昆明煙區(qū)植煙土壤pH與中微量元素時空變異性研究①

徐興陽，邱學禮，楊樹明，田臨卿，羅 云，劉忠華，李 杰，魯 耀，周 敏，耿川雄，周紹松，陳雅瓊*，余小芬*

昆明煙區(qū)植煙土壤pH與中微量元素時空變異性研究①

徐興陽1，邱學禮2，楊樹明2，田臨卿1，羅 云3，劉忠華4，李 杰1，魯 耀2，周 敏2，耿川雄2，周紹松2，陳雅瓊1*，余小芬2*

(1 云南省煙草公司昆明市公司，昆明 650051；2 云南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所, 昆明 650205；3 紅云紅河煙草(集團)有限責任公司，昆明 650202；4 中國煙草總公司云南省公司，昆明 650011)

分析昆明煙區(qū)5個年度(2012—2020年)共4 888份植煙土壤pH和中微量營養(yǎng)元素的年際變化特征，為預測和阻控土壤酸化及科學配施中微量營養(yǎng)元素提供理論基礎。結(jié)果表明，2012—2020年：①pH均值介于6.0 ～ 6.4，主要分布在微酸性至中性范圍，隨種植年限的增加，強酸性土壤頻度增加，微酸性和中性土壤減少；②有機質(zhì)均值變幅為29.7 ～ 32.2 g/kg，自2018年后有所下降；③交換性鎂均值介于240.6 ～ 270.7 mg/kg，整體較豐富，隨種植年限增加略有降低；④有效鋅主要分布在很高等級，有效硼和水溶性氯主要分布在低和很低等級；⑤除pH外，5個年度的土壤有機質(zhì)、交換性鎂、有效鋅、有效硼和水溶性氯樣本的空間變異性較高。綜上所述，在常規(guī)施肥管理模式下，昆明煙區(qū)植煙土壤酸堿度、有機質(zhì)和交換性鎂含量整體適宜，近年來有緩慢下降趨勢；有效硼和水溶性氯含量整體偏低，均表現(xiàn)出一定的時空異質(zhì)性。因此，基于昆明煙區(qū)常規(guī)施肥水平上，在注重提高有機肥和硼肥施用量，降低鋅肥施用量的同時，應保持土壤交換性鎂和水溶性氯的平衡。

昆明煙區(qū)；植煙土壤；pH；中微量元素；時空變異

近年來，土壤酸化導致的土壤質(zhì)量退化是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面臨的一個主要問題，嚴重威脅著土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。土壤pH在協(xié)調(diào)土壤與烤煙養(yǎng)分供需之間的關系方面有著不可或缺的作用[1]，其值的高低對烤煙生理生化[2-3]、土壤微生態(tài)環(huán)境[4]等方面有重要的影響，因而適宜的植煙土壤pH是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉的關鍵。長期施用化肥會導致土壤酸化[5]，尤其是氮肥的過量施用被認為是加速土壤酸化進程的重要原因之一[6]，而酸性復合肥可顯著促進土壤酸化[7]。土壤中微量元素與煙葉化學成分、致香物質(zhì)之間典型相關[8]。于建軍等[9]基于偏相關和通徑分析指出，煙葉和土壤中微量元素含量呈極顯著正相關。然而生產(chǎn)中煙農(nóng)偏重大量元素肥料的施用，中微量元素肥料施用嚴重不足，加上近年來農(nóng)家肥施用量減少或不施現(xiàn)象較為普遍，中微量元素缺乏已逐漸成為限制烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素。

昆明煙區(qū)是云南省核心煙葉生產(chǎn)區(qū)，年種植烤煙約在4.3×104hm2。在2009年版的《中國煙葉區(qū)劃》[10]中，昆明市所有縣(市)均列入適宜和最適宜植煙區(qū)域，其煙葉原料一直深受卷煙工業(yè)企業(yè)的青睞，但近年來煙葉品質(zhì)下降等問題已引起廣泛關注，加上近年來由于受經(jīng)果林等種植的進一步擠壓，煙田向山區(qū)轉(zhuǎn)移的趨勢加快，土壤問題日趨凸顯。昆明煙區(qū)土壤區(qū)域特征近年來也有所報道[11-13]，但主要集中在大量元素的時空異質(zhì)性，涉及微量元素的較少。加上煙區(qū)有機肥施用量甚少的情況，煙草專用復合肥、硫酸鉀等生理性酸性肥料的長期施用，是否會導致植煙土壤pH及主要中微量元素含量的下降鮮見報道?；诖?，本研究基于2年1次的昆明煙區(qū)植煙土壤普查的結(jié)果，旨在探究植煙土壤pH及主要中微量元素的時空變異，為預測和阻控煙田土壤酸化及科學配施中微量營養(yǎng)元素提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

昆明市位于云南省中部，102°10′E ～ 103°40′E，24°23′N ～ 26°22′N。氣候類型屬于北緯低緯亞熱帶-高原山地季風氣候，主要受印度洋西南暖濕氣流的影響，具有日照長、霜期短的特點，年降水量約1 100 mm，年均溫15 ℃。地貌類型以湖盆巖溶高原地貌形態(tài)為主，紅色山原地貌次之，總體地勢為北高南低，即由北向南呈階梯狀降低。土壤類型主要有紅壤、水稻土、紫色土、黃壤、沖積土和石灰性土。昆明煙區(qū)年均烤煙種植面積維持在4.3×104hm2，煙草核心產(chǎn)區(qū)主要分布在海拔1 500 ～ 2 200 m，垂直氣候特征明顯。

昆明煙區(qū)一般根據(jù)烤煙品種特性和土壤肥力狀況確定氮肥施用比例，施肥量為75 ～ 105 kg/hm2純氮，基肥∶追肥為6∶4或5∶5。一般以硫酸鉀做追肥，施肥量多在450 ～ 600 kg/hm2，在中耕時一次性施入。中微量元素肥一般采取缺啥補啥的原則。

1.2 樣品采集與制備

分別于2012年(595份土樣)、2014年(997份)、2016年(1 080份)、2018年(1 070份)和2020年(1 146份)整地起壟前，對昆明市的嵩明縣、尋甸縣、祿勸縣、石林縣、宜良縣、安寧市、富民縣和晉寧區(qū)8個主要植煙區(qū)具有代表性的耕層土壤(0 ～ 20 cm)依據(jù)地塊特征采用“M”或“S”形5點取樣，然后按四分法留1.0 kg左右制成1個混合樣，共計取樣 4 888份。取樣時，應避開糞堆，并剔除殘膜、根系及石礫等雜物，同時利用GPS定位采集點經(jīng)緯度及海拔信息(圖1)。取樣后帶回實驗室風干、磨細過篩后備用。

圖1 土樣采集點分布圖

1.3 檢測項目及方法

土壤pH采用電位計法測定，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法–外加熱法測定，交換性鎂采用EDTA滴定法測定；有效硼采用沸水浸提–甲亞胺比色法測定，有效鋅采用HCl浸提–AAS法測定，水溶性氯采用水浸提–硝酸銀滴定法測定。具體測定方法詳見《土壤農(nóng)化分析》[14]。

1.4 土壤pH及中微量元素豐缺分級標準

依據(jù)相關文獻[13, 15]分級標準，確定土壤pH分級標準為pH<4.5(極強酸性)、4.5 ～ 5.5(強酸性)、5.5 ～ 6.5(微酸性)、6.5 ～ 7.5(中性)、7.5 ～ 8.5(微堿性)、>8.5(強堿性)；有機質(zhì)、交換性鎂、有效硼、有效鋅和水溶性氯含量的分級標準見表1。區(qū)域間樣本的差異性采用變異系數(shù)(Coefficient of Variation, CV)三級評價法[16]進行判斷，即CV<10%，弱變異；CV介于10% ～ 30%，中等變異；CV>30%，強變異。

表1 土壤養(yǎng)分分級標準

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2017 和IBM Statistics SPSS 19.0分別進行數(shù)據(jù)處理作圖和方差分析?；贏rcGIS 10.1平臺采用克里格法(Kriging)進行相關的指標空間插值處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 昆明煙區(qū)植煙土壤pH和有機質(zhì)含量動態(tài)變化

2.1.1 pH 2012—2020年，昆明煙區(qū)植煙土壤pH均值為6.0 ～ 6.4，年際間存在差異性(表2)。從表2可以看出，2014年和2016年的植煙土壤pH均值相同，高于2012年、2018年和2020年0.2 ～ 0.4個單位，達到極顯著差異水平(<0.01)，主要分布在微酸性至中性范圍。5個調(diào)查年份土壤pH的CV介于12.5% ～ 15.8%，均屬中度變異。從分布頻度來看，2012—2016年昆明煙區(qū)植煙土壤pH為微酸性土壤占40.5% ～ 43.1%，中性土壤占29.1% ～ 32.2%，強酸性土壤僅占14.7% ～ 21.5%，極少量為極強酸性，無強堿性土壤。相較于2012—2016年的植煙土壤，2018和2020年植煙土壤極強酸性、強酸性土壤頻度分別增加了2.1% ～ 2.2% 和11.9% ～ 18.7%，而微酸性和中性植煙土壤頻度分布降低了9.4% ～ 12.5% 和7.0% ～ 12.9%，說明近年來昆明煙區(qū)植煙土壤酸堿度有升高趨勢。

注：同列數(shù)據(jù)大寫字母不同表示差異達<0.01顯著水平，下同。

2.1.2 有機質(zhì)含量 2012—2020年，昆明煙區(qū)植煙土壤有機質(zhì)含量均值變幅在29.3 ～ 32.1 g/kg(表3)，以2014年最高，2016—2020年顯著(<0.05)下降。中值變化范圍為28.2 ～ 30.6 g/kg，極差變化范圍為61.6 ～ 137.0 g/kg，說明昆明煙區(qū)植煙土壤有機質(zhì)含量年際間波動較小。5個調(diào)查年度植煙土壤樣本的CV介于36.9% ～ 50.9%，屬于強變異。從頻度分布來看，2012—2020年處于低和很低水平的植煙土壤分別為30.3%、31.4%、36.9%、39.4%、39.1%，處于高和很高水平的植煙土壤分別為36.6%、36.9%、30.6%、31.0%、29.6%。相較于2012—2016年，2018—2020年處于中等(25 ～ 35 g/kg)水平的植煙土壤頻度有所降低。

2.2 昆明煙區(qū)植煙土壤交換性鎂含量動態(tài)變化

近9年來，昆明煙區(qū)植煙土壤交換性鎂含量均值介于240.6 ～ 270.7 mg/kg，整體較豐富，年際間存在小幅度降低趨勢(表4)。從表4可以看出，昆明煙區(qū)2012年的植煙土壤交換性鎂含量明顯高于其他年度，相較于2012年，2014年、2016年、2018年和2020年的植煙土壤交換性鎂含量降幅分別為4.5%、3.0%、9.8%、11.1%。年際間樣本的標準偏差(165.5 ～ 205.5 mg/kg)和極差(858.0 ～ 1 858.8 mg/kg)均較大，且CV介于62.9% ～ 84.1%，屬于強變異，說明昆明煙區(qū)不同年度的植煙土壤交換性鎂含量異質(zhì)性較高，均質(zhì)性較低。從頻度分布來看，昆明煙區(qū)2012—2020年間80% 以上的植煙土壤交換性鎂含量處于中等偏上水平，處于很低和低水平的樣品占比數(shù)在15% 左右，說明昆明煙區(qū)不同年度的植煙土壤交換性鎂含量較適宜，少部分煙田應提高鎂肥使用量。

表3 昆明煙區(qū)植煙土壤有機質(zhì)含量年度統(tǒng)計信息

注：同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示差異達<0.05顯著水平，下同。

表4 昆明煙區(qū)土壤交換性鎂含量年度統(tǒng)計信息

2.3 昆明煙區(qū)植煙土壤微量元素含量動態(tài)變化

2.3.1 有效鋅 從表5可以看出，昆明煙區(qū)植煙土壤有效鋅含量年際間存在動態(tài)變化，以2018年度植煙土壤有效鋅含量最高，極顯著(<0.01)高于其他年度。5個取樣年度植煙土壤有效鋅含量的中值在1.8 ～ 2.6 mg/kg，極差在8.7 ～ 32.7 mg/kg，且CV介于67.8% ～ 83.2%，屬于強變異。從頻度分布來看，昆明煙區(qū)90% 以上的植煙土壤有效鋅含量處于中等偏上水平，處于低和很低水平的土壤頻度僅占5% 左右，其中處于很高水平的土壤占比呈增加趨勢，處于高水平土壤占比整體呈降低趨勢。

2.3.2 有效硼 由表6可以看出，昆明煙區(qū)植煙土壤有效硼含量均值為0.5 ～ 0.8 mg/kg，中值和極差分別為0.4 ～ 0.7 mg/kg和2.0 ～ 15.0 mg/kg，且CV介于67.2% ～ 78.3%，屬于強變異?；谟行鸷康燃夘l數(shù)分布分析表明，隨種植年度的進程，處于中等和高水平的土壤頻數(shù)呈先升后降趨勢，而處于低和很低水平的土壤頻數(shù)呈先降后升趨勢。

2.3.3 水溶性氯 由表7可以看出，2012—2020年昆明煙區(qū)植煙土壤水溶性氯含量整體呈先降后升趨勢，其中，2012—2018年呈持續(xù)降低趨勢，2020年有所提高。CV介于72.6% ～ 117.1%，屬于強變異，標準偏差為9.6 ～ 16.4 mg/kg，中值為6.3 ～ 15.7 mg/kg，說明昆明煙區(qū)不同年度植煙土壤有效硼含量整體較低。從等級占比看，2014—2020年，昆明煙區(qū)植煙土壤水溶性氯含量小于10 mg/kg樣本占32.7% ～ 75.1%；處于很高、高、中等及低水平的土壤頻度呈先降后升趨勢，且均以2018年度最低；處于很低水平土壤頻數(shù)呈先增后降趨勢，其中2018年度水溶性氯含量處于很低水平的土壤頻度最高。

表5 昆明煙區(qū)土壤有效鋅含量年度統(tǒng)計信息

表6 昆明煙區(qū)植煙土壤有效硼含量年度統(tǒng)計信息

表7 昆明煙區(qū)植煙土壤水溶性氯含量年度統(tǒng)計信息

2.4 2020年昆明煙區(qū)植煙土壤pH、有機質(zhì)及中微量元素空間分布特征

從圖2可以看出，昆明煙區(qū)2020年度植煙土壤pH總體較適宜(圖2A)，主要介于5.5 ～ 6.5，強酸性的土壤主要分布在西部(安寧和富民)部分煙區(qū)。東南煙區(qū)(石林和宜良)和中部煙區(qū)(嵩明和尋甸)植煙土壤有機質(zhì)含量整體較高(圖2B)，北部和西南部煙區(qū)植煙土壤有機質(zhì)含量整體適宜。中部、北部及南部煙區(qū)植煙土壤交換性鎂整體處于中等偏上水平，東南部石林、安寧煙區(qū)有小部分植煙土壤交換性鎂含量處于低和很低水平(圖2C)。昆明煙區(qū)90.5% 的植煙土壤水溶性氯含量處于低和很低水平，高氯植煙土壤主要分布在尋甸中部區(qū)域，土壤存在低氯風險(圖2D)。昆明煙區(qū)所有植煙土壤有效鋅含量均處于中等偏上水平，低鋅煙區(qū)主要分布在西南和西部部分煙區(qū)，高鋅煙區(qū)由北向南形成一個貫穿帶分布(圖2E)。中部和南部煙區(qū)植煙土壤有效硼含量總體較適宜，東部、北部、西南及西部煙區(qū)植煙土壤有效硼含量整體偏低，高硼植煙土壤主要分布在晉寧東北部和石林西南部(圖2F)。

3 討論

酸堿度對土壤的許多化學過程，如氧化還原、吸附解吸、沉淀溶解和配合反應等起到支配作用，幾乎所有的金屬離子在土壤中的吸附解吸都依賴于pH[17-18]，因而土壤pH的高低影響著作物對養(yǎng)分的吸收與利用效率。本研究發(fā)現(xiàn)(表2)，近年來(2012—2020年)昆明煙區(qū)植煙土壤pH有所下降，均值變幅為6.0 ～ 6.4，土壤集中分布在微酸性至中性等級，但強酸性土壤頻度呈增加趨勢，微酸性和中性土壤頻度呈降低趨勢，說明昆明煙區(qū)植煙土壤有酸化趨勢。土壤酸化是我國農(nóng)業(yè)土壤退化面臨的一個主要問題[19]。長期大量施用酸性或生理性酸性肥料[6, 20-21]、連作[22]等是引起土壤酸化的主要因素，說明昆明煙區(qū)植煙土壤酸化可能主要與長期施用酸性或生理性酸性肥料及連作有關，因為施肥模式在一定的時間尺度上對土壤pH的影響較大[23]。在生產(chǎn)方案的制定中，昆明市中西部煙區(qū)應適量提高生石灰、堿性或生理性堿性肥料的施用量以提高土壤pH，其他煙區(qū)宜采用酸度較低，且以有機氮、硝態(tài)氮為主的復合肥，同時降低連作年限，施用生物質(zhì)炭等以阻控昆明煙區(qū)植煙土壤酸化趨勢。

鎂是烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)形成的重要元素之一。植物吸收的鎂主要來自土壤交換態(tài)鎂，土壤交換態(tài)鎂含量高低是評價鎂素供應水平的主要指標[24]。本研究(表3)發(fā)現(xiàn)昆明市80% 以上的植煙土壤交換性鎂含量處于中等偏上水平，但近年來土壤交換性鎂含量有不同程度的降低，且區(qū)域間植煙土壤交換性鎂含量變異性較高。李強等[20]研究結(jié)果顯示，交換性鎂是土壤pH升高的主要驅(qū)動因素。譚軍等[25]研究發(fā)現(xiàn)，土壤交換性鎂含量隨土壤pH的升高而升高。王亮等[26]研究指出，長期施用有機肥表層土壤交換性鎂含量呈明顯增加趨勢，施用化肥土壤表層交換性鎂含量呈明顯下降趨勢，而單施化肥配合覆膜則有利于提高土壤交換性鎂含量。危鋒和郝明德[27]研究也認為，不同種植體系交換性鎂在土壤剖面發(fā)生淋溶累積現(xiàn)象，在60 ～ 100 cm土層產(chǎn)生累積峰?？梢妼е吕ッ鳠焻^(qū)植煙土壤交換性鎂含量呈不同幅度下降趨勢的原因可能是近年來農(nóng)家肥、有機肥施用量少，以及酸性肥料的長期施用導致pH下降，進而引起土壤交換性鎂含量的降低；另外還可能與產(chǎn)區(qū)烤煙中耕揭膜后導致交換性鎂容易淋失及其生產(chǎn)上只注重氮磷鉀養(yǎng)分有關。

圖2 土壤pH(A)、有機質(zhì)(B)、交換性鎂(C)、水溶性氯(D)、有效鋅(E)和有效硼(F)空間分布

鋅、硼是煙草生長發(fā)育必需的微量元素，對煙草產(chǎn)質(zhì)量及工業(yè)可用性提高具有重要影響。該研究中，2012—2020年，昆明煙區(qū)植煙土壤有效鋅較豐富，90% 以上的土壤有效鋅含量處于中等偏上水平，50% 以上的植煙土壤有效硼分布在低和很低水平，說明昆明煙區(qū)植煙土壤有效鋅含量較豐富，有效硼較低，可能存在嚴重的低硼風險。李強等[28]研究指出，海拔高度、土壤類型和pH、有機質(zhì)物料投入量及前茬作物均影響土壤有效態(tài)微量元素含量。丁燕芳等[29]研究發(fā)現(xiàn)，隨pH的升高，土壤有效鋅含量呈先升后降趨勢。昆明煙區(qū)植煙土壤維持較高的有效鋅含量，可能與煙區(qū)土壤pH和有機質(zhì)含量降低有關，也可能與土壤背景值較高有關?？緹熓且环N忌氯作物，氯供應過量或不足均會對煙葉品質(zhì)產(chǎn)生不利影響[30]。本研究表明，2012—2018年，昆明煙區(qū)植煙土壤水溶性氯含量持續(xù)下降，2020年有所提高，均值在9.7 ～ 19.2 mg/kg，且60% 以上的植煙土壤氯含量較低。這可能與近年來烤煙施肥上嚴格限制含氯肥料的施用有關，說明昆明煙區(qū)植煙土壤存在低氯風險，生產(chǎn)中可適當提高含氯肥料的施用。

4 結(jié)論

2012—2020年，昆明煙區(qū)植煙土壤pH、有機質(zhì)、交換性鎂、有效硼和水溶性氯含量均有緩慢降低的趨勢，有效鋅呈增加趨勢。pH空間變異較小，其余指標空間變異均較高。植煙土壤有機質(zhì)和中微量元素管理應采取分類指導，測土配方施肥，減少酸性或生理性酸性肥料的使用，增加有機肥和堿性或生理性堿性肥料的應用比例。

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Spatial-temporal Variability of Soil pH, Organic Matter and Medium and Trace Elements in Kunming Tobacco-planting Area

XU Xingyang1, QIU Xueli2, YANG Shuming2, TIAN Linqing1, LUO Yun3, LIU Zhonghua4, LI Jie1, LU Yao2, ZHOU Min2, GENG Chuanxiong2, ZHOU Shaosong2, CHEN Yaqiong1*, YU Xiaofen2*

(1 Kunming Branch of Yunnan Tobacco Company, Kunming 650051, China; 2 Agricultural Environment and Resources Institute, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650205, China; 3 Hongyun-Honghe Tobacco (Group) Co., Ltd., Kunming 650202, China; 4 Yunnan Tobacco Company of China National Tobacco Corporation, Kunming 650011, China)

In order to provide the basis for predicting and controlling soil acidification and scientific application of medium and trace element fertilizers, the interannual variation characteristics of pH value, medium and trace elements in tobacco-growing soils of 4 888 samples in 5 years (2012—2020) in Kunming were analyzed. The results show that, between 2012 and 2020, 1) The average pH is between 6.0 and 6.4, mainly distributed in slightly acidic to neutral grades, the frequency of strongly acidic soils is increased while those of slightly acidic and neutral soils are decreased with the planting years; 2) The average variation of organic matter content is between 29.7 g/kg and 32.2 g/kg, decreased gradually since 2018; 3) The average value of exchangeable Mg2+is ranged from 240.6 mg/kgto 270.7 mg/kg, which is abundant on the whole but tends to decrease with the increase of the planting years; 4) Available Zn is mainly distributed in very high grades, and available B and water-soluble Cl–are mainly distributed in low and very low grades; 5) Except for pH, the spatial variability of organic matter, exchangeable Mg2+, available Zn, available B and water-soluble Cl–are higher spatiotemporal heterogeneity in the 5 years. In conclusion, under the conventional fertilization management, pH, organic matter and exchangeable Mg2+of tobacco-planting soil are generally suitable, but with a slow downward trend in recent years. Therefore, based on the level of conventional fertilization, the balance of soil exchangeable Mg2+and water-soluble Cl–should be maintained, but the application rate of organic fertilizer and B fertilizer should be increased while that of Zn fertilizer should be reduced.

Kunming tobacco-growing area; Tobacco-growing soil; pH; Medium and trace elements; Spatiotemporal heterogeneity

S153.4；S153.6

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.04.023

徐興陽, 邱學禮, 楊樹明, 等. 昆明煙區(qū)植煙土壤pH與中微量元素時空變異性研究. 土壤, 2023, 55(4): 887–893.

中國煙草總公司云南省公司科技計劃重點項目(2020530000241020)資助。

(312547613@qq.com；2543757367@qq.com)

徐興陽(1974—)，男，云南鹽津人，碩士，高級農(nóng)藝師，主要從事煙草新品種、新技術、新方法研究。E-mail: yy_xxy@sina.com