小尺度下茶园土壤有效态微量元素空间变异特征及其影响因素分析

夏 凡，王永东*，郑子成，李廷轩，廖桂堂,2，刘 涛，张锡洲

（1 四川农业大学资源学院，四川成都 611130；2 成都信息工程大学资源环境学院，四川成都 610225）

四川是我国主要茶叶生产省份之一，也是茶树原产地之一，“川茶”已被四川省委省政府列为全省现代农业“10+3”产业体系和“5+1”现代产业体系发展重点。川西茶区是四川省川西南名优绿茶产业带，但由于茶园大量施用复合肥，长期处于施肥不平衡的状态[1]，不仅影响到茶树的生长发育，也降低了茶叶品质[2]。铁、锰、铜、锌是茶树所必需的微量元素，土壤微量元素含量不仅影响茶树的生长发育，也影响茶叶的产量和品质，是决定茶叶优质高效生产的重要因素之一[3–6]。长期植茶过程中，因受到自然因子(地形、气候等)与人为因子(施肥管理等)的共同影响，使得土壤微量元素含量在一定区域内具有高度的空间异质性[7–9]。厘清土壤微量元素的空间异质性可为制定合理的微量元素养分管理措施提供依据。地统计学是研究土壤属性空间变异的科学有效方法[10]，已经用于茶园土壤有机质[11]及氮[12]、磷[13]、钾[14–15]等大量元素和土壤重金属[16]的研究。采用该方法研究土壤有效态微量元素的空间变异在农田、植烟土壤上较多[9,17–19]。因此，利用地统计学方法研究川西低山丘陵区小尺度下茶园土壤有效铁、有效锰、有效铜、有效锌4种微量元素的变异特征及影响因素，旨在为茶园土壤微肥施用及优质高产茶叶栽培提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川省雅安市名山区中峰镇万亩生态茶园 (东经 103˚11′～103˚13′，北纬 30˚12′～30˚13′)，属川西茶区，面积约 2 km2，海拔在 640～750 m，地面坡度处于0˚～83˚范围，属典型的低山丘陵区，土壤类型为第四纪冲积物发育而成的黄壤。该区域属亚热带季风性湿润气候，年平均气温15.4℃，无霜期298天，年降雨量1500 mm左右。植被类型以茶树为主，另有少量零星的林地。由于是农户分散种植管理，茶树品种不一，研究区内茶树品种为福选9号、蒙山9号、乌龙茶、名选131和梅占茶，施肥管理上一般于每年2月中旬、5月下旬、8月上旬、10月中旬施用复合肥(N∶P∶K=26∶10∶12)450～1200 kg/hm2。

1.2 样品采集与测定

因研究区域内土壤类型及成土母质一致，因此按茶树种植情况采用随机布点法采样，并在地形复杂处加大样点密度。于2020年4月按照5点混合的方式共采集0—30 cm土壤样品94个，并用手持GPS (集思宝A5)对采样点中心位置(经纬度、海拔)定位，同时调查茶树品种、施肥状况等信息。采样点位分布及研究区地形因子见图1。将采集的土壤样品在实验室内风干、去杂、研磨，制备样品并进行分析测定。土壤有效铁、有效锰、有效铜、有效锌采用盐酸浸提—ICP-MS法测定；有机质采用重铬酸钾‒浓硫酸稀释热法测定；pH采用电位法(土水比为 1∶2.5)测定[20]。

图1 研究区土壤采样点位(a)、高程(b)、坡度(c)和坡向(d)图Fig.1 Map of soil sample sites (a), slope height (b), slope degree (c) and slope direction (d) in the study area

1.3 数据处理

空间特征分析利用GS+9.0进行半方差函数分析及模型拟合，使用GeoDa 1.1.4进行全局空间自相关分析；根据计算出的半方差模型参数，采用ArcGIS 10.2地统计模块进行普通克里格或反距离加权法插值。

采用阈值法(平均值±3倍标准差)对土壤有效态微量元素含量进行异常值识别和处理[21]。通过SPSS 21.0对数据进行常规统计分析、K-S正态分布检验、相关分析及回归分析。

2 结果与分析

2.1 土壤有效态微量元素含量统计特征

由表1可知，研究区土壤有效铁、有效锰、有效铜、有效锌含量变化范围分别为5.7～122.4、2.5～101.2、0.3～2.6、0.7～3.5 mg/kg。变异系数是数据间离散程度的反映，直观反映出样本的空间变异性大小。小尺度下茶园土壤4种有效态微量元素均呈中等程度变异，其中有效锰变异系数最大，有效锌变异系数最小。K-S检验结果表明，土壤有效锰服从对数正态分布，有效铁、有效铜、有效锌均服从正态分布，符合地统计学分析的基本要求。

表1 小尺度下茶园土壤有效态微量元素含量描述性统计特征Table 1 Descriptive statistics of available soil microelements in the small scale tea garden

2.2 土壤有效态微量元素含量空间结构特征

由表2可知，小尺度下茶园土壤有效铁、有效锰的最优拟合模型为指数模型，有效锌以球面模型拟合效果最佳，其决定系数R2均大于0.5，能较好反映这3个元素的空间结构特征；而小尺度下土壤有效铜则表现为纯块金效应。块基比反映变量的空间自相关程度，其值越小，空间自相关程度越高。有效铁、有效锰、有效锌的块基比分别为36.57%、50.00%、61.85%，均呈中等空间相关性，受到自然因素和人为因素的共同作用；有效铜的块基比为100.00%，在小尺度下具有恒定变异。变程反映变量的空间最大相关距离，4种微量元素变程变化范围为468～1190 m。从全局空间自相关性分析看，土壤有效铁、有效锰、有效铜、有效锌的全局莫兰指数(Global Moran’s I)分别为 0.232、0.005、–0.023、0.072，其中有效铜的全局莫兰指数为负值，存在空间孤立；有效铁、有效锰、有效锌的全局莫兰指数均为正值，存在空间区域聚集。但经标准化计算后，仅有效铁的Z值大于2.58，呈极显著空间自相关(P<0.01)，其空间分布表现为强烈的聚集特点，有效锰、有效铜、有效锌的空间自相关不显著，这一趋势与半方差分析结果一致。

表2 小尺度下茶园土壤微量元素半方差函数模型及空间自相关性Table 2 The semi-variogram models and spatial autocorrelation of soil microelements in the small scale tea garden

2.3 土壤有效态微量元素含量空间分布格局

基于半方差最优拟合参数对有效铁、有效锰、有效锌进行普通克里格插值，而有效铜因在该区域中不具有空间相关性，所以采用反距离加权法对其插值，结果如图2所示。从空间分布格局上看，有效铁含量呈现出南高北低的分布特征，高值集中于研究区南部和西部，区域差异明显；土壤有效锰含量的空间分布则相对较平滑，呈现出渐变的分布特点，高值区散布于研究区域内；土壤有效铜含量斑块状分布特征明显，存在空间孤立现象，高值与低值交错分布；土壤有效锌含量表现出“两边高、中间低”的空间分布特征，空间分布上呈渐变趋势，由北部和南部向中部地区递减，且在南部呈条带状分布。

图2 小尺度下茶园土壤有效态微量元素空间分布格局Fig.2 Spatial distribution of available soil microelements in the small scale tea garden

2.4 土壤有效态微量元素含量影响因素分析

2.4.1 土壤化学性质和地形因子 由表3可知，小尺度下茶园土壤有效铁含量与土壤pH呈极显著负相关，而与有机质呈极显著正相关关系，表明pH的降低或有机质的升高均有利于提高土壤铁的有效性；有效锰含量仅与坡度呈现显著负相关关系；有效铜含量与各影响因素间均无显著相关关系；有效锌含量仅与有机质含量呈现极显著正相关关系。

表3 小尺度下茶园土壤微量元素含量与影响因子间的相关性(r值)Table 3 Correlation between available soil microelement contents and influencing factors in the small scale tea garden (r-value)

2.4.2 不同因素的影响程度 由表4可知，pH和有机质对土壤有效铁含量的空间变异影响显著。相反，土壤有效锰则仅受坡度的显著影响。对土壤有效铜来说，各因素均不能很好的解释其空间变异状况，表明研究区内土壤有效铜含量可能受其他因素主导。仅有机质能独立解释土壤有效锌空间变异的12.1%。

表4 小尺度下茶园土壤微量元素含量与各影响因子回归分析Table 4 Regression analysis between soil microelement contents and influencing factors in the small scale tea garden

3 讨论

土壤有效态微量元素含量的丰缺状况是作物生长代谢、产量及品质的重要影响因素[22]。参照四川省第二次土壤普查养分分级标准[23]，研究区茶园土壤有效铁处于丰富水平，有效锰、有效铜、有效锌均处于较丰富水平，但相较江苏、河南等地茶园，研究区土壤有效态微量元素含量偏低[24–25]。同时相较于2007年本研究区的土壤养分调查结果[26]，土壤有效态微量元素含量呈整体下降趋势，有效铁、有效锰、有效铜、有效锌分别下降了22.11%、32.47%、61.88%、56.09%，这可能是由于长期植茶过程中土壤有效态微量元素会随茶叶采摘而损失，且通过调查发现，研究区茶农仅施用氮、磷、钾复合化肥，使得土壤中的有效态微量元素含量未得到及时补充。因此，建议在以后的施肥管理上应增施有机肥或补充微肥等来提高土壤微量元素含量。

本研究表明，小尺度下茶园土壤有效铁、有效锰、有效锌空间变异均受到结构性因素和随机性因素的共同影响。有效铜则表现出较强的独立性和随机性，主要受随机性因素的影响，同时说明该采样间距未能有效反映小尺度下茶园土壤有效铜的空间结构特征[27]。Ramzan等[28]对农田土壤的研究结果表明，土壤有效铁、有效铜、有效锌空间变异均是由结构性因素引起，李珊等[8]研究结果表明植烟土壤有效铁、有效锌空间变异也以结构性因素为主导，表明茶园与其他土地利用方式具有一定差异，以后的研究中可进一步对此进行深入探讨。变程大小的不同可能是由于作物对不同微量元素的吸收偏好有所差异[29]，小尺度下土壤有效锰较大的变程可能与茶树是聚锰作物有关[30]。

本研究结果表明小尺度下茶园土壤4种有效态微量元素的空间分布趋势不同，其中土壤有效铜含量的空间异质性较大，这一结果可能与农户分散种植有关[31]，有效铁、有效锰和有效锌则均呈现出渐变的特点。自然条件下，土壤微量元素空间分布主要受到地形、成土母质、成土过程等结构性因素的影响[7]。然而茶园土壤在长期的人类活动中，耕作、施肥、修剪物还田，甚至茶树品种更替，增大了人为因素的影响[32]，导致自然和人为因素共同作用于茶园土壤微量元素空间分布。已有研究表明，小尺度下土壤养分空间分布受到地形的影响较大[33–34]，但本研究结果表明，小尺度下茶园土壤有效态微量元素含量与地形因子之间相关性较弱，这是因为研究区茶园生产管理过程中仅施用大量复合化肥，并且其长期受到人为活动的差异性干扰，人为因素的影响削弱了地形因子对土壤微量元素空间分布的作用。同时本研究结果显示，小尺度下茶园土壤有效态微量元素空间分布主要受到土壤化学性质的影响，其中，pH与土壤有效铁呈现出极显著的负相关，能解释有效铁空间变异的17.5%，这与大多数的其他研究结果[35–36]相类似，这可能是因为植茶过程中土壤pH降低，促进了不溶性的三价铁向可溶性二价铁转化，提高了铁的活性[37]；土壤有效铁、有效锌与土壤有机质呈现出极显著的正相关，这是由于长期植茶过程中，施肥、修枝等措施增加了土壤有机质，同时茶树在生长过程中分泌有机酸，提高了土壤微量元素的有效性。由于研究区域是以农户分散种植管理为主，不同农户在施肥量、茶树品种更替等方面有差异，这对研究区土壤有效态微量元素含量有影响，因此研究区土壤有效态微量元素的含量可能还受到其他随机性因素的影响。另外，本研究中土壤有效铜含量与各影响因素间均无显著相关性，但根据半方差分析结果，建议可从耕作管理等方面深入探讨其空间分布的主导因素。

4 结论

中锋生态茶园土壤有效铁、有效锰、有效铜、有效锌含量均较高，且表现为中等程度变异。有效铜为纯块金效应，存在空间孤立现象。有效铁、有效锰含量的半方差拟合曲线均以指数模型为最佳，土壤有效锌则以球面模型拟合最佳，3种微量元素含量均受到自然因素与人为因素共同影响，有效铁含量的空间分布受土壤pH、有机质影响，有效锰含量取决于坡度；有效锌含量仅与有机质呈现出极显著相关性。