基于GIS的文山植烟土壤中、微量养分空间变异特征研究*

李鹏飞，余小芬，杨树明 ，朱艳梅，邹炳礼，徐天养，王 影，邱学礼

(1.云南省烟草公司文山州公司，云南 文山 663099；2.云南省农业科学院 农业环境资源研究所，云南 昆明 650205)

钙、镁、硼和氯在烤烟中参与多种代谢活动，有促进烟株生长发育、提高烟叶产量和品质等生物学功能[1-2]，土壤是烟株获取钙、镁、硼和氯营养的重要来源，探明其在植烟土壤中的空间分布状况对指导合理施肥和促进烤烟高质量发展具有重要意义。土壤交换性钙和镁含量及钙镁比偏高会降低烟株对钙和镁元素的吸收，引起烟叶生理性缺镁[3]，钙镁比是反映土壤中钙和镁元素的有效性、协调性和生态过程变化的最佳指标[4]。土壤含钙高会降低烤烟成熟度，叶片粗糙、增厚，杂气重，锌和铁元素失调，烟叶品质下降[5]。烟叶镁含量在0.48%～0.98%适宜，低于0.48%为不足[6]。镁丰缺均抑制烟株对氮、磷、钾养分的吸收，烤后烟叶吸湿性增强，不利于储存和醇化，适宜的镁对燃后烟灰有凝结作用[7]。土壤含氮量高或施氮量高均会降低烤烟对硼的吸收，磷和硼协同效应增大，缺硼导致烟株根系发育不良，影响磷和钾的吸收[8]，土壤高钾硼比会加剧烤烟缺硼[9]。土壤钙含量高会降低烤烟对硼的吸收，烤烟适宜钙硼比为1 340∶1，超过1 500∶1可诱发缺硼[10]；硼可促进烟叶镁、锰和钼的吸收，但会降低烟叶中的氯含量[11]。土壤含氯或施氯量过高时，烟叶阴燃性下降；而土壤含氯过低时，烟叶氯含量低，弹性和燃烧性变差[12]，适宜的氯含量能促进氮、磷、钾和钙吸收[13]。

土壤交换性钙和镁、有效硼以及水溶性氯含量受土壤类型、成土母质和海拔等因素的影响，且与土壤pH以及有机质、水解性氮和有效磷含量密切相关[5,11-14]。目前，关于植烟土壤钙、镁、硼和氯的分布特点及影响因素已有研究[3-5,10-14]，但受采样范围和样本量的限制，空间尺度相对较小，难以系统解析土壤养分变异规律。同时，土壤是时空连续的变异体，易受耕作、轮作和施肥等因素干扰，土壤养分具有较高的空间异质性。近年来，文山州一些烟区存在烤烟—生姜或烤烟—三七等高复种模式，造成土壤有效养分消耗过大，同时部分烟农片面追求产量和经济效益，重施氮、磷、钾肥而轻施微肥，导致土壤中微量养分均衡性差，严重影响文山烟叶“西南高原—清甜清香型”的风格稳定性及工业可用性。本研究运用GIS技术和地统计学方法，分析文山州土壤钙、镁、硼和氯的空间变异特征及规律，以期为该州烟区土壤养分精准管理与施肥决策提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集与制备

2018—2020年在文山州文山市(202个)、砚山县(802个)、丘北县(903个)、广南县(181个)、马关县(274个)、麻栗坡县(173个)、西畴县(162个)和富宁县(43个)共8个区域采集具有代表性的植烟土壤样品2 740个(图1)，其中2018年897个，2019年943个，2020年900个，年度间重复取样点782个。在每年4月烤烟移栽前，每个采样点按“S”形随机10点采集0～20 cm耕层土壤，剔除根系和砾石等杂质，混合均匀后按四分法取约0.5 kg土样带回实验室，风干、混匀、磨细和过筛后留存待测。采用GPS定位采样点经纬度和海拔。

图1 土壤采样点分布示意图Fig.1 Diagram of distribution of sampling sites

1.2 测定项目与方法

土壤交换性钙、交换性镁和水溶性氯离子含量采用原子吸收分光光度法测定；有效硼含量采用甲亚胺比色法测定；土壤pH采用电位法测定；有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定；全氮含量采用凯氏定氮法测定；全磷含量采用NaOH熔融—钒钼黄比色法测定；全钾含量采用NaOH熔融—火焰光度计法测定；水解性氮含量采用碱解扩散法测定；有效磷含量采用钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用醋酸铵浸提—火焰光度法测定；有效硫含量采用磷酸盐—乙酸溶液浸提比浊测定[15-16]。

1.3 植烟土壤养分分级标准

根据已有研究[17-18]划定各养分分级标准。土壤交换性钙：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)；交换性镁：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 数据处理

采用 Excel 2010和SPSS 19.0 对数据进行描述性统计分析；采用ArcGIS 10.2对数据进行半方差函数计算、模型拟合和Kriging插值。

2 结果与分析

2.1 土壤养分含量统计特征值及等级分布

2.1.1 土壤交换性钙

由表1可知：文山州植烟土壤交换性钙含量总体偏高，其中≥800 mg/kg的样本占总样本的97.74%，几乎无缺乏的区域，均值为 2 507.72 mg/kg，变幅为283.13～10 391.08 mg/kg，变异性较高。8个县土壤交换性钙含量均值范围为1 471.69～3 438.03 mg/kg，属高或很高水平，从高到低依次为：砚山>文山>丘北>西畴>广南>富宁>马关>麻栗坡，除丘北与西畴、广南与富宁间外，其他县(市)之间的土壤交换性钙含量差异达极显著水平。

表1 植烟土壤交换性钙含量和分布Tab.1 Exchangeable calcium contents and frequency distribution of tobacco-planting soils

2.1.2 土壤交换性镁

由表2可知：文山州植烟土壤交换性镁含量均值为278.60 mg/kg，变幅为18.41～842.08 mg/kg，全州有89.66%的烟区土壤交换性镁在适宜范围。8个县土壤交换性镁含量均值范围为107.50～331.61 mg/kg，均处于中偏高，从高到低依次为：丘北>砚山>富宁>文山>广南>马关>麻栗坡>西畴，丘北与砚山土壤交换性镁含量差异不显著，但极显著高于其他烟区；其次是富宁与文山差异不显著。文山烟区土壤交换性镁含量集中分布在400 mg/kg以下，缺镁区域占总研究区的20.58%，其中中度缺镁烟区为文山(德厚、东山、平坝、新平、追栗街)、砚山(阿猛、江那)、丘北(锦屏、平寨)、马关(八寨、大栗树、木厂)、西畴(蚌谷、法斗、莲花塘、西洒、兴街)和富宁(木央)。

表2 植烟土壤交换性镁含量和分布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：文山州植烟土壤有效硼含量均值为0.30 mg/kg，变幅为0.03～1.83 mg/kg，有效硼缺乏的土壤样本占比高达97.03%，缺硼严重。8个县土壤有效硼均值范围为0.24～0.43 mg/kg，从高到低依次为：麻栗坡>文山>西畴>丘北>砚山、广南、马关>富宁，麻栗坡与文山土壤有效硼无显著差异，丘北、砚山、广南、马关和富宁之间差异均不显著。文山烟区土壤有效硼含量分布以≥0.2～0.5 mg/kg和<0.2 mg/kg范围为主，8个县(市)土壤有效硼含量严重不足，缺硼样本占比高达94.88%～99.83%。

表3 植烟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较低，均值为10.99 mg/kg，变幅为2.04～182.56 mg/kg，<20 mg/kg的样本占比达95.38%。8个县(市)的土壤水溶性氯含量均值为5.36～14.88 mg/kg，从高到低依次为：砚山>马关>丘北>文山>麻栗坡>西畴>广南>富宁，砚山、马关、丘北、文山和麻栗坡间的土壤水溶性氯差异均不显著。文山州土壤水溶性氯含量分布集中在<10 mg/kg区域，全州土壤水溶性氯均表现为严重不足。

表4 植烟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 土壤交换性钙、镁、有效硼、水溶性氯与土壤其他属性指标的关系

由表5可知：土壤交换性钙含量与pH以及有机质、全氮、全磷、全钾和速效钾含量呈极显著正相关，与有效磷和有效硼含量呈极显著负相关；土壤交换性镁与pH以及有机质和速效钾含量呈极显著正相关，与全钾、有效硼和有效硫含量呈极显著负相关；土壤有效硼含量与有机质、全氮、水解性氮、有效磷、速效钾和有效硫含量呈极显著正相关，与pH和全钾含量呈极显著负相关；土壤水溶性氯含量与有机质、全氮、全磷、水解性氮、有效磷、速效钾、有效硼和有效硫含量呈极显著正相关，与pH呈极显著负相关。

表5 土壤养分含量间的相关分析Tab.5 Correlations among soil nutrient

2.3 土壤养分的空间变异特征

由表6可知：土壤交换性钙和交换性镁最佳半方差函数拟合模型为球型，有效硼和水溶性氯分别为指数型和高斯型。其中，有效硼和水溶性氯拟合效果较好，R2分别为0.901和0.874，交换性钙和交换性镁的拟合次之，R2分别为0.569和0.723。4种土壤养分的块基比为25%～75%，表明空间自相关性为中等，其变异由自然因素(母质、地形和气候等)和随机性因素(耕作、施肥和灌水等)同时作用产生，且其变程差异较大，依次为：交换性钙>交换性镁>水溶性氯>有效硼。有效硼半方差函数变程为0.211 km，说明其变异以小范围为主；交换性钙最佳半方差函数变程最大，为1.429 km，表明其变异以大块状为主，且在1.429 km的范围内空间自相关性较高；交换性镁和水溶性氯的变程分别为0.378 km和0.362 km。

表6 土壤养分含量的空间变异特征Tab.6 Geospatial feature values of soil

3 讨论

本研究表明：文山州土壤交换性钙含量总体处于丰富或极丰富等级，土壤供钙能力较强；交换性镁以适宜或丰富等级为主，钙镁比失调严重，其中砚山、文山、丘北和富宁的土壤交换性钙、镁显著高于优质烤烟生产的适宜要求，广南、马关、西畴和麻栗坡最接近适宜值，变异系数较高，这与谭军等[19]的研究结果一致。钙、镁存在明显的空间异质性，西北高、中间低、东南高，均质性较差(块基比为25%～75%)，主要受成土母质和施肥等自然和人为因素共同作用的影响。一方面，成土母质是土壤形成的基础，土壤钙、镁等矿物组成与成土母质和土壤类型有关。文山州地处热带和南亚热带，成土母质为石灰岩、砂岩和页岩[19]，在炎热多雨气候的强烈风化作用下，土壤酸性强，母质中钙、镁风化形成交换性离子形态，加之喀斯特地形起伏大，生态气候类型复杂，导致各烟区土壤交换性钙、镁含量差异明显；另一方面，部分烟农在种植烤烟及前作蔬菜、油菜、花生、生姜和三七时，施入生石灰及钙、镁、磷肥较多，部分钙、镁积累在土壤中，导致钙镁比失衡。本研究中，交换性钙、镁含量与pH及有机质、全氮、全磷、全钾和速效钾含量呈极显著正相关，近年来，文山土壤pH降低，有机质和速效氮、磷、钾含量逐年升高[20-21]，也是造成土壤钙、镁含量升高的原因之一。有研究表明：土壤交换性钙、镁含量及钙镁比高会降低烟株对钙、镁的吸收，植烟土壤适宜的钙镁比为5～10，小于或大于这一范围均可引起烟株生理性缺钙和镁[3]，钙、镁可减少土壤磷的固定，使土壤有效磷增加[5]。本研究结果显示：文山州植烟土壤钙镁比在7.41～22.19，其中文山、砚山、广南、马关、麻栗坡和西畴钙镁比大于10，为10.53～22.19，丘北和富宁钙镁比分别为7.41和9.51，说明除丘北和富宁外，其他烟区应增施有机肥，控制含钙肥料或烟草专用复合肥中含钙原料的使用，以降低钙镁比。同时，可根据钙镁与氮磷的协同效应，通过追施镁肥和调节氮、磷施入量，调节钙、镁、磷、钾等肥料的均衡，控制烤烟对钙的吸收，增加烟叶含镁量，实现文山州烟草优质高产。

本研究显示：文山州植烟土壤有效硼和水溶性氯中度和重度缺乏较普遍，呈各向异性分布，具有中等空间自相关性，其中氯的分布与谭军等[12]的研究结果一致。在烤烟生产中，土壤有效硼是至关重要的因子[9]，研究区有效硼低和均质化主要受成土母质和土壤类型的影响[22]，文山烟区砂质土和酸性红壤占比高，砂质土有效硼更易淋失[23]，同时，有效硼受pH、有机质、水解性氮、有效磷和速效钾等土壤属性因素的影响，其中有机质能与硼产生吸附或螯合等固定硼，又可矿化释放硼从而提高土壤硼含量[8]。烤烟吸收的氯有61.8%来自于土壤[12]，土壤氯的缺乏势必影响烟叶氯含量，文山烟区降水和灌溉的淋溶作用、种植烤烟时限制施用含氯肥料或前作的吸收均可使土壤中氯被大量带走，这是导致土壤水溶性氯普遍偏低和分布异质性的直接原因。有研究表明：保持和提升土壤有机质水平可有效提高氯养分效率[13]，本研究在大区域尺度上也有类似的结果。

4 结论

文山州土壤交换性钙含量较高，有效硼和水溶性氯含量中度和重度缺乏，文山、砚山、丘北、马关、广南和麻栗坡的镁含量适中，西畴和富宁约10%的土壤缺镁。在烤烟生产中，应控制钙肥施用，通过追施镁肥和调节氮、磷施入量，实现钙、镁、磷、钾施用均衡，降低钙镁比。同时，采取适宜的施肥方式补硼、氯和镁，可利用硼和氯与土壤有机质、水解性氮、有效磷和速效钾的协同正效应，通过合理施用有机肥改善硼和氯的有效性，提高烟叶产量和品质。