湘南稻作烟区土壤有效硼的时空变异及影响因素分析

郭 婷，李宏光，李 文，彭曙光，肖春生，黎 娟，刘勇军,4，肖艳松，李丽娟，李 强*

1. 湖南农业大学农学院，长沙市农大路1 号 410128

2. 湖南省烟草公司郴州市公司，湖南省郴州市燕泉北路61 号 423000

3. 湖南省烟草公司，长沙市芙蓉南路368 号 410004

4. 湖南省烟草科学研究所，长沙市芙蓉南路368 号 410004

硼是烟草生长必需的微量元素之一，具有重要的生理作用［1-2］，不但影响烟草光合产物积累和最终产量，而且还影响烤后烟叶的工业可用性［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、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，茎秆输导组织发育不良，节距缩短，顶芽坏死［4］。胡国松等［4］研究认为，土壤有效硼含量0.4 mg/kg 为烤烟缺硼的临界值，植烟土壤有效硼接近该数值时，则需适量施用硼肥，否则会对烤烟品质产生不良影响。在我国南方烟区，土壤缺硼较普遍，主要是由于南方烟区降水量较大，在酸性土壤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］。许自成等［5］研究发现，2000年前后湖南烟区有93.40%的植烟土壤缺乏有效硼；李强等［6］对曲靖烟区，程昌新等［7］对云南保山烟区，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。黎娟等［9］研究表明，2011 年湘西植烟土壤硼含量均值达0.728 mg/kg，总体上较为丰富，分别有38.33%和19.58%的样本达到“高”和“极高”的水平，“低”和“极低”水平的植烟土壤样本仅分别为9.38%和2.71%，与2000 年后烟区实施的土壤补硼措施有关。目前湖南省已有多个烟区开展了硼肥施用试验［8-12］，并在基肥中掺配了硼肥。郴州是湖南省重要烤烟产区，自2001 年起在基肥配方中也掺混硼肥，但有关郴州植烟土壤有效硼含量的丰缺评价，特别是烟区连续施用硼肥后，土壤有效硼含量的时间和空间变异尚鲜见研究报道。鉴于此，分析了郴州2000 年和2015 年两个年份植烟土壤的有效硼含量，旨在揭示15 年间郴州植烟土壤有效硼含量的时空变异特征，为郴州烟区土壤硼元素和养分管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

分别于2000 和2015 年在湖南郴州烟区进行了土壤取样。采取五点取样法或“W”形取样法取耕层20 cm 的土壤样品，2000 年为723 个耕层土样，2015 年为1 055 个耕层土样。每个田块取样5～10 点，混匀后采用四分法取500 g 左右，参照鲁如坤［13］的方法进行土壤制样和有效硼含量（质量分数）测定，平行测定2 次，以2 次的平均值作为最终测定结果。2 个年份均采用手持式GPS 定位仪记录田块中心的经纬度和高程。土壤母质由湖南农业大学资源环境学院专家实地观察结合室内分析确定，地形、地貌由湖南农业大学资环学院专家实地考察确定。试验点从2001 年开始在烤烟基肥中增施硼肥（硼砂），用量为0.5～1 kg/667 m2（不同年份略有差异）。两个时期的取样点分布见图1。

图1 采样点分布Fig.1 Distribution of soil samples

1.2 土壤有效硼的评价

参照前人的研究结果［12］，制定了湖南郴州烟区有效硼含量的丰缺评价标准，分为5 个等级，极低（＜0.15 mg/kg）、低（0.15～0.30 mg/kg）、中 等（0.30～0.60 mg/kg）、高（0.60～1.00 mg/kg）、极高（＞1.00 mg/kg）。

1.3 数据分析

采用SPSS17.0 软件完成试验数据的描述性统计、多重比较和K-S 检验（Kolmogorov-Smirnov test）［14］；利用GS+9.0 软件完成半方差函数模型拟合与参数计算［15］；用ArcGIS 10.2.2 软件完成普通克里格插值（Ordinary-Kriging）、绘图及土地面积统计［16-17］。

2 结果与分析

2.1 植烟土壤有效硼含量的描述性统计及年代变化

从湖南郴州烟区整体来看（表1），植烟土壤有效硼变化较大。2015 年土壤有效硼均值较2000年增加了0.38 mg/kg，增幅达223.53%，从“低”水平变为“中等”水平，最小值、最大值、极差均增大，变异系数减小；就等级分布的变化而言，2015 年土壤有效硼“极低”和“低”等级的样本分布频率分别下降45.64%和42.63%，有效硼“中等”和“高”等级的样本分布频率分别增加54.25%和31.09%。

从各植烟县的描述性统计结果（表1）来看，两个年份8 个植烟县（区）土壤有效硼均呈对数正态分布。从不同县（区）来看，15 年来8 个县区植烟土壤有效硼含量变异程度不一致，除2015 年临武县有效硼为弱变异外，其他各县两个年份均表现为中等程度变异；从极差来看，两个年份各县区植烟土壤有效硼极差均增大；从各县（区）植烟土壤有效硼均值变化情况看，各县区植烟土壤有效硼含量均表现为大幅度增加，其中增幅最大的是苏仙区，增幅高达642.86%。从等级分布的变化看，各县区植烟土壤有效硼“极低”和“低”等级的样本分布频率均大幅下降，有效硼“中等”和“高”等级的样本分布频率分均大幅增加，其中桂阳、嘉禾、宜章和永兴还新增了少量有效硼“极高”等级的土壤样品。

表1 湘南稻作烟区植烟土壤有效硼含量及其分布状况Tab.1 Content and distribution of available B in tobacco-planting soils of paddy-upland rotation fields in southern Hunan

2.2 土壤有效硼的时空分布变化

采用普通克里格插值法获取2000 年和2015年湖南郴州植烟土壤有效硼含量空间分布图（图2），并利用ArcGIS 软统计不同有效硼等级的植烟土壤面积。两个时期植烟土壤有效硼空间分布无明显规律，各等级呈斑块状穿插分布，2015 年郴州植烟土壤有效硼分级土地面积与2000 年相比发生较大变化（图2 和表2）。

图2 湖南郴州植烟土壤有效硼含量的时空分布Fig.2 Spatial-temporal distribution of available B content in Chenzhou tobacco-planting soils in Hunan

表2 2000 年和2015 年湖南郴州烟区植烟土壤有效硼各等级土地面积统计及变化Tab.2 Statistics and variation of areas with different available B contents in Chenzhou tobacco-planting areas in 2000 and 2015

从不同等级有效硼分布面积来看，2000 年土壤有效硼含量总体较低，有效硼“极低”和“低”等级的植烟土壤面积分别为67.13 %和32.87 %，“中等”及以上等级缺失。2015 年植烟土壤有效硼含量较2000 年有大幅增加，新增了2000 年未出现的“中等”和“高”等级，所占比例分别达80.49%和19.51%，没有“极低”和“低”等级。

2.3 土壤有效硼的影响因素分析

2.3.1 地形、地貌和成土母质

湖南郴州烟区的地形地貌主要有山地、丘陵和平原，土壤有效硼含量在不同地形、地貌间存在显著差异（表3），其中山地最高，其次是丘陵，均显著高于平原。从变异强度来看，3 种地形植烟土壤的有效硼含量均为中等强度变异。湖南郴州烟区土壤土母质有坡积物、洪积物、残积物和冲积物等4 种，有效硼含量在不同成土母质间存在极显著差异（表4），其中以坡积物有效硼含量最高，为“高”等级，其他土壤母质类型有效硼含量为“中等”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。

2.3.2 酸碱度

湖南郴州植烟土壤有效硼含量与pH 呈显著正相关（r = 0.125 1，P = 0.013）。决策树模型分析结果表明，土壤酸碱度对有效硼含量影响的拐点为5.430、6.060、7.120、7.480、7.820，5 个拐点将pH划成6 组，6 组土壤有效硼含量分别为0.472、0.541、0.590、0.650、0.553 和0.494 mg/kg，以pH 为7.120～7.480 的分组的有效硼含量最高。土壤有效硼与土壤pH 的等样本数平滑回归分析结果（图3）显示，两者呈极显著二次曲线关系（R2= 0.649 1，P=0.000）。

表3 湖南郴州烟区不同地形土壤的有效硼含量比较①Tab.3 Available B contents in soils from different topography in Chenzhou tobacco-planting areas in Hunan

表4 湖南郴州烟区不同成土母质土壤的有效硼含量比较①Tab.4 Available B contents in soils of different parent materials in Chenzhou tobacco-planting areas in Hunan

2.3.3 有机质

湖南郴州植烟土壤有效硼含量与有机质含量呈极显著正相关（n=1 242，r=0.368 3，P=0.000）。决策树模型分析结果（图4）表明，土壤有机质含量对有效硼含量影响的拐点为30.1、43.4 和59.2 g/kg，该拐点将有机质划成4 组分别为＜30.1 g/kg、30.1～43.4 g/kg、43.4～59.2 g/kg 和＞59.2 g/kg，4 组土壤有效硼含量分别为0.438、0.495、0.582 和0.647 mg/kg，土壤有效硼含量在这4 组间的差异极显著。等样本数平滑回归分析结果（图5）显示，土壤有效硼与土壤有机质含量呈极显著线性正相关（R2=0.852 9，P=0.000），有机质每增加10 g/kg，有效硼含量相应增加0.046 mg/kg。

图3 土壤酸碱度与有效硼的平滑回归分析Fig.3 Smooth regression analysis of soil pH and available B in soils

图4 土壤有机质对有效硼含量影响的决策树分析Fig.4 Decision-tree analysis on the effects of organic matter on available B in soil

图5 土壤有机质与有效硼含量的平滑回归分析Fig.5 Smooth regression analysis of organic matter and available B in soil

3 讨论

本研究中2000 年的丰缺状况与2007 年湖南烟区［5］、曲靖烟区［6］、保山烟区［7］以及湘西烟区［9］的研究结果基本一致，总体上有效硼含量呈缺乏的状态。经过15 年的耕作和施肥，2015 年，嘉禾、宜章、永兴和桂阳部分县域已经少量出现有效硼达到“极高”等级的土壤，亟待重点关注。在各微量元素中，硼素从营养到毒害的范围较窄，烟草属于中耐硼毒害作物。当土壤中硼含量达1 mg/kg时则引起下部叶边缘出现轻微毒害现象［18］，达到3.32 mg/kg 时则出现明显的中毒症状［19］。因此，若不采取措施，按照目前土壤有效硼的增速，未来湖南郴州植烟土壤将可能面临有效硼含量过高，甚至导致烟株产生硼毒害等问题。

本试验中地形地貌、成土母质、土壤酸碱度及土壤有机质含量等均对有效硼含量有显著影响。不同地形地貌的土壤中有效硼含量之间差异较大，其中山地最高，其次是丘陵，均显著高于平原，这可能与不同地形土壤母质及土壤类型等因素的差异有关，如平原多为冲积物，山地多为残积物；平原多为酸性紫色土，山地多为黄壤，而丘陵的土壤母质和土壤类型则十分复杂，刘秀娣等［20］和张浩等［21］的研究也证实了地形地貌对土壤有效硼和其他微量元素的影响。不同成土母质的土壤有效硼差异极显著，以坡积物最高，冲积物最低，与不同母质的硼素背景值以及成土过程有关，这与前人研究结果一致［22-23］。本研究中土壤酸碱度对有效硼含量影响显著，有5 个拐点，其中7.120 和7.480 是两个转折点。当pH 低于7.120 时，植烟土壤有效硼随pH 升高而升高；当pH 高于7.480 时，植烟土壤有效硼随pH 升高而降低，说明中性土壤有利于硼素有效性的提高，这与武德传等［24］和黎娟等［9］的研究结果一致。土壤有效硼含量呈现随有机质增加而大幅升高的趋势，可能与有机质含量对有效硼的吸持，以及有机质通过微生物活动提高土壤中硼的有效性有关［25］，这与李强等［6］及李珊等［26］的研究结果一致。

2001 年以来，湖南郴州烟区在基肥配方中加入硼砂，用量一般为0.5～1.0 kg/667 m2，本试验中有关长期施用硼肥对土壤有效硼含量影响并未涉及，有待于进一步长期定位跟踪试验。长期定位施用硼肥的相关报道也较少，任顺荣等［27］研究表明，商品有机肥长期定位施用和秸秆还田，会促进土壤有效硼含量增加。赵秋［28］的研究也表明，连续24 年施用不同量有机肥与单施氮肥相比，土壤有效硼含量显著增加，有机肥高用量处理土壤有效硼含量增加幅度高于有机肥低用量处理。

因此，根据2000 年植烟土壤有效硼极度缺乏的状况，经过15 年硼肥的连续施用，土壤有效硼有较大幅度增加。目前湖南郴州植烟土壤有效硼含量较适合烟草生长，但部分地区有效硼含量达到“极高”等级。应针对不同区域采取硼肥差异化管理方案，对有效硼缺乏区域应继续保持硼素投入量，而对土壤有效硼“高”和“极高”区域应适当减少硼肥用量，以降低成本并防止硼毒害现象的发生。

4 结论

2000 至2015 年间，湖南郴州植烟土壤有效硼含量发生较大变化。经过15 年的硼肥施用，湖南郴州烟区土壤有效硼平均含量由0.17 mg/kg 增加到0.55 mg/kg，提 高 了0.38 mg/kg，增 幅 达223.53%，从“低”水平变为“中等”水平；两个年代的土壤有效硼各等级样品分布情况变化较大，其中“极低”和“低”等级的样品比例分别下降了67.13%和32.87%，而“中等”和“高”等级的样品比例分别增加80.49%和19.51%，土壤有效硼等级分布变化表现为由“极低”和“低”等级为主演变变为以“中等”和“高”等级为主。土壤有效硼含量与地形、地貌、成土母质、土壤酸碱度及有机质含量关系密切。