田 鵬，閆晨兵，田明慧，，向德明，田 峰，張黎明，，周米良，李 強(qiáng)*

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省煙草公司湘西州公司，湖南 吉首 416000）

在烤煙生長發(fā)育和品質(zhì)形成的過程中，硼是必需的微量元素之一，具有重要的生理作用［1-2］，不但影響干物質(zhì)形成和產(chǎn)量，而且對烤后煙葉可用性具有重要的影響［3］。硼參與細(xì)胞伸長、細(xì)胞分裂、核酸代謝、蛋白質(zhì)代謝和碳水化合物代謝，影響生長素代謝和細(xì)胞分裂素合成和生物堿合成，影響木質(zhì)素和細(xì)胞壁的形成，維持細(xì)胞膜的正常功能；缺硼會導(dǎo)致煙草葉片卷曲、增厚發(fā)脆，莖干輸導(dǎo)組織發(fā)育不良，節(jié)間縮短，頂芽壞死［4］。在我國南方煙區(qū)，土壤缺硼比較普遍，主要是由于南方煙區(qū)降水量較大，在酸性條件下，硼以中性分子態(tài)H3BO3存在，很容易從土壤中隨水分淋失［4］。如許自成等［5］研究發(fā)現(xiàn)湖南煙區(qū)有93.40%的植煙土壤缺乏有效硼，李強(qiáng)等［6］對曲靖煙區(qū)，穆童等［7］對羅平煙區(qū)，張薇等［8］對重慶煙區(qū)的研究表明，我國南方煙區(qū)土壤普遍存在不同程度的有效硼缺乏問題。以上研究也為煙區(qū)施用硼肥提供了科學(xué)依據(jù)，多個煙區(qū)開展了硼肥施用試驗，并在基肥中摻配了硼肥［8-11］。

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，湘西州自2001年起便開始在基肥配方中摻混硼肥，有關(guān)湘西植煙土壤有效硼含量的豐缺評價已有報道［12］，但有關(guān)煙區(qū)植煙土壤連續(xù)施用硼肥后，有效硼含量的時間和空間變異的研究未見報道。開展煙區(qū)植煙土壤有效硼的時空變異研究，對于細(xì)化烤煙硼素管理有重要的指導(dǎo)意義。鑒于此，筆者利用湘西2000年和2015年兩個年份的植煙土壤有效硼數(shù)據(jù)開展研究，揭示15年間湘西植煙土壤有效硼的時空變異特征，以為湘西煙區(qū)硼元素管理決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域自然概況

湘西是湖南主產(chǎn)煙區(qū)之一，位于東經(jīng)109°10′～110°22.5′， 北 緯 27°44.5′～ 29°38′之 間， 全 州 東西寬約170 km，南北長約240 km，總面積15 462 km2。地勢西北高，東南低，平均海拔為672 m。湘西多石灰?guī)r分布，巖石層較為疏松；西北石英砂巖密布，因地殼作用形成小片峰。東西部因為地處河流沖積地區(qū)，地勢較為平緩，且土壤肥沃，適于耕種。總體地形多山脈和平原，海拔整體偏高，日照較為充足。湘西受季風(fēng)影響明顯，夏季受夏季風(fēng)控制，溫度較高，降水充沛，適宜煙草生長，冬季受北方季風(fēng)控制，低溫干燥。年平均氣溫為16.5～17.5℃，平均降水1 290～1 600 mm，日照時數(shù)平均在1 406～1 219 h。海拔起伏較大，土壤類型豐富。

1.2 樣品采集和分析

使用GPS定位技術(shù)，在湘西煙區(qū)分別于2000年和2015年進(jìn)行了土壤取樣，采取五點取樣法或“W”形取樣法，取耕層土壤0～20 cm的土樣，2000年采集了446個耕層土樣，2015年采集了1 242個耕層土樣，取樣點主要根據(jù)湘西烤煙種植布局確定，同時兼顧海拔、成土母質(zhì)、地形地貌等因素。每個田塊5～10個點取樣，混勻后采用四分法取大概500 g土樣帶回實驗室經(jīng)風(fēng)干、研磨后過篩制成待測樣品，進(jìn)行土壤有效硼含量和有機(jī)質(zhì)測定，具體測定方法參照魯如坤［13］的方法。

圖1 土壤取樣點分布圖

1.3 土壤有效硼評價標(biāo)準(zhǔn)

參照黎娟等［12］的研究結(jié)果，制定了湘西煙區(qū)有效硼含量的豐缺評價標(biāo)準(zhǔn)，具體分為以下5個等級：極低（＜0.15 mg/kg）、低（0.15～0.30 mg/kg）、適宜（0.30～0.60 mg/kg）、高（0.60～1.00 mg/kg）、極高（＞1.00 mg/kg）

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0進(jìn)行描述性統(tǒng)計和K-S檢驗（Kolmogorov-Smirnov test）［14］。輪作方式、土地利用方式、土壤母質(zhì)和地形為多分類變量，進(jìn)行回歸分析時采用啞變量為其賦值［14］。實驗半方差函數(shù)模型的計算和理論模型擬合采用GS+9.0軟件完成［15］，克里格插值（Kriging）、繪圖及面積統(tǒng)計均在 ArcGIS 10.2.2 軟件實現(xiàn)［16-17］。

2 結(jié)果與分析

2.1 植煙土壤有效硼基本統(tǒng)計特征年代變化

15年來，湘西植煙土壤微量元素變化較大，2015年土壤有效硼均值較2000年上升了0.43 mg/kg，增幅達(dá)204.76%，從“低”水平變?yōu)椤案摺彼?，最小值、最大值、變異系?shù)、極差均變大。K-S檢驗結(jié)果表明，2個年份的土壤有效硼服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布。土壤有效硼含量在大幅增加的同時，其變異也在變大。

表1 不同時期湘西植煙土壤有效硼含量狀況

進(jìn)一步對湘西植煙土壤有效硼的等級分布情況進(jìn)行了分析（表2），與2000年相比，2015年土壤有效硼“極低”和“低”等級的樣品比例分別下降了16.39和64.16個百分點。相應(yīng)的，土壤有效硼“適宜”、“高”和“極高”等級的樣品比例分別增加了38.43、30.43和11.67個百分點，表明煙區(qū)土壤有效硼偏高的土壤樣品比例增加明顯。

2.2 植煙土壤有效硼時空變異特征

分別采用高斯模型、指數(shù)模型、環(huán)狀模型和球狀模型對2個年份植煙土壤有效硼含量進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)2000年和2015年植煙土壤有效硼最佳函數(shù)模型為球狀模型和指數(shù)模型（表3），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硼的空間結(jié)構(gòu)特征。2000年土壤有效硼的塊金效應(yīng)數(shù)值＜25%，2015年的土壤有效硼的塊金效應(yīng)在25%～75%之間，說明2000年土壤有效硼的空間變異主要由結(jié)構(gòu)因素決定，2015年的土壤有效硼的空間變異由隨機(jī)因素和結(jié)構(gòu)因素共同決定。土壤有效硼塊金效應(yīng)數(shù)值的增大，反映出隨機(jī)性因素對土壤有效硼的作用變大，表明植煙土壤有效硼的空間結(jié)構(gòu)性減弱，隨機(jī)變異性增強(qiáng)。

表2 不同時期湘西州土壤樣品有效硼等級分布變化

表3 土壤有效硼半方差函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)比較

2.3 土壤有效硼時空分布變化

采用普通克里格插值法獲取2000年和2015年湘西植煙土壤有效硼含量空間分布圖（圖2），并利用ArcGIS軟件統(tǒng)計不同等級的面積。兩個時期土壤有效硼含量空間分布規(guī)律均不明顯，2015年湘西植煙土壤有效硼分級面積與2000年相比發(fā)生較大變化（圖2和表4）。

2000年土壤有效硼含量總體較低，“極低”和“低”等級的植煙土壤面積分別為1.64%和93.27%，“適宜”等級的面積比例僅為5.09%。2015年植煙土壤有效硼含量較2000年有大幅增加的趨勢，新增了2000年未出現(xiàn)的“高”和“極高”等級，所占比例分別為18.39%和1.17%，“適宜”等級面積比例增至78.36%，“低”等級面積所占比例大幅下降至2.08%。

圖2 湘西植煙土壤有效硼含量時空分布

表4 不同時期土壤有效硼各等級面積統(tǒng)計及變化

2.4 土壤有效硼的影響因素

2.4.1 海拔

相關(guān)分析結(jié)果表明，土壤有效硼的含量隨著海拔的升高而顯著提升（n=1 242，r=0.320，P=0.000）。采用決策樹模型的分析結(jié)果表明（圖3），海拔高度對土壤有效硼含量影響的拐點為520.2、791.0和839.7 m，3個拐點將海拔高度劃成4個分組：≤520.2 m、520.2～791.0 m、791.0～839.7 m和＞839.7 m，4個海拔分組下土壤有效硼含量分別為0.517、0.588、0.755和1.001 mg/kg，土壤有效硼含量在不同海拔分組間差異極顯著。

圖3 海拔高度對土壤有效硼含量影響的決策樹分析

2.4.2 地形地貌和成土母質(zhì)

湘西煙區(qū)的地形地貌主要有山地、低山和丘陵，土壤有效硼含量在3種地形間存在極顯著差異（表5），其中山地為“高”等級，丘陵和低山為“適宜”等級。從變異程度來看，3種地形植煙土壤的有效硼均為中等程度變異。湘西植煙土壤主要成土母質(zhì)為坡積物、殘積物、沖積物和洪積物，有效硼含量在4種成土母質(zhì)間存在極顯著差異（表6），由高到低依次為坡積物、洪積物、殘積物和沖積物，其中坡積物為“高”等級，其他土壤母質(zhì)為“適宜”等級。從變異程度來看，4種土壤母質(zhì)均表現(xiàn)為中等程度變異。

表5 湘西不同地形土壤有效硼含量

表6 湘西不同成土母質(zhì)土壤有效硼含量

2.4.3 土地利用類型和輪作制度

湘西植煙土壤的利用類型主要是旱地和水田，旱地和水田植煙土壤有效硼含量分別為3.64和2.64 mg/kg，2種土地利用類型土壤有效硼含量差異極顯著（表7）。湘西煙草輪作模式主要有煙-空閑-煙、煙-玉米-煙、煙-綠肥-煙、煙-油菜-煙和煙-稻-煙，不同輪作模式土壤有效硼含量差異顯著或極顯著。其中以煙-空閑-煙種植模式下的土壤有效硼含量最高，屬于“高”等級，顯著或極顯著高于其他輪作模式，煙-綠肥-煙、煙-油菜-煙和煙-稻-煙3種模式為“適宜”等級（表8）。

表7 湘西不同土地利用類型土壤有效硼含量

表8 湘西不同輪作模式土壤有效硼含量

2.4.4 有機(jī)質(zhì)

湘西植煙土壤有效硼含量與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（n=1 242，r=0.201，P=0.000）。決策樹模型分析的結(jié)果表明（圖4），土壤有機(jī)質(zhì)含量對有效硼影響的拐點為16.50、19.94和27.00 g/kg，該拐點將有機(jī)質(zhì)劃成4個分組：≤16.5 g/kg、16.5～ 19.94 g/kg、19.94 ～ 27.00 g/kg和＞27.00 g/kg，4組土壤有效硼含量分別為0.389、0.537、0.623和0.724 mg/kg，土壤有效硼含量在這4個分組間差異極顯著，隨有機(jī)質(zhì)增加土壤有效硼含量呈現(xiàn)大幅升高的趨勢。

圖4 有機(jī)質(zhì)對土壤有效硼含量影響的決策樹分析

2.4.5 各因素對土壤有效硼影響的大小

以上分析可以定性分析各因素對土壤有效硼影響的差異性，但不能定量比較各因素對有效硼影響的大小。采用回歸分析的方法，比較各因素與有效硼回歸方程的校正決定系數(shù)，從而確定各因素對土壤有效硼含量變異影響的大小（表9）。各因素中，以海拔高度對土壤有效硼含量變異的獨立解釋能力最大，能解釋其變異的10.2%，其次是土壤有機(jī)質(zhì)，能解釋其變異的4.0%，其他對土壤有效硼含量獨立解釋能力在2.0%以上的還有土地利用方式、輪作方式、地形和土壤母質(zhì)因素，分別能解釋有效硼含量變異的3.4%、3.3%、3.3%和2.4%，其他因素對土壤有效硼含量獨立解釋能力較小（數(shù)據(jù)未列出），均在2.0%以下，和前文的分析結(jié)果基本一致。所入選的6項因素對土壤有效硼含量變異的解釋能力總和為26.5%。

表9 土壤有效硼含量與部分影響因素的回歸分析

3 討論

湘西植煙土壤有效硼平均含量由2000年的0.21 mg/kg增加到2015年的0.64 mg/kg，平均增加了0.43 mg/kg，增幅達(dá)204.76%，整體水平從“低”水平變?yōu)椤案摺彼?；從不同等級的面積變化來看，土壤有效硼“極低”和“低”等級的樣品比例分別下降了16.39和64.16個百分點，而“適宜”、“高”和“極高”等級的樣品比例分別增加了38.43、30.43和11.67個百分點，表明煙區(qū)土壤有效硼偏高的土壤樣品比例增加明顯。2000年的豐缺狀況，與許自成等［5］和黎娟等［12］早年研究的結(jié)果基本一致，但值得關(guān)注是截止2015年，湘西龍山縣及永順縣部分地區(qū)土壤已經(jīng)出現(xiàn)有效硼“極高”等級，如果不采取措施，按照目前有效硼的增速，未來湘西土壤將可能面臨有效硼含量過多，甚至導(dǎo)致煙株產(chǎn)生硼毒害等現(xiàn)象，需要引起重視。

海拔、地形地貌、成土母質(zhì)、土地利用類型、輪作制度及土壤有機(jī)質(zhì)等均對土壤有效硼含量有顯著影響。本研究中海拔高度對植煙土壤有效硼影響顯著，有3個重要拐點，當(dāng)海拔上升至520.2、791.0和839.7 m時，植煙土壤有效硼含量變化較大，有效硼含量隨著海拔的上升而顯著提高。不同地形地貌的土壤中有效硼含量之間差異較大，可能是由于不同地形土壤有效硼的涵養(yǎng)和流失能力不同。不同的成土母質(zhì)的土壤有效硼的差異極顯著，可能與不同母質(zhì)的硼素背景值以及成土過程有關(guān)。旱地植煙土壤的有效硼含量極顯著高于水旱輪作植煙土壤，主要原因可能與水田硼素易隨水流失有關(guān)。土壤有效硼含量呈現(xiàn)隨有機(jī)質(zhì)增加大幅升高的趨勢，可能與有機(jī)質(zhì)對有效硼的吸持，以及有機(jī)質(zhì)通過微生物提高土壤中硼的有效性有關(guān)［18］。以上6項指標(biāo)對土壤有效硼含量變異的累計解釋能力僅為26.5%，尚有73.5%的土壤有效硼含量變異未能得到解釋，說明了土壤有效硼的影響因素的復(fù)雜性，還需要結(jié)合氣候、土壤類型、農(nóng)藝措施等因素進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

綜上，針對2000年植煙土壤有效硼極度缺乏的狀況，湘西煙區(qū)大力推廣硼肥施用，經(jīng)過15年來硼肥的持續(xù)施用，湘西煙植土壤有效硼大幅增加，目前比較適合煙草生長，但部分地區(qū)有效硼等級達(dá)到“極高”標(biāo)準(zhǔn)。因此應(yīng)針對不同區(qū)域采取硼肥差異化管理方案，針對有效硼缺乏的區(qū)域，應(yīng)繼續(xù)保持當(dāng)前硼素投入量，而針對有效硼“高”和“極高”的區(qū)域應(yīng)適當(dāng)減少硼肥用量，以節(jié)約成本和防止發(fā)生硼素毒害的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

15年來，湘西植煙土壤有效硼平均增加了0.43 mg/kg，增幅達(dá)204.76%，從“低”水平變?yōu)椤案摺彼剑?015年土壤有效硼“極低”和“低”等級的樣品比例分別下降了16.39和64.16個百分點，而“適宜”、“高”和“極高”等級的樣品比例分別增加了38.43、30.43和11.67個百分點。有效硼增加的同時，其變異也在變大，2000年土壤有效硼的空間變異主要由結(jié)構(gòu)因素決定，2015年的土壤有效硼的空間變異由隨機(jī)因素和結(jié)構(gòu)因素共同決定。海拔、地形地貌、成土母質(zhì)、土地利用類型、輪作制度及土壤有機(jī)質(zhì)等均對土壤有效硼含量有顯著影響。