湘西植煙土壤養分管理分區研究

向德明 李強 黎娟 胡瑞文 彭宇 張黎明 田明慧 周米良

摘要：為研究湘西植煙區域土壤養分特征和分區狀況，采用GPS和模糊c均值聚類相結合的方法，對湘西植煙土壤主要養分進行管理分區。結果表明：（1）湘西植煙土壤有機質含量偏高，有效磷含量極高，全氮、堿解氮和速效鉀的含量均為中等水平，各項養分指標均為中等程度變異。（2）通過相關分析篩選法，選取有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀作為養分管理分區指標。（3）湘西煙區可劃分為3個養分管理分區，第1分區的特點是適氮、超高磷、高鉀;第2分區的特點是適氮、適磷、低鉀;第3分區的特點是適氮、高磷、鉀素適宜。3個分區間有11項土壤養分指標含量差異顯著或極顯著。

關鍵詞：植煙區;土壤養分;管理分區;湘西

中圖分類號 S572文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）13-0119-04

Abstract： To study the soil nutrient characteristics and zoning of tobacco planting area in Xiangxi，Using the method of combining GPS and fuzzy c-means clustering，management zoning of main nutrients of tobacco planting soil in Xiangxi，Hunan province.The results show that：（1）The content of organic matter in soil of Xiangxi was high，the content of effective phosphorus was very high，and the content of total nitrogen，alkaline nitrogen and available potassium were medium level，all the above nutrient indexes showed moderate variation.（2）Through correlation analysis and screening，organic matter，total nitrogen，alkali-hydrolyzed nitrogen，available phosphorus and available potassium were selected as the zoning indexes of nutrient management.（3） Xiangxi tobacco area can be divided into three nutrient management zones. The characteristics of the first zone are suitable nitrogen，ultra-high phosphorus and high potassium;The characteristics of the second zone are suitable nitrogen and phosphorus and low potassium;The characteristics of the third zone are suitable nitrogen，high phosphorus and suitable potassium. There were significant or extremely significant differences in the contents of 11 soil nutrient indexes among the three zones.

Key words： Tobacco planting area;Soil nutrients;Manage partitions;Xiangxi

適宜的土壤環境條件是生產優質煙葉的基礎[1]。植煙土壤的養分狀況，會直接影響烤煙對礦質營養元素的吸收程度，進而影響烤煙的生長發育、品質及風格[2-4]。充分了解土壤養分狀況是制定烤煙施肥管理方案的首要前提，科學的施肥管理方案是保護植煙土壤環境和保障烤煙優質適產的重要基礎[5，6]。近年來，國內植煙土壤養分狀況分析及評價，以及土壤養分管理分區已成為了研究熱點[7-9]，而湘西是湖南省典型濃香型優質煙區之一[10]，卻少有對其土壤養分管理分區進行研究的報道。鑒于此，本研究通過GPS和模糊c均值聚類相結合的方法，對湘西植煙土壤主要養分狀況及管理分區進行了研究，以期了解湘西植煙土壤養分區域特點和分區狀況，為湘西煙區土壤養分分區管理提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 區域自然概況 湘西位于湖南省西北部，是湖南省煙草種植大州，位于東經109°10′～110°22.5′，北緯27°44.5′～29°38′，地處湘、鄂、黔、渝四省市交界處。湘西地貌形態的總體輪廓是以山原山地為主，兼有丘陵和小平原，并向北西突出的弧形山區地貌。屬亞熱帶季風濕潤氣候，具有明顯的大陸性氣候特征，四季分明，水熱同季，降水充沛。年均降水量1300～1500mm，年平均氣溫12～16℃，7月平均氣溫24～27℃，1月平均氣溫1.7～4.3℃，無霜期達240～288d。土壤類型主要有黃壤、黃棕壤及紫砂壤等。

1.2 樣品采集與分析 2015年3月，采用GPS技術在湘西7個植煙縣的基本煙田進行定點取樣，共取樣1242個。采用5點取樣法或“W”形取樣法進行取樣，隨后用四分法保留大約1kg土樣帶回實驗室進行檢測。取回的土壤樣品經風干、研磨及過篩后，進行土壤養分含量測定。土壤有機質采用重鉻酸鉀—硫酸法;土壤全氮采用半微量凱氏法;土壤堿解氮采用堿解擴散法;土壤有效磷采用碳酸氫鈉鉬藍比色法;土壤速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度計法。具體測定方法參照《土壤農業化學分析方法》[11]。

1.3 評價標準 參照前人的研究結果[12-13]，并結合當地實際情況，制定了湘西煙區養分指標的評價標準，詳見表1。

1.4 數據分析 模糊c均值聚類（FCM）是用隸屬度確定每個數據點屬于某個類別程度的一種非監督的聚類方法，在土壤、地形和遙感等數據的分類中運用較多。聚類過程引入模糊性能指數（FPI）和歸一化分類熵（NCE）2項參數對農田管理分區數（模糊類別數）進行定量化表達和聚類有效性檢驗。其計算公式如下：

FPI數值在0～1。FPI越小，表示聚類時共用數據少，類別劃分越明顯，聚類效果越好。NCE越小則模糊c分區的分解量越大，分類效果越好。FPI和NCE同時達到最小值時的聚類數為最佳分類數。

模糊c-均值聚類在Matlab軟件中完成。多元統計分析利用SPSS 19.0完成。

2 結果與分析

2.1 植煙土壤養分含量的基本特征 湘西植煙土壤主要養分含量基本特征如表2所示。由表2可知，從土壤養分含量均值來看，土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均值分別為28.55g/kg、1.72g/kg、147.01mg/kg、38.15mg/kg和219.34mg/kg，其中有機質含量偏高，全氮、堿解氮和速效鉀含量均為中等水平，有效磷含量極高;從土壤養分含量的標準差和變化范圍來看，各指標的含量變化幅度較大，最小值與最大值相差極大;從變異系數來看，各項養分指標的變異系數在30%～100%，均為中等變異。各項養分指標通過K-S檢驗、峰度檢驗和偏度檢驗表明，有機質、全氮、堿解氮和速效鉀服從正態分布，有效磷經對數轉換后服從正態分布。

2.2 植煙土壤養分指標相關性分析 由表3可知，各養分指標均相互呈現極顯著正相關關系，選取有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀作為養分管理分區指標。

2.3 湘西植煙土壤肥力分區 利用Matlab軟件對土壤養分數據進行模糊c-均值聚類分析，運算參數設置如下：最大迭代次數為300，收斂閾值為0.0001，模糊指數為1.30，最大分區數為6，最小分區數為2，NCE和FPI同時達到最小值時的分區數為最佳分區數（圖1）。圖1的NCE和FPI在分區數為3個時都同時達到最小值，研究區的最佳分區數為3個?？紤]到分區的連續性、行政區域的完整性和實際種植情況，獲得湘西植煙土壤養分管理分區圖（圖2）。各分區所包括的鄉鎮見表4，進一步對分區結果進行驗證，以分區為單位對各養分指標進行統計，結果見表5，18項主要養分指標中的11項在分區間差異達顯著或極顯著水平，表明分區合理有效。第1分區的特點是適氮、超高磷、高鉀，第2分區的特點是適氮、適磷、低鉀，第3分區的特點是適氮、高磷、鉀素適宜。

3 結論與討論

采用模糊c均值聚類法，對湘西植煙土壤肥力指標進行分區，結果如下：湘西植煙土壤按肥力高低可分為3個分區，各分區特點如下：第1分區的特點是適氮、超高磷、高鉀，第2分區的特點是適氮、適磷、低鉀，第3分區的特點是適氮、高磷、鉀素適宜。18項主要養分指標中的11項在分區間差異達顯著或極顯著水平，表明肥力分區合理有效。

由于湘西煙區地形地貌復雜，海拔落差較大，因而形成包含完整縣域行政區域的有效分區較難實現，因而在本次分區過程中，以鄉鎮為單位進行分區，不考慮分區的連續性和縣域行政區域的完整性，雖分區的工作量加大，但對于烤煙養分管理更具指導意義。

參考文獻

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（責編：張宏民）