基于烤烟生产的湘西植烟土壤质量综合评价-张明发.pdf

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1、中国烟草学报Acta Tabacaria Sinica http：ycxbtobaccoorgcadoi：10164728chinatobacco2016294 87麟 基于烤烟生产的湘西植烟土壤质量综合评价张明发1，田峰1， 李孝刚2，田茂成1，李明德3，彭曙光4，巢进1，蔡云帆1，吴海勇3，李双5，张黎明1，朱三荣1，吕启松1l湖南湘西州烟草公司生产技术中心，湖南吉首416000；2中国科学院南京土壤研究所，江苏南京210008；3湖南省土壤肥料研究所，湖南长沙410128；4湖南省烟草公司，湖南长沙410004；5河南农业大学，河南郑卅1450002摘要：以湘西植烟土壤为研究对象，通过烤

2、烟生产调查和土壤性状分析，采用相关分析和主成分分析构建土壤质量评价的最小数据集，进而系统性评价植烟土壤质量状况。结果表明：植烟土壤pH和砂粒等特性变异中等(18)，而一些微量元素和速效养分含量变异较强(63134)；土壤pH值、有机质、砂粒含量、全氮、全钾和有效硫适宜，碱解氮、有效磷和速效钾含量偏高，而土壤全磷和一些微量元素(钼、硼)缺乏。筛选出用于评价植烟土壤质量的最小数据集，包含了土壤有机质、砂粒、速效钾、有效磷、全钾和有效钼；根据综合质量指标大小将植烟土壤质量分为优、良、中、较差和差5个等级，属于良等级以上土壤植烟区所占比例为374，中等级别土壤占比438，较差等级以下土壤占比188。关

3、键词：植烟土壤；土壤质量；最小数据集；主成分分析；综合评价引用本文：张明发，田峰，李孝刚，等基于烤烟生产的湘西植烟土壤质量综合评价J中国烟草学报，2017，23(3)土壤是发展优质烤烟的必要条件。土壤质量是肥力质量、环境质量和健康质量的综合量度，就作物生产而言其关键是土壤肥力质量1-3o开展土壤质量评价可为植烟土壤的合理利用、科学管理和土壤养分丰缺诊断提供依据141。评价方法及其指标选取方法都会影响土壤质量评价结果，5-6。与土壤定性评价【5】、土壤质量模型71及土壤相对质量法81等评价手段相比，土壤质量指数评价法易于量化，是目前最为常用方法【l，910。对于特定区域，鉴于土壤属性数据获取的成

4、本及属性间的共线性等因素，不可能获取所有指标的数据，而只能从候选数据集中选出能最大限度的代表所有候选参数的指标。于是，Larson和Pierce(1991)Iu提出了最小数据集概念，已广泛应用于土壤质量的评价12-16。土壤质量是维持农田生态系统中作物生产和可持续发展的保证，作物生产状况可作为反映和评价土壤质量的重要指标15-16。研究发现作物产质量与土壤质量基金项目：作者简介：通讯作者：收稿日期：指数显著相关，可在土壤质量评价过程中应用9，16-17。通过土壤属性指标与作物产量或效益的相关性构建最小数据集，并用于土壤质量评价，已在水稻、小麦、玉米等农作物以及果树(脐橙)上成功应用9-10,1

5、5-16。烤烟作为产量与质量并重的经济类作物，对土壤的要求更为严格【l 81。但目前针对植烟土壤质量评价的研究，多数仍局限于基于统计方法(聚类分析、主成份分析和模糊数学等)直接构建数据集19-211。对此，本研究以湘西为例，从烤烟生产应用的角度，系统调查植烟土壤质量因子和烟叶生产状况，在分析土壤属性与烤烟生产关系的基础上，找出影响烤烟产质量的土壤因素，构建植烟土壤质量评价体系，以期为烟区规划以及优化烟草栽培技术提供更好的科学依据。1材料与方法11研究区概况湘西土家族苗族自治州(简称湘西州)位于湖南湖南省烟草公司湘西州公司科技项目(XXl416Aa一02)、湖南省烟草公司科技项目“湖南烟区植烟土

6、壤有机质分布特征及有机肥影响烤烟品质机理研究与应用”(1518Aa01)张明发(1968一)，高级农艺师，主要从事土壤肥料及烟草栽培等研究工作，Tel：07438568503，Email：zhangmingfa98163corn李孝刚(1984一)，博士，副研究员，硕士生导师，主要从事土壤生态及土壤质量评价研究，Tel：025-86881524，Email：xgliissasaccn2016-0830：网络出版日期：2017-0309万方数据中国烟草学报Acta Tabacaria Sinica 2017 V0123 No3省西北部的武陵山区，地处东经1090 10一1100 23，北纬270

7、 44一290 38，属亚热带季风性湿润气候区，气候温和、四季分明，降水丰沛、雨量集中，光、热、水同季，是湖南省第三大烟叶产区22o该区常年产烟量达24 000 t。12土壤样品采集与分析于2014年12月，在湖南湘西州下辖的龙山、永顺、凤凰、花垣、保靖、古丈、泸溪等7县开展植烟土壤采集。根据烤烟种植情况，成片性好的地块510hm2为一取样点，山丘地形区15 hm2为一取样点。用土钻在每个样点中按梅花采样法取耕层土样(020era)，采集1015个采样点混成一个土壤样品，去除植物根系和石块后带回实验室分析。共采集具有代表性的土样1242个，其中龙山烟区采集300个样点、永顺烟区360个、凤凰烟

8、区155个、花垣烟区160个、保靖烟区102个、古丈烟区95个、泸溪烟区70个。土壤样品经风干，磨碎，过筛后测定土壤pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁、有效硫、水溶性氯、有效铁、有效锰、有效铜、有效锌、有效硼、有效钼、阳离子交换量、土壤颗粒组成等20项性状。根据采样点经纬度信息，参考湖南省第2次土壤普查资料，并结合现场地形地貌观察和典型区域土壤剖面，对样区土壤母质类型进行区分。同时，调查每个样点近3年烤烟上等烟叶及中等烟叶的产量，单位收益为每公顷烤烟产量乘以当年收购单价而得。指标测定方法如下：土壤pH值采用玻璃电极法，土壤有机质采用重铬酸钾氧化法，土壤

9、全氮采用开氏定氮法，土壤全磷和速效磷采用钼锑抗比色法，土壤全钾和速效钾采用火焰光度法，土壤碱解氮采用碱解扩散法，土壤有效钙、有效镁、有效硫、有效铁、有效锰、有效锌和有效铜采用DTPA混合溶液浸提原子吸收分光光度计法，土壤有效硼采用甲亚胺比色法，土壤有效钼采用极谱法，土壤水溶性氯采用硝酸银电位滴定法测定，阳离子交换量用乙酸钠一火焰光度法测定，土壤颗粒组成采用湿筛一吸管法P 3。13植烟土壤质量评价过程131最小数据集的建立土壤质量评价必须依据一定的标准先从大量土壤性状中选取对土壤质量敏感的评价指标构成最小数据集(Minimum Data Set，MDS)。用于烤烟土壤质量评价的最初总数据集包含p

10、H值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁、有效硫、水溶性氯、有效铁、有效锰、有效铜、有效锌、有效硼、有效钼、阳离子交换量、粘粒(1的所有主成分，进入MDS的构建【9，24】；每个主成分(PC)中，因子荷载值最高及其荷载值10以内的所有因子进入MDS【241。当主成分高因子载荷指标只有1个，则该指标进入MDS。当主成分高因子载荷指标不止1个，对其分别做相关性分析(PearsonS相关)；若相关系数低(r100时为强变异性2 71。变异系数最小为土壤pH和粉砂，为18，属中等变异强度；而变异系数较大的因子为一些中微量元素，如有效锰、有效锌、有效钼和有效硫，变异强度

11、较高，远高于其它肥力指标。研究区上等和中等烤烟的平均产量分别为12543 kglun2、8091 kghm2，变异系数为16，其中最高产量是最低产量的4倍；烤烟单位效益平均值为59077元hm2，变异系数为17，呈正态分布。表1湘西植烟土壤各属性指标及其产量、效益的描述性统计特征Tab1 Descriptive statistics of soil property contents，yield and income in the study area万方数据90 中国烟草学报Acta Tabacaria Sinica 2017 V0123 No。3注：上等烟平均收购价为32元公斤，中等烟为2

12、4元公斤。22湘西植烟土壤质量最小数据集的确定通过相关分析得出(表2)，土壤碱解氮、有效磷、速效钾、全氮、全钾、有机质、有效铁、有效锰、有效钼、砂粒、粉砂等土壤性状与烤烟生产效益呈显著性相关(P蝼掣妪掣擦较怔霹鬏忙蕈辍忙毒李嵌怔晤较忙龋鬏忙餐较怔举似辎揪)l山Z冒Q一山一Zo一咎HsJo苗oIP眉l曩。工一蛊昌一暑P墨iAv墨勺v墨甫AvHdo。IlI耄一puBu器剞鼙剞酶剞嚣较制鼙较忙酶琏髻粗较蜷靼嫂孤呐-Io一日。一日IIh=嗣11可一一oo专-o口。口一_Envh-oUNo日辖求牲枨罂譬蜷靼$詹划椎N滕万方数据92 中国烟草学报Acta Tabacaria Sinica 2017 V01

13、23 No3有机质全氮全钾碱解氮有效磷速效钾有效铁有效锰有效钼阳离子交换量砂粒粉砂特征值幽081900010823021700470428O16201300120025205012920032O044010500230073020902140512O1880662=巡04551880088O10900160169螋幽一00320285007001520062016314201060076巡01500051014405690284逖0292O0210040124方差贡献率 2432 1564 1185 1035注：表中加粗数字表示每个主成分中进入最小数据集的潜在指标；下划线数字表示对应指标选入最

14、小数据集。23指标隶属度值和权重的计算根据已有研究资料以及研究区域土壤肥力特征19-20确定了各因子在折线函数中拐点的取值(表4)。然后对各指标转换后的隶属度值进行主成分分析，确定最小数据集中各指标的权重系数，其中砂粒、速效钾和有机质的权重较高，分别为0213、0177和0175(表4)。表4最小数据集各指标权重及其隶属度函数转折点取值Tab4 Values of the turning point in membership function curves and their weights using principal component analysis in MDS土壤性状 转折点(

15、X1) 转折点(X2) 转折点(x3) 转折点(X4) 公因子方差 权重Soil property Turning point(X1)Turning point(x2)Turning point(X3)Turning point(X4) Communalities Weight速效钾 100 250有效钼全钾有效磷有机质砂粒O115151515O330602530 0159 01773545456001460103014l0156019l0163O11501580175O213万方数据张明发等基于烤烟生产的湘西植烟土壤质量综合评价 9324湘西植烟土壤质量指数计算及分布经过统计得到各评价指标的

16、权重值以及标准化的指标得分，计算出各个土壤质量指数(图2)。由图2可知，植烟区土壤综合质量指数介于011，其中有56的土壤质量指数达到O80以上，属于优等土壤；达到良和中等的植烟土壤占比高，分别为318和438；而差等土壤占比低，为20(图2)。进一步通过相关分析发现植烟土壤质量状况与烤烟生产效益呈极显著相关性(图3)。从不同县区的植烟土壤质量分布看，花垣和龙山的良等以上土壤占比高，分别为513和520，凤凰和永顺的中等土壤比例较高，而差等以下土壤主要分布在古丈和泸溪(图4)。i壤圣髓吁纽Soft qua卧m-ades图2湘西植烟土壤质量指数分级分布情况Fig2 Soil quality gr

17、ades for the whole tobacco planting soils ofXiangxi region土壤。i旱指教ji饥n：t-、ha图3植烟土壤质量综合指数与烤烟单位效益的相关性分析Fig3 Correlation between the tobacco income and the soil qualityindext o 5ti、11c1m【、anttrig“川m图4湘西不同县区植烟土壤质量指数分级分布情况Fig4 Distribution of soil quality grades in different counties of thewhole tobacco p

18、lanting soils of Xiangxi region3讨论本研究取样点根据基本烟田的分布情况布置，考虑到区域内基本烟田的空间分布和烤烟生产布局。与已有关于土壤质量评价研究相比【3，21281，本研究取样密度较大，基本覆盖了研究区植烟土壤分布，为后续全面评价烟区土壤质量状况奠定基础。研究区植烟土壤pH和粉砂变异强度中等，而其它肥力因子(如微量元素和土壤速效养分)变异强度较强，与这些肥力指标易受栽培、施肥等影响相关29-31。土壤质量评价的指标选取应全面、综合地反映土壤质量的各个方面，即土壤的养分贮存、养分释放和理化性状等13 234。本研究同时将微量元素纳入土壤质量评价指标体系，使反映

19、土壤质量的指标更为全面20o先后通过土壤属性与烤烟生产效益的相关性分析和主成分分析，得出用于评价植烟土壤质量的最小数据集，包括有机质、砂粒、速效钾、有效磷、全钾和有效钼，因此这些指标是基于烤烟生产的植烟土壤质量评价的关键因子。在第一主成分中，与其它土壤性状相比有机质权重最高，说明土壤有机质是决定研究区植烟土壤质量状况的第一要素。研究区植烟土壤有机质平均含量(288 gkg)适宜烤烟种植，但其变幅较大，有一定比例(225)的植烟土壤有机质含量高于35kg，此情况下可能会出现土壤氮素供应过量，造成烟叶生长后期贪青晚熟，影响烟叶品质35-36o进一步分析发现土壤碱解氮含量与有机质呈极显著正相关(产0

20、74)，这与Tong等研究结果一致p川。第二主成分中土壤砂粒的权重远高于其它土壤性状，说明土壤物理性质好坏也是决定烤烟生长的重要要素381。研究区土壤砂粒含量处于适宜范围(3045)样品占比中等(267)，但有一定比例(98)植烟土壤砂粒含量低于15，此情况下会出现土壤通透性不良，不利于烟株前期生长发育。研究区土壤有效钼平均含量(019 mgkg)低于植烟土壤有效钼临界值(02 mgkg)，其中有效钼缺乏的土壤样点占比达677，这与近年来报道一些烟区烤烟都表现出不同程度的缺钼症状的结果一致37o研究区植烟土壤偏酸性，由于土壤中的铁铝氧化物和高岭石等对钼有固定和吸附作用，导致酸性土壤钼的有效性很

21、低，再加上生产上没有施钼肥的习惯39-40。因此，加强钼肥施用是提升烟区烤烟生产的重要措施之一。烤烟生产对土壤钾素水平要求较高，土壤对烟株持续有效且充足的钾供应是提高烟叶品质的关键41埘。施万方数据中国烟草学报Acta Tabacaria Sinica 2017 V0123 No3用钾肥可明显提高土壤速效钾和全钾含量，同时能较好地调节烟叶生理代谢，改善烤烟品质【431。分析得出速效钾和全钾均进入了最小数据集，说明土壤钾素是影响研究区烤烟生产的重要要素。然而，研究区土壤速效钾含量较高(均值为22399 rngkg)，说明目前烤烟生产中盲目增施钾肥的现象较普遍，造成土壤中钾的积累。研究区植烟土壤全

22、磷含量偏低(均值为077 eCkg)，其中830土壤样点全磷含量属缺乏状态(1 gkg)，而速效磷含量适宜(39 mgkg)，这与烤烟生产中重视磷肥施用有一定关系4547o因此，烤烟生产中应进一步深入研究磷、钾肥施用量及施用方式，维持土壤磷、钾素营养平衡，提高其生理效率和农学效率【4圳。目前，多数针对植烟土壤肥力、质量评价的研究结果表明植烟土壤肥力水平较高，肥力较低土壤占比很低(10)【l 949。然而，这些研究得出的土壤肥力质量状况一般仅是一种潜在肥力，缺少结合烤烟生产的实际状况对土壤质量的响应。作物产量及效益是土壤实际生产力的外在表现，一定程度上能够确切反映土壤质量水平。本研究中，烤烟产值

23、兼顾了烤烟产量和质量，检验发现植烟土壤质量指数与烤烟产值呈极显著正相关性(P001)，说明本研究对植烟土壤质量状况的评价结果代表了当地烤烟的实际生产状况。研究发现728的植烟土壤处于中等以上水平，差等土壤占比较低(20)，表明研究区植烟土壤质量状况总体可满足生产优质烟叶的需要。这与近年来烟区重视烟草生产，加大肥料投入以提升烟草生产效率不无关系。4结论研究区植烟土壤pH和砂粒等特性变异中等，而一些微量元素和速效养分含量变异较强。土壤pH值、有机质、砂粒含量、全氮、全钾和有效硫适宜，碱解氮、有效磷和速效钾含量偏高，而土壤全磷和一些微量元素(钼、硼)缺乏。研究建立了参评土壤质量的最小数据集指标体系，

24、有机质、砂粒、速效钾、有效磷、全钾和有效钼等指标是基于烤烟生产实际的植烟土壤质量评价的关键因子。对此，加强烟区钼肥施用和适宜调控磷、钾肥用量及施用方式是提升烟草生产的重要措施。土壤质量评价表明研究区植烟土壤质量状况总体较好，可满足生产优质烟叶的需要。研究结果为科学、有效地评价湘西植烟土壤质量状况提供了参考依据，并通过系统评价植烟土壤质量状况，对当地烟草生产具有一定的指导意义。参考文献1 曹志洪，周健民中国土壤质量M北京：科学出版社2006CAO Zhihong，ZHOU JianminSoil Quality of ChinaMBeijing：Science Press，20062 郭亚利，刘

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