石門縣植煙土壤主要微量元素的分布特征

曹明鋒，鄧 勇，祝 利，龍世平，張方旭，彭斯文，廖超林

（1. 常德市煙草公司，湖南 常德 425000；2. 湖南省農業環境生態研究所，湖南 長沙410125；3. 湖南農業大學，湖南 長沙 410128）

土壤微量營養元素的豐缺關系到烤煙對微量元素的吸收、積累，進而影響烤煙的生理功能及品質，已成為制約某些煙田烤煙生長的限制因素[1]。海拔是影響土壤微量營養元素豐缺的因子之一，主要通過影響氣溫、降雨及土壤風化而影響土壤有效營養元素分布[2]。柏松等[3]研究發現，隨海拔的增加，土壤中Fe 等微量元素也增加；Magnani 等[4]研究發現，耕層土壤Co、Zn、Cr 和Ni 有效態含量與海拔呈顯著負相關關系；Hardy 等[5]卻提出了相反的變化規律，認為耕層土壤有效態Cu、Zn 和Mn 等微量元素與海拔呈顯著正相關關系，其含量隨著海拔的增加而升高。

湖南石門縣具有悠久的烤煙種植歷史，已成為湖南省主要烤煙產區之一，其植煙土壤的海拔跨度較大，但至今尚未見有關海拔對土壤主要微量元素影響的報道。因此，研究在石門縣9 個鄉鎮的28 個村采集了429 個植煙土壤樣本，分析了不同海拔高度的植煙土壤有效態Fe、Zn、Cu、B 及水溶性Cl 的分布特征及其與海拔的相關關系，以期為山地煙區烤煙種植區劃、微肥的合理施用及煙葉品質提升提供依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與測定

于煙田翻耕前，在石門縣9 個鄉鎮的28 個村選擇均為石灰巖風化母質發育的多年植煙土壤，采集0～20 cm 耕層土壤樣品 429 個，其中大同山鎮、壺瓶山鎮、南鎮鎮、三圣鄉、所街鎮、太平鎮、維新鎮、新鋪鎮、皂市鎮的采集樣本數量分別為 35、54、33、55、62、24、64、42 和60 個。按每10 hm2左右的種植面積采集1 個樣本，每個樣本由5～10 點土樣混合而成；GPS 記錄的多點海拔均值為代表樣海拔。土樣室內自然風干，去雜、碾磨，過篩備用。微量元素測定方法參見文獻[6-7]。

1.2 植煙土壤微量元素適宜性分級

參考1985 年在西安召開的微量元素肥料工作會議所制定的全國農業系統的土壤速效微量元素豐缺指標，同時結合已有的研究結果[8]，將植煙土壤有效Fe、Zn、Cu、B 和水溶性Cl 含量劃分為極低、低、適宜、高和極高5 個等級（表1）。依據各等級比例對植煙土壤微量元素豐缺狀況進行診斷。

表1 植煙土壤主要微量元素含量等級 （mg/kg）

1.3 數據處理

采用 Excel 2016、SPSS 22.0 軟件進行數據處理、數據分析、最優線性回歸和作圖。

2 結果與分析

2.1 石門縣植煙土壤主要微量元素含量的分布情況

石門植煙土壤主要微量元素含量如表2 所示，土壤有效Fe 含量為適宜等級的樣本僅占3.42%，高和極高等級分別占73.50%和23.08%；土壤有效Zn 含量為適宜以上等級的樣本占67.51%，低和極低等級分別占25.64%和6.84%；有效Cu 含量為適宜及高等級的樣本分別占39.32%和41.88%，可滿足烤煙生長發育需要；土壤有效B 含量為適宜等級的樣本占19.66%，高等級以上占69.23%；水溶性Cl 含量為適宜等級的樣本僅占1.71%，極低和低等級分別占59.83%和38.46%，土壤缺Cl 嚴重。從變異系數看，石門植煙土壤5 種微量元素指標均為強變異，其排序依次為有效Cu ＞有效Fe ＞有效Zn ＞水溶性Cl ＞有效B。

表2 石門縣植煙土壤主要微量元素含量的分布情況

2.2 海拔與土壤主要微量元素含量的關系

將 樣 本 按 海 拔200～300、300～400、400～500、500～600、600～700、700～800、800～900、900～1 000、1 000～1 100 和1 100～1 200 m 分為10 組，各組樣本數量分別為41、33、43、51、42、50、35、57、54、23，分別統計不同海拔組主要微量元素平均值及適宜性樣本分布頻率（表3～7）。

2.2.1 有效Fe 10 個組的土壤有效Fe 均值范圍為17.00～62.77 mg/kg；不同海拔組的土壤有效Fe 含量差異顯著，其中海拔200～600 m 間的4 個組土壤有效Fe 含量顯著低于海拔600 m 以上的6 個組，海拔600～700 m 組顯著低于海拔1 100～1 200 m 組（表3）。從適宜性分布看，各海拔組土壤有效Fe 含量均無低和極低等級的樣本。海拔200～500 m 間3 個組存在土壤有效Fe 含量為適宜等級的樣本，占比為17.65%～21.43%，而海拔500 m 以上7 個組土壤樣本的有效Fe 含量均為高和極高等級。將分組后的土壤有效Fe 含量與海拔進行線性擬合（圖1），其最優回歸方程為Y=0.047 2x+5.527 0（R2=0.746 0，F=21.780），說明土壤有效Fe 含量有隨海拔增加而升高的趨勢。

圖1 海拔與土壤有效Fe 含量的關系

表3 不同海拔植煙土壤的有效Fe 含量分布

2.2.2 有效Zn 10 個組的有效Zn 含量均值范圍為1.02～1.97 mg/kg；方差分析表明，海拔200～500 m 間3 個組土壤有效Zn 含量顯著低于海拔600 m 以上6 個組的有效Zn 含量（表4）。土壤有效Zn 含量為適宜及高等級的樣本比例，以海拔500～800 m 間的3 個組較高；海拔200～500 m 間3 個組土壤有效Zn 含量為低和極低等級的樣本比例較高；而海拔800～1 200 m間4 個組土壤有效Zn 含量在高和極高范圍的樣本比例較高。將分組后的土壤有效Zn 含量與海拔進行線性擬合（圖2），其最優回歸方程為Y=0.000 9x+0.832 9（R2=0.694 9，F=18.004），表明土壤有效Zn 含量有隨海拔增加而升高的趨勢。

表4 不同海拔植煙土壤的有效Zn 含量分布

圖2 海拔與土壤有效Zn 含量的關系

2.2.3 有效Cu 10 個組的土壤有效Cu 含量均值范圍為0.96～1.78 mg/kg；方差分析表明，1 000～1 200 m 間2 個組的土壤有效Cu 含量顯著低于200～600 m 間的4 個組和700～800 m 組（表5）。不同海拔組間土壤有效Cu 適宜樣品比例以海拔1 000～1 100 m 組和1 100～1 200 m 最較高；海拔200～500 m 間的3 個組土壤有效Cu 含量存在較大比例低和極低等級的樣本；海拔700 m 以上的樣本土壤有效Cu 含量均處于適宜和高等級范圍。將分組后的土壤有效Cu 含量與海拔進行線性擬合（圖3），其最優回歸方程為Y=-0.000 9x+2.056 9（R2=0.714 0，F=19.974），表明土壤有效Cu 含量有隨海拔增加而降低的趨勢。

圖3 海拔與土壤有效Cu 含量的關系

表5 不同海拔植煙土壤的有效Cu 含量分布

2.2.4 有效B 10 個組的土壤有效B 均值范圍為0.42～1.08 mg/kg；方差分析表明，海拔200～600 m 間4 個組的土壤有效B 含量顯著低于800～1 200 m 間的4 個組（表6）。200～600 m 海拔間4 個組的土壤有效B 含量均存在較高比例適宜、低和極低等級的樣本，而海拔600 以上的6 個組土壤有效B 含量均以高和極高等級的樣本為主。將分組后的土壤有效B 含量與海拔進行線性擬合（圖4），其最優回歸方程為Y=0.000 5x+0.411 4（R2=0.618 7，F=12.978），表明土壤有效B 含量有隨海拔增加而升高的趨勢。

圖4 海拔與土壤有效B 含量的關系

表6 不同海拔植煙土壤的有效B 含量分布

2.2.5 水溶性Cl 10 個組的土壤水溶性Cl 含量均值范圍為3.60～6.00 mg/kg；方差分析表明，海拔200～500 m 間3 個組土壤水溶性Cl 含量明顯高于600 以上6 個組（表7）。從不同海拔組間植煙土壤水溶性Cl適宜樣品比例看，除海拔800～900 m 僅分布有8.33%土壤水溶性Cl 含量為適宜等級的樣本外，其他海拔組土壤水溶性Cl 含量均無適宜等級以上的樣本；同時，海拔200～600 m 間4 個組的土壤水溶性Cl 含量極低等級樣本比率明顯低于海拔600 m 以上的6 個組，低等級樣本比率則相反。將分組后的土壤水溶性Cl 含量與海拔進行線性擬合（圖5），最優回歸方程為Y=1 E-08x3-2 E-05x2+0.007 5x+5.387 2（R2=0.775 6，F=25.186），表明海拔與水溶性Cl 含量存在顯著曲線關系。在海拔200～900 m 間，土壤水溶性Cl 含量隨著海拔的增加而下降；而海拔在900～1 200 m 間，植煙土壤水溶性Cl 含量隨著海拔的增加而上升。

圖5 海拔與土壤水溶性Cl 含量的關系

表7 不同海拔植煙土壤水溶性Cl 含量分布

2.3 土壤主要微量元素間的相關關系

由表8 可知，土壤中Fe、Zn、Cu、B 這4 種元素的有效含量兩兩呈顯著或極顯著正相關關系，而水溶性Cl 含量與前4 者相關性不顯著。

表8 土壤主要微量元素間的Pearson 相關關系

3 小結和討論

3.1 植煙土壤主要微量元素分布特征

適宜的微量元素是保障煙葉良好品質的基礎。石門植煙土壤有效Fe、Cu、Zn 含量相對較高，其原因可能與石門煙區成土作用相對較強有關，該區以紅壤、黃紅壤及黃壤等鐵鋁氧化物含量較高的土壤為主，有效Fe 含量相對豐富[9]；而土壤Zn 和B 主要來源于土壤母巖母質，由于該區土壤類型以石灰性土壤為主，pH 值偏堿性，在堿性土壤中Zn 和B 的淋溶作用弱，成土過程中相對積累而富集，含量相對升高[10]。土壤有效Cu 整體上來講可以滿足烤煙生長發育需要，但未出現較大比例的極高等級樣本，可能與成土母質Cu 含量較低以及Cu 遷移能力較強有關，同時外源Cu 輸入少也是原因之一[11]。研究區植煙土壤的水溶性Cl 缺乏嚴重，一方面與石灰巖母質含Cl 較低，淋溶較強，同時外源Cl 輸入量少等有關[12]；另一方面與石門煙區地處湖南西北山區，工業降塵和降雨輸入量低有關；同時，煙區常年不施Cl 肥也導致該區植煙土壤缺Cl 嚴重。因此，石門煙區在制定微肥施用策略時，一是要適當增施有機肥、餅肥，合理調控土壤反應，使土壤有效Zn 和B 含量調至合理范圍；二是要防止外源Cu 輸入，避免土壤Cu 積累過量；三是要適當施用氯肥（KCl 等），促進烤煙高效、優質生產。

3.2 植煙土壤主要微量元素與海拔之間的關系

海拔是影響土壤微量營養元素豐缺的重要因子。石門煙區海拔200～600 m 間的植煙土壤有效Fe 和B含量顯著低于海拔600 m 以上的植煙土壤，且海拔600 m 以上有效Fe 和B 含量為高等級以上水平的樣本比例較高，同時有效Zn 含量以海拔500 m 為節點，表現出相同的變化特征；最優曲線回歸表明，有效Fe、Zn、B 含量均隨著海拔的增加而顯著升高。其原因在于，隨著海拔降低，土壤淋溶及脫硅富鋁化作用漸強，雖然導致全Fe、游離Fe 含量升高[13]；但較高的海拔區，土壤有機質分解慢，其含量相對較高，較豐富的無定形鐵氧化物強烈吸附有機質，阻礙鐵氧化物晶核形成，促進了Fe 活化[14]。研究表明，鐵氧化物對微量元素的吸附或共沉淀作用決定了其是土壤中Zn、B 等微量元素的主要載體[15]；相關分析表明，土壤Fe、Zn、Cu 和B 元素間有效含量兩兩呈顯著或極顯著正相關關系，說明這4 種微量元素具有同源性，印證了鐵氧化物對微量元素的影響。由于低海拔地區結晶好的針鐵礦和赤鐵礦豐富，加上土壤粘粒含量高，吸附了大量的Zn、B 等微量元素，導致低海拔區土壤有效態Zn、B 含量降低，而高海拔區其含量相對較高。

低海拔地區雖因鐵氧化物及土壤粘粒含量高，增加了Cu 元素的吸附及共沉淀比率，但石門植煙土壤有效Cu 則表現出較低海拔具有較高含量的特征。其原因在于，Cu 元素主要存在于黏土礦物中[16]，海拔顯著影響土壤黏土礦物的類型和含量；高海拔區土壤黏土礦物復雜，以2 ∶1 型的伊利石為主外，還有少量蛭石、綠泥石和蒙脫石，這些礦物的吸附固定能力強；而低海拔區則以1 ∶1 型的高嶺石為主，吸附固定能力弱[17]，且高海拔區降雨量大，土壤濕度大，Cu 的淋溶遷移能力強。因此，有效Cu 含量隨著海拔升高而降低。

隨著海拔的增加，水溶性Cl 則表現出曲線變化特征。湘西北山區土壤中Cl 含量主要受成土過程、水分淋失等因自然因素的影響，同時Cl 不易被粘粒礦物及土壤膠體所吸附，移動性較強。因此，土壤中水分的運動決定了土壤中Cl 的分布狀況[18]。隨著海拔的升高，氣候條件會發生規律性的更替，加上局部小氣候的影響，土壤水分及其動力學差異性變化明顯，導致石門煙區土壤中水溶性Cl 含量隨海拔的升高而呈現曲線變化特征。

通過對石門縣植煙土壤主要微量元素與海拔之間相互關系的分析，得到以下結論：（1）石門縣植煙土壤有效Fe、Zn、B 含量整體豐富，有效Cu 可滿足烤煙生長發育需要，水溶性Cl 含量顯著缺乏；（2）海拔與植煙土壤有效Fe、Zn、Cu 和B 含量呈顯著線性關系，與水溶性Cl 含量呈顯著曲線關系；植煙土壤有效Fe、Zn 和B 含量隨海拔的升高而顯著增加，有效Cu 則相反；水溶性Cl 含量在海拔200～900 m 間，隨海拔的增加而下降；而在海拔900～1 200 m 間，隨海拔的增加而上升；（3）石門縣低海拔區植煙土壤有效Zn、Cu、B 含量為極低和低等級的比例較大，需適當施用Zn、Cu、B 等微肥；石門縣植煙土壤整體水溶性Cl 缺乏，其中海拔700 m 以上的植煙土壤尤為顯著，因此補施氯肥這一措施可在高海拔煙區先行先試。