基于GIS的文山植煙土壤中、微量養(yǎng)分空間變異特征研究*

李鵬飛，余小芬，楊樹(shù)明 ，朱艷梅，鄒炳禮，徐天養(yǎng)，王 影，邱學(xué)禮

(1.云南省煙草公司文山州公司，云南 文山 663099；2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，云南 昆明 650205)

鈣、鎂、硼和氯在烤煙中參與多種代謝活動(dòng)，有促進(jìn)煙株生長(zhǎng)發(fā)育、提高煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)等生物學(xué)功能[1-2]，土壤是煙株獲取鈣、鎂、硼和氯營(yíng)養(yǎng)的重要來(lái)源，探明其在植煙土壤中的空間分布狀況對(duì)指導(dǎo)合理施肥和促進(jìn)烤煙高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。土壤交換性鈣和鎂含量及鈣鎂比偏高會(huì)降低煙株對(duì)鈣和鎂元素的吸收，引起煙葉生理性缺鎂[3]，鈣鎂比是反映土壤中鈣和鎂元素的有效性、協(xié)調(diào)性和生態(tài)過(guò)程變化的最佳指標(biāo)[4]。土壤含鈣高會(huì)降低烤煙成熟度，葉片粗糙、增厚，雜氣重，鋅和鐵元素失調(diào)，煙葉品質(zhì)下降[5]。煙葉鎂含量在0.48%～0.98%適宜，低于0.48%為不足[6]。鎂豐缺均抑制煙株對(duì)氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收，烤后煙葉吸濕性增強(qiáng)，不利于儲(chǔ)存和醇化，適宜的鎂對(duì)燃后煙灰有凝結(jié)作用[7]。土壤含氮量高或施氮量高均會(huì)降低烤煙對(duì)硼的吸收，磷和硼協(xié)同效應(yīng)增大，缺硼導(dǎo)致煙株根系發(fā)育不良，影響磷和鉀的吸收[8]，土壤高鉀硼比會(huì)加劇烤煙缺硼[9]。土壤鈣含量高會(huì)降低烤煙對(duì)硼的吸收，烤煙適宜鈣硼比為1 340∶1，超過(guò)1 500∶1可誘發(fā)缺硼[10]；硼可促進(jìn)煙葉鎂、錳和鉬的吸收，但會(huì)降低煙葉中的氯含量[11]。土壤含氯或施氯量過(guò)高時(shí)，煙葉陰燃性下降；而土壤含氯過(guò)低時(shí)，煙葉氯含量低，彈性和燃燒性變差[12]，適宜的氯含量能促進(jìn)氮、磷、鉀和鈣吸收[13]。

土壤交換性鈣和鎂、有效硼以及水溶性氯含量受土壤類(lèi)型、成土母質(zhì)和海拔等因素的影響，且與土壤pH以及有機(jī)質(zhì)、水解性氮和有效磷含量密切相關(guān)[5,11-14]。目前，關(guān)于植煙土壤鈣、鎂、硼和氯的分布特點(diǎn)及影響因素已有研究[3-5,10-14]，但受采樣范圍和樣本量的限制，空間尺度相對(duì)較小，難以系統(tǒng)解析土壤養(yǎng)分變異規(guī)律。同時(shí)，土壤是時(shí)空連續(xù)的變異體，易受耕作、輪作和施肥等因素干擾，土壤養(yǎng)分具有較高的空間異質(zhì)性。近年來(lái)，文山州一些煙區(qū)存在烤煙—生姜或烤煙—三七等高復(fù)種模式，造成土壤有效養(yǎng)分消耗過(guò)大，同時(shí)部分煙農(nóng)片面追求產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，重施氮、磷、鉀肥而輕施微肥，導(dǎo)致土壤中微量養(yǎng)分均衡性差，嚴(yán)重影響文山煙葉“西南高原—清甜清香型”的風(fēng)格穩(wěn)定性及工業(yè)可用性。本研究運(yùn)用GIS技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析文山州土壤鈣、鎂、硼和氯的空間變異特征及規(guī)律，以期為該州煙區(qū)土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)管理與施肥決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集與制備

2018—2020年在文山州文山市(202個(gè))、硯山縣(802個(gè))、丘北縣(903個(gè))、廣南縣(181個(gè))、馬關(guān)縣(274個(gè))、麻栗坡縣(173個(gè))、西疇縣(162個(gè))和富寧縣(43個(gè))共8個(gè)區(qū)域采集具有代表性的植煙土壤樣品2 740個(gè)(圖1)，其中2018年897個(gè)，2019年943個(gè)，2020年900個(gè)，年度間重復(fù)取樣點(diǎn)782個(gè)。在每年4月烤煙移栽前，每個(gè)采樣點(diǎn)按“S”形隨機(jī)10點(diǎn)采集0～20 cm耕層土壤，剔除根系和礫石等雜質(zhì)，混合均勻后按四分法取約0.5 kg土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干、混勻、磨細(xì)和過(guò)篩后留存待測(cè)。采用GPS定位采樣點(diǎn)經(jīng)緯度和海拔。

圖1 土壤采樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Diagram of distribution of sampling sites

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤交換性鈣、交換性鎂和水溶性氯離子含量采用原子吸收分光光度法測(cè)定；有效硼含量采用甲亞胺比色法測(cè)定；土壤pH采用電位法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定；全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定；全磷含量采用NaOH熔融—釩鉬黃比色法測(cè)定；全鉀含量采用NaOH熔融—火焰光度計(jì)法測(cè)定；水解性氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀含量采用醋酸銨浸提—火焰光度法測(cè)定；有效硫含量采用磷酸鹽—乙酸溶液浸提比濁測(cè)定[15-16]。

1.3 植煙土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)已有研究[17-18]劃定各養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。土壤交換性鈣：很高(≥2 000 mg/kg)、高(≥1 200～2 000 mg/kg)、中等(≥800～1 200 mg/kg)、低(≥400～800 mg/kg)、很低(<400 mg/kg)；交換性鎂：很高(≥400 mg/kg)、高(≥200～400 mg/kg)、中等(≥100～200 mg/kg)、低(≥50～100 mg/kg)、很低(<50 mg/kg)；有效硼：很高(≥1.5 mg/kg)、高(≥1.0～1.5 mg/kg)、中等(≥0.5～1.0 mg/kg)、低(≥0.2～0.5 mg/kg)、很低(<0.2 mg/kg)；水溶性氯：很高(≥45 mg/kg)、高(≥30～45 mg/kg)、中等(≥20～30 mg/kg)、低(≥10～20 mg/kg)、很低(<10 mg/kg)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2010和SPSS 19.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析；采用ArcGIS 10.2對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)計(jì)算、模型擬合和Kriging插值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)特征值及等級(jí)分布

2.1.1 土壤交換性鈣

由表1可知：文山州植煙土壤交換性鈣含量總體偏高，其中≥800 mg/kg的樣本占總樣本的97.74%，幾乎無(wú)缺乏的區(qū)域，均值為 2 507.72 mg/kg，變幅為283.13～10 391.08 mg/kg，變異性較高。8個(gè)縣土壤交換性鈣含量均值范圍為1 471.69～3 438.03 mg/kg，屬高或很高水平，從高到低依次為：硯山>文山>丘北>西疇>廣南>富寧>馬關(guān)>麻栗坡，除丘北與西疇、廣南與富寧間外，其他縣(市)之間的土壤交換性鈣含量差異達(dá)極顯著水平。

表1 植煙土壤交換性鈣含量和分布Tab.1 Exchangeable calcium contents and frequency distribution of tobacco-planting soils

2.1.2 土壤交換性鎂

由表2可知：文山州植煙土壤交換性鎂含量均值為278.60 mg/kg，變幅為18.41～842.08 mg/kg，全州有89.66%的煙區(qū)土壤交換性鎂在適宜范圍。8個(gè)縣土壤交換性鎂含量均值范圍為107.50～331.61 mg/kg，均處于中偏高，從高到低依次為：丘北>硯山>富寧>文山>廣南>馬關(guān)>麻栗坡>西疇，丘北與硯山土壤交換性鎂含量差異不顯著，但極顯著高于其他煙區(qū)；其次是富寧與文山差異不顯著。文山煙區(qū)土壤交換性鎂含量集中分布在400 mg/kg以下，缺鎂區(qū)域占總研究區(qū)的20.58%，其中中度缺鎂煙區(qū)為文山(德厚、東山、平壩、新平、追栗街)、硯山(阿猛、江那)、丘北(錦屏、平寨)、馬關(guān)(八寨、大栗樹(shù)、木廠)、西疇(蚌谷、法斗、蓮花塘、西灑、興街)和富寧(木央)。

表2 植煙土壤交換性鎂含量和分布Tab.2 Exchangeable magnesium contents and frequency distribution of tobacco-planting soils

2.1.3 土壤有效硼

由表3可知：文山州植煙土壤有效硼含量均值為0.30 mg/kg，變幅為0.03～1.83 mg/kg，有效硼缺乏的土壤樣本占比高達(dá)97.03%，缺硼嚴(yán)重。8個(gè)縣土壤有效硼均值范圍為0.24～0.43 mg/kg，從高到低依次為：麻栗坡>文山>西疇>丘北>硯山、廣南、馬關(guān)>富寧，麻栗坡與文山土壤有效硼無(wú)顯著差異，丘北、硯山、廣南、馬關(guān)和富寧之間差異均不顯著。文山煙區(qū)土壤有效硼含量分布以≥0.2～0.5 mg/kg和<0.2 mg/kg范圍為主，8個(gè)縣(市)土壤有效硼含量嚴(yán)重不足，缺硼樣本占比高達(dá)94.88%～99.83%。

表3 植煙土壤有效硼含量和分布Tab.3 Available boron contents and frequency distribution of tobacco-planting soils

2.1.4 土壤水溶性氯

由表4可知：文山州土壤水溶性氯含量較低，均值為10.99 mg/kg，變幅為2.04～182.56 mg/kg，<20 mg/kg的樣本占比達(dá)95.38%。8個(gè)縣(市)的土壤水溶性氯含量均值為5.36～14.88 mg/kg，從高到低依次為：硯山>馬關(guān)>丘北>文山>麻栗坡>西疇>廣南>富寧，硯山、馬關(guān)、丘北、文山和麻栗坡間的土壤水溶性氯差異均不顯著。文山州土壤水溶性氯含量分布集中在<10 mg/kg區(qū)域，全州土壤水溶性氯均表現(xiàn)為嚴(yán)重不足。

表4 植煙土壤水溶性氯含量和分布Tab.4 Water-soluble chloride contents and frequency distribution of tobacco-planting soils

2.2 土壤交換性鈣、鎂、有效硼、水溶性氯與土壤其他屬性指標(biāo)的關(guān)系

由表5可知：土壤交換性鈣含量與pH以及有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀和速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，與有效磷和有效硼含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤交換性鎂與pH以及有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，與全鉀、有效硼和有效硫含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤有效硼含量與有機(jī)質(zhì)、全氮、水解性氮、有效磷、速效鉀和有效硫含量呈極顯著正相關(guān)，與pH和全鉀含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤水溶性氯含量與有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、水解性氮、有效磷、速效鉀、有效硼和有效硫含量呈極顯著正相關(guān)，與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表5 土壤養(yǎng)分含量間的相關(guān)分析Tab.5 Correlations among soil nutrient

2.3 土壤養(yǎng)分的空間變異特征

由表6可知：土壤交換性鈣和交換性鎂最佳半方差函數(shù)擬合模型為球型，有效硼和水溶性氯分別為指數(shù)型和高斯型。其中，有效硼和水溶性氯擬合效果較好，R2分別為0.901和0.874，交換性鈣和交換性鎂的擬合次之，R2分別為0.569和0.723。4種土壤養(yǎng)分的塊基比為25%～75%，表明空間自相關(guān)性為中等，其變異由自然因素(母質(zhì)、地形和氣候等)和隨機(jī)性因素(耕作、施肥和灌水等)同時(shí)作用產(chǎn)生，且其變程差異較大，依次為：交換性鈣>交換性鎂>水溶性氯>有效硼。有效硼半方差函數(shù)變程為0.211 km，說(shuō)明其變異以小范圍為主；交換性鈣最佳半方差函數(shù)變程最大，為1.429 km，表明其變異以大塊狀為主，且在1.429 km的范圍內(nèi)空間自相關(guān)性較高；交換性鎂和水溶性氯的變程分別為0.378 km和0.362 km。

表6 土壤養(yǎng)分含量的空間變異特征Tab.6 Geospatial feature values of soil

3 討論

本研究表明：文山州土壤交換性鈣含量總體處于豐富或極豐富等級(jí)，土壤供鈣能力較強(qiáng)；交換性鎂以適宜或豐富等級(jí)為主，鈣鎂比失調(diào)嚴(yán)重，其中硯山、文山、丘北和富寧的土壤交換性鈣、鎂顯著高于優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)的適宜要求，廣南、馬關(guān)、西疇和麻栗坡最接近適宜值，變異系數(shù)較高，這與譚軍等[19]的研究結(jié)果一致。鈣、鎂存在明顯的空間異質(zhì)性，西北高、中間低、東南高，均質(zhì)性較差(塊基比為25%～75%)，主要受成土母質(zhì)和施肥等自然和人為因素共同作用的影響。一方面，成土母質(zhì)是土壤形成的基礎(chǔ)，土壤鈣、鎂等礦物組成與成土母質(zhì)和土壤類(lèi)型有關(guān)。文山州地處熱帶和南亞熱帶，成土母質(zhì)為石灰?guī)r、砂巖和頁(yè)巖[19]，在炎熱多雨氣候的強(qiáng)烈風(fēng)化作用下，土壤酸性強(qiáng)，母質(zhì)中鈣、鎂風(fēng)化形成交換性離子形態(tài)，加之喀斯特地形起伏大，生態(tài)氣候類(lèi)型復(fù)雜，導(dǎo)致各煙區(qū)土壤交換性鈣、鎂含量差異明顯；另一方面，部分煙農(nóng)在種植烤煙及前作蔬菜、油菜、花生、生姜和三七時(shí)，施入生石灰及鈣、鎂、磷肥較多，部分鈣、鎂積累在土壤中，導(dǎo)致鈣鎂比失衡。本研究中，交換性鈣、鎂含量與pH及有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀和速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，近年來(lái)，文山土壤pH降低，有機(jī)質(zhì)和速效氮、磷、鉀含量逐年升高[20-21]，也是造成土壤鈣、鎂含量升高的原因之一。有研究表明：土壤交換性鈣、鎂含量及鈣鎂比高會(huì)降低煙株對(duì)鈣、鎂的吸收，植煙土壤適宜的鈣鎂比為5～10，小于或大于這一范圍均可引起煙株生理性缺鈣和鎂[3]，鈣、鎂可減少土壤磷的固定，使土壤有效磷增加[5]。本研究結(jié)果顯示：文山州植煙土壤鈣鎂比在7.41～22.19，其中文山、硯山、廣南、馬關(guān)、麻栗坡和西疇鈣鎂比大于10，為10.53～22.19，丘北和富寧鈣鎂比分別為7.41和9.51，說(shuō)明除丘北和富寧外，其他煙區(qū)應(yīng)增施有機(jī)肥，控制含鈣肥料或煙草專(zhuān)用復(fù)合肥中含鈣原料的使用，以降低鈣鎂比。同時(shí)，可根據(jù)鈣鎂與氮磷的協(xié)同效應(yīng)，通過(guò)追施鎂肥和調(diào)節(jié)氮、磷施入量，調(diào)節(jié)鈣、鎂、磷、鉀等肥料的均衡，控制烤煙對(duì)鈣的吸收，增加煙葉含鎂量，實(shí)現(xiàn)文山州煙草優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

本研究顯示：文山州植煙土壤有效硼和水溶性氯中度和重度缺乏較普遍，呈各向異性分布，具有中等空間自相關(guān)性，其中氯的分布與譚軍等[12]的研究結(jié)果一致。在烤煙生產(chǎn)中，土壤有效硼是至關(guān)重要的因子[9]，研究區(qū)有效硼低和均質(zhì)化主要受成土母質(zhì)和土壤類(lèi)型的影響[22]，文山煙區(qū)砂質(zhì)土和酸性紅壤占比高，砂質(zhì)土有效硼更易淋失[23]，同時(shí)，有效硼受pH、有機(jī)質(zhì)、水解性氮、有效磷和速效鉀等土壤屬性因素的影響，其中有機(jī)質(zhì)能與硼產(chǎn)生吸附或螯合等固定硼，又可礦化釋放硼從而提高土壤硼含量[8]?？緹熚盏穆扔?1.8%來(lái)自于土壤[12]，土壤氯的缺乏勢(shì)必影響煙葉氯含量，文山煙區(qū)降水和灌溉的淋溶作用、種植烤煙時(shí)限制施用含氯肥料或前作的吸收均可使土壤中氯被大量帶走，這是導(dǎo)致土壤水溶性氯普遍偏低和分布異質(zhì)性的直接原因。有研究表明：保持和提升土壤有機(jī)質(zhì)水平可有效提高氯養(yǎng)分效率[13]，本研究在大區(qū)域尺度上也有類(lèi)似的結(jié)果。

4 結(jié)論

文山州土壤交換性鈣含量較高，有效硼和水溶性氯含量中度和重度缺乏，文山、硯山、丘北、馬關(guān)、廣南和麻栗坡的鎂含量適中，西疇和富寧約10%的土壤缺鎂。在烤煙生產(chǎn)中，應(yīng)控制鈣肥施用，通過(guò)追施鎂肥和調(diào)節(jié)氮、磷施入量，實(shí)現(xiàn)鈣、鎂、磷、鉀施用均衡，降低鈣鎂比。同時(shí)，采取適宜的施肥方式補(bǔ)硼、氯和鎂，可利用硼和氯與土壤有機(jī)質(zhì)、水解性氮、有效磷和速效鉀的協(xié)同正效應(yīng)，通過(guò)合理施用有機(jī)肥改善硼和氯的有效性，提高煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)。