煙草生育期土壤有效鐵和錳的時空變異性研究

何曉冰+王曉強+葛少華+李朋彥+常棟

摘要：采用地統計學和地理信息系統相結合的方法，運用克里格插值和柵格運算繪制空間分布圖和時間穩定性圖，對煙草生育期土壤中有效鐵和有效錳含量的時空變異規律進行研究。結果表明，研究區域內土壤有效Fe和有效Mn在7月份和10月份具有強烈的空間相關性，塊金系數均小于25%；4月份土壤有效Fe和有效Mn的塊金系數分別為50.00%和36.10%，具有中等的空間相關性。時間穩定性分析表明，土壤有效Fe的時間穩定性較強，而有效Mn較弱，其時間變異系數大于25%的不穩定區域面積較廣。研究區域內土壤有效Fe和Mn在空間分布和時間尺度上均有不同程度的變異。在煙葉生產過程中，應根據土壤中有效鐵和錳的變化規律，注意對微肥的施用。

關鍵詞：植煙土壤；有效鐵；有效錳；時空變異；克里格插值法

中圖分類號：S158：S572文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2018）01-0101-06

Abstract Using the method of geo-statistics combined with geographic information system （GIS）， the maps of spatial distribution and temporal stability were drawn with Kriging interpolation and raster calculation， and the spatial-temporal variation of available iron and manganese contents in soil during tobacco growth season was researched. The results showed that the soil available iron and manganese conents in research regions had strongly spatial correlation in July and October， and their nugget coefficients were lower than 25%. In April， the nugget coefficient of available iron and manganese were 50.00% and 36.10% respectively， and showed moderate spatial correlation. The analysis results of temporal stability indicated that available iron had higher temporal stability， while that of available manganese was weaker for more widely area of unstable region with the time frame variation coefficient more than 25%. Soil available iron and manganese in research regions had variation in different degrees in spatial distribution and time scale. During the tobacco production， we should pay attention to micronutrient fertilizer application according to the changing rules of soil available iron and manganese.

Keywords Tobacco field； Available iron； Available manganese； Spatial-temporal variation； Kriging interpolation

土壤養分的時空變異性包括不同時間尺度和空間尺度上的動態變化[1-3]。隨著化肥施用量的增加，土壤中的微量元素逐漸失衡[4，5]。鐵和錳是作物必需的營養元素，鐵與煙葉香氣前體物的形成密切相關，錳參與煙株的光合、呼吸和氧化等重要的生理生化過程[6-10] 。而微量元素平時施用較少，大多隨有機肥施入土壤中，為了煙葉的正常生長，有必要對植煙土壤中鐵和錳的時空變異性進行研究。高博超等[11]研究認為在煙田養分管理與施肥方面應根據植煙土壤養分的空間變異特征因地制宜進行?？滓愕萚12]提出在小尺度下的煙田土壤養分的變異可導致煙株長勢不均勻，化學成分不協調。張明[13]、宋文鋒[14]等在對植煙土壤養分分析中均指出應注意微量元素的施用以改善其分布。張春華等[15]采用GIS和GPS技術以及地統計學方法繪制微量養分空間分布圖，使其可視化以有利于微量元素空間變異特征的研究。土壤有效態微量元素在空間上呈各向異性[16]，其分布會受到環境的影響，如在緩坡植煙土壤中，坡度也會影響微量元素的空間分布[5]。在時間尺度上，于婧文等[17]對土壤養分進行了跨度為10年的時空變異性研究。Cui 等[18]通過對冬小麥4月份和6月份的土壤養分前后變化進行對比，指出在不同時期土壤中養分變異較明顯。吳清華等[19]運用ArcGIS地統計分析模塊，對2011年和1984年土壤中速效鉀含量進行對比分析，認為在較大的時間尺度上影響土壤中速效鉀的因素較多。陳彥[20]對綠洲農田土壤養分在1996年和2005年兩個年份間進行對比，表明不同養分其時空變異程度不同。目前，對于植煙土壤中微量元素的時空變異性研究較少，而豫中地區微肥施用極少，煙草中鐵和錳的獲取主要來自于土壤。本研究利用地統計學和GIS技術對豫中植煙土壤鐵和錳的時空變異性進行研究，揭示其變異規律，便于土壤養分的精準管理和施肥決策，為提高煙葉品質提供理論參考。endprint

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

本試驗于2013年和2014年在許昌市襄城縣紫云鎮進行，選擇前茬統一的煙草種植田塊作為研究對象（33°51′N， 113°24′E），面積約為4 hm2。該地塊一直采用機械起壟并條施底肥，統一的管理模式，沒有進行過變量施肥試驗，是較為理想的精準管理分區研究用地。

該區屬暖溫帶大陸季風氣候，四季分明，年平均氣溫14.7℃，平均日照總時數為2 281.9 h（煙草生育期間年日照時數1 400～1 500 h），無霜期220～240 d，日均溫20℃以上日數98～110 d，積溫2 500～2 600℃，年平均日照率為52%，年降雨量1 000～1 100 mm，每年6、7、8月的降雨量占全年總降雨量60%左右，土壤類型為褐土。煙草種植品種為中煙100。

1.2 土壤樣品采集

取樣點的確定：利用手持GPS定位，以20 m×20 m的“網格”取樣法固定樣點101個，4月份施肥前各樣點取0～20 cm耕層土壤樣品，隨后在7月份和10月份均定點取樣，三個時期樣品共303個。取樣點的經緯度坐標在ArcGIS中利用Gauss Kruger投影轉換為大地坐標，并生成研究區的采樣點分布圖（圖1）。

1.3 測定方法

土壤樣品自然風干，過2 mm篩進行室內分析。土壤有效鐵和有效錳采用鹽酸浸提后用ICP-OES測定。

1.4 數據分析

經典統計學分析用SPSS軟件，地統計學分析用GS+7.0軟件，圖形的編輯、輸出在ArcGIS軟件下完成。

在半方差函數中用塊金方差與基臺值的比值 （C0/（C+C0）） 表示空間變異性程度。從結構性因素看，塊金效應的百分數即塊金系數可以表示系統變量的空間相關性程度，當塊金系數< 25%時，說明變量之間具有強烈的空間相關性；若在25%～75%之間，變量具有中等程度的空間相關性；當 > 75% 時，變量空間相關性較弱[21]。

時間穩定性圖是通過計算每個樣點多次采樣取得的實測值的變異系數，經柵格運算得到。該方法最初應用于糧食作物產量的時間穩定性評估[22]，而后在土壤養分的時間穩定性分析上也有應用[20，23]。變異系數CVt計算公式如下：

2 結果與分析

2.1 描述性統計分析

從表1可以看出，三個時期土壤有效Fe含量的平均值逐漸增加。土壤有效Mn在4月份（植煙前）、7月份（旺長期）、10月份（采收后）的平均含量分別為49.89、61.02、30.36 mg/kg?？傮w來看，在煙草整個生育期內土壤中有效Mn含量是降低的。各時期土壤有效Fe和Mn的變異系數相差不大，均具有中等程度的變異。K-S檢驗結果表明，各個變量均符合正態分布。

根據表1中的LSD檢驗結果可知，Fe在三個時期的均值差異不顯著，比較穩定。三個時期中Mn的均值具有顯著差異，表明土壤有效Mn在不同時期的含量變化較大，而在10月份達到最小。根據第二次全國土壤普查中微量元素分級標準，從數值來看，研究區有效Fe平均含量全部處于豐富級別（>20 mg/kg）；Mn絕大部分地區處于豐富級別（>30 mg/kg）和較豐富級別（15～30 mg/kg），僅個別區域處于中等含量狀態（5～15 mg/kg）。

2.2 半方差分析

經典統計分析只能反映研究區域總體情況，無法定量描述土壤屬性的空間變異性和分布狀況。通過空間結構性分析，進一步了解研究區土壤Fe和Mn的空間分布特性。

由表2可知，在研究區域內，4月份有效Fe的最佳模型為球狀模型，其余變量均以指數模型擬合最優。不同時期鐵和錳的變程差異較大，在25.20～932.70 m之間，均大于取樣間距，說明本研究的取樣尺度（20 m×20 m）是可行的。4月份土壤中有效Fe和Mn的變程較大，分別為134.60 m和932.70 m；植煙后土壤中有效Fe和Mn的變程明顯降低。可能是農事操作或煙株生長改變了土壤中有效Fe和Mn的分布從而導致其變程減小。4月份土壤有效Fe和Mn空間相關性中等，其塊金系數分別為50.00%和36.10%，與常棟[5]、王永東[24]等的研究結果一致；7月份和10月份，土壤有效Fe和Mn的塊金系數均小于25.00%，具有強烈的空間相關性。王雪婧等[3]在對貴州緩坡植煙土壤有效Mn的空間變異研究中指出，Mn在植煙前具有強烈的空間相關性，而植煙后土壤Mn的空間相關性降低為中等強度，與本研究結果不同，可能是地形或降水等因素影響土壤有效Mn的空間相關性。

2.3 不同時期土壤有效Fe和Mn含量的空間分布格局

依據半方差函數理論模型及相關參數，利用克里格插值法，繪制研究區內三個時期土壤有效Fe和Mn的空間分布圖（圖2）。

從圖2可以看出，4月份土壤有效Fe和Mn含量的分布結構明顯且空間連續性較好，東部區域含量較低，中部和西部區域含量較高。7月份和10月份土壤有效Fe和Mn含量分布沒有規律性。三個時期土壤有效Fe和Mn含量分布發生較大變化，主要是由于煙株在生育期內對礦質元素的差異性吸收，同時農事耕作也會影響礦質元素的含量及其分布。

對三個時期有效Fe和有效Mn含量分別進行柵格運算，得到每兩個時期之間含量變化圖（圖3），可直觀地看出兩個時期之間土壤有效Fe和有效Mn含量的變化。

從圖3可看出，4月份到7月份在植煙前到煙草旺長期之間，土壤有效Fe和Mn含量差值的正值主要分布在東部區域，且面積相對較大。7月份到10月份，土壤有效Fe的差值為負值的區域主要分布在東部和中部，而土壤有效Mn負值區域較多。在煙草整個生育期內，4月份到10月份土壤有效Fe的差值正值區域主要在東部，而有效Mn在研究區域內幾乎全為負值。負值說明在這期間土壤中Fe和Mn的含量降低，除去煙株的吸收和農事操作影響，成熟期出現的干旱情況，也可能導致土壤有效Mn含量降低[25]。endprint

2.4 土壤有效鐵和有效錳的時間穩定性分析

通過計算每個采樣點鐵和錳含量數據在三個時期的變異系數，獲得研究區域土壤有效Fe和Mn的時間穩定性圖（圖4）。穩定級別劃分標準見表3。

從圖4中可以看出，土壤有效Fe的時間穩定性總體較好，變異系數大于25%的區域零星分布于研究區域內，主要位于東部和西南部。影響土壤有效Fe的因素包括土壤環境條件和人為活動等，其中環境條件主要是重碳酸鹽和土壤pH值的影響。土壤中Mn的時間穩定性較差，不穩定區域面積分布較廣，較穩定區域呈團塊狀分布。有研究指出，對于土壤Mn的有效性和移動性影響因素較多，其中以pH和Eh最為突出，而土壤中的有機質、微生物活動和土壤中鐵含量也會有一定的影響[24]。時間穩定性可能會受不同煙株對土壤微量元素的吸收量或土壤酸堿性、土壤礦化能力以及植物根系分泌物等[25]因素的影響。

3 討論與結論

（1）地統計分析表明，三個時期中土壤有效鐵和有效錳含量均符合正態分布，植煙前土壤有效鐵和錳的空間相關性中等；7月份與10月份土壤有效鐵和錳具有強烈的空間相關性。

（2）空間變異性分析顯示，植煙前土壤有效鐵和有效錳分布具有明顯的層次性；7月份與10月份其分布規律性較差。通過柵格運算得到每兩個時期插值圖表明，有效錳在三個時期較有效鐵變化差異大。

（3）時間穩定性分析顯示，土壤有效鐵的時間穩定性較強；土壤有效錳的時間穩定性較弱，穩定區域面積較少，零星分布于研究區內。

土壤鐵和錳的含量是影響煙葉品質的因素之一，煙株在生育期對微量元素的吸收量較少，但對其品質影響較大。因此探索土壤有效鐵和錳的時空變異性，了解其時空變異規律具有重要意義。就時間穩定性而言，有效鐵的時間穩定性較好，而有效錳的時間穩定性較差。錳在土壤中向根部的遷移主要是依靠質流和擴散，土壤錳含量受到地形、土壤質地、土壤含水量和耕作等因素的影響。此次研究所選用試驗田，在三個時期內，有效鐵含量并不缺乏，而有效錳含量在生育后期出現缺乏現象，為保證煙株在整個生育期內對錳的吸收，應根據錳在不同時期的含量變化，酌情考慮對錳的施用。根據土壤有效鐵和錳的含量變化，做到平衡施肥，均衡養分，差異化管理，同時配套規范的大田管理措施，以達到提高煙葉品質的目的。

土壤養分在煙株生長的不同時期其含量變化具有差異性，而煙田精準管理主要采用土壤養分的靜態數據，對養分的時間動態變化和煙株在不同時期對養分的吸收差異考慮較少。因此在以后的煙田精準管理分區因素中可以考慮納入養分的動態變化數據。

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