湘南稻作煙區(qū)土壤有效硼的時空變異及影響因素分析

郭 婷，李宏光，李 文，彭曙光，肖春生，黎 娟，劉勇軍,4，肖艷松，李麗娟，李 強*

1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙市農(nóng)大路1 號 410128

2. 湖南省煙草公司郴州市公司，湖南省郴州市燕泉北路61 號 423000

3. 湖南省煙草公司，長沙市芙蓉南路368 號 410004

4. 湖南省煙草科學(xué)研究所，長沙市芙蓉南路368 號 410004

硼是煙草生長必需的微量元素之一，具有重要的生理作用［1-2］，不但影響煙草光合產(chǎn)物積累和最終產(chǎn)量，而且還影響烤后煙葉的工業(yè)可用性［3］。硼參與細胞伸長、細胞分裂、核酸代謝、蛋白質(zhì)代謝和碳水化合物代謝，影響生長素代謝、細胞分裂素合成和生物堿合成，影響木質(zhì)素和細胞壁的形成、維持細胞膜的正常功能；缺硼會導(dǎo)致煙草葉片卷曲、增厚，莖稈輸導(dǎo)組織發(fā)育不良，節(jié)距縮短，頂芽壞死［4］。胡國松等［4］研究認為，土壤有效硼含量0.4 mg/kg 為烤煙缺硼的臨界值，植煙土壤有效硼接近該數(shù)值時，則需適量施用硼肥，否則會對烤煙品質(zhì)產(chǎn)生不良影響。在我國南方煙區(qū)，土壤缺硼較普遍，主要是由于南方煙區(qū)降水量較大，在酸性土壤條件下硼以中性分子態(tài)H3BO3存在，很容易從土壤中隨水分淋失［4］。許自成等［5］研究發(fā)現(xiàn)，2000年前后湖南煙區(qū)有93.40%的植煙土壤缺乏有效硼；李強等［6］對曲靖煙區(qū)，程昌新等［7］對云南保山煙區(qū)，張薇等［8］對重慶煙區(qū)的研究表明，我國南方煙區(qū)土壤普遍存在不同程度的有效硼缺乏問題。黎娟等［9］研究表明，2011 年湘西植煙土壤硼含量均值達0.728 mg/kg，總體上較為豐富，分別有38.33%和19.58%的樣本達到“高”和“極高”的水平，“低”和“極低”水平的植煙土壤樣本僅分別為9.38%和2.71%，與2000 年后煙區(qū)實施的土壤補硼措施有關(guān)。目前湖南省已有多個煙區(qū)開展了硼肥施用試驗［8-12］，并在基肥中摻配了硼肥。郴州是湖南省重要烤煙產(chǎn)區(qū)，自2001 年起在基肥配方中也摻混硼肥，但有關(guān)郴州植煙土壤有效硼含量的豐缺評價，特別是煙區(qū)連續(xù)施用硼肥后，土壤有效硼含量的時間和空間變異尚鮮見研究報道。鑒于此，分析了郴州2000 年和2015 年兩個年份植煙土壤的有效硼含量，旨在揭示15 年間郴州植煙土壤有效硼含量的時空變異特征，為郴州煙區(qū)土壤硼元素和養(yǎng)分管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

分別于2000 和2015 年在湖南郴州煙區(qū)進行了土壤取樣。采取五點取樣法或“W”形取樣法取耕層20 cm 的土壤樣品，2000 年為723 個耕層土樣，2015 年為1 055 個耕層土樣。每個田塊取樣5～10 點，混勻后采用四分法取500 g 左右，參照魯如坤［13］的方法進行土壤制樣和有效硼含量（質(zhì)量分數(shù)）測定，平行測定2 次，以2 次的平均值作為最終測定結(jié)果。2 個年份均采用手持式GPS 定位儀記錄田塊中心的經(jīng)緯度和高程。土壤母質(zhì)由湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院專家實地觀察結(jié)合室內(nèi)分析確定，地形、地貌由湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院專家實地考察確定。試驗點從2001 年開始在烤煙基肥中增施硼肥（硼砂），用量為0.5～1 kg/667 m2（不同年份略有差異）。兩個時期的取樣點分布見圖1。

圖1 采樣點分布Fig.1 Distribution of soil samples

1.2 土壤有效硼的評價

參照前人的研究結(jié)果［12］，制定了湖南郴州煙區(qū)有效硼含量的豐缺評價標準，分為5 個等級，極低（＜0.15 mg/kg）、低（0.15～0.30 mg/kg）、中 等（0.30～0.60 mg/kg）、高（0.60～1.00 mg/kg）、極高（＞1.00 mg/kg）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS17.0 軟件完成試驗數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計、多重比較和K-S 檢驗（Kolmogorov-Smirnov test）［14］；利用GS+9.0 軟件完成半方差函數(shù)模型擬合與參數(shù)計算［15］；用ArcGIS 10.2.2 軟件完成普通克里格插值（Ordinary-Kriging）、繪圖及土地面積統(tǒng)計［16-17］。

2 結(jié)果與分析

2.1 植煙土壤有效硼含量的描述性統(tǒng)計及年代變化

從湖南郴州煙區(qū)整體來看（表1），植煙土壤有效硼變化較大。2015 年土壤有效硼均值較2000年增加了0.38 mg/kg，增幅達223.53%，從“低”水平變?yōu)椤爸械取彼剑钚≈怠⒆畲笾怠O差均增大，變異系數(shù)減小；就等級分布的變化而言，2015 年土壤有效硼“極低”和“低”等級的樣本分布頻率分別下降45.64%和42.63%，有效硼“中等”和“高”等級的樣本分布頻率分別增加54.25%和31.09%。

從各植煙縣的描述性統(tǒng)計結(jié)果（表1）來看，兩個年份8 個植煙縣（區(qū)）土壤有效硼均呈對數(shù)正態(tài)分布。從不同縣（區(qū)）來看，15 年來8 個縣區(qū)植煙土壤有效硼含量變異程度不一致，除2015 年臨武縣有效硼為弱變異外，其他各縣兩個年份均表現(xiàn)為中等程度變異；從極差來看，兩個年份各縣區(qū)植煙土壤有效硼極差均增大；從各縣（區(qū)）植煙土壤有效硼均值變化情況看，各縣區(qū)植煙土壤有效硼含量均表現(xiàn)為大幅度增加，其中增幅最大的是蘇仙區(qū)，增幅高達642.86%。從等級分布的變化看，各縣區(qū)植煙土壤有效硼“極低”和“低”等級的樣本分布頻率均大幅下降，有效硼“中等”和“高”等級的樣本分布頻率分均大幅增加，其中桂陽、嘉禾、宜章和永興還新增了少量有效硼“極高”等級的土壤樣品。

表1 湘南稻作煙區(qū)植煙土壤有效硼含量及其分布狀況Tab.1 Content and distribution of available B in tobacco-planting soils of paddy-upland rotation fields in southern Hunan

2.2 土壤有效硼的時空分布變化

采用普通克里格插值法獲取2000 年和2015年湖南郴州植煙土壤有效硼含量空間分布圖（圖2），并利用ArcGIS 軟統(tǒng)計不同有效硼等級的植煙土壤面積。兩個時期植煙土壤有效硼空間分布無明顯規(guī)律，各等級呈斑塊狀穿插分布，2015 年郴州植煙土壤有效硼分級土地面積與2000 年相比發(fā)生較大變化（圖2 和表2）。

圖2 湖南郴州植煙土壤有效硼含量的時空分布Fig.2 Spatial-temporal distribution of available B content in Chenzhou tobacco-planting soils in Hunan

表2 2000 年和2015 年湖南郴州煙區(qū)植煙土壤有效硼各等級土地面積統(tǒng)計及變化Tab.2 Statistics and variation of areas with different available B contents in Chenzhou tobacco-planting areas in 2000 and 2015

從不同等級有效硼分布面積來看，2000 年土壤有效硼含量總體較低，有效硼“極低”和“低”等級的植煙土壤面積分別為67.13 %和32.87 %，“中等”及以上等級缺失。2015 年植煙土壤有效硼含量較2000 年有大幅增加，新增了2000 年未出現(xiàn)的“中等”和“高”等級，所占比例分別達80.49%和19.51%，沒有“極低”和“低”等級。

2.3 土壤有效硼的影響因素分析

2.3.1 地形、地貌和成土母質(zhì)

湖南郴州煙區(qū)的地形地貌主要有山地、丘陵和平原，土壤有效硼含量在不同地形、地貌間存在顯著差異（表3），其中山地最高，其次是丘陵，均顯著高于平原。從變異強度來看，3 種地形植煙土壤的有效硼含量均為中等強度變異。湖南郴州煙區(qū)土壤土母質(zhì)有坡積物、洪積物、殘積物和沖積物等4 種，有效硼含量在不同成土母質(zhì)間存在極顯著差異（表4），其中以坡積物有效硼含量最高，為“高”等級，其他土壤母質(zhì)類型有效硼含量為“中等”等級。從變異程度來看，4 種土壤母質(zhì)均表現(xiàn)為中等程度變異。

2.3.2 酸堿度

湖南郴州植煙土壤有效硼含量與pH 呈顯著正相關(guān)（r = 0.125 1，P = 0.013）。決策樹模型分析結(jié)果表明，土壤酸堿度對有效硼含量影響的拐點為5.430、6.060、7.120、7.480、7.820，5 個拐點將pH劃成6 組，6 組土壤有效硼含量分別為0.472、0.541、0.590、0.650、0.553 和0.494 mg/kg，以pH 為7.120～7.480 的分組的有效硼含量最高。土壤有效硼與土壤pH 的等樣本數(shù)平滑回歸分析結(jié)果（圖3）顯示，兩者呈極顯著二次曲線關(guān)系（R2= 0.649 1，P=0.000）。

表3 湖南郴州煙區(qū)不同地形土壤的有效硼含量比較①Tab.3 Available B contents in soils from different topography in Chenzhou tobacco-planting areas in Hunan

表4 湖南郴州煙區(qū)不同成土母質(zhì)土壤的有效硼含量比較①Tab.4 Available B contents in soils of different parent materials in Chenzhou tobacco-planting areas in Hunan

2.3.3 有機質(zhì)

湖南郴州植煙土壤有效硼含量與有機質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)（n=1 242，r=0.368 3，P=0.000）。決策樹模型分析結(jié)果（圖4）表明，土壤有機質(zhì)含量對有效硼含量影響的拐點為30.1、43.4 和59.2 g/kg，該拐點將有機質(zhì)劃成4 組分別為＜30.1 g/kg、30.1～43.4 g/kg、43.4～59.2 g/kg 和＞59.2 g/kg，4 組土壤有效硼含量分別為0.438、0.495、0.582 和0.647 mg/kg，土壤有效硼含量在這4 組間的差異極顯著。等樣本數(shù)平滑回歸分析結(jié)果（圖5）顯示，土壤有效硼與土壤有機質(zhì)含量呈極顯著線性正相關(guān)（R2=0.852 9，P=0.000），有機質(zhì)每增加10 g/kg，有效硼含量相應(yīng)增加0.046 mg/kg。

圖3 土壤酸堿度與有效硼的平滑回歸分析Fig.3 Smooth regression analysis of soil pH and available B in soils

圖4 土壤有機質(zhì)對有效硼含量影響的決策樹分析Fig.4 Decision-tree analysis on the effects of organic matter on available B in soil

圖5 土壤有機質(zhì)與有效硼含量的平滑回歸分析Fig.5 Smooth regression analysis of organic matter and available B in soil

3 討論

本研究中2000 年的豐缺狀況與2007 年湖南煙區(qū)［5］、曲靖煙區(qū)［6］、保山煙區(qū)［7］以及湘西煙區(qū)［9］的研究結(jié)果基本一致，總體上有效硼含量呈缺乏的狀態(tài)。經(jīng)過15 年的耕作和施肥，2015 年，嘉禾、宜章、永興和桂陽部分縣域已經(jīng)少量出現(xiàn)有效硼達到“極高”等級的土壤，亟待重點關(guān)注。在各微量元素中，硼素從營養(yǎng)到毒害的范圍較窄，煙草屬于中耐硼毒害作物。當土壤中硼含量達1 mg/kg時則引起下部葉邊緣出現(xiàn)輕微毒害現(xiàn)象［18］，達到3.32 mg/kg 時則出現(xiàn)明顯的中毒癥狀［19］。因此，若不采取措施，按照目前土壤有效硼的增速，未來湖南郴州植煙土壤將可能面臨有效硼含量過高，甚至導(dǎo)致煙株產(chǎn)生硼毒害等問題。

本試驗中地形地貌、成土母質(zhì)、土壤酸堿度及土壤有機質(zhì)含量等均對有效硼含量有顯著影響。不同地形地貌的土壤中有效硼含量之間差異較大，其中山地最高，其次是丘陵，均顯著高于平原，這可能與不同地形土壤母質(zhì)及土壤類型等因素的差異有關(guān)，如平原多為沖積物，山地多為殘積物；平原多為酸性紫色土，山地多為黃壤，而丘陵的土壤母質(zhì)和土壤類型則十分復(fù)雜，劉秀娣等［20］和張浩等［21］的研究也證實了地形地貌對土壤有效硼和其他微量元素的影響。不同成土母質(zhì)的土壤有效硼差異極顯著，以坡積物最高，沖積物最低，與不同母質(zhì)的硼素背景值以及成土過程有關(guān)，這與前人研究結(jié)果一致［22-23］。本研究中土壤酸堿度對有效硼含量影響顯著，有5 個拐點，其中7.120 和7.480 是兩個轉(zhuǎn)折點。當pH 低于7.120 時，植煙土壤有效硼隨pH 升高而升高；當pH 高于7.480 時，植煙土壤有效硼隨pH 升高而降低，說明中性土壤有利于硼素有效性的提高，這與武德傳等［24］和黎娟等［9］的研究結(jié)果一致。土壤有效硼含量呈現(xiàn)隨有機質(zhì)增加而大幅升高的趨勢，可能與有機質(zhì)含量對有效硼的吸持，以及有機質(zhì)通過微生物活動提高土壤中硼的有效性有關(guān)［25］，這與李強等［6］及李珊等［26］的研究結(jié)果一致。

2001 年以來，湖南郴州煙區(qū)在基肥配方中加入硼砂，用量一般為0.5～1.0 kg/667 m2，本試驗中有關(guān)長期施用硼肥對土壤有效硼含量影響并未涉及，有待于進一步長期定位跟蹤試驗。長期定位施用硼肥的相關(guān)報道也較少，任順榮等［27］研究表明，商品有機肥長期定位施用和秸稈還田，會促進土壤有效硼含量增加。趙秋［28］的研究也表明，連續(xù)24 年施用不同量有機肥與單施氮肥相比，土壤有效硼含量顯著增加，有機肥高用量處理土壤有效硼含量增加幅度高于有機肥低用量處理。

因此，根據(jù)2000 年植煙土壤有效硼極度缺乏的狀況，經(jīng)過15 年硼肥的連續(xù)施用，土壤有效硼有較大幅度增加。目前湖南郴州植煙土壤有效硼含量較適合煙草生長，但部分地區(qū)有效硼含量達到“極高”等級。應(yīng)針對不同區(qū)域采取硼肥差異化管理方案，對有效硼缺乏區(qū)域應(yīng)繼續(xù)保持硼素投入量，而對土壤有效硼“高”和“極高”區(qū)域應(yīng)適當減少硼肥用量，以降低成本并防止硼毒害現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)論

2000 至2015 年間，湖南郴州植煙土壤有效硼含量發(fā)生較大變化。經(jīng)過15 年的硼肥施用，湖南郴州煙區(qū)土壤有效硼平均含量由0.17 mg/kg 增加到0.55 mg/kg，提 高 了0.38 mg/kg，增 幅 達223.53%，從“低”水平變?yōu)椤爸械取彼剑粌蓚€年代的土壤有效硼各等級樣品分布情況變化較大，其中“極低”和“低”等級的樣品比例分別下降了67.13%和32.87%，而“中等”和“高”等級的樣品比例分別增加80.49%和19.51%，土壤有效硼等級分布變化表現(xiàn)為由“極低”和“低”等級為主演變變?yōu)橐浴爸械取焙汀案摺钡燃墳橹鳌Ｍ寥烙行鸷颗c地形、地貌、成土母質(zhì)、土壤酸堿度及有機質(zhì)含量關(guān)系密切。