铜仁市植烟土壤交换性钙镁空间分布特征及其影响因素分析

刘 杰 谭智勇 周兴华 艾永峰 谌潇雄 李 强 赵 辉

(1 湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128；2 铜仁学院，贵州 铜仁 554300；3贵州省烟草公司铜仁市公司，贵州 铜仁 554300；4 贵州财经大学，贵州 贵阳 550025)

钙和镁是烤烟生长发育所必需的中量元素，其含量和比值直接影响着烟叶的产量与品质[1-4]。当烟株缺钙时，会导致烟叶叶尖、叶缘坏死，叶片呈黑绿色，顶芽死亡，烤后烟叶身份厚、油份少；烤烟钙含量过高，会导致烟株贪青晚熟，烤后烟叶僵硬、杂气重[5-6]。当烟株缺镁时，烟株下部叶片褪绿、发黄，进而变白，出现叶脉绿色，叶片其余部分全白的现象，烤后烟叶叶片薄，弹性小，糖分、淀粉含量减少，有机酸含量增加；烤烟镁含量过高，会导致烤后烟叶吸湿能力增强，不利于储存和纯化[7-9]。植物吸收的钙和镁主要来自土壤交换性钙和交换性镁，土壤交换性钙和交换性镁含量是评价钙和镁素供应水平的主要指标，而钙镁比可以反映土壤中钙镁元素的有效性、协调性和动态变化[1]。

丁玉川等[10]研究表明，山西省主要农田土壤交换性镁含量平均为0.25 g·kg-1，土壤交换性镁含量与土壤pH值、可溶性盐浓度、有机质含量和碱解氮含量呈显著线性正相关，与全磷含量、速效磷含量、速效钾含量和钙镁比呈显著的曲线关系。曹榕彬[11]研究表明，宁德耕地土壤交换性钙、镁含量总体均属中等偏低水平，钙镁比总体属适宜偏高水平，不同地貌、耕地利用类型、土壤有机质含量的钙镁比差异极显著。谭军等[12]研究表明，文山植烟土壤交换性钙、镁含量丰富，但钙镁比失调较为严重，该烟区土壤交换性钙、镁含量及其比值受海拔、土壤pH值以及土壤全磷含量的影响显著。毛辉等[13]研究表明，山县植烟土壤交换性钙、镁的平均含量分别为1.59、0.20 g·kg-1，土壤交换性钙、镁含量受海拔高度、土壤pH值、土壤母质和质地影响极显著，而钙镁比受海拔高度影响极显著。王冰等[14]研究表明，土壤交换性钙、镁的总体含量丰富，土壤交换性钙含量受土壤颗粒组成的影响最大，而土壤交换性镁含量受前茬作物的影响最大。综上，虽然国内外对耕地土壤交换性钙和镁含量及其影响因素的研究较多[15-17]，但关于植烟土壤，特别是贵州铜仁植烟土壤交换性钙和镁的分布特征及其影响因素的研究较少。本试验通过研究贵州铜仁植烟土壤交换性钙和镁的分布特征及其影响因素，旨在为铜仁市植烟土壤钙和镁元素的科学管理及含钙、镁肥料的施用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验设计

贵州省铜仁市地处东经107°45′-109°30′，北纬27°07′-29°05′，位于贵州省东北部，与湖南、重庆接壤，属于典型的中亚热带湿润气候，是贵州省重要产烟区。试验于2019年11月进行，采用GPS定位技术，在贵州省铜仁市7个县68个乡镇的主要植烟土壤共取样品202个。取样遵循均匀性、代表性的原则，根据基本烟田的面积和分布情况布置取样点(全市烤烟种植面积8 333 hm2，约41 hm2布置1个取样点)，取样深度为0～20 cm，用四分法取约1 kg土样。

1.2 样品分析

样品经风干、研磨、过筛后测量土壤理化性质。其中土壤pH值采用电位法测定；有机质采用重铬酸钾氧化外加热法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用钼锑抗比色法测定；阳离子交换量采用乙酸铵交换法测定；交换性酸总量采用氯化钾交换法测定[18]。

1.3 数据处理

将铜仁市植烟土壤交换性钙、镁含量及其比值按大小分为极低、低、适宜、较高、高、极高6个等级，各等级的划分指标见表1[1-3,12]。常规数据分析用SPSS 19.0软件完成，地统计分析用ArcGIS 10.2软件完成。

表1 铜仁市植烟土壤交换性钙、镁及其比值分级标准Table 1 Classification standard of exchangeable calcium, magnesium and their ratios of tobacco planting soil in Tongren city

2 结果与分析

2.1 铜仁市植烟土壤交换性钙、镁含量及其比值基本统计特征

由表2可知，铜仁植烟土壤交换性钙、镁的平均值分别为1.72、0.27 g·kg-1，大部分土壤样品中交换性钙、镁处于适宜及以上水平，但仍有19.31%的交换性钙和27.59%的交换性镁含量处于低与极低水平。铜仁植烟土壤中钙镁比处于适宜范围的比例仅为29.70%，说明钙镁比失调比较严重；其变异系数为134.31%，属于强变异。

表2 铜仁市植烟土壤交换性钙、镁含量及其比值的统计特征Table 2 Statistical characteristics of exchangeable calcium and magnesium contents and their ratios of tobacco planting soil in Tongren city

2.2 铜仁市植烟土壤交换性钙、镁含量及其比值空间结构分析

选取克里金插值算法中的普通克里金法对铜仁市植烟土壤交换性钙、镁含量及其比值进行空间结构分析[19]，分别用不同模型对土壤主要成分进行拟合，获取其最优半方差函数模型及其参数(表3)。结果表明，铜仁市植烟土壤交换性钙、镁含量及其比值分别符合球面、三角和指数函数模型，块金效应均在25%～75%之间[20]，具有中等的空间相关性，表明铜仁市植烟土壤交换性钙、镁含量及其比值的空间变异是由结构性因素和随机性因素共同作用的结果。

表3 土壤交换性钙、镁含量及其比值半方差函数模型及其拟合参数Table 3 Semivariogram model and corresponding parameters of exchangeable calcium and magnesium contents and their ratios

2.3 铜仁市植烟土壤交换性钙、镁含量及其比值空间分布特征

铜仁市植烟土壤交换性钙、镁含量及其比值的空间分布特征见图1。土壤交换性钙含量呈现德江北部和西部小块区域偏低，思南中部、石阡东部以及沿河南部小块区域极高，其他区域适宜或高。土壤交换性镁含量总体呈现由西北向东南逐渐增加的趋势。土壤钙镁比总体呈现由中部分别向东南和西北逐渐减小的趋势，思南中部钙镁比处于最高值，而江口南部与松桃南部钙镁比处于最低值。

2.4 铜仁市植烟土壤交换性钙、镁含量及其比值的影响因素分析

2.4.1 相关性分析 相关性分析结果(表4)表明，土壤交换性钙与pH值、阳离子交换量、盐基饱和度和交换性镁呈极显著正相关，与有机质呈显著正相关，与海拔、交换性酸总量、交换性氢、交换性铝呈极显著负相关。土壤交换性镁与pH值、阳离子交换量、盐基饱和度、交换性钾和交换性钙呈极显著正相关，与海拔、碱解氮、交换性酸总量、交换性氢、交换性铝呈极显著负相关，与有机质呈显著负相关。土壤钙镁比与有机质呈极显著正相关，与碱解氮、阳离子交换量呈显著正相关，与交换性钾呈现显著负相关。

2.4.2 逐步回归分析 在相关性分析的基础上，选取与土壤交换性钙、镁含量达显著或极显著水平的相关因子进行逐步回归分析(表5、6)，定量分析了各属性对土壤交换性钙、镁含量空间变异的综合解释能力和不同属性对其空间变异的独立解释能力。结果表明，pH值对交换性钙空间变异的影响最大，能够独立解释其变量的41.6%，其次是交换性镁、阳离子交换量、盐基饱和度、交换性酸总量、有机质，对交换性钙的累计解释能力达65.1%；pH对交换性镁空间变异的影响最大，能够独立解释其变量的55.7%，其次是交换性钙、阳离子交换量、盐基饱和度、交换性酸总量、交换性钾，对交换性钙的累计解释能力达69.4%。

表5 各因素与土壤交换性钙的逐步回归分析结果Table 5 The results of stepwise regression analysis between each factor and exchangeable calcium

表6 各因素与土壤交换性镁的逐步回归分析结果Table 6 The results of stepwise regression analysis between each factor and exchangeable magnesium

2.4.3 土壤交换性钙、镁与其他属性指标的曲线方程 根据逐步回归分析结果所得土壤交换性钙、镁与其他属性指标的拟合曲线图见图2。结果表明，交换性钙与pH值、盐基饱和度呈幂函数关系，且曲线拟合度较好，随着pH值、盐基饱和度的升高，土壤中交换性钙含量升高。交换性钙与交换性酸总量呈指数函数关系，随着交换性酸总量的升高，土壤中交换性钙含量降低，其曲线拟合度一般。交换性钙与交换性镁、阳离子交换量呈幂函数关系，随着交换性镁、阳离子交换量的升高，土壤交换性钙含量升高，其曲线拟合度一般。交换性钙与有机质含量呈三次函数关系，其曲线拟合度较差。

图2 土壤交换性钙、镁与其他属性指标的拟合曲线图Fig.2 Fitting curves of soil exchangeable calcium, magnesium and their ratios with other attribute indexes

交换性镁与pH、盐基饱和度分别呈三次函数、指数函数关系，且曲线拟合度较好，随着pH、盐基饱和度的升高，土壤中交换性镁含量升高。交换性镁与交换性钙呈幂函数关系，随着交换性钙含量的升高，土壤中交换性镁的含量升高，其曲线拟合度一般。交换性镁与交换性酸总量呈指数函数关系，随着交换性酸含量的升高，土壤中交换性镁含量降低，其曲线拟合度一般。交换性镁与阳离子交换量呈三次函数关系，随着阳离子交换量的升高，土壤中交换性镁含量升高，其曲线拟合度一般。交换性镁与交换性钾呈幂函数关系，随着交换性钾含量的升高，土壤中交换性镁含量升高，但其曲线拟合度较差。

3 讨论

植物吸收的钙和镁主要来自土壤交换态钙和交换态镁，土壤交换性钙、镁含量的高低会影响烤烟烟叶中钙镁元素的含量，进而影响烤烟品质。钙镁比可以反映土壤中钙镁元素的有效性、协调性和动态变化。铜仁大部分植烟土壤样品中交换性钙、镁处于适宜及以上水平，含量丰富，但仍有19.31%地区的交换性钙和27.59%地区的交换性镁含量处于低或极低水平，且植烟土壤中交换性钙、镁含量低，以及钙镁比失调的情况在多个烟区均有发生[1-2,21-24]。全市有35.64%的植烟土壤样品钙镁比小于5，这些区域有烟株生理性缺钙的风险，根据土壤中交换性钙和镁的实际含量，可通过增施钙肥或控施镁肥以提高钙镁比。同时，有25.24%和23.27%植烟土壤中交换性钙、镁含量处于极高水平，土壤中过高的钙、镁含量既影响烟叶质量，又易对其他阳离子(如钾离子)的吸收产生拮抗作用，这些区域可通过轮作喜钙(花生)、喜镁(玉米)作物，以及减施或不施钙镁肥，使土壤交换性钙、镁含量降至适宜水平。

与国内其他烟区相比，铜仁植烟土壤中交换性钙、镁含量平均值均略高于附近的湘西烟区[25]，但低于大理[26]、昆明[27]等云南烟区。与贵州省其他烟区相比，铜仁植烟土壤中交换性钙含量平均值低于遵义、黔西和凯里等烟区，土壤交换性镁含量平均值高于黔西烟区、与遵义烟区持平、低于凯里烟区[28]，引起其差异性的主要原因还有待进一步研究。与2009年[29]相比，10年间铜仁植烟土壤交换性钙、镁含量平均值有所下降，分别下降了0.81%和5.13%，这可能是由于肥料投入、耕作措施等人为因素引起的。

铜仁市植烟土壤交换性钙、镁及其比值在不同植烟区域存在较大差异，其空间变异受结构性因素(海拔、土壤质地等自然因素)和随机因素(肥料投入、耕作措施等人为因素)共同影响，结构因素主要是由于铜仁市不同植烟区域海拔高度差异大，导致土壤质地及生态气候类型差异大，从而造成不同区域交换性钙、镁含量差异。随机因素中，人为耕作制度对土壤交换性钙、镁的含量有一定影响[25-28]。土壤pH值对交换性钙、镁空间变异的影响最大，并与其呈极显著正相关关系，这与他人结果研究相似[1-2,30]。土壤交换性钙、镁在酸性土壤环境中可被土壤中大量H+交换，而在碱性环境中则可较好地吸附于土壤胶体表面，因此土壤交换性钙、镁在酸性土壤环境中含量较低，在碱性土壤环境中含量较高[31]。据此推断，导致铜仁市植烟土壤中交换性钙、镁缺失的原因可能有以下两点：一是烟田长期使用酸性肥料，导致土壤酸化，从而使土壤中钙、镁离子的流失；二是酸雨将大量的SO42-、NO3-和NH4+带入土体，使得土体中的盐基阳离子淋失，从而加速土壤酸化的过程，导致土壤中钙、镁离子的流失[32-34]。

4 结论

铜仁大部分植烟土壤样品中交换性钙、镁处于适宜及以上水平，但交换性钙、镁含量空间分布不均匀、差异性较大，钙镁比失调较严重，烟株有生理性缺钙、镁的风险。土壤pH值对交换性钙、镁空间变异的影响最大，并与其呈极显著正相关。因此，铜仁烟区钙、镁施肥时应做到分类指导，通过调控钙、镁肥料施用量或使用含钙、镁的改良剂调节土壤pH值等措施使土壤交换性钙镁含量处于适宜水平。