湖南龍山縣植煙土壤交換性鈣鎂的空間分布及影響因素

毛輝，吳志科，卿湘濤，滕羿和，譚軍，向德明，張黎明*，黎娟，李強

(1.湖南省煙草公司湘西自治州公司，湖南 吉首 416000；2.湘西州氣象局，湖南 吉首416000；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草研究院，湖南 長沙 410128)

湖南龍山縣植煙土壤交換性鈣鎂的空間分布及影響因素

毛輝1，吳志科2，卿湘濤2，滕羿和2，譚軍3，向德明1，張黎明1*，黎娟3，李強3

(1.湖南省煙草公司湘西自治州公司，湖南 吉首 416000；2.湘西州氣象局，湖南 吉首416000；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草研究院，湖南 長沙 410128)

應(yīng)用GPS 定位技術(shù)在湖南省龍山縣采集具代表性植煙土壤300份，分析土壤交換性鈣、鎂含量和鈣鎂比的空間分布特征。結(jié)果表明：龍山縣植煙土壤交換性鈣平均含量為7.95 cmol/kg，變幅為0.25～25.62 cmol/kg，有30.14%的土樣在適宜范圍(6.00～10.00 cmol/kg)；交換性鎂平均含量為1.68 cmol/kg，變幅為0.02～5.74 cmol/kg，僅有15.38%的土樣在適宜范圍(1.00～1.50 cmol/kg)；鈣鎂比平均值為7.63，變幅為1.99～84.76，有25.34%的土樣在適宜范圍(5～10)。土壤交換性鈣含量受海拔高度、pH、土壤母質(zhì)和質(zhì)地影響極顯著，受地形影響顯著；交換性鎂含量受海拔高度、pH、地形、土壤母質(zhì)和質(zhì)地極顯著影響；鈣鎂比受海拔高度影響極顯著，受地形顯著影響。

植煙土壤；交換性鈣；交換性鎂；鈣鎂比值；龍山縣

鈣和鎂都是烤煙生長發(fā)育所需的中量元素，其豐缺及比值直接影響煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)?？緹煂︹}的吸收量僅次于鉀[1]。鈣元素在煙株體內(nèi)參與多種代謝[2]。研究表明，烤煙缺鈣會出現(xiàn)代謝紊亂，合成代謝受阻，分解代謝加強，嫩葉失綠；烤煙鈣含量過大，煙葉徒長，粗糙，變厚，貪青晚熟，地方性雜氣加重[3–5]。鎂元素既是葉綠體的重要組成成分，又是煙株體內(nèi)多種酶的激活因子，對代謝有促進(jìn)作用。土壤供鎂適量時有利于提高煙葉的產(chǎn)量和內(nèi)在品質(zhì)[6–7]。研究表明，當(dāng)烤煙缺鎂時，會出現(xiàn)缺綠癥，光合作用受阻，嚴(yán)重時烤后煙葉無光澤，彈性變差[8]；當(dāng)烤煙鎂過量時，烤后煙葉在儲存過程中吸濕能力增強[9–10]。

土壤礦質(zhì)元素供應(yīng)能力不但與元素自身豐缺有關(guān)，而且與元素間的協(xié)調(diào)性、拮抗性有關(guān)[11]。鈣鎂比值既可以反映土壤中鈣鎂元素變化的動態(tài)過程，又可以反映元素的有效性。有研究表明，植煙土壤中交換性鈣鎂比值，隨著植煙時間的延長呈提高趨勢[12]。有關(guān)植煙土壤交換性鈣、鎂含量的研究已有報道，秦松等[9]研究了貴州植煙土壤交換性鈣鎂特征，邱學(xué)禮等[13]分析了昆明市植煙土壤交換性鈣鎂的特征，李永富等[14]、唐先干等[15]、胡建新等[16]分別研究了邵陽、江西和攀枝花煙區(qū)植煙土壤交換性鈣和鎂含量的分布特征。

湖南龍山縣是優(yōu)質(zhì)煙葉原料供應(yīng)基地。筆者采用地統(tǒng)計學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法，分析了龍山縣植煙土壤交換性鈣、鎂含量和鈣鎂比的空間特征及其影響因素，旨在為龍山縣烤煙種植的平衡施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

2015年，在龍山縣煙區(qū)未施底肥前，應(yīng)用GPS定位300個取樣點，每個樣點代表13.3～26.7 hm2地塊，采集土樣 300份。采樣時避開降水。按“S”形取耕層 0～20 cm土壤，每個取樣點取10個小樣制成1個混合樣，再按四分法保留土樣1.00 kg，編號，經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì)、過篩后，參照文獻(xiàn)[17]的方法，測定植煙土壤的交換性鈣、交換性鎂、有機質(zhì)含量和pH值。

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析

參照文獻(xiàn)[18]，用域法識別異常值(即視平均值± 3倍標(biāo)準(zhǔn)差之外的數(shù)值為異常值)，并將其去除，余下數(shù)據(jù)用Excel 2013和SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。采用ArcGIS 10.2軟件地統(tǒng)計模塊繪制空間分布圖。

1.3 植煙土壤交換性鈣鎂含量及其比值的評價標(biāo)準(zhǔn)

參照文獻(xiàn)[9,19–22]，制定龍山縣植煙土壤交換性鈣鎂含量適宜范圍及其比值評價標(biāo)準(zhǔn)。列于表1。

表1 龍山縣植煙土壤交換性鈣鎂含量和適宜范圍及其比值評價標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation standard of exchangeable Ca，Mg content ,Ca/Mg ratio and their suitable range in tobacco–growing soil of Longshan county cmol/ kg

2 結(jié)果與分析

2.1 龍山縣植煙土壤交換性鈣鎂含量及其比值的統(tǒng)計性描述

采用域法剔除異常樣本，剔除土壤交換性鈣異常樣本3個，交換性鎂異常樣本1個。由表2可知，龍山縣植煙土樣的交換性鈣和交換性鎂含量呈正態(tài)分布。土壤交換性鈣平均含量為 7.95 cmol/kg，中等變異強度。全縣有30.14%的土樣交換性鈣含量在適宜范圍內(nèi)，有69.86%的土樣鈣含量偏高或者偏低，其中極缺的占16.10%，極高的占3.77%。土壤交換性鎂平均含量為1.68 cmol/kg，中等變異強度。全縣僅有 15.38%的土樣交換性鎂含量在適宜范圍內(nèi)；有84.62%的土樣鎂含量偏高或者偏低，其中極缺的占17.06%，極高的占21.07%。龍山縣植煙土壤鈣鎂比平均值為7.63，變異系數(shù)為119.13%，屬強變異。全縣有 54.11%的土樣鈣鎂比小于 5，有20.55%的土樣鈣鎂比大于10，僅有25.34%的土樣鈣鎂比為5～10。

表2 龍山縣植煙土壤交換性鈣鎂含量及其比值統(tǒng)計特征Table 2 Statistical characteristics of soil exchangeable Ca，Mg content and Ca/Mg ratio in tobacco–growing soil of Longshan county

2.2 龍山縣植煙土壤交換性鈣鎂含量及其比值的空間結(jié)構(gòu)

如表3所示，龍山縣植煙土壤交換性鈣、鎂含量及其比值在半方差函數(shù)中的最優(yōu)擬合模型分別為球狀模型、三角函數(shù)模型和球狀模型，塊金系數(shù)C0/(C0+C)分別為23.16%、20.79%和32.44%。當(dāng)塊金系數(shù)＜25%，表明分布具有強烈的空間相關(guān)性，主要受結(jié)構(gòu)性因子影響，當(dāng)塊金系數(shù)在25%～75%，說明系統(tǒng)具有中等的空間相關(guān)性[23–24]，因此，龍山縣植煙土壤交換性鈣、鎂含量的分布有強烈的空間相關(guān)性，主要受海拔、地形結(jié)構(gòu)因素的影響，鈣鎂比值的空間分布由結(jié)構(gòu)因素和隨機因素(耕作制度、施肥)共同決定。

表3 龍山縣植煙土壤交換性鈣鎂含量半方差函數(shù)模型及其擬合參數(shù)Table 3 Semivariogram models of soil exchangeable Ca,Mg and the corresponding parameters in tobacco–growing soilof Longshan county

2.3 龍山縣植煙土壤交換性鈣鎂含量以及鈣鎂比空間分布

采用ArcGIS 10.2軟件繪制龍山縣植煙土壤交換性鈣鎂含量及其比值的空間分布圖，如圖1所示。龍山縣東西兩側(cè)土壤交換性鈣含量較高，中部大片區(qū)域含量適宜，北部、中部、西南部有少量區(qū)域交換性鈣含量缺乏。龍山縣西北和南部土壤交換性鎂含量較高，中部、東部的較大區(qū)域以及北部和南部的較小區(qū)域含量較低，東部、東南部以及西北部有大片區(qū)域鈣鎂比高于20，僅在北部和中部部分區(qū)域鈣鎂比在適宜范圍(5～10)。

圖1 龍山縣植煙土壤交換性鈣鎂含量和鈣鎂比的空間分布Fig.1 Spatial distribution of exchangeable Ca, Mg content and ratios of Ca/Mg in soil of Longshan county

2.4 龍山縣植煙土壤交換性鈣鎂含量及其比值空間分布的影響因素

2.4.1 海拔高度的影響

龍山縣煙區(qū)分布在海拔400～1 400 m。根據(jù)海拔高度，將土樣分成5組，如圖2所示。經(jīng)計算，土壤交換性鈣平均含量為5.02～9.08 cmol/kg，隨著海拔升高而下降，二者回歸方程為：y = –0.361 4x2+ 1.222 6x + 8.098，R2= 0.980 8。方差分析表明，不同海拔組間的土壤交換性鈣含量差異達(dá)極顯著水平(F=4.478，Sig.=0.002)。Duncan多重比較表明，海拔高度≥1 200 m組的土壤交換性鈣含量極顯著低于其他組。相關(guān)性分析表明，二者呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r= –0.213)。

經(jīng)計算，土壤交換性鎂平均含量為 1.11～2.05 cmol/kg，隨著海拔升高呈拋物線型變化，二者回歸方程為：y= –0.21x2+ 1.322x – 0.122，R2= 0.744 3。方差分析表明，不同海拔組間的土壤交換性鎂含量差異達(dá)極顯著水平(F=7.007，Sig.=0.000)。Duncan多重比較表明，海拔800～1 000 m和＞1 000～1 200 m組的土壤交換性鎂含量顯著高于其他組。相關(guān)性分析表明，二者呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(r= 0.122，P=0.035)。

經(jīng)計算，鈣鎂比為4.81～13.34，隨著海拔升高先下降后上升，二者回歸方程為：y= 1.295 7x2–9.090 3x + 21.652，R2= 0.930 4。方差分析表明，海拔 800～1 200 m的鈣鎂比極顯著低于其他海拔(F=7.502，Sig.=0.000)。相關(guān)性分析表明，二者呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r= –0.214，P=0.035)。

圖2 不同海拔植煙土壤交換性鈣鎂含量及其比值Fig.2 Soil exchangeable Ca，Mg contents and Ca/Mg ratios at different latitudes

2.4.2 土壤pH值的影響

將所取土樣按pH值分成7組(圖3)，經(jīng)計算，土壤交換性鈣平均含量為2.86～14.32 cmol/kg，隨pH值升高而升高，二者回歸方程為：y= 1.906 8x+ 1.177 1，R2= 0.997 3。方差分析表明，不同pH值組間的土壤交換性鈣含量差異達(dá)極顯著水平(F=80.987，Sig.=0.002)。Duncan多重比較表明，pH7.0～7.5和pH≥7.5組土壤交換性鈣含量極顯著高于其他組。相關(guān)分析表明，二者呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.793，P=0.000)。

圖3 不同pH植煙土壤交換性鈣鎂含量及其比值Fig.3 Soil exchangeable Ca, Mg contents and Ca/Mg ratios at different pH values

土壤交換性鎂平均含量為0.60～2.91 cmol/kg，且隨pH值升高而升高，二者回歸方程為：y= –0.009 5x2+ 0.501 2x + 0.018 6，R2= 0.976 8。方差分析表明，不同pH組間的土壤交換性鎂含量差異達(dá)極顯著水平(F=31.675，Sig.=0.002)。Duncan多重比較表明，pH 7.0～7.5和pH＞7.5組土壤交換性鎂含量極顯著高于其他組。相關(guān)性分析表明，二者呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(r= 0.621，P=0.000)。

鈣鎂比為6.51～10.74，隨著pH值增加先升高后降低。方差分析表明，各pH值組間的土壤鈣鎂比值差異不顯著(F=1.282，Sig.=0.265)。相關(guān)性分析表明，二者呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.136，P=0.020)。

2.4.3 有機質(zhì)含量的影響

將所取土樣依據(jù)有機質(zhì)含量分成5組(圖4)，經(jīng)計算，土壤交換性鈣平均含量為 6.98～9.96 cmol/kg，隨有機質(zhì)含量升高呈上升趨勢，二者回歸方程為：y= 0.72x+6.134，R2= 0.975 8。交換性鎂平均含量為10.7～186 cmol/kg，隨有機質(zhì)含量升高呈拋物線型變化，二者回歸方程為：y= –0.117 1x2+ 0.794 9x+0.426，R2=0.855。鈣鎂比值為6.11～8.45，隨有機質(zhì)含量升高而降低。方差分析表明，不同有機質(zhì)組間的交換性鈣(F=0.946，Sig.=0.438)和鎂含量(F=1.632，Sig.=0.166)以及鈣鎂比值(F=0.95，Sig.=0.984)差異都不顯著。相關(guān)性分析表明，三者與有機質(zhì)含量無顯著相關(guān)性。

圖4 不同有機質(zhì)含量植煙土壤的交換性鈣鎂含量及其比值Fig.4 Soil exchangeable Ca, Mg contents and Ca/Mg ratios with different organic matter

2.4.4 地形條件的影響

已有研究表明，地形對土壤養(yǎng)分的空間分布有較大影響[25]。根據(jù)龍山縣地形特點，將采集的土壤分成坡上、坡中和坡下3類(圖5)。經(jīng)計算，各組植煙土壤交換性鈣平均含量為2.84～8.36 cmol/kg，坡上部土壤交換性鈣含量顯著低于坡中部和坡下部土壤(F=4.495，Sig.=0.012)。交換性鎂平均含量為0.92～1.90 cmol/kg，坡上部土壤交換性鎂含量極顯著低于坡中部和坡下部土壤(F=8.152，Sig.=0.000)。鈣鎂比為 6.46～10.6，坡上部土壤交換性鎂含量顯著高于坡下部土壤(F=3.298, Sig.=0.038)。相關(guān)性分析表明，地形與交換性鈣之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.140，P=0.017)；與交換性鎂之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.209，P=0.000)；與鈣鎂比值之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r= –0.147，P=0.012)。

圖5 不同地形植煙土壤的交換性鈣鎂含量及其比值Fig.5 Variety of tobacco–growing soil exchangeable Ca，Mg content and Ca/Mg ratios in different terrain conditions

2.4.5 土壤母質(zhì)和質(zhì)地的影響

對龍山縣植煙土壤的調(diào)查表明，其土壤母質(zhì)類型較為單一，分為殘積物和坡積物(圖6–左)。質(zhì)地也較為單一，分為黏土和壤土(圖6–右)。經(jīng)計算，殘積物和坡積物母質(zhì)形成的土壤交換性鈣平均含量分別為5.97 cmol/kg和8.32 cmol/kg，后者含量極顯著高于前者(F=7.501, Sig.=0.007)；交換性鎂平均含量分別為1.03 cmol/kg和1.81 cmol/kg，后者極顯著高于前者(F=10.170, Sig.=0.002)；鈣鎂比分別為10.47和 7.42，二者無顯著性差異(F=3.320, Sig.=0.069)。黏土和壤土的交換性鈣平均含量分別為6.69 cmol/kg和9.58 cmol/kg，后者含量極顯著高于前者(F=28.274, Sig.=0.000)；交換性鎂平均含量分別為1.23 cmol/kg和2.34 cmol/kg，后者含量極顯著高于前者(F=52.174, Sig.=0.000)；鈣鎂比分別為8.13和7.00，二者無顯著性差異(F=1.104, Sig.=0.294)。

圖6 不同母質(zhì)和質(zhì)地植煙土壤交換性鈣鎂含量及其比值Fig.6 Soil exchangeable Ca, Mg contents and Ca/Mg ratios under different soil parent material

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，龍山縣植煙土壤交換性鈣平均含量為 7.95 cmol/kg，屬中等變異強度；交換性鎂平均含量為1.68 cmol/kg，屬中等變異強度。土壤交換性鈣、鎂含量都高于貴州煙區(qū)[9]、昆明煙區(qū)[13]和攀枝花煙區(qū)[16]。植煙土壤鈣鎂比平均值為7.63，變異強烈，且僅有25.34%的土樣鈣鎂比為5～10。已有研究[9,22]表明，當(dāng)土壤鈣鎂比低于 5時，烤煙生理性缺鈣；當(dāng)鈣鎂比高于 10時，烤煙生理性缺鎂；當(dāng)鈣鎂比在5～10時較為適宜，有利于烤煙生長。據(jù)此，龍山縣土樣鈣鎂比適宜比例為25.34%，在生產(chǎn)中應(yīng)加強測土施肥，對于鈣鎂含量豐富，但是鈣鎂比偏高或偏低的區(qū)域應(yīng)注意鈣肥和鎂肥的配施比例。

龍山縣植煙土壤交換性鈣、鎂含量空間分布主要受海拔、地形結(jié)構(gòu)因素影響，而鈣鎂比受地形結(jié)構(gòu)因素和隨機因素(耕作制度、施肥)共同影響。土壤交換性鈣與海拔高度呈極顯著負(fù)相關(guān)。交換性鎂隨海拔升高呈拋物線變化。除高海拔(≥1 200 m)外，鈣鎂比隨海拔升高而下降。地形條件對土壤交換性鈣鎂含量及鈣鎂比都有顯著影響。坡中、坡下部土壤交換性鈣含量顯著高于坡上部，土壤交換性鎂含量極顯著高于坡上部，鈣鎂比值正好相反。這可能與降水有關(guān)。龍山縣屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候[25]，降水豐沛，海拔較高區(qū)域和坡上部土壤中交換性鈣和鎂受降水的強烈淋溶作用而富集到海拔較低或者地形較為平緩的區(qū)域。此外，龍山縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要集中在中、低海拔地區(qū)，在生產(chǎn)過程中施入了較多的鈣鎂肥料也是原因之一。龍山縣成土母質(zhì)以坡積物和殘積物為主。殘積物是母巖風(fēng)化后殘留在原地的堆積物，主要以礦物碎屑為主，而坡積物由殘積物進(jìn)一步侵蝕分化而來，礦物顆粒更細(xì)，釋放礦質(zhì)元素能力更強。進(jìn)一步分析表明，龍山縣以山地為主，其坡上部位土壤母質(zhì)以殘積物為主，坡中部和下部以坡積物為主，這可能是造成坡中部、坡下部土壤交換性鈣、鎂含量高的原因。

土壤交換性鈣、鎂含量以及鈣鎂比與pH值呈正相關(guān)關(guān)系。隨有機質(zhì)含量增加，交換性鈣含量呈上升趨勢，交換性鎂含量呈拋物線型變化，鈣鎂比呈下降趨勢，但各有機質(zhì)含量組間的交換性鈣鎂含量以及鈣鎂比無顯著差異。

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責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：羅 維

Spatial distribution of exchangeable calcium and magnesium contents of tobacco–growing soil in Longshan and its influencing factors

MAO Hui1, WU Zhike2, QING Xiangtao2, TENG Yihe2, TAN Jun3, XIANG Deming1, ZHANG Liming1*, LI Juan3, LI Qiang3
(1.Hunan Provincial Tobacco Company Xiangxi Branch, Jishou, Hunan 416000, China; 2.Xiangxi Meteorological Bureau of Hunan Province, Jishou, Hunan 416000,China; 3.Tobacco Research Institute, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

To study the spatial distribution characteristics of exchangeable calcium (Ca) and magnesium (Mg) contents of tobacco–growing soil in Longshan and its influencing factors.Using the technology of global positioning system (GPS), 300 representative soil samples from Longshan were collected to analyze the spatial distribution of soil exchangeable Ca, Mg contents and Ca/Mg ratios, as well as their influencing factors.The results were as follows: The average content of exchangeable calcium in soil was 7.95 cmol/kg ranging from 0.25 to 25.62 cmol/kg, and exchangeable calcium contents in 30.14% of the soil samples were in the appropriate level (6.00–10.00 cmol/kg); the average content of exchangeable magnesium in soil was 1.68 cmol/kg ranging from 0.02 to 5.74 cmol/kg, and exchangeable magnesium contents in only 15.38% of the soil samples were in the appropriate level (1.00–11.50 cmol/kg); the average value of Ca/Mg ratios was 7.63 ranging from1.99 to 84.76, and Ca/Mg ratios in 25.34% of the soil samples of were in the appropriate level (5–10)。The exchangeable calcium content in soil was extremely significantly influenced by altitude, pH, soil parent material and soil texture, and significantly influenced by terrain.The content of exchangeable magnesium in soil was extremely significantly influenced by altitude, pH, terrain, soil parent material and soil texture.Ca/Mg ratios was extremely significantly influenced by altitude, and significantly influenced by terrain.

tobacco–growing soil；exchangeable calcium; exchangeable magnesium; Ca/Mg ratio; Longshan county

S572.061

：A

：1007-1032(2017)01-0019-07

2016–09–21

2016–12–29

湖南省煙草公司項目(XX16–17Aa01，XX15–17Aa02)；湖南省煙草公司湘西自治州公司項目(州煙司2012–37)

毛輝(1981—)，男，湖南石門人，碩士，農(nóng)藝師，主要從事煙葉科研及技術(shù)推廣研究，maohui19811981@163.com；*通信作者，張黎明，碩士，農(nóng)藝師，主要從事煙草栽培技術(shù)研究, zlm19781978@163.com