昆明市植煙土壤養(yǎng)分時空變異特征及其適宜性評價

李 杰，徐興陽**，楊樹明，余小芬，孫 勝，劉 海，錢發(fā)聰，鄒炳禮，陳雅瓊，邱學(xué)禮**

(1. 云南省煙草公司 昆明市公司，云南 昆明 650051；2. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，云南 昆明 650205；3. 紅云紅河煙草（集團）有限責(zé)任公司，云南 昆明 650231)

土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況及其各因子協(xié)調(diào)性是土壤肥力的重要指標(biāo)[1]，其直接影響烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)風(fēng)格的形成[2]. 土壤是一個時空連續(xù)的變異體，探明不同煙區(qū)不同時期內(nèi)的土壤養(yǎng)分含量時空變化，是強化耕地質(zhì)量管理、提高耕地土壤生產(chǎn)力和科學(xué)施肥的前提，對保障耕地可持續(xù)利用及提升煙葉品質(zhì)具有重要意義. 土壤pH、有機質(zhì)、水解性氮、有效磷和速效鉀是主控?zé)熑~產(chǎn)質(zhì)量的肥力因子[3]. 在特定研究區(qū)域內(nèi)，如土壤類型[3]、成土母質(zhì)[4]、耕地管理措施[5]、地形地貌[6]和土地利用方式[7]等影響這些指標(biāo). 研究表明，控制pH 值時空變異的主導(dǎo)因子是土壤類型、質(zhì)地和降雨量，其次是水肥管理及土地利用類型[8]. 土壤有機質(zhì)、水解性氮和速效鉀含量的變異受土壤質(zhì)地、氣候和人為因素共同作用[3,9]，土壤質(zhì)地及施肥是引起土壤有效磷空間變異的主要因子[10-11]，不同煙區(qū)土壤在多年自然條件和耕作管理共同作用下，其空間變異性高. 通常采用養(yǎng)分因子的綜合評分法確定其對烤煙種植的適宜程度，聚類分析、因子分析、主成分分析、主成分-聚類分析和模糊數(shù)學(xué)等土壤適宜性評價的主要方法[12]. 近年來，國內(nèi)外學(xué)者運用地統(tǒng)計學(xué)和GIS 技術(shù)，從田塊尺度[13]、縣域尺度[14]和區(qū)域尺度[7]對土壤養(yǎng)分的區(qū)域差異及其驅(qū)動因子進行研究. 昆明因所產(chǎn)“紅花大金元”煙葉清甜香濃、吃味醇和、余味干凈、風(fēng)格突出而受國內(nèi)卷煙工業(yè)的關(guān)注和好評，然而受氣候變化、核心煙區(qū)由壩區(qū)向山區(qū)、半山區(qū)轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的土壤養(yǎng)分不均衡，嚴(yán)重影響煙葉品質(zhì)的提高. 目前，針對昆明植煙土壤的研究集中于土壤速效養(yǎng)分豐缺[15]、土壤養(yǎng)分和烤煙質(zhì)量分析及施氯效應(yīng)[16]、生態(tài)因子與烤煙質(zhì)量特征分析[17]等方面，而關(guān)于土壤養(yǎng)分年際間的變異和評價研究鮮有報道. 本研究以昆明核心植煙區(qū)土壤為對象，分析2010 年和2020 年土壤養(yǎng)分含量的變異趨勢及肥力適宜性，以期為煙區(qū)土壤養(yǎng)分管理、合理施肥提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況 昆明煙區(qū)地處中國西南云貴高原中部，介于24°23′～26°22′N 和102°10′～103°40′E，海拔746～2 310 m，地勢由北向南呈階梯狀逐漸降低，屬低緯高原亞熱帶山地季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫15℃，年降雨量1 035 mm，年均日照2 200 h，無霜期240 d 以上. 耕地總面積43. 21×104hm2，年均種植烤煙約 4.3×104hm2，主要土壤類型為紅壤、紫色土、黃壤、水稻土、沖積土和石灰?guī)r土[17]. 按卡慶斯基土壤質(zhì)地分類制，土壤質(zhì)地以壤土為主，其次是黏土、砂土[17]. 耕作方式多為冬閑、大麥、玉米、綠肥、油菜、蔬菜與烤煙輪作.

1.2 土壤采集與制備 分別于2010 年（1 146 個）和2020 年（1 149 個）在昆明市的富民縣（2 年均為31 個）、宜良縣（298 個和247 個）、祿勸縣（2 年均為153 個）、嵩明縣（51 個和121 個）、尋甸縣（244個和263 個）、安寧市（16 個和54 個）、晉寧區(qū)（34個和40 個）、石林縣（319 個和240 個）8 個區(qū)域采集具有代表性的植煙土樣. 2 年均在烤煙移栽前2月份取樣，每個采樣點按“梅花形”隨機5 點采集0～20 cm 耕層土壤，剔除根系、礫石等雜質(zhì)均勻混合后按四分法獲取0.5 kg 左右的混合土樣帶回實驗室，風(fēng)干、混勻、磨細(xì)、過篩留存待測，GPS 定位采樣點經(jīng)緯度、海拔.

1.3 測定項目與方法 土壤pH 采用電位法（水土質(zhì)量比2.5∶1）測定；有機質(zhì)質(zhì)量比采用重鉻酸鉀氧化法測定；水解性氮質(zhì)量比采用堿解擴散法測定；有效磷（以P2O5計）質(zhì)量比采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀（以K2O 計）質(zhì)量比采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定[18].

1.4 植煙土壤pH 和主要有效養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)及土壤肥力適宜性指數(shù) 參照楊榮生[19]和陳江華等[20]分級標(biāo)準(zhǔn)，劃分土壤pH、有機質(zhì)和其他養(yǎng)分指標(biāo).土壤pH 的分級標(biāo)準(zhǔn)：pH<4.5（極強酸）、4.5≤pH<5.5（強酸）、5.5≤pH<6.5（微酸）、6.5≤pH<7.5（中性）、7.5≤pH<8.5（微堿）. 土壤有機質(zhì)和其他養(yǎng)分分級指標(biāo)見表1. 參考楊榮生[19]和吳杰等[21]的方法，土壤pH、有機質(zhì)、水解性氮、有效磷采用拋物線型函數(shù)，速效鉀用S 型函數(shù)，分別計算隸屬度值，權(quán)重采用各項肥力指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)確定[21]. 以各指標(biāo)的隸屬度值及其權(quán)重乘積求和，計算土壤肥力適宜性指數(shù)（integrated feasibility index，IFI）[14,21]. 根據(jù)隸屬度函數(shù)曲線中轉(zhuǎn)折點（x1、x2、x3、x4）的相應(yīng)取值，參考張明發(fā)等[12]分類標(biāo)準(zhǔn)，將IFI 分為 5 個等級，優(yōu)（IFI≥0.8）、良好（0.6≤IFI<0.8）、中等（0.4≤IFI<0.6）、較差（0.2≤IFI<0.4）和差（IFI<0.2）.

表1 植煙土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)Tab. 1 Soil nutrient classification of tobacco-growing soil

1.5 數(shù)據(jù)處理 經(jīng)正態(tài)檢驗（K-S檢驗法）剔除異常值（3 除法）后，采用 Excel 2010 和SPSS 19.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH 統(tǒng)計特征值及等級分布 由表2 可知，2020 年全市植煙土壤pH 變幅3.98～8.42，均值為6.03. 強酸、微酸和中性土壤的分布頻率分別為31.76%、33.77%和25.13%，三者之和占90%以上.與2010 年相比，2020 年土壤pH 的極差和標(biāo)準(zhǔn)差增加，pH 降低0.15，中性和微堿水平的土壤樣點比例變化不大，但微酸樣點比例下降，強酸增加. 從地理區(qū)域看，2020 年8 個植煙縣土壤pH 均值范圍5.74～6.48，宜良最低，富民最高，兩個縣pH 均值與其他縣（區(qū)）差異達極顯著水平，變異系數(shù)12.60%～18.12%，屬于中等變異. 其中宜良、晉寧強酸土壤分布頻率分別為41.61%、50.0%，表明土壤存在酸化趨勢需采取相應(yīng)措施進行調(diào)節(jié)；祿勸和嵩明微酸性土壤分布頻率分別為43.79%、43.14%，屬最適宜；富民、尋甸、安寧、石林的土壤處于中性至微堿級別的土樣占比分別為51.61%、35.25%、37.50%和36.37%，屬基本適宜. 與2010 年相比，2020 年8 縣土壤pH 的極差和標(biāo)準(zhǔn)差均增加，pH 降低0.01～0.37，其中石林、晉寧、安寧和宜良土壤pH 降幅最大，富民、尋甸無顯著變化. 上述分析可見，近10 a全市植煙土壤pH 呈下降趨勢.

表2 植煙土壤pH 值分布Tab. 2 pH distribution of tobacco-planting soils

2.2 土壤有機質(zhì) 由表3 可知，2020 年全市土壤有機質(zhì)變幅2.83～83.93 g·kg-1，均值為32.55 g·kg-1，有機質(zhì)整體屬中偏高水平，共85.00%的樣點集中在中等至很高等級. 與2010 年相比，2020 年有機質(zhì)均值增加1.87 g·kg-1，其質(zhì)量比極差和標(biāo)準(zhǔn)差增加，2010 年和2020 年其變異系數(shù)分別為41.10%、48.69%，均屬中等變異. 從地理區(qū)域看，2020 年8 個植煙縣土壤有機質(zhì)均值變幅24.65～39.48 g·kg-1，石林最低，祿勸最高，其均值均與其他縣（區(qū)）差異達顯著水平，變異系數(shù)26.94%～55.72%，其較2010 年增加1.16～11.37 g·kg-1，安寧增加最多，祿勸增加最少，這與安寧煙區(qū)大力推廣煙用商品有機肥有關(guān). 從不同煙區(qū)樣點分布頻率看，2020 年富民和安寧處于中高、高級別的樣點占比較2010 年增加最多. 富民、祿勸、嵩明、尋甸的土壤有機質(zhì)質(zhì)量比較高，2020 年其處于中高、高級別的樣點占比分別為80.64%、73.20%、75.20%和73.00%，其他區(qū)域土壤有機質(zhì)處于中等，較適宜生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉. 上述分析可見，全市土壤有機質(zhì)質(zhì)量比總體上屬偏高和豐富水平.

表3 植煙土壤有機質(zhì)質(zhì)量比和分布Tab. 3 Organic matter contents and frequency distribution of tobacco-planting soils

2.3 土壤水解性氮 由表4 可知，2020 年昆明市土壤水解性氮質(zhì)量比均值為122.68 mg·kg-1，變幅21.39～294.11 mg·kg-1，水 解 性 氮 整 體 較 高，較2010 年增加7.21 mg·kg-1，2010 年、2020 年其變異系數(shù)分別為42.11%、33.46%，均屬中等變異. 從地理區(qū)域看，2020 年8 個縣土壤水解性氮質(zhì)量比均值變幅105.54～153.09 mg·kg-1，變異系數(shù)25.20%～40.83%，均值從高到低依次為：富民>祿勸>尋甸>嵩明>安寧>晉寧>宜良>石林，富民、祿勸、尋甸的水解性氮顯著高于其他縣. 從土壤水解性氮不同級別分布頻率看， 2020 年富民、祿勸、尋甸的土壤水解性氮質(zhì)量比處于中高、高級別的樣點占比分別為77.42%、66.67%和61.98%，較2010 年明顯增加，其他區(qū)域土壤水解性氮共23.19%～55.56%集中在高至很高等級. 上述分析表明，全市植煙土壤水解性氮質(zhì)量比呈增加趨勢.

表4 植煙土壤水解性氮質(zhì)量比和分布Tab. 4 Available N contents and frequency distribution of tobacco-planting soils

2.4 土壤有效磷 由表5 可知，2020 年全市土壤有效磷質(zhì)量比均值為42.33 mg·kg-1，變幅3.22～163.65 mg·kg-1，有效磷在中等以上等級占比86.65%，整體處于中偏高水平，且較2010 年增加5.17 mg·kg-1.2010 年與2020 年土壤有效磷變異系數(shù)分別為73.12%、80.98%，變異程度較高. 從不同煙區(qū)來看，2020 年8 個縣土壤有效磷質(zhì)量比均值為28.72～73.02 mg·kg-1，變異系數(shù)63.08%～95.35%，其中富民變異最大，由高到低依次為：安寧>嵩明>宜良>晉寧>尋甸>祿勸>富民>石林. 從分布頻率看，2020年晉寧、祿勸和尋甸屬于中高、很高級別的樣點占比較2010 年增加，分別為42.79%、9.16%和7.38%；而嵩明、安寧、晉寧的土壤有效磷質(zhì)量比處于高、很高級別的樣點較高占比分別為94.11%、93.75%和85.29%，其顯著高于其他煙區(qū)相同級別樣本占比.

表5 植煙土壤有效磷質(zhì)量比和分布Tab. 5 Olsen-P contents and frequency distribution of tobacco-planting soils

2.5 土壤速效鉀 由表6 可知，2020 年全市土壤速效鉀質(zhì)量比均值達312.49 mg·kg-1，變幅25.21～996.14 mg·kg-1，其中84.65%集中在高至很高等級，整體屬豐富，較2010 年增加53.05 mg·kg-1，且很高級占比較2010 年顯著提高. 2010 年與2020 年土壤速效鉀變異系數(shù)分別為57.49%、48.96%，兩年變異程度均較高. 從不同煙區(qū)看，2020 年8 個縣土壤速效鉀質(zhì)量比均值為224.55～357.63 mg·kg-1，變異系數(shù)36.78%～56.20%，其高到低依次為：富民>晉寧>尋甸>嵩明>祿勸>宜良>安寧>石林，富民、晉寧、尋甸的土壤速效鉀顯著高于其他縣. 2020 年各縣土壤速效鉀較2010 年增加11.03～100.60 mg·kg-1，其中尋甸增加最多，祿勸相對穩(wěn)定. 從土壤速效鉀級別分布頻率看，2020 年安寧、嵩明和宜良屬于中高、很高合計占比較2010 年有較大上升，分別提高14.58%、13.42%和12.04%. 2020 年富民、嵩明、宜良、尋甸的土壤速效鉀質(zhì)量比處于高、很高級別的樣點合計占比分別為96.78%、96.07%、90.27%和90.17%，其他區(qū)域土壤速效鉀為70.53%～88.23%，處于高至很高等級.

表6 植煙土壤速效鉀質(zhì)量比和分布Tab. 6 Available K contents and frequency distribution of tobacco-planting soils

2.6 植煙土壤肥力適宜性指數(shù)分析 由表7 可知，有機質(zhì)、水解性氮權(quán)重年際間相當(dāng)，pH、有效磷和速效鉀質(zhì)量比年際間差異明顯. 從表8 可以看出，2020 年和2010 年全市IFI 均值分別為 0.63、0.66，變異系數(shù)分別為19.05%、19.70%，2020 年IFI 均值較2010 年降低0.03，年際間差異顯著，IFI 處于良好和優(yōu)等級共計占比分別為54.82%、58.02%. 從不同煙區(qū)看，2020 年和2010 年8 個植煙縣土壤IFI 均值分別為0.58～0.67、0.59～0.74，變異系數(shù)14.52%～24.14%、17.57%～27.12%. 2020 年IFI 從高到低依次為尋甸>安寧>石林>富民>祿勸、嵩明>晉寧>宜良，尋甸、安寧土壤IFI 顯著高于其他縣. 從土壤IFI不同等級樣本分布看，2020 年尋甸、富民的土壤IFI 處于良好和優(yōu)等級的樣本占比最高，分別為65.20%、65.09%，其次為安寧、祿勸，分別58.91%、57.65%，宜良、晉寧最低，分別為47.45%、35.89%，兩年均沒有處于“差”檔次的土壤. 由上述分析可知，昆明植煙土壤總體適宜性有所下降，這與研究區(qū)有機質(zhì)、速效氮磷鉀上升密切相關(guān).

表7 土壤肥力指標(biāo)所屬隸屬函數(shù)類型、閾值及權(quán)重Tab. 7 Types of membership function, threshold values and weights of soil fertility indexes

表8 植煙土壤肥力適宜性指數(shù)及土壤肥力等級分布Tab. 8 Integrated feasibility index (IFI) and soil fertility grade distribution of tobacco-planting soil

3 討論

烤煙生長發(fā)育及品質(zhì)風(fēng)格形成對土壤養(yǎng)分狀

況反應(yīng)十分敏感[2]，外源養(yǎng)分合理投入是調(diào)控土壤養(yǎng)分供給平衡及滿足烤煙生產(chǎn)需求的高效管理途徑[12]. 本研究表明，10 a 間昆明市土壤pH 總體下降0.15，呈現(xiàn)強酸性和酸性土壤等級占比升高，其中石林、晉寧、安寧和宜良土壤pH 下降較快，富民、尋甸土壤pH 值變化趨于穩(wěn)定，此變化趨勢與敖金成等[15]研究結(jié)果基本一致，這可能與昆明植煙土壤成土母質(zhì)、輪作作物和施肥有關(guān). 一方面，石林、晉寧、安寧和宜良植煙土壤成土母質(zhì)以石灰?guī)r、砂巖和頁巖發(fā)育，脫硅富鋁化強的紅壤為主，豐富的降雨導(dǎo)致土壤膠體上的代換性鹽基大量淋失，氫離子取而代之，造成土壤pH 降低[17]. 另一方面，石林、晉寧、安寧和宜良的蔬菜-烤煙輪作較為普遍，其中蔬菜收獲帶走較多的鹽基養(yǎng)分，從而驅(qū)動土壤酸化[8]，同時部分煙區(qū)前茬蔬菜種植過程中投入大量的化學(xué)氮肥及硫酸銨、硫酸鉀、過磷酸鈣等生理酸性肥料，造成土壤有機質(zhì)、鹽基飽和度下降，H+和Al3+增加，從而引起土壤pH 下降[22]. 有研究表明，在紅壤上長期施用化學(xué)氮肥（單施氮肥、氮磷或氮磷鉀配施），土壤酸堿緩沖容量下降，使酸性土壤酸化加劇[23]，其中單施氮肥降幅最大，而化肥配施有機肥、有機肥或秸稈還田對改善和調(diào)節(jié)土壤酸化效果較好[24].

本研究中，當(dāng)前研究區(qū)土壤有機質(zhì)、水解性氮、有效磷和速效鉀含量極豐富，各指標(biāo)為中偏高變異，均較2010 年升高. 其中有機質(zhì)質(zhì)量比為32.55 g·kg-1，較2010 年 增 加1.87 g·kg-1，變 異 系 數(shù) 為48.69%. 研究區(qū)土壤有機質(zhì)略有升高，以及各煙區(qū)間有機質(zhì)含量差異大，這與煙區(qū)間氣候、土壤理化及農(nóng)業(yè)管理因子有關(guān). 一方面，不同煙區(qū)雨熱格局控制著土壤有機質(zhì)合成和分解動態(tài)平衡，年均降雨量大，氣溫高，土壤微生物活性強，可加快有機質(zhì)的分解和礦化[4]，而土壤質(zhì)地為有機質(zhì)的主控因子，土壤顆粒大可增強土壤通透性，促進有機質(zhì)礦化，高黏粒含量的土壤對養(yǎng)分的吸收和固定力強，質(zhì)地越重的土壤有機質(zhì)積累明顯[9]. 另外，近年來昆明各煙區(qū)外源養(yǎng)分（農(nóng)家肥、商品有機肥）投入增加[25]，從而顯著提高土壤有機質(zhì)含量. 研究區(qū)土壤水解性氮質(zhì)量比較高，在中等至很高等級的樣本占比達78.8%，較2010 年提高7.21 mg·kg-1，變異系數(shù)為33.46%，一是與土壤有機質(zhì)含量增高有關(guān)，其次可能與滇中復(fù)種指數(shù)高，如石林、晉寧、安寧和宜良煙區(qū)存在“煙-蘿卜”、“煙-豌豆”輪作模式，前茬蔬菜種植時投入大量氮素肥料有關(guān). 2020 年全市土壤有效磷質(zhì)量比均值為42.33 mg·kg-1，共86.65%集中在中等至很高等級，較2010 年增加5.17 mg·kg-1，變異系數(shù)為80.98%. 近幾年，研究區(qū)烤煙氮磷鉀施肥比例在1∶2∶3 左右，化學(xué)磷肥施入土壤后被土壤礦物吸附固定，磷素移動性差，當(dāng)季利用率低，造成植煙土壤有效磷不斷積累，磷的容量和強度增加[7,11]，說明在烤煙生產(chǎn)上應(yīng)持續(xù)保持低磷投入，將土壤有效磷質(zhì)量比恢復(fù)到烤煙適宜范圍10～20 mg·kg-1. 當(dāng)前全市土壤速效鉀質(zhì)量比為312.49 mg·kg-1，共84.65%集中在高至很高等級，處于豐富水平，較2010 年提高53.05 mg·kg-1，變異系數(shù)為48.96%，這與研究區(qū)重施鉀肥施用及成土母質(zhì)密切相關(guān)[3,17]. 本研究中，2020 年全市IFI 均值為 0.63，變異系數(shù)為19.05%，IFI 處于良好和優(yōu)等級合計占比達54.82%，較2010 年降低0.03. IFI有下降趨勢，一方面與土壤酸堿度及有機質(zhì)、水解性氮、有效磷和速效鉀年際間豐缺程度變化有關(guān).另外，盡管不同年份各項肥力指標(biāo)隸屬度函數(shù)相一致，但各指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)則不同，從而影響各自權(quán)重，最終導(dǎo)致IFI 降低.

4 結(jié)論

研究區(qū)當(dāng)前植煙土壤pH 變異中等，石林、晉寧、安寧和宜良的土壤pH 呈下降趨勢，富民、尋甸pH 變化趨于穩(wěn)定. 目前全市土壤有機質(zhì)、水解性氮、有效磷和速效鉀變異性較高，整體處于較豐富水平，上升趨勢明顯，但研究區(qū)土壤總體適宜性下降，存在土壤養(yǎng)分失衡、土壤酸化及高氮、高磷風(fēng)險. 今后一段時期內(nèi)烤煙生產(chǎn)上施肥策略建議是：持續(xù)施用有機肥，實行區(qū)域性“減氮控磷”和施入酸性土壤調(diào)理劑緩解土壤酸化；結(jié)合當(dāng)前膜下小苗移栽方式，盡可能采用水肥一體化施肥技術(shù)，提高水肥調(diào)控效應(yīng)及氮磷鉀肥料利用率.