瀘州植煙土壤有效態微量元素含量空間變異及其影響因素①

李 珊，李啟權*，張 浩，王昌全，謝云波，李 冰，蔣欣燁

(1 四川農業大學資源學院，成都 611130；2 四川省煙草公司瀘州市公司，四川瀘州 646000)

瀘州植煙土壤有效態微量元素含量空間變異及其影響因素①

李 珊1，李啟權1*，張 浩1，王昌全1，謝云波2，李 冰1，蔣欣燁1

(1 四川農業大學資源學院，成都 611130；2 四川省煙草公司瀘州市公司，四川瀘州 646000)

基于瀘州180份植煙土壤樣品6種微量元素有效態含量數據，采用地統計方法分析了其空間變異特征，并利用相關分析探討了其與土壤肥力因子和地形因子之間的關系，旨在為瀘州烤煙生態適宜區規劃和微肥施用提供參考依據。結果表明，研究區土壤有效Fe、Mn、Cu、Zn、B及Mo平均含量分別為70.42、46.72、2.33、1.75、0.34和0.17 mg/kg，總體呈現出南高北低、東高西低的空間分布格局。有效B和Mo符合球狀模型，其余元素均符合指數模型；6個元素塊金值與基臺值之比在25% ~ 75% 之間，具有中等強度的空間相關性，其空間變異受結構性因素和隨機性因素共同影響。相關性分析表明，土壤有效態微量元素與全鉀之間無相關性，與有機質、氮素、磷素及速效鉀總體呈正相關；坡度和坡向與土壤有效態微量元素含量之間無相關性，海拔與有效Mn、Cu及Mo呈顯著或極顯著的正相關關系。肥力因子對研究區土壤有效態微量元素含量空間變異的影響強于地形因子。

微量元素；植煙土壤；空間變異；影響因素；瀘州

土壤Fe、Mn、Cu、Zn、B及Mo等微量元素的有效態含量是影響烤煙產量和品質的重要因子[1–2]。對成土母質和地形復雜的山區而言，土壤微量元素含量具有較高的空間異質性[3–5]。準確掌握植煙區土壤微量元素含量空間變異特征和其影響因素，對科學制定烤煙生態適宜區規劃和精準施肥具有重要意義。

研究表明，在相同的氣候背景下成土母質、地形因素、土壤條件以及外源輸入是導致植煙區土壤有效態微量元素空間異質性的重要因素[6–9]。但這些研究多從定性的角度揭示了各因素的影響作用，在定量表達上尚顯不足。此外，不同烤煙生態適宜區土壤有效態微量元素空間變異的影響因素及其影響程度有所差異。婁翼來等[10]對昌圖縣植煙土壤 6種有效態微量元素含量空間變異的研究表明，Cu、Zn、B空間變異受結構因素和隨機因素共同影響，Fe、Mn、Mo則主要受隨機因素影響；但李強等[11]對曲靖植煙土壤的研究則表明，B的空間變異主要受隨機因子影響，其余 5 種元素則同時受結構性因素和隨機性因素影響。王昌全等[12]對西昌植煙土壤微量元素研究發現，土壤有效Fe含量與有機質之間表現出顯著的正相關關系，但有效Mn的變化與有機質間關系較為復雜；王影影等[13]在山東典型煙區的研究則表明，土壤有效Fe和Mn含量與有機質相關性并不顯著。

瀘州煙區位于四川南部，主要包含古藺和敘永兩個植煙區縣，是四川省重要的烤煙生產基地。近年來，針對這一區域土壤養分狀況與土壤pH及烤煙品質的關系開展了一定研究[14–15]，但關于土壤有效態微量元素空間變異特征及其影響因素的報道相對較少。因此本文應用地統計方法和GIS技術分析了瀘州煙區6種土壤有效態微量元素空間變異特征，采用相關分析探討微量元素含量與土壤肥力因子和地形因子間的相關關系，以期科學指導煙區施肥和制定烤煙生態適宜區規劃提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

瀘州煙區處于四川盆地南部邊緣向貴州高原過渡地帶，地理坐標介于105°8′ ~ 106°28′E，27°39′ ~ 29°20′N(圖1B)。全區面積6 159 km2，主要包含敘永和古藺兩個典型植煙區縣 (圖1C)。區內地勢南高北低，地形地貌以盆周中、低山為主，平均海拔1 000 m左右(圖1A)。其中，敘永縣地勢由東南向西北傾斜；古藺縣西高東低，南陡北緩。全區屬亞熱帶濕潤性季風氣候，年均氣溫17.8 ~ 18.1℃，年均降雨748.4 ~ 1 172.6 mm，日照可達1 170.3 h，無霜期232 ~ 363天。受四川盆地氣候和貴州高原氣候影響，南部山區表現出明顯的立體氣候特征。區內成土母質復雜，植煙土壤類型以侏羅系、志留系及三疊系巖石發育形成的黃壤、紫色土及水稻土為主?？緹煼N植歷史悠久，農地利用程度高，主要包含一年一熟及兩熟2種典型熟制。全區耕地面積88 526 hm2，常年種植烤煙13 333 hm2，收購烤煙2.5萬t。

圖1 研究區數字高程圖(A)、研究區位圖(B)以及土壤樣點分布圖(C)Fig. 1 Diagrams for the DEM (A), study area (B) and soil samplings sites (C)

1.2 樣品采集與分析

綜合考慮研究區地形、成土母質、土壤類型及土地利用方式等因素，兼顧代表性與隨機取樣原則，采用多點混合法于2011年采集耕地表層(0 ~ 20 cm)土壤樣品共180份(圖1C和表1)。其中，古藺88份，敘永92份。利用手持GPS記錄采樣點經緯度和海拔，并詳細記錄土壤類型、地形以及土地利用情況等環境信息。土壤樣品帶回實驗室，挑出動植物殘體和碎屑，經自然風干后碾磨過篩，用于測定土壤有機質，全氮，全磷，全鉀，pH，有效態 Fe、Mn、Cu、Zn、B及Mo，各指標的測定方法見參考文獻[16—17]。

表1 土壤采樣點背景Table 1 Background informations of soil sampling sites

1.3 數據處理與分析方法

1.3.1 地統計分析 用地統計方法分析研究區 6種土壤有效態微量元素的空間變異特征。該方法首先通過半方差分析結果揭示變量的空間結構特征，再在ArcGIS10.2軟件中利用普通克里格法進行空間插值，得到研究區土壤有效態微量元素的空間分布趨勢圖。半方差分析參數中，變程A反映了變量的空間自相關范圍，塊金值與基臺值之比(C0/(C0+C))則揭示了變量的空間自相關程度。如果C0/(C0+C)<25%，說明該變量具有強烈的空間自相關性，主要受結構性因素影響；如果比值在25% ~ 75%，說明該變量具有中等強度的空間自相關性，受結構因素和隨機因素共同影響；如果比值 >75%，則說明該變量空間自相關性較弱，主要受隨機因素影響。其中，結構性因素主要是指成土過程中的氣候、母質和地形因子，以及土壤形成后的土壤類型等自然因素；隨機性因素則是指耕作、施肥及種植制度等各種人為活動因素[18]。

1.3.2 影響因素分析 根據研究區實際情況選擇土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀及pH作為肥力因子，選擇坡度、坡向及海拔作為地形因子，用于影響因素分析。各影響因素的統計特征見表2。研究區主要土壤肥力因子中除全磷和有效磷含量偏低外，其余6個指標平均含量均處于烤煙適宜生長營養水平內，為優質烤煙栽培創造了良好的土壤條件[19]。土壤pH平均值為5.87，在5.5 ~ 6.5，處于烤煙生長最適pH范圍[20]。地形因子中，土壤采樣點的平均海拔為868.91 m，平均坡度為10.26°，平均坡向為 168.39°，說明瀘州煙區植煙區域總體上分布在低山南向緩坡處，為烤煙種植創造了優厚的水熱和耕作條件。

表2 土壤肥力因子和地形因子的描述性統計特征Table 2 Descriptive statistical characteristics of fertility and topgraphic factors for soil available microelement contents

數據分析過程中，采用相關系數描述土壤有效態微量元素之間及其與主要養分因子和地形因子間的相關關系變化。地形因子中的坡度和坡向利用研究區90 m分辨率DEM圖提取生成。由于地統計分析要求因變量(土壤有效態微量元素)符合正態分布，故先對研究區 6種土壤有效態微量元素含量進行正態性檢驗，將不符合正態分布的數據進行對數轉換，以滿足數據分析要求[21]。

1.3.3 軟件平臺 常規數理統計分析、相關性分析以及數據正態性檢驗均在SPSS19.0軟件中完成。使用GS+7.0軟件進行半方差分析。利用ArcGIS10.2軟件提取地形因素，并繪制研究區土壤采樣點分布圖和6種土壤有效態微量元素空間分布趨勢圖。

2 結果與分析

2.1 土壤有效態微量元素統計特征

參照相關植煙土壤有效態微量元素含量評價標準(表3)[22]，結合數理統計結果(表4)可以看出，瀘州煙區土壤有效Fe和Mn含量豐富，平均含量均達到極豐富水平。其次是有效Cu、Zn及Mo，平均含量均達到豐富水平。有效B平均含量為0.34 mg/kg，處于中等水平。從變異性來看，6種土壤有效態微量元素含量均屬于中等強度的變異，說明6個指標含量分布不均，具有較高的空間異質性。數據正態性檢驗結果表明，有效Zn和B符合正態分布，有效Fe、Mn、Cu及Mo符合對數正態分布。

表3 土壤有效態微量元素含量評價標準(mg/kg)Table 3 The evaluation criteria of soil microelement contents

從不同植煙區縣來看，除有效Zn外，古藺縣土壤有效態微量元素含量總體上高于敘永縣，也高于全區的平均水平。其中，古藺縣有效Fe、Mn及Mo平均含量分別高出敘永縣42.21%、40.62% 和38.10%。有效Cu和 B平均含量在兩個區縣間差異并不明顯。從變異系數來看，6個指標在古藺縣的變異系數總體上要高于敘永縣，說明古藺縣土壤有效態微量元素含量的變異程度總體上強于敘永縣。

表4 研究區6種土壤有效態微量元素含量統計特征(mg/kg)Table 4 Descriptive statistical characteristics of soil available microelement contents in study area

2.2 空間分析

常規數理統計只能粗略概括研究區土壤有效態微量元素含量變化的整體趨勢，不能較好地揭示其空間分布的隨機性與結構性、獨立性與相關性。因此，進一步采用地統計學方法分析其空間結構特征和分布趨勢。

2.2.1 空間結構特征 根據模型的擬合決定系數(R2)最大、殘差(RSS)最小確定最優插值理論模型和參數(表5、圖2)。結果表明，研究區土壤有效Fe、Mn、 Cu和Zn均符合指數模型，有效B和Mo符合球狀模型。從模型的擬合決定系數來看，以有效Mn的擬合決定系數最高，R2在0.90以上，能較好刻畫研究區土壤有效Mn的空間結構特征。從塊金值與基臺值之比 (C0/(C0+C)) 來看，6個指標塊金值與基臺值之比均在25% ~ 75%，說明研究區土壤有效態微量元素含量均具有中等強度的空間相關性，其空間變異受結構性因素和隨機性因素共同影響。

表5 土壤有效態微量元素半方差函數及其擬合參數Table 5 Theoretical semi-variogram model and corresponding parameters of soil available microelement contents

2.2.2 空間分布趨勢 根據半方差分析結果參數，利用普通克里格法在ArcGIS軟件的地統計模塊中插值，繪制研究區土壤有效態微量元素含量空間分布趨勢圖 (圖3)。可以看出，研究區6種土壤有效態微量元素含量總體上呈現出南高北低的空間分布格局。其中，有效Zn含量高值區主要呈面狀或斑塊狀分布在研究區西部的敘永縣，呈帶狀分布在東部古藺縣的東南區域有效 B含量主要處于0.3 ~ 0.6 mg/kg；有效Fe、Mn、Cu及Mo含量高值區則集中分布在研究區東部的古藺縣，形成了東高西低的空間分布趨勢，與數理統計結果基本一致(表3)。

圖2 土壤有效態微量元素半方差函數圖Fig. 2 Semi-variogram diagrams for soil available microelement contents

2.3 微量元素與肥力因子和地形因子的相關性

土壤肥力因子間的交互作用是影響土壤理化性狀的重要因素，從而對微量元素有效形態的轉化具有重要作用[13]。由表6可知，肥力因子中土壤有機質、全氮及堿解氮與微量元素含量的相關性總體上具有相似性。其中，有效Cu含量與這3個肥力因子的相關關系達到極顯著水平(P<0.01)。除有效 Fe外，全磷和有效磷與其余5個指標均表現出正相關關系。除有效Zn與速效鉀呈極顯著正相關外 (P<0.01)，土壤全鉀和速效鉀與有效態微量元素的相關性并不顯著。除有效Cu外，其余5個指標與土壤pH均表現出負相關關系，pH越低微量元素的有效性越高。其中，有效Fe和Zn含量與pH的相關關系達到極顯著水平(P<0.01)，表明這2個指標對土壤酸堿性的敏感程度要高于其余微量元素。

地形因子通過影響水熱資源的再分布進而控制著土壤微量元素的分布、遷移及有效養分的轉化，同時也是限制農業耕作條件的重要因素。地形因子中的坡度和坡向與土壤有效態微量元素含量間的相關性并不顯著；而海拔與有效Mn、Cu及Mo含量表現出顯著或極顯著的正相關關系?？梢钥闯?，肥力因子對研究區土壤有效態微量元素含量的影響作用強于地形因子。

3 討論

圖3 研究區土壤有效態微量元素含量(mg/kg)空間分布趨勢圖Fig. 3 Spatial distribution diagrams for soil available microelement contents in study area

表6 研究區土壤有效態微量元素含量與影響因子間的相關性Table 6 The correlations between soil available microelement contents and influencing factors in study area

成土母質對土壤微量元素的初始含量起著決定性作用，而成土過程、成土條件及外源輸入等復雜的自然和人為過程是影響微量元素空間分布、元素遷移及有效養分轉化的重要因素[7,23]。川南瀘州煙區土壤有效態微量元素平均含量豐富，總體上處于中等以上水平，和同一區域其他學者的研究結果[14]基本一致，這與研究區各系河湖相沉積母質發育形成的土壤中微量元素初始含量較高有關(表7)。根據第二次土壤普查資料[24]，瀘州市土壤有效Fe、Mn、Cu、Zn及B平均含量分別為89.42、39.83、1.81、1.88及0.092 mg/kg，土壤有效Mn和B含量較第二次土壤普查顯著提高，說明近30年來更加精細的田間管理改善了土壤養分狀況?？臻g分布上，土壤有效態微量元素總體上呈現出南高北低、東高西低的空間分布格局。一方面與研究區成土母質分布有關，西北部主要分布著白堊系的夾關組砂、頁巖風化物，水分滲透快，淋溶強；東南部主要分布著二疊系、奧陶系和寒武系的石灰巖或白云質灰巖風化物以及志留系的砂頁巖夾石灰巖風化物，土壤有效態微量元素含量較高(表 7)。另一方面是因為研究區地勢南陡北緩、東高西低。在海拔較低、坡度較緩的地區，土地利用程度大、耕地復種指數高，熟制多以一年兩熟為主，導致作物對土壤養分的攝取量大于海拔較高、坡度較大的山區，從而形成了研究區土壤有效態微量元素含量東南高、西北低的空間分布格局。

表7 不同成土母質土壤有效態微量元素含量(mg/kg)Table 7 Soil available microelement contents of different soil parent materials in study area

本研究中土壤有效態微量元素含量與坡度和坡向間相關關系并不顯著，這與武婕等[25]研究的結果類似。這是因為煙草是喜溫作物，對熱量條件要求較高，煙田多位于水熱條件較好的南向緩坡，這削弱了坡度和坡向與植煙土壤有效態微量元素含量間的相關性，從而導致地形因素對微量元素空間變異性的影響作用弱于土壤肥力因子。一般情況下，土壤有效態微量元素含量與有機質呈正相關，與 pH 呈負相關[11,13]。這是因為有機質在分解礦化過程中產生有機酸，增強了土壤微量元素的溶解性，從而增加了土壤中有效態微量元素含量[13,26]；而 pH 是影響土壤微量元素溶解性的重要因素。本研究中，有機質與土壤有效態微量元素呈正相關，這與他人研究結果[11]基本一致；土壤 pH 與有效 Cu 含量表現出正相關關系，與其他學者的研究結果[13]有所差異。這可能是由研究區的耕作施肥方式、田間管理水平以及其他復雜的自然和人為因素引起的。土壤有機質的轉化與氮素循環及磷素轉化密切，使得三者與研究區土壤有效態微量元素含量的相關性總體上具有一致性[27]。本研究中，全磷與有效 Fe 含量呈極顯著的負相關關系，與其他元素的分析結果有所差異。這是因為在 pH 處于 4.5 ~ 6.5 范圍時，土壤中的鐵和磷易形成磷酸鐵導致可溶性鐵有效性降低[14]。土壤全鉀與微量元素含量間的相關性并不顯著，這可能與研究區土壤鉀素缺乏有關。

肥料投入是人為活動影響微量元素外源輸入的重要方式。微肥的施用量及其微量元素的比例對烤煙生長發育及維持土壤養分平衡具有重要作用。瀘州煙區烤煙種植歷史悠久，不斷完善的田間管理水平改善了土壤養分狀況，使得研究區土壤有效B含量缺乏的狀態得到緩解。通過長期實踐，瀘州煙區形成了相對成熟的微肥施肥技術，每667 m2施用煙草專用微肥5 kg。結合本研究結果，可適當提高微肥中B元素含量比例，降低Fe和Mn元素含量比例，以平衡土壤所需微量元素，為優質、特色烤煙栽培提供基礎。

4 結論

1) 川南瀘州煙區土壤有效態微量元素平均含量總體處于中等以上水平，其中有效Fe和Mn含量豐富，平均含量達到極豐富水平；有效Cu、Zn及Mo含量均達到豐富水平。土壤有效態微量元素含量呈現出南高北低、東高西低的空間分布格局。

2) 6種土壤有效態微量元素含量均具有中等程度的空間相關性，其空間變異受成土母質、土壤類型及地形因素等結構性因素和耕作、施肥及管理水平等隨機性因素共同影響。

3) 土壤肥力因子對研究區土壤有效態微量元素含量空間變異的作用強于地形因子。有效態微量元素與有機質、氮素、磷素及速效鉀總體呈正相關，與pH總體呈負相關；海拔與Mn、Cu及Mo呈顯著或極顯著的正相關關系。

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Spatial Variability of Soil Available Microelement Contents and Their Influencing Factors in Luzhou’s Tobacco Planting Area, Southwestern Sichuan

LI Shan1, LI Qiquan1*, ZHANG Hao1, WANG Changquan1, XIE Yunbo2, LI Bing1, JIANG Xinye1
(1College of Resources,Sichuan Agricultural University,Chengdu611130,China; 2Luzhou Tobacco Company of Sichuan Province,Luzhou,Sichuan646000,China)

Based on the 180 soil samples collected from Luzhou’s tobacco planting area, the spatial variability characteristics of soil available microelement contents (available Fe, Mn, Cu, Zn, B and Mo) as well as their influencing fators for instance fertility factors and topgraphic factors with correlation for ecological suitability zone planning of tobacco and microelement fertilizer apply were analyzed using by geostatistics and GIS technology. The results showed that the average contents of soil available Fe, Mn, Cu, Zn, B and Mo were 70.42, 46.72, 2.33, 1.75, 0.34 and 0.17 mg/kg, respectively, showing the spatial distribution pattern with high contents in south and east regions while low contents in north and west regions on the whole. Semi-variance analysis revealed available B and Mo fit for the spherical model while the other elements for the exponential model. The ratios of nugget to sill were between 25% and 75%, indicating the spatial varibilities of the six soil available microelements were affected by both the structural and random factors. For fertility factors, soil available microelement contents had no significant correlation with total potassium, but positively correlated with soil organic matter, nitrogen, phosphorus and available potassium and negatively correlated with pH on the whole. For topgraphic fators, slope and aspect had no significant correlation with soil available microelement contents while altitude had significant or extremely significant correlations with available Mn, Cu and Mo. In comparison, soil fertility factors played a more important role on the spatial variabilities of soil available microelement contents in the study area.

Microelement; Tobacco planting soil; Spatial variability; Influencing factors; Luzhou

S151.9

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.022

四川省教育廳科研項目(16ZB0048)和中國煙草總公司四川省公司科技項目(SCYC201402006)資助。

* 通訊作者(liqq@lreis.ac.cn)

李珊(1992—)，女，四川內江人，碩士研究生，主要從事土壤性質時空變化研究。E-mail: wgylishan@163.com