大理烟田土壤有效锌、钼和硼含量的时空变异及其影响因素

苏欣悦，王晋峰，孙 楠，蒯 雁，范志勇，张久权，徐明岗*

（1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 / 北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室 / 农业农村部耕地质量监测与评价重点实验室，北京 100081；2 山西农业大学生态环境产业技术研究院 / 土壤环境与养分资源山西省重点实验室，山西太原 030031；3 云南省烟草公司大理州公司，云南大理 671000；4 中国农业科学院烟草研究所，山东青岛 266101）

土壤是优质烟叶生产的前提和基础[1]。微量元素对烟叶生长具有重要作用。有研究表明，我国烟田存在不同程度的锌、钼和硼缺乏现象[2-3]，在一定程度上影响了烤烟的产量和品质[4]。微量元素缺乏的土壤上合理施用微肥，可促进烟株生长发育，改善烟株品质[5]。锌是多种酶的激活剂和蛋白质合成的催化剂，缺锌时会导致植株生长素合成受阻以及叶片数降低。钼是硝酸还原酶和固氮酶的重要组成部分，缺钼时烟株体内硝酸盐大量增加，对烟叶品质有较大影响。硼可参与烟株碳水化合物代谢和运输等过程，缺硼会造成烟株顶芽坏死，烤烟品质和产量下降等问题[6]。但由于在一些烟区农民忽视微量元素肥料(微肥)的补充，导致土壤微量养分失衡，限制了烤烟品质的提高[7]。因此准确认识烟田微量元素的时空变异及其影响因素，有助于科学指导烤烟种植中微肥的施用。

近些年来在植烟土壤微量元素空间变异特征等方面开展了一些研究[8]。表明植烟土壤微量元素受到地形、气候与施肥管理等的影响，其含量在一定区域内具有高度空间异质性[9]，如李珊等[10]对2011 年广元植烟土壤有效锌、钼和硼的空间变异的研究发现，有效锌和硼含量缺乏，均呈现西高东低的空间分布格局，钼含量适中，呈北高南低分布，建议应补充锌和硼肥。王影影等[11]发现在山东6 个典型县域植烟土壤中有效锌含量较低且主要受有机质影响，建议适量增施含锌有机肥。目前对植烟土壤微量元素有效态含量时空变异的研究大多集中在短期一个时间段内或县域小尺度，关于长期多个时间段较大尺度方面的研究鲜有报道。为此，本研究突破以往的经典数理统计层面，对植烟土壤有效态微量元素的长期时空演变进行评价，并定量定性分析其影响因素，旨在为烟田微肥科学施用和优质烟叶生产提供指导。

云南省是我国最重要烤烟产区，大理州为烟草种植最适宜区之一。关于大理州植烟土壤营养元素的长期动态变化的研究较少，且多集中在土壤大量营养元素时空演变特征，缺乏对长期植烟土壤微量元素含量时空分布特征及其影响因素的相关报道。因此本研究基于1982、2012、2022 年3 个时期大理州植烟农田面上采样数据，分析土壤微量元素时空变异及其影响因素，为大理州烟田微肥科学施用和烟叶高质量生产提供指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大理白族自治州(24°41′～26°42′N，98°52′～101°03′E)，地处云南省中部偏西。地势西北高、东南低，地貌复杂多样，海拔在730～4295 m，属低纬度高原季风气候，年均温15.8℃，日照时数2332 h，降水量835.7 mm，冬干夏雨，河谷热，坝区暖，山区凉，高山寒。烟区土壤类型主要为水稻土和红壤。全州国土面积295 万 hm2，年均烤烟种植面积约3.23 万 hm2。

1.2 样品采集与分析

2012 和2022 年选取大理州具有代表性的连片烟田，采用梅花形五点采样法分别采集1131 和4512个烟田耕层(0—20 cm)土壤样品。不同年份土壤样品采集虽不是原位采样，但均具有较强的代表性。利用GPS 记录采样点经纬度和海拔等信息，同时调查地形、土壤质地和前茬作物等信息。采集的土样于室内风干，磨细过筛后保存，用于土壤理化性质的测定。土壤质地是根据机械分析数据，依据相应的土壤质地分类制来确定的。土壤pH 测定采用NY/T 1121.2—2006 玻璃电极法；有机质测定采用NY/T 1121.6—2006 重铬酸钾氧化法-外加热法；碱解氮测定采用碱解扩散法；有效磷测定采用GB 12297—1990 碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法；速效钾测定采用NY/T 889—2004 NH4OAc 浸提—火焰光度法。有效锌的测定采用NY/T 890—2004 原子吸收分光光度法，有效钼的测定采用NY/T 1121.9—2006 极谱法，有效硼的测定采用NY/T 1121.8—2006 甲亚胺比色法[12]。1982 年的数据来源为大理州第二次土壤普查资料，根据历史数据中每个采样点对应的村庄名称，使用GPS 重新定位，确定其经纬度，共计125 个烟田耕层(0—20 cm)土壤样品。

1.3 研究方法

参考和借鉴《大理州植烟土壤分析评价及应用》[12]和全国第二次土壤普查的养分分级标准[13]，有效锌、钼和硼分为Ⅰ(低)、Ⅱ(较低)、Ⅲ(中)、Ⅳ(较高)、Ⅴ(高) 5 个等级(表1)，其中Ⅲ级为烟叶生长适宜等级。

表1 植烟土壤养分指标等级划分标准Table 1 Classification standards of soil available Zn, Mo and B in tobacco-growing fields

地统计学是以变异函数理论和结构分析为基础，在有限区域内对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法[14]。半变异函数是地统计分析的特有函数，其计算公式如下。

式中：γ(h)是h的半方差函数值；h为两样本点空间距离；N(h) 是间隔距离等于h的样本点的对数；Z(xi)为空间位置点xi处指标的实测值；Z(xi+h)为空间位置点xi+h处指标的实测值。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2019 整理大理州数据。根据变异系数(coefficient of variation，CV)的大小，可将其分为弱变异(0%～10%)、中等变异(10%～100%)、强变异(＞100%) 3 类[15]。单因素方差分析(One-Way ANOVA)、相关性分析均在IBM Statistics SPSS 26.0 软件完成。使用GS+10.1 获取最优半方差理论模型及参数，其中块金效应[nugget effect，C0/(C0+C)]表示系统变量的空间相关性程度，分为3 类：强空间自相关性(＜25%)；中等空间自相关性(25%～75%)；弱空间自相关性(＞75%)[16]。运用Arc GIS 10.1 中Geostatistical Analyst 模块的普通克里金插值法进行插值并完成空间分布图，最后运用Reclassify 工具计算每个等级的面积比例。应用随机森林模型(random forest)分析了各环境因素对有效锌、钼和硼影响的相对重要性。

2 结果与分析

2.1 植烟土壤有效微量元素的时间变化特征

40 年来，随着烟草种植年限的增加，有效锌含量呈现上升趋势，钼含量呈下降趋势，硼含量先上升后下降(表2)。3 个年份有效锌、钼和硼均近似服从正态分布(K-S 检验，P＜0.05)。1982—2022 年有效锌年均增加速率为0.050 mg/kg，其中2012—2022年年均增加速率为0.085 mg/kg，1982 和2022 年变异系数(分别为120.8%和184.8%)均属强变异，在空间中的分布呈不均匀。1982—2022 年有效钼年均下降速率为0.002 mg/kg，其中2012—2022 年年均下降速率最大(0.003 mg/kg)。1982—2012 年有效硼年均增加速率为0.012 mg/kg，2012—2022 年年均下降速率为0.005 mg/kg，1982、2012 和2022 年3 个时期变异系数分别为69.6%、86.1%和73.2%，均属中等变异程度。

表2 1982、2012 和2022 年植烟土壤有效锌、钼和硼含量的描述性统计分析Table 2 Descriptive statistics of soil available Zn, Mo and B contents in tobacco-growing fields in 1982, 2012 and 2022

2.2 植烟土壤有效微量元素的空间变异

大理州烟田有效微量元素地统计学分析的特征参数见表3。1982、2012、2022 年植烟土壤有效锌和硼的块金效应分别为50.8%、45.5%、31.8% 和41.3%、39.4%、33.8%，均在25%～75%，属中等空间自相关性。1982、2012 和2022 年烟田有效钼的块金效应分别为13.93%、8.2%和3.1%，均属强空间自相关性。

表3 1982、2012 和2022 年植烟土壤有效锌、钼和硼含量的半方差函数模型及参数Table 3 Semi-variance function models and the involved parameters for soil available Zn, Mo and B contents in tobacco-growing fields in 1982, 2012 and 2022

2.3 植烟土壤有效微量元素的时空演变特征

各微量元素含量都表现出较为明显的空间分布格局(图1)，有效锌和硼呈现四周含量高、中部含量低的分布趋势，钼空间分布则表现为东南高、西北低。1982 年有效锌Ⅳ级面积占比最高(38.3%)，主要分布在剑川、云龙以及漾濞县，Ⅴ级面积占比最低(6.2%)，主要分布在祥云县中部；2012 年Ⅳ、Ⅴ级面积占比分别增加至61.4%、36.1%，分布在各个县域；2022 年Ⅴ级面积占比最高(71.4%)。1982 年有效钼Ⅰ级面积占比最高(78.6%)，各个县域均有分布；2012 年Ⅰ级面积占比降低为47.4%，但仍为最高，其次为Ⅱ级(22.6%)；2022 年Ⅱ级面积占比降低为19.8%，主要分布在鹤庆南部、祥云以及南涧县。1982 年有效硼Ⅰ级面积占比最高(79.5%)，分布于各个县域，其次为Ⅱ级(20.5%)，主要分布在云龙、祥云和弥渡县北部；2012 年有效硼Ⅱ级占比增加为35.9%，主要分布于剑川、永平、漾濞以及宾川县，Ⅲ级面积占比增加至53.3%；2022 年Ⅲ级面积占比降低至52.1%，但仍为最高，主要分布在剑川、巍山、弥渡北部以及祥云中南部。

图1 1982、2012 和2022 年植烟土壤有效锌、钼和硼含量的空间分布Fig.1 Spatial distribution of soil available Zn, Mo and B contents in tobacco-growing fields in 1982, 2012 and 2022

2.4 植烟土壤有效微量元素含量的影响因素分析

2.4.1 地形因子 表4 显示，3 种主要植烟土壤地形(山地、丘陵和平原)中，有效锌均值含量达到了Ⅴ级，表现为平原有效锌含量(5.00 mg/kg)最高，山地(3.84 mg/kg)最低。有效钼均值含量为Ⅱ级水平，但3 种地形之间无显著差异。平原有效硼含量(0.67 mg/kg)显著高于山地与丘陵。丘陵地形的有效锌和有效钼变异系数均最低，分别为79.3%和56.6%，为中等程度变异。有效硼含量在3 种地形中均具有中等程度变异性。

表4 不同地形土壤中有效锌、钼和硼含量特征Table 4 Variable characteristics of available Zn, Mo and B contents with topographies

2.4.2 土壤基础性质 3 种有效微量元素含量均与土壤基础理化性质和海拔关系密切(表5)。2022 年大理州植烟土壤3 种土壤质地有效锌含量丰富，均值达到Ⅴ级，有效钼含量均值处于Ⅱ级，有效硼含量为Ⅲ级(表6)。不同土壤质地间有效锌和钼含量均具有强变异性，黏土中有效钼含量(0.13 mg/kg)最为丰富。砂土和黏土中有效硼含量较壤土中的含量低，在各土壤质地均具有中等强度的变异性。

表5 有效锌、钼和硼含量与土壤理化性质和海拔的相关性Table 5 Correlation of available Zn, Mo and B contents with soil physicochemical properties and altitude

表6 不同质地土壤有效锌、钼和硼含量 (mg/kg)Table 6 Available Zn, Mo and B contents under different soil textures of the tobacco-growing fields

2.4.3 前茬作物 由表7 看出，不同前茬作物下土壤有效锌含量均处于Ⅴ级，有效钼和有效硼含量较低，位于Ⅱ或Ⅲ级水平。前茬作物为大蒜时土壤有效锌含量均值显著高于前茬作物为烤烟、豆类和大麦及前茬作物为玉米、油菜和小麦。前茬作物为豆类时土壤有效钼平均含量(0.09 mg/kg)最低。不同前茬作物的土壤有效硼含量大小表现为大蒜＞豆类＞大麦＞油菜、烤烟＞玉米、小麦。从变异系数看，当前茬作物为烤烟时，土壤有效锌的变异系数最大(285.7%)，属强变异。不同前茬作物的土壤有效钼的变异系数均属于强变异。除前茬作物为大麦时的变异系数外，其他前茬作物的土壤有效硼的变异系数均属于中等程度变异。为消除其他因素对3 种有效微量元素的影响，通过偏相关分析控制变量地形、海拔和质地，结果发现前茬作物对土壤有效锌影响显著，3 种地形上相关系数分别-0.045、-0.048、-0.047，而对有效钼和有效硼影响较小。

表7 前茬作物对土壤有效态有效锌、钼和硼含量的影响Table 7 Effect of previous crops on available Zn, Mo and B contents in tobacco-growing fields

2.4.4 影响因子重要性排序 土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾和海拔对3 种有效微量元素含量影响显著(图2)。有效锌含量的主要影响因子为有效磷和海拔，其解释率分别为20.5%和16.8%。海拔和碱解氮对有效钼影响较大，其解释率分别为13.7%和12.8%。碱解氮和速效钾对有效硼含量影响较大，其解释率分别为17.6%和15.6%。

图2 植烟土壤有效锌、钼和硼含量影响因子的重要性Fig.2 Importance of influencing factors on available Zn, Mo and B contents in tobacco-growing fields

3 讨论

烟叶生长所需的微量元素主要来自土壤和施肥供给，微量元素的供给情况将直接影响烤烟的产量和品质[17]。因此平衡植烟土壤微量元素含量，制定合理施肥方案对培育优质高产的烟叶具有重要意义。本研究发现，1982—2022 年40 年间大理州烟区有效锌含量丰富，整体呈上升趋势，到2022 年Ⅳ、Ⅴ级以上面积占比高达99.6%。这可能是因为全国第二次土壤普查以来，有机肥的大量施用和秸秆还田政策的实施，有机物料中锌的带入增加了土壤有效锌含量[18]。据大理州烟田配方施肥资料显示，有机肥中微量元素配比为B∶Mg∶Zn=1∶1∶1。大理州1 个设区市和11 个县域土壤有效锌含量平均在0.76～6.73 mg/kg，其中宾川、弥渡和巍山呈显著增加趋势且含量较高。这些地区位于大理州中部且以平原为主，一般种植烤烟、豆类和大蒜等作物导致氮肥施用量过多，土壤氮含量充足，而氮源对土壤有效锌有直接促进作用，增加了有效锌含量[19]。空间上，土壤有效锌的块金效应均在25%～75%，属中等空间自相关性，总体呈现四周含量高、中部含量低的空间分布格局。土壤有效磷和海拔高度是影响有效锌含量的主要因素。土壤中磷与锌表现为协同效应，锌离子可与磷酸根发生络合反应，形成复杂的过渡态络合物，降低了土壤对锌离子的吸附作用从而提高了土壤中锌的有效性[20]。海拔高度与烟田有效锌含量呈正相关，随海拔升高，植烟土壤有效锌含量呈上升趋势，可能由于中低海拔烟区土壤复种指数高，烤烟从土壤中摄取的锌量较多导致有效锌含量较低，与李强等[21]在云南曲靖的研究结果相似。不同前茬作物对锌肥的需求量不同，烟田施用大量有机肥和含锌肥料，增加锌的投入量而导致有效锌含量较高，因而在精准施肥时要考虑前茬作物的影响。目前土壤有效锌含量均值(4.35 mg/kg)处于Ⅴ级，因此烟区土壤需通过控制有机肥、含锌肥料以及调节土壤酸碱度等措施来降低锌含量，以节约成本和防止烤烟锌毒害现象的发生。

土壤的供钼能力受有效钼含量影响[22]，对提高烤烟产量和品质有显著作用。1982—2022 年大理州烟区土壤有效钼含量呈下降趋势，年均下降速率为0.002 mg/kg。大理州烟田多为酸性土壤，酸性土壤导致土壤钼的有效性降低[23]。并且烟田施用的大多为酸性肥料，长期使用会使土壤酸化加重，代换态钼被黏土矿物吸附作用增强，导致有效钼含量下降。大理州各县市植烟土壤缺钼现象严重，空间上总体呈现东南高、西北低的分布格局。1982—2022 年Ⅰ、Ⅱ级面积占比增加至83.5%，而1982、2012 和2022 年3 个时期Ⅳ、Ⅴ级面积总占比分别为6.7%、17.5%和9.3%，均主要分布在祥云县(大理州东南部)，可能由于祥云土壤质地以黏土为主，保水保肥力强，有效钼不易淋失而含量较高[24]。1982、2012和2022 年3 个时期烟田有效钼的块金效应均＜25%，表明土壤有效钼含量具有强空间自相关性，与武德传等[23]研究黔南植烟土壤有效钼具有强烈空间相关性的结论基本一致。海拔和碱解氮对有效钼含量的影响贡献度较大且呈负相关关系，与张毅等[25]研究的西昌市耕地土壤有效钼含量随海拔高度的增加而下降的结果一致。高海拔区域的土壤类型以沙壤为主，沙壤土属于砂质土壤，颗粒较大、孔隙度高，水分保持能力较差，导致沙壤土中的有效钼容易被冲刷或流失，含量较低。此外，钼元素是硝酸还原酶的组成部分，在土壤中大多以钼酸根离子的形式存在，进入植株体内可通过形成铁钼蛋白分子参与生物固氮，土壤中碱解氮含量增加导致植物体内可吸收利用的氮增加，提高了植物对钼的吸收，土壤中残留的有效钼含量降低[26]。鉴于目前土壤有效钼处于Ⅱ级水平(0.11 mg/kg)，烟区应适当补充钼肥，添加生物炭、石灰等碱性改良剂或施用腐殖酸等有机肥来改善土壤钼营养，以维持烟株正常生长。

烤烟的生长发育与土壤有效硼含量的丰缺密不可分[27]。1982、2012 和2022 年大理州植烟土壤有效硼均值分别为0.26、0.63 和0.58 mg/kg，呈先上升后下降趋势。早期30 年(1982—2012)有效硼的年均增加速率为0.012 mg/kg，由Ⅱ级增加为Ⅲ级水平，适宜烟叶生长的面积占比由0%增加为53.3%，这可能是根据全国第二次土壤普查结果，大理州烟区大力推广商品有机肥长期定位施用和秸秆还田[28]，促进土壤有效硼含量大幅度增加，与田鹏等[29]早期研究2000—2015 年湘西烟区的结果基本一致。近10 年(2012—2022)有效硼的年均下降速率为0.005 mg/kg，但2022 年含量均值(0.58 mg/kg)仍适宜烟叶生长，且主要分布在剑川、巍山、弥渡北部以及祥云县中南部。大理州长期使用酸性肥料使植烟土壤酸化加重，硼在酸性土壤中主要以硼酸形式存在，不易被土壤吸附而被雨水淋洗溶解[30]，导致土壤有效硼含量降低。空间上整体呈现四周高、中部低的趋势，漾濞、云龙东南部等中部区域有效硼含量较低。一方面可能由于这些区域大部分为黏土，质地较细的土壤对硼的吸附能力大，导致土壤中有效硼含量较低。姚旺等[31]研究发现，黏土的有效硼含量低于壤土和黏壤土。另一方面，地形条件也是导致这些区域有效硼含量低的原因，山地容易造成水土流失导致土壤有效硼淋失。此外，碱解氮和速效钾对有效硼影响较大。当土壤中碱解氮和速效钾与硼共存时，两种离子间表现为拮抗作用，因此较高含量的土壤碱解氮和速效钾会抑制烤烟对硼的吸收，导致烟田有效硼含量增加[32]。此外，不同前茬作物对有机肥需求量不同，有机肥料投入量较多增加了氮磷钾及微量元素的带入量，同时有机物料的分解产物又能与土壤中的硼结合，提高了土壤中有效态硼的含量[33]。尽管不同前茬作物对有效硼的影响表现出一定的差异，但通过控制其他影响因素发现，前茬作物对有效硼的影响较小，可能主要由于其他因素所导致，如自然因素(海拔、地形、土壤等) 及其交互作用。目前大理州植烟土壤有效硼适合烟草生长，但有部分地区(45.6%)含量仍然偏低，应继续保持硼素投入量，而剑川县东部区域(2.4%)含量偏高，应适当减少硼肥用量，防止硼害现象的发生。

4 结论

1982—2022 年大理州植烟土壤有效锌、钼和硼含量均值分别呈上升、下降和先升后降趋势。有效钼表现为强空间自相关性，而锌和硼呈中等空间自相关性。空间分布上土壤有效锌和硼表现为四周高，中部低，有效钼则呈现东南高、西北低的分布格局。土壤基础理化性质和海拔对3 种有效微量元素的空间分布影响较强，而土壤质地、地形和前茬作物的影响相对较弱。目前大理州烟田土壤有效锌、钼和硼含量分别处于Ⅴ、Ⅱ、Ⅲ级水平，因此应减少锌肥投入，适量增施钼肥，维持硼肥施入，当前茬作物为粮食和油菜时，应注意施锌、施硼，为豆科作物时，注意施钼。