小尺度下茶園土壤有效態微量元素空間變異特征及其影響因素分析

夏 凡，王永東*，鄭子成，李廷軒，廖桂堂,2，劉 濤，張錫洲

（1 四川農業大學資源學院，四川成都 611130；2 成都信息工程大學資源環境學院，四川成都 610225）

四川是我國主要茶葉生產省份之一，也是茶樹原產地之一，“川茶”已被四川省委省政府列為全省現代農業“10+3”產業體系和“5+1”現代產業體系發展重點。川西茶區是四川省川西南名優綠茶產業帶，但由于茶園大量施用復合肥，長期處于施肥不平衡的狀態[1]，不僅影響到茶樹的生長發育，也降低了茶葉品質[2]。鐵、錳、銅、鋅是茶樹所必需的微量元素，土壤微量元素含量不僅影響茶樹的生長發育，也影響茶葉的產量和品質，是決定茶葉優質高效生產的重要因素之一[3–6]。長期植茶過程中，因受到自然因子(地形、氣候等)與人為因子(施肥管理等)的共同影響，使得土壤微量元素含量在一定區域內具有高度的空間異質性[7–9]。厘清土壤微量元素的空間異質性可為制定合理的微量元素養分管理措施提供依據。地統計學是研究土壤屬性空間變異的科學有效方法[10]，已經用于茶園土壤有機質[11]及氮[12]、磷[13]、鉀[14–15]等大量元素和土壤重金屬[16]的研究。采用該方法研究土壤有效態微量元素的空間變異在農田、植煙土壤上較多[9,17–19]。因此，利用地統計學方法研究川西低山丘陵區小尺度下茶園土壤有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅4種微量元素的變異特征及影響因素，旨在為茶園土壤微肥施用及優質高產茶葉栽培提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于四川省雅安市名山區中峰鎮萬畝生態茶園 (東經 103?11′～103?13′，北緯 30?12′～30?13′)，屬川西茶區，面積約 2 km2，海拔在 640～750 m，地面坡度處于0?～83?范圍，屬典型的低山丘陵區，土壤類型為第四紀沖積物發育而成的黃壤。該區域屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫15.4℃，無霜期298天，年降雨量1500 mm左右。植被類型以茶樹為主，另有少量零星的林地。由于是農戶分散種植管理，茶樹品種不一，研究區內茶樹品種為福選9號、蒙山9號、烏龍茶、名選131和梅占茶，施肥管理上一般于每年2月中旬、5月下旬、8月上旬、10月中旬施用復合肥(N∶P∶K=26∶10∶12)450～1200 kg/hm2。

1.2 樣品采集與測定

因研究區域內土壤類型及成土母質一致，因此按茶樹種植情況采用隨機布點法采樣，并在地形復雜處加大樣點密度。于2020年4月按照5點混合的方式共采集0—30 cm土壤樣品94個，并用手持GPS (集思寶A5)對采樣點中心位置(經緯度、海拔)定位，同時調查茶樹品種、施肥狀況等信息。采樣點位分布及研究區地形因子見圖1。將采集的土壤樣品在實驗室內風干、去雜、研磨，制備樣品并進行分析測定。土壤有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅采用鹽酸浸提—ICP-MS法測定；有機質采用重鉻酸鉀?濃硫酸稀釋熱法測定；pH采用電位法(土水比為 1∶2.5)測定[20]。

圖1 研究區土壤采樣點位(a)、高程(b)、坡度(c)和坡向(d)圖Fig.1 Map of soil sample sites (a), slope height (b), slope degree (c) and slope direction (d) in the study area

1.3 數據處理

空間特征分析利用GS+9.0進行半方差函數分析及模型擬合，使用GeoDa 1.1.4進行全局空間自相關分析；根據計算出的半方差模型參數，采用ArcGIS 10.2地統計模塊進行普通克里格或反距離加權法插值。

采用閾值法(平均值±3倍標準差)對土壤有效態微量元素含量進行異常值識別和處理[21]。通過SPSS 21.0對數據進行常規統計分析、K-S正態分布檢驗、相關分析及回歸分析。

2 結果與分析

2.1 土壤有效態微量元素含量統計特征

由表1可知，研究區土壤有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅含量變化范圍分別為5.7～122.4、2.5～101.2、0.3～2.6、0.7～3.5 mg/kg。變異系數是數據間離散程度的反映，直觀反映出樣本的空間變異性大小。小尺度下茶園土壤4種有效態微量元素均呈中等程度變異，其中有效錳變異系數最大，有效鋅變異系數最小。K-S檢驗結果表明，土壤有效錳服從對數正態分布，有效鐵、有效銅、有效鋅均服從正態分布，符合地統計學分析的基本要求。

表1 小尺度下茶園土壤有效態微量元素含量描述性統計特征Table 1 Descriptive statistics of available soil microelements in the small scale tea garden

2.2 土壤有效態微量元素含量空間結構特征

由表2可知，小尺度下茶園土壤有效鐵、有效錳的最優擬合模型為指數模型，有效鋅以球面模型擬合效果最佳，其決定系數R2均大于0.5，能較好反映這3個元素的空間結構特征；而小尺度下土壤有效銅則表現為純塊金效應。塊基比反映變量的空間自相關程度，其值越小，空間自相關程度越高。有效鐵、有效錳、有效鋅的塊基比分別為36.57%、50.00%、61.85%，均呈中等空間相關性，受到自然因素和人為因素的共同作用；有效銅的塊基比為100.00%，在小尺度下具有恒定變異。變程反映變量的空間最大相關距離，4種微量元素變程變化范圍為468～1190 m。從全局空間自相關性分析看，土壤有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅的全局莫蘭指數(Global Moran’s I)分別為 0.232、0.005、–0.023、0.072，其中有效銅的全局莫蘭指數為負值，存在空間孤立；有效鐵、有效錳、有效鋅的全局莫蘭指數均為正值，存在空間區域聚集。但經標準化計算后，僅有效鐵的Z值大于2.58，呈極顯著空間自相關(P<0.01)，其空間分布表現為強烈的聚集特點，有效錳、有效銅、有效鋅的空間自相關不顯著，這一趨勢與半方差分析結果一致。

表2 小尺度下茶園土壤微量元素半方差函數模型及空間自相關性Table 2 The semi-variogram models and spatial autocorrelation of soil microelements in the small scale tea garden

2.3 土壤有效態微量元素含量空間分布格局

基于半方差最優擬合參數對有效鐵、有效錳、有效鋅進行普通克里格插值，而有效銅因在該區域中不具有空間相關性，所以采用反距離加權法對其插值，結果如圖2所示。從空間分布格局上看，有效鐵含量呈現出南高北低的分布特征，高值集中于研究區南部和西部，區域差異明顯；土壤有效錳含量的空間分布則相對較平滑，呈現出漸變的分布特點，高值區散布于研究區域內；土壤有效銅含量斑塊狀分布特征明顯，存在空間孤立現象，高值與低值交錯分布；土壤有效鋅含量表現出“兩邊高、中間低”的空間分布特征，空間分布上呈漸變趨勢，由北部和南部向中部地區遞減，且在南部呈條帶狀分布。

圖2 小尺度下茶園土壤有效態微量元素空間分布格局Fig.2 Spatial distribution of available soil microelements in the small scale tea garden

2.4 土壤有效態微量元素含量影響因素分析

2.4.1 土壤化學性質和地形因子 由表3可知，小尺度下茶園土壤有效鐵含量與土壤pH呈極顯著負相關，而與有機質呈極顯著正相關關系，表明pH的降低或有機質的升高均有利于提高土壤鐵的有效性；有效錳含量僅與坡度呈現顯著負相關關系；有效銅含量與各影響因素間均無顯著相關關系；有效鋅含量僅與有機質含量呈現極顯著正相關關系。

表3 小尺度下茶園土壤微量元素含量與影響因子間的相關性(r值)Table 3 Correlation between available soil microelement contents and influencing factors in the small scale tea garden (r-value)

2.4.2 不同因素的影響程度 由表4可知，pH和有機質對土壤有效鐵含量的空間變異影響顯著。相反，土壤有效錳則僅受坡度的顯著影響。對土壤有效銅來說，各因素均不能很好的解釋其空間變異狀況，表明研究區內土壤有效銅含量可能受其他因素主導。僅有機質能獨立解釋土壤有效鋅空間變異的12.1%。

表4 小尺度下茶園土壤微量元素含量與各影響因子回歸分析Table 4 Regression analysis between soil microelement contents and influencing factors in the small scale tea garden

3 討論

土壤有效態微量元素含量的豐缺狀況是作物生長代謝、產量及品質的重要影響因素[22]。參照四川省第二次土壤普查養分分級標準[23]，研究區茶園土壤有效鐵處于豐富水平，有效錳、有效銅、有效鋅均處于較豐富水平，但相較江蘇、河南等地茶園，研究區土壤有效態微量元素含量偏低[24–25]。同時相較于2007年本研究區的土壤養分調查結果[26]，土壤有效態微量元素含量呈整體下降趨勢，有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅分別下降了22.11%、32.47%、61.88%、56.09%，這可能是由于長期植茶過程中土壤有效態微量元素會隨茶葉采摘而損失，且通過調查發現，研究區茶農僅施用氮、磷、鉀復合化肥，使得土壤中的有效態微量元素含量未得到及時補充。因此，建議在以后的施肥管理上應增施有機肥或補充微肥等來提高土壤微量元素含量。

本研究表明，小尺度下茶園土壤有效鐵、有效錳、有效鋅空間變異均受到結構性因素和隨機性因素的共同影響。有效銅則表現出較強的獨立性和隨機性，主要受隨機性因素的影響，同時說明該采樣間距未能有效反映小尺度下茶園土壤有效銅的空間結構特征[27]。Ramzan等[28]對農田土壤的研究結果表明，土壤有效鐵、有效銅、有效鋅空間變異均是由結構性因素引起，李珊等[8]研究結果表明植煙土壤有效鐵、有效鋅空間變異也以結構性因素為主導，表明茶園與其他土地利用方式具有一定差異，以后的研究中可進一步對此進行深入探討。變程大小的不同可能是由于作物對不同微量元素的吸收偏好有所差異[29]，小尺度下土壤有效錳較大的變程可能與茶樹是聚錳作物有關[30]。

本研究結果表明小尺度下茶園土壤4種有效態微量元素的空間分布趨勢不同，其中土壤有效銅含量的空間異質性較大，這一結果可能與農戶分散種植有關[31]，有效鐵、有效錳和有效鋅則均呈現出漸變的特點。自然條件下，土壤微量元素空間分布主要受到地形、成土母質、成土過程等結構性因素的影響[7]。然而茶園土壤在長期的人類活動中，耕作、施肥、修剪物還田，甚至茶樹品種更替，增大了人為因素的影響[32]，導致自然和人為因素共同作用于茶園土壤微量元素空間分布。已有研究表明，小尺度下土壤養分空間分布受到地形的影響較大[33–34]，但本研究結果表明，小尺度下茶園土壤有效態微量元素含量與地形因子之間相關性較弱，這是因為研究區茶園生產管理過程中僅施用大量復合化肥，并且其長期受到人為活動的差異性干擾，人為因素的影響削弱了地形因子對土壤微量元素空間分布的作用。同時本研究結果顯示，小尺度下茶園土壤有效態微量元素空間分布主要受到土壤化學性質的影響，其中，pH與土壤有效鐵呈現出極顯著的負相關，能解釋有效鐵空間變異的17.5%，這與大多數的其他研究結果[35–36]相類似，這可能是因為植茶過程中土壤pH降低，促進了不溶性的三價鐵向可溶性二價鐵轉化，提高了鐵的活性[37]；土壤有效鐵、有效鋅與土壤有機質呈現出極顯著的正相關，這是由于長期植茶過程中，施肥、修枝等措施增加了土壤有機質，同時茶樹在生長過程中分泌有機酸，提高了土壤微量元素的有效性。由于研究區域是以農戶分散種植管理為主，不同農戶在施肥量、茶樹品種更替等方面有差異，這對研究區土壤有效態微量元素含量有影響，因此研究區土壤有效態微量元素的含量可能還受到其他隨機性因素的影響。另外，本研究中土壤有效銅含量與各影響因素間均無顯著相關性，但根據半方差分析結果，建議可從耕作管理等方面深入探討其空間分布的主導因素。

4 結論

中鋒生態茶園土壤有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅含量均較高，且表現為中等程度變異。有效銅為純塊金效應，存在空間孤立現象。有效鐵、有效錳含量的半方差擬合曲線均以指數模型為最佳，土壤有效鋅則以球面模型擬合最佳，3種微量元素含量均受到自然因素與人為因素共同影響，有效鐵含量的空間分布受土壤pH、有機質影響，有效錳含量取決于坡度；有效鋅含量僅與有機質呈現出極顯著相關性。