煙草生育期土壤有效鐵和錳的時(shí)空變異性研究

何曉冰+王曉強(qiáng)+葛少華+李朋彥+常棟

摘要：采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的方法，運(yùn)用克里格插值和柵格運(yùn)算繪制空間分布圖和時(shí)間穩(wěn)定性圖，對(duì)煙草生育期土壤中有效鐵和有效錳含量的時(shí)空變異規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明，研究區(qū)域內(nèi)土壤有效Fe和有效Mn在7月份和10月份具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，塊金系數(shù)均小于25%；4月份土壤有效Fe和有效Mn的塊金系數(shù)分別為50.00%和36.10%，具有中等的空間相關(guān)性。時(shí)間穩(wěn)定性分析表明，土壤有效Fe的時(shí)間穩(wěn)定性較強(qiáng)，而有效Mn較弱，其時(shí)間變異系數(shù)大于25%的不穩(wěn)定區(qū)域面積較廣。研究區(qū)域內(nèi)土壤有效Fe和Mn在空間分布和時(shí)間尺度上均有不同程度的變異。在煙葉生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)土壤中有效鐵和錳的變化規(guī)律，注意對(duì)微肥的施用。

關(guān)鍵詞：植煙土壤；有效鐵；有效錳；時(shí)空變異；克里格插值法

中圖分類號(hào)：S158：S572文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：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(yǎng)分的時(shí)空變異性包括不同時(shí)間尺度和空間尺度上的動(dòng)態(tài)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(yíng)養(yǎng)元素，鐵與煙葉香氣前體物的形成密切相關(guān)，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(shí)施用較少，大多隨有機(jī)肥施入土壤中，為了煙葉的正常生長(zhǎng)，有必要對(duì)植煙土壤中鐵和錳的時(shí)空變異性進(jìn)行研究。高博超等[11]研究認(rèn)為在煙田養(yǎng)分管理與施肥方面應(yīng)根據(jù)植煙土壤養(yǎng)分的空間變異特征因地制宜進(jìn)行?？滓愕萚12]提出在小尺度下的煙田土壤養(yǎng)分的變異可導(dǎo)致煙株長(zhǎng)勢(shì)不均勻，化學(xué)成分不協(xié)調(diào)。張明[13]、宋文鋒[14]等在對(duì)植煙土壤養(yǎng)分分析中均指出應(yīng)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(shù)以及地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法繪制微量養(yǎng)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(tài)微量元素在空間上呈各向異性[16]，其分布會(huì)受到環(huán)境的影響，如在緩坡植煙土壤中，坡度也會(huì)影響微量元素的空間分布[5]。在時(shí)間尺度上，于婧文等[17]對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行了跨度為10年的時(shí)空變異性研究。Cui 等[18]通過對(duì)冬小麥4月份和6月份的土壤養(yǎng)分前后變化進(jìn)行對(duì)比，指出在不同時(shí)期土壤中養(yǎng)分變異較明顯。吳清華等[19]運(yùn)用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析模塊，對(duì)2011年和1984年土壤中速效鉀含量進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為在較大的時(shí)間尺度上影響土壤中速效鉀的因素較多。陳彥[20]對(duì)綠洲農(nóng)田土壤養(yǎng)分在1996年和2005年兩個(gè)年份間進(jìn)行對(duì)比，表明不同養(yǎng)分其時(shí)空變異程度不同。目前，對(duì)于植煙土壤中微量元素的時(shí)空變異性研究較少，而豫中地區(qū)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(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)對(duì)豫中植煙土壤鐵和錳的時(shí)空變異性進(jìn)行研究，揭示其變異規(guī)律，便于土壤養(yǎng)分的精準(zhǔn)管理和施肥決策，為提高煙葉品質(zhì)提供理論參考。endprint

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

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

該區(qū)屬暖溫帶大陸季風(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫14.7℃，平均日照總時(shí)數(shù)為2 281.9 h（煙草生育期間年日照時(shí)數(shù)1 400～1 500 h），無霜期220～240 d，日均溫20℃以上日數(shù)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(diǎn)的確定：利用手持GPS定位，以20 m×20 m的“網(wǎng)格”取樣法固定樣點(diǎn)101個(gè)，4月份施肥前各樣點(diǎn)取0～20 cm耕層土壤樣品，隨后在7月份和10月份均定點(diǎn)取樣，三個(gè)時(shí)期樣品共303個(gè)。取樣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)在ArcGIS中利用Gauss Kruger投影轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)，并生成研究區(qū)的采樣點(diǎn)分布圖（圖1）。

1.3 測(cè)定方法

土壤樣品自然風(fēng)干，過2 mm篩進(jìn)行室內(nèi)分析。土壤有效鐵和有效錳采用鹽酸浸提后用ICP-OES測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析用SPSS軟件，地統(tǒng)計(jì)學(xué)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(shù)中用塊金方差與基臺(tái)值的比值 （C0/（C+C0）） 表示空間變異性程度。從結(jié)構(gòu)性因素看，塊金效應(yīng)的百分?jǐn)?shù)即塊金系數(shù)可以表示系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性程度，當(dāng)塊金系數(shù)< 25%時(shí)，說明變量之間具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；若在25%～75%之間，變量具有中等程度的空間相關(guān)性；當(dāng) > 75% 時(shí)，變量空間相關(guān)性較弱[21]。

時(shí)間穩(wěn)定性圖是通過計(jì)算每個(gè)樣點(diǎn)多次采樣取得的實(shí)測(cè)值的變異系數(shù)，經(jīng)柵格運(yùn)算得到。該方法最初應(yīng)用于糧食作物產(chǎn)量的時(shí)間穩(wěn)定性評(píng)估[22]，而后在土壤養(yǎng)分的時(shí)間穩(wěn)定性分析上也有應(yīng)用[20，23]。變異系數(shù)CVt計(jì)算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析

從表1可以看出，三個(gè)時(shí)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(zhǎng)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(gè)生育期內(nèi)土壤中有效Mn含量是降低的。各時(shí)期土壤有效Fe和Mn的變異系數(shù)相差不大，均具有中等程度的變異。K-S檢驗(yàn)結(jié)果表明，各個(gè)變量均符合正態(tài)分布。

根據(jù)表1中的LSD檢驗(yàn)結(jié)果可知，F(xiàn)e在三個(gè)時(shí)期的均值差異不顯著，比較穩(wěn)定。三個(gè)時(shí)期中Mn的均值具有顯著差異，表明土壤有效Mn在不同時(shí)期的含量變化較大，而在10月份達(dá)到最小。根據(jù)第二次全國土壤普查中微量元素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從數(shù)值來看，研究區(qū)有效Fe平均含量全部處于豐富級(jí)別（>20 mg/kg）；Mn絕大部分地區(qū)處于豐富級(jí)別（>30 mg/kg）和較豐富級(jí)別（15～30 mg/kg），僅個(gè)別區(qū)域處于中等含量狀態(tài)（5～15 mg/kg）。

2.2 半方差分析

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析只能反映研究區(qū)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(jié)構(gòu)性分析，進(jìn)一步了解研究區(qū)土壤Fe和Mn的空間分布特性。

由表2可知，在研究區(qū)域內(nèi)，4月份有效Fe的最佳模型為球狀模型，其余變量均以指數(shù)模型擬合最優(yōu)。不同時(shí)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?？赡苁寝r(nóng)事操作或煙株生長(zhǎng)改變了土壤中有效Fe和Mn的分布從而導(dǎo)致其變程減小。4月份土壤有效Fe和Mn空間相關(guān)性中等，其塊金系數(shù)分別為50.00%和36.10%，與常棟[5]、王永東[24]等的研究結(jié)果一致；7月份和10月份，土壤有效Fe和Mn的塊金系數(shù)均小于25.00%，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性。王雪婧等[3]在對(duì)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(qiáng)烈的空間相關(guān)性，而植煙后土壤Mn的空間相關(guān)性降低為中等強(qiáng)度，與本研究結(jié)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(guān)性。

2.3 不同時(shí)期土壤有效Fe和Mn含量的空間分布格局

依據(jù)半方差函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)，利用克里格插值法，繪制研究區(qū)內(nèi)三個(gè)時(shí)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(jié)構(gòu)明顯且空間連續(xù)性較好，東部區(qū)域含量較低，中部和西部區(qū)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(guī)律性。三個(gè)時(shí)期土壤有效Fe和Mn含量分布發(fā)生較大變化，主要是由于煙株在生育期內(nèi)對(duì)礦質(zhì)元素的差異性吸收，同時(shí)農(nóng)事耕作也會(huì)影響礦質(zhì)元素的含量及其分布。

對(duì)三個(gè)時(shí)期有效Fe和有效Mn含量分別進(jìn)行柵格運(yùn)算，得到每?jī)蓚€(gè)時(shí)期之間含量變化圖（圖3），可直觀地看出兩個(gè)時(shí)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(zhǎng)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(qū)域，且面積相對(duì)較大。7月份到10月份，土壤有效Fe的差值為負(fù)值的區(qū)域主要分布在東部和中部，而土壤有效Mn負(fù)值區(qū)域較多。在煙草整個(gè)生育期內(nèi)，4月份到10月份土壤有效Fe的差值正值區(qū)域主要在東部，而有效Mn在研究區(qū)域內(nèi)幾乎全為負(fù)值。負(fù)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(nóng)事操作影響，成熟期出現(xiàn)的干旱情況，也可能導(dǎo)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(shí)間穩(wěn)定性分析

通過計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)鐵和錳含量數(shù)據(jù)在三個(gè)時(shí)期的變異系數(shù)，獲得研究區(qū)域土壤有效Fe和Mn的時(shí)間穩(wěn)定性圖（圖4）。穩(wěn)定級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

從圖4中可以看出，土壤有效Fe的時(shí)間穩(wěn)定性總體較好，變異系數(shù)大于25%的區(qū)域零星分布于研究區(qū)域內(nèi)，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(huán)境條件和人為活動(dòng)等，其中環(huán)境條件主要是重碳酸鹽和土壤pH值的影響。土壤中Mn的時(shí)間穩(wěn)定性較差，不穩(wěn)定區(qū)域面積分布較廣，較穩(wěn)定區(qū)域呈團(tuán)塊狀分布。有研究指出，對(duì)于土壤Mn的有效性和移動(dòng)性影響因素較多，其中以pH和Eh最為突出，而土壤中的有機(jī)質(zhì)、微生物活動(dòng)和土壤中鐵含量也會(huì)有一定的影響[24]。時(shí)間穩(wěn)定性可能會(huì)受不同煙株對(duì)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(jié)論

（1）地統(tǒng)計(jì)分析表明，三個(gè)時(shí)期中土壤有效鐵和有效錳含量均符合正態(tài)分布，植煙前土壤有效鐵和錳的空間相關(guān)性中等；7月份與10月份土壤有效鐵和錳具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)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(guī)律性較差。通過柵格運(yùn)算得到每?jī)蓚€(gè)時(shí)期插值圖表明，有效錳在三個(gè)時(shí)期較有效鐵變化差異大。

（3）時(shí)間穩(wěn)定性分析顯示，土壤有效鐵的時(shí)間穩(wěn)定性較強(qiáng)；土壤有效錳的時(shí)間穩(wěn)定性較弱，穩(wěn)定區(qū)域面積較少，零星分布于研究區(qū)內(nèi)。

土壤鐵和錳的含量是影響煙葉品質(zhì)的因素之一，煙株在生育期對(duì)微量元素的吸收量較少，但對(duì)其品質(zhì)影響較大。因此探索土壤有效鐵和錳的時(shí)空變異性，了解其時(shí)空變異規(guī)律具有重要意義。就時(shí)間穩(wěn)定性而言，有效鐵的時(shí)間穩(wěn)定性較好，而有效錳的時(shí)間穩(wěn)定性較差。錳在土壤中向根部的遷移主要是依靠質(zhì)流和擴(kuò)散，土壤錳含量受到地形、土壤質(zhì)地、土壤含水量和耕作等因素的影響。此次研究所選用試驗(yàn)田，在三個(gè)時(shí)期內(nèi)，有效鐵含量并不缺乏，而有效錳含量在生育后期出現(xiàn)缺乏現(xiàn)象，為保證煙株在整個(gè)生育期內(nèi)對(duì)錳的吸收，應(yīng)根據(jù)錳在不同時(shí)期的含量變化，酌情考慮對(duì)錳的施用。根據(jù)土壤有效鐵和錳的含量變化，做到平衡施肥，均衡養(yǎng)分，差異化管理，同時(shí)配套規(guī)范的大田管理措施，以達(dá)到提高煙葉品質(zhì)的目的。

土壤養(yǎng)分在煙株生長(zhǎng)的不同時(shí)期其含量變化具有差異性，而煙田精準(zhǔn)管理主要采用土壤養(yǎng)分的靜態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)養(yǎng)分的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化和煙株在不同時(shí)期對(duì)養(yǎng)分的吸收差異考慮較少。因此在以后的煙田精準(zhǔn)管理分區(qū)因素中可以考慮納入養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)。

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