土壤是决定烟草产量和品质的根本因素，其供给状况直接影响烟株的生长发育^[1]。氮素是限制烟草生长和品质产量的首要因素^[2-6]，缺氮会导致烟株生长缓慢，发育不良; 而氮素过量会导致烤烟生长过旺，成熟延迟且落黄不好，影响烤后烟叶品质，严重的甚至造成黑暴烟，失去使用价值^[7-11]。有机质是土壤固相部分的重要组成成分，其含量与土壤肥力密切相关^[12-13]。对烟草而言，土壤有机质含量过高或过低对于烟草的生长发育都会产生不良影响^[14]，只有在有机质含量适宜的条件下，才能生产出优质的烟叶^[15]。

湘西州位于湖南西北部，是湖南省重要的烤烟产区之一。虽然已有植烟土壤有机质(SOM)和全氮(TN)时空变异的研究报道^[16-20]，关于湘西州植烟土壤方面，也已有了SOM含量分布特征以及SOM与有效养分的相关性研究报道^[21-22]，但尚无SOM和TN时空变异及其之间关系的研究报道。为此，本研究以2000年和2015年两个时期湘西烤烟主产区土壤为研究对象，采用经典统计学和地统计学方法研究了SOM和TN含量特征以及时空变异特征，旨在为湘西州烤烟生产科学合理施用有机肥和氮肥提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 区域自然概况

湘西州位于湖南省西北部，东西宽约170 km，南北长约240 km，国土面积15 462 km²，其中耕地面积1.99 ×10⁶ hm²。全州地势呈西北高东南低的趋势，地形地貌以山原山地为主，兼有丘陵和小平原。湘西州属亚热带季风湿润气候，大陆性气候特征明显，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，年均气温16.5 ~ 17.5℃，年均降雨量1 290 ~ 1 600 mm，年均日照时数1 219 ~ 1 406 h。

湘西州是湖南主要烤烟产区之一，基本烟田3.07× 10⁵ hm²，其中水烟1.32×10⁵ hm²，旱烟1.75×10⁵ hm²，主要烤烟品种为云烟87和K326，全州年均烟叶产量2.25×10⁴ t，种植模式主要为烤烟-绿肥-玉米和烤烟-绿肥-水稻，土壤类型有发生分类上的水稻土、红壤、黄壤、黄棕壤、石灰土和紫色土等。

1.2 样品采集和分析

两次采样分别在2000年和2015年的11-12月进行。在烟田冬翻前，选取面积≥667 m²的田块进行样品采集，用手持式GPS定位，记录田块中心的经纬度和海拔。根据采样田块的形状，采取“X”形或“W”形多点随机取样，用土钻采集耕作层土壤(0 ~ 20 cm)，每个田块确保5个样点以上，将5个点的土样混合均匀后，用四分法取大约1 kg土样带回实验室，经风干、去杂、研磨、过100目(0.149 mm)筛后制成待测样品。SOM测定采用重铬酸钾氧化法，TN测定采用凯氏定氮法^[23]。

2000年采集土壤样品446个，2015年采集土壤样品1 242个，2015年的采样点包括2000年的采集点(图 1)。

1.3 土壤有机质和全氮评价标准

本研究参照他人的研究结果^[24-25]，制定了湘西烟区养分指标的评价标准，详见表 1。

1.4 数据分析

采用IBM Statistics SPSS20.0进行SOM和TN含量的描述性统计和K-S检验^[26]。半方差函数模型的计算和理论模型拟合采用GS+9.0完成^[27]，Kriging插值、绘图及面积统计均在ENRI ArcGIS 10.2.2中实现^[28-30]。

2 结果与分析 2.1 湘西植烟土壤有机质和全氮基本统计特征

15 a来，湘西植烟土壤SOM和TN含量均值均增加显著，2015年较2000年分别上升了5.03 g/kg和0.31 g/kg，上升幅度分别达21.39%和21.99%，从“适宜”等级变为“高”等级，最小值变小，而变异系数、最大值、极差均变大，表明SOM和TN含量在大幅增加的同时，其变异也在变大。

2.2 湘西植烟土壤有机质和全氮时空变异特征

采用多种函数模型对湘西植烟土壤SOM和TN含量空间分布特征进行拟合，获得最佳函数模型及其相关参数(表 3)，两个年度的SOM和TN含量的最佳函数模型为均为指数模型，各模型均具有较高的拟合精度(RMSSE接近1，MSE接近0)，能够很好地反映SOM和TN空间结构特征。两个年度的SOM块金效应均在25% ~ 75%，而TN的块金效应均 < 25%，表明SOM的空间变异由随机因素和结构因素共同决定，而TN则主要由结构性因素决定。2015年各指标的块金效应数值均较2000年有所增大，反映出随机性因素对SOM和TN的作用变大，表明SOM和TN的空间结构性减弱，随机变异性增强。此外，15 a来SOM和TN的Moran’s I值也均有较大下降。经标准化计算，两个年份Moran’s I的标准化Z值均大于2.58，说明两个年度植烟土壤SOM和TN均表现为显著空间自相关，2015年标准化Z值低于2000年，表明SOM和TN的空间自相关性在减弱，随机性因素对其影响在增强。

采用普通Kriging插值法获取2000年和2015年湘西州植烟土壤SOM和TN含量空间分布图(图 2)，并利用ArcGIS软件Arctool box模块统计不同等级面积，可知，两个时期SOM和TN空间分布无明显规律性，2015年湘西植烟土壤SOM和TN分级面积与2000年相比发生较大变化。

2000年湘西植烟土壤SOM含量总体较适宜，“适宜”等级面积高达83.05%，“低”和“高”的面积比例分别仅为3.52%和13.43%。2015年SOM含量较2000年有较大变化的趋势，新增了2000年未出现的“极高”等级，面积为8.94%;“高”等级亦由原来的小范围分布增加至45.64%，相应地“适宜”等级的面积下降至45.32%。综上，2015年湘西植烟土壤SOM “高”和“极高”等级的面积显著增加，分别增加了32.21%和8.94%;而“低”和“适宜”等级则大幅下降，分别下降了3.42%和37.73%。SOM这一大幅增加的趋势与有机物料投入增加有关。

2000年湘西植烟土壤TN含量总体较适宜，TN“适宜”的面积高达83.33%，“低”、“高”和“极高”的面积比例分别仅为4.20%、12.33%和0.14%。2015年植烟土壤TN较2000年有较大的变化趋势，“极高”等级由原来的零星分布增加至10.94%，“高”等级亦由原来的小范围分布增加至48.00%而成为主要等级，相应地“适宜”等级的面积下降至38.90%。综上，2015年湘西植烟土壤TN “高”和“极高”等级的面积显著增加，分别增加了35.67%和10.80%;而“低”和“适宜”等级则大幅下降，分别下降了2.04%和44.43%，15 a来湘西植烟土壤TN含量大幅增加。

2.3 湘西植烟土壤有机质与全氮的关系

本研究进一步对两个年度湘西植烟土壤SOM与TN含量的关系进行了深入研究。2000年的数据分析结果表明，土壤SOM与TN含量呈极显著的正线性相关(r=0.853，P=0.000);进一步采用决策树模型分析土壤SOM对TN含量的影响，结果表明土壤SOM对TN影响的拐点分别为21.80 g/kg和24.10 g/kg，2个拐点将土壤按SOM高低分成3组，各分组土壤TN均值分别为1.196、1.377、1.652 g/kg，土壤TN在土壤SOM分组间差异达极显著水平(图略); 采用等样本数平滑回归分析的方法分析土壤SOM与TN含量的关系，结果显示烤烟土壤SOM与TN含量呈极显著的线性正相关(R²= 0.980 3，P=0.000)，土壤SOM每增加10 g/kg，TN相应增加0.424 g/kg(图 3)。

2015年的数据分析结果与2000年的结果高度一致，土壤SOM与TN呈极显著正线性相关(r=0.749，P=0.000);决策树模型分析结果表明，土壤SOM对TN含量影响的拐点分别为16.50、19.94、25.00、29.50、36.20、42.10 g/kg，6个拐点将土壤按SOM含量高低分成7组，各分组土壤全氮含量均值分别为0.953、1.298、1.474、1.681、1.929、2.162、2.647 g/kg，TN在土壤SOM分组间差异达到极显著水平(图略)。等样本数平滑回归分析结果显示(图 3)，烤烟土壤SOM与TN含量呈极显著的线性正相关(R²= 0.979 9，P=0.000)，SOM每增加10 g/kg，TN相应增加0.431 g/kg。综上，两个年份SOM与TN含量的关系高度一致。

3 讨论

SOM和TN均是植烟土壤肥力评价的关键指标，对烟株生长和烟叶品质影响显著^[31]。烟草生长对SOM含量的适应性虽然较广，但过高或过低不利于烟叶品质，一般认为15 ~ 35 g/kg对优质烟叶形成最为有利^[32]。同样地，虽然在不同氮素含量的土壤上烟草一般均能完成其生活史，但有利于烟叶品质的土壤TN适宜含量范围为1.0 ~ 1.5 g/kg。土壤理化性状有很强的空间异质性和时空变异性，SOM和TN含量的变化是一个随时间和空间变化而动态变化的过程。粮食作物土壤的相关报道较多，近年来有关植烟土壤SOM和TN含量的时空变异也有报道。邓小华等^[33]研究发现，近10 a来湖南邵阳烟区土壤SOM呈上升趋势，各县平均增幅达8.73% ~ 23.67%，与本研究结果一致。15 a来，湘西植烟土壤SOM从23.52 g/kg上升到28.55 g/kg，逐渐偏离烤烟生长的适宜范围，增幅达21.39%，这与当地的土壤保育措施如秸秆还田、绿肥种植、商品有机肥施用等措施密不可分。刘勇军等^[34]等研究发现，从2000年至2015年湖南宁乡烟区土壤TN含量增幅达6.63%，且空间分布特点发生巨大变化，也与本研究的结果基本一致。15 a来，湘西植烟土壤TN含量从1.41 g/kg上升到1.72 g/kg，增幅达21.99%，从“适宜”等级变为“高”等级，这可能与氮肥投入量增加以及植烟土壤氮素的逐年累积有关。

耕地土壤变异可分为系统变异和随机变异，这两种变异分别由结构因子和人为因子导致^[35]。本研究采用目前常用的半方差函数法进行土壤SOM和TN含量的时空变异研究^[27]，不仅可以探明两者的空间异质性，还可以解析其随时间变异性，同时可避免样本方差的影响。本研究中两个年份植烟土壤的SOM和TN的最佳函数均为指数模型，模型的RMSSE接近1，且MSE接近0，表明模型的拟合精度较高，可以精确反映土壤SOM和TN的空间结构特征和时间变化。15 a间，SOM和TN的块金效应有小幅增加，表明随机因子(农艺措施、肥料投入等)对其影响程度增强，Moran’s I值的计算结果也印证了这一结论，这与唐春闺等^[19]在浏阳烟区的研究基本结论一致。说明长期的种植制度、耕作措施和养分管理等人为干预措施对植烟土壤SOM和TN均会产生显著的影响。两个年份植烟土壤SOM与TN含量呈极显著线性正相关，与王丰等^[36]的研究结果基本一致，说明SOM的矿化释放是TN的一个主要来源。

4 结论

本研究主要通过地统计学和GIS技术对湘西植烟土壤SOM和TN含量时空变异特征进行了研究。从基本统计特征来看，湘西植烟土壤SOM和TN含量均值增加，最小值变小，而变异系数、最大值、极差均变大，表明两者在大幅增加的同时，其变异也在变大。从空间分布和面积统计结果来看，15 a来SOM和TN变化较大，“低”和“适宜”等级的面积下降，高”和“极高”等级的面积增加，SOM和TN空间自相关性在减弱，随机变异性在增强。植烟土壤SOM与TN含量呈极显著的线性正相关，SOM的矿化释放是TN的一个主要来源。