基于GIS的平顶山烟区土壤肥力适宜性研究_陈海生

第42卷　第5期河南农业大学学报V o l .42　N o .52008年 10月
J o u r n a l o f H e n a n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y
O c t .　
2008
收稿日期:2008-01-16
基金项目:国家烟草专卖局重点资助项目(110200401021)
作者简介:陈海生(1965-),男,浙江临海人,副教授,博士后,主要从事地理信息系统研究;通讯作者:刘国顺.
文章编号:1000-2340(2008)05-0545-05
基于G I S 的平顶山烟区土壤肥力适宜性研究
陈海生
1,2
,魏跃伟1,刘国顺1,李　娟
1
(1.河南农业大学国家烟草栽培生理生化研究基地,河南郑州450002;
2.河南大学生态科学与技术研究所,河南开封475001)
摘要:在分析平顶山市烟区各项肥力因子的基础上,对该烟区土壤肥力适宜性进行了综合评价.根据S 型或抛物线型作物效应曲线建立各项评价指标的隶属函数,采用层次分析法确定评价因子权重,从而求得每个评价单元的综合指标值.使用m a p G I S 地理信息系统软件作为空间数据管理工具,建立了该烟区土壤综合肥力评价图.研究表明,研究区内的汝州、郏县、宝丰的北部和叶县的东部一带各土壤肥力因子含量适中,且搭配比例适当,综合肥力水平为适宜以上地区;而鲁山、叶县的西部、宝丰的南部一带虽然烟区土壤中有机质含量和p H 值都为适中,但全氮和速效磷含量都偏低,影响了该烟区土壤综合肥力的发挥,综合评价定为次适宜区,该烟区应增加氮肥和速效磷的施用,充分发挥土壤肥力的综合效应.关键词:G I S ;烤烟;评价因子;权重;土壤肥力适宜性中图分类号:S 158 文献标识码:A
S t u d i e s o n T o b a c c o S o i l F e r t i l i t y S u i t a b i l i t y o f P i n g d i n g s h a nB a s e do n G I S
C H E NH a i -s h e n g 1,2
,W E I Y u e -w e i 1
,L I UG u o -s h u n 1
,L I J u a n
1
(1.N a t i o n a l T o b a c c o C u l t i v a t i o n a n d P h y s i o l o g i c a l a n d B i o c h e m i c a l C e n t e r ,H e n a n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y ,
Z h e n g z h o u 450002,C h i n a ;2.I n s t i t u e o f E c o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ,
H e n a n U n i v e r s i t y ,K a i f e n g 475001,C h i n a )
A b s t r a c t :
B a s e d o na n a l y s i s o f t h e p h y s i c a l a n dc h e m i c a l p r o p e r t i e s o f s o i l s a m p l e s c o l l e c t e df r o m P i n g d i n g s h a n t o b a c c o p l a n t i n g r e g i o n s ,t h e i n d e x s y s t e mo f s o i l f e r t i l i t y s u i t a b i l i t y o f t o b a c c o w a s e s t a b -l i s h e d .S -t y p e o r p a r a b o l a -t y p e d e p e n d e n c e f u n c t i o n s w e r e d e v e l o p e d a c c o r d i n g t o t h e i r e f f e c t o n t o b a c -c o c r o p a n d t h e f u n c t i o n v a l u e w a s a l s o c a l c u l a t e d .A H P w a s a p p l i e d t o j u d g e t h e w e i g h t o f e a c h e v a l u -a t i o n f a c t o r .T h e n t h e i n t e g r a t e d i n d e x v a u l e s f o r e v e r y e v a l u a t i o n u n i t w e r e o b t a i n e d .B a s e d o n a l l t h e a b o v e .t h e f e r t i l i t y m a p o f H e n a n t o b a c c o p l a n t i n g r e g i o n s w a s d r a w n w i t h G I S s o f t w a r e m a p G I S .T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t ,i n l e s s s u i t a b l e r e g i o n s o f P i n g d i n g s h a n ,t h e t o b a c c o p l a n t i n g s o i l s h o u l d b e a d d -e d t o t o t a l Na n d o l s e n P .A n d c o r r e s p o n d i n g s t r a t e g i e s w e r e a l s o p u t f o r w a r d .K e y w o r d s :G I S ;t o b a c c o ;e v a l u a t i o n f a c t o r s ;w e i g h t ;s o i l f e r t i l i t y s u i t a b i l i t y 土壤肥力是土壤在一定生态系统内提供给作物生长过程中必需营养成分,维护良好生态环境能力的量度
[1～4]
.烟区土壤肥力适宜性评价是指通过
对某区域内各土壤肥力因素的综合评分来确定其对烤烟种植的适宜性程度,是土壤理化性质及生物
属性的综合反映.定性、定量和定位地评价烤烟在某区域内种植的肥力适宜性,能充分合理地利用现有烟区,进一步扩大优质烟种植范围.烟草的适应性很广,但优质烟生产有着严格的地域限制.如美国的烟叶多集中在东部海岸平原,巴西的烟叶主要
546
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集中在南部各省.这是因为烟草的香吃味特性在很大程度上受制于土壤生态条件,烟草叶片与果实和种子不同,它是植物中最活跃的器官,不能缓冲生长环境变化的影响[5].李云[6]的研究表明,不同地区种植的烟草,其中和香味关系很大的低级脂肪酸成分和含量的差异很大,并认为这是形成不同产地烟叶独特风格的主要因素.张燕等[7]收集了国内外6个产地不同等级的香料烟样品,分析结果表明,不同产地香料烟的内在化学成分和挥发性致香物质差异均较大.较之于其它作物,烟草对土壤等环境条件的反应更为敏感.因此,优质烟产区具有很大的地域局限性.地理信息系统(g e o g r a p h i c i n-f o r m a t i o n s y s t e m,G I S)具有管理空间不均匀分布资源的能力,可以把大区域范围内土壤样品的属性数据同地理数据结合起来.目前,地理信息系统技术已开始广泛地应用于农作物适宜性评价上[3,8].唐嘉平等[9]利用A r c V i e w为平台的种植适宜性评价系统完成了澜沧江下游热带特色经济作物的评价.王桂芝等[3]利用测绘数据以A r c/i n f o为工具,建立了海南省三亚市的热带作物土地适宜性评价模型.而将G I S技术应用于烤烟的土壤肥力适宜性评价和合理布局研究,目前在国内外的报道中并不多见.本研究拟使用m a p G I S地理信息系统软件作为空间数据管理,采用层次分析法确定评价因子权重,对平顶山市烟区土壤肥力适宜性进行综合评价,为进一步合理布局,开辟更多的优质烟基地,实现烟草可持续发展提供依据.
1　研究区域与研究方法
1.1　研究区概述和采样点分布
平顶山市位于东经112°14′～113°41′,北纬33°08′～34°20′,地处河南省中南部,为豫西山地向黄淮平原过渡地带.地势西高东低,呈阶梯状展开,气候垂直变化明显.地貌类型多样,山地、丘陵、岗地、平原分别占总面积的12.66%,29.12%, 29.22%,29.00%.由于其地处北亚热带与暖温带气候的过渡地带,属于暖温带大陆性季风气候.春季气温回升快,少雨多风;夏季高温多雨,降水量集中且不稳定,年际变化大;秋季风高地燥,昼夜温差大;冬季雨雪偏少,干冷多风.年平均日照2068.8～2334.9h,日照率47%～53%,年太阳辐射总量468.66～507.63k J·c m-2,年平均气温14.2～14.9℃,有效积温5345℃,无霜期225d,年平均降水量810m m.气候和土壤都十分适宜于优质烤烟的种植,是烟草学家公认的烤烟种植“黄金地带”,全市常年种植烤烟2.3万h m2,收购量4000万k g左右,产出的烟叶颜色桔黄,油分充足,吃味醇和,香气浓郁,烟叶燃烧性好,具有浓香型的典型风格.本研究土壤采集样点来自于平顶山市境内烟区,共采集400个土壤样点,采样点均采用G P S定位,采样点分布见图1.
图1　平顶山烟区土样采集点分布
F i g.1　D i s t r i b u t i o no f s o i l s a mp l e s i nP i n g d i n g s h a n
t o b a c c op l a n t i n g r e g i o n s,H e n a nP r o v i n c e
1.2　评价因子的选择与评价方法
评价因子的选择应遵循以下原则:1)稳定性原则,尽量选取长期稳定影响烟草种植适宜性的因子;2)主导性原则,选取对烟株生长和烟叶质量起主导作用的因子;3)差异性原则,选取评价区域范围内变异较大的因素;4)定量性原则,应尽可能选择可量化的因素,以减少主观成分对评价结果的影响.根据平顶山烟区实际情况,土壤指标是有机质、土壤p H值、全氮、速效钾和有效磷等理化性状.
确定各单项肥力指标的权重系数,是土壤肥力适宜性评价中的瓶颈.为避免人为主观因素的干扰,本研究选用层次分析法[10].
地理信息系统具有管理空间不均匀分布资源的能力,可以把大区域范围内土壤样点的属性数据同地理数据结合起来[9,11],所以本研究将肥力评价与G I S相结合,利用地理信息系统软件m a p G I S绘制土壤肥力状况图,使评价结果更加直观.将土壤类型图、地形图和采样点位置等相叠加,得到定级单元底图,利用A c c e s s建立肥力属性数据库,以进行计算评价.
2　结果与分析
2.1　土壤养分的描述性统计
对整个研究区内400个抽样点土样的养分数
第5期陈海生等:基于G I S的平顶山烟区土壤肥力适宜性研究547
据进行描述性统计分析(表1).由表1可以看出, p H值的变异系数最低,为6.82%.有机质和全氮的变异系数分别为25.17%和19.52%;速效钾的变异系数较大,为47.67%;以有效磷的变异系数为最高,达63.12%.这与当地烟农施用通用型进口复合肥和磷肥数量差异较大有着密切关系.
表1　平顶山烟区土壤养分的描述性统计结果
T a b l e1　S t a t i s t i c s c h a r a c t e r i s t i c s o f s o i l p r o p e r t i e s i nt o b a c c o p l a n t i n gr e g i o n s o f P i n g d i n g s h a n,H e n a n
变量
V a r i a b l e s 范围
R a n g e
最大值
M a x.
最小值
M i n.
平均值
M e a n
标准差
S D
变异系数/%
C V
p H5.60～8.708.705.607.190.496.82有机质/(g·k g-1)O.M.6.10～28.9028.906.1014.303.6025.17全氮/(g·k g-1)T o t a l N0.40～1.211.210.400.790.1519.52有效磷/(m g·k g-1)O l s e n-P2.34～72.3472.342.3414.489.1463.12速效钾/(m g·k g-1)A v a i l a b l e K23.48～800.00800.0023.48114.8354.7447.67
2.2　模糊综合评价模型的建立
2.2.1　评价因子隶属函数的建立　各项评价因子
对烟草土壤肥力适宜性和质量的影响程度是个模
糊性概念,可采用模糊数学的模糊子集、隶属函数
和隶属度理论进行描述.通过分析评价因子对土壤
肥力适宜性和烟叶质量的影响,确定各评价因子隶
属函数类型.采用专家经验法确定数值型评价因子
的最优值(O)、上限值(U)、下限值(L),对每一评
价因子,利用相应隶属函数模型拟合,建立数值型
评价因子隶属函数.它可以将肥力评价指标标准
化,转变成范围为0.1～1.0的无量纲值(即隶属
度).隶属度函数通常有2类,分别是梯型隶属度
函数和S型(正相关型)隶属度函数.属于抛物线
型的因子,其指标在一定范围内,评价对象质量最
好,高于或低于该范围则变差.属于S型的因子,其
指标越高,表明评价对象质量越好,但到一定临界值
之后,其效用也趋于恒定.各类型的函数表达式为:
(1)S型隶属度函数
f(x)=1.0 X≥U 0.1+0.9(X-L)/(U-L)L<X<U 0.1X≤L
(2)抛物线型隶属度函数
f(x)=0.1 X≤L,X≥U
0.1+0.9(X-L)/(O1-L)L<X<O1
1.0O1≤X≤O2 1.0-0.9(X-O2)/(U-O2)O2<X<U
本研究中,土壤中p H、有机质含量适用于梯型隶属度函数,全氮、速效钾和有效磷则适用于S型隶属度函数.据此可计算出各项肥力指标的隶属度值,这些值为0.1～1.0,其值的大小反映了其隶属的程度,最大值1.0表示土壤肥力的最好状态,完全适宜优质烟草的生长,最小值0.1表示土壤肥力的严重缺乏或不协调.在这里,为了计算的方便,将最小值定为0.1而非0,是符合生产实际情况的.
2.2.2　各评价因子阈值的确定　对一般作物而言,土壤有机质含量较高是土壤肥沃的标志,对作物生长有利,但对烤烟而言,土壤有机质含量过高,烟叶生长后期贪青晚熟,不容易正常落黄,甚至黑暴,烘烤后烟叶主脉粗,叶片过厚,烟碱及蛋白质含量过高,色泽差,刺激性大,品质低劣[12].本烟区内,土壤有机质含量不能大于25g·k g-1.但土壤有机质含量过低,所产烤烟香气不足.本烟区内,如有机质含量低于8g·k g-1时,已不适宜于烤烟的种植,最适宜的土壤有机质含量为14～18g·k g-1[5].
烤烟对土壤酸碱度的适应性较强,在p H 3.5～9的土壤中,烤烟均能正常生长,且完成生命周期循环.但烤烟品质都是在一定的p H范围内最好.综合来看,世界各国推荐的最适烤烟生长p H 值范围为5.5～7.0,这同许多国家烤烟种植区皆为酸性土壤区有关[12].本烟区也采用这一最适指标范围.
同其他作物相比,烤烟的营养特点是对钾的需求量大,较高的含钾量能保持烟叶较好的可燃性,满足烤烟的需钾量是保证烟株正常生长、获得优质烟叶的重要条件之一[12,13].本烟区土壤中速效钾含量如大于150m g·k g-1,则赋值为1,最低不能低于80m g·k g-1.氮以蛋白质、核酸、叶绿素、烟碱等形式存在于烟株体内,氮素供应不足,烟株生长缓慢,植株矮小,叶色浅淡,早衰黄化,叶小而薄,品质差,本烟区土壤全氮含量以大于1.5g·k g-1为适宜,最低不得少于0.8g·k g-1.磷能增强烟株抗旱抗寒能力,促进叶片成熟,提高烟叶品质.本烟区土壤中有效磷含量以大于15m g·k g-1为适宜,最低不得少于5m g·k g-1(表2).
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表2　平顶山烟区土壤肥力各评价指标隶属度函数类型及阈值
T a b l e2　T y p eo f m e m b e r s h i pf u n c t i o na n dt h r e s h o l dv a l u e o f f e r t i l i t yi n d e x i nP i n g d i n g s h a np l a n t i n g r e g i o n s
指标I n d e x 隶属度函数类型
T y p e o f m e m b e r s h i p
f u n c t i o n
下限(L)
L o w e r l i m i t
v a l u e
上限(U)
U p p e r l i m i t
v a l u e
最优值(O
1
)
O p t i m a l
v a l u e1
最优值(O
2
)
O p t i m a l
v a l u e2
有机质/(g·k g-1)O.M.梯型函数(P a r a b o l a-t y p e)8.025.014.018.0 p H梯型函数(P a r a b o l a-t y p e)5.08.05.57.0全氮/(g·k g-1)T o t a l N梯型函数(P a r a b o l a-t y p e)0.81.5
有效磷/(m g·k g-1)O l s e n-P S型函数(S-t y p e)5.015.0
速效钾/(m g·k g-1)A v a i l a b l e K S型函数(S-t y p e)80.0150.0
2.3　权重的确定
权重是指评价因子对评价单元综合分值高低
的影响程度.本研究把专家的经验与定量的数学方
法结合起来,采用层次分析法来确定评价因子的权
重.具体步骤是:首先建立层次结构.假设对于目的
O,达到O有一系列的准则C i,对于每个准则又有
一系列的方案P i j,那么,目的、准则和方案的层次
关系,称为层次分析的层次结构;然后建立比较矩
阵,就可以求出多个因素的权重值.采取的方法是
用和积法计算出各矩阵的最大特征值λm a x及对应
的特征向量W,并用一致性指数C R进行一致性收
敛判断(检验).当C R<0.10,就认为比较矩阵的
不一致程度在允许范围之内,否则,必须重新调整
矩阵.
根据平顶山烟区的实际情况,听取了有关专家
的意见,分别比较了各评价因子的相对重要性,构
造了各因子判断矩阵:
R=
有机质p H速效钾全N有效P
O.M.p H A v a i l a b l e K T o t a l N A v a i l a b l e P
1
1/31
1/26/51
1/43/41/21
1/51/31/41/21
通过该矩阵计算出各因子的权重,并对计算结果进行了一致性检验,结果表明,C R的值为0.053,小于0.1,说明判断矩阵具有满意的一致性.评价指标权重如表3所示.
2.4　综合评价指标值的计算
综合评分法通过使用隶属函数标准化后的指标分值与层次分析法,求出的各因子指标权重值,利用如下模型对平顶山烟区土壤肥力适宜性进行综合评分.
I F I=
∑n i=1P j X i j(i=1,2,3…n;j=1,2,3…m)
表3　各评价因子的权重值
T a b l e3　T h e w e i g h t s o f m a j o r e v a l u a t i o nf a c t o r s
评价因子
E v a l u a t i o n
f a c t o r s
有机质
O r g a n i c m a t t e r
p H
全N
T o t a l N
速效K
A v a i l a b l e K
有效P
O l s e n-P
权重
We i g h t s
0.44580.17010.15540.14810.0806
I F I(I n t e g r a t e d F e r t i l i t y I n d e x)是评价单元的土
壤肥力综合评分值,n为评价因子的总数.P j为第j
个评价指标的权重,X i j为评价单元在第j个评价指
标上的隶属度.I F I取值范围为0.1～1.0.其值越高,
表明土壤肥力对烟草生长和品质的贡献率也越高.
根据计算所得的综合肥力指标(I F I),将平顶山烟区
土壤肥力适应性水平划分为最适宜(1>I F I>
0.786)、适宜(0.571<I F I<0.785)、次适宜(0.356
<I F I<0.570)、不适宜(0.140<I F I<0.355).本研
究计算的结果I F I的范围为0.286～0.986,平均值
为0.601,标准差为0.161,变异系数为26.79%.对
应于每个评价单元的综合评分值,通过编程计算后
直接写入图斑对应的属性数据表中,本研究区烟草
种植土壤肥力综合评价值结果如图2所示.
图2　平顶山烟区土壤肥力适宜性分布
F i g.2　S u i t a b i l i t yd i s t r i b u t i o no f t o b a c c op l a n t i n g
r e g i o n s o f P i n g d i n g s h a n,H e n a nP r o v i n c e
第5期陈海生等:基于G I S的平顶山烟区土壤肥力适宜性研究549
3　结论
由于研究区内大部分土壤中速效钾含量为中上丰富,且土壤中水溶性氯含量适中,因此决定了平顶山烟叶的优良燃烧性和浓香型特征.研究区内的汝州、郏县、宝丰的北部和叶县的东部一带,由于各土壤肥力因子含量适中,且搭配比例适当,综合肥力水平为适宜以上地区.这部分面积共15000 h m2,占研究区烟草总面积的64.29%,其中分布着最适宜的面积536.67h m2,占平顶山种植面积的2.27%.而鲁山、叶县的西部、宝丰的南部一带虽然土壤中有机质含量和p H值都为适中,但全氮和速效磷含量都偏低,影响了该烟区土壤综合肥力的发挥,综合评价中定为次适宜区,这部分面积为8333.33h m2,占种植总面积的35.71%,其中分布着不适宜区域为66.66h m2,占总面积的0.28%,该区域内今后应增加氮肥和速效磷的施用,充分发挥土壤肥力的综合效应.
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(责任编辑:常思敏)
(上接第540页)
图2188.1991;中国车前研究40.1993;中国植物志70∶330.图版51∶3～4.2002.
产地:河南罗山,陈付合无号,张云霞2005014.生于田边、路旁、荒地、田野.
分布:江苏、安徽、浙江、江西、福建、台湾,河南首次纪录;原产北美洲,现在中美洲、欧洲、日本及中国华东地区已归化.
本种具圆柱形的直根及其叶形近似平车前(P.d e p r e s s aW i l l d.),但全株密被长柔毛,花葶长20～50c m,雄蕊内藏,种子2枚,与平车前明显不同.
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(责任编辑:蒋媛媛)。