川西南高海拔煙區(qū)土壤微量元素空間分布特征及影響因素

彭月月 余雪蓮 李啟權(quán) 馮浪 張新 王勇 王昌全

摘要：研究土壤微量元素豐缺程度及其影響因素可為煙區(qū)微肥的合理施用提供科學(xué)指導(dǎo)。基于227個樣點數(shù)據(jù)，采用相關(guān)分析、回歸分析和地統(tǒng)計學(xué)方法分析了川西南高海拔煙區(qū)土壤鐵、錳、銅、鋅和鉬5種微量元素有效態(tài)含量的空間分布特征及影響因素。結(jié)果表明，研究區(qū)土壤有效鉬含量有19.6%的樣點處于缺乏或極缺乏水平，其余4種元素含量均處于豐富或極豐富水平。各元素塊金效應(yīng)在22.4%～50.0%，具有強烈或中等空間自相關(guān)性。土壤有效鉬表現(xiàn)為西北高、東南低的分布趨勢，其余4種微量元素含量均呈現(xiàn)出西北低、東南高的分布格局。有機質(zhì)、CEC、堿解氮及有效磷鉀對5種元素空間變異的解釋能力較強，土壤類型、海拔的影響程度較弱，前茬作物對鐵、錳、銅和鉬含量影響顯著。因此，研究區(qū)應(yīng)結(jié)合各元素的空間分布特征及前茬作物，減少有效鐵、錳、銅和鋅等微量元素肥料的投入，同時適量適地增施鉬肥。

關(guān)鍵詞：微量元素；空間變異；影響因素；高海拔植煙區(qū)

土壤鐵、錳、銅、鋅和鉬等微量元素是作物必需的營養(yǎng)元素，其有效態(tài)含量是表征土壤質(zhì)量的重要因子。土壤中微量元素的含量受成土母質(zhì)、土壤類型、地形條件等結(jié)構(gòu)性因素及人類耕作施肥、種植制度等隨機性因素共同影響，其空間分布特征是土壤母質(zhì)和外源輸入長期作用的結(jié)果，也是土壤空間異質(zhì)性的具體表現(xiàn)。煙葉生產(chǎn)中，適宜的微量元素是保障煙葉良好品質(zhì)的重要基礎(chǔ)，如錳是煙株體內(nèi)多種氧化酶的組成部分，參與體內(nèi)氧化還原代謝，對煙草的氮素吸收與代謝有直接作用：銅能使葉綠素保持穩(wěn)定，對細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)、糖代謝有促進(jìn)作用，能增強煙株對真菌病害的抗性：然而土壤中微量元素過量也會導(dǎo)致植物生理機能失調(diào)和生長發(fā)育受阻，進(jìn)而影響煙葉外觀、香味等。長期以來，微肥的施用使得各煙區(qū)植煙土壤中微量元素的含量和分布有所改變，準(zhǔn)確掌握植煙土壤微量元素的含量、分布及影響因素是煙田精準(zhǔn)施肥和培育優(yōu)質(zhì)煙草的基礎(chǔ)。因此，全面系統(tǒng)地分析煙區(qū)土壤微量元素的空間分布特征及其影響因素，對于煙區(qū)制定科學(xué)的微肥配方具有重要的指導(dǎo)意義。

鹽源縣是四川省烤煙種植大縣，作為高海拔植煙區(qū)以盛產(chǎn)“清、甜、香”為特色的優(yōu)質(zhì)煙葉而聞名，在四川優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)中占有重要地位。近年來，研究人員圍繞鹽源植煙土壤養(yǎng)分特征開展了大量研究，這些研究多集中在對有機質(zhì)、氮、磷、鉀等常規(guī)指標(biāo)的分析和評價，而對該區(qū)域煙葉品質(zhì)同樣具有重要影響的土壤微量元素含量特征、空間分布狀況及影響因素報道較少。因此，為更全面掌握該優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)區(qū)土壤狀況，本研究通過實地土壤樣品采集，結(jié)合植煙區(qū)土壤類型、地形、土壤常規(guī)理化性質(zhì)和前茬作物等因素，采用地統(tǒng)計學(xué)、相關(guān)分析和回歸分析方法對該縣植煙核心區(qū)土壤微量元素含量特征、空間分布格局及其影響因素進(jìn)行分析，以期為烤煙種植區(qū)劃、微肥的合理施用及煙葉品質(zhì)提升提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣中部，為該縣煙葉種植集中的區(qū)域，地理坐標(biāo)為101°12'～101°5'E，27°19'～27°53'N，面積約2600k㎡。該區(qū)域主要包括鹽源盆地及周邊部分山地，盆地內(nèi)部地勢相對平緩，有“鹽源壩子”之稱，四周高山環(huán)繞，海拔在1626-4286 m。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年溫差小，日溫差大，日照充足，平均氣溫12.1℃，全年無霜期201 d，年均降水量為855.2 mm。成土母質(zhì)主要為石灰?guī)r、玄武巖、紫色巖、昔格達(dá)組粉砂巖、白果灣組灰砂頁巖等形成的殘坡積物以及河流搬運形成冰磧物和洪沖積物。煙區(qū)前茬作物主要包括海椒、烤煙、水稻、玉米和紫花苕5種類型。

1.2樣品采集與測定

結(jié)合研究區(qū)實際情況，在2013年2月煙田尚未施底肥和煙葉移栽前，綜合考慮地形、土壤類型及前茬作物等因素，并兼顧代表性和隨機取樣的原則，以GPS精確定位，采用多點混合法采集研究區(qū)表層（0-20 cm）土壤樣品共237份（圖1），并記錄采樣點經(jīng)緯度、海拔、土壤類型和煙草前茬作物等背景信息。土壤樣品帶回實驗室經(jīng)自然風(fēng)干后，去雜、搗碎、碾磨，過篩，并采用DTPA浸提一原子吸收分光光度法測定土壤有效鐵、錳、銅、鋅和鉬的含量。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用三倍標(biāo)準(zhǔn)差法剔除異常值10個，實際使用樣點數(shù)227個。常規(guī)統(tǒng)計分析、相關(guān)分析、方差分析和回歸分析在SPSS 22.0軟件中完成。參照文獻(xiàn)制定土壤有效態(tài)微量元素分級評價標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

采用地統(tǒng)計學(xué)方法對土壤養(yǎng)分的空間變異特征進(jìn)行分析。首先在軟件GS+7.0中進(jìn)行半方差模型擬合，再以最優(yōu)半方差模型參數(shù)在ArcGIS10.1軟件的地統(tǒng)計模塊中進(jìn)行普通克里格插值，得到研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量的空間分布圖。半方差模型的擬合參數(shù)中，變程A可表示空間變量自相關(guān)范圍：塊金效應(yīng)Co/（Co+C）反映土壤養(yǎng)分的空間自相關(guān)程度，當(dāng)比值為<25%、25%-75%和>75%時，分別表示該養(yǎng)分指標(biāo)具有強烈、中等和較弱的空間自相關(guān)性。

2結(jié)果

2.1土壤有效態(tài)微量元素含量的總體評價

如表2所示，研究區(qū)土壤有效鐵、錳、銅、鋅和鉬含量平均值分別為117.80、127.42、4.76、4.80和0.16 mg/kg。根據(jù)植煙土壤微量元素豐缺評價標(biāo)準(zhǔn)（表1），有效鐵、錳、銅和鋅含量主要處于豐富和極豐富水平，有效鉬含量處于較豐富水平，但有19.6%的樣點處于缺乏或極缺乏水平。從變異系數(shù)來看，5種微量元素有效態(tài)含量的變異系數(shù)在47.25%～92.33%，空間異質(zhì)性較強，變異強度表現(xiàn)為有效鐵>有效銅>有效鋅>有效鉬>有效錳，但均屬于中等程度的變異。K-S檢驗結(jié)果表明，有效銅、有效鉬符合對數(shù)分布，有效鐵、有效錳和有效鋅近似對數(shù)正態(tài)分布。

2.2土壤有效態(tài)微量元素空間結(jié)構(gòu)特征

由表3可知，研究區(qū)土壤有效鐵和有效鋅的最佳半變異函數(shù)模型為球狀模型，有效錳、有效銅和有效鉬的最佳半變異函數(shù)模型為指數(shù)模型，其擬合度在0.45～0.82，能較好地反映土壤微量元素有效態(tài)含量的空間結(jié)構(gòu)特性。從擬合模型參數(shù)來看，土壤有效銅的塊金效應(yīng)<25%，說明土壤有效銅具有強烈空間自相關(guān)性，主要受到土壤性質(zhì)等自然因素作用：其余4種微量元素的塊金效應(yīng)在38.6%～50.0%，具有中等程度的空間自相關(guān)性，表明其空間變異受自然因素和人為因素共同作用。

2.3土壤有效態(tài)微量元素空間分布特征

為了更直觀的更直觀地了解研究區(qū)土壤微量元素含量的空間分布特征，依據(jù)各微量元素不同含量的范圍，應(yīng)用ArcGIS10.1中空間分析（SpatialAnalysO模塊對其空間含量高低進(jìn)行分級后，再分區(qū)統(tǒng)計（表4）。

如圖2和表4所示，各微量元素含量都表現(xiàn)出較為明顯的空間分布格局。其中有效鉬空間分布則表現(xiàn)為西北高、東南低，其余元素均呈現(xiàn)西北低、東南高的分布趨勢。有效鐵大于200 mg/kg的高值區(qū)分布在研究區(qū)東部，小于60 mg/kg的低值區(qū)分布在西部，含量為100～150 mg/kg范圍面積最大，占總面積的42.50%。有效錳低于90 mg/kg的低值區(qū)分布在西北部，大于120 mg/kg的高值區(qū)分布在研究區(qū)的東南部和東北部，且所占面積最大，達(dá)到研究區(qū)總面積的52.60%。有效銅低于2.3 mg/kg的低值區(qū)分布在西北部，大于5.9 mg/kg的高值區(qū)主要在東南部，呈帶狀分布，含量為3.5-4.7 mg/kg范圍面積最大，占研究區(qū)總面積的45A2%。有效鋅含量為3.2～4.0mg/kg的低值區(qū)分布在西北部，大于5.6 mg/kg的高值區(qū)主要集中在中部，4.0～4.8 mg/kg范圍面積最大，占總面積的54.02%。有效鉬小于0.1 mg/kg的低值區(qū)分布在南部，大于0.2 mg/kg的高值區(qū)分布于西北部、東北部，含量為0.15～0.20 mg/kg范圍面積最大，占總面積的45.13%。

2.4土壤微量元素的影響因素分析

2.4.1土壤類型表5顯示，在4種主要植煙土壤類型中，有效鐵、錳、銅和鋅均值含量均達(dá)到了豐富或極豐富水平，都表現(xiàn)為在水稻土中的均值含量最高，紅壤最低。有效鉬均值含量也達(dá)到了豐富水平，表現(xiàn)為紅壤中的均值含量最高，水稻土和紫色土中較低。水稻土與紅壤中有效鐵、錳、鋅含量存在顯著性差異，水稻土中的有效鐵、錳、鋅含量顯著高于紅壤中的含量，但4種土壤類型對研究區(qū)土壤有效鉬、銅無則顯著影響。從變異系數(shù)來看，5種土壤微量元素含量在各土壤類型間均具有中等強度的變異性。

2.4.2地形因子和土壤性質(zhì)

由表6可知，地形因子對5種土壤微量元素有效態(tài)含量的影響并不大。土壤性質(zhì)中，有機質(zhì)與除有效鉬以外的4種元素均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)：堿解氮與5種土壤微量元素均表現(xiàn)為極顯著相關(guān)；除有效鐵以外，陽離子交換量（CEC）與其余4種有效態(tài)微量元素的相關(guān)系數(shù)均為極顯著水平：此外，有效錳、有效鋅與速效鉀、有效磷、pH呈顯著相關(guān)，這說明土壤常規(guī)理化性質(zhì)與土壤微量元素有效態(tài)含量關(guān)系密切。

2.4.3前茬作物

由表7看出，不同前茬作物下有效鐵、錳、銅、鋅、鉬的均值含量均屬于中等及豐富以上水平。前茬作物為烤煙時，有效鐵均值含量最高，為玉米時最低，但差異不顯著。前茬作物為水稻時，有效錳均值含量最高，為玉米時最低。前茬作物為水稻時有效錳的含量顯著（p<0.05）高于前茬作物為玉米時的含量，但與其他3種前茬作物下的差異不顯著：前茬作物為水稻、海椒時，有效銅的均值含量較高，為玉米、紫花苕時的均值含量較低。前茬作物為水稻、海椒時有效銅的含量顯著（p<0.05）高于前茬作物為玉米、紫花苕時的含量：前茬作物為紫花苕時，有效鋅的均值含量最高，為玉米時最低。前茬作物為紫花苕時有效鋅的含量顯著（p<0.05）高于前茬作物為玉米時的含量，但與其他3種前茬作物下的差異不顯著：前茬作物為紫花苕、烤煙時，有效鉬的均值含量較高，為水稻、海椒時的均值含量較低。前茬作物為紫花苕、烤煙時有效鉬的含量顯著（p<0.05）高于前茬作物為水稻、海椒時的含量。從變異系數(shù)看，當(dāng)前茬作物為玉米時，有效鐵的變異系數(shù)最大，屬于強變異。當(dāng)前茬作物為其他4種作物時，有效鐵、錳、銅、鋅、鉬均屬于中等程度的變異。

2.4.4不同影響因素回歸分析由表8可知，有機質(zhì)、堿解氮和前茬作物均顯著影響有效鐵含量，其獨立解釋能力分別為3.4%、1.7%、1.3%，解釋能力不高，說明其受耕作措施和施肥差異等其他因素的影響較大。有機質(zhì)、速效鉀、有效磷、堿解氮、CEC、pH和前茬作物均對有效錳有顯著影響，其中有機質(zhì)、堿解氮、CEC的獨立解釋能力分別為27.5%、21.6%、21.7%，明顯高于其他影響因素，說明有效錳含量主要受到有機質(zhì)、堿解氮和CEC的影響。有機質(zhì)、堿解氮和CEC對有效銅的獨立解釋能力分別為23.1%、32.7%和12.3%，其解釋能力較強：有機質(zhì)、有效磷和堿解氮對有效鋅的影響程度較大。堿解氮、CEC和前茬作物對有效鉬有顯著影響，其獨立解釋能力分別為2.9%、2.7%、1.9%，解釋能力較弱，再結(jié)合其空間自相關(guān)為中等程度（表3），說明其受耕作措施和局部施肥差異等因素的影響較大。

3討論

煙草生長所需的微量元素，對煙葉的產(chǎn)量、品質(zhì)和抗病能力有很大影響。這些微量元素主要來自土壤和施肥供給，微量元素的供給狀況將直接影響烤煙的生長發(fā)育和煙葉品質(zhì)。因此，平衡植煙土壤微量元素含量，制定科學(xué)、合理施肥方案對培育優(yōu)質(zhì)、特色、高產(chǎn)煙葉具有重要意義。本研究中，鹽源植煙土壤有效態(tài)鐵、錳、銅、鋅含量豐富，其含量高于四川西南植煙區(qū)平均值。這可能與微肥的長期施用有關(guān)。同時，該區(qū)域土壤質(zhì)地以壤土和黏土居多，土壤保水保肥性較好，有效態(tài)微量元素不容易流失，使得有效態(tài)鐵、錳、銅和鋅等微量元素在耕層大量富集，這可能對烤煙產(chǎn)生毒害，抑制烤煙生長。研究區(qū)有效鉬的含量雖然較豐富，但有19.6%的樣點處于缺乏或極缺乏水平，有效鉬的缺乏不僅會降低煙葉的光合速率，還會減少煙葉油分。因此，研究區(qū)應(yīng)該控制鐵、錳、銅和鋅的投入，但在鉬含量缺乏的區(qū)域可適當(dāng)補充鉬肥，以維持煙株正常生長。

除有效鉬外，其余4種元素與有機質(zhì)呈極顯著正相關(guān)，這與前人的研究具有一定相似性，這是因為有機質(zhì)可與微量元素形成可溶或難溶性的配合物，作為微量元素可溶絡(luò)合劑的來源，且有機質(zhì)在分解過程中不僅會釋放微量元素，同時其分解產(chǎn)生的有機酸還會增強土壤中微量元素的有效性。同時，堿解氮與5種微量元素都呈顯著正相關(guān)，一方面是因為研究區(qū)有機質(zhì)含量較高，有機質(zhì)礦化后可釋放大量的N、P、S及微量元素供作物生長需要，使得堿解氮與微量元素呈現(xiàn)大致相同的變化趨勢，另一方面由于碳氮循環(huán)關(guān)系密切，使得堿解氮和有機質(zhì)與有效態(tài)微量元素含量的相關(guān)關(guān)系高度相似。江厚龍等研究結(jié)果顯示，海拔高度的變化常導(dǎo)致溫度、濕度、光照、降水及大氣成分等因子的顯著變化，這些因素的變化勢必會干擾土壤養(yǎng)分的礦化過程，影響土壤養(yǎng)分的釋放。而本研究表明，地形因素如坡度、坡向、海拔對5種土壤有效態(tài)微量元素的影響并不顯著，這是由于本研究區(qū)雖然處于高海拔地段，但煙葉種植區(qū)的海拔在2300-2500 m，海拔變化幅度并不大，加之長期耕作施肥，削弱了地形因素對微量元素的影響。

總體而言，研究區(qū)土壤微量元素有效態(tài)含量表現(xiàn)為中等程度的空間自相關(guān)性，與土壤有機質(zhì)、堿解氮、CEC以及有效磷、速效鉀的關(guān)系密切，其次為土壤類型和前茬作物，這與四川西南煙區(qū)的研究結(jié)果基本一致，這是因為植煙土壤受人為干擾相對較大，微量元素作為煙草配方肥料中的必需元素在煙田中長期使用，外源輸入削弱了土壤微量元素的空間自相關(guān)性：另一方面，微量元素含量與土壤堿解氮和有效磷、速效鉀等速效養(yǎng)分間關(guān)系的密切程度總體上高于土壤類型和前茬作物，由于氮磷鉀速效養(yǎng)分與施肥有關(guān)，進(jìn)而說明局部施肥差異是研究區(qū)有效態(tài)微量元素空間變化的主要影響因素，也削弱了不同土壤類型間微量元素含量差異。同時，不同前茬作物對微量元素存在不同的需求量，而前茬作物非煙草作物一般不施用微肥，因而前茬作物也對微量元素含量變異產(chǎn)生了顯著的影響，精準(zhǔn)的煙草配方肥中微元素的施用比例仍需考慮前茬作物的影響。

4結(jié)論

鹽源植煙土壤有效鐵、錳、銅和鋅含量均處于豐富或極豐富水平，19.6%的樣點有效鉬含量處于缺乏或極缺乏水平。研究區(qū)有效銅的塊金效應(yīng)<25%，具有強烈空間自相關(guān)性，主要受到結(jié)構(gòu)性因素作用：其余4種微量元素的塊金效應(yīng)在38.6%-50.0%，具有中等程度的空間自相關(guān)性，受土壤類型和海拔等結(jié)構(gòu)因素和種植制度等人為因素的共同影響?？臻g分布上，土壤有效鉬表現(xiàn)為西北高、東南低的分布趨勢，其余4種微量元素含量均呈現(xiàn)出西北低、東南高的分布格局。總體來看，土壤有機質(zhì)、堿解氮以及有效磷、速效鉀等常規(guī)速效養(yǎng)分對各有效態(tài)微量元素含量空間分布的影響較強，土壤類型、海拔和前茬作物的影響相對較弱。對此，應(yīng)結(jié)合各養(yǎng)分的空間分布特征，在考慮前茬作物差異的情況下，減少有效鐵、錳、銅和鋅微量元素肥料的投入，同時適量適地增施鉬肥，進(jìn)一步推進(jìn)植煙區(qū)土壤微量元素的合理、精準(zhǔn)施用，以提升煙區(qū)煙葉品質(zhì)。