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摘 要：为了探明湘西烟区植烟土壤交换性钙的时空变化，为植烟土壤钙素投入提供参考，分别于2000年和2015年在湘西烟区采集土壤样品并测定交换性钙，采用经典统计学和地统计学的方法分析了土壤交换性钙的基本统计特征和时空分布变化。结果表明：从基本统计特征来看，15年间湘西植烟土壤交换性钙均值由8.06cmol/kg上升至10.33cmol/kg，同时其变异程度也在增大。从时空变异来看，15年来，植烟土壤交换性钙“低”和“极低”等级的面积增加5.81%、0.68%，“高”和“极高”等级的面积增加21.03%、2.20%，而“适宜”等级的面积下降29.72%。总体而言，15年间，湘西植烟土壤交换性钙大幅增加，并呈现出两极分化的趋势。
关键词：湘西;植烟土壤;交换性钙;时空变异
中图分类号 S572 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2019）19-0072-03
Spatial-temporal Variability of Exchangeable Ca in Tobacco-growing Soils in Xiangxi
Tian Yongmei1 et al.
Abstract：Soil samples were collected from tobacco growing areas in Western Hunan in 2000 and 2015，and exchangeable Ca was determined. The basic statistical characteristics and spatial and temporal distribution of exchangeable Ca in soils were analyzed by classical statistics and geostatistics. The results showed that the average exchangeable Ca of tobacco-growing soils in Xiangxi increased from 8.06cmol/kg to 10.33cmol/kg in 15 years，and the variation degree was also increasing. In terms of temporal and spatial variability，the area of exchangeable Ca in tobacco-growing soils increased by 5.81% and 0.68% in the "low" and "polar" grades，21.03% and 2.20% in the "high" and "extremely high" grades，while the area of "suitable" grades decreased by 29.72%. Overall，exchangeable Ca in tobacco-growing soils in Western Hunan showed an increasing trend and polarization trend.
Key words：Xiangxi;Tobacco planting soil;Exchangeable Ca;Spatio-temporal variability
钙是植物生长的必需营养元素之一，是植物细胞膜的组成成分，在维持细胞膜的完整性和渗透性方面起着重要作用。此外，钙参与了植物染色体的形成，缺钙时，染色体不能正常发育，从而影响了细胞的正常分裂;钙还参与了植物细胞的伸展过程，缺钙时植物细胞的伸展受阻，从而导致根系及其他组织停止生长。另外，钙也是一些酶的激活剂，包括α-淀粉酶、磷脂酶、ATP酶、脂肪水解酶和卵磷脂水解酶等[1]。因此，钙元素缺乏无疑会造成烟草产量和品质的降低，然而过量的钙也会影响烟叶的成熟落黄，还可能介由拮抗作用造成钾和镁缺乏，从而对烟草品质造成不良的影响[1]。
烟株吸收的钙主要来自于土壤，土壤有效态钙元素的含量直接影响着烟株的钙吸收[2-4]。目前，有关植烟土壤有效态钙含量的研究已有了較多的报道[5-7]，但经长期种植烤烟后，土壤交换性钙时空变化如何，相关研究则鲜有报道。为此，本研究拟依据湖南湘西烟区2000年和2015年2个年份植烟土壤交换性钙含量数据，探讨15年间湘西植烟土壤交换性钙的时空变异特征，旨在为湘西烟区钙素营养管理提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 区域自然概况 湘西土家族苗族自治州是湖南省烤烟主产区之一，总面积15462km2，其种烟历史可追溯到20世纪70年代，年均种植烤烟面积10000hm2，生产烤烟2.25×104T，烟叶质量上乘，受到了多家工业企业的青睐。地势呈西北高、东南低，平均高程在200～800m。地形地貌以山地为主，并有部分丘陵和小平原。湘西州属亚热带季风湿润气候，具有明显的大陆性气候特征，夏季炎热湿润，冬季寒冷干燥，年平均气温在16.5～17.5℃，年均降雨量在1290～1600mm，年平均日照时数1200h以上。当地土壤类型丰富，主要有红壤、黄壤、黄棕壤、水稻土、紫色土、石灰土及潮土等。
1.2 样品采集和分析 分别于2000年和2015年在湘西烟区基本烟田采集耕作层土壤（0～20cm），其中2000年取样密度为每20～33.33hm2取样1个样，2015年为每6.67～13.33hm2取1个土样。采集时间为2000年和2015年11—12月土壤冬翻前。选取667m2以上的田块进行取样，用手持式GPS定位，记录田块中心的经纬度和海拔，根据采样田块的形状，采取“X”形取样法或“W”形取样法，取样田块确保采集5个点以上，四分法取大约500g土样。然后带回实验室风干、过筛制成待测样品，进行土壤交换性钙含量测定[8]。2000年土壤样品数为446个，2015年样品数为1242个。 1.3 评价标准 参照前人研究结果[1-4]，制定湘西植烟土壤交换性钙的评价标准如下：极低（<3cmol/kg）、低（3～6cmol/kg）、适宜（6～10cmol/kg）、高（10～18cmol/kg）、极高（>18cmol/kg）。
1.4 数据分析 采用Excel和SPSS 17.0进行描述性统计[9]。克里格插值（Kriging）、空间分布图绘制及各等级面积统计均在ArcGIS 10.2.2软件的统计模块中完成[10]。
2 结果与分析
2.1 植烟土壤交换性钙的基本统计特征 湘西植烟土壤交换性钙含量的统计结果见表1。由表1可知，植烟土壤交换性钙含量的均值为10.33cmol/kg，处于高水平，变幅在0.25～37.21cmol/kg，变异系数为74.32%，属中等变异，全州植烟土壤交换性钙经检验基本符合正态分布。湘西植烟土壤交换性钙含量适宜的样本占30.52%，含量偏低的占31.64%，含量偏高的占37.84%。从各植烟县情况来看，7个植烟县的土壤交换性钙含量均为中等程度变异，交换性钙均值在6.99～12.71cmol/kg，其中最高的是永顺县，最低的是古丈县，不同县域植烟土壤交换性钙含量的差异具有统计学意义。各县植烟土壤交换性钙含量值的适宜样本比例差异较大，适宜比例最高的是凤凰县，最低的是永顺县。
2.2 植烟土壤交换性钙的年代变化 不同时期湘西州植烟土壤交换性钙状况见表2。由表2可知，2000—2015年间土壤交换性钙略有增加，均值增加2.27cmol/kg，增幅为28.16%，从“适宜”等级变为“高”等级，交换性钙的变异系数提高30.56%，极小值下降0.95cmol/kg，而极大值上升13.13cmol/kg。极差由2000年的22.88cmol/kg上升至2015年的36.96cmol/kg，增加14.08cmol/kg。表明土壤交换性钙均值虽变化较小，但其变异却有所增大。土壤交换性钙的等级频率分布情况见表3，由表3可知，2015年土壤交换性钙在“适宜”和“低”等级分布频率分别比2000年减少13.60、6.96个百分点，而“高”和“极高”等级的土壤样品比例增加1.38、11.52个百分点，值得注意的是，“极低”的样品比例亦增加7.66个百分点。由此可见，土壤交换性钙含量呈现两极分化的趋势，变异在加大。
2.3 土壤交换性钙的时空分布变化 采用普通克里格插值法获取2000年和2015年湘西植烟土壤交换性钙含量的空间分布（图1），并利用ArcGIS软件自带的Arctool box模块对土壤交换性钙含量空间分布图进行了面积统计，其结果见表4。由表4可知，2015年土壤交换性钙在不同等级的分布面积较2000年有了大幅变化，2000年土壤交换性钙含量面积分布以“适宜”和“高”为主，分别占73.11%、24.35%;交换性钙含量“低”等级的植烟土壤面积仅占2.53%。2015年植烟土壤交换性钙分布较2000年有了较大的变化，土壤交换性钙“极高”等级始有分布，面积占2.20%，“高”等级分布面积增加21.04%，“适宜”等级面积下降29.72%，而“低”等级和“极低”的面积分别增加5.81%、0.68%。综上，2015年土壤交换性钙含量“低”和“极低”等级，以及“高”和“极高”等级的面积均有不同幅度的增加。这表明15年间湘西植烟土壤交换性钙含量呈增加的趋势，并呈现出两极分化的趋势。
3 小结与讨论
2015年湘西植烟土壤交换性钙均值较2000年上升2.27cmol/kg，增幅度达28.16%;从“适宜”等级变为“高”等级，其变异程度也在增强。从目前湘西各植烟县土壤交换性钙均值来看，最高的永顺县，最低的是古丈县，古丈县、花垣县、龙山县均处于“适宜”水平，而其他各植烟县均处于“高”水平，高于其他南方山地烟区土壤交换性钙含量[11-13]，但却低于北方烟区[14]，这可能与成土母质的差异有关。从时间和空间分布的变化来看，2015年植烟土壤交换性钙分布较2000年有了较大的变化，“低”和“极低”等级面积分别增加5.81%、0.68%，“高”和“极高”等级面积分别增加21.03%、2.20%，而“适宜”等级的面积下降29.72%。目前，交换性钙“低”和“极低”的面积主要分布在古丈县，在其他县仅有零星分布。综上所述，15年间湘西植烟土壤交换性钙含量呈增加的趋势，这与湘西烟区持续施用生石灰改良酸性土壤的技术措施有关[15];值得关注的是湘西植烟土壤交换性钙含量的变化呈现两极分化的趋势，这可能与不同植烟县的钙元素的投入差异有关。因此，建议今后加强土壤交换性钙的动态监测，对不同区域采取差异化的管理措施。
参考文献
[1]胡国松，郑伟，王震东，等.烤烟营养原理[M].北京：科学出版社，2000.
[2]刘坤，周冀衡，李强，等.植烟土壤交换性钙镁含量及对烟叶钙镁含量的影响[J].西南农业学报，2017，30（9）：2065-2070.
[3]肖艳霞.曲靖烟区土壤：烤烟钙含量状况及对烟叶品质的影响[D].郑州：河南农业大学，2012.
[4]许自成，黎妍妍，肖汉乾，等.湖南烟区土壤交换性钙、镁含量及对烤烟品质的影响[J].生态学报，2007（11）：4425-4433.
[5]王冰，冯浪，李启权，等.盐源县植烟土壤交换性钙镁空间变异特征及其影响因素[J].烟草科技，2017，50（10）：8-15.
[6]毛辉，吴志科，卿湘涛，等.湖南龙山县植烟土壤交换性钙镁的空间分布及影响因素[J].湖南农业大学学报（自然科学版），2017，43（1）：19-25.
[7]李卫，解燕，周冀衡，等.不同海拔高度植烟土壤有效钙镁的分布状况：以云南曲靖烟区为例[J].土壤，2010，42（6）：946-951.
[8]鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业科技出版社，2000.
[9]郝黎仁，攀元，郝哲欧.SPSS实用统计分析[M].北京：中国水利水电出版社，2002：110-135.
[10]吴秀芹，张洪岩，李瑞改，等.ArcGIS9地理信息系统应用与实践（下册）[M].北京：清华大学出版社，2007：463-517.
[11]宋文靜，孟霖，王程栋，等.贵州中部山区植烟土壤交换性钙镁含量分布特征[J].江苏农业科学，2015，43（3）：334-337.
[12]胡建新，袁家富，彭成林，等.攀枝花烟区土壤交换性钙、镁含量评价[J].现代农业科技，2011（6）：274-275.
[13]秦松，闫献芳，冯勇刚，等.贵州植烟土壤交换性钙镁特征研究[J].土壤通报，2005（1）：143-144.
[14]李斌，梁洪波，王浩浩，等.山东烟田土壤交换性钙镁特征研究[J].中国烟草学报，2013，19（2）：61-66.
[15]孟赐福，傅庆林，水建国，等.浙江中部红壤施用石灰对土壤交换性钙、镁及土壤酸度的影响[J].植物营养与肥料学报，1999（2）：34-41. （责编：张宏民）
关键词：湘西;植烟土壤;交换性钙;时空变异
中图分类号 S572 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2019）19-0072-03
Spatial-temporal Variability of Exchangeable Ca in Tobacco-growing Soils in Xiangxi
Tian Yongmei1 et al.
Abstract：Soil samples were collected from tobacco growing areas in Western Hunan in 2000 and 2015，and exchangeable Ca was determined. The basic statistical characteristics and spatial and temporal distribution of exchangeable Ca in soils were analyzed by classical statistics and geostatistics. The results showed that the average exchangeable Ca of tobacco-growing soils in Xiangxi increased from 8.06cmol/kg to 10.33cmol/kg in 15 years，and the variation degree was also increasing. In terms of temporal and spatial variability，the area of exchangeable Ca in tobacco-growing soils increased by 5.81% and 0.68% in the "low" and "polar" grades，21.03% and 2.20% in the "high" and "extremely high" grades，while the area of "suitable" grades decreased by 29.72%. Overall，exchangeable Ca in tobacco-growing soils in Western Hunan showed an increasing trend and polarization trend.
Key words：Xiangxi;Tobacco planting soil;Exchangeable Ca;Spatio-temporal variability
钙是植物生长的必需营养元素之一，是植物细胞膜的组成成分，在维持细胞膜的完整性和渗透性方面起着重要作用。此外，钙参与了植物染色体的形成，缺钙时，染色体不能正常发育，从而影响了细胞的正常分裂;钙还参与了植物细胞的伸展过程，缺钙时植物细胞的伸展受阻，从而导致根系及其他组织停止生长。另外，钙也是一些酶的激活剂，包括α-淀粉酶、磷脂酶、ATP酶、脂肪水解酶和卵磷脂水解酶等[1]。因此，钙元素缺乏无疑会造成烟草产量和品质的降低，然而过量的钙也会影响烟叶的成熟落黄，还可能介由拮抗作用造成钾和镁缺乏，从而对烟草品质造成不良的影响[1]。
烟株吸收的钙主要来自于土壤，土壤有效态钙元素的含量直接影响着烟株的钙吸收[2-4]。目前，有关植烟土壤有效态钙含量的研究已有了較多的报道[5-7]，但经长期种植烤烟后，土壤交换性钙时空变化如何，相关研究则鲜有报道。为此，本研究拟依据湖南湘西烟区2000年和2015年2个年份植烟土壤交换性钙含量数据，探讨15年间湘西植烟土壤交换性钙的时空变异特征，旨在为湘西烟区钙素营养管理提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 区域自然概况 湘西土家族苗族自治州是湖南省烤烟主产区之一，总面积15462km2，其种烟历史可追溯到20世纪70年代，年均种植烤烟面积10000hm2，生产烤烟2.25×104T，烟叶质量上乘，受到了多家工业企业的青睐。地势呈西北高、东南低，平均高程在200～800m。地形地貌以山地为主，并有部分丘陵和小平原。湘西州属亚热带季风湿润气候，具有明显的大陆性气候特征，夏季炎热湿润，冬季寒冷干燥，年平均气温在16.5～17.5℃，年均降雨量在1290～1600mm，年平均日照时数1200h以上。当地土壤类型丰富，主要有红壤、黄壤、黄棕壤、水稻土、紫色土、石灰土及潮土等。
1.2 样品采集和分析 分别于2000年和2015年在湘西烟区基本烟田采集耕作层土壤（0～20cm），其中2000年取样密度为每20～33.33hm2取样1个样，2015年为每6.67～13.33hm2取1个土样。采集时间为2000年和2015年11—12月土壤冬翻前。选取667m2以上的田块进行取样，用手持式GPS定位，记录田块中心的经纬度和海拔，根据采样田块的形状，采取“X”形取样法或“W”形取样法，取样田块确保采集5个点以上，四分法取大约500g土样。然后带回实验室风干、过筛制成待测样品，进行土壤交换性钙含量测定[8]。2000年土壤样品数为446个，2015年样品数为1242个。 1.3 评价标准 参照前人研究结果[1-4]，制定湘西植烟土壤交换性钙的评价标准如下：极低（<3cmol/kg）、低（3～6cmol/kg）、适宜（6～10cmol/kg）、高（10～18cmol/kg）、极高（>18cmol/kg）。
1.4 数据分析 采用Excel和SPSS 17.0进行描述性统计[9]。克里格插值（Kriging）、空间分布图绘制及各等级面积统计均在ArcGIS 10.2.2软件的统计模块中完成[10]。
2 结果与分析
2.1 植烟土壤交换性钙的基本统计特征 湘西植烟土壤交换性钙含量的统计结果见表1。由表1可知，植烟土壤交换性钙含量的均值为10.33cmol/kg，处于高水平，变幅在0.25～37.21cmol/kg，变异系数为74.32%，属中等变异，全州植烟土壤交换性钙经检验基本符合正态分布。湘西植烟土壤交换性钙含量适宜的样本占30.52%，含量偏低的占31.64%，含量偏高的占37.84%。从各植烟县情况来看，7个植烟县的土壤交换性钙含量均为中等程度变异，交换性钙均值在6.99～12.71cmol/kg，其中最高的是永顺县，最低的是古丈县，不同县域植烟土壤交换性钙含量的差异具有统计学意义。各县植烟土壤交换性钙含量值的适宜样本比例差异较大，适宜比例最高的是凤凰县，最低的是永顺县。
2.2 植烟土壤交换性钙的年代变化 不同时期湘西州植烟土壤交换性钙状况见表2。由表2可知，2000—2015年间土壤交换性钙略有增加，均值增加2.27cmol/kg，增幅为28.16%，从“适宜”等级变为“高”等级，交换性钙的变异系数提高30.56%，极小值下降0.95cmol/kg，而极大值上升13.13cmol/kg。极差由2000年的22.88cmol/kg上升至2015年的36.96cmol/kg，增加14.08cmol/kg。表明土壤交换性钙均值虽变化较小，但其变异却有所增大。土壤交换性钙的等级频率分布情况见表3，由表3可知，2015年土壤交换性钙在“适宜”和“低”等级分布频率分别比2000年减少13.60、6.96个百分点，而“高”和“极高”等级的土壤样品比例增加1.38、11.52个百分点，值得注意的是，“极低”的样品比例亦增加7.66个百分点。由此可见，土壤交换性钙含量呈现两极分化的趋势，变异在加大。
2.3 土壤交换性钙的时空分布变化 采用普通克里格插值法获取2000年和2015年湘西植烟土壤交换性钙含量的空间分布（图1），并利用ArcGIS软件自带的Arctool box模块对土壤交换性钙含量空间分布图进行了面积统计，其结果见表4。由表4可知，2015年土壤交换性钙在不同等级的分布面积较2000年有了大幅变化，2000年土壤交换性钙含量面积分布以“适宜”和“高”为主，分别占73.11%、24.35%;交换性钙含量“低”等级的植烟土壤面积仅占2.53%。2015年植烟土壤交换性钙分布较2000年有了较大的变化，土壤交换性钙“极高”等级始有分布，面积占2.20%，“高”等级分布面积增加21.04%，“适宜”等级面积下降29.72%，而“低”等级和“极低”的面积分别增加5.81%、0.68%。综上，2015年土壤交换性钙含量“低”和“极低”等级，以及“高”和“极高”等级的面积均有不同幅度的增加。这表明15年间湘西植烟土壤交换性钙含量呈增加的趋势，并呈现出两极分化的趋势。
3 小结与讨论
2015年湘西植烟土壤交换性钙均值较2000年上升2.27cmol/kg，增幅度达28.16%;从“适宜”等级变为“高”等级，其变异程度也在增强。从目前湘西各植烟县土壤交换性钙均值来看，最高的永顺县，最低的是古丈县，古丈县、花垣县、龙山县均处于“适宜”水平，而其他各植烟县均处于“高”水平，高于其他南方山地烟区土壤交换性钙含量[11-13]，但却低于北方烟区[14]，这可能与成土母质的差异有关。从时间和空间分布的变化来看，2015年植烟土壤交换性钙分布较2000年有了较大的变化，“低”和“极低”等级面积分别增加5.81%、0.68%，“高”和“极高”等级面积分别增加21.03%、2.20%，而“适宜”等级的面积下降29.72%。目前，交换性钙“低”和“极低”的面积主要分布在古丈县，在其他县仅有零星分布。综上所述，15年间湘西植烟土壤交换性钙含量呈增加的趋势，这与湘西烟区持续施用生石灰改良酸性土壤的技术措施有关[15];值得关注的是湘西植烟土壤交换性钙含量的变化呈现两极分化的趋势，这可能与不同植烟县的钙元素的投入差异有关。因此，建议今后加强土壤交换性钙的动态监测，对不同区域采取差异化的管理措施。
参考文献
[1]胡国松，郑伟，王震东，等.烤烟营养原理[M].北京：科学出版社，2000.
[2]刘坤，周冀衡，李强，等.植烟土壤交换性钙镁含量及对烟叶钙镁含量的影响[J].西南农业学报，2017，30（9）：2065-2070.
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[5]王冰，冯浪，李启权，等.盐源县植烟土壤交换性钙镁空间变异特征及其影响因素[J].烟草科技，2017，50（10）：8-15.
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[7]李卫，解燕，周冀衡，等.不同海拔高度植烟土壤有效钙镁的分布状况：以云南曲靖烟区为例[J].土壤，2010，42（6）：946-951.
[8]鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业科技出版社，2000.
[9]郝黎仁，攀元，郝哲欧.SPSS实用统计分析[M].北京：中国水利水电出版社，2002：110-135.
[10]吴秀芹，张洪岩，李瑞改，等.ArcGIS9地理信息系统应用与实践（下册）[M].北京：清华大学出版社，2007：463-517.
[11]宋文靜，孟霖，王程栋，等.贵州中部山区植烟土壤交换性钙镁含量分布特征[J].江苏农业科学，2015，43（3）：334-337.
[12]胡建新，袁家富，彭成林，等.攀枝花烟区土壤交换性钙、镁含量评价[J].现代农业科技，2011（6）：274-275.
[13]秦松，闫献芳，冯勇刚，等.贵州植烟土壤交换性钙镁特征研究[J].土壤通报，2005（1）：143-144.
[14]李斌，梁洪波，王浩浩，等.山东烟田土壤交换性钙镁特征研究[J].中国烟草学报，2013，19（2）：61-66.
[15]孟赐福，傅庆林，水建国，等.浙江中部红壤施用石灰对土壤交换性钙、镁及土壤酸度的影响[J].植物营养与肥料学报，1999（2）：34-41. （责编：张宏民）