石门县植烟土壤主要微量元素的分布特征

曹明锋，邓 勇，祝 利，龙世平，张方旭，彭斯文，廖超林

（1. 常德市烟草公司，湖南 常德 425000；2. 湖南省农业环境生态研究所，湖南 长沙410125；3. 湖南农业大学，湖南 长沙 410128）

土壤微量营养元素的丰缺关系到烤烟对微量元素的吸收、积累，进而影响烤烟的生理功能及品质，已成为制约某些烟田烤烟生长的限制因素[1]。海拔是影响土壤微量营养元素丰缺的因子之一，主要通过影响气温、降雨及土壤风化而影响土壤有效营养元素分布[2]。柏松等[3]研究发现，随海拔的增加，土壤中Fe 等微量元素也增加；Magnani 等[4]研究发现，耕层土壤Co、Zn、Cr 和Ni 有效态含量与海拔呈显著负相关关系；Hardy 等[5]却提出了相反的变化规律，认为耕层土壤有效态Cu、Zn 和Mn 等微量元素与海拔呈显著正相关关系，其含量随着海拔的增加而升高。

湖南石门县具有悠久的烤烟种植历史，已成为湖南省主要烤烟产区之一，其植烟土壤的海拔跨度较大，但至今尚未见有关海拔对土壤主要微量元素影响的报道。因此，研究在石门县9 个乡镇的28 个村采集了429 个植烟土壤样本，分析了不同海拔高度的植烟土壤有效态Fe、Zn、Cu、B 及水溶性Cl 的分布特征及其与海拔的相关关系，以期为山地烟区烤烟种植区划、微肥的合理施用及烟叶品质提升提供依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与测定

于烟田翻耕前，在石门县9 个乡镇的28 个村选择均为石灰岩风化母质发育的多年植烟土壤，采集0～20 cm 耕层土壤样品 429 个，其中大同山镇、壶瓶山镇、南镇镇、三圣乡、所街镇、太平镇、维新镇、新铺镇、皂市镇的采集样本数量分别为 35、54、33、55、62、24、64、42 和60 个。按每10 hm2左右的种植面积采集1 个样本，每个样本由5～10 点土样混合而成；GPS 记录的多点海拔均值为代表样海拔。土样室内自然风干，去杂、碾磨，过筛备用。微量元素测定方法参见文献[6-7]。

1.2 植烟土壤微量元素适宜性分级

参考1985 年在西安召开的微量元素肥料工作会议所制定的全国农业系统的土壤速效微量元素丰缺指标，同时结合已有的研究结果[8]，将植烟土壤有效Fe、Zn、Cu、B 和水溶性Cl 含量划分为极低、低、适宜、高和极高5 个等级（表1）。依据各等级比例对植烟土壤微量元素丰缺状况进行诊断。

表1 植烟土壤主要微量元素含量等级 （mg/kg）

1.3 数据处理

采用 Excel 2016、SPSS 22.0 软件进行数据处理、数据分析、最优线性回归和作图。

2 结果与分析

2.1 石门县植烟土壤主要微量元素含量的分布情况

石门植烟土壤主要微量元素含量如表2 所示，土壤有效Fe 含量为适宜等级的样本仅占3.42%，高和极高等级分别占73.50%和23.08%；土壤有效Zn 含量为适宜以上等级的样本占67.51%，低和极低等级分别占25.64%和6.84%；有效Cu 含量为适宜及高等级的样本分别占39.32%和41.88%，可满足烤烟生长发育需要；土壤有效B 含量为适宜等级的样本占19.66%，高等级以上占69.23%；水溶性Cl 含量为适宜等级的样本仅占1.71%，极低和低等级分别占59.83%和38.46%，土壤缺Cl 严重。从变异系数看，石门植烟土壤5 种微量元素指标均为强变异，其排序依次为有效Cu ＞有效Fe ＞有效Zn ＞水溶性Cl ＞有效B。

表2 石门县植烟土壤主要微量元素含量的分布情况

2.2 海拔与土壤主要微量元素含量的关系

将 样 本 按 海 拔200～300、300～400、400～500、500～600、600～700、700～800、800～900、900～1 000、1 000～1 100 和1 100～1 200 m 分为10 组，各组样本数量分别为41、33、43、51、42、50、35、57、54、23，分别统计不同海拔组主要微量元素平均值及适宜性样本分布频率（表3～7）。

2.2.1 有效Fe 10 个组的土壤有效Fe 均值范围为17.00～62.77 mg/kg；不同海拔组的土壤有效Fe 含量差异显著，其中海拔200～600 m 间的4 个组土壤有效Fe 含量显著低于海拔600 m 以上的6 个组，海拔600～700 m 组显著低于海拔1 100～1 200 m 组（表3）。从适宜性分布看，各海拔组土壤有效Fe 含量均无低和极低等级的样本。海拔200～500 m 间3 个组存在土壤有效Fe 含量为适宜等级的样本，占比为17.65%～21.43%，而海拔500 m 以上7 个组土壤样本的有效Fe 含量均为高和极高等级。将分组后的土壤有效Fe 含量与海拔进行线性拟合（图1），其最优回归方程为Y=0.047 2x+5.527 0（R2=0.746 0，F=21.780），说明土壤有效Fe 含量有随海拔增加而升高的趋势。

图1 海拔与土壤有效Fe 含量的关系

表3 不同海拔植烟土壤的有效Fe 含量分布

2.2.2 有效Zn 10 个组的有效Zn 含量均值范围为1.02～1.97 mg/kg；方差分析表明，海拔200～500 m 间3 个组土壤有效Zn 含量显著低于海拔600 m 以上6 个组的有效Zn 含量（表4）。土壤有效Zn 含量为适宜及高等级的样本比例，以海拔500～800 m 间的3 个组较高；海拔200～500 m 间3 个组土壤有效Zn 含量为低和极低等级的样本比例较高；而海拔800～1 200 m间4 个组土壤有效Zn 含量在高和极高范围的样本比例较高。将分组后的土壤有效Zn 含量与海拔进行线性拟合（图2），其最优回归方程为Y=0.000 9x+0.832 9（R2=0.694 9，F=18.004），表明土壤有效Zn 含量有随海拔增加而升高的趋势。

表4 不同海拔植烟土壤的有效Zn 含量分布

图2 海拔与土壤有效Zn 含量的关系

2.2.3 有效Cu 10 个组的土壤有效Cu 含量均值范围为0.96～1.78 mg/kg；方差分析表明，1 000～1 200 m 间2 个组的土壤有效Cu 含量显著低于200～600 m 间的4 个组和700～800 m 组（表5）。不同海拔组间土壤有效Cu 适宜样品比例以海拔1 000～1 100 m 组和1 100～1 200 m 最较高；海拔200～500 m 间的3 个组土壤有效Cu 含量存在较大比例低和极低等级的样本；海拔700 m 以上的样本土壤有效Cu 含量均处于适宜和高等级范围。将分组后的土壤有效Cu 含量与海拔进行线性拟合（图3），其最优回归方程为Y=-0.000 9x+2.056 9（R2=0.714 0，F=19.974），表明土壤有效Cu 含量有随海拔增加而降低的趋势。

图3 海拔与土壤有效Cu 含量的关系

表5 不同海拔植烟土壤的有效Cu 含量分布

2.2.4 有效B 10 个组的土壤有效B 均值范围为0.42～1.08 mg/kg；方差分析表明，海拔200～600 m 间4 个组的土壤有效B 含量显著低于800～1 200 m 间的4 个组（表6）。200～600 m 海拔间4 个组的土壤有效B 含量均存在较高比例适宜、低和极低等级的样本，而海拔600 以上的6 个组土壤有效B 含量均以高和极高等级的样本为主。将分组后的土壤有效B 含量与海拔进行线性拟合（图4），其最优回归方程为Y=0.000 5x+0.411 4（R2=0.618 7，F=12.978），表明土壤有效B 含量有随海拔增加而升高的趋势。

图4 海拔与土壤有效B 含量的关系

表6 不同海拔植烟土壤的有效B 含量分布

2.2.5 水溶性Cl 10 个组的土壤水溶性Cl 含量均值范围为3.60～6.00 mg/kg；方差分析表明，海拔200～500 m 间3 个组土壤水溶性Cl 含量明显高于600 以上6 个组（表7）。从不同海拔组间植烟土壤水溶性Cl适宜样品比例看，除海拔800～900 m 仅分布有8.33%土壤水溶性Cl 含量为适宜等级的样本外，其他海拔组土壤水溶性Cl 含量均无适宜等级以上的样本；同时，海拔200～600 m 间4 个组的土壤水溶性Cl 含量极低等级样本比率明显低于海拔600 m 以上的6 个组，低等级样本比率则相反。将分组后的土壤水溶性Cl 含量与海拔进行线性拟合（图5），最优回归方程为Y=1 E-08x3-2 E-05x2+0.007 5x+5.387 2（R2=0.775 6，F=25.186），表明海拔与水溶性Cl 含量存在显著曲线关系。在海拔200～900 m 间，土壤水溶性Cl 含量随着海拔的增加而下降；而海拔在900～1 200 m 间，植烟土壤水溶性Cl 含量随着海拔的增加而上升。

图5 海拔与土壤水溶性Cl 含量的关系

表7 不同海拔植烟土壤水溶性Cl 含量分布

2.3 土壤主要微量元素间的相关关系

由表8 可知，土壤中Fe、Zn、Cu、B 这4 种元素的有效含量两两呈显著或极显著正相关关系，而水溶性Cl 含量与前4 者相关性不显著。

表8 土壤主要微量元素间的Pearson 相关关系

3 小结和讨论

3.1 植烟土壤主要微量元素分布特征

适宜的微量元素是保障烟叶良好品质的基础。石门植烟土壤有效Fe、Cu、Zn 含量相对较高，其原因可能与石门烟区成土作用相对较强有关，该区以红壤、黄红壤及黄壤等铁铝氧化物含量较高的土壤为主，有效Fe 含量相对丰富[9]；而土壤Zn 和B 主要来源于土壤母岩母质，由于该区土壤类型以石灰性土壤为主，pH 值偏碱性，在碱性土壤中Zn 和B 的淋溶作用弱，成土过程中相对积累而富集，含量相对升高[10]。土壤有效Cu 整体上来讲可以满足烤烟生长发育需要，但未出现较大比例的极高等级样本，可能与成土母质Cu 含量较低以及Cu 迁移能力较强有关，同时外源Cu 输入少也是原因之一[11]。研究区植烟土壤的水溶性Cl 缺乏严重，一方面与石灰岩母质含Cl 较低，淋溶较强，同时外源Cl 输入量少等有关[12]；另一方面与石门烟区地处湖南西北山区，工业降尘和降雨输入量低有关；同时，烟区常年不施Cl 肥也导致该区植烟土壤缺Cl 严重。因此，石门烟区在制定微肥施用策略时，一是要适当增施有机肥、饼肥，合理调控土壤反应，使土壤有效Zn 和B 含量调至合理范围；二是要防止外源Cu 输入，避免土壤Cu 积累过量；三是要适当施用氯肥（KCl 等），促进烤烟高效、优质生产。

3.2 植烟土壤主要微量元素与海拔之间的关系

海拔是影响土壤微量营养元素丰缺的重要因子。石门烟区海拔200～600 m 间的植烟土壤有效Fe 和B含量显著低于海拔600 m 以上的植烟土壤，且海拔600 m 以上有效Fe 和B 含量为高等级以上水平的样本比例较高，同时有效Zn 含量以海拔500 m 为节点，表现出相同的变化特征；最优曲线回归表明，有效Fe、Zn、B 含量均随着海拔的增加而显著升高。其原因在于，随着海拔降低，土壤淋溶及脱硅富铝化作用渐强，虽然导致全Fe、游离Fe 含量升高[13]；但较高的海拔区，土壤有机质分解慢，其含量相对较高，较丰富的无定形铁氧化物强烈吸附有机质，阻碍铁氧化物晶核形成，促进了Fe 活化[14]。研究表明，铁氧化物对微量元素的吸附或共沉淀作用决定了其是土壤中Zn、B 等微量元素的主要载体[15]；相关分析表明，土壤Fe、Zn、Cu 和B 元素间有效含量两两呈显著或极显著正相关关系，说明这4 种微量元素具有同源性，印证了铁氧化物对微量元素的影响。由于低海拔地区结晶好的针铁矿和赤铁矿丰富，加上土壤粘粒含量高，吸附了大量的Zn、B 等微量元素，导致低海拔区土壤有效态Zn、B 含量降低，而高海拔区其含量相对较高。

低海拔地区虽因铁氧化物及土壤粘粒含量高，增加了Cu 元素的吸附及共沉淀比率，但石门植烟土壤有效Cu 则表现出较低海拔具有较高含量的特征。其原因在于，Cu 元素主要存在于黏土矿物中[16]，海拔显著影响土壤黏土矿物的类型和含量；高海拔区土壤黏土矿物复杂，以2 ∶1 型的伊利石为主外，还有少量蛭石、绿泥石和蒙脱石，这些矿物的吸附固定能力强；而低海拔区则以1 ∶1 型的高岭石为主，吸附固定能力弱[17]，且高海拔区降雨量大，土壤湿度大，Cu 的淋溶迁移能力强。因此，有效Cu 含量随着海拔升高而降低。

随着海拔的增加，水溶性Cl 则表现出曲线变化特征。湘西北山区土壤中Cl 含量主要受成土过程、水分淋失等因自然因素的影响，同时Cl 不易被粘粒矿物及土壤胶体所吸附，移动性较强。因此，土壤中水分的运动决定了土壤中Cl 的分布状况[18]。随着海拔的升高，气候条件会发生规律性的更替，加上局部小气候的影响，土壤水分及其动力学差异性变化明显，导致石门烟区土壤中水溶性Cl 含量随海拔的升高而呈现曲线变化特征。

通过对石门县植烟土壤主要微量元素与海拔之间相互关系的分析，得到以下结论：（1）石门县植烟土壤有效Fe、Zn、B 含量整体丰富，有效Cu 可满足烤烟生长发育需要，水溶性Cl 含量显著缺乏；（2）海拔与植烟土壤有效Fe、Zn、Cu 和B 含量呈显著线性关系，与水溶性Cl 含量呈显著曲线关系；植烟土壤有效Fe、Zn 和B 含量随海拔的升高而显著增加，有效Cu 则相反；水溶性Cl 含量在海拔200～900 m 间，随海拔的增加而下降；而在海拔900～1 200 m 间，随海拔的增加而上升；（3）石门县低海拔区植烟土壤有效Zn、Cu、B 含量为极低和低等级的比例较大，需适当施用Zn、Cu、B 等微肥；石门县植烟土壤整体水溶性Cl 缺乏，其中海拔700 m 以上的植烟土壤尤为显著，因此补施氯肥这一措施可在高海拔烟区先行先试。