銅仁市植煙土壤交換性鈣鎂空間分布特征及其影響因素分析

劉 杰 譚智勇 周興華 艾永峰 諶瀟雄 李 強(qiáng) 趙 輝

(1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2 銅仁學(xué)院，貴州 銅仁 554300；3貴州省煙草公司銅仁市公司，貴州 銅仁 554300；4 貴州財經(jīng)大學(xué)，貴州 貴陽 550025)

鈣和鎂是烤煙生長發(fā)育所必需的中量元素，其含量和比值直接影響著煙葉的產(chǎn)量與品質(zhì)[1-4]。當(dāng)煙株缺鈣時，會導(dǎo)致煙葉葉尖、葉緣壞死，葉片呈黑綠色，頂芽死亡，烤后煙葉身份厚、油份少；烤煙鈣含量過高，會導(dǎo)致煙株貪青晚熟，烤后煙葉僵硬、雜氣重[5-6]。當(dāng)煙株缺鎂時，煙株下部葉片褪綠、發(fā)黃，進(jìn)而變白，出現(xiàn)葉脈綠色，葉片其余部分全白的現(xiàn)象，烤后煙葉葉片薄，彈性小，糖分、淀粉含量減少，有機(jī)酸含量增加；烤煙鎂含量過高，會導(dǎo)致烤后煙葉吸濕能力增強(qiáng)，不利于儲存和純化[7-9]。植物吸收的鈣和鎂主要來自土壤交換性鈣和交換性鎂，土壤交換性鈣和交換性鎂含量是評價鈣和鎂素供應(yīng)水平的主要指標(biāo)，而鈣鎂比可以反映土壤中鈣鎂元素的有效性、協(xié)調(diào)性和動態(tài)變化[1]。

丁玉川等[10]研究表明，山西省主要農(nóng)田土壤交換性鎂含量平均為0.25 g·kg-1，土壤交換性鎂含量與土壤pH值、可溶性鹽濃度、有機(jī)質(zhì)含量和堿解氮含量呈顯著線性正相關(guān)，與全磷含量、速效磷含量、速效鉀含量和鈣鎂比呈顯著的曲線關(guān)系。曹榕彬[11]研究表明，寧德耕地土壤交換性鈣、鎂含量總體均屬中等偏低水平，鈣鎂比總體屬適宜偏高水平，不同地貌、耕地利用類型、土壤有機(jī)質(zhì)含量的鈣鎂比差異極顯著。譚軍等[12]研究表明，文山植煙土壤交換性鈣、鎂含量豐富，但鈣鎂比失調(diào)較為嚴(yán)重，該煙區(qū)土壤交換性鈣、鎂含量及其比值受海拔、土壤pH值以及土壤全磷含量的影響顯著。毛輝等[13]研究表明，山縣植煙土壤交換性鈣、鎂的平均含量分別為1.59、0.20 g·kg-1，土壤交換性鈣、鎂含量受海拔高度、土壤pH值、土壤母質(zhì)和質(zhì)地影響極顯著，而鈣鎂比受海拔高度影響極顯著。王冰等[14]研究表明，土壤交換性鈣、鎂的總體含量豐富，土壤交換性鈣含量受土壤顆粒組成的影響最大，而土壤交換性鎂含量受前茬作物的影響最大。綜上，雖然國內(nèi)外對耕地土壤交換性鈣和鎂含量及其影響因素的研究較多[15-17]，但關(guān)于植煙土壤，特別是貴州銅仁植煙土壤交換性鈣和鎂的分布特征及其影響因素的研究較少。本試驗通過研究貴州銅仁植煙土壤交換性鈣和鎂的分布特征及其影響因素，旨在為銅仁市植煙土壤鈣和鎂元素的科學(xué)管理及含鈣、鎂肥料的施用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與試驗設(shè)計

貴州省銅仁市地處東經(jīng)107°45′-109°30′，北緯27°07′-29°05′，位于貴州省東北部，與湖南、重慶接壤，屬于典型的中亞熱帶濕潤氣候，是貴州省重要產(chǎn)煙區(qū)。試驗于2019年11月進(jìn)行，采用GPS定位技術(shù)，在貴州省銅仁市7個縣68個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要植煙土壤共取樣品202個。取樣遵循均勻性、代表性的原則，根據(jù)基本煙田的面積和分布情況布置取樣點(diǎn)(全市烤煙種植面積8 333 hm2，約41 hm2布置1個取樣點(diǎn))，取樣深度為0～20 cm，用四分法取約1 kg土樣。

1.2 樣品分析

樣品經(jīng)風(fēng)干、研磨、過篩后測量土壤理化性質(zhì)。其中土壤pH值采用電位法測定；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定；有效磷采用鉬銻抗比色法測定；陽離子交換量采用乙酸銨交換法測定；交換性酸總量采用氯化鉀交換法測定[18]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

將銅仁市植煙土壤交換性鈣、鎂含量及其比值按大小分為極低、低、適宜、較高、高、極高6個等級，各等級的劃分指標(biāo)見表1[1-3,12]。常規(guī)數(shù)據(jù)分析用SPSS 19.0軟件完成，地統(tǒng)計分析用ArcGIS 10.2軟件完成。

表1 銅仁市植煙土壤交換性鈣、鎂及其比值分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standard of exchangeable calcium, magnesium and their ratios of tobacco planting soil in Tongren city

2 結(jié)果與分析

2.1 銅仁市植煙土壤交換性鈣、鎂含量及其比值基本統(tǒng)計特征

由表2可知，銅仁植煙土壤交換性鈣、鎂的平均值分別為1.72、0.27 g·kg-1，大部分土壤樣品中交換性鈣、鎂處于適宜及以上水平，但仍有19.31%的交換性鈣和27.59%的交換性鎂含量處于低與極低水平。銅仁植煙土壤中鈣鎂比處于適宜范圍的比例僅為29.70%，說明鈣鎂比失調(diào)比較嚴(yán)重；其變異系數(shù)為134.31%，屬于強(qiáng)變異。

表2 銅仁市植煙土壤交換性鈣、鎂含量及其比值的統(tǒng)計特征Table 2 Statistical characteristics of exchangeable calcium and magnesium contents and their ratios of tobacco planting soil in Tongren city

2.2 銅仁市植煙土壤交換性鈣、鎂含量及其比值空間結(jié)構(gòu)分析

選取克里金插值算法中的普通克里金法對銅仁市植煙土壤交換性鈣、鎂含量及其比值進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)分析[19]，分別用不同模型對土壤主要成分進(jìn)行擬合，獲取其最優(yōu)半方差函數(shù)模型及其參數(shù)(表3)。結(jié)果表明，銅仁市植煙土壤交換性鈣、鎂含量及其比值分別符合球面、三角和指數(shù)函數(shù)模型，塊金效應(yīng)均在25%～75%之間[20]，具有中等的空間相關(guān)性，表明銅仁市植煙土壤交換性鈣、鎂含量及其比值的空間變異是由結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同作用的結(jié)果。

表3 土壤交換性鈣、鎂含量及其比值半方差函數(shù)模型及其擬合參數(shù)Table 3 Semivariogram model and corresponding parameters of exchangeable calcium and magnesium contents and their ratios

2.3 銅仁市植煙土壤交換性鈣、鎂含量及其比值空間分布特征

銅仁市植煙土壤交換性鈣、鎂含量及其比值的空間分布特征見圖1。土壤交換性鈣含量呈現(xiàn)德江北部和西部小塊區(qū)域偏低，思南中部、石阡東部以及沿河南部小塊區(qū)域極高，其他區(qū)域適宜或高。土壤交換性鎂含量總體呈現(xiàn)由西北向東南逐漸增加的趨勢。土壤鈣鎂比總體呈現(xiàn)由中部分別向東南和西北逐漸減小的趨勢，思南中部鈣鎂比處于最高值，而江口南部與松桃南部鈣鎂比處于最低值。

2.4 銅仁市植煙土壤交換性鈣、鎂含量及其比值的影響因素分析

2.4.1 相關(guān)性分析 相關(guān)性分析結(jié)果(表4)表明，土壤交換性鈣與pH值、陽離子交換量、鹽基飽和度和交換性鎂呈極顯著正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)，與海拔、交換性酸總量、交換性氫、交換性鋁呈極顯著負(fù)相關(guān)。土壤交換性鎂與pH值、陽離子交換量、鹽基飽和度、交換性鉀和交換性鈣呈極顯著正相關(guān)，與海拔、堿解氮、交換性酸總量、交換性氫、交換性鋁呈極顯著負(fù)相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤鈣鎂比與有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)，與堿解氮、陽離子交換量呈顯著正相關(guān)，與交換性鉀呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)。

2.4.2 逐步回歸分析 在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，選取與土壤交換性鈣、鎂含量達(dá)顯著或極顯著水平的相關(guān)因子進(jìn)行逐步回歸分析(表5、6)，定量分析了各屬性對土壤交換性鈣、鎂含量空間變異的綜合解釋能力和不同屬性對其空間變異的獨(dú)立解釋能力。結(jié)果表明，pH值對交換性鈣空間變異的影響最大，能夠獨(dú)立解釋其變量的41.6%，其次是交換性鎂、陽離子交換量、鹽基飽和度、交換性酸總量、有機(jī)質(zhì)，對交換性鈣的累計解釋能力達(dá)65.1%；pH對交換性鎂空間變異的影響最大，能夠獨(dú)立解釋其變量的55.7%，其次是交換性鈣、陽離子交換量、鹽基飽和度、交換性酸總量、交換性鉀，對交換性鈣的累計解釋能力達(dá)69.4%。

表5 各因素與土壤交換性鈣的逐步回歸分析結(jié)果Table 5 The results of stepwise regression analysis between each factor and exchangeable calcium

表6 各因素與土壤交換性鎂的逐步回歸分析結(jié)果Table 6 The results of stepwise regression analysis between each factor and exchangeable magnesium

2.4.3 土壤交換性鈣、鎂與其他屬性指標(biāo)的曲線方程 根據(jù)逐步回歸分析結(jié)果所得土壤交換性鈣、鎂與其他屬性指標(biāo)的擬合曲線圖見圖2。結(jié)果表明，交換性鈣與pH值、鹽基飽和度呈冪函數(shù)關(guān)系，且曲線擬合度較好，隨著pH值、鹽基飽和度的升高，土壤中交換性鈣含量升高。交換性鈣與交換性酸總量呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著交換性酸總量的升高，土壤中交換性鈣含量降低，其曲線擬合度一般。交換性鈣與交換性鎂、陽離子交換量呈冪函數(shù)關(guān)系，隨著交換性鎂、陽離子交換量的升高，土壤交換性鈣含量升高，其曲線擬合度一般。交換性鈣與有機(jī)質(zhì)含量呈三次函數(shù)關(guān)系，其曲線擬合度較差。

圖2 土壤交換性鈣、鎂與其他屬性指標(biāo)的擬合曲線圖Fig.2 Fitting curves of soil exchangeable calcium, magnesium and their ratios with other attribute indexes

交換性鎂與pH、鹽基飽和度分別呈三次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且曲線擬合度較好，隨著pH、鹽基飽和度的升高，土壤中交換性鎂含量升高。交換性鎂與交換性鈣呈冪函數(shù)關(guān)系，隨著交換性鈣含量的升高，土壤中交換性鎂的含量升高，其曲線擬合度一般。交換性鎂與交換性酸總量呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著交換性酸含量的升高，土壤中交換性鎂含量降低，其曲線擬合度一般。交換性鎂與陽離子交換量呈三次函數(shù)關(guān)系，隨著陽離子交換量的升高，土壤中交換性鎂含量升高，其曲線擬合度一般。交換性鎂與交換性鉀呈冪函數(shù)關(guān)系，隨著交換性鉀含量的升高，土壤中交換性鎂含量升高，但其曲線擬合度較差。

3 討論

植物吸收的鈣和鎂主要來自土壤交換態(tài)鈣和交換態(tài)鎂，土壤交換性鈣、鎂含量的高低會影響烤煙煙葉中鈣鎂元素的含量，進(jìn)而影響烤煙品質(zhì)。鈣鎂比可以反映土壤中鈣鎂元素的有效性、協(xié)調(diào)性和動態(tài)變化。銅仁大部分植煙土壤樣品中交換性鈣、鎂處于適宜及以上水平，含量豐富，但仍有19.31%地區(qū)的交換性鈣和27.59%地區(qū)的交換性鎂含量處于低或極低水平，且植煙土壤中交換性鈣、鎂含量低，以及鈣鎂比失調(diào)的情況在多個煙區(qū)均有發(fā)生[1-2,21-24]。全市有35.64%的植煙土壤樣品鈣鎂比小于5，這些區(qū)域有煙株生理性缺鈣的風(fēng)險，根據(jù)土壤中交換性鈣和鎂的實際含量，可通過增施鈣肥或控施鎂肥以提高鈣鎂比。同時，有25.24%和23.27%植煙土壤中交換性鈣、鎂含量處于極高水平，土壤中過高的鈣、鎂含量既影響煙葉質(zhì)量，又易對其他陽離子(如鉀離子)的吸收產(chǎn)生拮抗作用，這些區(qū)域可通過輪作喜鈣(花生)、喜鎂(玉米)作物，以及減施或不施鈣鎂肥，使土壤交換性鈣、鎂含量降至適宜水平。

與國內(nèi)其他煙區(qū)相比，銅仁植煙土壤中交換性鈣、鎂含量平均值均略高于附近的湘西煙區(qū)[25]，但低于大理[26]、昆明[27]等云南煙區(qū)。與貴州省其他煙區(qū)相比，銅仁植煙土壤中交換性鈣含量平均值低于遵義、黔西和凱里等煙區(qū)，土壤交換性鎂含量平均值高于黔西煙區(qū)、與遵義煙區(qū)持平、低于凱里煙區(qū)[28]，引起其差異性的主要原因還有待進(jìn)一步研究。與2009年[29]相比，10年間銅仁植煙土壤交換性鈣、鎂含量平均值有所下降，分別下降了0.81%和5.13%，這可能是由于肥料投入、耕作措施等人為因素引起的。

銅仁市植煙土壤交換性鈣、鎂及其比值在不同植煙區(qū)域存在較大差異，其空間變異受結(jié)構(gòu)性因素(海拔、土壤質(zhì)地等自然因素)和隨機(jī)因素(肥料投入、耕作措施等人為因素)共同影響，結(jié)構(gòu)因素主要是由于銅仁市不同植煙區(qū)域海拔高度差異大，導(dǎo)致土壤質(zhì)地及生態(tài)氣候類型差異大，從而造成不同區(qū)域交換性鈣、鎂含量差異。隨機(jī)因素中，人為耕作制度對土壤交換性鈣、鎂的含量有一定影響[25-28]。土壤pH值對交換性鈣、鎂空間變異的影響最大，并與其呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，這與他人結(jié)果研究相似[1-2,30]。土壤交換性鈣、鎂在酸性土壤環(huán)境中可被土壤中大量H+交換，而在堿性環(huán)境中則可較好地吸附于土壤膠體表面，因此土壤交換性鈣、鎂在酸性土壤環(huán)境中含量較低，在堿性土壤環(huán)境中含量較高[31]。據(jù)此推斷，導(dǎo)致銅仁市植煙土壤中交換性鈣、鎂缺失的原因可能有以下兩點(diǎn)：一是煙田長期使用酸性肥料，導(dǎo)致土壤酸化，從而使土壤中鈣、鎂離子的流失；二是酸雨將大量的SO42-、NO3-和NH4+帶入土體，使得土體中的鹽基陽離子淋失，從而加速土壤酸化的過程，導(dǎo)致土壤中鈣、鎂離子的流失[32-34]。

4 結(jié)論

銅仁大部分植煙土壤樣品中交換性鈣、鎂處于適宜及以上水平，但交換性鈣、鎂含量空間分布不均勻、差異性較大，鈣鎂比失調(diào)較嚴(yán)重，煙株有生理性缺鈣、鎂的風(fēng)險。土壤pH值對交換性鈣、鎂空間變異的影響最大，并與其呈極顯著正相關(guān)。因此，銅仁煙區(qū)鈣、鎂施肥時應(yīng)做到分類指導(dǎo)，通過調(diào)控鈣、鎂肥料施用量或使用含鈣、鎂的改良劑調(diào)節(jié)土壤pH值等措施使土壤交換性鈣鎂含量處于適宜水平。