湘西州植烟土壤有效铜时空变异特征研究

田明慧 向德明 闫晨兵 田茂成 张黎明 李强

摘要：以湘西州2000年和2015年兩个年份采集的土壤样品有效铜数据为研究对象，其中2000年土壤样品为446个，2015年为1 242个，采用经典统计学和地统计学的方法分析了湘西州烟区土壤有效铜的描述性统计特征、时空变异格局。结果表明，从基本统计特征和分布频率来看，15年间湘西州植烟土壤有效铜含量均值由1.05 mg/kg上升到1.89 mg/kg，上升幅度达80%，不同等级的土壤样品有效铜分布频率变化较大，与2000年相比，2015年土壤有效铜适宜等级的样品比例减少了32.35个百分点。同时，极低、低、高和极高等级的样品比例分别增加了1.93、1.49、12.00和16.93个百分点，表明烟区土壤有效铜含量增加的同时，呈现出两极分化的特点。从时空变异来看，15年间，土壤有效铜块金效应增大，随机性因素对土壤有效铜空间变异影响增强，土壤有效铜分形维数减小，表明有效铜呈现出更多较大尺度上的变异特点。从时空分布的变化来看，2015年土壤有效铜含量高和极高等级的面积增加明显，分别增加了33.94%和10.94%;而适宜等级则大幅下降，比2000年下降了45.01%。

关键词：湘西州;植烟土壤;有效铜;时空变异

中图分类号：S572;S153.6         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）20-0068-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.20.014           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Temporal and spatial variation characteristics of available Cu

in tobacco planting soil in Xiangxi state

TIAN Ming-hui1，XIANG De-ming1，YAN Chen-bing2a，2b，TIAN Mao-cheng1，ZHANG Li-ming1，LI Qiang2a，2b

（1.Hunan Tobacco Company Xiangxi State Company，Jishou 416000，Hunan，China;

2a.College of Agronomy;2b.College of Bioscience and Biotechnology，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China）

Abstract： The descriptive statistical characteristics and temporal and spatial variations of available copper in tobacco soils in Xiangxi state（western Hunan） were analyzed by classical statistics and geostatistics based on the data of soil samples collected in 2000 and 2015， and there were 446 soil samples in 2000 and 1 242 soil samples in 2015. The results showed that the average content of available copper in tobacco-growing soils in western Hunan increased from 1.05 mg/kg to 1.89 mg/kg in the past 15 years， with an increase of 80%. However， the distribution frequency of available copper in soil samples of different grades changed greatly. Compared with 2000， the ratio of samples of suitable grade of soil available copper in 2015 was higher. The number of cases decreased by 32.35 percentage points. At the same time， the proportion of extremely low， low， high and extremely high grade samples increased by 1.93， 1.49， 12.00 and 16.93 percentage points， respectively， indicating that the soil available copper content in tobacco growing areas increased at the same time， showing the characteristics of two-stage differentiation. From the perspective of spatial and temporal variability， the nugget effect of available copper in soil has increased in the past 15 years， and the random factors have enhanced the spatial variability of available copper in soil， and the fractal dimension of available copper in soil has decreased， which indicates that available copper has more large-scale variability characteristics. In terms of spatial and temporal distribution， the area of high and extremely high soil available copper content increased significantly in 2015， increasing 33.94% and 10.94%， respectively， while the suitable soil copper content decreased significantly， by 45.01% compared with 2000.

Key words： Xiangxi state; tobacco planting soil; available Cu; spatio-temporal variability

烟草是产量和品质兼顾的经济作物[1]，在烤烟生长发育和品质形成的过程中，除了氮磷钾等大量元素，锌硼铜等微量元素对烤烟也具有重要的生理作用[2]。铜主要存在于烟株生长活跃的部位[3]，是多种酶的组成成分，铜参与烟株中的氧化还原反应，促进细胞内的蛋白质、糖的代谢，能增强烟株的抗性[4]，缺铜会导致烟株体内还原糖减少，抗病能力下降，而铜过量会使烟株出现铜毒症状[5]。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[6]。近年来，有学者对湘西植烟土壤中的有效锌[7]、有效硼[8]、有效铜[9]、有效锰[10]等微量元素进行了大量研究[11]，但这些研究大多集中分析营养元素在空间上的分布以及探索其变化规律。由此，本研究利用湘西2000年和2015年两个年份的所得数据，揭示15年间湘西植烟土壤有效铜时空变异特征，为湘西烟区铜元素管理和实现烟叶优质适产提供科学依据[12]。

1  材料与方法

1.1  区域自然概况

湘西位于湖南省西北部，地处湘鄂黔渝4省市交界处，是湖南省烤烟主产区之一，位于东经109°10′—110°22.5′，北纬27°44.5′—29°38′，全州东西宽约170 km，南北长约240 km，总面积15 462 km2。地势由西北向东南倾斜，平均海拔800～200 m，西北边境龙山县的大灵山海拔1 736.5 m，为州内最高点;泸溪县上堡乡大龙溪出口河床海拔97.1 m，为州内最低点。

湘西州西南石灰岩分布极广，岩溶发育充分，多溶洞、伏流;西北石英砂岩密布，因地壳作用形成小片峰。东西部为低山丘陵区，海拨200～500 m，溪河纵横其间，两岸多冲积平原。地貌形态的总体轮廓是一个以山原山地为主，兼有丘陵和小平原，并向北西突出的弧形山区地貌。湘西州属亚热带季风湿润气候，具有明显的大陆性气候特征。夏半年受夏季风控制，降水充沛，气候温暖湿润，冬半年受冬季风控制，降水较少，气候较寒冷干燥。年平均气温16.5～17.5 ℃，平均降水量1 290～1 600 mm，日照时数1 219～1 406 h。土壤类型有水稻土、潮土、红壤、黄壤、黄棕壤、石灰土和紫色土等。

1.2  样品采集和分析

研究共收集2个时期耕地土壤有效铜含量数据。第1期源于2000年湘西州第一次植烟土壤普查资料;第2期数据于2014年11—12月采集土壤样品带回实验室分析获得。2015年在土壤冬翻前，选取667 m2以上的田块进行取样，首先选取667 m2以上的田块，用手持式GPS定位，记录田块中心的经纬度和海拔，根据采样田块的形状，采取五点取样法或“W”形取样法，用土钻采集耕作层土壤（0～20 cm），每个田块确保采集5点以上，并用四分法取大约500 g土样带回实验室风干、过筛备用。土样核对编号后，经风干、磨细、过筛后制成待测样品，进行土壤有效铜含量测定，具体测定方法参照鲁如坤[13]的方法。2000年土壤样品为446个，2015年为1 242个。

1.3  土壤主要养分评价标准

参照前人的研究结果[7-9]，制定了湘西州植烟土壤有效铜的评价标准，将有效铜的级别分为极低（≤0.20 mg/kg）、低（0.20～0.50 mg/kg）、适宜（0.50～1.00 mg/kg）、高（1.00～3.00 mg/kg）、极高（≥3.00 mg/kg）5级。

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]。完成试验半方差函数模型的计算，理论模型拟合采用GS+9.0软件完成[15]，克里格插值（Kriging）、概率克里格插值（Probability Kriging）、绘图及面积统计均在ArcGIS 10.2.2软件实现[16-18]。

2  结果与分析

2.1  植烟土壤有效铜基本统计特征年代变化

由表1可知，土壤有效铜上升明显，2015年土壤有效铜均值较2000年上升了0.84 mg/kg，上升幅度达80%，一直处于高水平，极小值变小，而变异系数、极大值、极差均变大。表明有效铜含量在大幅增加的同时，其变异也在变大。

进一步对湘西州植烟土壤有效铜的等级分布情况进行了分析（表2），与2000年相比，2015年土壤有效铜“适宜”等级的样品比例减少了32.35个百分点。同时，“极低”“低”“高”和“极高”等级的样品比例分别增加了1.93、1.49、12.00和16.93个百分点，表明烟区土壤有效铜含量增加的同时，呈现出两极分化的特点。

2.2  植烟土壤有效铜时空变异特征

采用多种函数模型对植烟土壤有效铜进行拟合，获得湘西州植烟土壤有效铜的最佳函数模型及其相关参数（表3），2000年土壤有效铜最佳函数模型为指数模型，2015年有效铜的最佳函数模型为高斯模型，模型均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铜的空间结构特征。

2000年和2015年的植烟土壤有效铜的块金效应均在25%～75%，表明系统具有中等的空间相关性，说明土壤有效铜的空间变异由随机因素和结构因素共同决定，2015年的块金效应数值较2000年有所增大，反映随机性因素对土壤有效铜的作用变大，表明植烟土壤有效铜的空间结构性减弱，随机变异性增强。经计算，15年间土壤有效铜Moran's I有较大上升，且Moran's I的标准化（Z）在15年间均有不同程度上升，表明15年间土壤有效铜空间自相关性在减弱，随机性因素对有效铜的影响在增强。两个年份的土壤有效铜标准化（Z）分别为2.682和2.758，均大于2.58，表明兩个年份土壤有效铜表现为显著空间自相关。进一步利用分形维数（FD）对两个年份的土壤有效铜的空间结构特点进行定量分析，发现2015年植烟土壤有效铜的分形维数与2000年相比均有所减小，表明湘西州植烟土壤有效铜呈现出更多较大尺度上的变异特点，其随机变异所占比例减少。

2.3  土壤有效铜时空分布变化

采用普通克里格插值法获取2000年和2015年湘西州植烟土壤有效铜含量空间分布，结果见图1，并利用ArcGIS软件自带的Arc Toolbox模块统计不同等级的面积。两个时期土壤微量元素含量空间分布规律均不明显，2015年湘西州植烟土壤微量元素分级面积与2000年相比发生较大变化（图1和表4）。

2000年土壤有效铜含量总体偏高，适宜和高等级的植烟土壤面积所占比例分别为56.97%和43.02%，低等级的植烟土壤仅占0.01%;2015年植烟土壤有效铜含量较2000年有较大幅度增加，新增了2000年未出现的极高等级，面积所占比例为10.94%，高等级面积所占比例增加至76.96%，相应地，适宜等级面积由原先的56.97%下降到11.96%，低等级面积所占比例变化不大。

3  小结与讨论

湘西州2015年土壤有效铜均值较2000年上升了0.84 mg/kg，增幅达80%，一直处于高水平，但变异性在增强。2000年土壤有效铜含量总体较适宜，适宜的植烟土壤面积所占比例为56.97%，高等级的植烟土壤面积比例为43.02%。2015年植烟土壤有效铜含量较2000年有增加趋势，新增了2000年未出现的极高等级，面积所占比例为10.94%，高等级亦增加至79.96%，适宜等级面积所占比例减少至11.96%，低等级的面积变化不大。综上所述，15年间湘西州植烟土壤有效铜含量呈增加趋势，这与微肥投入增加有关。

充足的营养元素是烤烟优质适产的重要条件[19]，但许多烟区均存在土壤中营养元素不平衡或缺乏的问题，有学者对此进行了大量研究，对保山[20]、铜仁[21]、邵阳[22]等烟区微量元素进行了丰缺评价，并探究了其原因和变化规律，研究表明，不同烟区土壤微量元素丰缺情况存在较大差异，这可能与区域地形地貌、成土母质、气候条件、耕作方式等因素有关。本研究表明，2000年湘西州植烟土壤有效铜均存在缺乏现象，这可能与烟农忽视了微量元素肥料的补充有关，2015年土壤有效铜均有大幅增加，烟叶对铜具有一定富集作用，对烟叶质量造成损害[23]。所以，及时掌握土壤有效铜丰缺情况，对科学使用微肥，提高烟叶产量、质量具有重要意义。

参考文献：

[1] 李  强，周冀衡，杨荣生，等.马龙县植烟土壤养分空间变异特征及适宜性评价[J].土壤，2011，43（6）：897-902.

[2] 韩锦峰.烟草栽培生理[M].北京：中国农业出版，2003.

[3] 张隆伟，伍仁军，王昌全，等.四川凉攀烟区植烟土壤有效铜和有效锌空间变异特征[J].中国烟草科学，2014，35（3）：1-6.

[4] 陈佳威.铜肥施用方式对凉烟2号生长发育及产量品质的影响[D].四川雅安：四川农业大学，2013.

[5] 郭  燕，毕庆文，许自成，等.恩施烟区土壤有效铜含量与烤烟铜含量的关系[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2009， 37（6）：85-91.

[6] 邓小华，张  瑶，田  峰，等.湘西植烟土壤pH和主要养分特征及其相互关系[J].土壤，2017，49（1）：49-56.

[7] 黎  娟，刘  逊，邓小华，等.湘西植烟土壤有效锌含量及其变化规律研究[J].云南农业大学学报，2012，27（2）：210-214，240.

[8] 黎  娟，邓小华，王建波，等.喀斯特地区植烟土壤有效硼含量分布及其影响因素——以湘西州烟区为例[J].土壤，2013，45（6）：1055-1061.

[9] 黎  娟，周清明，邓小华，等.湘西植烟土壤有效铜含量及分布规律研究[J].北京农学院学报，2013，28（1）：4-7.

[10] 田茂成，黎  娟，田  峰，等.湘西植烟土壤有效锰含量及变化规律研究[J].湖北农业科学，2013，52（17）：4103-4106.

[11] 邓小华，张  瑶，田  峰，等.湘西州植烟土壤pH和中微量元素分布及其相关关系[J].烟草科技，2017，50（5）：24-30.

[12] 李迪秦，龚湛武，陈一凡，等.不同播种移栽期对烤烟产量与品质影响的多指标模糊评价[J].核农学报，2017，31（11）：2258-2264.

[13] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业科技出版社，2000.

[14] 郝黎仁，樊  元，郝哲欧.SPSS实用统计分析[M].北京：中国水利水电出版社，2002.

[15] 王政权.地统计学及在生态学中的应用[M].北京：科学出版社，1999.

[16] 王淑英，胡克林，路  苹，等.北京平谷区土壤有效磷的空间变异特征及其环境风险评价[J].中国农业科学，2009，42（4）：1290-1298.

[17] 路  鹏，彭佩钦，宋变兰，等.洞庭湖平原区土壤全磷含量地统计学和GIS分析[J].中国农业科学，2005，38（6）：1204-1212.

[18] 吴秀芹，张洪岩，李瑞改，等.ArcGIS9地理信息系统应用与实践（下册）[M].北京：清华大学出版社，2007.463-517.

[19] 杨荣生.曲靖市植烟土壤分析与评价[M].北京：科学出版社，2012.

[20] 程昌新，闫  辉，尹兴盛，等.保山烟区植烟土壤有效硼和有效锌含量丰缺评价[J].云南农业大学学报（自然科学），2015， 30（5）：804-809.

[21] 陈  博，任艳芳，段建军，等.贵州铜仁主要烟区植烟土壤有效态微量元素含量及评价[J].西北农业学报，2012，21（7）：107-111.

[22] 鄒  凯，邓小华，李永富，等.邵阳烟区植烟土壤有效硼含量及空间分布研究[J].中国农业通报，2014，30（20）：175-180.

[23] 高琨阳.烤烟中重金属铜、镉、锌的累积及其控制研究[D].昆明：昆明理工大学，2012.