曲靖烤烟钾含量空间变异特征及主控因素解析

王子维,解 燕,程昌新,李 强,李明昌,刘加红,邵建平,刘 诚,周冀衡*

(1．湖南农业大学 生物科学技术学院/烟草研究院/农学院,湖南 长沙 410128;2.云南省烟草公司曲靖市公司,云南 曲靖 655000;3.红云红河烟草(集团)有限责任公司,云南 昆明 650231)

钾含量是烟叶重要的品质指标之一，对烟叶外观质量和内在质量有较大的影响[1-6]。我国烤烟平均钾含量仅为1.93%，50%以上的烤烟在2.0%以下，远低于其他优质产烟国[7-8]，云南烤烟钾含量长期徘徊在1.90%左右[6-8]。烟草的生态适应性很强，但其化学成分的生态变异性却很大[7-10]。有关烟叶钾含量影响因素的研究一直备受关注，如李强[11]和周翔[12]采用回归分析的方法证实烤烟钾含量与降水量呈直线相关；黄中艳[13]研究表明烤烟钾含量与伸根期均温，伸根期及旺长期降雨量，及旺长期和成熟前期日照时数呈正相关关系；丁伟[14]采用相关分析法证实烤烟钾含量与土壤中钾离子浓度呈显著正相关，而与土壤中Ca2+、Mg2+呈显著负相关；以上研究多为单个因素与烤烟钾含量的相关性或回归关系研究，而针对某一烟区综合研究钾含量的影响因素，特别是不同因子的贡献率的研究鲜见报道。曲靖市地域辽阔，气候资源和土壤资源都较适宜优质烟叶的生产，是全国最大的烟叶生产基地。曲靖烟区中部烟叶平均钾含量长期徘徊在1.60%左右，低钾问题一直较为严重，甚至低于同属云南的昆明、红河和大理等烟区[6,11,15]。鉴于此，本研究拟对曲靖烤烟钾含量的分布情况进行深入分析，并进一步解析影响区域烤烟钾含量的主控因素，以期为烤烟种植优化布局、生产技术改进提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集和分析

根据基本烟田分布，采用GPS定位技术选定3 506个土壤和烟叶的定位取样点，每个植烟村布置定位取样点2～5个，根据轮作情况分3年采集土壤和烟叶样品(2008—2010)。土壤样品在前茬作物收获后至翻耕前采集，采用五点取样法取耕作层土壤(0～20cm)，共采集土样3 506个。烟叶样品由专业分级人员按照“GB2635—1992 烤烟”标准在对应的土壤取样田块上采集，共采集中部橘黄3级(C3F)烟叶3 506个，每个样品2 kg，烟样粉碎后过60目筛，备用。测定的土壤指标有pH值、有机质、全氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾、有效钙、有效镁、有效硫、有效铁、有效锰、有效硼、有效钼、有效锌、有效铜和水溶性氯，测定参照鲁如坤[16]方法进行。烟叶钾含量参照肖协中[17]方法测定。

1.2 数据分析

首先采用域法识别并剔除异常值[18]。采用GS+9.0软件进行半方差函数的计算和模型拟合[19]，采用ArcGIS10.22软件进行Kriging插值和绘图[20]。采用方差分析和回归分析的方法研究不同因子对烤烟钾含量的影响，进行方差分析时，将海拔、有机质含量等连续变量按数值大小分成若干组；地形、土壤类型、土壤质地为多分类变量，进行回归分析时采用哑变量为其赋值[21]。描述性统计、方差分析、多重比较、K-S检验、回归分析均利用SPSS17.0 软件完成[22]。

2 结果与分析

2.1 曲靖烤烟钾含量状况

2.1.1 烤烟钾含量总体分布 描述性统计结果显示(图1)，曲靖烤烟钾含量偏低，均值仅为1.65%，变幅较大(0.35%～3.60%)，变异中等(变异系数为23.16%)，其分布不符合正态分布，经对数转换后复合正态分布。从不同植烟县来看，烤烟钾含量在不同植烟县间差异达到极显著水平(F=71.031，sig.=0.000)，变化范围为1.50%～1.99%，最高的为罗平县(1.99%)，极显著高于其他植烟县，富源县其次，也极显著高于其他植烟县，最低的为会泽县和沾益县(1.50%)，其他植烟县间烤烟钾含量也存在显著或极显著差异。

图1 曲靖各植烟县烤烟钾含量差异Fig.1 Potassium content of flue-cured tobacco in Qujing

2.1.2 烤烟钾含量空间分布 为了掌握烤烟钾含量的地理分布格局，首先采用半方差函数模型对区域烤烟钾含量的空间结构特征进行分析，通过对不同模型的决定系数和插值精度的比较，确定指数模型为烤烟钾含量的最佳函数模型，模型决定系数(R2)为0.879，表明选取的模型具有很高的拟合精度，能够很好地反映烤烟钾含量的空间结构特征(表1)。然后利用得到的半方差函数模型，采用克里格插值法获得曲靖烤烟钾含量的空间分布图(图2)，RMSSE接近于1，MSE接近于0，表明插值精度较高。块金效应为72.68%，表明空间变异由随机因子和结构性因子共同决定。变程为0.29 km，反映烤烟钾含量空间自相关距离较小。进一步调用ArcGIS中的面积统计模块统计各等级的面积大小，面积最大的是“偏低”等级，占全市面积的65.69%，在各个植烟县均有分布，其次是“低”等级，占全市面积的28.91%，主要分布在中北部的沾益、会泽和宣威，在其他县仅有零星分布，最后是“适宜”等级，占全市面积的5.40%，主要分布在罗平县。

表1 烤烟钾含量最优半方差函数相关参数及其插值精度

RMSSE是标准化均方根误差；MSE是标准化平均误差(n=3 506)。

RMSSEis normalized root mean square error;MSEis Standardized mean error.

2.2 各因素影响烤烟钾含量变异的差异性

图2 曲靖烟区烤烟钾含量空间分布Fig.2 Spatial distribution map of potassium content of flue-cured tobacco in Qujing

将海拔、pH、有机质和全氮等19个连续变量与烤烟钾含量进行相关分析(表2)，有12项指标与钾含量呈显著或极显著正(负)相关，选取海拔、pH、有机质、碱解氮、速效钾、有效镁、有效钙、有效锌、有效钼等9项指标进行分级，然后进行对钾含量影响的方差分析。9项连续变量的划分方法如下：海拔分为<1 400 m，1 400～1 600 m，1 600～1 800 m，1 800～2 000 m，2 000～2 200 m，>2 200 m 6个海拔分组；将pH分为>7.5，6.5～7.5，5.5～6.5，<5.5等4个等级；将有机质划分为>40 g/kg，30～40 g/kg，20～30 g/kg，10～20 g/kg，<10 g/kg等5个等级；将碱解氮划分为<50 mg/kg、50～100 mg/kg、100～150 mg/kg、150～200 mg/kg、>200 mg/kg等5个等级；速效钾划分为<50 mg/kg、50～100 mg/kg、100～150 mg/kg、150～200 mg/kg、>200 mg/kg等5个等级；有效镁分为<100 mg/kg、100～200 mg/kg、200～300 mg/kg、300～400 mg/kg、400～500 mg/kg、>500 mg/kg等6个等级；有效锌分<2 mg/kg、2～3 mg/kg、3～4 mg/kg、4～5 mg/kg、>5 mg/kg等5个等级；有效硼划分为<0.5 mg/kg，0.5～1.0 mg/kg，>1.0 mg/kg等3个等级；有效钼划分为<0.1 mg/kg、0.1～0.2 mg/kg、0.2～0.3 mg/kg、0.3～0.4 mg/kg、>0.4 mg/kg等5个等级。同时进行方差分析的还有分类变量土壤质地、土壤类型和地形。方差分析的结果(表3)表明，烤烟钾含量在不同海拔、地形、质地、土类、有机质、速效钾、碱解氮、有效锌、有效钼间存在极显著差异(P<0.01)，在不同pH、有效镁、有效硼间存在显著差异(P<0.05)，说明这12个因素均是影响烤烟钾含量的重要因素。从方差分析结果来看，不同影响因素的F值大小差异较大，其中土壤有效镁的F值最小，为2.352，土壤类型的F值最大，为63.588，说明不同因素对烤烟钾含量变异的影响存在较大的差异性。

表2 相关分析结果

表3 曲靖各因子影响烤烟钾含量的方差分析结果

钾含量最高的是海拔<1 400 m的分组，最低的是>2 200 m，呈现出随海拔升高烤烟钾含量下降的趋势(表4)；钾含量最高的是山地，最低的是河槽(表5)；6种质地上烤烟钾含量平均值均为“偏低”等级，钾含量最高的是中粘土、最低的是砂壤土，呈现出随土壤粘性增加，烤烟钾含量增加的趋势(图3)。不同类型土壤上烤烟钾含量最高的是黄壤，其烤烟钾含量达到优质烟叶钾含量要求，其他类型土壤上烤烟钾含量均低于2.0%，最低的是紫色土(图4)。不同pH分组间烤烟钾含量最高的是pH6.5～7.5的分组最低的是pH<5.5的分组，呈现出中性植烟土壤烤烟钾含量较高，而弱碱性和酸性植烟土壤烤烟钾含量较低的趋势(表6)；不同有机质分组间烤烟钾含量最高的是>40 g/kg的有机质分组，钾含量最低的是<10 g/kg的有机质分组，呈现出随有机质降低烤烟钾含量下降的趋势(表7)；不同碱解氮分组间烤烟钾含量最高的是>200 mg/kg的碱解氮分组，钾含量最低的是<50 mg/kg的碱解氮分组，呈现出随碱解氮增加烤烟钾含量上升的趋势(表8)；不同速效钾分组间烤烟钾含量最高的是>200 mg/kg的速效钾分组，钾含量最低的是<50 mg/kg的速效钾分组，呈现出随速效钾增加烤烟钾含量上升的趋势(表9)；不同有效镁分组间烤烟钾含量最高的是<100 mg/kg的有效镁分组，钾含量最低的是>500 mg/kg的有效镁分组，呈现出随有效镁增加烤烟钾含量下降的趋势(表10)；不同有效锌分组间烤烟钾含量最低的是>5 mg/kg的有效锌分组，显著低于其他分组，钾含量最高的是<2 mg/kg的有效锌分组，呈现出随有效锌增加烤烟钾含量下降的趋势(表11)；不同有效硼分组间烤烟钾含量最高的是>1 mg/kg的有效硼分组，钾含量最低的是<0.5 mg/kg的有效硼分组，呈现出随有效硼增加烤烟钾含量上升的趋势(表12)；不同有效钼分组间烤烟钾含量最高的是>0.4 mg/kg的有效钼分组，钾含量最低的是<0.1 mg/kg的有效硼分组，呈现出随有效钼增加烤烟钾含量上升的趋势(表13)。

表4 海拔高度对烤烟钾含量的影响

表5 不同地形对烤烟钾含量的影响

图3 土壤质地对烤烟钾含量的影响Fig.3 Effect of soil texture on potassium content of flue-cured tobacco

图4 土壤类型对烤烟钾含量的影响Fig.4 Potassium content of flue-cured tobacco affected by different soil types

pH样本数Samplenumber均值±标准差/%Mean±standarddeviation变异系数/%CV变幅/%Amplitude>7．52671．66±0．3923．360．90～2．846．5～7．511391．68±0．4023．630．35～3．435．5～6．513201．64±0．3823．210．59～3．60<5．57541．64±0．3622．160．67～2．88

表7 土壤有机质对烤烟钾含量的影响

表8 不同土壤碱解氮分组烤烟钾含量差异

表9 不同土壤速效钾分组烤烟钾含量差异

表10 不同土壤有效镁分组烤烟钾含量差异

表11 不同土壤有效锌分组烤烟钾含量差异

表12 不同土壤有效硼烤烟钾含量统计特征

表13 不同土壤有效钼分组烤烟钾含量差异

2.3 各因素对烤烟钾含量变异影响的大小

方差分析可以定性分析各因素对烤烟钾含量影响的差异性，但不能定量比较各因素的重要性。进一步采用回归分析的方法，比较各方程的校正决定系数，确定各因素对烤烟钾含量变异影响的大小(表14)。各因素中，土壤类型对烤烟钾含量变异的独立解释能力最大，能解释其变异的8.4%，此外其他对烤烟钾含量独立解释能力在1.0%以上的还有海拔、速效钾、有效钼、质地和碱解氮等因素，分别能解释钾含量变异的4.5%、3.1%、2.2%、1.8%和1.3%，其他因素对钾含量独立解释能力较小，均在1.0%以下。所有入选的12项因素对烤烟钾含量的解释能力总和为23.3%。

表14 烤烟钾含量与部分影响因素的回归分析

3 结论与讨论

钾是烤烟重要的品质元素，我国烤烟钾含量与国外烤烟相比差距较大，提高烤烟钾含量一直是我国烟草科技工作者重点关注的课题[11]。本研究在曲靖烟区进行了大规模的取样，并研究了烤烟钾含量的影响因素，烟区烤烟平均钾含量为1.65%，有94.60%的区域烟叶钾含量<2.0%。空间分析的结果表明，烤烟钾含量由随机性因素和结构性因素共同决定，较小的变程反映其空间变异十分复杂。方差分析结果显示，海拔、地形、质地、土类、pH、有机质及多项土壤养分指标均对烤烟钾含量存在较大影响，说明烤烟钾含量受多种因素共同作用，与前人的观点[11-15]一致；海拔高度对烤烟钾含量呈现为负效应，随海拔升高，钾含量下降；不同土壤类型以黄壤烤烟的钾含量最高；烤烟钾含量以中粘土最高，砂壤土最低，有随土壤粘性增加烤烟钾含量增加的趋势，可能与烤烟大田生育期曲靖烟区降雨量较大有关；有机质表现为正效应，随有机质增加，钾含量升高；随着土壤碱解氮增加烤烟钾含量呈减速上升的趋势，这与前人的研究[23]一致；随着土壤速效钾增加烤烟钾含量呈减速上升的趋势，并渐趋平稳，与王欣[24]及罗华元[25]的研究结果一致，说明生产上增施钾肥对于提高烤烟钾含量是有一定限度的。随有效镁含量增加烤烟钾含量呈下降的趋势，这和许自成[26]的研究基本一致；随土壤有效锌含量增加，烤烟钾含量呈下降趋势；随土壤有效硼和有效钼含量增加，烤烟钾含量呈增加趋势，这可能与曲靖植烟土壤有效硼及有效钼含量偏低有关[27]。回归分析结果表明土壤类型、海拔、速效钾、有效钼、质地和碱解氮对烤烟钾含量的独立解释能力较大。以上12项影响指标对曲靖烤烟钾含量变异的累计解释能力为23.3%，尚有76.7%的烤烟钾含量变异未在本研究中得到解释，更加说明了烤烟钾含量的影响因素的复杂性，需要进一步加强研究。在曲靖烟区烟叶低钾问题须根据具体情况进行分类管理，多措并举的方法加以解决。针对高海拔区域的烤烟低钾问题，则须从优化烤烟种植布局，及品种筛选方面寻求解决办法；针对速效钾含量较低的区域，应适当提高钾素投入水平，保证土壤钾素充足供应；对于有机质含量偏低的区域应加强有机物料投入，补充土壤有机质；针对土壤有效镁含量较高的区域应控制含镁肥料的施用，减少镁元素对钾素的拮抗作用；针对有效锌含量过高的区域应控制锌肥的施用；针对有效硼和有效钼含量过低的区域，应加强硼肥和钼肥的施用。

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