贵州植烟土壤养分状况与生态化学计量学特征分析

刘海伟，孙光军，李 想，李光雷，王定斌，杨 静，沈子霞，邹光进，张 龙，石 屹，王程栋*

（1.中国农业科学院 烟草研究所/农业农村部 烟草生物学与加工重点实验室，山东 青岛 266101；2.贵州省烟草公司，贵州 贵阳 550004；3.贵州省烟草科学研究院，贵州 贵阳 550081；4.贵州省黔东南州烟草公司，贵州 凯里 556099；5.贵州省遵义市烟草公司，贵州 遵义 563102；6.贵州省毕节市烟草公司，贵州 毕节 551713）

土壤养分是农业可持续发展的基础。对于农田来说，土壤养分的形成是土壤母质、气候、生物、地形等自然因素和耕作、施肥、灌溉、土壤改良等人为因素共同作用的结果。在形成过程中土壤自然产生了空间的变异，也在人类生产活动的参与下加深了垂直方向上的变异。不同植被类型土壤养分含量在垂直空间分布上具有差异且表现出不同的变化趋势［1］。

生态化学计量学是研究生态系统能量平衡与多种化学元素平衡的科学，主要强调碳（C）、氮（N）、磷（P）这3种主要组成元素的关系［2］。生态化学计量学最初被应用在植物组织和森林、草原及湿地土壤生态的研究中。由于种植和施肥等管理措施的不同，农田土壤C、N、P等养分状况容易失衡，养分的失衡则会限制土壤生产力。研究C、N、P的循环和平衡机制，有助于揭示生态系统过程的影响因素及其作用机制，可为农田土壤培肥和维持较高的生产力提供一定的指导。因此，近年来，一些学者也开始将生态化学计量的理论用于农田土壤的生产与管理［2-4］。

烟草是我国重要的经济作物之一，对国民经济和山区脱贫致富作出了重大贡献。许多典型烟草产区相对固定，数十年来产区内肥料、农药等农用物资由当地相关主管部门进行统一采购，施用方式和施用量也根据生产规范，所以植烟土壤人为影响在区域内造成的变异要远小于其他农业利用类型，因此使得这一利用类型值得单独研究［5］。很多学者也根据研究结果对植烟土壤养分分析与养分管理提出了一些见解，推动了烟草行业生产的发展［6］。

贵州是我国烟草生产大省，也是各个工业优质烟叶生产基地。贵州为山地高原，海拔670~2150 m，土壤类型多，成土母质复杂，地带性与非地带性土壤分布交错，非地带性土壤分布十分明显，土壤养分含量变异也较为显著。因此，研究贵州植烟土壤养分状况与化学计量学具有非常重要的理论与现实意义。

1 材料与方法

1.1 样品采集与前处理

采集贵州植烟区耕层土壤样品89个点、剖面样品20个点。采样地点涉及9个地市州13县（区、市），包括铜仁市（德江县）、遵义市（播州区、道真县、余庆县）、黔东南州（凯里市、天柱县）、黔南州（贵定县）、贵阳市（开阳县）、毕节市（黔西县、威宁县）、安顺市（西秀区）、六盘水市（盘州市）、黔西南州（兴仁市）。耕层土壤样品于同一田块耕作层（0~20 cm）随机多点采样，组成混合农化土样，在分拣杂物后采用四分法取2.0 kg土样，自然风干，其中部分研磨后过筛备用。剖面样品按土壤发生学分层采集，基本分为Ap1-Ap2-B（x）1-B（x）2/BC-C五层取样，每层次取1.0 kg，自然风干，研磨后过筛备用。

1.2 指标检测

土壤指标检测均采用标准方法。土壤pH值检测采用电位法；有机质含量的测定采用重铬酸钾容量法；全氮含量的测定采用自动定氮仪法；全磷含量的测定采用钼锑抗显色分光光度法；全钾含量的测定采用火焰光度法；碱解氮含量的测定采用碱解扩散法；有效磷含量的测定采用连续流动分析仪法；速效钾含量的测定采用乙酸铵浸提-火焰光度法；交换性钙和镁含量的测定采用乙酸铵浸提-原子吸收分光光度法；氯离子含量的测定采用沉淀比色法；有效态铁、锰、铜、锌含量的测定采用二乙三胺五乙酸（DTPA）浸提-原子吸收分光光度法。

1.3 数据分析

土壤大量养分的供应强度（I）采用以下公式计算：

上式中：Cava为大量养分的有效态检测值（mg/kg）； Ctot为大量养分的全量检测值（g/kg）。

应用IBM SPSS 19.0对试验数据进行统计分析；方差分析采用Ducan法（P＜0.05）；其他图表则 使 用Microsoft Excel 2010或Origin Pro 8.0软 件绘制。

2 结果与分析

2.1 耕层土壤养分含量的总体情况

贵州植烟土壤耕层的pH值和养分含量见表1。数据分析表明，80%土壤样品的pH值在4.5~7.5之间，土壤酸碱性总体适宜，且变异较小，其中天柱、威宁、道真、西秀和贵定的土壤pH平均值小于5.5，部分地块应注意控制土壤酸度。

有57.3%的土壤样品的有机质含量大于2.5%，超过60%的土壤样品的全氮含量大于1.5 g/kg，而碱解氮含量超过100 mg/kg的样品比例达到87.6%，土壤全磷含量大于0.8 g/kg的样品比例为60.7%，有效磷含量超过20 mg/kg的样品比例为49.5%，说明土壤氮磷较为丰富。土壤钾含量的变异略大于氮、磷，全钾含量小于20 g/kg的样品超过60%，速效钾含量也有1/4的样品小于150 mg/kg，说明部分土壤钾元素有所不足，需要补充。土壤样品氯离子含量的变异较大，虽然85.4%的土壤样品的氯离子含量在5~30 mg/kg的适宜范围内，但也有11.2%的样品氯离子含量超过30 mg/kg。另外，土壤交换性钙、交换性镁、有效铁和有效锰含量等指标的变异系数也较大。

表1 贵州耕层土壤理化特性描述性统计分析结果

从地域分析，盘州的土壤有机质和全氮含量显著高于道真和黔西的，黔西的碱解氮含量也低于天柱和兴仁的，所以黔西需要注意补充氮肥。土壤磷含量变异大，总体上盘州、开阳、兴仁、西秀、凯里、天柱、道真的全磷含量显著高于黔西、播州、贵定、余庆、德江和威宁的；贵定、天柱、威宁的有效磷含量显著高于盘州、兴仁、余庆、德江、黔西、道真、播州和凯里的。黔西和兴仁的全钾含量显著高于威宁、西秀、贵定、开阳和余庆的；兴仁、开阳、道真的速效钾含量显著高于播州、西秀、威宁、德江的，所以前者需要注意控制钾素的流失。凯里的交换性钙、交换性镁含量显著高于西秀和道真的。凯里、兴仁和盘州的有效铁含量较低，需要补充施入含铁肥料。有效锰含量在不同区域间无显著差异。有效铜含量在凯里、天柱、开阳、播州等地较低，需要补充施入含铜肥料。威宁的有效锌含量显著高于其他县（区）的。此前有研究表明，盘州植烟土壤的有机质、全氮、全磷总体上较丰富，速效氮、速效磷、全钾和速效钾含量基本处于中等至偏低水平［7］，这与本文的研究结果一致。

2.2 土壤剖面养分的垂直分布

剖面土壤分析发现，土壤各指标由下层到上层基本上呈增加趋势（表2）。具体来说，pH值、全钾、交换性钙、交换性镁含量在各层次间无显著性差异。有机质、全氮、碱解氮含量在上两层均显著增加，全磷、有效磷、速效钾、有效铁、有效锰、有效铜、氯离子含量在耕层显著增加，均表现出表层聚集的现象，可能是受到耕作与施肥的影响。耕层土壤的速效钾平均含量是下层的3倍左右，而全钾含量无显著差异，说明一方面土壤需要补充钾，另一方面需要控制钾的流失。另外，需要特别指出的是，钙、镁等阳基离子在耕层没有显著增加，且在耕层各有1/3的样品含量不足，说明部分产区需要补充钙镁肥。有研究表明贵州中部山区植烟土壤的有机质含量在剖面垂直分布上均表现出较强的表聚性，且有机质含量与海拔高度呈极显著正相关关系［8］。

2.3 土壤养分相关性分析

土壤酸碱度对土壤养分的有效性具有一定的影响。泊松相关分析结果表明，土壤pH值与碱解氮、有效磷、交换性钙、交换性镁、有效铁、有效锰和有效锌含量均显著或极显著相关。

土壤有机质含量直接影响氮素的营养情况，有机质的分解矿化与土壤酸碱度、温度等相关［6］。本研究相关分析也发现有机质含量与碱解氮、有效磷、速效钾、有效铜、有效锌、氯离子含量均显著或极显著相关。另外，耕层和剖面所有297个土壤样品的有机质含量分别与全氮和碱解氮含量呈显著线性相关，R2均大于0.78；而耕层土壤样品同样的相关性较弱，R2均小于0.68（图1），这是因为耕层土壤受人为施入肥料的影响，无机态氮比例得以提升。

在本研究的土壤养分指标之间也存在一定的相关性，例如：全氮含量与全磷、速效钾、有效铜、有效锌、氯离子呈显著或极显著相关；全磷与碱解氮、速效钾、有效铜、有效锌呈显著或极显著相关；全钾与有效磷、交换性钙呈显著或极显著相关；碱解氮与速效钾、交换性钙、交换性镁、有效铁、有效铜、有效锌、氯离子呈显著或极显著相关；有效磷与交换性钙、交换性镁均呈显著相关；速效钾与有效锌、氯离子呈显著或极显著相关；在交换性钙、交换性镁、有效铁三者之间还存在极显著相关关系；有效铜含量与有效铁、有效锌含量均呈极显著相关。

表2 土壤养分指标在剖面样品的垂直分布

图1 全部土壤样品（上）和耕层土壤样品（下）有机质含量与全氮和碱解氮含量的关系

2.4 贵州土壤大量养分的供应强度

参照南方地区耕地土壤肥力诊断与评价（NY/T 1749─2009）中的标准值，计算得出南方土壤氮、磷、钾供应强度的标准分别为10.5、1.27和0.50。对贵州烟区采样点土壤大量元素的分析结果（图2）表明，仅有6.7%的样点达到氮供应强度标准；磷的供应强度较高，有3/4的样点达到要求；有92.1%的样点超过了钾供应强度标准，对比上述土壤全量养分和有效态养分含量的分析结果，贵州植烟区应稳住土壤氮的含量，控制有效钾并补充缓效钾库。

从地域看，黔西、盘州和凯里的氮供应强度较低，其中盘州的全氮和碱解氮供应强度均较高，而黔西和凯里的碱解氮供应强度较低，需要提高氮的有效性，特别是黔西，全氮的供应强度也较低，还需要补充氮库。盘州、兴仁、余庆的磷供应强度较低，这3个县区的有效磷含量均较低，且盘州、兴仁的全磷含量较高。贵定、威宁、开阳、天柱的钾供应强度较高，其中威宁、贵定的全钾含量较低，开阳和天柱的速效钾含量较高，所以要注意缓效钾的提升，培升钾库，同时防控速效钾的流失。

从土壤发生学剖面垂直分布分析（图2），从土壤底层向上，养分供应强度有增加的趋势，特别是耕层的养分供应强度显著高于底层的，主要是因为耕层较好的水分、通气性和微生物活动使耕层养分的有效性得到了提升。

图2 养分供应强度的耕层箱图和剖面折线图

2.5 贵州土壤生态化学计量学特征

调查耕层土壤的C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K，它 们的平均值分别为17.14、33.05、2.36、1.94、0.13、0.07。从图3的变异系数可以看出，C∶N、C∶P和N∶P的变异较小，而C∶K、N∶K、P∶K的变异较大，可能是受土壤全钾含量波动的影响。

从剖面土壤的垂直分布（图4）来看，从深层到表层，上述6个土壤化学计量学比值均呈上升趋势，且表层与最深两层存在显著性差异。在6个参数中，C∶P、C∶K和N∶K随土壤层次的变化较C∶N、N∶P、P∶K强烈，可能与C和N代谢的驱动力有关。

图3 耕层土壤化学计量学箱图

图4 土壤生态化学计量学剖面折线图

3 讨论

适宜的土壤养分是获得优质烟叶的基础，土壤养分是烟草栽培与营养调控的依据［9］。作为全国第二大烟草产区的贵州，各地市也进行了土壤养分方面的研究。张龙等［10］和张友杰等［11］对贵州毕节植烟土壤养分变化的研究发现，有机质、全氮和速效磷含量总体偏高，速效钾含量也有增加的趋势。毕节烟区土壤pH值与全氮含量呈极显著正相关，与有效硼和有效锌的含量呈显著正相关，而与铵态氮、有效锰、有效铁的含量呈极显著负相关［12］。遵义市耕地土壤的全氮含量处于上等水平，有机质、有效磷、速效钾含量处于中等水平［13］。遵义植烟土壤缓效钾和速效钾含量近10年也在显著增加，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷含量以及pH值则有降低的趋势［14］。六盘水市各植烟区土壤碱解氮丰富，速效磷含量偏低，速效钾含量丰富至适宜，有机质含量较高［15］。黔南山地植烟土壤有机质含量适中，碱解氮、有效磷和速效钾含量丰富［16］。本研究的结果也表明，贵州植烟土壤养分总体丰富，在养分管理上需要适当控制氮、磷的投入，增施含钾有机肥料以补充钾库。

土壤生态化学计量比既可以作为土壤质量状况和养分供给能力的重要指标，也可作为土壤养分矿化作用和固持作用的评价指标。本研究发现，所调查土壤的C∶N高于全国表层土壤平均水平（12.34），而C∶P和N∶P的平均值均低于全国表层土壤平均水平（分别为52.65、4.20）［17］。本研究较高的C∶N表明微生物同化的碳量超过了矿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较低，说明土壤磷的释放能力较强，磷有效性较高，且随土壤剖面从下垂直往上，磷有效性增加。N∶P也可作为判断限制性养分的重要依据，一般温带氮素是土壤的主要限制因子。本研究较低的N∶P也说明如此［3］。烟草是喜钾作物，在烟草生产中投入的钾肥一般多于其他作物。本研究土壤的C∶K、N∶K和P∶K与其他植烟土壤接近［4］。

4 结论

贵州植烟土壤氮、磷含量较为丰富，部分土壤需要补充钾、钙、镁。土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、速效钾、有效铁、有效锰、有效铜、氯离子含量均表现出表层聚集的现象，且大量养分有效态的表层增加量大于全量，养分供应强度最大。贵州植烟耕层土壤C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K的 平 均 值 分 别 为17.14、33.05、2.36、1.94、0.13、0.07，各计量学比值由土壤深层到表层均有增加的趋势；所研究土壤的C∶N较高，C∶P和N∶P较低，且氮是土壤的主要限制因子。