全 文 ：中国生态农业学报 2012年 6月 第 20卷 第 6期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jun. 2012, 20(6): 757−766


* 国家烟草专卖局湖南张家界典型生态特色优质烟叶开发项目和湖南省烟草专卖局湖南典型烟叶产区生态特征及烟叶质量风格特色评
价研究项目(10-13Aa07)资助
** 通讯作者: 李明德(1964—), 男, 研究员, 主要从事土壤肥料和土壤资源利用的研究。E-mail: limingde460@sohu.com
刘琼峰(1979—), 女, 助理研究员, 博士研究生, 主要从事土壤资源利用与 3S技术应用研究。E-mail: lqf925@163.com
收稿日期: 2011-11-10 接受日期: 2012-02-08
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2012.00757
湖南张家界典型植烟土壤地球化学特征研究*
刘琼峰1,2 李明德1** 吴海勇1 吴小丹1 彭德元3
(1. 湖南省土壤肥料研究所 长沙 410125; 2. 湖南农业大学资源环境学院 长沙 410128;
3. 湖南省烟草公司张家界市公司 张家界 427000)
摘 要 为了研究张家界山地植烟区域土壤的成土环境及地球化学元素的丰缺状况和迁移富集规律, 为烟区
优质特色烟叶的生产和布局提供科学依据, 本文采集 23个长期耕种的典型植烟土壤剖面样品, 测定分析了 25
种地球化学元素(氧化物)的含量, 并对土壤的风化发育状况和元素(氧化物)的迁移富集特征进行了研究。结果
表明, 张家界烟区主要成土母质如石灰岩、板页岩、紫色砂页岩风化物均受到了较强的风化作用, 化学风化指
数(CIA)介于 73.19~88.03 之间, 总体上土壤具有 Ca、Na 贫乏而 Fe、Al 相对富集的化学组成特征。其中紫色
砂页岩风化物发育形成的紫色土的风化作用较强, 土壤的淋溶作用较强; 石灰岩风化物发育形成的土壤富铝
化程度较低。黄壤、水稻土、紫色土中地球化学元素多数表现出一定的富集特征, 大量有益营养元素的富集
对于提高烟叶产量具有重要作用。土壤剖面淋溶层中元素(氧化物)P、B、Se、Mn、Zn、Cu、Ni、Y、Sc、La、
Fe2O3、SiO2的含量均高于中国或世界土壤元素(氧化物)中值(均值), 而 N、S、Cl、Mo、Co、Sr、Br、I、CaO、
MgO、K2O、Na2O、Al2O3 的含量偏低, 其中元素(氧化物)N、P、S、Mo、Se、Mn、Zn、Br、I、CaO、MgO
在土壤剖面中的含量变化较大。通过对元素(氧化物)富集系数的聚类分析, 将元素(氧化物)分为 3 类: 呈较强
富集特征的元素 N、P、S、Se; 呈较强迁移特征的元素(氧化物)Br、I、Mn、CaO; 变化较稳定的其他元素。
微量元素 B、Zn、Cu和稀土元素 Y、Sc、La含量较丰富且变化相对稳定, 表明除了常量元素 N、P、S以外, 微
量元素 Se、B、Zn、Cu和稀土元素 Y、Sc、La可能是影响张家界烟区烤烟品质的重要特征元素。
关键词 张家界山地植烟区域 地球化学特征 植烟土壤 土壤剖面 元素丰缺状况 迁移富集特征 烟草
中图分类号: P595; S151; S572 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2012)06-0757-10
Geochemical characteristics of typical tobacco-planting soils in
Zhangjiajie mountainous area
LIU Qiong-Feng1,2, LI Ming-De1, WU Hai-Yong1, WU Xiao-Dan1, PENG De-Yuan3
(1. Hunan Institute of Soils and Fertilizers, Changsha 410125, China; 2. College of Resources and Environment, Hunan Agricultural
University, Changsha 410128, China; 3. Zhangjiajie Tobacco Company of Hunan Tobacco Company, Zhangjiajie 427000, China)
Abstract Tobacco-planting mountain region have ecological effects on tobacco quality in central south China. The climate, topog-
raphy, geomorphology, soil parent materials and soil nutrient status are highly heterogeneous factors in the area. Different parent
materials and soil types have different degrees of weathering which result in diverse composition and content of soil geochemical
elements. The interconnected factors consequently influence the growth and quality of tobacco in mountain regions. Zhangjiajie is a
typical mountain tobacco-planting region in Hunan Province of central south China where high quality tobacco is produced. To lay
the scientific basis for high quality tobacco cultivation and production, the effects of soil weathering, the abundance or deficiency of
nutrients and the migration or enrichment of geochemical elements on Zhangjiajie mountain tobacco cultivation region were investi-
gated. A total of 23 typical soil profiles were sampled and analyzed for 25 types of geochemical elements (or their oxides). The re-
sults showed that limestone, plate-shale and purple-sandstone efflorescence of soil parent materials in the region were strongly wea-
thered. The chemical weathering index (CIA) of the soil parent materials were in the range of 73.19~88.03. The soils were character-
758 中国生态农业学报 2012 第 20卷


ized by both the depletion of Ca and Na and enrichment of Fe and Al elements. Purple soils developed from purple-sandstone efflo-
rescence showed strongly weathering and eluviation properties. Some of soil types developed from limestone efflorescence exhibited
a lower degree of allitization. Most of the geochemical elements of yellow soil, paddy soil and purple soil were highly enriched
which was critical for tobacco yield. There were higher contents of P, B, Se, Mn, Zn, Cu, Ni, Y, Sc, La, Fe2O3 and SiO2 in the eluvial
soil horizon, higher than the median of these soil elements in China or in the world. However, the contents of N, S, Cl, Mo, Co, Sr, Br,
I, CaO, MgO, K2O, Na2O and Al2O3 in the eluvial soil horizon were low. Both the macro elements of N, P, S, CaO and MgO and the
trace elements of Mo, Se, Mn, Zn, Br and I significantly changed along the soil profile. The hierarchical cluster analysis method was
used to classify the enrichment coefficient of geochemical elements into three groups. The groups consisted of N, P, S and Se with
strong enrichment characteristics; Br, I, Mn and CaO with strong migration characteristics; and then the relatively stable elements. B,
Zn and Cu trace elements and Y, Sc and La rare earth elements were both abundant and relatively stable along the soil profile. The
geochemical elements of N, P, S, Se, B, Zn, Cu, Y, Sc and La were the possible characteristic elements with vital influence on to-
bacco quality in Zhangjiajie mountain tobacco cultivation region.
Key words Tobacco-plant region in Zhangjiajie mountainous area, Geochemical characteristics, Tobacco cultivation soil,
Soil profile, Element abundance and deficiency, Transformation and accumulation feature, Tobacco
(Received Nov. 10, 2011; accepted Feb. 8, 2012)
山地植烟区域是我国中南地区烟叶生产的特色
生态区域之一, 区域内气候条件、地形地貌、成土
母质、土壤状况等均具有较强的异质性, 尤其是不
同母质和类型的土壤, 其风化发育程度不同, 造成
土壤中地球化学元素的组成和含量有较大差异。地
球化学元素通过在母岩→土壤→生物垂直系统中的
运移、转化、富集, 影响烟叶的生理生化作用, 从而
影响烟叶的产量与品质[1]。张家界市是我国的典型
山地植烟区域, 也是湖南省重要的优质烟产区之一,
每年烟草种植面积为 5 000~6 000 hm2[2]。研究植烟
土壤的地球化学特征是查明该区域地质背景与烤烟
生长、产量、品质等关系的基础, 不仅对研究山地
植烟区域土壤的成土环境和因素及生物地球化学效
应方面有一定的理论价值, 而且对于指导该地烟叶
生产的合理施肥、提高产量和内在品质、优化特色
优质烟叶的种植布局等均具有重要意义。
自 20 世纪 80 年代以来, 相关领域的专家学者
在植烟区的生态适宜性评价及土壤肥力评价 [3−5]、
土壤养分特征 [6−7]及其对烟叶产量、品质 [8−12]的影
响等方面展开了一系列研究, 并取得了较好成果。
但在景观尺度上, 针对山地生态区域植烟土壤中地
球化学特征的研究还鲜有报道。本研究根据张家界
山区的生态条件和农业地质背景等特点 , 采集了
23 个长期耕种条件下的典型植烟土壤剖面的土壤
样品, 测定和分析了土壤淋溶层和母质层的 25 种
地球化学元素(或氧化物 , 以下简称为“元素”)的含
量, 并对区域内不同成土母质和土壤类型的土壤风
化发育程度及地球化学元素的迁移和富集特征进
行了初步探讨, 旨在为山地生态区植烟土壤地球化
学特征的研究和张家界烟区优质特色烟叶的生产
提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区域与样点的选择
张家界市位于湖南省西北部 , 介于东经
109°40~111°20、北纬 28°52~29°48之间, 辖永定、
武陵源两区和慈利、桑植两县。该市地处云贵高原
隆起与洞庭湖沉降区结合部, 澧水中上游, 属武陵
山脉腹地 , 城市地势西北高 , 沿澧水向东南倾斜 ,
海拔介于 75~1 890.4 m之间。张家界属中亚热带山
原型季风湿润气候, 年均气温 16.4~16.8 ℃, 平均无
霜期 270 d左右, ≥10 ℃活动积温 5 425~6 204 ℃, 年
均降水量 1 334 mm, 年日照时数 1 219.7~1 415.3 h。
张家界主要成土母质有石灰岩、板页岩、紫色砂页
岩、砂岩、白云岩、第四系红土和近代河流冲积物
等, 植烟土壤以黄壤、黑色石灰土、水稻土为主, 还
有少量的红壤和紫色土。
根据张家界山区地形地貌、成土母质、土壤类
型、海拔高度等生态条件特点, 选择桑植县、慈利
县、永定区 5 个烟叶基地单元的植烟生态区为研究
区域, 每个基地单元经考察调研后, 共确定了 23 个
长期耕种的典型植烟土壤剖面采样点(图 1)。
1.2 样品的采集与分析
2010年 11月在桑植、慈利、永定区的烟叶基地
单元共挖取 23个土壤剖面。土壤剖面长 1.5 m、宽
1.0 m、深 1.0~1.2 m, 按土壤剖面层次分别采集土壤
样品, 同时调查采样点的生态条件、农业地质背景、
烤烟品种及烟草的产量和质量等基本情况, 见表 1。
所采土壤样品置于实验室内自然风干, 经多次
四分法均匀混合、研磨后, 选择土壤剖面中的淋溶
层(A 层)、母质层(C 层)的土壤样品, 经风干、敲碎
后, 用尼龙筛筛取–20目部分, 研磨至–180目。在国
土资源部长沙矿产资源监督检测中心实验室用 ICP
第 6期 刘琼峰等: 湖南张家界典型植烟土壤地球化学特征研究 759




图 1 张家界典型植烟土壤剖面采样点分布示意图
Fig. 1 Distribution of sampling locations of typical tobacco-planting soil profiles in Zhangjiajie mountainous area

表 1 张家界典型植烟土壤剖面采样点基本情况
Table 1 General situation of typical tobacco-planting soil profiles in Zhangjiajie mountainous area
地点
Location
地形地貌
Topography and
geomorphology
成土母质
Soil parent
material
土壤类型
Soil type
海拔
Altitude
(m)
土地利用
类型
Land use type
烤烟品种
Flue-cured
tobacco variety
土层名称
Soil layer
name
土层厚度
Soil layer thick-
ness (cm)
A 0~31
B 31~70
慈利县高峰乡南井村
Nanjing Village, Gaofeng
Township, Cili County
低山缓坡地
Low hill and
gentle slope land
板页岩风化物
Plate shale
efflorescence
黄壤
Yellow soil
696 旱地
Dry land
云烟 87
Yunyan87
C >70
A 0~30
B 30~80
慈利县高峰乡高华村
Gaohua Village, Gaofeng
Township, Cili County
低山上中部坡面
Middle slope land
in low hill
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
黄壤
Yellow soil
764 旱地
Dry land
中烟 201
Zhongyan201
C >48
A 0~30
B 30~72
慈利县象市镇农坪村
Nongping Village,
Xiangshi Town, Cili
County
丘陵冲垄中部
Ridge middle land
in hilly
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
黑色石灰土
Rendzina
336 旱地
Dry land
云烟 87
Yunyan87
C >72
A 0~31
B 31~69
慈利县三官寺乡吴王坡
村 Wuwangpo Village,
Sanguansi Township, Cili
County
低山缓坡地
Low hill and
gentle slope land
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
黑色石灰土
Rendzina
525 旱地
Dry land
云烟 87
Yunyan87
C >69
A 0~29
B 29~95
慈利县江垭镇九里垭村
Jiuliya Village, Jiangya
Town, Cili County
丘陵缓坡地
Hilly slope land
紫色砂页岩风
化物 Purple
sandstone
efflorescence
紫色土
Purple soil
368 旱地
Dry land
云烟 87
Yunyan87
C >95
A 0~32
B 32~74
慈利县三合口乡杨柳村
Yangliu Village, Sanhe-
kou Township, Cili
County
低山缓坡地
Low hill and
gentle slope land
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
黄壤
Yellow soil
712 旱地
Dry land
云烟 87
Yunyan87
C >74
A 0~23
B 23~47
慈利县三合口乡望月坪
村 Wangyueping Village,
Sanhekou Township, Cili
County
低山缓坡地
Low hill and
gentle slope land
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
黑色石灰土
Rendzina
745 旱地
Dry land
云烟 87
Yunyan87
C >47
A 0~28
B 28~60
慈利县洞溪乡张三溪村
Zhangsanxi Village,
Dongxi Township, Cili
County
低山缓坡地
Low hill and
gentle slope land
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
黑色石灰土
Rendzina
742 旱地
Dry land
云烟 87
Yunyan87
C >60
A 0~22
B 22~50
慈利县南山坪乡犀牛村
Xiniu Village, Nanshan-
ping Township, Cili
County
低山缓坡地
Low hill and
gentle slope land
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
黑色石灰土
Rendzina
734 旱地
Dry land
云烟 87
Yunyan87
C >50

760 中国生态农业学报 2012 第 20卷


(续表 1)
地点
Location
地形地貌
Topography and
geomorphology
成土母质
Soil parent
material
土壤类型
Soil type
海拔
Altitude
(m)
土地利用
类型
Land use type
烤烟品种
Flue-cured
tobacco variety
土层名称
Soil layer
name
土层厚度
Soil layer thick-
ness (cm)
A 0~35
B 35~63
慈利县溪口镇云桂村
Yungui Village, Xikou
Town, Cili County
丘陵缓坡
Hilly slope land
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
水稻土
Paddy soil
254 水田
Paddy field
中烟 201
Zhongyan201
C >63
A 0~35
B 35~65
桑植县官地坪镇山羊栋
村 Shanyangdong Vil-
lage, Guandiping Town,
Sangzhi County
低山坡麓
Low mountain
foothill land
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
水稻土
Paddy soil
602 水田
Paddy field
云烟 87
Yunyan87
C >65
A 0~32
B 32~78
桑植县桥自湾乡松柏村
Songbo Village, Qiaozi-
wan Township, Sangzhi
County
低山中部坡面
Middle slope land
in low mountain
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
黄壤
Yellow soil
633 旱地
Dry land
云烟 87
Yunyan87
C >78
A 0~32
B 32~85
桑植县蹇家坡乡老村
Lao Village, Jianjiapo
Township, Sangzhi
County
低山顶部
Top land in low
mountain
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
黄壤
Yellow soil
1 002 旱地
Dry land
K326
C >85
A 0~27
B 27~47
桑植县人潮溪乡红旗村
Hongqi Village, Ren-
chaoxi Township, Sangzhi
County
中山山顶缓坡地
Slow slope land in
top of middle
mountain
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
黄壤
Yellow soil
1 130 旱地
Dry land
云烟 87
Yunyan87
C >47
A 0~27
B 27~62
桑植县白石乡岩门村
Yanmen Village, Baishi
Township, Sangzhi
County
中山中部坡面
Middle slope of
middle mountain
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
黄壤
Yellow soil
946 旱地
Dry land
南江 3号
Nanjiang3
C >62
A 0~30
B 30~55
桑植县白石乡长益村
Changyi Village, Baishi
Township, Sangzhi
County
中山上中部坡面
Middle and upper
slope land in
middle mountain
板页岩风化物
Plate shale
efflorescence
黄壤
Yellow soil
1 223 旱地
Dry land
云烟 87
Yunyan87
C >55
A 0~25
B 25~71
桑植县龙潭坪镇李家湾
村 Lijiawan Village,
Longtanping Town,
Sangzhi County
低山缓坡地
Low hill and
gentle slope land
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
黄壤
Yellow soil
808 旱地
Dry land
云烟 87
Yunyan87
C >71
A 0~26
B 26~65
桑植县龙潭坪镇赶坪村
Ganping Village, Long-
tanping Town, Sangzhi
County
低山缓坡地
Low hill and
gentle slope land
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
黑色石灰土
Rendzina
658 旱地
Dry land
K326
C >65
A 0~25
B 25~42
桑植县竹叶坪乡茅花界
村 Maohuajie Village,
Zhuyeping Township,
Sangzhi County
低山中部
Middle land in
low hilll
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
黑色石灰土
Rendzina
880 旱地
Dry land
南江 3号
Nanjiang3
C >42
A 0~34
B 34~69
永定区三家馆乡岩水井
村 Yanshuijing Village,
Sanjiaguan Township,
Yongding District
低山缓坡地
Low hill and
gentle slope land
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
水稻土
Paddy soil
618 水田
Paddy field
贵烟 4号
Guiyan4
C >69
A 0~35
B 35~55
永定区青安坪乡青安村
Qing’an Village,
Qing’anping Township,
Yongding District
丘陵缓坡地
Hilly slope land
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
水稻土
Paddy soil
408 水田
Paddy field
K326
C >55
A 0~25
B 25~48
永定区青安坪乡安平村
Anping Village,
Qing’anping Township,
Yongding District
丘陵缓坡地
Hilly slope land
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
红壤
Red soil
356 旱地
Dry land
贵烟 4号
Guiyan4
C >48
A 0~17
B 17~60
永定区王家坪镇黄粟界
村 Huanglijie Village,
Wangjiaping Town,
Yongding District
低山缓坡地
Low hill and
gentle slope land
石灰岩风化物
Limestone
efflorescence
黄壤
Yellow soil
494 旱地
Dry land
K326
C >60

全谱仪(CAP-6300)、分光光度计(722S)、原子荧光光
度计(AFS-820)、定硫仪(SK-15-13)等进行样品的检
测, 测定了 N、P、Cl、Mn、Zn、Cu、Sr、Br、Co、
Ni、I、B、S、Se、Sc、La、Y、Mo、K2O、Na2O、
CaO、MgO、Al2O3、Fe2O3、SiO2共 25种元素(氧化
物)的含量。
第 6期 刘琼峰等: 湖南张家界典型植烟土壤地球化学特征研究 761


1.3 数据处理与分析
土壤风化发育指标按以下公式计算[13−15]:
CIA=Al2O3/(Al2O3+K2O+Na2O+CaO*)×100 (1)
Sa=SiO2/Al2O3 (2)
Saf= SiO2/(Al2O3+Fe2O3) (3)
ba=(Na2O+K2O+CaO+MgO)/Al2O3 (4)
β=[(K2O+Na2O)淋溶层/Al2O3 淋溶层]/
[(K2O+Na2O)母质层/Al2O3 母质层] (5)
式中: CIA为化学蚀变指数; CaO*为沉积物中硅酸盐
矿物中的 Ca含量, 不包括碳酸盐矿物中的 Ca; Sa为
硅铝率; Saf为硅铝铁率; ba为土壤风化淋溶系数; β
为土壤淋溶系数。CIA 可用无量纲的数值来表示(表
2), 也可以用 A-C*N-K图来表示(图 2)。Sa、Saf、ba、
β等值均为化合物的分子数比。
利用 Microsoft Excel 2003进行数据初处理及作
图; 土壤基本化学性质描述性统计及聚类分析等采
用统计软件 SPSS 13.0, A-C*N-K 三角图的制作在
Origin 8.0软件中完成。
2 结果与分析
2.1 植烟土壤的地球化学元素含量分析
2.1.1 主量元素
张家界山区各土壤剖面淋溶层(A层)、母质层(C
层)的主量元素含量统计结果见表2。K2O、Na2O、
Al2O3、Fe2O3、SiO2在土壤中的含量变化不大, 如K2O
含量在11.50~30.10 g·kg−1之间, 两层的变异系数(CV,
%)分别为22.35%和17.77%; Na2O含量在1.70~6.40
g·kg−1之间 , 两层的变异系数分别为 27.84%和
30.65%, 总体上Na2O/K2O比值多低于0.2, 并远低于
中国平均土壤值(0.64)[16]。土壤中Fe2O3和SiO2的含
量较丰富 , 高于中国或世界土壤元素含量中值。
Al2O3的含量在80.30~178.40 g·kg−1之间, A层和C层
的变异系数分别为19.29%和16.02%。
主量元素中N、P、S及碱土金属CaO、MgO的
含量变化较大, 变异系数多在40%以上(中等强度以
上的变异), 且这些元素在淋溶层的变异系数均小于
母质层, 如P在淋溶层的变异系数(64.84%)明显小于
母质层(163.08%)。其原因主要是: ①继承了成土母
质的含量特征。如石灰岩风化物发育的土壤中A层和
C层的CaO平均含量(A层为6.7 g·kg−1, C层为8.8
g·kg−1)均明显高于其他成土母质发育的土壤的平均
含量(A层为4.2 g·kg−1, C层为3.7 g·kg−1); ②在烟草及
其他作物的种植过程中, 由于肥料的施入会补充这
些元素 , 使得这些元素在淋溶层中的含量差异减
小。如元素N、P、S在淋溶层的含量明显高于母质
层, 表明在作物生长过程中氮肥和磷肥等肥料的施
用, 使土壤淋溶层中这些元素的含量较丰富。③土
壤中某些元素可能有较强的活性, 在成土过程中发
生元素的富集或淋失现象。如CaO在淋溶层的平均
含量(6.38 g·kg−1)明显低于母质层的平均含量(为
8.17 g·kg−1), 可能在成土过程中存在淋失现象。这些
元素与中国土壤元素含量和世界土壤含量的中值
或平均值进行比较表明(对于部分中国土壤元素含

表 2 张家界植烟土壤剖面样品主量元素含量分析结果统计
Table 2 Descriptive statistics of the major elements contents of soil samples from typical tobacco-planting soil profiles in
Zhangjiajie mountainous area
层次
Soil layer
项目
Item
N P S K2O Na2O CaO MgO Al2O3 Fe2O3 SiO2 CIA
最大值 Max (g·kg−1) 2.50 3.51 0.64 30.10 5.00 31.50 22.10 172.60 74.80 843.50 85.24
最小值 Min (g·kg−1) 1.09 0.19 0.17 11.50 2.00 2.00 4.10 80.30 41.30 609.90 73.19
均值 Mean (g·kg−1) 1.49 0.96 0.28 20.13 3.00 6.38 9.65 118.94 53.82 722.66 78.94
中值 Median (g·kg−1) 1.37 0.88 0.26 19.60 3.00 4.70 8.30 113.80 52.70 729.60 78.91
标准差 SD (g·kg−1) 0.39 0.62 0.11 4.50 0.84 6.35 4.38 22.94 9.23 53.72 2.99
A
CV (%) 26.31 64.84 39.74 22.35 27.84 99.62 45.42 19.29 17.14 7.43 3.78
最大值 Max (g·kg−1) 1.70 5.53 0.45 26.10 6.40 46.30 26.10 178.40 76.60 834.40 88.03
最小值 Min (g·kg−1) 0.40 0.19 0.06 14.80 1.70 1.80 5.40 83.20 41.10 590.50 74.43
均值 Mean (g·kg−1) 0.86 0.66 0.17 20.28 3.13 8.17 10.54 125.93 54.93 711.40 79.60
中值 Median (g·kg−1) 0.84 0.42 0.16 19.80 3.00 4.70 9.10 127.00 54.50 708.70 79.19
标准差 SD (g·kg−1) 0.35 1.07 0.08 3.60 0.96 11.42 4.81 20.17 9.49 53.74 2.92
C
CV (%) 41.12 163.08 49.95 17.77 30.65 139.75 45.65 16.02 17.28 7.55 3.67
中国土壤元素中值
Median of soil elements in China (g·kg−1)
— — — 22.70 15.00 13.00 12.50 125.60 42.40 — —
世界土壤元素中值
Median of soil elements in the world (g·kg−1)
2.00 0.80 0.70 16.90 6.70 21.00 8.30 134.10 57.10 707.00 70.70
CV为变异系数, 计算公式: (标准差/平均值)×100%; 中国土壤元素中值、世界土壤元素中值数据引自中国环境监测总站(1990)和《中国
土壤元素背景值》; “—”为未查到的元素数据。下同。CV=(standard deviation/mean)×100%; Median of soil elements in China, median of soil
elements in the world are quoted from the general station of environment protection monitoring of China (1990) and “Chinese soil element background
value”; the data not found are expressed by symbol “—”. The same below.
762 中国生态农业学报 2012 第 20卷


量中没有的数据 , 以相应世界值作为标准 ), 除元
素 P 在淋溶层的含量较高外, 元素 N、S、CaO、
MgO 的含量均相对低于中国或世界土壤元素含量
中值(均值)。
2.1.2 微量元素和稀土元素
张家界山区各土壤剖面中淋溶层(A层)、母质层
(C层)微量元素和稀土元素的含量统计结果如表 3所
示, 元素 B、Se、Mn、Zn、Cu、Ni、Y、Sc、La的
含量均高于中国或世界土壤元素中值(均值), 而元
素 Cl、Sr、Br、I、Mo、Co的含量则相对较低。其
中元素 Mo、Se、Mn、Zn、Br、I在土壤中的含量变
化较大, 变异系数均在 40%以上, 如Mo元素的含量
变化范围在 0.67~13.20 mg·kg−1之间, 这些元素在淋
溶层的变异系数也相对小于母质层, 表明除继承成
土母质的含量特征外, 在作物生长过程中, 微肥施
用也对土壤中微量元素含量造成了较大影响, 减小
了淋溶层中元素的含量差异; 另外, 元素的活动性
也是造成土壤中元素含量差异较大的原因之一, 如
元素 Mn 在淋溶层的平均含量明显低于母质层的平
均含量, 表明该元素在成土过程中可能具有较强的
活性, 在局部地方存在明显淋失现象。元素 B、Cl、
Sr、Cu、Co、Ni、Y、Sc、La在土壤中的含量变化
相对稳定, 这些元素在同一剖面土壤淋溶层和母质
层中的含量变化不大, 在不同剖面之间相应层位土
壤的含量也较稳定。
2.2 植烟土壤的风化发育程度分析
土壤是成土母质在一定水热条件和生物的作用
下, 经过一系列物理、化学和生物化学的作用而形成
的, 不同母质发育的土壤中 Na、K、Ca、Mg、Al2O3
等差异, 直接影响了土壤风化、淋溶的程度[16]。化学
风化指数(CIA)作为一个判断源区化学风化程度的指
标, 主要反映了硅酸盐矿物(主要是长石矿物)的风化,
不存在元素迁移后再淀积的情况, 因此, 很好地反映
了沉积物形成时的化学风化情况而不是后期环境变

表3 张家界植烟土壤剖面样品微量元素、稀土元素含量分析结果统计
Table 3 Descriptive statistics of concentrations of trace elements and rare earth elements of soil samples from typical
tobacco-planting soil profiles in Zhangjiajie mountainous area
层次
Soil layer
项目
Item
B Se Cl Sr Br I Mn Mo Zn Cu Co Ni Y Sc La
最大值Max
(mg·kg−1)
170.60 1.60 59.50 125.00 8.00 7.25 1 774.00 13.10 290.00 43.00 22.80 49.90 46.00 16.40 69.00
最小值Min
(mg·kg−1)
59.00 0.29 26.50 46.00 1.60 0.55 305.00 0.67 65.00 17.00 12.10 19.70 19.80 9.10 33.20
均值Mean
(mg·kg−1)
88.06 0.60 38.21 63.04 3.39 2.96 1 088.70 2.03 92.78 26.99 17.31 30.37 27.67 11.59 50.19
中值Median
(mg·kg−1)
82.00 0.51 37.30 59.00 2.80 2.13 1 126.00 1.45 83.00 25.00 17.00 28.60 27.00 11.20 51.00
标准差 SD
(mg·kg−1)
26.16 0.30 8.26 16.31 1.64 2.03 441.50 2.46 45.06 6.85 2.48 7.71 5.34 1.67 8.28
A













CV (%) 29.71 50.00 21.62 25.87 48.38 68.58 40.55 121.18 48.57 25.38 14.33 25.39 19.30 14.41 16.50
最大值Max
(mg·kg−1)
143.10 1.34 60.00 109.00 36.00 9.35 2 052.00 13.20 341.00 53.00 22.30 52.30 57.00 15.80 62.00
最小值Min
(mg·kg−1)
43.00 0.13 21.30 45.00 1.80 1.44 15.02 0.68 55.00 15.10 13.00 19.30 21.00 8.70 26.50
均值Mean
(mg·kg−1)
85.93 0.41 33.12 65.30 5.89 5.04 1 260.91 2.06 93.48 26.76 17.93 32.11 27.76 12.43 48.46
中值Median
(mg·kg−1)
81.00 0.30 30.90 61.00 4.40 4.68 1 394.00 1.37 79.00 25.00 17.90 30.50 26.00 12.60 50.00
标准差 SD
(mg·kg−1)
25.11 0.30 8.93 15.37 6.87 2.10 458.85 2.54 56.46 8.50 2.55 8.72 7.44 1.83 8.54
C













CV (%) 28.51 50.00 23.37 24.38 202.65 70.95 42.15 125.12 60.85 31.49 14.73 28.71 26.89 15.79 17.02
中国土壤元素中值
Median of soil ele-
ments in China
(mg·kg−1)
41.00 0.21 — 121.001) 3.63 2.20 540.00 11.00 68.00 20.70 116.00 24.90 21.801) 10.80 37.401)
世界土壤元素中值
Median of soil ele-
ments in the world
(mg·kg−1)
20.00 0.40 100.00 250.00 10.00 5.00 1 000.00 1.20 9.00 30.00 8.00 50.00 40.00 7.00 40.00
中国土壤元素中值、世界土壤元素中值两项中“1)”表示平均值, 其他为中值。In the items of “Median of soil elements in China” and “Median
of soil elements in the world”, “1)” express mean, others are median.

第 6期 刘琼峰等: 湖南张家界典型植烟土壤地球化学特征研究 763


化, 在化学风化研究中得到了广泛运用[15]。张家界山
区地表岩性以各种沉积岩为主, 各土壤剖面 CIA 值
(表 2)介于 73.19~88.03 之间, 且 98%样品的 CIA 值
都在 74 以上, 平均值为 79.3, 反映了在温暖、湿润
的亚热带季风气候条件下的中等化学风化程度[17]。
图 2 为不同成土母质发育的土壤的 A-C*N-K(Al2O3-
CaO*+Na2O-K2O)投影图, 数据均是归一化以后物质
的量。可以看出, 样品点远离斜长石−钾长石基线,
反映了张家界土壤化学风化时硅酸盐矿物如长石也
经历了明显的风化, 化学风化产物以伊利石和蒙脱
石为主, 尚未达到以高岭石和三水铝石为主。投影
点呈现出偏向 AK 线的总体趋势 , 反映了土壤贫
Na、Ca而相对富 K的化学组成特征。不同成土母质
土壤剖面的化学风化程度稍有差异, 紫色砂页岩风
化物发育的土壤其化学风化程度比板页岩和石灰岩
风化物发育的土壤稍强一些(紫色砂页岩、板页岩、
石灰岩风化物发育的土壤样品 CIA 平均值依次为
81.58、79.57、79.12)。
在土壤形成过程中, Al2O3是比较稳定而不易被
淋溶的成分, 而 Na、K、Ca、Mg的盐类则易受淋洗。
所以, 硅铝率 Sa、硅铝铁率 Saf、土壤风化淋洗系数
(ba 值)、土壤淋溶系数 β 值等也常作为衡量和比较
土壤风化度和土壤淋溶程度的重要指标。研究区不
同成土母质及土壤类型的风化淋溶指标值见表 4,
从硅铝率和硅铝铁率来看, 以石灰岩风化物发育的
黄壤、红壤和水稻土的土壤 Sa值和 Saf值较其他类
型土壤大, 表明这些土壤富铝化程度较低, 这主要是
因为石灰岩土壤脱钙与复钙作用的反复进行, 这些
土壤中以钙离子为主的盐基物质本身为较容易迁移


A=Al2O3; C*N=CaO*+Na2O, 其中CaO*为硅酸盐中CaO的含量 ,
当CaO≤Na2O时, CaO*即为CaO含量, 当CaO*>Na2O时, CaO*用Na2O
含量替代进行计算; K=K2O。A=Al2O3; C*N=CaO*+Na2O, in which
CaO* stands for CaO in silicates; when CaO≤Na2O, CaO* is equal to
CaO; and when CaO>Na2O, CaO* is represented by Na2O in calculation;
K=K2O.

图 2 张家界典型植烟生态区土壤主量组分 A-C*N-K图解
Fig. 2 A-C*N-K diagram of major elements of soils in typical
tobacco-planting ecological region of Zhangjiajie mountainous area

的物质, 加上碳酸盐岩以化学风化为主, 盐基物质能
源源不断地从碳酸盐岩中淋出补充给土壤, 以致土
体内盐基物质淋失不彻底, 阻挠或延缓了这些土壤
的富铝化作用[18]。从张家界山区植烟土壤剖面的土
壤风化淋溶系数(β)来看 , 以板页岩风化物发育的

表 4 张家界典型植烟生态区不同成土母质及土壤类型的风化淋溶指标值
Table 4 Index values of weathering and leaching of different soil parent materials and soil types in typical
tobacco-planting ecological region of Zhangjiajie mountainous area
成土母质
Soil parent
material
土壤类型
Soil
type
土层
Soil
layer
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O sa saf ba β
A 71.69 11.93 6.28 0.40 0.92 2.16 0.32 10.30 7.66 0.49 板页岩风化物
Plate shale efflorescence
黄壤
Yellow soil C 69.02 13.72 6.77 0.38 0.98 2.15 0.27 8.57 6.51 0.43
1.19
A 74.06 11.32 5.13 0.41 0.96 2.09 0.33 11.46 8.85 0.52 黄壤
Yellow soil C 73.77 11.81 5.14 0.41 0.89 2.05 0.33 10.88 8.49 0.49
1.05
A 67.70 13.23 5.96 1.30 1.19 2.02 0.30 9.16 7.09 0.63 黑色石灰土
Rendzina C 67.01 13.85 6.03 1.30 1.25 2.01 0.30 8.53 6.66 0.60
1.06
A 77.36 9.26 4.41 0.49 0.69 1.44 0.27 14.20 10.89 0.50 红壤
Red soil C 68.12 10.61 4.53 4.12 1.68 1.77 0.38 10.91 8.58 1.35
0.90
A 75.62 10.98 4.72 0.31 0.65 1.83 0.24 12.10 9.45 0.42
石灰岩风化物
Limestone efflorescence
水稻土
Paddy soil C 84.92 12.35 5.45 0.70 1.05 2.09 0.31 12.39 9.59 0.54
1.00
A 65.69 15.98 5.85 0.47 1.52 2.44 0.20 6.99 5.67 0.48 紫色砂页岩风化物
Purple sandstone efflorescence
紫色土
Purple soil C 72.11 12.42 4.70 0.36 1.15 1.99 0.27 9.87 7.95 0.50
0.89
sa: 硅铝率; saf: 硅铝铁率; ba: 土壤风化淋溶系数; β: 土壤淋溶指数。sa: silica alumina ratio; saf: soil weathering and leaching coefficient;
ba: soil weathering and leaching coefficient; β: soil leaching index.

764 中国生态农业学报 2012 第 20卷


黄壤最大(β值为1.19), 表明其土壤淋溶程度相对较
小, 土壤熟化程度较低; 而紫色砂页岩风化物发育
成的紫色土和石灰岩风化物发育的红壤的β值仅为
0.89和0.90, 明显小于其他类型土壤, 说明这两种土
壤淋溶程度较强, 土壤熟化程度较高。
2.3 植烟土壤地球化学元素的迁移与富集特征分析
地球化学背景对土壤系统的元素迁移与富集具
有重要影响。各种成土母质发育的不同类型土壤 ,
由于其所含的岩石矿物种类不同, 在风化发育过程
中, 分解出的元素在不同成土过程和发育阶段的迁
移(淋溶)特征和富集特征也呈现出一定的差异。张家
界山地植烟区不同类型土壤剖面中元素的富集系数
见表5, 石灰岩风化物发育成的水稻土、紫色砂页岩
风化物发育成的紫色土以及板页岩、石灰岩风化物
发育成的黄壤中大部分元素富集系数大于1, 反映
了这几种土壤中地球化学元素多数表现出一定的富
集特征; 而石灰岩风化物发育成的红壤和黑色石灰
土则表现出相反的特征, 大部分化学元素表现出一
定的迁移(淋溶)特征, 这两种类型土壤剖面中大部
分元素在淋溶层中的含量低于母质层。土壤的风化
发育程度影响到地球化学元素的迁移与富集, 如紫
色砂页岩风化物发育成的紫色土, 其土壤风化程度
和淋溶程度较高, 因此土壤继承了许多成土母质的
特性, 富集了大量的矿质营养元素; 水稻土由于受
到人类长期耕种的影响, 土壤熟化程度较高, 因此
土壤中有较多元素相对富集。
为进一步研究地球化学元素在土壤剖面中的迁
移与富集特征, 通过聚类分析方法对元素的富集系
数进行统计分析(距离测度为欧氏距离, 采用的系统
聚类方法为 Ward’s method离差平方和法)。从聚类分
析谱系图(图 3)看, 这 25种元素主要可分为 3类: ①
呈较强富集特征的元素 N、P、S、Se。这些元素在
土壤剖面淋溶层的平均含量均高于母质层, 且在各
种土壤类型中基本呈现明显的富集规律。②呈较强
迁移特征的元素 Br、I、Mn、CaO。这些元素在土壤
剖面淋溶层的平均含量均低于母质层, 其中元素 Br、
I、Mn在大多数土壤类型中都呈现明显的迁移规律。
③没有呈现明显迁移与富集规律的其他元素, 大多
数元素在土壤剖面中的含量变化不大, 富集系数的
变化范围相对较小。这反映了前两类元素可能具有
较强的活动性, 而第 3类元素则相对较稳定。
3 讨论与结论
张家界山区地表岩性以各种沉积岩为主, 受中
亚热带山原型季风湿润气候等因素的影响, 几种成
土母质如石灰岩、板页岩、紫色砂页岩风化物发育


图 3 张家界典型植烟生态区土壤地球化学元素 R型
聚类分析谱系图
Fig. 3 Lineage chart of correlation R-type cluster analysis of
geochemical elements in soil profiles in typical tobacco-planting
ecological region of Zhangjiajie mountainous area

形成的土壤均受到了较强的风化作用, 化学风化指
数(CIA)介于73.19~88.03之间, 总体上土壤具有Ca、
Na贫乏而Fe、Al相对富集的化学组成特征。其中紫
色砂页岩的风化作用较强, 成土过程常为周期性侵
蚀作用打断, 阻止或延缓了土壤的正常发育, 因此
紫色砂页岩发育的紫色土的成土时间较短, 且土壤
的淋溶作用较强, 紫色土在性状上保留了许多成土
母质的特性, 矿质养分含量较丰富。石灰岩风化物
主要是通过化学溶蚀作用产生, 含钙质高, 由于石
灰岩土壤脱钙与复钙作用的反复进行, 土壤的富铝
化程度较低, 石灰岩风化物发育的几种类型土壤的
硅铝率、硅铝铁率均大于其他土壤。石灰岩风化物
发育而成的不同类型土壤, 其矿质养分含量呈现出
较大差异, 如石灰岩风化物发育成的水稻土在长期
耕作、施肥等的影响下, 土壤的熟化程度相对较高,
与石灰岩风化物发育的其他土壤相比, 土壤中富集
了更多的地球化学元素, 而石灰岩风化物发育成的
红壤和黑色石灰土中富集的元素则相对较少, 大部
分元素表现出一定的迁移特征。不同母质发育的同
一土壤类型, 其土壤风化发育程度也有差异, 如板
页岩风化物发育成的黄壤的土壤淋溶程度相对而言
小于石灰岩风化物发育成的黄壤。黄壤是张家界山
区的主要土壤类型之一, 面积分布较广, 由于高湿


表 5 张家界典型植烟生态区不同成土母质及土壤类型地球化学元素迁移累集强度
Table 5 Migration and enrichment intensity of geochemical elements of different soil parent materials and soil types in typical tobacco-planting ecological region of Zhangjiajie mountainous area
成土母质
Soil parent
material
土壤类型
Soil type

迁移相对加强 Migration relative reinforcing 富集相对加强 Enrichment relative reinforcing
元素
Element
I Ni Mn Co Al2O3 Sc Fe2O3 MgO Mo La B K2O Y Zn SiO2 Cu Sr CaO Br Na2O Cl Se S N P 板页岩
风化物
Plate shale
efflorescence
黄壤
Yellow soil
富集系数
Enrichment
coefficient
0.64 0.84 0.86 0.87 0.87 0.92 0.92 0.94 0.95 0.96 0.99 1.00 1.00 1.01 1.04 1.04 1.05 1.15 1.16 1.20 1.27 1.28 1.43 2.02 2.27
元素
Element Br I Ni Sc Mn Al2O3 MgO Sr K2O Na2O B Fe2O3 SiO2 Co Y CaO Cu Zn La Mo Cl Se S N P
黄壤
Yellow soil
富集系数
Enrichment
coefficient
0.68 0.85 0.86 0.91 0.92 0.92 0.95 0.96 0.97 0.98 0.98 0.99 1.01 1.01 1.02 1.02 1.06 1.07 1.08 1.10 1.29 1.79 1.92 2.03 2.24
元素
Element Br I Al2O3 MgO Sc Mo Co Mn Fe2O3 Zn K2O Ni Cu Y SiO2 Na2O La Sr B Cl CaO S Se N P
黑色
石灰土
Rendzina 富集系数
Enrichment
coefficient
0.72 0.72 0.93 0.93 0.94 0.94 0.95 0.95 0.96 0.97 0.97 0.98 0.98 1.01 1.03 1.03 1.04 1.04 1.10 1.16 1.39 1.46 1.57 1.68 1.91
元素
Element CaO MgO I Br Sr Mo Ni Cu Na2O Se K2O Al2O3 Cl Zn Mn Co Fe2O3 Sc S N La SiO2 P Y B
红壤
Red soil
富集系数
Enrichment
coefficient
0.12 0.41 0.51 0.53 0.55 0.57 0.58 0.69 0.71 0.79 0.81 0.87 0.89 0.90 0.92 0.93 0.97 0.98 1.06 1.08 1.09 1.14 1.15 1.15 1.17
元素
Element I Mn Br CaO Na2O Co Sr Sc SiO2 Fe2O3 Y La MgO B Al2O3 K2O Zn Cl Ni Cu Mo P Se N S
石灰岩
风化物
Limestone
efflorescence
水稻土
Paddy soil
富集系数
Enrichment
coefficient
0.25 0.45 0.73 0.82 0.92 0.95 0.96 0.99 0.99 1.00 1.01 1.03 1.04 1.04 1.05 1.05 1.07 1.13 1.14 1.19 1.34 1.89 2.07 2.14 2.83
元素
Element
I P Na2O Y SiO2 Cl Br Mo Sr B La Sc Cu Co Zn K2O Mn Fe2O3 Al2O3 CaO MgO Ni Se N S
紫色砂页岩
风化物
Purple sand-
stone efflo-
rescence
紫色土
Purple soil
富集系数
Enrichment
coefficient
0.38 0.46 0.74 0.88 0.91 0.91 0.94 0.99 1.00 1.02 1.08 1.10 1.16 1.17 1.20 1.23 1.24 1.24 1.29 1.31 1.32 1.42 2.04 2.73 2.83
富集系数指某元素淋溶层含量与母质层含量的比值 Enrichment coefficient refers ratio of the element content of leached layer and parent material.


766 中国生态农业学报 2012 第 20卷


的影响 , 矿质岩石分解较彻底 , 土壤肥力较高 , 板
页岩黄壤和石灰岩黄壤土壤剖面中也相对富集了较
多的化学元素。
地球化学背景直接或间接影响土壤的理化性状,
也是影响烟草生长发育和品质的重要因素之一。曾
群望等 [1]通过综合考虑云烟烟叶中矿质元素的丰
度、元素与有机物的相关性以及烤烟从土壤中吸取
元素的强度−吸收率 3方面的情况, 确定了与烤烟内
在品质密切相关的特征元素为 K、Mg、Al、Ca、P
和稀土元素, Cl、Sr和 Si的意义也不容忽视。其中
碱性元素 Ca和Mg与总糖负相关, 与烟碱正相关; K
与烟叶有机物相关性不明显, 主要影响烟叶燃烧性
及其他性质; P与总糖呈正相关, 同时与含氮化合物
呈负相关; Y、Yb、La等 15种稀土元素皆与总糖呈
负相关关系, 同时与含氮化合物呈正相关关系, 相
关系数较大且较稳定; Al 也是烤烟烟叶中富含的元
素, 在红壤环境的烤烟中与有机物相关性较好。卫
迦等[19]对贵州碳酸盐地区土壤地质环境与烤烟生产
进行的研究表明 , 常量元素 K、Ca、P, 微量元素
Mo、Sr、Zn, 稀土元素 Ce、La、Nd和稀有元素 Rb
是烤烟富集的主要元素, 烤烟的产量、品质均受到
诸元素含量、赋存状态、组合特征的影响。张家界
市烤烟总糖、还原糖、总氮、氯含量都处于合理水
平, 烟碱含量略偏高, 上部烟叶钾含量略低, 另外,
烤烟磷含量偏低、硫含量也相对较低[10−11,20]。张家
界植烟土壤的地球化学特征是影响烤烟品质的重要
因素之一, 从元素的丰缺状况及迁移富集特征来看,
张家界植烟土壤剖面中 P、B、Se、Mn、Zn、Cu、
Ni、Y、Sc、La、Fe2O3、SiO2的含量高于中国或世
界土壤元素中值(均值), 而 N、S、Cl、Mo、Co、Sr、
Br、I、CaO、MgO、K2O、Na2O、Al2O3 的含量偏
低, 其中元素 N、P、S、Se呈明显富集特征, Br、I、
Mn、CaO 呈明显迁移特征, 微量元素 B、Zn、Cu
和稀土元素 Y、Sc、La含量较丰富且变化较稳定, 表
明除常量元素 N、P、S以外, 微量元素 Se、B、Zn、
Cu和稀土元素 Y、Sc、La可能是影响张家界烟区烤
烟品质的重要特征元素。从张家界不同土壤类型的
元素迁移富集规律来看, 紫色土、水稻土和黄壤中
相对富含大量有益元素, 有利于提高烟叶的产量(实
地调查时获得高产的烟田基本上是这几类土壤), 而
对于优质烤烟生产, 土壤的质地和保水供水、保肥
供肥特征等物理特性也是关键影响因子, 因此, 张
家界典型植烟土壤的地球化学特征与土壤的理化性
状以及烤烟品质指标之间的相关性及作用机理还需
做进一步更深入的研究。
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