湘西植烟土壤有效硼时空变异及影响因素研究

田 鹏，闫晨兵，田明慧，，向德明，田 峰，张黎明，，周米良，李 强*

（1.湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省烟草公司湘西州公司，湖南 吉首 416000）

在烤烟生长发育和品质形成的过程中，硼是必需的微量元素之一，具有重要的生理作用［1-2］，不但影响干物质形成和产量，而且对烤后烟叶可用性具有重要的影响［3］。硼参与细胞伸长、细胞分裂、核酸代谢、蛋白质代谢和碳水化合物代谢，影响生长素代谢和细胞分裂素合成和生物碱合成，影响木质素和细胞壁的形成，维持细胞膜的正常功能；缺硼会导致烟草叶片卷曲、增厚发脆，茎干输导组织发育不良，节间缩短，顶芽坏死［4］。在我国南方烟区，土壤缺硼比较普遍，主要是由于南方烟区降水量较大，在酸性条件下，硼以中性分子态H3BO3存在，很容易从土壤中随水分淋失［4］。如许自成等［5］研究发现湖南烟区有93.40%的植烟土壤缺乏有效硼，李强等［6］对曲靖烟区，穆童等［7］对罗平烟区，张薇等［8］对重庆烟区的研究表明，我国南方烟区土壤普遍存在不同程度的有效硼缺乏问题。以上研究也为烟区施用硼肥提供了科学依据，多个烟区开展了硼肥施用试验，并在基肥中掺配了硼肥［8-11］。

湘西州是湖南省重要烤烟产区，烟叶质量一直得到省内外卷烟工业企业青睐，湘西州自2001年起便开始在基肥配方中掺混硼肥，有关湘西植烟土壤有效硼含量的丰缺评价已有报道［12］，但有关烟区植烟土壤连续施用硼肥后，有效硼含量的时间和空间变异的研究未见报道。开展烟区植烟土壤有效硼的时空变异研究，对于细化烤烟硼素管理有重要的指导意义。鉴于此，笔者利用湘西2000年和2015年两个年份的植烟土壤有效硼数据开展研究，揭示15年间湘西植烟土壤有效硼的时空变异特征，以为湘西烟区硼元素管理决策提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 区域自然概况

湘西是湖南主产烟区之一，位于东经109°10′～110°22.5′， 北 纬 27°44.5′～ 29°38′之 间， 全 州 东西宽约170 km，南北长约240 km，总面积15 462 km2。地势西北高，东南低，平均海拔为672 m。湘西多石灰岩分布，岩石层较为疏松；西北石英砂岩密布，因地壳作用形成小片峰。东西部因为地处河流冲积地区，地势较为平缓，且土壤肥沃，适于耕种。总体地形多山脉和平原，海拔整体偏高，日照较为充足。湘西受季风影响明显，夏季受夏季风控制，温度较高，降水充沛，适宜烟草生长，冬季受北方季风控制，低温干燥。年平均气温为16.5～17.5℃，平均降水1 290～1 600 mm，日照时数平均在1 406～1 219 h。海拔起伏较大，土壤类型丰富。

1.2 样品采集和分析

使用GPS定位技术，在湘西烟区分别于2000年和2015年进行了土壤取样，采取五点取样法或“W”形取样法，取耕层土壤0～20 cm的土样，2000年采集了446个耕层土样，2015年采集了1 242个耕层土样，取样点主要根据湘西烤烟种植布局确定，同时兼顾海拔、成土母质、地形地貌等因素。每个田块5～10个点取样，混匀后采用四分法取大概500 g土样带回实验室经风干、研磨后过筛制成待测样品，进行土壤有效硼含量和有机质测定，具体测定方法参照鲁如坤［13］的方法。

图1 土壤取样点分布图

1.3 土壤有效硼评价标准

参照黎娟等［12］的研究结果，制定了湘西烟区有效硼含量的丰缺评价标准，具体分为以下5个等级：极低（＜0.15 mg/kg）、低（0.15～0.30 mg/kg）、适宜（0.30～0.60 mg/kg）、高（0.60～1.00 mg/kg）、极高（＞1.00 mg/kg）

1.4 数据分析

采用SPSS 17.0进行描述性统计和K-S检验（Kolmogorov-Smirnov test）［14］。轮作方式、土地利用方式、土壤母质和地形为多分类变量，进行回归分析时采用哑变量为其赋值［14］。实验半方差函数模型的计算和理论模型拟合采用GS+9.0软件完成［15］，克里格插值（Kriging）、绘图及面积统计均在 ArcGIS 10.2.2 软件实现［16-17］。

2 结果与分析

2.1 植烟土壤有效硼基本统计特征年代变化

15年来，湘西植烟土壤微量元素变化较大，2015年土壤有效硼均值较2000年上升了0.43 mg/kg，增幅达204.76%，从“低”水平变为“高”水平，最小值、最大值、变异系数、极差均变大。K-S检验结果表明，2个年份的土壤有效硼服从正态分布或对数正态分布。土壤有效硼含量在大幅增加的同时，其变异也在变大。

表1 不同时期湘西植烟土壤有效硼含量状况

进一步对湘西植烟土壤有效硼的等级分布情况进行了分析（表2），与2000年相比，2015年土壤有效硼“极低”和“低”等级的样品比例分别下降了16.39和64.16个百分点。相应的，土壤有效硼“适宜”、“高”和“极高”等级的样品比例分别增加了38.43、30.43和11.67个百分点，表明烟区土壤有效硼偏高的土壤样品比例增加明显。

2.2 植烟土壤有效硼时空变异特征

分别采用高斯模型、指数模型、环状模型和球状模型对2个年份植烟土壤有效硼含量进行拟合，发现2000年和2015年植烟土壤有效硼最佳函数模型为球状模型和指数模型（表3），具有较高的拟合精度（RMSSE接近1，MSE接近0），能够很好地反映土壤有效硼的空间结构特征。2000年土壤有效硼的块金效应数值＜25%，2015年的土壤有效硼的块金效应在25%～75%之间，说明2000年土壤有效硼的空间变异主要由结构因素决定，2015年的土壤有效硼的空间变异由随机因素和结构因素共同决定。土壤有效硼块金效应数值的增大，反映出随机性因素对土壤有效硼的作用变大，表明植烟土壤有效硼的空间结构性减弱，随机变异性增强。

表2 不同时期湘西州土壤样品有效硼等级分布变化

表3 土壤有效硼半方差函数模型及相关参数比较

2.3 土壤有效硼时空分布变化

采用普通克里格插值法获取2000年和2015年湘西植烟土壤有效硼含量空间分布图（图2），并利用ArcGIS软件统计不同等级的面积。两个时期土壤有效硼含量空间分布规律均不明显，2015年湘西植烟土壤有效硼分级面积与2000年相比发生较大变化（图2和表4）。

2000年土壤有效硼含量总体较低，“极低”和“低”等级的植烟土壤面积分别为1.64%和93.27%，“适宜”等级的面积比例仅为5.09%。2015年植烟土壤有效硼含量较2000年有大幅增加的趋势，新增了2000年未出现的“高”和“极高”等级，所占比例分别为18.39%和1.17%，“适宜”等级面积比例增至78.36%，“低”等级面积所占比例大幅下降至2.08%。

图2 湘西植烟土壤有效硼含量时空分布

表4 不同时期土壤有效硼各等级面积统计及变化

2.4 土壤有效硼的影响因素

2.4.1 海拔

相关分析结果表明，土壤有效硼的含量随着海拔的升高而显著提升（n=1 242，r=0.320，P=0.000）。采用决策树模型的分析结果表明（图3），海拔高度对土壤有效硼含量影响的拐点为520.2、791.0和839.7 m，3个拐点将海拔高度划成4个分组：≤520.2 m、520.2～791.0 m、791.0～839.7 m和＞839.7 m，4个海拔分组下土壤有效硼含量分别为0.517、0.588、0.755和1.001 mg/kg，土壤有效硼含量在不同海拔分组间差异极显著。

图3 海拔高度对土壤有效硼含量影响的决策树分析

2.4.2 地形地貌和成土母质

湘西烟区的地形地貌主要有山地、低山和丘陵，土壤有效硼含量在3种地形间存在极显著差异（表5），其中山地为“高”等级，丘陵和低山为“适宜”等级。从变异程度来看，3种地形植烟土壤的有效硼均为中等程度变异。湘西植烟土壤主要成土母质为坡积物、残积物、冲积物和洪积物，有效硼含量在4种成土母质间存在极显著差异（表6），由高到低依次为坡积物、洪积物、残积物和冲积物，其中坡积物为“高”等级，其他土壤母质为“适宜”等级。从变异程度来看，4种土壤母质均表现为中等程度变异。

表5 湘西不同地形土壤有效硼含量

表6 湘西不同成土母质土壤有效硼含量

2.4.3 土地利用类型和轮作制度

湘西植烟土壤的利用类型主要是旱地和水田，旱地和水田植烟土壤有效硼含量分别为3.64和2.64 mg/kg，2种土地利用类型土壤有效硼含量差异极显著（表7）。湘西烟草轮作模式主要有烟-空闲-烟、烟-玉米-烟、烟-绿肥-烟、烟-油菜-烟和烟-稻-烟，不同轮作模式土壤有效硼含量差异显著或极显著。其中以烟-空闲-烟种植模式下的土壤有效硼含量最高，属于“高”等级，显著或极显著高于其他轮作模式，烟-绿肥-烟、烟-油菜-烟和烟-稻-烟3种模式为“适宜”等级（表8）。

表7 湘西不同土地利用类型土壤有效硼含量

表8 湘西不同轮作模式土壤有效硼含量

2.4.4 有机质

湘西植烟土壤有效硼含量与有机质含量呈极显著正相关关系（n=1 242，r=0.201，P=0.000）。决策树模型分析的结果表明（图4），土壤有机质含量对有效硼影响的拐点为16.50、19.94和27.00 g/kg，该拐点将有机质划成4个分组：≤16.5 g/kg、16.5～ 19.94 g/kg、19.94 ～ 27.00 g/kg和＞27.00 g/kg，4组土壤有效硼含量分别为0.389、0.537、0.623和0.724 mg/kg，土壤有效硼含量在这4个分组间差异极显著，随有机质增加土壤有效硼含量呈现大幅升高的趋势。

图4 有机质对土壤有效硼含量影响的决策树分析

2.4.5 各因素对土壤有效硼影响的大小

以上分析可以定性分析各因素对土壤有效硼影响的差异性，但不能定量比较各因素对有效硼影响的大小。采用回归分析的方法，比较各因素与有效硼回归方程的校正决定系数，从而确定各因素对土壤有效硼含量变异影响的大小（表9）。各因素中，以海拔高度对土壤有效硼含量变异的独立解释能力最大，能解释其变异的10.2%，其次是土壤有机质，能解释其变异的4.0%，其他对土壤有效硼含量独立解释能力在2.0%以上的还有土地利用方式、轮作方式、地形和土壤母质因素，分别能解释有效硼含量变异的3.4%、3.3%、3.3%和2.4%，其他因素对土壤有效硼含量独立解释能力较小（数据未列出），均在2.0%以下，和前文的分析结果基本一致。所入选的6项因素对土壤有效硼含量变异的解释能力总和为26.5%。

表9 土壤有效硼含量与部分影响因素的回归分析

3 讨论

湘西植烟土壤有效硼平均含量由2000年的0.21 mg/kg增加到2015年的0.64 mg/kg，平均增加了0.43 mg/kg，增幅达204.76%，整体水平从“低”水平变为“高”水平；从不同等级的面积变化来看，土壤有效硼“极低”和“低”等级的样品比例分别下降了16.39和64.16个百分点，而“适宜”、“高”和“极高”等级的样品比例分别增加了38.43、30.43和11.67个百分点，表明烟区土壤有效硼偏高的土壤样品比例增加明显。2000年的丰缺状况，与许自成等［5］和黎娟等［12］早年研究的结果基本一致，但值得关注是截止2015年，湘西龙山县及永顺县部分地区土壤已经出现有效硼“极高”等级，如果不采取措施，按照目前有效硼的增速，未来湘西土壤将可能面临有效硼含量过多，甚至导致烟株产生硼毒害等现象，需要引起重视。

海拔、地形地貌、成土母质、土地利用类型、轮作制度及土壤有机质等均对土壤有效硼含量有显著影响。本研究中海拔高度对植烟土壤有效硼影响显著，有3个重要拐点，当海拔上升至520.2、791.0和839.7 m时，植烟土壤有效硼含量变化较大，有效硼含量随着海拔的上升而显著提高。不同地形地貌的土壤中有效硼含量之间差异较大，可能是由于不同地形土壤有效硼的涵养和流失能力不同。不同的成土母质的土壤有效硼的差异极显著，可能与不同母质的硼素背景值以及成土过程有关。旱地植烟土壤的有效硼含量极显著高于水旱轮作植烟土壤，主要原因可能与水田硼素易随水流失有关。土壤有效硼含量呈现随有机质增加大幅升高的趋势，可能与有机质对有效硼的吸持，以及有机质通过微生物提高土壤中硼的有效性有关［18］。以上6项指标对土壤有效硼含量变异的累计解释能力仅为26.5%，尚有73.5%的土壤有效硼含量变异未能得到解释，说明了土壤有效硼的影响因素的复杂性，还需要结合气候、土壤类型、农艺措施等因素进一步加强研究。

综上，针对2000年植烟土壤有效硼极度缺乏的状况，湘西烟区大力推广硼肥施用，经过15年来硼肥的持续施用，湘西烟植土壤有效硼大幅增加，目前比较适合烟草生长，但部分地区有效硼等级达到“极高”标准。因此应针对不同区域采取硼肥差异化管理方案，针对有效硼缺乏的区域，应继续保持当前硼素投入量，而针对有效硼“高”和“极高”的区域应适当减少硼肥用量，以节约成本和防止发生硼素毒害的现象。

4 结论

15年来，湘西植烟土壤有效硼平均增加了0.43 mg/kg，增幅达204.76%，从“低”水平变为“高”水平，2015年土壤有效硼“极低”和“低”等级的样品比例分别下降了16.39和64.16个百分点，而“适宜”、“高”和“极高”等级的样品比例分别增加了38.43、30.43和11.67个百分点。有效硼增加的同时，其变异也在变大，2000年土壤有效硼的空间变异主要由结构因素决定，2015年的土壤有效硼的空间变异由随机因素和结构因素共同决定。海拔、地形地貌、成土母质、土地利用类型、轮作制度及土壤有机质等均对土壤有效硼含量有显著影响。