遵義市部分煙區烤煙中、微量元素含量及其空間分布

石翔，夏志林，管世栓，寧揚，尹銳，陶怡，劉祥，王允白*

遵義市部分煙區烤煙中、微量元素含量及其空間分布

石翔1,2，夏志林3，管世栓4，寧揚1，尹銳1,2，陶怡1,2，劉祥1,2，王允白1*

（1 中國農業科學院煙草研究所，山東青島 266101；2 中國農業科學院研究生院，北京 100081；3 貴州省煙草公司遵義市公司，貴州遵義 563000；4 山東中煙有限責任公司，山東濟南 250100）

【目的】作為煙草生長發育所必需的營養元素，中、微量元素對于協調煙株生理機能、烤煙產量、品質的形成和增強抗病能力有著大量元素不可替代的作用。本研究基于野外取樣與室內檢測所獲得的煙葉養分信息，旨在探求遵義市部分煙區烤煙煙葉中微量元素特征與空間分布情況，為該地烤煙生產養分分區管理、配方施肥技術和化肥減量提效提供科學參考。 【方法】運用經典統計學方法，初步對研究區烤煙煙葉中微量元素的豐缺狀況進行分析評價，并結合 GPS 定位，以地統計學的半變異函數為工具，定量分析了研究區煙葉中微量元素的空間變異特征，采用 Kriging 插值法，得到煙葉中微量元素含量的空間分布格局。 【結果】1) 研究區 C3F等級煙葉 7 種中微量元素含量平均值分別為 Ca 20.3 g/kg、Mg 3.7 g/kg、Cu 4.42 mg/kg、Zn 34.85 mg/kg、Fe 229.81 mg/kg、Mn 205.43 mg/kg、Mo 0.25 mg/kg，含量范圍分別為 Ca 14.7～27.3 g/kg、Mg 1.3～8.0 g/kg、Cu 1.69～8.83 mg/kg、Zn 12.31～56.11 mg/kg、Fe 141.62～339.00 mg/kg、Mn 66.21～426.11 mg/kg、Mo 0.06～0.60 mg/kg，各元素變異系數在 12.8%～48.7% 之間，均表現為中等強度變異；參照煙葉中微量營養元素分級標準，研究區煙葉適宜范圍內鈣占 95.2%，高水平錳含量占 65.1%，低水平鎂、銅、鋅、鐵含量分別占 26.5%、55.4%、32.5%、20.5%，適宜水平鎂、銅、鋅、鐵分別占 48.2%、25.3%、63.9%、79.5%，煙葉鉬含量總體較缺乏。2) 研究區煙葉中 Ca、Mg、Zn 和 Fe 符合正態分布，Cu、Mn、Mo 經對數轉化后均符合正態分布，分別選擇指數模型作為 Ca、Cu、Fe、Mo 的最優擬合理論模型，Mg、Zn、Mn 為高斯模型，得出煙葉中 Ca、Mg、Cu、Zn、Fe、Mn、Mo 7 種元素各項異性比均大于 1，塊金系數分別為 43.8%、26.9%、31.0%、58.4%、69.0%、32.6%、42.7%，變程分別為 148.099、137.407、15.554、18.723、25.624、88.770、74.749 km。【結論】研究區煙葉 Ca 含量基本在適宜范圍內，Mn 含量總體較高，Mg、Cu、Zn、Fe 含量基本在低–適宜水平，Mo 較缺乏。地統計分析表明：7 種元素均具有空間各向異性；空間變異指標塊金系數大小順序為 Fe > Zn > Ca > Mo > Mn > Cu > Mg，均為中等空間相關性；空間自相關范圍由大到小依次為 Ca、Mg、Mn、Mo、Fe、Zn、Cu。采用地統計插值繪制的空間分布圖，直觀地反映了研究區煙葉中微量營養元素的含量分布狀況。

空間分布；地統計；ArcGIS；中微量元素；烤煙；遵義

作為煙草生長發育所必需的中、微量營養元素，對于協調煙株生理機能、烤煙產量、品質的形成和增強抗病能力有著大量元素不可替代的作用[1-2]，并且其含量在不同地區之間存在一定的差別，如楊佳玫等[3]對湖南、河南、云南、福建、貴州、四川 6省 C3F 煙樣營養元素與感官評吸質量的研究表明，不同生態區煙葉的營養成分均存在極顯著差異，鐵、鋅、錳、銅、氯含量異常偏高地區，煙葉感官評吸質量下降；黃愛纓等[4]通過對云南昭通 10 個植煙生態區進行田間試驗的結果顯示，該地有低 Cu 含量分布特點，土壤–氣候條件對煙葉 Cu、Zn 含量具有高度影響效應；于建軍等[5]在對四川會理煙區烤煙中 11 種礦質元素含量及其與評吸結果關系的研究表明，該煙區煙葉中鈣、鐵、錳、鋅的含量在較適宜的范圍內，鎂、銅含量缺乏，同時鎂、鉀、鐵和氯的含量對煙葉感官質量有較大的影響。

地統計學和 GIS、GPS 技術相結合的方法彌補了經典統計學忽略空間方位的缺陷[9–10]，已成為研究區域化變量的空間異質性通用的有效手段，較為普遍[10–15]，但對于煙葉中微量元素的空間變異特征研究卻鮮有報道。為此，本研究以貴州省遵義市部分煙區 2013 年烤煙 C3F 等級煙葉為研究對象，結合 GPS定位技術，分別采用經典統計學和地統計學方法，運用 ArcGIS 10.2 的 Geostatistical Analyst 模塊對烤煙煙葉中微量元素含量空間變異特征及其分布格局進行分析，旨在揭示研究區煙葉中微量元素含量的整體特征與空間分布狀況，為該地烤煙生產養分分區管理、配方施肥技術和化肥減量提效提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

遵義市位于貴州省北部，介于東經 105°36′～108°13′，北緯 27°08′～29°12′之間，東西橫跨 254 km，南北縱距 230 km，總面積 30762 km2。遵義市處于云貴高原向湖南丘陵和四川盆地過渡的斜坡地帶，海拔高度一般在 800～1300 m，地形起伏大，地貌類型復雜，境內山地占 64.4%，丘陵占 29.3%，盆地及河谷壩子僅占 6.3%。氣候屬于亞熱帶高原濕潤季風氣候，年平均氣溫 15.1℃，降水量 400～500 mm，水熱同期。土壤類型以黃壤、石灰土、紫色土和水稻土為主。全市烤煙種植規模基本穩定在 4×104～5.3×104hm2，年產烤煙約 9×104t，具有典型中間香型香氣特征。

1.2 煙葉樣品的采集

根據遵義市煙草種植區劃、煙區分布和發展潛力等情況，采用 GPS 定位技術，2013 年在遵義市 5個主要植煙縣 (市) 確定 83 個代表性取樣點，采集烤煙 C3F 等級煙葉樣品 83 份，取樣點空間分布圖見圖 1。

1.3 檢測方法

煙葉中鈣、鎂測定采用原子吸收法[16–17]。

煙葉中銅、鋅、鐵、錳、鉬的測定，參考相關文獻[18–20]進行方法改進和優化：稱取 0.20 g 煙末到聚四氟消解內罐中，加入 2 mL 68% 硝酸和 0.5 mL 40% 氫氟酸，靜置 12 h；120℃ 趕酸至近干，加入 1 mL 68% 硝酸，置于防腐溶樣罐外套內，180℃ 恒溫消解 1.5 h；冷卻、轉移、超純水定量至 40 g 搖勻待測，檢測儀器為 PE (NexIon300D) 電感耦合等離子體質譜儀。按建立的分析方法，對植物標準物質(GBW07602、GBW07603、GBW08517、GBW10016)重復測定，結果表明精密度較高，測定元素的平均值和標準物質的參考值之間的相對誤差較小，實現快速同時測定煙葉中多種元素含量。

1.4 描述性統計分析和地統計

根據經典統計學原理，利用 SPSS 22.0 軟件對取樣數據進行描述性統計分析和 Kolmogorov-Smirnov (K-S) 檢驗。應用 ArcGIS 10.2的Geostatistical Analyst模塊，進行對地統計學分析中實驗半方差函數的計算、理論模型擬合、Kriging 插值及圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 遵義部分煙區煙葉中、微量元素含量的描述性統計

研究區煙葉中、微量元素含量描述性統計見表 1，7 種元素含量范圍分別為，鈣 14.7～27.3 g/kg、鎂 1.3～8.0 g/kg、銅 1.69～8.83 mg/kg、鋅12.31～56.11 mg/kg、鐵 141.62～339.00 mg/kg、錳66.21～426.11 mg/kg、鉬 0.06～0.60 mg/kg。7 種元素含量平均值分別為 Ca 20.3 g/kg、Mg 3.7 g/kg、Cu 4.42 mg/kg、Zn 34.85 mg/kg、Fe 229.81 mg/kg、Mn 205.43 mg/kg、Mo 0.25 mg/kg；從各元素的含量變化范圍來看，各元素的最大值與最小值相差 1.86～9.47倍，鉬含量變幅最大，鈣變幅最小；各元素變異系數在 12.8%～48.7% 之間，均表現為中等強度變異，鈣變異最小，鉬變異最大，從側面反映了研究區煙葉中微量元素具有一定程度的空間變異性，對該地區煙葉中微量元素進行空間分析是有必要的。

圖1 遵義煙區煙葉取樣點空間分布圖Fig. 1 The spatial distribution of tobacco samples in Zunyi City

表1 煙葉中、微量元素含量的描述性統計Table1 Descriptive analysis of medium and trace element contents of tobacco leaves

參考加拿大程顯華先生對打頂時第 10 片制定的煙葉營養元素含量豐缺評價標準[21](表 2)，對研究區內烤煙 C3F 煙葉中、微量元素含量進行分級 (表 3)。鈣含量總體在適宜范圍內，占 95.2%，錳處于適宜–高水平，分別占 34.9%、65.1%；鎂、銅、鋅、鐵含量基本在低–適宜水平，其中適宜水平分別占 48.2%、25.3%、63.9%、79.5%，低水平占26.5%、55.4%、32.5%、20.5%；鉬含量總體缺乏。

2.2 遵義部分煙區煙葉中、微量元素的空間結構分析

運用半變異函數，能夠同時對區域化變量的隨機性和結構性進行描述，但首先要對數據進行正態分布性檢驗[22]，并且數據的正態分布性又是使用地統計學 Kriging 方法對煙葉元素含量特性進行空間分析的前提[9]。經過 Kolmogorov-Smirnov (k-s) 檢驗，發現 7 種元素含量數據中 Ca、Mg、Zn 和 Fe 符合正態分布，Cu、Mn、Mo 經對數轉換后均符合正態分布(表 4)。因此，本研究中 Ca、Mg、Zn 和 Fe 的變異函數計算仍采用原始數據，Cu、Mn、Mo 的變異函數計算采用轉化后數據。

表2 煙葉中、微量元素含量豐缺評價標準Table2 Evaluation grade of the medium and trace element contents in tobacco leaves

表3 調查煙葉樣本的中、微量元素含量在各級評價標準中的數量和比例 (n = 83)Table3 Number and percentage of the medium and trace element contents in the evaluation grades of tobacco leaves

表4 煙葉銅、錳、鉬元素含量對數轉換Table4 Logarithmic transformation of Cu, Mn, Mo content of tobacco leaves

分別對不同趨勢效應 (無趨勢、一階趨勢和二階趨勢效應) 參數和不同模型 (Spherical 模型、Exponential 模型和 Gaussian 模型)，對研究區煙葉 7種中、微量元素進行擬合，并對各模型的擬合精度進行交叉驗證，選取標準平均誤差 (MSE) 最接近于0，均方根誤差 (RMSE) 越小，平均標準誤差 (ASE)與均方根誤差 (RMSE) 越接近，標準均方根誤差(RMSSE) 最接近于 1 的插值模型作為最優擬合模型[7, 9]。由表 5 可見，MSE 接近于 0，RMSSE 接近于1，滿足 Kriging 插值的要求。

半方差是度量區域化變量在一定尺度上空間相關性和空間異質性的綜合指標，包括塊金值 (Nugget)、基臺值 (Sill)、變程 (Range) 等重要參數。其中塊金值為樣點間距為 0 時的半方差函數值 C0，表示區域化變量因隨機因素引起的空間異質性，若塊金值較大則表明較小尺度的某些過程不可忽視；結構方差表示空間自相關部分 (結構性因素) 引起的空間異質性；基臺值是半變異函數隨間距遞增到一定程度后出現的平穩值 (C0+ C)，通常表示系統內總的變異[23–24]。塊金值與基臺值之比 (Nugget/Sill) 為塊金效應，其數學表達式 [C0/(C0+ C)] 可以反映系統變量的空間相關性程度，當 C0/(C0+ C) < 25%，說明系統具有強烈的空間相關性；如果 C0/(C0+ C) 在 25%～75%，表明系統具有中等的空間相關性；C0/(C0+ C) > 75%，則說明系統空間相關性很弱[25–26]。

由表 5 可見，研究區煙葉中、微量元素的 C0/(C0+ C)范圍除 Zn (58.4%) 和 Fe (69.0%) 比值較大，其余各元素在 26.9%～43.8% 之間，大小順序為 Fe > Zn > Ca > Mo > Mn > Cu > Mg。煙葉中該 7 種元素都具有中等程度空間相關性，這表明研究區內其空間變異是由結構性和隨機性因素共同作用的結果；其中Zn、Fe 大于 50%，空間自相關性最弱，說明這兩種元素的空間變異更側重于隨機因素，從而使空間相關性減弱。變程反映了變量空間自相關范圍的大小，為空間最大相關距離。研究區煙葉中 7 種中、微量元素的變程從大到小依次為 Ca、Mg、Mn、Mo、Fe、Zn、Cu，各項異性比均大于 1，表明區域內煙葉中、微量元素的分布具有各向異性。

2.3 遵義部分煙區煙葉中、微量元素的空間分布模擬

為了解研究區煙葉中、微量元素的空間分布特征，采用研究區煙葉中、微量元素的最優空間插值模型，采用普通 Kriging 法分別繪制研究區煙葉 7 種中、微量元素的空間分布圖。

從圖 2 中可看出研究區煙葉中元素含量在空間位置的分布特征：Ca 空間分布規律不明，不同斑塊交錯鑲嵌分布，低值區 (< 17.7 g/kg) 零星分布在遵義縣，高值區 (> 23.6 g/kg) 分布在正安與務川縣。Mg 低值區 (< 2.2 g/kg) 主要分布在正安，高值區 (> 6.7 g/kg)主要分布在湄潭南部。Cu 含量空間分布斑塊的破碎化較嚴重，高值區 (> 5.63 mg/kg) 分布較零亂，低值區 (< 2.70 mg/kg) 主要分布在湄潭。Zn 空間分布規律不明顯，不同斑塊呈交錯鑲嵌分布，低值區 (< 20.00 mg/kg) 分布在湄潭南部，高值區 (> 45.78 mg/kg) 零星分布于正安、務川。Fe 分布規律不明顯，低值區(< 190.6 mg/kg) 零星分布在務川，高值區 (> 259.5 mg/kg)零星分布在正安、綏陽。Mn 空間分布規律不明顯，不同斑塊交錯鑲嵌分布，低值區 (< 124.7 mg/kg) 主要分布在湄潭與遵義縣東南部，高值區 (> 313.2 mg/kg)分布在綏陽。Mo 分布規律不明顯，不同斑塊交錯鑲嵌分布，低值區 (< 0.14 mg/kg) 主要分布在務川，高值區 (> 0.40 mg/kg) 主要分布在湄潭。

表5 煙葉中、微量元素半方差函數模型及擬合參數表Table5 Semi-variogram models of medium and trace element contents of tobacco leaves and their parameters

3 討論

本研究結果初步探求了遵義市部分煙區烤煙煙葉中、微量元素特征與空間分布情況，對該地烤煙生產養分分區管理、配方施肥技術和化肥減量提效有較大的參考價值。描述性統計分析結果表明，Mo含量普遍較缺乏，Ca 總體在適宜范圍，Mn 含量在適宜–高范圍內，Mg、Cu、Zn、Fe 含量基本在低–適宜水平。因此，在施肥上，建議研究區開展全面補施鉬肥試驗，控制含鈣、錳肥料的施用，針對銅、鐵、鎂、鋅缺乏區域分別開展酌量補施相應肥料的試驗，根據試驗驗證結果，進行施肥決策。

該研究區中、微量元素服從正態或對數正態分布，均表現為中等強度變異，這反映了該地區煙葉中、微量元素受到自然或人為因素的影響。空間結構分析表明，研究區煙葉中、微量元素含量的塊金效應在 26.9%～69.0%，表明煙葉中、微量元素含量同時受結構性因素和隨機性因素的影響。7 種元素中鈣、鎂元素含量的變程較大，反映了這兩種元素在研究區較大的范圍內具有相關性，可能受結構性因素 (氣候、海拔、地形地貌、成土母質等) 影響更大，受隨機性因素 (施肥措施、種植制度等) 影響較小。研究區煙葉中、微量元素表現出的空間分布特點，其主要原因可能有：1) 生態環境對烤煙煙葉中、微量元素含量的影響。楊佳玫等[3]研究結果表明，由于成土母質及風化程度、土類及 pH 值和降水等環境因素的影響，不同生態區煙葉營養元素的含量不同，均存在極顯著差異。于建軍等[27]對四川省會理煙區土壤及煙葉中、微量元素含量研究發現，土壤內中、微量元素對煙葉中相對應的元素起主要作用，煙葉中、微量元素與其土壤內中微量元素均呈極顯著正相關關系。本研究遵義煙區地處云貴高原向湘西丘陵和四川盆地過度的斜坡地帶，地貌地形復雜，海拔介于 221～2227 m，有山地、丘陵、盆地及河谷壩地；成土母質類型多樣，主要有不同巖類的風化殘積物和坡積物、溝谷堆積物、沖積物等；氣候多變，年均氣溫介于 13℃～18℃，降水量介于400～500 mm；土壤類型多樣，有黃壤、石灰土、紫色土和水稻土。水、氣、熱、土壤、地形狀況等因地域不同而存在明顯差異，區域內自然生態環境條件的特殊性，造就了煙葉中、微量元素空間分布的特殊性。2) 施肥措施 (農藝措施)、種植制度等對烤煙煙葉中微量元素含量的影響。梁文旭等[28]研究結果表明，煙稻復種連作年限與煙葉鐵、錳、銅、鋅、鎂含量呈負相關關系，與煙葉鈣含量呈正相關關系。3) 不同煙草品種對烤煙煙葉中、微量元素含量的影響。龐夙等[29]研究發現，在四川省煙葉主產區的煙葉品種中，紅花大金元、云煙 97 和中煙 103 煙葉鈣、鎂、銅、錳、鋅、鐵元素含量整體比 K326、云煙85、云煙 87 高。針對研究區煙葉中微量元素含量的空間變異性研究，今后可進一步開展相關的試驗，以深入探討影響煙葉中微量元素空間分布的因素及其機理。

4 結論

1) 描述性統計顯示，從 7 種中、微量元素的含量變化范圍來看，各元素的最大值與最小值相差1.86～9.47 倍，以鉬含量變幅最大，鈣變幅最小；Ca總體在適宜范圍，Mg、Cu、Zn、Fe 含量基本在低–適宜水平，Mn 含量在適宜–高范圍內，Mo 含量較缺乏。

2) 地統計分析表明，7 種元素均具有空間各向異性。空間變異指標 C0/(C0+ C) 大小順序：Fe > Zn > Ca > Mo > Mn > Cu > Mg，C0/(C0+ C) 在26.9%～69.0% 之間，具有中等空間相關性；空間自相關范圍由大到小依次為 Ca、Mg、Mn、Mo、Fe、Zn、Cu。

3) 采用地統計插值繪制的空間分布圖，能夠直觀地反映研究區煙葉中微量營養元素的含量分布狀況，以進一步推進精準農業實施，使信息技術服務于農業養分分區管理、資源合理配置的優勢得以發揮。

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Medium and trace element contents in flue-cured tobacco and their spatial distribution of part of Zunyi City, Guizhou Province

SHI Xiang1,2, XIA Zhi-lin3, GUAN Shi-shuan4, NING Yang1, YIN Rui1,2, TAO Yi1,2, LIU Xiang1,2, WANG Yun-bai1*
( 1 Tobacco Research Institute of CAAS, Qingdao 266101, China; 2 Graduate School of CAAS, Beijing 100081, China; 3 Zunyi Tobacco Company of Guizhou Province, Zunyi 563000, China; 4 China Tobacco Shandong Industrial Co., Ltd., Jinan 250100, China )

【Objectives】 As the essential nutrient elements for tobacco growth and development, medium and trace elements play an irreplaceable role in the coordination of tobacco plant physiology, formation of flue-cured tobacco yield and quality, and enhancing the capacity of resistance. The study investigates the characteristics and spatial distribution of medium and trace elements in flue-cured tobacco leaves from some tobacco growing areasof Zunyi by using tobacco leaf nutrient information, to supply scientific references on the management of tobacco nutrient partition, the technology of fertilization formula and the efficiency of chemical fertilizer. 【Methods】Classical statistics method is used to evaluate the abundance of medium and trace element contents in tobacoo leaves of research areas, combined with GPS, using the semivariogram of geostatistics for analyzing of the spatial variability of elements in tobacco leaves, and the spatial distribution patterns of elements are examined using Kriging. 【Results】1) The means of element contents in tobacco C3F leaves from study area are as follows, Ca 20.3 g/kg, Mg 3.7 g/kg, Cu 4.42 mg/kg, Zn 34.85 mg/kg, Fe 229.81 mg/kg, Mn 205.43 mg/kg, Mo 0.25 mg/kg, the ranges of 7 element contents are as follows, 14.7–27.3 g/kg, 1.3–8.0 g/kg, 1.69–8.83 mg/kg, 12.31–56.11 mg/kg, 141.62–339.00 mg/kg, 66.21–426.11 mg/kg, 0.06–0.60 mg/kg. The variance coefficients are from 12.8% to 48.7%, which are in moderate variation, according to the standard for rating medium and trace element content in tobacco leaves. Within the tobacco research area, the suitable range of the content of Ca accounts for 95.2%, the high level of Mn content accounts for 65.1%, low levels of Mg, Cu, Zn, Fe contents account for 26.5%, 55.4%, 32.5% and 20.5% respectively, the suitable level account for 48.2%, 25.3%, 63.9% and 79.5% respectively, while tobacco leaves of research area lacks Mo. 2) Ca, Mg, Zn and Fe contents have normal distribution, and other elements are transformed to have normal distribution, exponential model is the best fitting theoretical semivariogram model for contents of Ca, Cu, Fe and Mo, gaussian model for Mg, Zn and Mn. Anisotropic ratio of Ca, Mg, Cu, Zn, Fe, Mn, Mo are greater than 1 respectively, nugget coefficients are 43.8%, 26.9%, 31.0%, 58.4%, 69.0%, 32.6% and 42.7% respectively, spatial heterogeneity ranges are respectively 148.099, 137.407, 15.554, 18.723, 25.624, 88.770 and 74.749 km. 【Conclusions】The content of Ca is in suitable level, the content of Mn is rich, the contents of Mg, Cu, Zn and Fe are within low to suitable level, while Mo is deficient. Geostatistical analysis shows that contents of 7 elements are spatially anisotropic; spatial variability index-nugget coefficient from large to small is: Fe > Zn > Ca > Mo > Mn > Cu > Mg, 7 elements have middle spatial correlation; spatial autocorrelation range from large to small is followed by Ca, Mg, Mn, Mo, Fe, Zn, Cu. Spatial distribution maps reflect the distribution situation of 7 elements of tobacco leaves in research areas.

spatial distribution; geostatistics; ArcGIS; medium and trace elements; flue-cured tobacco; Zunyi

2016–08–26 接受日期：2017–03–13

中國農業科學院科技創新工程（ASTIP-TRIC06-2016）資助。

石翔（1991—），女，山東青島人，碩士研究生，主要從事農產品質量安全檢測及評價研究。E-mail：18660280228@163.com。 *通信作者 E-mail：wangyunbai@caas.cn