烟草生育期土壤有效铁和锰的时空变异性研究

何晓冰+王晓强+葛少华+李朋彦+常栋

摘要：采用地统计学和地理信息系统相结合的方法，运用克里格插值和栅格运算绘制空间分布图和时间稳定性图，对烟草生育期土壤中有效铁和有效锰含量的时空变异规律进行研究。结果表明，研究区域内土壤有效Fe和有效Mn在7月份和10月份具有强烈的空间相关性，块金系数均小于25%；4月份土壤有效Fe和有效Mn的块金系数分别为50.00%和36.10%，具有中等的空间相关性。时间稳定性分析表明，土壤有效Fe的时间稳定性较强，而有效Mn较弱，其时间变异系数大于25%的不稳定区域面积较广。研究区域内土壤有效Fe和Mn在空间分布和时间尺度上均有不同程度的变异。在烟叶生产过程中，应根据土壤中有效铁和锰的变化规律，注意对微肥的施用。

关键词：植烟土壤；有效铁；有效锰；时空变异；克里格插值法

中图分类号：S158：S572文献标识号：A文章编号：1001-4942（2018）01-0101-06

Abstract Using the method of geo-statistics combined with geographic information system （GIS）， the maps of spatial distribution and temporal stability were drawn with Kriging interpolation and raster calculation， and the spatial-temporal variation of available iron and manganese contents in soil during tobacco growth season was researched. The results showed that the soil available iron and manganese conents in research regions had strongly spatial correlation in July and October， and their nugget coefficients were lower than 25%. In April， the nugget coefficient of available iron and manganese were 50.00% and 36.10% respectively， and showed moderate spatial correlation. The analysis results of temporal stability indicated that available iron had higher temporal stability， while that of available manganese was weaker for more widely area of unstable region with the time frame variation coefficient more than 25%. Soil available iron and manganese in research regions had variation in different degrees in spatial distribution and time scale. During the tobacco production， we should pay attention to micronutrient fertilizer application according to the changing rules of soil available iron and manganese.

Keywords Tobacco field； Available iron； Available manganese； Spatial-temporal variation； Kriging interpolation

土壤養分的时空变异性包括不同时间尺度和空间尺度上的动态变化[1-3]。随着化肥施用量的增加，土壤中的微量元素逐渐失衡[4，5]。铁和锰是作物必需的营养元素，铁与烟叶香气前体物的形成密切相关，锰参与烟株的光合、呼吸和氧化等重要的生理生化过程[6-10] 。而微量元素平时施用较少，大多随有机肥施入土壤中，为了烟叶的正常生长，有必要对植烟土壤中铁和锰的时空变异性进行研究。高博超等[11]研究认为在烟田养分管理与施肥方面应根据植烟土壤养分的空间变异特征因地制宜进行。孔毅等[12]提出在小尺度下的烟田土壤养分的变异可导致烟株长势不均匀，化学成分不协调。张明[13]、宋文锋[14]等在对植烟土壤养分分析中均指出应注意微量元素的施用以改善其分布。张春华等[15]采用GIS和GPS技术以及地统计学方法绘制微量养分空间分布图，使其可视化以有利于微量元素空间变异特征的研究。土壤有效态微量元素在空间上呈各向异性[16]，其分布会受到环境的影响，如在缓坡植烟土壤中，坡度也会影响微量元素的空间分布[5]。在时间尺度上，于婧文等[17]对土壤养分进行了跨度为10年的时空变异性研究。Cui 等[18]通过对冬小麦4月份和6月份的土壤养分前后变化进行对比，指出在不同时期土壤中养分变异较明显。吴清华等[19]运用ArcGIS地统计分析模块，对2011年和1984年土壤中速效钾含量进行对比分析，认为在较大的时间尺度上影响土壤中速效钾的因素较多。陈彦[20]对绿洲农田土壤养分在1996年和2005年两个年份间进行对比，表明不同养分其时空变异程度不同。目前，对于植烟土壤中微量元素的时空变异性研究较少，而豫中地区微肥施用极少，烟草中铁和锰的获取主要来自于土壤。本研究利用地统计学和GIS技术对豫中植烟土壤铁和锰的时空变异性进行研究，揭示其变异规律，便于土壤养分的精准管理和施肥决策，为提高烟叶品质提供理论参考。endprint

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本试验于2013年和2014年在许昌市襄城县紫云镇进行，选择前茬统一的烟草种植田块作为研究对象（33°51′N， 113°24′E），面积约为4 hm2。该地块一直采用机械起垄并条施底肥，统一的管理模式，没有进行过变量施肥试验，是较为理想的精准管理分区研究用地。

该区属暖温带大陆季风气候，四季分明，年平均气温14.7℃，平均日照总时数为2 281.9 h（烟草生育期间年日照时数1 400～1 500 h），无霜期220～240 d，日均温20℃以上日数98～110 d，积温2 500～2 600℃，年平均日照率为52%，年降雨量1 000～1 100 mm，每年6、7、8月的降雨量占全年总降雨量60%左右，土壤类型为褐土。烟草种植品种为中烟100。

1.2 土壤样品采集

取样点的确定：利用手持GPS定位，以20 m×20 m的“网格”取样法固定样点101个，4月份施肥前各样点取0～20 cm耕层土壤样品，随后在7月份和10月份均定点取样，三个时期样品共303个。取样点的经纬度坐标在ArcGIS中利用Gauss Kruger投影转换为大地坐标，并生成研究区的采样点分布图（图1）。

1.3 测定方法

土壤样品自然风干，过2 mm筛进行室内分析。土壤有效铁和有效锰采用盐酸浸提后用ICP-OES测定。

1.4 数据分析

经典统计学分析用SPSS软件，地统计学分析用GS+7.0软件，图形的编辑、输出在ArcGIS软件下完成。

在半方差函数中用块金方差与基台值的比值 （C0/（C+C0）） 表示空间变异性程度。从结构性因素看，块金效应的百分数即块金系数可以表示系统变量的空间相关性程度，当块金系数< 25%时，说明变量之间具有强烈的空间相关性；若在25%～75%之间，变量具有中等程度的空间相关性；当 > 75% 时，变量空间相关性较弱[21]。

时间稳定性图是通过计算每个样点多次采样取得的实测值的变异系数，经栅格运算得到。该方法最初应用于粮食作物产量的时间稳定性评估[22]，而后在土壤养分的时间稳定性分析上也有应用[20，23]。变异系数CVt计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 描述性统计分析

从表1可以看出，三个时期土壤有效Fe含量的平均值逐渐增加。土壤有效Mn在4月份（植烟前）、7月份（旺长期）、10月份（采收后）的平均含量分别为49.89、61.02、30.36 mg/kg。总体来看，在烟草整个生育期内土壤中有效Mn含量是降低的。各时期土壤有效Fe和Mn的变异系数相差不大，均具有中等程度的变异。K-S检验结果表明，各个变量均符合正态分布。

根据表1中的LSD检验结果可知，Fe在三个时期的均值差异不显著，比较稳定。三個时期中Mn的均值具有显著差异，表明土壤有效Mn在不同时期的含量变化较大，而在10月份达到最小。根据第二次全国土壤普查中微量元素分级标准，从数值来看，研究区有效Fe平均含量全部处于丰富级别（>20 mg/kg）；Mn绝大部分地区处于丰富级别（>30 mg/kg）和较丰富级别（15～30 mg/kg），仅个别区域处于中等含量状态（5～15 mg/kg）。

2.2 半方差分析

经典统计分析只能反映研究区域总体情况，无法定量描述土壤属性的空间变异性和分布状况。通过空间结构性分析，进一步了解研究区土壤Fe和Mn的空间分布特性。

由表2可知，在研究区域内，4月份有效Fe的最佳模型为球状模型，其余变量均以指数模型拟合最优。不同时期铁和锰的变程差异较大，在25.20～932.70 m之间，均大于取样间距，说明本研究的取样尺度（20 m×20 m）是可行的。4月份土壤中有效Fe和Mn的变程较大，分别为134.60 m和932.70 m；植烟后土壤中有效Fe和Mn的变程明显降低。可能是农事操作或烟株生长改变了土壤中有效Fe和Mn的分布从而导致其变程减小。4月份土壤有效Fe和Mn空间相关性中等，其块金系数分别为50.00%和36.10%，与常栋[5]、王永东[24]等的研究结果一致；7月份和10月份，土壤有效Fe和Mn的块金系数均小于25.00%，具有强烈的空间相关性。王雪婧等[3]在对贵州缓坡植烟土壤有效Mn的空间变异研究中指出，Mn在植烟前具有强烈的空间相关性，而植烟后土壤Mn的空间相关性降低为中等强度，与本研究结果不同，可能是地形或降水等因素影响土壤有效Mn的空间相关性。

2.3 不同时期土壤有效Fe和Mn含量的空间分布格局

依据半方差函数理论模型及相关参数，利用克里格插值法，绘制研究区内三个时期土壤有效Fe和Mn的空间分布图（图2）。

从图2可以看出，4月份土壤有效Fe和Mn含量的分布结构明显且空间连续性较好，东部区域含量较低，中部和西部区域含量较高。7月份和10月份土壤有效Fe和Mn含量分布没有规律性。三个时期土壤有效Fe和Mn含量分布发生较大变化，主要是由于烟株在生育期内对矿质元素的差异性吸收，同时农事耕作也会影响矿质元素的含量及其分布。

对三个时期有效Fe和有效Mn含量分别进行栅格运算，得到每两个时期之间含量变化图（图3），可直观地看出两个时期之间土壤有效Fe和有效Mn含量的变化。

从图3可看出，4月份到7月份在植烟前到烟草旺长期之间，土壤有效Fe和Mn含量差值的正值主要分布在东部区域，且面积相对较大。7月份到10月份，土壤有效Fe的差值为负值的区域主要分布在东部和中部，而土壤有效Mn负值区域较多。在烟草整个生育期内，4月份到10月份土壤有效Fe的差值正值区域主要在东部，而有效Mn在研究区域内几乎全为负值。负值说明在这期间土壤中Fe和Mn的含量降低，除去烟株的吸收和农事操作影响，成熟期出现的干旱情况，也可能导致土壤有效Mn含量降低[25]。endprint

2.4 土壤有效铁和有效锰的时间稳定性分析

通过计算每个采样点铁和锰含量数据在三个时期的变异系数，获得研究区域土壤有效Fe和Mn的时间稳定性图（图4）。稳定级别划分标准见表3。

从图4中可以看出，土壤有效Fe的时间稳定性总体较好，变异系数大于25%的区域零星分布于研究区域内，主要位于东部和西南部。影响土壤有效Fe的因素包括土壤环境条件和人为活动等，其中环境条件主要是重碳酸盐和土壤pH值的影响。土壤中Mn的时间稳定性较差，不稳定区域面积分布较广，较稳定区域呈团块状分布。有研究指出，对于土壤Mn的有效性和移动性影响因素较多，其中以pH和Eh最为突出，而土壤中的有机质、微生物活动和土壤中铁含量也会有一定的影响[24]。时间稳定性可能会受不同烟株对土壤微量元素的吸收量或土壤酸碱性、土壤矿化能力以及植物根系分泌物等[25]因素的影响。

3 讨论与结论

（1）地統计分析表明，三个时期中土壤有效铁和有效锰含量均符合正态分布，植烟前土壤有效铁和锰的空间相关性中等；7月份与10月份土壤有效铁和锰具有强烈的空间相关性。

（2）空间变异性分析显示，植烟前土壤有效铁和有效锰分布具有明显的层次性；7月份与10月份其分布规律性较差。通过栅格运算得到每两个时期插值图表明，有效锰在三个时期较有效铁变化差异大。

（3）时间稳定性分析显示，土壤有效铁的时间稳定性较强；土壤有效锰的时间稳定性较弱，稳定区域面积较少，零星分布于研究区内。

土壤铁和锰的含量是影响烟叶品质的因素之一，烟株在生育期对微量元素的吸收量较少，但对其品质影响较大。因此探索土壤有效铁和锰的时空变异性，了解其时空变异规律具有重要意义。就时间稳定性而言，有效铁的时间稳定性较好，而有效锰的时间稳定性较差。锰在土壤中向根部的迁移主要是依靠质流和扩散，土壤锰含量受到地形、土壤质地、土壤含水量和耕作等因素的影响。此次研究所选用试验田，在三个时期内，有效铁含量并不缺乏，而有效锰含量在生育后期出现缺乏现象，为保证烟株在整个生育期内对锰的吸收，应根据锰在不同时期的含量变化，酌情考虑对锰的施用。根据土壤有效铁和锰的含量变化，做到平衡施肥，均衡养分，差异化管理，同时配套规范的大田管理措施，以达到提高烟叶品质的目的。

土壤养分在烟株生长的不同时期其含量变化具有差异性，而烟田精准管理主要采用土壤养分的静态数据，对养分的时间动态变化和烟株在不同时期对养分的吸收差异考虑较少。因此在以后的烟田精准管理分区因素中可以考虑纳入养分的动态变化数据。

参 考 文 献：

[1] 严世光，廖铁军，王珂，等. 土壤质量及其时空变异[J]. 安徽农业科学，2010，38（3）： 1362-1365.

[2] 路鹏，苏以荣，牛铮，等. 土壤质量评价指标及其时空变异[J]. 中国生态农业学报， 2007，15（4）： 190-194.

[3] 王雪婧，常栋，孔毅，等. 植烟前后土壤有效锰含量的空间变异特征[J]. 河南农业大学学报，2013， 47（3）： 334-339.

[4] 郭军玲，吴士文，金辉，等. 农田土壤微量元素含量的空间变异特征和影响因素[J]. 水土保持学报，2010，24（1）： 145-149.

[5] 常栋，徐明康，王勇，等. 缓坡植烟田土壤微量元素的空间变异特征[J]. 中国烟草学报，2012， 18（3）： 34-41.

[6] 刘国顺.烟草栽培学[M].北京：中国农业出版社，2003.

[7] 陈义强，刘国顺，习红昂. 微尺度下烟田铁的空间变异性及其与烟叶铁的相关分析[J]. 生态学报，2009， 29（3）：1448-1458.

[8] 许自成，王林，关博谦，等.湖南烟区烤烟锰与土壤有效锰含量的分布特点及关系分析[J].中国烟草学报，2007，13（5）：27-32.

[9] 王瑞新.烟草化学[M].北京： 中国农业出版社，2003.

[10]张文婧，王昌全，刘朝科，等. 米易县植烟土壤有效态微量元素含量特征分析[J].四川农业大学学报，2012，30（3）：272-277.

[11]高博超，娄翼来，金广远，等.基于GIS和地统计学的植烟土壤养分空间分析[J].中国烟草学报，2009，15（1）：35-38.

[12]孔毅，刘国顺，腊贵晓，等.小尺度下基于GIS和地统计学的烟田土壤养分空间变异[J].江苏农业科学，2012，40（4）：317-320.

[13]张明.豫中烟区土壤养分空间变异及其管理分区[D].郑州：河南农业大学，2010.

[14]宋文峰.GIS和地统计学应用于泸州植烟土壤养分空间变异及分区管理技术研究[D].郑州：河南农业大学，2011.

[15]张春华，张正杨，刘国顺，等.植烟土壤有效微量元素空间变异特征[J].土壤，2010，42（1）：20-25.

[16]李强，周冀衡，杨荣生，等.GIS支持下的马龙县植烟土壤有效态微量元素评价[J].中国烟草学报，2011，17（4）：56-61.

[17]于婧文，周怀平，张建杰，等.褐土区乡镇级农田土壤养分时空变异研究[J].山西农业科学，2010，38（2）：34-39.

[18]Cui B， Yang W D， Feng M C，et al. Study on the spatial-tem-poral variability of soil nutrients during winter wheat growth season[C]//CCTA 2012， 2013，393： 238-247.

[19]吴清华，周永章，张正栋，等.广东省翁源县农业土壤速效钾时空变异特征及其影响因素研究[J].广东林业科技，2013，29（1）：1-8.

[20]陈彦.绿洲农田土壤养分时空变异及精确分区管理研究[D].石河子：石河子大学，2008.

[21]孔毅.基于GIS和地统计学的小尺度下贵州毕节烟田土壤基础养分空间变异及推荐施肥研究[D].郑州：河南农业大学，2012.

[22]Blackmore S.The interpretation of trends from multiple yield maps[J].Computers and Electronics in Agriculture，2000，26（200）：37-51.

[23]李炜芳.香蕉园土壤水肥时空变异及其与香蕉生长、产量的关系研究[D].海口：海南大学，2011.

[24]王永东，廖挂常，李廷轩，等.四川蒙顶山低山茶园土壤主要微量元素空间变异特征及影响因素研究[J].茶叶科学，2008，28（1）：14，21.

[25]王秋菊，崔战利，王贵森，等.土壤锰的研究现状及展望[J].黑龙江八一农垦大学学报，2005，17（3）：39-42.endprint