan Tobacco Company of Yunnan Province， Wenshan 663000， China）
Abstract： To study the temporal and spatial heterogeneity， suitability of soil nutrients in distinct ecological regions of Wenshan city and to provide references for tobacco planting plan and nutrient control， 1100 soil samples collected from indifferent ecological regions of Wenshan city in 2011-2015 were analyzed by classic statistics， cluster analysis， principal component analysis， fuzzy mathematics methods. The results showed that in different ecological regions of Wenshan city， soil pH value， contents of organic matter， available N， available P and available K had obvious temporal heterogeneity. The available N， available K contents were low， while the organic matter and available P content were relatively rich. The variation intensity of soil pH was moderate， contents of organic matter， available N， available P and available K showed strong variation. Obvious spatial heterogeneity was observed， and the regions could be grouped into three categories. The average of soil feasibility index （SFI） 0.50 was low. These results suggested that the homogeneity and suitability of different ecological regions of Wenshan city are relatively low， with the suitability of the southwest steep slope region being relatively good.
Keywords： Wenshan city； soil nutrient； temporal and spatial heterogeneity； soil feasibility index
受自然因素和人为因素的影响，土壤是时空连续的变异体，具有高度的空间异质性[1]。但在特定的研究区域内，由于母质差异引起的空间变异将逐渐缩小，而人类干扰活动和小尺度生态环境对土壤养分含量的变化有着深远影响[2]。因此，研究土壤养分的空间变异性，对了解土壤的形成过程、结构和功能[2-4]，以及土壤养分资源的科学管理和合理利用，有针对性地采取合理施肥技术，保持和提高土壤肥力，对促进区域农业发展等具有十分重要的理论和实践意义[5-7]。同时，研究土壤养分的时空异质
基金项目：广西中烟工业有限责任公司科技项目“提升‘真龙’品牌文山烟叶质量的生产关键技术研究”（GXZYCX2016B019） 作者简介：王 政（1978-）男，硕士，农艺师，主要从事优质烟叶生产技术研究及管理。E-mail：[email protected]
*通信作者，E-mail：[email protected]
收稿日期：2016-04-12 修回日期：2016-09-05
性，也是实现烤烟种植科学布局的重要依据[8-10]。
文山市地处东经103°43'～104°27'，北纬23°06'～23°44'，北回归线横穿市境，年平均降雨量1187.8 mm，年平均温18.4 ℃，年平均昼夜温差11.7 ℃，位于云南烤烟生产的“黄金走廊”，也是全国最大的三七种植和加工基地，因而烤烟种植面积与三七种植面积基本呈交替演变态势。另外，文山市地形地貌属滇东南岩溶山区，喀斯特岩溶地貌突出，总体地势西北高，东南低，西北坡度多在25°以上，地形地貌较复杂。近年来，由于三七药材的大面积种植和土地资源的不合理利用模式，土壤严重退化已成为共识。在这种特定的生态环境和种植模式下，了解文山市土壤理化性状演化态势，对开展烤烟种植区划和土壤养分调控具有一定的实践意义。之前关于土壤养分时空异质性研究较多[3，7，11]，对文山市土壤养分空间异质性研究也有一定报道[12-13]，但关于文山市土壤主要养分的时空异质性及适宜性评价鲜见报道。本研究以文山市不同生态区耕地为研究对象，采用描述性统计法、聚类分析、主成分分析和模糊数学相结合的方法研究了文山市土壤主要养分时空异质性及适宜性特征，以期为区域烤烟种植区划和土壤养分调控提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 样品采集与分析
遵循均匀性、代表性原则，于2011—2015年连续5年对文山市东南中低峰丛区、西北中低山丘陵区、西南陡坡区、中部中低山区4个典型生态区的12个乡（镇）耕地进行定位取样，共取样品1100份。土壤样品的采集选择在前茬作物收获后，烤烟移栽起垄施肥前进行。取样时，以定位点为中心，以半径10 m的圆形区域多点（5个点）混合取样，取样深度0～20 cm，按照四分法留取1.0 kg土壤样品。土壤经风干、磨细、过筛后备用，pH、有机质、速效氮、速效磷、速效钾的测定参照文献[14]方法进行。
1.2 数据处理
采用SPSS 17.0和Excel 2007进行试验数据的统计和作图。
2 结 果
2.1 不同生态区土壤主要养分的时间异质性
2.1.1 pH和有机质年际变化 文山市不同生态区土壤pH具有明显的时间异质性（图1）。从pH年际变化可以看出，除西北中低山丘陵区土壤pH呈“降-升-降”趋势，且变幅较大外，其余3个生态区pH均呈先升后降的态势。东南中低峰丛区pH 6.5～6.9，偏离优质烟生产pH要求范围，西南陡坡区pH 5.8～6.3，属于优质烟叶生产pH要求范围。文山市不同生态区土壤有机质含量具有明显的时间异质性（图2）。从图2可知，4个生态产区土壤有机质含量基本处于中等偏上水平，以西南陡坡区土壤有机质含量年际动态幅度较小，且含量较丰富（30.6～33.4 g/kg），中部中低山区（22.51～31.87 g/kg）和西北中低山丘陵区（18.81～27.18 g/kg）总体呈先降后升趋势，东南中低峰土壤有机质含量则呈现“降-升-降”态势。
2.1.2 不同生态区速效养分年际变化 文山市不同生态区土壤速效氮、速效磷、速效钾含量年际间存在明显的时间异质性（图3～5）。参照敖金成等[4]土壤速效养分评价方法，文山市不同生态区土壤速效氮和速效钾含量普遍偏低，速效磷含量相对丰富，养分调控时应采取“增氮稳磷增钾”措施。
图3中，西北中低山丘陵区、西南陡坡区、中部中低山区土壤速效氮含量年际间均呈“升-降-升”态势，东南中低峰丛区整体呈“降-升-降-升”循环趋势。东南中低峰丛区和中部中低山区2011—2015年间土壤速效氮含量均较低（<150 mg/kg），且多
年接近临界点（≤100 mg/kg），西北中低山丘陵区整体处于中等偏上水平。
图4中，东南中低峰丛区土壤速效磷含量年际间呈“降-升-降-升”交替趋势，且多年处于丰富水平（≥40 mg/kg）。西北中低山丘陵区土壤速效磷含量年际间变辐较小，且多年均处于低水平（>10～≤20 mg/kg）。西南陡坡区和中部中低山区土壤速效磷含量年际间呈缓慢升高态势，且含量均处于中等偏上水平（>20～≤40 mg/kg）。
图5中，4个生态区土壤速效钾含量整体较低。除中部中低山区土壤速效钾含量多年处于中等水平（>150～≤220 mg/kg），且年际间变辐较小外，其余3个生态区土壤速效钾含量均处于较低水平（>100～≤150 mg/kg）或临界点水平（≤100 mg/kg）。东南中低峰丛区和西北中低山丘陵区土壤速效钾含量年际间呈“降-升-降”态势，西南陡坡区土壤速效钾含量年际间呈“升-降-升”态势。
2.2 不同生态区土壤主要养分空间异质性及适宜性评价
2.2.1 土壤养分描述性统计分析及聚类特征 不同生态区土壤pH，有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量的变异强度评价参照薛正平等[17]的三级评价方法进行。从表2知，4个生态区pH属于中等变异，区域间存在极显著差异（P<0.01），有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量区域间强变异，且区域间差异显著（P<0.05）或极显著（P<0.01），以区域间速效磷变异强度最大（CV≥64%），速效钾次之（CV≥48%）。聚类结果也表明（图6），文山市4个生态产区土壤主要养分可聚为3类，即西北中低山丘陵区和西南陡坡区聚为第Ⅰ类，表现在速效氮含量均较高，东南中低峰丛区聚为第Ⅱ类，表现在速效磷含量较高，速效氮含量较低，中部中低山区聚为第Ⅲ类，表现在速效钾含量较高。以上结果说明，文山市4个生态区间土壤主要养分存在明显的空间异质性，各生态区主要养分的均质性较低，整体以西南陡坡区均质性稍好。 2.2.2 不同生态区土壤适宜性评价 土壤适宜指数（SFI）分布情况显示（图7），文山市4个生态区土壤适宜指数在0.48～0.52，平均SFI值为0.50，4个生态产区土壤SFI值均小于0.60，说明绝大数植烟土壤主要养分属含量中等偏下水平，适宜性指数较低。烤烟种植区划时，应加强土壤改良、测土配方施肥等措施，以提高区域养分的均质性，保障耕地的可持续性利用。
3 讨 论
文山市4个生态区土壤pH值，有机质、速效氮、速效磷和速效钾含量存在明显的时空异质性，均质性较差，且土壤适宜性指数整体偏低。
王政权等[20]研究森林土壤物理性质的空间异质性时指出，气候、母岩、地形、植被的不同，形成了各种土壤类型，其土壤性质存在明显差异，即使在同一土壤类型区，土壤的某些性质在空间上也具有很大的差异。本研究中，文山市不同生态区土壤pH，有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量年际间存在明显的时间异质性，其中，pH（5.8～6.3）相对适宜，有机质含量均处于中等偏上水平，明显高于我国植烟土壤有机质平均含量（15 mg/kg）[21]，与王杉杉等[22]对云南“黄金走廊”土壤腐殖质组成及含量研究结论一致。从多年速效养分含量来看，文山市4个生态区土壤普遍存在氮素和钾素含量偏低，磷素含量相对丰富，养分调控时应采取“增氮稳磷增钾”措施。
从文山市2015年4个生态产区土壤养分描述性统计分析看，区域间pH属中等变异（10%≤CV≤30%），且差异极显著（P<0.01），反映了区域土壤pH的异质性，与高美荣等[23]对紫色土坡地尺度土壤养分的空间变异特性结果一致。有机质（CV为31.45%～34.7%）、速效氮（CV为35.6%～56.5%）、速效磷（CV为64.1%～118.3%）、速效钾含量（CV为48.15%～58.2%）区域间强变异，且区域间存在显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）差异，说明文山市不同生态产区土壤主要养分均质性较差，异质性较强，养分管理上应遵循分类指导，并适量补充土壤速效养分含量。结合文山市地势（西北高，东南低）的区域特征和聚类分析结果可以看出，西北中低山丘陵区和西南陡坡区地势相对高的区域，土壤主要养分区域特征较为相似，而东南中低峰丛区和中部中低山区异质性较强，这可能与坝区土地的复种指数大，人为扰动相对频繁有关。
在一定农业生态条件下，土壤养分在时间和空间上的供应状况是影响作物生长发育和产量水平最为重要的因素之一[24-25]，而适宜的植烟土壤是提高烟叶产量和品质的重要基础和保障[26-27]，土壤中任何一种养分的缺乏或过量，直接影响着烟株的生长发育和烟叶品质的提高[28-29]。试验中，文山市土壤适宜指数（SFI）在0.48～0.52，平均SFI值为0.50，说明文山市4个生态产区土壤适宜性指数偏低，区域绝大多数地块烤烟种植适宜性较差，种植区划时应加强土壤养分调控水平，以满足优质烟叶生长的养分需求。
参考文献
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关键词：文山市；土壤养分；时空异质性；土壤适宜性指数
中图分类号：S572.061 文章编号：1007-5119（2016）06-0037-06 DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2016.06.007
Spatial-temporal Heterogeneity and Suitability of Soil Nutrients in Different Ecological Regions of Wenshan City
WANG Zheng1， ZHANG Xiaolong2， AO Jincheng2*， CHEN Tinghui3， YU Dongcan3，
LU Ye2， ZHAO Changrong2
（1. China Tobacco Guangxi Industrial Co.， Ltd.， Nanning 530001， China； 2. Yunnan Reascend Tobacco Technology （Group） Co.， Ltd.， Kunming 650106， China； 3. Wenshan Tobacco Company of Yunnan Province， Wenshan 663000， China）
Abstract： To study the temporal and spatial heterogeneity， suitability of soil nutrients in distinct ecological regions of Wenshan city and to provide references for tobacco planting plan and nutrient control， 1100 soil samples collected from indifferent ecological regions of Wenshan city in 2011-2015 were analyzed by classic statistics， cluster analysis， principal component analysis， fuzzy mathematics methods. The results showed that in different ecological regions of Wenshan city， soil pH value， contents of organic matter， available N， available P and available K had obvious temporal heterogeneity. The available N， available K contents were low， while the organic matter and available P content were relatively rich. The variation intensity of soil pH was moderate， contents of organic matter， available N， available P and available K showed strong variation. Obvious spatial heterogeneity was observed， and the regions could be grouped into three categories. The average of soil feasibility index （SFI） 0.50 was low. These results suggested that the homogeneity and suitability of different ecological regions of Wenshan city are relatively low， with the suitability of the southwest steep slope region being relatively good.
Keywords： Wenshan city； soil nutrient； temporal and spatial heterogeneity； soil feasibility index
受自然因素和人为因素的影响，土壤是时空连续的变异体，具有高度的空间异质性[1]。但在特定的研究区域内，由于母质差异引起的空间变异将逐渐缩小，而人类干扰活动和小尺度生态环境对土壤养分含量的变化有着深远影响[2]。因此，研究土壤养分的空间变异性，对了解土壤的形成过程、结构和功能[2-4]，以及土壤养分资源的科学管理和合理利用，有针对性地采取合理施肥技术，保持和提高土壤肥力，对促进区域农业发展等具有十分重要的理论和实践意义[5-7]。同时，研究土壤养分的时空异质
基金项目：广西中烟工业有限责任公司科技项目“提升‘真龙’品牌文山烟叶质量的生产关键技术研究”（GXZYCX2016B019） 作者简介：王 政（1978-）男，硕士，农艺师，主要从事优质烟叶生产技术研究及管理。E-mail：[email protected]
*通信作者，E-mail：[email protected]
收稿日期：2016-04-12 修回日期：2016-09-05
性，也是实现烤烟种植科学布局的重要依据[8-10]。
文山市地处东经103°43'～104°27'，北纬23°06'～23°44'，北回归线横穿市境，年平均降雨量1187.8 mm，年平均温18.4 ℃，年平均昼夜温差11.7 ℃，位于云南烤烟生产的“黄金走廊”，也是全国最大的三七种植和加工基地，因而烤烟种植面积与三七种植面积基本呈交替演变态势。另外，文山市地形地貌属滇东南岩溶山区，喀斯特岩溶地貌突出，总体地势西北高，东南低，西北坡度多在25°以上，地形地貌较复杂。近年来，由于三七药材的大面积种植和土地资源的不合理利用模式，土壤严重退化已成为共识。在这种特定的生态环境和种植模式下，了解文山市土壤理化性状演化态势，对开展烤烟种植区划和土壤养分调控具有一定的实践意义。之前关于土壤养分时空异质性研究较多[3，7，11]，对文山市土壤养分空间异质性研究也有一定报道[12-13]，但关于文山市土壤主要养分的时空异质性及适宜性评价鲜见报道。本研究以文山市不同生态区耕地为研究对象，采用描述性统计法、聚类分析、主成分分析和模糊数学相结合的方法研究了文山市土壤主要养分时空异质性及适宜性特征，以期为区域烤烟种植区划和土壤养分调控提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 样品采集与分析
遵循均匀性、代表性原则，于2011—2015年连续5年对文山市东南中低峰丛区、西北中低山丘陵区、西南陡坡区、中部中低山区4个典型生态区的12个乡（镇）耕地进行定位取样，共取样品1100份。土壤样品的采集选择在前茬作物收获后，烤烟移栽起垄施肥前进行。取样时，以定位点为中心，以半径10 m的圆形区域多点（5个点）混合取样，取样深度0～20 cm，按照四分法留取1.0 kg土壤样品。土壤经风干、磨细、过筛后备用，pH、有机质、速效氮、速效磷、速效钾的测定参照文献[14]方法进行。
1.2 数据处理
采用SPSS 17.0和Excel 2007进行试验数据的统计和作图。
2 结 果
2.1 不同生态区土壤主要养分的时间异质性
2.1.1 pH和有机质年际变化 文山市不同生态区土壤pH具有明显的时间异质性（图1）。从pH年际变化可以看出，除西北中低山丘陵区土壤pH呈“降-升-降”趋势，且变幅较大外，其余3个生态区pH均呈先升后降的态势。东南中低峰丛区pH 6.5～6.9，偏离优质烟生产pH要求范围，西南陡坡区pH 5.8～6.3，属于优质烟叶生产pH要求范围。文山市不同生态区土壤有机质含量具有明显的时间异质性（图2）。从图2可知，4个生态产区土壤有机质含量基本处于中等偏上水平，以西南陡坡区土壤有机质含量年际动态幅度较小，且含量较丰富（30.6～33.4 g/kg），中部中低山区（22.51～31.87 g/kg）和西北中低山丘陵区（18.81～27.18 g/kg）总体呈先降后升趋势，东南中低峰土壤有机质含量则呈现“降-升-降”态势。
2.1.2 不同生态区速效养分年际变化 文山市不同生态区土壤速效氮、速效磷、速效钾含量年际间存在明显的时间异质性（图3～5）。参照敖金成等[4]土壤速效养分评价方法，文山市不同生态区土壤速效氮和速效钾含量普遍偏低，速效磷含量相对丰富，养分调控时应采取“增氮稳磷增钾”措施。
图3中，西北中低山丘陵区、西南陡坡区、中部中低山区土壤速效氮含量年际间均呈“升-降-升”态势，东南中低峰丛区整体呈“降-升-降-升”循环趋势。东南中低峰丛区和中部中低山区2011—2015年间土壤速效氮含量均较低（<150 mg/kg），且多
年接近临界点（≤100 mg/kg），西北中低山丘陵区整体处于中等偏上水平。
图4中，东南中低峰丛区土壤速效磷含量年际间呈“降-升-降-升”交替趋势，且多年处于丰富水平（≥40 mg/kg）。西北中低山丘陵区土壤速效磷含量年际间变辐较小，且多年均处于低水平（>10～≤20 mg/kg）。西南陡坡区和中部中低山区土壤速效磷含量年际间呈缓慢升高态势，且含量均处于中等偏上水平（>20～≤40 mg/kg）。
图5中，4个生态区土壤速效钾含量整体较低。除中部中低山区土壤速效钾含量多年处于中等水平（>150～≤220 mg/kg），且年际间变辐较小外，其余3个生态区土壤速效钾含量均处于较低水平（>100～≤150 mg/kg）或临界点水平（≤100 mg/kg）。东南中低峰丛区和西北中低山丘陵区土壤速效钾含量年际间呈“降-升-降”态势，西南陡坡区土壤速效钾含量年际间呈“升-降-升”态势。
2.2 不同生态区土壤主要养分空间异质性及适宜性评价
2.2.1 土壤养分描述性统计分析及聚类特征 不同生态区土壤pH，有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量的变异强度评价参照薛正平等[17]的三级评价方法进行。从表2知，4个生态区pH属于中等变异，区域间存在极显著差异（P<0.01），有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量区域间强变异，且区域间差异显著（P<0.05）或极显著（P<0.01），以区域间速效磷变异强度最大（CV≥64%），速效钾次之（CV≥48%）。聚类结果也表明（图6），文山市4个生态产区土壤主要养分可聚为3类，即西北中低山丘陵区和西南陡坡区聚为第Ⅰ类，表现在速效氮含量均较高，东南中低峰丛区聚为第Ⅱ类，表现在速效磷含量较高，速效氮含量较低，中部中低山区聚为第Ⅲ类，表现在速效钾含量较高。以上结果说明，文山市4个生态区间土壤主要养分存在明显的空间异质性，各生态区主要养分的均质性较低，整体以西南陡坡区均质性稍好。 2.2.2 不同生态区土壤适宜性评价 土壤适宜指数（SFI）分布情况显示（图7），文山市4个生态区土壤适宜指数在0.48～0.52，平均SFI值为0.50，4个生态产区土壤SFI值均小于0.60，说明绝大数植烟土壤主要养分属含量中等偏下水平，适宜性指数较低。烤烟种植区划时，应加强土壤改良、测土配方施肥等措施，以提高区域养分的均质性，保障耕地的可持续性利用。
3 讨 论
文山市4个生态区土壤pH值，有机质、速效氮、速效磷和速效钾含量存在明显的时空异质性，均质性较差，且土壤适宜性指数整体偏低。
王政权等[20]研究森林土壤物理性质的空间异质性时指出，气候、母岩、地形、植被的不同，形成了各种土壤类型，其土壤性质存在明显差异，即使在同一土壤类型区，土壤的某些性质在空间上也具有很大的差异。本研究中，文山市不同生态区土壤pH，有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量年际间存在明显的时间异质性，其中，pH（5.8～6.3）相对适宜，有机质含量均处于中等偏上水平，明显高于我国植烟土壤有机质平均含量（15 mg/kg）[21]，与王杉杉等[22]对云南“黄金走廊”土壤腐殖质组成及含量研究结论一致。从多年速效养分含量来看，文山市4个生态区土壤普遍存在氮素和钾素含量偏低，磷素含量相对丰富，养分调控时应采取“增氮稳磷增钾”措施。
从文山市2015年4个生态产区土壤养分描述性统计分析看，区域间pH属中等变异（10%≤CV≤30%），且差异极显著（P<0.01），反映了区域土壤pH的异质性，与高美荣等[23]对紫色土坡地尺度土壤养分的空间变异特性结果一致。有机质（CV为31.45%～34.7%）、速效氮（CV为35.6%～56.5%）、速效磷（CV为64.1%～118.3%）、速效钾含量（CV为48.15%～58.2%）区域间强变异，且区域间存在显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）差异，说明文山市不同生态产区土壤主要养分均质性较差，异质性较强，养分管理上应遵循分类指导，并适量补充土壤速效养分含量。结合文山市地势（西北高，东南低）的区域特征和聚类分析结果可以看出，西北中低山丘陵区和西南陡坡区地势相对高的区域，土壤主要养分区域特征较为相似，而东南中低峰丛区和中部中低山区异质性较强，这可能与坝区土地的复种指数大，人为扰动相对频繁有关。
在一定农业生态条件下，土壤养分在时间和空间上的供应状况是影响作物生长发育和产量水平最为重要的因素之一[24-25]，而适宜的植烟土壤是提高烟叶产量和品质的重要基础和保障[26-27]，土壤中任何一种养分的缺乏或过量，直接影响着烟株的生长发育和烟叶品质的提高[28-29]。试验中，文山市土壤适宜指数（SFI）在0.48～0.52，平均SFI值为0.50，说明文山市4个生态产区土壤适宜性指数偏低，区域绝大多数地块烤烟种植适宜性较差，种植区划时应加强土壤养分调控水平，以满足优质烟叶生长的养分需求。
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