試驗干擾下土壤中微量元素空間變異性研究

黃富饒，冉惠文

(重慶市煙草公司煙葉分公司，重慶 400023)

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試驗干擾下土壤中微量元素空間變異性研究

黃富饒，冉惠文*

(重慶市煙草公司煙葉分公司，重慶 400023)

[目的]為了解煙草試驗站土壤中微量元素的空間變異性, 進而為大田試驗布局提供依據。[方法]用地統計學方法，分析彭水試驗站的耕層土壤養分的空間變異特征。[結果]該站內土壤有效鐵、有效銅、有效鈣的含量豐富；有效鋅和有效錳為中等含量水平，有效硫和有效鎂含量從低至高均有分布。各中微量元素間具有顯著的相關性。所有元素均可用指數模型和球狀模型進行較好擬合；有效鋅、有效鎂和有效硫由于受結構性因素影響而呈現強空間自相關性；其余元素的空間自相關性由結構性因素和隨機因素共同作用而呈現中等空間相關性。Kriging插值顯示，東部及東北部較高，中部和西南部區域含量較低；有效鐵、有效鈣和有效硫的空間分布的規律性差。[結論]該試驗站土壤中微量元素含量存在較大的空間變異性。在安排大田試驗時，要充分認識這種變異性，合理布局大田試驗。

煙草；試驗干擾；中微量元素；空間變異性

由于受成土母質、人為活動等因素的影響，土壤養分在不同尺度上呈現出一定的空間變異性[1-2]。在生產上，如果忽略這種變異而進行均勻性施肥，那么將導致養分含量高的區域施肥量相對過高，養分含量低的區域施肥量相對過低[3]，進而使得作物的產量和品質降低。因此，在農業生產中必須利用各種手段深入研究土壤養分的空間變異性，進行變量施肥以確保作物高產、優質[4]。

地統計方法能將點狀數據轉換成面狀數據，進而利用已知點的數據來預測未知點的數據[5]。自地統計方法被引入土壤領域以來，該方法被廣泛地應用。江厚龍等[6]利用地統計學方法研究煙田土壤空間變異性，并且劃分管理分區；Jiang等[7]研究了植煙土壤全量養分的空間變異性；李莉等[8]運用地統計方法定量分析了土壤微量元素的空間分布規律；Ovalles等[9-10]利用地統計學方法研究了土壤物理性狀的空間異質性。大量的應用已充分證明，該方法是分析土壤特性空間分布特征及其變異規律的最有效的方法之一。

煙草試驗站是進行大田試驗的主要場所，在布局大田試驗時必須保證各非處理因素盡量一致；另外，試驗處理對土壤中微量元素也會產生一定的影響。目前，未見采用該方法研究試驗干擾對土壤中微量元素空間分布規律影響的報道。因此，以重慶煙草科學研究所彭水試驗站為研究對象，運用地統計方法和GIS技術研究了試驗干擾對土壤中微量的空間變異性的影響，以期為布局大田試驗提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況研究在重慶煙草科學研究所彭水試驗站的典型煙草種植地塊進行。試驗站中心位于E 107.958 557°，N 29.137 352°，面積10 hm2。試驗站位于彭水縣潤溪鎮，屬亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫17.5 ℃，年均降雨1 104.4 mm，年均潛在蒸發量為950.4 mm。

1.2 樣品采集與分析研究于2012年3月整地施肥前用16 m間隔的“網格法”取耕層(0～20 cm)土壤樣品289個，每個樣點用GPS定位其坐標，各坐標在ArcGIS中轉換為大地坐標，以便于地統計分析(圖1)。采樣時以網格點為圓心、5 m為半徑的范圍內采集10鉆，充分混合，為該點的混合樣本。土壤樣品帶回實驗室內經自然風干、去雜、磨碎、過篩后備用。參照文獻[11]的方法，測定有效鐵(Fe)、有效錳(Mn)、有效銅(Cu)、有效鋅(Zn)、有效鈣(Ca)、有效鎂(Mg)和有效硫(S)。

1.3 數據處理用SPSS10.0進行異常值剔除、基本統計和正態分布檢驗，應用GS+軟件[12]進行半方差分析、模型擬合和空間插值，圖層的編輯和輸出在ArcGIS9.3中完成。關于地統計原理、方法及應用，在很多文獻[13-14]中已做詳細介紹，此處不再累述。

2 結果與分析

2.1 土壤養分的描述性分析采用Grubbs法檢測，發現該

試驗所測數據中未出現異常值。利用SPSS軟件對土壤屬性進行描述性統計的結果見表1。由表1可知，試驗區土壤的有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅、有效鈣、有效鎂和有效硫的平均含量分別為30.88、10.77、2.05、1.81、1.79、0.55和50.04 mg/kg。根據第二次全國土壤普查制定的標準對土壤養分[15]進行分級，認為該區域土壤有效鐵、有效銅、有效鈣的含量變幅分別為14.99～31.11、1.15～1.90、0.64～1.72 mg/kg，含量屬豐富水平；有效鋅和有效錳的含量較豐富，有效硫和有效鎂含量從低至高均有分布，變幅為0.09～0.56和3.17～51.40 mg/kg。由變異系數(CV)分析可知，土壤有效鐵和有效鋅的變異性最小，有效錳和有效鎂的變異性最大。各種養分的變異性均屬中等變異性[16]。研究表明，試驗站內各養分含量的變異性較大，在布局大田試驗時必須摸清各養分的空間分布情況，以免因土壤肥力因素而造成試驗誤差。

偏度、峰度和Kolmogorov-Smirnov(P>0.05)檢驗表明，各中微量元素的測定數據均符合或近似符合正態分布的要求(表1)。因此，所測數據滿足使用地統計分析要求，可以進行地統計分析。

2.2 土壤養分間相關性分析利用SPSS軟件對土壤中微量養分間的相關性進行分析。由表2可知，各元素間具有存在0.01水平顯著的相關性。其中，有效鋅和其他元素間均存在極顯著的相關性，有效錳和其他元素間均存在顯著或極顯著的相關性，有效銅和其他元素間均呈極顯著相關性(有效鐵除外)，有效鈣和其他元素間均存在顯著或極顯著的相關性(有效鐵除外)。有效硫和其他元素間的相關性較差，與有效鋅和有效鎂間呈極顯著相關性，與有效錳和有效鈣間呈顯著相關性，而與有效鐵和有效銅間的相關性不顯著。江厚龍等[14]研究表明，植煙土壤的微量元素間具有較顯著的相關性。

表1 研究區土壤數據描述性統計(n=289)

注：含量單位均為mg/kg。

表2 研究區域土壤屬性的相關系數矩陣(n=289)

注：*表示P<0.05，**表示P<0.01。

2.3 土壤養分間地統計分析半變異函數模型是地統計學中空間描述與空間預測的關鍵[17]。應用GS+軟件對彭水煙草試驗站的土壤養分數據進行最優擬合。由決定系數和殘差分析可知，土壤有效鋅的最佳擬合模型為球狀模型，其余元素均可用指數模型進行有效擬合。由表3可知，土壤有效鋅、有效鎂和有效硫的塊金值/基臺值均小于25%，結構變異均大于隨機變異，表明這3種養分具有較強的空間自相關性[18]，結構性因素(如氣候、母質、地形、土壤類型等)對其空間相關性起決定性作用；其余養分的塊金值/基臺值為25%～50%，為中等空間相關性，其結構性變異和隨機變異共同決定著其空間相關性。

變程是反映空間變量自相關范圍的重要指標，只有在變程范圍內的變量才具有空間自相關特性[19]。由表3可知，各土壤屬性的變程為91.2～507.9 m，均大于土壤取樣間距(16 m)，說明該研究的取樣尺度是合理的。由半方差函數理論模型擬合的決定系數可知，決定系數均大于0.83，說明半方差函數模型的選取基本符合要求。

2.4 Kriging插值分析在已建立的半方差模型的基礎上，利用Kriging插值理論，將點狀數據轉換成面狀數據，從而實現對未采樣點的估值，并且生成土壤養分的空間分布圖，以便于直觀地了解研究區域的土壤中微量元素的空間分布狀況。由圖2可知，各養分間具有較相似的空間分布規律，中部和西南部區域各養分含量較低，東部及東北部較高。這樣印證了表2的相關性分析結果。有效錳、有效銅和有效鋅的空間分布最相似。有效鐵、有效鈣和有效硫的空間分布斑塊破碎較重，空間分布的規律性差。這可能與煙草試驗站內的各種試驗處理如生石灰改良酸性土壤、施用硫酸鉀等干擾有關?？臻g插值圖為今后的試驗處理布局及煙葉種植施肥方案的制定提供背景資料。

表3 土壤屬性半方差函數理論模型與相關參數

注：E.指數模型；S：球狀模型。S.強空間相關性(塊金值/基臺值< 25%)；M.中等空間相關性(25% <塊金值/基臺值<75%)。

3 結論

土壤理化性狀在一定程度上決定著烤煙的生長發育和品質形成。適宜的土壤理化性狀是烤煙正常生長發育和優良品質形成的保障。施肥往往導致植煙土壤的大量元素出現過剩的現象，而中微量元素由于在施肥時被忽視而導致不同程度的缺乏。因此，對植煙土壤的中微量元素進行正確的評價和有針對性地調節對生產優質烤煙有重要意義。因此，該研究利用間距為16 m的“網格法”取耕層土壤樣品289個，研究7種土壤中微量養分的空間變異性。

結果表明，該區域土壤有效鐵、有效銅、有效鈣的含量屬豐富水平；有效鋅和有效錳的含量較豐富，有效硫和有效鎂含量從低至高均有分布；各元素間存在極顯著的相關性，其中，僅有效銅與有效鐵間、有效鈣與有效鐵間、有效硫與有效鐵和有效銅間不具有顯著相關性。地統計分析表明，土壤有效鋅的最佳擬合模型為球狀模型，其余元素為指數模型。7種中微量元素的空間自相關性為12%～42%，其中土壤有效鋅、有效鎂和有效硫的結構性方差均小于25%，結構變異均大于隨機變異，在該研究尺度上呈現出強空間自相關性；其余元素的結構性方差為27%～42%，具有中等空間相關性，結構性因素和隨機因素共同決定著其空間關系。由Kriging插值結果可知，各中微量元空間分布呈較明顯的斑塊性，以東部及東北部較高，中部和西南部區域含量較低；有效錳、有效銅和有效鋅的空間分布最為相似；有效鐵、有效鈣和有效硫的空間分布斑塊破碎化較重，空間分布的規律性差。

[1] GOOVAERTS P.Geostatistical tools for characterizing the spatial variability of microbiological and physicochemical soil properties [J].Biol Fertil Soils，1998，27：315-334.

[2] QUINE T A，ZHANG Y.An investigation of spatial variation in soil erosion，soil properties and crop production within an agricultural field in Devon，UK[J].J Soil Water Conserv，2002，57：50-60.

[3] FERGUSON R B，HERGERT G W，SCHEPERS J S，et al.Site-specific nitrogen management of irrigated maize：yield and soil residual nitrate effects [J].Soil Sci Soc Am J，2002，66：544-553.

[4] CAHN M D，HUMMEL J W，BROUER B H.Spatial analysis of soil fertility for site-specific crop management [J].Soil Sci Soc Am J，1994，58：1240-1248.

[5] 朱曉華，楊秀春，蔡運龍.中國土壤空間分布的分形與分維 [J].土壤學報，2005，42(6)：881-888.

[6] 江厚龍，劉國順，楊超，等.基于GIS丘陵土壤分區與烤煙推薦施肥研究 [J].中國煙草科學，2013，34(2)：10-17.

[7] JIANG H L，LIU G S，WANG R，et al.Spatial variability of soil total nutrients in a tobacco plantation field in central China [J].Communications in Soil Science and Plant Analysis，2012，43：1883-1896.

[8] 李莉，賈寶順，習紅昂，等．小尺度下濃香型煙區土壤微量元素的空間變異性[J]．中國農學通報，2011，27(1)：105-110.

[9] OVALLES F A，COLLINS M E.Soil-landscape relationship sand soil variability in north central Florida [J].Soil Sci Sac Am J，1986，50：401-408.

[10] OLIVER M A.Geostatistics and its application to soil science [J].Soil Use Manage，1987，3(1)：8-20.

[11] LINDSAY W L，NORVELL W A.Development of a DTPA Soil Test for Zinc，Iron，Manganese，and Copper [J].Soil Sci Am J，1978，42：421-428.

[12] ROBERTSON G P.GS + geostatistics for environmental science user manual [M].Version3.1.Plainwell，MI：Gamma Design Software，1998.

[13] 江厚龍，王新中，劉國順，等.煙田土壤質地的空間變異性研究[J].中國生態農業學報，2010，18(4)：724-729.

[14] JIANG H L，LIU G S，WANG X Z，et al.Spatial variability of soil properties in a long-term tobacco plantation in central China [J].Soil Science，2010，175：137-144.

[15] 全國土壤普查辦公室.中國土壤[M].北京：中國農業出版社，1998.

[16] WARRICK A W.Spatial Variability[M]// HILLEL D.Environmental Soil Physics.Academic Press，1998：655-675.

[17] YOST R S，UEHARA G，FOX R L.Geostatistical analysis of soil chemical properties of large land areas Ⅱ.Kriging [J].Soil Sci Soc Am J，1982，46：1033-1037.

[18] CAMBARDELLA C A，MOORMAN T B，NOVAK J M.Field-scale variability of soil properties in Central Iowa soils [J].Soil Sci Soc Am J，1994，58：1501-1511.

[19] 王政權.地統計學及其在生態學中的應用[M].北京：科學出版社，1999.

Study on Spatial Variability of Soil Medium and Trace Elements under Experimental Interference

HUANG Fu-rao, RAN Hui-wen*

(Tobacco Leaf Branch of Chongqing Tobacco Corporation, Chongqing 400023)

[Objective] The research aimed to understand the distribution mode of soil medium and trace elements for the arrangement of experimental treatments in tobacco experiment station. [Method] Spatial variability of soil variables in the experiment station was analyzed via geostatistics method on Geographic Information System (GIS) platform. [Result] The contents of available iron (Fe), copper (Cu) and calcium (Ca) were abundant, the contents of available zinc (Zn) and manganese (Mn) were at a moderate level, and the distribution of available sulphur (S) and magnesium (Mg) contents were inconsistent, being abundant at some sites and deficient at others. A significant correlation existed among the seven available medium and trace elements. All of the soil medium and trace elements were well simulated by using exponential and spherical models. The available Zn, Mg and S exhibited strong spatial dependence, indicating that the soil properties might be affected by intrinsic factors. The remaining available medium and trace elements exhibited moderate spatial dependence, which illustrated that the soil variables might be affected by intrinsic factors and extrinsic factors. The interpolation maps of the soil microelements with Kriging showed that all of the elements had high content in the east and northeast area, and low content in the middle and southwest parts of the study area. The distribution maps of the available Fe, Ca and S were consistent with poor regularity. [Conclusion] The soil medium and trace elements of tobacco experiment station were characterized by a high degree of spatial variability. The spatial variability must be understood carefully for the arrangement of experimental treatments.

Tobacco; Experimental interference; Medium and trace elements; Spatial variability

黃富饒(1982- )，男，重慶人，助理農藝師，碩士，從事煙草栽培與生理生態方面的研究。*通訊作者，助理農藝師，碩士，從事煙草栽培與生理生態方面的研究。

2015-02-11

S 572

A

0517-6611(2015)09-075-04