昆明市植烟土壤养分时空变异特征及其适宜性评价

李 杰，徐兴阳**，杨树明，余小芬，孙 胜，刘 海，钱发聪，邹炳礼，陈雅琼，邱学礼**

(1. 云南省烟草公司 昆明市公司，云南 昆明 650051；2. 云南省农业科学院 农业环境资源研究所，云南 昆明 650205；3. 红云红河烟草（集团）有限责任公司，云南 昆明 650231)

土壤养分供应状况及其各因子协调性是土壤肥力的重要指标[1]，其直接影响烤烟产量和品质风格的形成[2]. 土壤是一个时空连续的变异体，探明不同烟区不同时期内的土壤养分含量时空变化，是强化耕地质量管理、提高耕地土壤生产力和科学施肥的前提，对保障耕地可持续利用及提升烟叶品质具有重要意义. 土壤pH、有机质、水解性氮、有效磷和速效钾是主控烟叶产质量的肥力因子[3]. 在特定研究区域内，如土壤类型[3]、成土母质[4]、耕地管理措施[5]、地形地貌[6]和土地利用方式[7]等影响这些指标. 研究表明，控制pH 值时空变异的主导因子是土壤类型、质地和降雨量，其次是水肥管理及土地利用类型[8]. 土壤有机质、水解性氮和速效钾含量的变异受土壤质地、气候和人为因素共同作用[3,9]，土壤质地及施肥是引起土壤有效磷空间变异的主要因子[10-11]，不同烟区土壤在多年自然条件和耕作管理共同作用下，其空间变异性高. 通常采用养分因子的综合评分法确定其对烤烟种植的适宜程度，聚类分析、因子分析、主成分分析、主成分-聚类分析和模糊数学等土壤适宜性评价的主要方法[12]. 近年来，国内外学者运用地统计学和GIS 技术，从田块尺度[13]、县域尺度[14]和区域尺度[7]对土壤养分的区域差异及其驱动因子进行研究. 昆明因所产“红花大金元”烟叶清甜香浓、吃味醇和、余味干净、风格突出而受国内卷烟工业的关注和好评，然而受气候变化、核心烟区由坝区向山区、半山区转移导致的土壤养分不均衡，严重影响烟叶品质的提高. 目前，针对昆明植烟土壤的研究集中于土壤速效养分丰缺[15]、土壤养分和烤烟质量分析及施氯效应[16]、生态因子与烤烟质量特征分析[17]等方面，而关于土壤养分年际间的变异和评价研究鲜有报道. 本研究以昆明核心植烟区土壤为对象，分析2010 年和2020 年土壤养分含量的变异趋势及肥力适宜性，以期为烟区土壤养分管理、合理施肥提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况 昆明烟区地处中国西南云贵高原中部，介于24°23′～26°22′N 和102°10′～103°40′E，海拔746～2 310 m，地势由北向南呈阶梯状逐渐降低，属低纬高原亚热带山地季风气候区，年均气温15℃，年降雨量1 035 mm，年均日照2 200 h，无霜期240 d 以上. 耕地总面积43. 21×104hm2，年均种植烤烟约 4.3×104hm2，主要土壤类型为红壤、紫色土、黄壤、水稻土、冲积土和石灰岩土[17]. 按卡庆斯基土壤质地分类制，土壤质地以壤土为主，其次是黏土、砂土[17]. 耕作方式多为冬闲、大麦、玉米、绿肥、油菜、蔬菜与烤烟轮作.

1.2 土壤采集与制备 分别于2010 年（1 146 个）和2020 年（1 149 个）在昆明市的富民县（2 年均为31 个）、宜良县（298 个和247 个）、禄劝县（2 年均为153 个）、嵩明县（51 个和121 个）、寻甸县（244个和263 个）、安宁市（16 个和54 个）、晋宁区（34个和40 个）、石林县（319 个和240 个）8 个区域采集具有代表性的植烟土样. 2 年均在烤烟移栽前2月份取样，每个采样点按“梅花形”随机5 点采集0～20 cm 耕层土壤，剔除根系、砾石等杂质均匀混合后按四分法获取0.5 kg 左右的混合土样带回实验室，风干、混匀、磨细、过筛留存待测，GPS 定位采样点经纬度、海拔.

1.3 测定项目与方法 土壤pH 采用电位法（水土质量比2.5∶1）测定；有机质质量比采用重铬酸钾氧化法测定；水解性氮质量比采用碱解扩散法测定；有效磷（以P2O5计）质量比采用钼锑抗比色法测定；速效钾（以K2O 计）质量比采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定[18].

1.4 植烟土壤pH 和主要有效养分分级标准及土壤肥力适宜性指数 参照杨荣生[19]和陈江华等[20]分级标准，划分土壤pH、有机质和其他养分指标.土壤pH 的分级标准：pH<4.5（极强酸）、4.5≤pH<5.5（强酸）、5.5≤pH<6.5（微酸）、6.5≤pH<7.5（中性）、7.5≤pH<8.5（微碱）. 土壤有机质和其他养分分级指标见表1. 参考杨荣生[19]和吴杰等[21]的方法，土壤pH、有机质、水解性氮、有效磷采用抛物线型函数，速效钾用S 型函数，分别计算隶属度值，权重采用各项肥力指标间相关系数确定[21]. 以各指标的隶属度值及其权重乘积求和，计算土壤肥力适宜性指数（integrated feasibility index，IFI）[14,21]. 根据隶属度函数曲线中转折点（x1、x2、x3、x4）的相应取值，参考张明发等[12]分类标准，将IFI 分为 5 个等级，优（IFI≥0.8）、良好（0.6≤IFI<0.8）、中等（0.4≤IFI<0.6）、较差（0.2≤IFI<0.4）和差（IFI<0.2）.

表1 植烟土壤养分分级标准Tab. 1 Soil nutrient classification of tobacco-growing soil

1.5 数据处理 经正态检验（K-S检验法）剔除异常值（3 除法）后，采用 Excel 2010 和SPSS 19.0 软件对数据进行统计分析.

2 结果与分析

2.1 土壤pH 统计特征值及等级分布 由表2 可知，2020 年全市植烟土壤pH 变幅3.98～8.42，均值为6.03. 强酸、微酸和中性土壤的分布频率分别为31.76%、33.77%和25.13%，三者之和占90%以上.与2010 年相比，2020 年土壤pH 的极差和标准差增加，pH 降低0.15，中性和微碱水平的土壤样点比例变化不大，但微酸样点比例下降，强酸增加. 从地理区域看，2020 年8 个植烟县土壤pH 均值范围5.74～6.48，宜良最低，富民最高，两个县pH 均值与其他县（区）差异达极显著水平，变异系数12.60%～18.12%，属于中等变异. 其中宜良、晋宁强酸土壤分布频率分别为41.61%、50.0%，表明土壤存在酸化趋势需采取相应措施进行调节；禄劝和嵩明微酸性土壤分布频率分别为43.79%、43.14%，属最适宜；富民、寻甸、安宁、石林的土壤处于中性至微碱级别的土样占比分别为51.61%、35.25%、37.50%和36.37%，属基本适宜. 与2010 年相比，2020 年8 县土壤pH 的极差和标准差均增加，pH 降低0.01～0.37，其中石林、晋宁、安宁和宜良土壤pH 降幅最大，富民、寻甸无显著变化. 上述分析可见，近10 a全市植烟土壤pH 呈下降趋势.

表2 植烟土壤pH 值分布Tab. 2 pH distribution of tobacco-planting soils

2.2 土壤有机质 由表3 可知，2020 年全市土壤有机质变幅2.83～83.93 g·kg-1，均值为32.55 g·kg-1，有机质整体属中偏高水平，共85.00%的样点集中在中等至很高等级. 与2010 年相比，2020 年有机质均值增加1.87 g·kg-1，其质量比极差和标准差增加，2010 年和2020 年其变异系数分别为41.10%、48.69%，均属中等变异. 从地理区域看，2020 年8 个植烟县土壤有机质均值变幅24.65～39.48 g·kg-1，石林最低，禄劝最高，其均值均与其他县（区）差异达显著水平，变异系数26.94%～55.72%，其较2010 年增加1.16～11.37 g·kg-1，安宁增加最多，禄劝增加最少，这与安宁烟区大力推广烟用商品有机肥有关. 从不同烟区样点分布频率看，2020 年富民和安宁处于中高、高级别的样点占比较2010 年增加最多. 富民、禄劝、嵩明、寻甸的土壤有机质质量比较高，2020 年其处于中高、高级别的样点占比分别为80.64%、73.20%、75.20%和73.00%，其他区域土壤有机质处于中等，较适宜生产优质烟叶. 上述分析可见，全市土壤有机质质量比总体上属偏高和丰富水平.

表3 植烟土壤有机质质量比和分布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质量比均值为122.68 mg·kg-1，变幅21.39～294.11 mg·kg-1，水 解 性 氮 整 体 较 高，较2010 年增加7.21 mg·kg-1，2010 年、2020 年其变异系数分别为42.11%、33.46%，均属中等变异. 从地理区域看，2020 年8 个县土壤水解性氮质量比均值变幅105.54～153.09 mg·kg-1，变异系数25.20%～40.83%，均值从高到低依次为：富民>禄劝>寻甸>嵩明>安宁>晋宁>宜良>石林，富民、禄劝、寻甸的水解性氮显著高于其他县. 从土壤水解性氮不同级别分布频率看， 2020 年富民、禄劝、寻甸的土壤水解性氮质量比处于中高、高级别的样点占比分别为77.42%、66.67%和61.98%，较2010 年明显增加，其他区域土壤水解性氮共23.19%～55.56%集中在高至很高等级. 上述分析表明，全市植烟土壤水解性氮质量比呈增加趋势.

表4 植烟土壤水解性氮质量比和分布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 年全市土壤有效磷质量比均值为42.33 mg·kg-1，变幅3.22～163.65 mg·kg-1，有效磷在中等以上等级占比86.65%，整体处于中偏高水平，且较2010 年增加5.17 mg·kg-1.2010 年与2020 年土壤有效磷变异系数分别为73.12%、80.98%，变异程度较高. 从不同烟区来看，2020 年8 个县土壤有效磷质量比均值为28.72～73.02 mg·kg-1，变异系数63.08%～95.35%，其中富民变异最大，由高到低依次为：安宁>嵩明>宜良>晋宁>寻甸>禄劝>富民>石林. 从分布频率看，2020年晋宁、禄劝和寻甸属于中高、很高级别的样点占比较2010 年增加，分别为42.79%、9.16%和7.38%；而嵩明、安宁、晋宁的土壤有效磷质量比处于高、很高级别的样点较高占比分别为94.11%、93.75%和85.29%，其显著高于其他烟区相同级别样本占比.

表5 植烟土壤有效磷质量比和分布Tab. 5 Olsen-P contents and frequency distribution of tobacco-planting soils

2.5 土壤速效钾 由表6 可知，2020 年全市土壤速效钾质量比均值达312.49 mg·kg-1，变幅25.21～996.14 mg·kg-1，其中84.65%集中在高至很高等级，整体属丰富，较2010 年增加53.05 mg·kg-1，且很高级占比较2010 年显著提高. 2010 年与2020 年土壤速效钾变异系数分别为57.49%、48.96%，两年变异程度均较高. 从不同烟区看，2020 年8 个县土壤速效钾质量比均值为224.55～357.63 mg·kg-1，变异系数36.78%～56.20%，其高到低依次为：富民>晋宁>寻甸>嵩明>禄劝>宜良>安宁>石林，富民、晋宁、寻甸的土壤速效钾显著高于其他县. 2020 年各县土壤速效钾较2010 年增加11.03～100.60 mg·kg-1，其中寻甸增加最多，禄劝相对稳定. 从土壤速效钾级别分布频率看，2020 年安宁、嵩明和宜良属于中高、很高合计占比较2010 年有较大上升，分别提高14.58%、13.42%和12.04%. 2020 年富民、嵩明、宜良、寻甸的土壤速效钾质量比处于高、很高级别的样点合计占比分别为96.78%、96.07%、90.27%和90.17%，其他区域土壤速效钾为70.53%～88.23%，处于高至很高等级.

表6 植烟土壤速效钾质量比和分布Tab. 6 Available K contents and frequency distribution of tobacco-planting soils

2.6 植烟土壤肥力适宜性指数分析 由表7 可知，有机质、水解性氮权重年际间相当，pH、有效磷和速效钾质量比年际间差异明显. 从表8 可以看出，2020 年和2010 年全市IFI 均值分别为 0.63、0.66，变异系数分别为19.05%、19.70%，2020 年IFI 均值较2010 年降低0.03，年际间差异显著，IFI 处于良好和优等级共计占比分别为54.82%、58.02%. 从不同烟区看，2020 年和2010 年8 个植烟县土壤IFI 均值分别为0.58～0.67、0.59～0.74，变异系数14.52%～24.14%、17.57%～27.12%. 2020 年IFI 从高到低依次为寻甸>安宁>石林>富民>禄劝、嵩明>晋宁>宜良，寻甸、安宁土壤IFI 显著高于其他县. 从土壤IFI不同等级样本分布看，2020 年寻甸、富民的土壤IFI 处于良好和优等级的样本占比最高，分别为65.20%、65.09%，其次为安宁、禄劝，分别58.91%、57.65%，宜良、晋宁最低，分别为47.45%、35.89%，两年均没有处于“差”档次的土壤. 由上述分析可知，昆明植烟土壤总体适宜性有所下降，这与研究区有机质、速效氮磷钾上升密切相关.

表7 土壤肥力指标所属隶属函数类型、阈值及权重Tab. 7 Types of membership function, threshold values and weights of soil fertility indexes

表8 植烟土壤肥力适宜性指数及土壤肥力等级分布Tab. 8 Integrated feasibility index (IFI) and soil fertility grade distribution of tobacco-planting soil

3 讨论

烤烟生长发育及品质风格形成对土壤养分状

况反应十分敏感[2]，外源养分合理投入是调控土壤养分供给平衡及满足烤烟生产需求的高效管理途径[12]. 本研究表明，10 a 间昆明市土壤pH 总体下降0.15，呈现强酸性和酸性土壤等级占比升高，其中石林、晋宁、安宁和宜良土壤pH 下降较快，富民、寻甸土壤pH 值变化趋于稳定，此变化趋势与敖金成等[15]研究结果基本一致，这可能与昆明植烟土壤成土母质、轮作作物和施肥有关. 一方面，石林、晋宁、安宁和宜良植烟土壤成土母质以石灰岩、砂岩和页岩发育，脱硅富铝化强的红壤为主，丰富的降雨导致土壤胶体上的代换性盐基大量淋失，氢离子取而代之，造成土壤pH 降低[17]. 另一方面，石林、晋宁、安宁和宜良的蔬菜-烤烟轮作较为普遍，其中蔬菜收获带走较多的盐基养分，从而驱动土壤酸化[8]，同时部分烟区前茬蔬菜种植过程中投入大量的化学氮肥及硫酸铵、硫酸钾、过磷酸钙等生理酸性肥料，造成土壤有机质、盐基饱和度下降，H+和Al3+增加，从而引起土壤pH 下降[22]. 有研究表明，在红壤上长期施用化学氮肥（单施氮肥、氮磷或氮磷钾配施），土壤酸碱缓冲容量下降，使酸性土壤酸化加剧[23]，其中单施氮肥降幅最大，而化肥配施有机肥、有机肥或秸秆还田对改善和调节土壤酸化效果较好[24].

本研究中，当前研究区土壤有机质、水解性氮、有效磷和速效钾含量极丰富，各指标为中偏高变异，均较2010 年升高. 其中有机质质量比为32.55 g·kg-1，较2010 年 增 加1.87 g·kg-1，变 异 系 数 为48.69%. 研究区土壤有机质略有升高，以及各烟区间有机质含量差异大，这与烟区间气候、土壤理化及农业管理因子有关. 一方面，不同烟区雨热格局控制着土壤有机质合成和分解动态平衡，年均降雨量大，气温高，土壤微生物活性强，可加快有机质的分解和矿化[4]，而土壤质地为有机质的主控因子，土壤颗粒大可增强土壤通透性，促进有机质矿化，高黏粒含量的土壤对养分的吸收和固定力强，质地越重的土壤有机质积累明显[9]. 另外，近年来昆明各烟区外源养分（农家肥、商品有机肥）投入增加[25]，从而显著提高土壤有机质含量. 研究区土壤水解性氮质量比较高，在中等至很高等级的样本占比达78.8%，较2010 年提高7.21 mg·kg-1，变异系数为33.46%，一是与土壤有机质含量增高有关，其次可能与滇中复种指数高，如石林、晋宁、安宁和宜良烟区存在“烟-萝卜”、“烟-豌豆”轮作模式，前茬蔬菜种植时投入大量氮素肥料有关. 2020 年全市土壤有效磷质量比均值为42.33 mg·kg-1，共86.65%集中在中等至很高等级，较2010 年增加5.17 mg·kg-1，变异系数为80.98%. 近几年，研究区烤烟氮磷钾施肥比例在1∶2∶3 左右，化学磷肥施入土壤后被土壤矿物吸附固定，磷素移动性差，当季利用率低，造成植烟土壤有效磷不断积累，磷的容量和强度增加[7,11]，说明在烤烟生产上应持续保持低磷投入，将土壤有效磷质量比恢复到烤烟适宜范围10～20 mg·kg-1. 当前全市土壤速效钾质量比为312.49 mg·kg-1，共84.65%集中在高至很高等级，处于丰富水平，较2010 年提高53.05 mg·kg-1，变异系数为48.96%，这与研究区重施钾肥施用及成土母质密切相关[3,17]. 本研究中，2020 年全市IFI 均值为 0.63，变异系数为19.05%，IFI 处于良好和优等级合计占比达54.82%，较2010 年降低0.03. IFI有下降趋势，一方面与土壤酸碱度及有机质、水解性氮、有效磷和速效钾年际间丰缺程度变化有关.另外，尽管不同年份各项肥力指标隶属度函数相一致，但各指标间相关系数则不同，从而影响各自权重，最终导致IFI 降低.

4 结论

研究区当前植烟土壤pH 变异中等，石林、晋宁、安宁和宜良的土壤pH 呈下降趋势，富民、寻甸pH 变化趋于稳定. 目前全市土壤有机质、水解性氮、有效磷和速效钾变异性较高，整体处于较丰富水平，上升趋势明显，但研究区土壤总体适宜性下降，存在土壤养分失衡、土壤酸化及高氮、高磷风险. 今后一段时期内烤烟生产上施肥策略建议是：持续施用有机肥，实行区域性“减氮控磷”和施入酸性土壤调理剂缓解土壤酸化；结合当前膜下小苗移栽方式，尽可能采用水肥一体化施肥技术，提高水肥调控效应及氮磷钾肥料利用率.