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湘西植烟土壤有效硼时空变异及影响因素研究

2019-07-01闫晨兵田明慧向德明张黎明周米良

中国土壤与肥料 2019年3期
关键词:植烟母质硼肥

田 鹏,闫晨兵,田明慧,,向德明,田 峰,张黎明,,周米良,李 强*

(1.湖南农业大学农学院,湖南 长沙 410128;2.湖南省烟草公司湘西州公司,湖南 吉首 416000)

在烤烟生长发育和品质形成的过程中,硼是必需的微量元素之一,具有重要的生理作用[1-2],不但影响干物质形成和产量,而且对烤后烟叶可用性具有重要的影响[3]。硼参与细胞伸长、细胞分裂、核酸代谢、蛋白质代谢和碳水化合物代谢,影响生长素代谢和细胞分裂素合成和生物碱合成,影响木质素和细胞壁的形成,维持细胞膜的正常功能;缺硼会导致烟草叶片卷曲、增厚发脆,茎干输导组织发育不良,节间缩短,顶芽坏死[4]。在我国南方烟区,土壤缺硼比较普遍,主要是由于南方烟区降水量较大,在酸性条件下,硼以中性分子态H3BO3存在,很容易从土壤中随水分淋失[4]。如许自成等[5]研究发现湖南烟区有93.40%的植烟土壤缺乏有效硼,李强等[6]对曲靖烟区,穆童等[7]对罗平烟区,张薇等[8]对重庆烟区的研究表明,我国南方烟区土壤普遍存在不同程度的有效硼缺乏问题。以上研究也为烟区施用硼肥提供了科学依据,多个烟区开展了硼肥施用试验,并在基肥中掺配了硼肥[8-11]。

湘西州是湖南省重要烤烟产区,烟叶质量一直得到省内外卷烟工业企业青睐,湘西州自2001年起便开始在基肥配方中掺混硼肥,有关湘西植烟土壤有效硼含量的丰缺评价已有报道[12],但有关烟区植烟土壤连续施用硼肥后,有效硼含量的时间和空间变异的研究未见报道。开展烟区植烟土壤有效硼的时空变异研究,对于细化烤烟硼素管理有重要的指导意义。鉴于此,笔者利用湘西2000年和2015年两个年份的植烟土壤有效硼数据开展研究,揭示15年间湘西植烟土壤有效硼的时空变异特征,以为湘西烟区硼元素管理决策提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 区域自然概况

湘西是湖南主产烟区之一,位于东经109°10′~110°22.5′, 北 纬 27°44.5′~ 29°38′之 间, 全 州 东西宽约170 km,南北长约240 km,总面积15 462 km2。地势西北高,东南低,平均海拔为672 m。湘西多石灰岩分布,岩石层较为疏松;西北石英砂岩密布,因地壳作用形成小片峰。东西部因为地处河流冲积地区,地势较为平缓,且土壤肥沃,适于耕种。总体地形多山脉和平原,海拔整体偏高,日照较为充足。湘西受季风影响明显,夏季受夏季风控制,温度较高,降水充沛,适宜烟草生长,冬季受北方季风控制,低温干燥。年平均气温为16.5~17.5℃,平均降水1 290~1 600 mm,日照时数平均在1 406~1 219 h。海拔起伏较大,土壤类型丰富。

1.2 样品采集和分析

使用GPS定位技术,在湘西烟区分别于2000年和2015年进行了土壤取样,采取五点取样法或“W”形取样法,取耕层土壤0~20 cm的土样,2000年采集了446个耕层土样,2015年采集了1 242个耕层土样,取样点主要根据湘西烤烟种植布局确定,同时兼顾海拔、成土母质、地形地貌等因素。每个田块5~10个点取样,混匀后采用四分法取大概500 g土样带回实验室经风干、研磨后过筛制成待测样品,进行土壤有效硼含量和有机质测定,具体测定方法参照鲁如坤[13]的方法。

图1 土壤取样点分布图

1.3 土壤有效硼评价标准

参照黎娟等[12]的研究结果,制定了湘西烟区有效硼含量的丰缺评价标准,具体分为以下5个等级:极低(<0.15 mg/kg)、低(0.15~0.30 mg/kg)、适宜(0.30~0.60 mg/kg)、高(0.60~1.00 mg/kg)、极高(>1.00 mg/kg)

1.4 数据分析

采用SPSS 17.0进行描述性统计和K-S检验(Kolmogorov-Smirnov test)[14]。轮作方式、土地利用方式、土壤母质和地形为多分类变量,进行回归分析时采用哑变量为其赋值[14]。实验半方差函数模型的计算和理论模型拟合采用GS+9.0软件完成[15],克里格插值(Kriging)、绘图及面积统计均在 ArcGIS 10.2.2 软件实现[16-17]。

2 结果与分析

2.1 植烟土壤有效硼基本统计特征年代变化

15年来,湘西植烟土壤微量元素变化较大,2015年土壤有效硼均值较2000年上升了0.43 mg/kg,增幅达204.76%,从“低”水平变为“高”水平,最小值、最大值、变异系数、极差均变大。K-S检验结果表明,2个年份的土壤有效硼服从正态分布或对数正态分布。土壤有效硼含量在大幅增加的同时,其变异也在变大。

表1 不同时期湘西植烟土壤有效硼含量状况

进一步对湘西植烟土壤有效硼的等级分布情况进行了分析(表2),与2000年相比,2015年土壤有效硼“极低”和“低”等级的样品比例分别下降了16.39和64.16个百分点。相应的,土壤有效硼“适宜”、“高”和“极高”等级的样品比例分别增加了38.43、30.43和11.67个百分点,表明烟区土壤有效硼偏高的土壤样品比例增加明显。

2.2 植烟土壤有效硼时空变异特征

分别采用高斯模型、指数模型、环状模型和球状模型对2个年份植烟土壤有效硼含量进行拟合,发现2000年和2015年植烟土壤有效硼最佳函数模型为球状模型和指数模型(表3),具有较高的拟合精度(RMSSE接近1,MSE接近0),能够很好地反映土壤有效硼的空间结构特征。2000年土壤有效硼的块金效应数值<25%,2015年的土壤有效硼的块金效应在25%~75%之间,说明2000年土壤有效硼的空间变异主要由结构因素决定,2015年的土壤有效硼的空间变异由随机因素和结构因素共同决定。土壤有效硼块金效应数值的增大,反映出随机性因素对土壤有效硼的作用变大,表明植烟土壤有效硼的空间结构性减弱,随机变异性增强。

表2 不同时期湘西州土壤样品有效硼等级分布变化

表3 土壤有效硼半方差函数模型及相关参数比较

2.3 土壤有效硼时空分布变化

采用普通克里格插值法获取2000年和2015年湘西植烟土壤有效硼含量空间分布图(图2),并利用ArcGIS软件统计不同等级的面积。两个时期土壤有效硼含量空间分布规律均不明显,2015年湘西植烟土壤有效硼分级面积与2000年相比发生较大变化(图2和表4)。

2000年土壤有效硼含量总体较低,“极低”和“低”等级的植烟土壤面积分别为1.64%和93.27%,“适宜”等级的面积比例仅为5.09%。2015年植烟土壤有效硼含量较2000年有大幅增加的趋势,新增了2000年未出现的“高”和“极高”等级,所占比例分别为18.39%和1.17%,“适宜”等级面积比例增至78.36%,“低”等级面积所占比例大幅下降至2.08%。

图2 湘西植烟土壤有效硼含量时空分布

表4 不同时期土壤有效硼各等级面积统计及变化

2.4 土壤有效硼的影响因素

2.4.1 海拔

相关分析结果表明,土壤有效硼的含量随着海拔的升高而显著提升(n=1 242,r=0.320,P=0.000)。采用决策树模型的分析结果表明(图3),海拔高度对土壤有效硼含量影响的拐点为520.2、791.0和839.7 m,3个拐点将海拔高度划成4个分组:≤520.2 m、520.2~791.0 m、791.0~839.7 m和>839.7 m,4个海拔分组下土壤有效硼含量分别为0.517、0.588、0.755和1.001 mg/kg,土壤有效硼含量在不同海拔分组间差异极显著。

图3 海拔高度对土壤有效硼含量影响的决策树分析

2.4.2 地形地貌和成土母质

湘西烟区的地形地貌主要有山地、低山和丘陵,土壤有效硼含量在3种地形间存在极显著差异(表5),其中山地为“高”等级,丘陵和低山为“适宜”等级。从变异程度来看,3种地形植烟土壤的有效硼均为中等程度变异。湘西植烟土壤主要成土母质为坡积物、残积物、冲积物和洪积物,有效硼含量在4种成土母质间存在极显著差异(表6),由高到低依次为坡积物、洪积物、残积物和冲积物,其中坡积物为“高”等级,其他土壤母质为“适宜”等级。从变异程度来看,4种土壤母质均表现为中等程度变异。

表5 湘西不同地形土壤有效硼含量

表6 湘西不同成土母质土壤有效硼含量

2.4.3 土地利用类型和轮作制度

湘西植烟土壤的利用类型主要是旱地和水田,旱地和水田植烟土壤有效硼含量分别为3.64和2.64 mg/kg,2种土地利用类型土壤有效硼含量差异极显著(表7)。湘西烟草轮作模式主要有烟-空闲-烟、烟-玉米-烟、烟-绿肥-烟、烟-油菜-烟和烟-稻-烟,不同轮作模式土壤有效硼含量差异显著或极显著。其中以烟-空闲-烟种植模式下的土壤有效硼含量最高,属于“高”等级,显著或极显著高于其他轮作模式,烟-绿肥-烟、烟-油菜-烟和烟-稻-烟3种模式为“适宜”等级(表8)。

表7 湘西不同土地利用类型土壤有效硼含量

表8 湘西不同轮作模式土壤有效硼含量

2.4.4 有机质

湘西植烟土壤有效硼含量与有机质含量呈极显著正相关关系(n=1 242,r=0.201,P=0.000)。决策树模型分析的结果表明(图4),土壤有机质含量对有效硼影响的拐点为16.50、19.94和27.00 g/kg,该拐点将有机质划成4个分组:≤16.5 g/kg、16.5~ 19.94 g/kg、19.94 ~ 27.00 g/kg和>27.00 g/kg,4组土壤有效硼含量分别为0.389、0.537、0.623和0.724 mg/kg,土壤有效硼含量在这4个分组间差异极显著,随有机质增加土壤有效硼含量呈现大幅升高的趋势。

图4 有机质对土壤有效硼含量影响的决策树分析

2.4.5 各因素对土壤有效硼影响的大小

以上分析可以定性分析各因素对土壤有效硼影响的差异性,但不能定量比较各因素对有效硼影响的大小。采用回归分析的方法,比较各因素与有效硼回归方程的校正决定系数,从而确定各因素对土壤有效硼含量变异影响的大小(表9)。各因素中,以海拔高度对土壤有效硼含量变异的独立解释能力最大,能解释其变异的10.2%,其次是土壤有机质,能解释其变异的4.0%,其他对土壤有效硼含量独立解释能力在2.0%以上的还有土地利用方式、轮作方式、地形和土壤母质因素,分别能解释有效硼含量变异的3.4%、3.3%、3.3%和2.4%,其他因素对土壤有效硼含量独立解释能力较小(数据未列出),均在2.0%以下,和前文的分析结果基本一致。所入选的6项因素对土壤有效硼含量变异的解释能力总和为26.5%。

表9 土壤有效硼含量与部分影响因素的回归分析

3 讨论

湘西植烟土壤有效硼平均含量由2000年的0.21 mg/kg增加到2015年的0.64 mg/kg,平均增加了0.43 mg/kg,增幅达204.76%,整体水平从“低”水平变为“高”水平;从不同等级的面积变化来看,土壤有效硼“极低”和“低”等级的样品比例分别下降了16.39和64.16个百分点,而“适宜”、“高”和“极高”等级的样品比例分别增加了38.43、30.43和11.67个百分点,表明烟区土壤有效硼偏高的土壤样品比例增加明显。2000年的丰缺状况,与许自成等[5]和黎娟等[12]早年研究的结果基本一致,但值得关注是截止2015年,湘西龙山县及永顺县部分地区土壤已经出现有效硼“极高”等级,如果不采取措施,按照目前有效硼的增速,未来湘西土壤将可能面临有效硼含量过多,甚至导致烟株产生硼毒害等现象,需要引起重视。

海拔、地形地貌、成土母质、土地利用类型、轮作制度及土壤有机质等均对土壤有效硼含量有显著影响。本研究中海拔高度对植烟土壤有效硼影响显著,有3个重要拐点,当海拔上升至520.2、791.0和839.7 m时,植烟土壤有效硼含量变化较大,有效硼含量随着海拔的上升而显著提高。不同地形地貌的土壤中有效硼含量之间差异较大,可能是由于不同地形土壤有效硼的涵养和流失能力不同。不同的成土母质的土壤有效硼的差异极显著,可能与不同母质的硼素背景值以及成土过程有关。旱地植烟土壤的有效硼含量极显著高于水旱轮作植烟土壤,主要原因可能与水田硼素易随水流失有关。土壤有效硼含量呈现随有机质增加大幅升高的趋势,可能与有机质对有效硼的吸持,以及有机质通过微生物提高土壤中硼的有效性有关[18]。以上6项指标对土壤有效硼含量变异的累计解释能力仅为26.5%,尚有73.5%的土壤有效硼含量变异未能得到解释,说明了土壤有效硼的影响因素的复杂性,还需要结合气候、土壤类型、农艺措施等因素进一步加强研究。

综上,针对2000年植烟土壤有效硼极度缺乏的状况,湘西烟区大力推广硼肥施用,经过15年来硼肥的持续施用,湘西烟植土壤有效硼大幅增加,目前比较适合烟草生长,但部分地区有效硼等级达到“极高”标准。因此应针对不同区域采取硼肥差异化管理方案,针对有效硼缺乏的区域,应继续保持当前硼素投入量,而针对有效硼“高”和“极高”的区域应适当减少硼肥用量,以节约成本和防止发生硼素毒害的现象。

4 结论

15年来,湘西植烟土壤有效硼平均增加了0.43 mg/kg,增幅达204.76%,从“低”水平变为“高”水平,2015年土壤有效硼“极低”和“低”等级的样品比例分别下降了16.39和64.16个百分点,而“适宜”、“高”和“极高”等级的样品比例分别增加了38.43、30.43和11.67个百分点。有效硼增加的同时,其变异也在变大,2000年土壤有效硼的空间变异主要由结构因素决定,2015年的土壤有效硼的空间变异由随机因素和结构因素共同决定。海拔、地形地貌、成土母质、土地利用类型、轮作制度及土壤有机质等均对土壤有效硼含量有显著影响。

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