湘西州植煙土壤有效銅時(shí)空變異特征研究

田明慧 向德明 閆晨兵 田茂成 張黎明 李強(qiáng)

摘要：以湘西州2000年和2015年兩個(gè)年份采集的土壤樣品有效銅數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，其中2000年土壤樣品為446個(gè)，2015年為1 242個(gè)，采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法分析了湘西州煙區(qū)土壤有效銅的描述性統(tǒng)計(jì)特征、時(shí)空變異格局。結(jié)果表明，從基本統(tǒng)計(jì)特征和分布頻率來(lái)看，15年間湘西州植煙土壤有效銅含量均值由1.05 mg/kg上升到1.89 mg/kg，上升幅度達(dá)80%，不同等級(jí)的土壤樣品有效銅分布頻率變化較大，與2000年相比，2015年土壤有效銅適宜等級(jí)的樣品比例減少了32.35個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí)，極低、低、高和極高等級(jí)的樣品比例分別增加了1.93、1.49、12.00和16.93個(gè)百分點(diǎn)，表明煙區(qū)土壤有效銅含量增加的同時(shí)，呈現(xiàn)出兩極分化的特點(diǎn)。從時(shí)空變異來(lái)看，15年間，土壤有效銅塊金效應(yīng)增大，隨機(jī)性因素對(duì)土壤有效銅空間變異影響增強(qiáng)，土壤有效銅分形維數(shù)減小，表明有效銅呈現(xiàn)出更多較大尺度上的變異特點(diǎn)。從時(shí)空分布的變化來(lái)看，2015年土壤有效銅含量高和極高等級(jí)的面積增加明顯，分別增加了33.94%和10.94%;而適宜等級(jí)則大幅下降，比2000年下降了45.01%。

關(guān)鍵詞：湘西州;植煙土壤;有效銅;時(shí)空變異

中圖分類(lèi)號(hào)：S572;S153.6? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）20-0068-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.20.014? ? ? ? ? ?開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Temporal and spatial variation characteristics of available Cu

in tobacco planting soil in Xiangxi state

TIAN Ming-hui1，XIANG De-ming1，YAN Chen-bing2a，2b，TIAN Mao-cheng1，ZHANG Li-ming1，LI Qiang2a，2b

（1.Hunan Tobacco Company Xiangxi State Company，Jishou 416000，Hunan，China;

2a.College of Agronomy;2b.College of Bioscience and Biotechnology，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China）

Abstract： The descriptive statistical characteristics and temporal and spatial variations of available copper in tobacco soils in Xiangxi state（western Hunan） were analyzed by classical statistics and geostatistics based on the data of soil samples collected in 2000 and 2015， and there were 446 soil samples in 2000 and 1 242 soil samples in 2015. The results showed that the average content of available copper in tobacco-growing soils in western Hunan increased from 1.05 mg/kg to 1.89 mg/kg in the past 15 years， with an increase of 80%. However， the distribution frequency of available copper in soil samples of different grades changed greatly. Compared with 2000， the ratio of samples of suitable grade of soil available copper in 2015 was higher. The number of cases decreased by 32.35 percentage points. At the same time， the proportion of extremely low， low， high and extremely high grade samples increased by 1.93， 1.49， 12.00 and 16.93 percentage points， respectively， indicating that the soil available copper content in tobacco growing areas increased at the same time， showing the characteristics of two-stage differentiation. From the perspective of spatial and temporal variability， the nugget effect of available copper in soil has increased in the past 15 years， and the random factors have enhanced the spatial variability of available copper in soil， and the fractal dimension of available copper in soil has decreased， which indicates that available copper has more large-scale variability characteristics. In terms of spatial and temporal distribution， the area of high and extremely high soil available copper content increased significantly in 2015， increasing 33.94% and 10.94%， respectively， while the suitable soil copper content decreased significantly， by 45.01% compared with 2000.

Key words： Xiangxi state; tobacco planting soil; available Cu; spatio-temporal variability

煙草是產(chǎn)量和品質(zhì)兼顧的經(jīng)濟(jì)作物[1]，在烤煙生長(zhǎng)發(fā)育和品質(zhì)形成的過(guò)程中，除了氮磷鉀等大量元素，鋅硼銅等微量元素對(duì)烤煙也具有重要的生理作用[2]。銅主要存在于煙株生長(zhǎng)活躍的部位[3]，是多種酶的組成成分，銅參與煙株中的氧化還原反應(yīng)，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、糖的代謝，能增強(qiáng)煙株的抗性[4]，缺銅會(huì)導(dǎo)致煙株體內(nèi)還原糖減少，抗病能力下降，而銅過(guò)量會(huì)使煙株出現(xiàn)銅毒癥狀[5]。湘西州是湖南省重要烤煙產(chǎn)區(qū)，煙葉質(zhì)量一直得到省內(nèi)外卷煙工業(yè)企業(yè)青睞[6]。近年來(lái)，有學(xué)者對(duì)湘西植煙土壤中的有效鋅[7]、有效硼[8]、有效銅[9]、有效錳[10]等微量元素進(jìn)行了大量研究[11]，但這些研究大多集中分析營(yíng)養(yǎng)元素在空間上的分布以及探索其變化規(guī)律。由此，本研究利用湘西2000年和2015年兩個(gè)年份的所得數(shù)據(jù)，揭示15年間湘西植煙土壤有效銅時(shí)空變異特征，為湘西煙區(qū)銅元素管理和實(shí)現(xiàn)煙葉優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)[12]。

1? 材料與方法

1.1? 區(qū)域自然概況

湘西位于湖南省西北部，地處湘鄂黔渝4省市交界處，是湖南省烤煙主產(chǎn)區(qū)之一，位于東經(jīng)109°10′—110°22.5′，北緯27°44.5′—29°38′，全州東西寬約170 km，南北長(zhǎng)約240 km，總面積15 462 km2。地勢(shì)由西北向東南傾斜，平均海拔800～200 m，西北邊境龍山縣的大靈山海拔1 736.5 m，為州內(nèi)最高點(diǎn);瀘溪縣上堡鄉(xiāng)大龍溪出口河床海拔97.1 m，為州內(nèi)最低點(diǎn)。

湘西州西南石灰?guī)r分布極廣，巖溶發(fā)育充分，多溶洞、伏流;西北石英砂巖密布，因地殼作用形成小片峰。東西部為低山丘陵區(qū)，海撥200～500 m，溪河縱橫其間，兩岸多沖積平原。地貌形態(tài)的總體輪廓是一個(gè)以山原山地為主，兼有丘陵和小平原，并向北西突出的弧形山區(qū)地貌。湘西州屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，具有明顯的大陸性氣候特征。夏半年受夏季風(fēng)控制，降水充沛，氣候溫暖濕潤(rùn)，冬半年受冬季風(fēng)控制，降水較少，氣候較寒冷干燥。年平均氣溫16.5～17.5 ℃，平均降水量1 290～1 600 mm，日照時(shí)數(shù)1 219～1 406 h。土壤類(lèi)型有水稻土、潮土、紅壤、黃壤、黃棕壤、石灰土和紫色土等。

1.2? 樣品采集和分析

研究共收集2個(gè)時(shí)期耕地土壤有效銅含量數(shù)據(jù)。第1期源于2000年湘西州第一次植煙土壤普查資料;第2期數(shù)據(jù)于2014年11—12月采集土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室分析獲得。2015年在土壤冬翻前，選取667 m2以上的田塊進(jìn)行取樣，首先選取667 m2以上的田塊，用手持式GPS定位，記錄田塊中心的經(jīng)緯度和海拔，根據(jù)采樣田塊的形狀，采取五點(diǎn)取樣法或“W”形取樣法，用土鉆采集耕作層土壤（0～20 cm），每個(gè)田塊確保采集5點(diǎn)以上，并用四分法取大約500 g土樣帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、過(guò)篩備用。土樣核對(duì)編號(hào)后，經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì)、過(guò)篩后制成待測(cè)樣品，進(jìn)行土壤有效銅含量測(cè)定，具體測(cè)定方法參照魯如坤[13]的方法。2000年土壤樣品為446個(gè)，2015年為1 242個(gè)。

1.3? 土壤主要養(yǎng)分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參照前人的研究結(jié)果[7-9]，制定了湘西州植煙土壤有效銅的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將有效銅的級(jí)別分為極低（≤0.20 mg/kg）、低（0.20～0.50 mg/kg）、適宜（0.50～1.00 mg/kg）、高（1.00～3.00 mg/kg）、極高（≥3.00 mg/kg）5級(jí)。

1.4? 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)和K-S檢驗(yàn)（Kolmogorov-Smirnov test）[14]。完成試驗(yàn)半方差函數(shù)模型的計(jì)算，理論模型擬合采用GS+9.0軟件完成[15]，克里格插值（Kriging）、概率克里格插值（Probability Kriging）、繪圖及面積統(tǒng)計(jì)均在ArcGIS 10.2.2軟件實(shí)現(xiàn)[16-18]。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 植煙土壤有效銅基本統(tǒng)計(jì)特征年代變化

由表1可知，土壤有效銅上升明顯，2015年土壤有效銅均值較2000年上升了0.84 mg/kg，上升幅度達(dá)80%，一直處于高水平，極小值變小，而變異系數(shù)、極大值、極差均變大。表明有效銅含量在大幅增加的同時(shí)，其變異也在變大。

進(jìn)一步對(duì)湘西州植煙土壤有效銅的等級(jí)分布情況進(jìn)行了分析（表2），與2000年相比，2015年土壤有效銅“適宜”等級(jí)的樣品比例減少了32.35個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí)，“極低”“低”“高”和“極高”等級(jí)的樣品比例分別增加了1.93、1.49、12.00和16.93個(gè)百分點(diǎn)，表明煙區(qū)土壤有效銅含量增加的同時(shí)，呈現(xiàn)出兩極分化的特點(diǎn)。

2.2? 植煙土壤有效銅時(shí)空變異特征

采用多種函數(shù)模型對(duì)植煙土壤有效銅進(jìn)行擬合，獲得湘西州植煙土壤有效銅的最佳函數(shù)模型及其相關(guān)參數(shù)（表3），2000年土壤有效銅最佳函數(shù)模型為指數(shù)模型，2015年有效銅的最佳函數(shù)模型為高斯模型，模型均具有較高的擬合精度（RMSSE接近1，MSE接近0），能夠很好地反映土壤有效銅的空間結(jié)構(gòu)特征。

2000年和2015年的植煙土壤有效銅的塊金效應(yīng)均在25%～75%，表明系統(tǒng)具有中等的空間相關(guān)性，說(shuō)明土壤有效銅的空間變異由隨機(jī)因素和結(jié)構(gòu)因素共同決定，2015年的塊金效應(yīng)數(shù)值較2000年有所增大，反映隨機(jī)性因素對(duì)土壤有效銅的作用變大，表明植煙土壤有效銅的空間結(jié)構(gòu)性減弱，隨機(jī)變異性增強(qiáng)。經(jīng)計(jì)算，15年間土壤有效銅Moran's I有較大上升，且Moran's I的標(biāo)準(zhǔn)化（Z）在15年間均有不同程度上升，表明15年間土壤有效銅空間自相關(guān)性在減弱，隨機(jī)性因素對(duì)有效銅的影響在增強(qiáng)。兩個(gè)年份的土壤有效銅標(biāo)準(zhǔn)化（Z）分別為2.682和2.758，均大于2.58，表明兩個(gè)年份土壤有效銅表現(xiàn)為顯著空間自相關(guān)。進(jìn)一步利用分形維數(shù)（FD）對(duì)兩個(gè)年份的土壤有效銅的空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)2015年植煙土壤有效銅的分形維數(shù)與2000年相比均有所減小，表明湘西州植煙土壤有效銅呈現(xiàn)出更多較大尺度上的變異特點(diǎn)，其隨機(jī)變異所占比例減少。

2.3? 土壤有效銅時(shí)空分布變化

采用普通克里格插值法獲取2000年和2015年湘西州植煙土壤有效銅含量空間分布，結(jié)果見(jiàn)圖1，并利用ArcGIS軟件自帶的Arc Toolbox模塊統(tǒng)計(jì)不同等級(jí)的面積。兩個(gè)時(shí)期土壤微量元素含量空間分布規(guī)律均不明顯，2015年湘西州植煙土壤微量元素分級(jí)面積與2000年相比發(fā)生較大變化（圖1和表4）。

2000年土壤有效銅含量總體偏高，適宜和高等級(jí)的植煙土壤面積所占比例分別為56.97%和43.02%，低等級(jí)的植煙土壤僅占0.01%;2015年植煙土壤有效銅含量較2000年有較大幅度增加，新增了2000年未出現(xiàn)的極高等級(jí)，面積所占比例為10.94%，高等級(jí)面積所占比例增加至76.96%，相應(yīng)地，適宜等級(jí)面積由原先的56.97%下降到11.96%，低等級(jí)面積所占比例變化不大。

3? 小結(jié)與討論

湘西州2015年土壤有效銅均值較2000年上升了0.84 mg/kg，增幅達(dá)80%，一直處于高水平，但變異性在增強(qiáng)。2000年土壤有效銅含量總體較適宜，適宜的植煙土壤面積所占比例為56.97%，高等級(jí)的植煙土壤面積比例為43.02%。2015年植煙土壤有效銅含量較2000年有增加趨勢(shì)，新增了2000年未出現(xiàn)的極高等級(jí)，面積所占比例為10.94%，高等級(jí)亦增加至79.96%，適宜等級(jí)面積所占比例減少至11.96%，低等級(jí)的面積變化不大。綜上所述，15年間湘西州植煙土壤有效銅含量呈增加趨勢(shì)，這與微肥投入增加有關(guān)。

充足的營(yíng)養(yǎng)元素是烤煙優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)的重要條件[19]，但許多煙區(qū)均存在土壤中營(yíng)養(yǎng)元素不平衡或缺乏的問(wèn)題，有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，對(duì)保山[20]、銅仁[21]、邵陽(yáng)[22]等煙區(qū)微量元素進(jìn)行了豐缺評(píng)價(jià)，并探究了其原因和變化規(guī)律，研究表明，不同煙區(qū)土壤微量元素豐缺情況存在較大差異，這可能與區(qū)域地形地貌、成土母質(zhì)、氣候條件、耕作方式等因素有關(guān)。本研究表明，2000年湘西州植煙土壤有效銅均存在缺乏現(xiàn)象，這可能與煙農(nóng)忽視了微量元素肥料的補(bǔ)充有關(guān)，2015年土壤有效銅均有大幅增加，煙葉對(duì)銅具有一定富集作用，對(duì)煙葉質(zhì)量造成損害[23]。所以，及時(shí)掌握土壤有效銅豐缺情況，對(duì)科學(xué)使用微肥，提高煙葉產(chǎn)量、質(zhì)量具有重要意義。

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