湖南龙山县植烟土壤交换性钙镁的空间分布及影响因素

毛辉，吴志科，卿湘涛，滕羿和，谭军，向德明，张黎明*，黎娟，李强

(1.湖南省烟草公司湘西自治州公司，湖南 吉首 416000；2.湘西州气象局，湖南 吉首416000；3.湖南农业大学烟草研究院，湖南 长沙 410128)

湖南龙山县植烟土壤交换性钙镁的空间分布及影响因素

毛辉1，吴志科2，卿湘涛2，滕羿和2，谭军3，向德明1，张黎明1*，黎娟3，李强3

(1.湖南省烟草公司湘西自治州公司，湖南 吉首 416000；2.湘西州气象局，湖南 吉首416000；3.湖南农业大学烟草研究院，湖南 长沙 410128)

应用GPS 定位技术在湖南省龙山县采集具代表性植烟土壤300份，分析土壤交换性钙、镁含量和钙镁比的空间分布特征。结果表明：龙山县植烟土壤交换性钙平均含量为7.95 cmol/kg，变幅为0.25～25.62 cmol/kg，有30.14%的土样在适宜范围(6.00～10.00 cmol/kg)；交换性镁平均含量为1.68 cmol/kg，变幅为0.02～5.74 cmol/kg，仅有15.38%的土样在适宜范围(1.00～1.50 cmol/kg)；钙镁比平均值为7.63，变幅为1.99～84.76，有25.34%的土样在适宜范围(5～10)。土壤交换性钙含量受海拔高度、pH、土壤母质和质地影响极显著，受地形影响显著；交换性镁含量受海拔高度、pH、地形、土壤母质和质地极显著影响；钙镁比受海拔高度影响极显著，受地形显著影响。

植烟土壤；交换性钙；交换性镁；钙镁比值；龙山县

钙和镁都是烤烟生长发育所需的中量元素，其丰缺及比值直接影响烟叶的产量和品质。烤烟对钙的吸收量仅次于钾[1]。钙元素在烟株体内参与多种代谢[2]。研究表明，烤烟缺钙会出现代谢紊乱，合成代谢受阻，分解代谢加强，嫩叶失绿；烤烟钙含量过大，烟叶徒长，粗糙，变厚，贪青晚熟，地方性杂气加重[3–5]。镁元素既是叶绿体的重要组成成分，又是烟株体内多种酶的激活因子，对代谢有促进作用。土壤供镁适量时有利于提高烟叶的产量和内在品质[6–7]。研究表明，当烤烟缺镁时，会出现缺绿症，光合作用受阻，严重时烤后烟叶无光泽，弹性变差[8]；当烤烟镁过量时，烤后烟叶在储存过程中吸湿能力增强[9–10]。

土壤矿质元素供应能力不但与元素自身丰缺有关，而且与元素间的协调性、拮抗性有关[11]。钙镁比值既可以反映土壤中钙镁元素变化的动态过程，又可以反映元素的有效性。有研究表明，植烟土壤中交换性钙镁比值，随着植烟时间的延长呈提高趋势[12]。有关植烟土壤交换性钙、镁含量的研究已有报道，秦松等[9]研究了贵州植烟土壤交换性钙镁特征，邱学礼等[13]分析了昆明市植烟土壤交换性钙镁的特征，李永富等[14]、唐先干等[15]、胡建新等[16]分别研究了邵阳、江西和攀枝花烟区植烟土壤交换性钙和镁含量的分布特征。

湖南龙山县是优质烟叶原料供应基地。笔者采用地统计学和经典统计学方法，分析了龙山县植烟土壤交换性钙、镁含量和钙镁比的空间特征及其影响因素，旨在为龙山县烤烟种植的平衡施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

2015年，在龙山县烟区未施底肥前，应用GPS定位300个取样点，每个样点代表13.3～26.7 hm2地块，采集土样 300份。采样时避开降水。按“S”形取耕层 0～20 cm土壤，每个取样点取10个小样制成1个混合样，再按四分法保留土样1.00 kg，编号，经风干、磨细、过筛后，参照文献[17]的方法，测定植烟土壤的交换性钙、交换性镁、有机质含量和pH值。

1.2 数据处理与分析

参照文献[18]，用域法识别异常值(即视平均值± 3倍标准差之外的数值为异常值)，并将其去除，余下数据用Excel 2013和SPSS 17.0软件进行统计分析。采用ArcGIS 10.2软件地统计模块绘制空间分布图。

1.3 植烟土壤交换性钙镁含量及其比值的评价标准

参照文献[9,19–22]，制定龙山县植烟土壤交换性钙镁含量适宜范围及其比值评价标准。列于表1。

表1 龙山县植烟土壤交换性钙镁含量和适宜范围及其比值评价标准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 结果与分析

2.1 龙山县植烟土壤交换性钙镁含量及其比值的统计性描述

采用域法剔除异常样本，剔除土壤交换性钙异常样本3个，交换性镁异常样本1个。由表2可知，龙山县植烟土样的交换性钙和交换性镁含量呈正态分布。土壤交换性钙平均含量为 7.95 cmol/kg，中等变异强度。全县有30.14%的土样交换性钙含量在适宜范围内，有69.86%的土样钙含量偏高或者偏低，其中极缺的占16.10%，极高的占3.77%。土壤交换性镁平均含量为1.68 cmol/kg，中等变异强度。全县仅有 15.38%的土样交换性镁含量在适宜范围内；有84.62%的土样镁含量偏高或者偏低，其中极缺的占17.06%，极高的占21.07%。龙山县植烟土壤钙镁比平均值为7.63，变异系数为119.13%，属强变异。全县有 54.11%的土样钙镁比小于 5，有20.55%的土样钙镁比大于10，仅有25.34%的土样钙镁比为5～10。

表2 龙山县植烟土壤交换性钙镁含量及其比值统计特征Table 2 Statistical characteristics of soil exchangeable Ca，Mg content and Ca/Mg ratio in tobacco–growing soil of Longshan county

2.2 龙山县植烟土壤交换性钙镁含量及其比值的空间结构

如表3所示，龙山县植烟土壤交换性钙、镁含量及其比值在半方差函数中的最优拟合模型分别为球状模型、三角函数模型和球状模型，块金系数C0/(C0+C)分别为23.16%、20.79%和32.44%。当块金系数＜25%，表明分布具有强烈的空间相关性，主要受结构性因子影响，当块金系数在25%～75%，说明系统具有中等的空间相关性[23–24]，因此，龙山县植烟土壤交换性钙、镁含量的分布有强烈的空间相关性，主要受海拔、地形结构因素的影响，钙镁比值的空间分布由结构因素和随机因素(耕作制度、施肥)共同决定。

表3 龙山县植烟土壤交换性钙镁含量半方差函数模型及其拟合参数Table 3 Semivariogram models of soil exchangeable Ca,Mg and the corresponding parameters in tobacco–growing soilof Longshan county

2.3 龙山县植烟土壤交换性钙镁含量以及钙镁比空间分布

采用ArcGIS 10.2软件绘制龙山县植烟土壤交换性钙镁含量及其比值的空间分布图，如图1所示。龙山县东西两侧土壤交换性钙含量较高，中部大片区域含量适宜，北部、中部、西南部有少量区域交换性钙含量缺乏。龙山县西北和南部土壤交换性镁含量较高，中部、东部的较大区域以及北部和南部的较小区域含量较低，东部、东南部以及西北部有大片区域钙镁比高于20，仅在北部和中部部分区域钙镁比在适宜范围(5～10)。

图1 龙山县植烟土壤交换性钙镁含量和钙镁比的空间分布Fig.1 Spatial distribution of exchangeable Ca, Mg content and ratios of Ca/Mg in soil of Longshan county

2.4 龙山县植烟土壤交换性钙镁含量及其比值空间分布的影响因素

2.4.1 海拔高度的影响

龙山县烟区分布在海拔400～1 400 m。根据海拔高度，将土样分成5组，如图2所示。经计算，土壤交换性钙平均含量为5.02～9.08 cmol/kg，随着海拔升高而下降，二者回归方程为：y = –0.361 4x2+ 1.222 6x + 8.098，R2= 0.980 8。方差分析表明，不同海拔组间的土壤交换性钙含量差异达极显著水平(F=4.478，Sig.=0.002)。Duncan多重比较表明，海拔高度≥1 200 m组的土壤交换性钙含量极显著低于其他组。相关性分析表明，二者呈极显著负相关关系(r= –0.213)。

经计算，土壤交换性镁平均含量为 1.11～2.05 cmol/kg，随着海拔升高呈抛物线型变化，二者回归方程为：y= –0.21x2+ 1.322x – 0.122，R2= 0.744 3。方差分析表明，不同海拔组间的土壤交换性镁含量差异达极显著水平(F=7.007，Sig.=0.000)。Duncan多重比较表明，海拔800～1 000 m和＞1 000～1 200 m组的土壤交换性镁含量显著高于其他组。相关性分析表明，二者呈极显著正相关关系(r= 0.122，P=0.035)。

经计算，钙镁比为4.81～13.34，随着海拔升高先下降后上升，二者回归方程为：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的钙镁比极显著低于其他海拔(F=7.502，Sig.=0.000)。相关性分析表明，二者呈极显著负相关关系(r= –0.214，P=0.035)。

图2 不同海拔植烟土壤交换性钙镁含量及其比值Fig.2 Soil exchangeable Ca，Mg contents and Ca/Mg ratios at different latitudes

2.4.2 土壤pH值的影响

将所取土样按pH值分成7组(图3)，经计算，土壤交换性钙平均含量为2.86～14.32 cmol/kg，随pH值升高而升高，二者回归方程为：y= 1.906 8x+ 1.177 1，R2= 0.997 3。方差分析表明，不同pH值组间的土壤交换性钙含量差异达极显著水平(F=80.987，Sig.=0.002)。Duncan多重比较表明，pH7.0～7.5和pH≥7.5组土壤交换性钙含量极显著高于其他组。相关分析表明，二者呈极显著正相关关系(r=0.793，P=0.000)。

图3 不同pH植烟土壤交换性钙镁含量及其比值Fig.3 Soil exchangeable Ca, Mg contents and Ca/Mg ratios at different pH values

土壤交换性镁平均含量为0.60～2.91 cmol/kg，且随pH值升高而升高，二者回归方程为：y= –0.009 5x2+ 0.501 2x + 0.018 6，R2= 0.976 8。方差分析表明，不同pH组间的土壤交换性镁含量差异达极显著水平(F=31.675，Sig.=0.002)。Duncan多重比较表明，pH 7.0～7.5和pH＞7.5组土壤交换性镁含量极显著高于其他组。相关性分析表明，二者呈极显著正相关关系(r= 0.621，P=0.000)。

钙镁比为6.51～10.74，随着pH值增加先升高后降低。方差分析表明，各pH值组间的土壤钙镁比值差异不显著(F=1.282，Sig.=0.265)。相关性分析表明，二者呈显著正相关关系(r=0.136，P=0.020)。

2.4.3 有机质含量的影响

将所取土样依据有机质含量分成5组(图4)，经计算，土壤交换性钙平均含量为 6.98～9.96 cmol/kg，随有机质含量升高呈上升趋势，二者回归方程为：y= 0.72x+6.134，R2= 0.975 8。交换性镁平均含量为10.7～186 cmol/kg，随有机质含量升高呈抛物线型变化，二者回归方程为：y= –0.117 1x2+ 0.794 9x+0.426，R2=0.855。钙镁比值为6.11～8.45，随有机质含量升高而降低。方差分析表明，不同有机质组间的交换性钙(F=0.946，Sig.=0.438)和镁含量(F=1.632，Sig.=0.166)以及钙镁比值(F=0.95，Sig.=0.984)差异都不显著。相关性分析表明，三者与有机质含量无显著相关性。

图4 不同有机质含量植烟土壤的交换性钙镁含量及其比值Fig.4 Soil exchangeable Ca, Mg contents and Ca/Mg ratios with different organic matter

2.4.4 地形条件的影响

已有研究表明，地形对土壤养分的空间分布有较大影响[25]。根据龙山县地形特点，将采集的土壤分成坡上、坡中和坡下3类(图5)。经计算，各组植烟土壤交换性钙平均含量为2.84～8.36 cmol/kg，坡上部土壤交换性钙含量显著低于坡中部和坡下部土壤(F=4.495，Sig.=0.012)。交换性镁平均含量为0.92～1.90 cmol/kg，坡上部土壤交换性镁含量极显著低于坡中部和坡下部土壤(F=8.152，Sig.=0.000)。钙镁比为 6.46～10.6，坡上部土壤交换性镁含量显著高于坡下部土壤(F=3.298, Sig.=0.038)。相关性分析表明，地形与交换性钙之间存在显著正相关关系(r=0.140，P=0.017)；与交换性镁之间存在极显著正相关关系(r=0.209，P=0.000)；与钙镁比值之间存在显著负相关关系(r= –0.147，P=0.012)。

图5 不同地形植烟土壤的交换性钙镁含量及其比值Fig.5 Variety of tobacco–growing soil exchangeable Ca，Mg content and Ca/Mg ratios in different terrain conditions

2.4.5 土壤母质和质地的影响

对龙山县植烟土壤的调查表明，其土壤母质类型较为单一，分为残积物和坡积物(图6–左)。质地也较为单一，分为黏土和壤土(图6–右)。经计算，残积物和坡积物母质形成的土壤交换性钙平均含量分别为5.97 cmol/kg和8.32 cmol/kg，后者含量极显著高于前者(F=7.501, Sig.=0.007)；交换性镁平均含量分别为1.03 cmol/kg和1.81 cmol/kg，后者极显著高于前者(F=10.170, Sig.=0.002)；钙镁比分别为10.47和 7.42，二者无显著性差异(F=3.320, Sig.=0.069)。黏土和壤土的交换性钙平均含量分别为6.69 cmol/kg和9.58 cmol/kg，后者含量极显著高于前者(F=28.274, Sig.=0.000)；交换性镁平均含量分别为1.23 cmol/kg和2.34 cmol/kg，后者含量极显著高于前者(F=52.174, Sig.=0.000)；钙镁比分别为8.13和7.00，二者无显著性差异(F=1.104, Sig.=0.294)。

图6 不同母质和质地植烟土壤交换性钙镁含量及其比值Fig.6 Soil exchangeable Ca, Mg contents and Ca/Mg ratios under different soil parent material

3 结论与讨论

本研究结果表明，龙山县植烟土壤交换性钙平均含量为 7.95 cmol/kg，属中等变异强度；交换性镁平均含量为1.68 cmol/kg，属中等变异强度。土壤交换性钙、镁含量都高于贵州烟区[9]、昆明烟区[13]和攀枝花烟区[16]。植烟土壤钙镁比平均值为7.63，变异强烈，且仅有25.34%的土样钙镁比为5～10。已有研究[9,22]表明，当土壤钙镁比低于 5时，烤烟生理性缺钙；当钙镁比高于 10时，烤烟生理性缺镁；当钙镁比在5～10时较为适宜，有利于烤烟生长。据此，龙山县土样钙镁比适宜比例为25.34%，在生产中应加强测土施肥，对于钙镁含量丰富，但是钙镁比偏高或偏低的区域应注意钙肥和镁肥的配施比例。

龙山县植烟土壤交换性钙、镁含量空间分布主要受海拔、地形结构因素影响，而钙镁比受地形结构因素和随机因素(耕作制度、施肥)共同影响。土壤交换性钙与海拔高度呈极显著负相关。交换性镁随海拔升高呈抛物线变化。除高海拔(≥1 200 m)外，钙镁比随海拔升高而下降。地形条件对土壤交换性钙镁含量及钙镁比都有显著影响。坡中、坡下部土壤交换性钙含量显著高于坡上部，土壤交换性镁含量极显著高于坡上部，钙镁比值正好相反。这可能与降水有关。龙山县属于亚热带季风性湿润气候[25]，降水丰沛，海拔较高区域和坡上部土壤中交换性钙和镁受降水的强烈淋溶作用而富集到海拔较低或者地形较为平缓的区域。此外，龙山县农业生产主要集中在中、低海拔地区，在生产过程中施入了较多的钙镁肥料也是原因之一。龙山县成土母质以坡积物和残积物为主。残积物是母岩风化后残留在原地的堆积物，主要以矿物碎屑为主，而坡积物由残积物进一步侵蚀分化而来，矿物颗粒更细，释放矿质元素能力更强。进一步分析表明，龙山县以山地为主，其坡上部位土壤母质以残积物为主，坡中部和下部以坡积物为主，这可能是造成坡中部、坡下部土壤交换性钙、镁含量高的原因。

土壤交换性钙、镁含量以及钙镁比与pH值呈正相关关系。随有机质含量增加，交换性钙含量呈上升趋势，交换性镁含量呈抛物线型变化，钙镁比呈下降趋势，但各有机质含量组间的交换性钙镁含量以及钙镁比无显著差异。

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责任编辑：罗慧敏

英文编辑：罗 维

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

湖南省烟草公司项目(XX16–17Aa01，XX15–17Aa02)；湖南省烟草公司湘西自治州公司项目(州烟司2012–37)

毛辉(1981—)，男，湖南石门人，硕士，农艺师，主要从事烟叶科研及技术推广研究，maohui19811981@163.com；*通信作者，张黎明，硕士，农艺师，主要从事烟草栽培技术研究, zlm19781978@163.com