貴州植煙土壤養(yǎng)分狀況與生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征分析

劉海偉，孫光軍，李 想，李光雷，王定斌，楊 靜，沈子霞，鄒光進(jìn)，張 龍，石 屹，王程棟*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 煙草研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 煙草生物學(xué)與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266101；2.貴州省煙草公司，貴州 貴陽 550004；3.貴州省煙草科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550081；4.貴州省黔東南州煙草公司，貴州 凱里 556099；5.貴州省遵義市煙草公司，貴州 遵義 563102；6.貴州省畢節(jié)市煙草公司，貴州 畢節(jié) 551713）

土壤養(yǎng)分是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。對于農(nóng)田來說，土壤養(yǎng)分的形成是土壤母質(zhì)、氣候、生物、地形等自然因素和耕作、施肥、灌溉、土壤改良等人為因素共同作用的結(jié)果。在形成過程中土壤自然產(chǎn)生了空間的變異，也在人類生產(chǎn)活動(dòng)的參與下加深了垂直方向上的變異。不同植被類型土壤養(yǎng)分含量在垂直空間分布上具有差異且表現(xiàn)出不同的變化趨勢［1］。

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是研究生態(tài)系統(tǒng)能量平衡與多種化學(xué)元素平衡的科學(xué)，主要強(qiáng)調(diào)碳（C）、氮（N）、磷（P）這3種主要組成元素的關(guān)系［2］。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)最初被應(yīng)用在植物組織和森林、草原及濕地土壤生態(tài)的研究中。由于種植和施肥等管理措施的不同，農(nóng)田土壤C、N、P等養(yǎng)分狀況容易失衡，養(yǎng)分的失衡則會限制土壤生產(chǎn)力。研究C、N、P的循環(huán)和平衡機(jī)制，有助于揭示生態(tài)系統(tǒng)過程的影響因素及其作用機(jī)制，可為農(nóng)田土壤培肥和維持較高的生產(chǎn)力提供一定的指導(dǎo)。因此，近年來，一些學(xué)者也開始將生態(tài)化學(xué)計(jì)量的理論用于農(nóng)田土壤的生產(chǎn)與管理［2-4］。

煙草是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，對國民經(jīng)濟(jì)和山區(qū)脫貧致富作出了重大貢獻(xiàn)。許多典型煙草產(chǎn)區(qū)相對固定，數(shù)十年來產(chǎn)區(qū)內(nèi)肥料、農(nóng)藥等農(nóng)用物資由當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)主管部門進(jìn)行統(tǒng)一采購，施用方式和施用量也根據(jù)生產(chǎn)規(guī)范，所以植煙土壤人為影響在區(qū)域內(nèi)造成的變異要遠(yuǎn)小于其他農(nóng)業(yè)利用類型，因此使得這一利用類型值得單獨(dú)研究［5］。很多學(xué)者也根據(jù)研究結(jié)果對植煙土壤養(yǎng)分分析與養(yǎng)分管理提出了一些見解，推動(dòng)了煙草行業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展［6］。

貴州是我國煙草生產(chǎn)大省，也是各個(gè)工業(yè)優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)基地。貴州為山地高原，海拔670~2150 m，土壤類型多，成土母質(zhì)復(fù)雜，地帶性與非地帶性土壤分布交錯(cuò)，非地帶性土壤分布十分明顯，土壤養(yǎng)分含量變異也較為顯著。因此，研究貴州植煙土壤養(yǎng)分狀況與化學(xué)計(jì)量學(xué)具有非常重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與前處理

采集貴州植煙區(qū)耕層土壤樣品89個(gè)點(diǎn)、剖面樣品20個(gè)點(diǎn)。采樣地點(diǎn)涉及9個(gè)地市州13縣（區(qū)、市），包括銅仁市（德江縣）、遵義市（播州區(qū)、道真縣、余慶縣）、黔東南州（凱里市、天柱縣）、黔南州（貴定縣）、貴陽市（開陽縣）、畢節(jié)市（黔西縣、威寧縣）、安順市（西秀區(qū)）、六盤水市（盤州市）、黔西南州（興仁市）。耕層土壤樣品于同一田塊耕作層（0~20 cm）隨機(jī)多點(diǎn)采樣，組成混合農(nóng)化土樣，在分揀雜物后采用四分法取2.0 kg土樣，自然風(fēng)干，其中部分研磨后過篩備用。剖面樣品按土壤發(fā)生學(xué)分層采集，基本分為Ap1-Ap2-B（x）1-B（x）2/BC-C五層取樣，每層次取1.0 kg，自然風(fēng)干，研磨后過篩備用。

1.2 指標(biāo)檢測

土壤指標(biāo)檢測均采用標(biāo)準(zhǔn)方法。土壤pH值檢測采用電位法；有機(jī)質(zhì)含量的測定采用重鉻酸鉀容量法；全氮含量的測定采用自動(dòng)定氮儀法；全磷含量的測定采用鉬銻抗顯色分光光度法；全鉀含量的測定采用火焰光度法；堿解氮含量的測定采用堿解擴(kuò)散法；有效磷含量的測定采用連續(xù)流動(dòng)分析儀法；速效鉀含量的測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法；交換性鈣和鎂含量的測定采用乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法；氯離子含量的測定采用沉淀比色法；有效態(tài)鐵、錳、銅、鋅含量的測定采用二乙三胺五乙酸（DTPA）浸提-原子吸收分光光度法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

土壤大量養(yǎng)分的供應(yīng)強(qiáng)度（I）采用以下公式計(jì)算：

上式中：Cava為大量養(yǎng)分的有效態(tài)檢測值（mg/kg）； Ctot為大量養(yǎng)分的全量檢測值（g/kg）。

應(yīng)用IBM SPSS 19.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；方差分析采用Ducan法（P＜0.05）；其他圖表則 使 用Microsoft Excel 2010或Origin Pro 8.0軟 件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕層土壤養(yǎng)分含量的總體情況

貴州植煙土壤耕層的pH值和養(yǎng)分含量見表1。數(shù)據(jù)分析表明，80%土壤樣品的pH值在4.5~7.5之間，土壤酸堿性總體適宜，且變異較小，其中天柱、威寧、道真、西秀和貴定的土壤pH平均值小于5.5，部分地塊應(yīng)注意控制土壤酸度。

有57.3%的土壤樣品的有機(jī)質(zhì)含量大于2.5%，超過60%的土壤樣品的全氮含量大于1.5 g/kg，而堿解氮含量超過100 mg/kg的樣品比例達(dá)到87.6%，土壤全磷含量大于0.8 g/kg的樣品比例為60.7%，有效磷含量超過20 mg/kg的樣品比例為49.5%，說明土壤氮磷較為豐富。土壤鉀含量的變異略大于氮、磷，全鉀含量小于20 g/kg的樣品超過60%，速效鉀含量也有1/4的樣品小于150 mg/kg，說明部分土壤鉀元素有所不足，需要補(bǔ)充。土壤樣品氯離子含量的變異較大，雖然85.4%的土壤樣品的氯離子含量在5~30 mg/kg的適宜范圍內(nèi)，但也有11.2%的樣品氯離子含量超過30 mg/kg。另外，土壤交換性鈣、交換性鎂、有效鐵和有效錳含量等指標(biāo)的變異系數(shù)也較大。

表1 貴州耕層土壤理化特性描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

從地域分析，盤州的土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量顯著高于道真和黔西的，黔西的堿解氮含量也低于天柱和興仁的，所以黔西需要注意補(bǔ)充氮肥。土壤磷含量變異大，總體上盤州、開陽、興仁、西秀、凱里、天柱、道真的全磷含量顯著高于黔西、播州、貴定、余慶、德江和威寧的；貴定、天柱、威寧的有效磷含量顯著高于盤州、興仁、余慶、德江、黔西、道真、播州和凱里的。黔西和興仁的全鉀含量顯著高于威寧、西秀、貴定、開陽和余慶的；興仁、開陽、道真的速效鉀含量顯著高于播州、西秀、威寧、德江的，所以前者需要注意控制鉀素的流失。凱里的交換性鈣、交換性鎂含量顯著高于西秀和道真的。凱里、興仁和盤州的有效鐵含量較低，需要補(bǔ)充施入含鐵肥料。有效錳含量在不同區(qū)域間無顯著差異。有效銅含量在凱里、天柱、開陽、播州等地較低，需要補(bǔ)充施入含銅肥料。威寧的有效鋅含量顯著高于其他縣（區(qū)）的。此前有研究表明，盤州植煙土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷總體上較豐富，速效氮、速效磷、全鉀和速效鉀含量基本處于中等至偏低水平［7］，這與本文的研究結(jié)果一致。

2.2 土壤剖面養(yǎng)分的垂直分布

剖面土壤分析發(fā)現(xiàn)，土壤各指標(biāo)由下層到上層基本上呈增加趨勢（表2）。具體來說，pH值、全鉀、交換性鈣、交換性鎂含量在各層次間無顯著性差異。有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量在上兩層均顯著增加，全磷、有效磷、速效鉀、有效鐵、有效錳、有效銅、氯離子含量在耕層顯著增加，均表現(xiàn)出表層聚集的現(xiàn)象，可能是受到耕作與施肥的影響。耕層土壤的速效鉀平均含量是下層的3倍左右，而全鉀含量無顯著差異，說明一方面土壤需要補(bǔ)充鉀，另一方面需要控制鉀的流失。另外，需要特別指出的是，鈣、鎂等陽基離子在耕層沒有顯著增加，且在耕層各有1/3的樣品含量不足，說明部分產(chǎn)區(qū)需要補(bǔ)充鈣鎂肥。有研究表明貴州中部山區(qū)植煙土壤的有機(jī)質(zhì)含量在剖面垂直分布上均表現(xiàn)出較強(qiáng)的表聚性，且有機(jī)質(zhì)含量與海拔高度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系［8］。

2.3 土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析

土壤酸堿度對土壤養(yǎng)分的有效性具有一定的影響。泊松相關(guān)分析結(jié)果表明，土壤pH值與堿解氮、有效磷、交換性鈣、交換性鎂、有效鐵、有效錳和有效鋅含量均顯著或極顯著相關(guān)。

土壤有機(jī)質(zhì)含量直接影響氮素的營養(yǎng)情況，有機(jī)質(zhì)的分解礦化與土壤酸堿度、溫度等相關(guān)［6］。本研究相關(guān)分析也發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量與堿解氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、氯離子含量均顯著或極顯著相關(guān)。另外，耕層和剖面所有297個(gè)土壤樣品的有機(jī)質(zhì)含量分別與全氮和堿解氮含量呈顯著線性相關(guān)，R2均大于0.78；而耕層土壤樣品同樣的相關(guān)性較弱，R2均小于0.68（圖1），這是因?yàn)楦麑油寥朗苋藶槭┤敕柿系挠绊?，無機(jī)態(tài)氮比例得以提升。

在本研究的土壤養(yǎng)分指標(biāo)之間也存在一定的相關(guān)性，例如：全氮含量與全磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、氯離子呈顯著或極顯著相關(guān)；全磷與堿解氮、速效鉀、有效銅、有效鋅呈顯著或極顯著相關(guān)；全鉀與有效磷、交換性鈣呈顯著或極顯著相關(guān)；堿解氮與速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、有效鐵、有效銅、有效鋅、氯離子呈顯著或極顯著相關(guān)；有效磷與交換性鈣、交換性鎂均呈顯著相關(guān)；速效鉀與有效鋅、氯離子呈顯著或極顯著相關(guān)；在交換性鈣、交換性鎂、有效鐵三者之間還存在極顯著相關(guān)關(guān)系；有效銅含量與有效鐵、有效鋅含量均呈極顯著相關(guān)。

表2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)在剖面樣品的垂直分布

圖1 全部土壤樣品（上）和耕層土壤樣品（下）有機(jī)質(zhì)含量與全氮和堿解氮含量的關(guān)系

2.4 貴州土壤大量養(yǎng)分的供應(yīng)強(qiáng)度

參照南方地區(qū)耕地土壤肥力診斷與評價(jià)（NY/T 1749─2009）中的標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算得出南方土壤氮、磷、鉀供應(yīng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)分別為10.5、1.27和0.50。對貴州煙區(qū)采樣點(diǎn)土壤大量元素的分析結(jié)果（圖2）表明，僅有6.7%的樣點(diǎn)達(dá)到氮供應(yīng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)；磷的供應(yīng)強(qiáng)度較高，有3/4的樣點(diǎn)達(dá)到要求；有92.1%的樣點(diǎn)超過了鉀供應(yīng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，對比上述土壤全量養(yǎng)分和有效態(tài)養(yǎng)分含量的分析結(jié)果，貴州植煙區(qū)應(yīng)穩(wěn)住土壤氮的含量，控制有效鉀并補(bǔ)充緩效鉀庫。

從地域看，黔西、盤州和凱里的氮供應(yīng)強(qiáng)度較低，其中盤州的全氮和堿解氮供應(yīng)強(qiáng)度均較高，而黔西和凱里的堿解氮供應(yīng)強(qiáng)度較低，需要提高氮的有效性，特別是黔西，全氮的供應(yīng)強(qiáng)度也較低，還需要補(bǔ)充氮庫。盤州、興仁、余慶的磷供應(yīng)強(qiáng)度較低，這3個(gè)縣區(qū)的有效磷含量均較低，且盤州、興仁的全磷含量較高。貴定、威寧、開陽、天柱的鉀供應(yīng)強(qiáng)度較高，其中威寧、貴定的全鉀含量較低，開陽和天柱的速效鉀含量較高，所以要注意緩效鉀的提升，培升鉀庫，同時(shí)防控速效鉀的流失。

從土壤發(fā)生學(xué)剖面垂直分布分析（圖2），從土壤底層向上，養(yǎng)分供應(yīng)強(qiáng)度有增加的趨勢，特別是耕層的養(yǎng)分供應(yīng)強(qiáng)度顯著高于底層的，主要是因?yàn)楦麑虞^好的水分、通氣性和微生物活動(dòng)使耕層養(yǎng)分的有效性得到了提升。

圖2 養(yǎng)分供應(yīng)強(qiáng)度的耕層箱圖和剖面折線圖

2.5 貴州土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

調(diào)查耕層土壤的C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K，它 們的平均值分別為17.14、33.05、2.36、1.94、0.13、0.07。從圖3的變異系數(shù)可以看出，C∶N、C∶P和N∶P的變異較小，而C∶K、N∶K、P∶K的變異較大，可能是受土壤全鉀含量波動(dòng)的影響。

從剖面土壤的垂直分布（圖4）來看，從深層到表層，上述6個(gè)土壤化學(xué)計(jì)量學(xué)比值均呈上升趨勢，且表層與最深兩層存在顯著性差異。在6個(gè)參數(shù)中，C∶P、C∶K和N∶K隨土壤層次的變化較C∶N、N∶P、P∶K強(qiáng)烈，可能與C和N代謝的驅(qū)動(dòng)力有關(guān)。

圖3 耕層土壤化學(xué)計(jì)量學(xué)箱圖

圖4 土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)剖面折線圖

3 討論

適宜的土壤養(yǎng)分是獲得優(yōu)質(zhì)煙葉的基礎(chǔ)，土壤養(yǎng)分是煙草栽培與營養(yǎng)調(diào)控的依據(jù)［9］。作為全國第二大煙草產(chǎn)區(qū)的貴州，各地市也進(jìn)行了土壤養(yǎng)分方面的研究。張龍等［10］和張友杰等［11］對貴州畢節(jié)植煙土壤養(yǎng)分變化的研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)、全氮和速效磷含量總體偏高，速效鉀含量也有增加的趨勢。畢節(jié)煙區(qū)土壤pH值與全氮含量呈極顯著正相關(guān)，與有效硼和有效鋅的含量呈顯著正相關(guān)，而與銨態(tài)氮、有效錳、有效鐵的含量呈極顯著負(fù)相關(guān)［12］。遵義市耕地土壤的全氮含量處于上等水平，有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀含量處于中等水平［13］。遵義植煙土壤緩效鉀和速效鉀含量近10年也在顯著增加，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷含量以及pH值則有降低的趨勢［14］。六盤水市各植煙區(qū)土壤堿解氮豐富，速效磷含量偏低，速效鉀含量豐富至適宜，有機(jī)質(zhì)含量較高［15］。黔南山地植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量適中，堿解氮、有效磷和速效鉀含量豐富［16］。本研究的結(jié)果也表明，貴州植煙土壤養(yǎng)分總體豐富，在養(yǎng)分管理上需要適當(dāng)控制氮、磷的投入，增施含鉀有機(jī)肥料以補(bǔ)充鉀庫。

土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比既可以作為土壤質(zhì)量狀況和養(yǎng)分供給能力的重要指標(biāo)，也可作為土壤養(yǎng)分礦化作用和固持作用的評價(jià)指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)，所調(diào)查土壤的C∶N高于全國表層土壤平均水平（12.34），而C∶P和N∶P的平均值均低于全國表層土壤平均水平（分別為52.65、4.20）［17］。本研究較高的C∶N表明微生物同化的碳量超過了礦化作用所提供的有效氮量，容易造成植物缺氮［2］。在本研究中，C∶P較低，說明土壤磷的釋放能力較強(qiáng)，磷有效性較高，且隨土壤剖面從下垂直往上，磷有效性增加。N∶P也可作為判斷限制性養(yǎng)分的重要依據(jù)，一般溫帶氮素是土壤的主要限制因子。本研究較低的N∶P也說明如此［3］。煙草是喜鉀作物，在煙草生產(chǎn)中投入的鉀肥一般多于其他作物。本研究土壤的C∶K、N∶K和P∶K與其他植煙土壤接近［4］。

4 結(jié)論

貴州植煙土壤氮、磷含量較為豐富，部分土壤需要補(bǔ)充鉀、鈣、鎂。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、速效鉀、有效鐵、有效錳、有效銅、氯離子含量均表現(xiàn)出表層聚集的現(xiàn)象，且大量養(yǎng)分有效態(tài)的表層增加量大于全量，養(yǎng)分供應(yīng)強(qiáng)度最大。貴州植煙耕層土壤C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K的 平 均 值 分 別 為17.14、33.05、2.36、1.94、0.13、0.07，各計(jì)量學(xué)比值由土壤深層到表層均有增加的趨勢；所研究土壤的C∶N較高，C∶P和N∶P較低，且氮是土壤的主要限制因子。