大理煙田土壤有效鋅、鉬和硼含量的時空變異及其影響因素

蘇欣悅，王晉峰，孫 楠，蒯 雁，范志勇，張久權，徐明崗*

（1 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所 / 北方干旱半干旱耕地高效利用全國重點實驗室 / 農業農村部耕地質量監測與評價重點實驗室，北京 100081；2 山西農業大學生態環境產業技術研究院 / 土壤環境與養分資源山西省重點實驗室，山西太原 030031；3 云南省煙草公司大理州公司，云南大理 671000；4 中國農業科學院煙草研究所，山東青島 266101）

土壤是優質煙葉生產的前提和基礎[1]。微量元素對煙葉生長具有重要作用。有研究表明，我國煙田存在不同程度的鋅、鉬和硼缺乏現象[2-3]，在一定程度上影響了烤煙的產量和品質[4]。微量元素缺乏的土壤上合理施用微肥，可促進煙株生長發育，改善煙株品質[5]。鋅是多種酶的激活劑和蛋白質合成的催化劑，缺鋅時會導致植株生長素合成受阻以及葉片數降低。鉬是硝酸還原酶和固氮酶的重要組成部分，缺鉬時煙株體內硝酸鹽大量增加，對煙葉品質有較大影響。硼可參與煙株碳水化合物代謝和運輸等過程，缺硼會造成煙株頂芽壞死，烤煙品質和產量下降等問題[6]。但由于在一些煙區農民忽視微量元素肥料(微肥)的補充，導致土壤微量養分失衡，限制了烤煙品質的提高[7]。因此準確認識煙田微量元素的時空變異及其影響因素，有助于科學指導烤煙種植中微肥的施用。

近些年來在植煙土壤微量元素空間變異特征等方面開展了一些研究[8]。表明植煙土壤微量元素受到地形、氣候與施肥管理等的影響，其含量在一定區域內具有高度空間異質性[9]，如李珊等[10]對2011 年廣元植煙土壤有效鋅、鉬和硼的空間變異的研究發現，有效鋅和硼含量缺乏，均呈現西高東低的空間分布格局，鉬含量適中，呈北高南低分布，建議應補充鋅和硼肥。王影影等[11]發現在山東6 個典型縣域植煙土壤中有效鋅含量較低且主要受有機質影響，建議適量增施含鋅有機肥。目前對植煙土壤微量元素有效態含量時空變異的研究大多集中在短期一個時間段內或縣域小尺度，關于長期多個時間段較大尺度方面的研究鮮有報道。為此，本研究突破以往的經典數理統計層面，對植煙土壤有效態微量元素的長期時空演變進行評價，并定量定性分析其影響因素，旨在為煙田微肥科學施用和優質煙葉生產提供指導。

云南省是我國最重要烤煙產區，大理州為煙草種植最適宜區之一。關于大理州植煙土壤營養元素的長期動態變化的研究較少，且多集中在土壤大量營養元素時空演變特征，缺乏對長期植煙土壤微量元素含量時空分布特征及其影響因素的相關報道。因此本研究基于1982、2012、2022 年3 個時期大理州植煙農田面上采樣數據，分析土壤微量元素時空變異及其影響因素，為大理州煙田微肥科學施用和煙葉高質量生產提供指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

大理白族自治州(24°41′～26°42′N，98°52′～101°03′E)，地處云南省中部偏西。地勢西北高、東南低，地貌復雜多樣，海拔在730～4295 m，屬低緯度高原季風氣候，年均溫15.8℃，日照時數2332 h，降水量835.7 mm，冬干夏雨，河谷熱，壩區暖，山區涼，高山寒。煙區土壤類型主要為水稻土和紅壤。全州國土面積295 萬 hm2，年均烤煙種植面積約3.23 萬 hm2。

1.2 樣品采集與分析

2012 和2022 年選取大理州具有代表性的連片煙田，采用梅花形五點采樣法分別采集1131 和4512個煙田耕層(0—20 cm)土壤樣品。不同年份土壤樣品采集雖不是原位采樣，但均具有較強的代表性。利用GPS 記錄采樣點經緯度和海拔等信息，同時調查地形、土壤質地和前茬作物等信息。采集的土樣于室內風干，磨細過篩后保存，用于土壤理化性質的測定。土壤質地是根據機械分析數據，依據相應的土壤質地分類制來確定的。土壤pH 測定采用NY/T 1121.2—2006 玻璃電極法；有機質測定采用NY/T 1121.6—2006 重鉻酸鉀氧化法-外加熱法；堿解氮測定采用堿解擴散法；有效磷測定采用GB 12297—1990 碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀測定采用NY/T 889—2004 NH4OAc 浸提—火焰光度法。有效鋅的測定采用NY/T 890—2004 原子吸收分光光度法，有效鉬的測定采用NY/T 1121.9—2006 極譜法，有效硼的測定采用NY/T 1121.8—2006 甲亞胺比色法[12]。1982 年的數據來源為大理州第二次土壤普查資料，根據歷史數據中每個采樣點對應的村莊名稱，使用GPS 重新定位，確定其經緯度，共計125 個煙田耕層(0—20 cm)土壤樣品。

1.3 研究方法

參考和借鑒《大理州植煙土壤分析評價及應用》[12]和全國第二次土壤普查的養分分級標準[13]，有效鋅、鉬和硼分為Ⅰ(低)、Ⅱ(較低)、Ⅲ(中)、Ⅳ(較高)、Ⅴ(高) 5 個等級(表1)，其中Ⅲ級為煙葉生長適宜等級。

表1 植煙土壤養分指標等級劃分標準Table 1 Classification standards of soil available Zn, Mo and B in tobacco-growing fields

地統計學是以變異函數理論和結構分析為基礎，在有限區域內對區域化變量進行無偏最優估計的一種方法[14]。半變異函數是地統計分析的特有函數，其計算公式如下。

式中：γ(h)是h的半方差函數值；h為兩樣本點空間距離；N(h) 是間隔距離等于h的樣本點的對數；Z(xi)為空間位置點xi處指標的實測值；Z(xi+h)為空間位置點xi+h處指標的實測值。

1.4 數據處理

利用Microsoft Excel 2019 整理大理州數據。根據變異系數(coefficient of variation，CV)的大小，可將其分為弱變異(0%～10%)、中等變異(10%～100%)、強變異(＞100%) 3 類[15]。單因素方差分析(One-Way ANOVA)、相關性分析均在IBM Statistics SPSS 26.0 軟件完成。使用GS+10.1 獲取最優半方差理論模型及參數，其中塊金效應[nugget effect，C0/(C0+C)]表示系統變量的空間相關性程度，分為3 類：強空間自相關性(＜25%)；中等空間自相關性(25%～75%)；弱空間自相關性(＞75%)[16]。運用Arc GIS 10.1 中Geostatistical Analyst 模塊的普通克里金插值法進行插值并完成空間分布圖，最后運用Reclassify 工具計算每個等級的面積比例。應用隨機森林模型(random forest)分析了各環境因素對有效鋅、鉬和硼影響的相對重要性。

2 結果與分析

2.1 植煙土壤有效微量元素的時間變化特征

40 年來，隨著煙草種植年限的增加，有效鋅含量呈現上升趨勢，鉬含量呈下降趨勢，硼含量先上升后下降(表2)。3 個年份有效鋅、鉬和硼均近似服從正態分布(K-S 檢驗，P＜0.05)。1982—2022 年有效鋅年均增加速率為0.050 mg/kg，其中2012—2022年年均增加速率為0.085 mg/kg，1982 和2022 年變異系數(分別為120.8%和184.8%)均屬強變異，在空間中的分布呈不均勻。1982—2022 年有效鉬年均下降速率為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為0.012 mg/kg，2012—2022 年年均下降速率為0.005 mg/kg，1982、2012 和2022 年3 個時期變異系數分別為69.6%、86.1%和73.2%，均屬中等變異程度。

表2 1982、2012 和2022 年植煙土壤有效鋅、鉬和硼含量的描述性統計分析Table 2 Descriptive statistics of soil available Zn, Mo and B contents in tobacco-growing fields in 1982, 2012 and 2022

2.2 植煙土壤有效微量元素的空間變異

大理州煙田有效微量元素地統計學分析的特征參數見表3。1982、2012、2022 年植煙土壤有效鋅和硼的塊金效應分別為50.8%、45.5%、31.8% 和41.3%、39.4%、33.8%，均在25%～75%，屬中等空間自相關性。1982、2012 和2022 年煙田有效鉬的塊金效應分別為13.93%、8.2%和3.1%，均屬強空間自相關性。

表3 1982、2012 和2022 年植煙土壤有效鋅、鉬和硼含量的半方差函數模型及參數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 植煙土壤有效微量元素的時空演變特征

各微量元素含量都表現出較為明顯的空間分布格局(圖1)，有效鋅和硼呈現四周含量高、中部含量低的分布趨勢，鉬空間分布則表現為東南高、西北低。1982 年有效鋅Ⅳ級面積占比最高(38.3%)，主要分布在劍川、云龍以及漾濞縣，Ⅴ級面積占比最低(6.2%)，主要分布在祥云縣中部；2012 年Ⅳ、Ⅴ級面積占比分別增加至61.4%、36.1%，分布在各個縣域；2022 年Ⅴ級面積占比最高(71.4%)。1982 年有效鉬Ⅰ級面積占比最高(78.6%)，各個縣域均有分布；2012 年Ⅰ級面積占比降低為47.4%，但仍為最高，其次為Ⅱ級(22.6%)；2022 年Ⅱ級面積占比降低為19.8%，主要分布在鶴慶南部、祥云以及南澗縣。1982 年有效硼Ⅰ級面積占比最高(79.5%)，分布于各個縣域，其次為Ⅱ級(20.5%)，主要分布在云龍、祥云和彌渡縣北部；2012 年有效硼Ⅱ級占比增加為35.9%，主要分布于劍川、永平、漾濞以及賓川縣，Ⅲ級面積占比增加至53.3%；2022 年Ⅲ級面積占比降低至52.1%，但仍為最高，主要分布在劍川、巍山、彌渡北部以及祥云中南部。

圖1 1982、2012 和2022 年植煙土壤有效鋅、鉬和硼含量的空間分布Fig.1 Spatial distribution of soil available Zn, Mo and B contents in tobacco-growing fields in 1982, 2012 and 2022

2.4 植煙土壤有效微量元素含量的影響因素分析

2.4.1 地形因子 表4 顯示，3 種主要植煙土壤地形(山地、丘陵和平原)中，有效鋅均值含量達到了Ⅴ級，表現為平原有效鋅含量(5.00 mg/kg)最高，山地(3.84 mg/kg)最低。有效鉬均值含量為Ⅱ級水平，但3 種地形之間無顯著差異。平原有效硼含量(0.67 mg/kg)顯著高于山地與丘陵。丘陵地形的有效鋅和有效鉬變異系數均最低，分別為79.3%和56.6%，為中等程度變異。有效硼含量在3 種地形中均具有中等程度變異性。

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

2.4.2 土壤基礎性質 3 種有效微量元素含量均與土壤基礎理化性質和海拔關系密切(表5)。2022 年大理州植煙土壤3 種土壤質地有效鋅含量豐富，均值達到Ⅴ級，有效鉬含量均值處于Ⅱ級，有效硼含量為Ⅲ級(表6)。不同土壤質地間有效鋅和鉬含量均具有強變異性，黏土中有效鉬含量(0.13 mg/kg)最為豐富。砂土和黏土中有效硼含量較壤土中的含量低，在各土壤質地均具有中等強度的變異性。

表5 有效鋅、鉬和硼含量與土壤理化性質和海拔的相關性Table 5 Correlation of available Zn, Mo and B contents with soil physicochemical properties and altitude

表6 不同質地土壤有效鋅、鉬和硼含量 (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鋅含量均處于Ⅴ級，有效鉬和有效硼含量較低，位于Ⅱ或Ⅲ級水平。前茬作物為大蒜時土壤有效鋅含量均值顯著高于前茬作物為烤煙、豆類和大麥及前茬作物為玉米、油菜和小麥。前茬作物為豆類時土壤有效鉬平均含量(0.09 mg/kg)最低。不同前茬作物的土壤有效硼含量大小表現為大蒜＞豆類＞大麥＞油菜、烤煙＞玉米、小麥。從變異系數看，當前茬作物為烤煙時，土壤有效鋅的變異系數最大(285.7%)，屬強變異。不同前茬作物的土壤有效鉬的變異系數均屬于強變異。除前茬作物為大麥時的變異系數外，其他前茬作物的土壤有效硼的變異系數均屬于中等程度變異。為消除其他因素對3 種有效微量元素的影響，通過偏相關分析控制變量地形、海拔和質地，結果發現前茬作物對土壤有效鋅影響顯著，3 種地形上相關系數分別-0.045、-0.048、-0.047，而對有效鉬和有效硼影響較小。

表7 前茬作物對土壤有效態有效鋅、鉬和硼含量的影響Table 7 Effect of previous crops on available Zn, Mo and B contents in tobacco-growing fields

2.4.4 影響因子重要性排序 土壤pH、有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀和海拔對3 種有效微量元素含量影響顯著(圖2)。有效鋅含量的主要影響因子為有效磷和海拔，其解釋率分別為20.5%和16.8%。海拔和堿解氮對有效鉬影響較大，其解釋率分別為13.7%和12.8%。堿解氮和速效鉀對有效硼含量影響較大，其解釋率分別為17.6%和15.6%。

圖2 植煙土壤有效鋅、鉬和硼含量影響因子的重要性Fig.2 Importance of influencing factors on available Zn, Mo and B contents in tobacco-growing fields

3 討論

煙葉生長所需的微量元素主要來自土壤和施肥供給，微量元素的供給情況將直接影響烤煙的產量和品質[17]。因此平衡植煙土壤微量元素含量，制定合理施肥方案對培育優質高產的煙葉具有重要意義。本研究發現，1982—2022 年40 年間大理州煙區有效鋅含量豐富，整體呈上升趨勢，到2022 年Ⅳ、Ⅴ級以上面積占比高達99.6%。這可能是因為全國第二次土壤普查以來，有機肥的大量施用和秸稈還田政策的實施，有機物料中鋅的帶入增加了土壤有效鋅含量[18]。據大理州煙田配方施肥資料顯示，有機肥中微量元素配比為B∶Mg∶Zn=1∶1∶1。大理州1 個設區市和11 個縣域土壤有效鋅含量平均在0.76～6.73 mg/kg，其中賓川、彌渡和巍山呈顯著增加趨勢且含量較高。這些地區位于大理州中部且以平原為主，一般種植烤煙、豆類和大蒜等作物導致氮肥施用量過多，土壤氮含量充足，而氮源對土壤有效鋅有直接促進作用，增加了有效鋅含量[19]?？臻g上，土壤有效鋅的塊金效應均在25%～75%，屬中等空間自相關性，總體呈現四周含量高、中部含量低的空間分布格局。土壤有效磷和海拔高度是影響有效鋅含量的主要因素。土壤中磷與鋅表現為協同效應，鋅離子可與磷酸根發生絡合反應，形成復雜的過渡態絡合物，降低了土壤對鋅離子的吸附作用從而提高了土壤中鋅的有效性[20]。海拔高度與煙田有效鋅含量呈正相關，隨海拔升高，植煙土壤有效鋅含量呈上升趨勢，可能由于中低海拔煙區土壤復種指數高，烤煙從土壤中攝取的鋅量較多導致有效鋅含量較低，與李強等[21]在云南曲靖的研究結果相似。不同前茬作物對鋅肥的需求量不同，煙田施用大量有機肥和含鋅肥料，增加鋅的投入量而導致有效鋅含量較高，因而在精準施肥時要考慮前茬作物的影響。目前土壤有效鋅含量均值(4.35 mg/kg)處于Ⅴ級，因此煙區土壤需通過控制有機肥、含鋅肥料以及調節土壤酸堿度等措施來降低鋅含量，以節約成本和防止烤煙鋅毒害現象的發生。

土壤的供鉬能力受有效鉬含量影響[22]，對提高烤煙產量和品質有顯著作用。1982—2022 年大理州煙區土壤有效鉬含量呈下降趨勢，年均下降速率為0.002 mg/kg。大理州煙田多為酸性土壤，酸性土壤導致土壤鉬的有效性降低[23]。并且煙田施用的大多為酸性肥料，長期使用會使土壤酸化加重，代換態鉬被黏土礦物吸附作用增強，導致有效鉬含量下降。大理州各縣市植煙土壤缺鉬現象嚴重，空間上總體呈現東南高、西北低的分布格局。1982—2022 年Ⅰ、Ⅱ級面積占比增加至83.5%，而1982、2012 和2022 年3 個時期Ⅳ、Ⅴ級面積總占比分別為6.7%、17.5%和9.3%，均主要分布在祥云縣(大理州東南部)，可能由于祥云土壤質地以黏土為主，保水保肥力強，有效鉬不易淋失而含量較高[24]。1982、2012和2022 年3 個時期煙田有效鉬的塊金效應均＜25%，表明土壤有效鉬含量具有強空間自相關性，與武德傳等[23]研究黔南植煙土壤有效鉬具有強烈空間相關性的結論基本一致。海拔和堿解氮對有效鉬含量的影響貢獻度較大且呈負相關關系，與張毅等[25]研究的西昌市耕地土壤有效鉬含量隨海拔高度的增加而下降的結果一致。高海拔區域的土壤類型以沙壤為主，沙壤土屬于砂質土壤，顆粒較大、孔隙度高，水分保持能力較差，導致沙壤土中的有效鉬容易被沖刷或流失，含量較低。此外，鉬元素是硝酸還原酶的組成部分，在土壤中大多以鉬酸根離子的形式存在，進入植株體內可通過形成鐵鉬蛋白分子參與生物固氮，土壤中堿解氮含量增加導致植物體內可吸收利用的氮增加，提高了植物對鉬的吸收，土壤中殘留的有效鉬含量降低[26]。鑒于目前土壤有效鉬處于Ⅱ級水平(0.11 mg/kg)，煙區應適當補充鉬肥，添加生物炭、石灰等堿性改良劑或施用腐殖酸等有機肥來改善土壤鉬營養，以維持煙株正常生長。

烤煙的生長發育與土壤有效硼含量的豐缺密不可分[27]。1982、2012 和2022 年大理州植煙土壤有效硼均值分別為0.26、0.63 和0.58 mg/kg，呈先上升后下降趨勢。早期30 年(1982—2012)有效硼的年均增加速率為0.012 mg/kg，由Ⅱ級增加為Ⅲ級水平，適宜煙葉生長的面積占比由0%增加為53.3%，這可能是根據全國第二次土壤普查結果，大理州煙區大力推廣商品有機肥長期定位施用和秸稈還田[28]，促進土壤有效硼含量大幅度增加，與田鵬等[29]早期研究2000—2015 年湘西煙區的結果基本一致。近10 年(2012—2022)有效硼的年均下降速率為0.005 mg/kg，但2022 年含量均值(0.58 mg/kg)仍適宜煙葉生長，且主要分布在劍川、巍山、彌渡北部以及祥云縣中南部。大理州長期使用酸性肥料使植煙土壤酸化加重，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]，導致土壤有效硼含量降低?？臻g上整體呈現四周高、中部低的趨勢，漾濞、云龍東南部等中部區域有效硼含量較低。一方面可能由于這些區域大部分為黏土，質地較細的土壤對硼的吸附能力大，導致土壤中有效硼含量較低。姚旺等[31]研究發現，黏土的有效硼含量低于壤土和黏壤土。另一方面，地形條件也是導致這些區域有效硼含量低的原因，山地容易造成水土流失導致土壤有效硼淋失。此外，堿解氮和速效鉀對有效硼影響較大。當土壤中堿解氮和速效鉀與硼共存時，兩種離子間表現為拮抗作用，因此較高含量的土壤堿解氮和速效鉀會抑制烤煙對硼的吸收，導致煙田有效硼含量增加[32]。此外，不同前茬作物對有機肥需求量不同，有機肥料投入量較多增加了氮磷鉀及微量元素的帶入量，同時有機物料的分解產物又能與土壤中的硼結合，提高了土壤中有效態硼的含量[33]。盡管不同前茬作物對有效硼的影響表現出一定的差異，但通過控制其他影響因素發現，前茬作物對有效硼的影響較小，可能主要由于其他因素所導致，如自然因素(海拔、地形、土壤等) 及其交互作用。目前大理州植煙土壤有效硼適合煙草生長，但有部分地區(45.6%)含量仍然偏低，應繼續保持硼素投入量，而劍川縣東部區域(2.4%)含量偏高，應適當減少硼肥用量，防止硼害現象的發生。

4 結論

1982—2022 年大理州植煙土壤有效鋅、鉬和硼含量均值分別呈上升、下降和先升后降趨勢。有效鉬表現為強空間自相關性，而鋅和硼呈中等空間自相關性?？臻g分布上土壤有效鋅和硼表現為四周高，中部低，有效鉬則呈現東南高、西北低的分布格局。土壤基礎理化性質和海拔對3 種有效微量元素的空間分布影響較強，而土壤質地、地形和前茬作物的影響相對較弱。目前大理州煙田土壤有效鋅、鉬和硼含量分別處于Ⅴ、Ⅱ、Ⅲ級水平，因此應減少鋅肥投入，適量增施鉬肥，維持硼肥施入，當前茬作物為糧食和油菜時，應注意施鋅、施硼，為豆科作物時，注意施鉬。