盐边县不同海拔植烟土壤肥力变化分析

熊维亮，潘兴兵，冯文龙，刘 余，袁家富，徐祥玉

（1.四川省烟草公司攀枝花市公司，四川 攀枝花 617026；2.湖北省农业科学院植保土肥研究所，武汉 430064）

烟草是中国重要的经济作物之一，在中国有悠久的种植历史。包括海拔、营养元素供应等的土壤状况是影响烟草产量产值的重要因子。一般而言，将土壤为植物生长提供适宜养分和环境的能力称为土 壤 肥 力［1，2］，是 评 价 土 壤 生 产 力 高 低 的 重 要 指标［3-5］。不同海拔高度土壤肥力因受到自然条件和人为因素影响而不同，评估不同海拔高度土壤肥力变化对指导烟草栽培中肥料施用、制定施肥技术参数具有重要意义。

攀枝花市位于四川省西南角，是中国优质烤烟生产基地之一［6］。盐边烟区是攀枝花烤烟主产区之一，盐边县地处攀枝花市北部，介于北纬26°25′—27°21′和东经101°08′—102°04′，属南亚热带半干旱季风气候，年温差较小、日温差较大。地势以东西向为主，海拔变化大，土壤养分在不同海拔差异明显。本研究以主成分分析法和模糊数学法相结合，通过对比分析2009—2010 年和2015—2017 年2 次取样土壤养分状况，对该区域不同海拔土壤养分变化进行分析，揭示耕种措施和自然因子在不同海拔上对土壤肥力的影响，为制定烤烟生产“大方案、小调整”的施肥方案提供依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

在2009—2010 年和2005—2017 年进行定位取样，取样数量分别为285 个和188 个。在每年3—4月烟田尚未进行整地施肥以前取样，每个采样点采集8～10 个0～20 cm 表层土壤混合为一个样本。土壤样品处理和分析参见鲁如坤［7］和鲍士旦［8］的方法，测定指标包括pH、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、有效锌、水溶性氯、有效硼8 个指标。

1.2 数据分析与评价方法

采用拉依达法（3 倍方差法）清洗数据［9，10］，以R语言mice 包进行缺失值插值处理，以R 语言psych包进行主成分分析并进一步计算各项指标的权重。根据实践经验确定土壤肥力指标之间的隶属度函数类型，常用的隶属度函数类型有抛物线型和S 型隶属函数［11］。S 型隶属函数表达式如下。

抛物线型隶属函数表达式如下。

式（1）和式（2）中，x为所测元素的实测值；x1、x2、x3、x4分别为下限、下限最优、上限最优和上限。根据生产实践和有关专家建议，同时结合相关文献［11］，确定各养分指标的隶属度函数类型和曲线转折点取值，如表1 所示。

表1 各指标的隶属函数类型及曲线转折点取值

通过对曲线转折点取值计算出每个样品的隶属度值，通过权重和隶属度值计算土壤肥力综合指标值（IFI，Integrated fertility index）［3，4］。计算公式如下。

式中，IFI为土壤肥力综合指标值；Wi为第i种养分指标权重系数；Ni为第i种养分指标隶属度值。IFI的取值范围为［0，1］，数值越大表示该土壤综合肥力越高。

2 结果与分析

2.1 海拔状况及不同海拔土壤养分状况

从海拔变化（图1）来看，2009—2010 年平均海拔为（1 768.7±246.3）m，2015—2017 年为（1 831.1±231.8）m，可见总体上海拔在不断提高，其中，低海拔（＜1 600 m）平均提高了约25 m，高海拔（＞1 800 m）平均提高了约13 m，而中海拔（1 600～1 800 m）则降低了约10 m。同时可以看出，植烟土壤海拔高度离散程度在降低，说明海拔高度有集中趋势。

图1 海拔变化趋势

从不同海拔养分指标（图2）来看，①2009—2010 年总体土壤pH 介于4.4～7.9，均值为5.99±0.60，其中低海拔土壤pH 最高，中海拔最低；2015—2017年土壤pH 介于4.7～8.5，均值为6.1±0.8，其中低海拔土壤pH 最高，高海拔最低。2 次普查结果显示，pH有提高趋势，这可能与有意识的改良土壤酸化有关。②2009—2010 年土壤有机质平均含量为（23.76±13.28）g/kg，中海拔有机质平均含量最高、低海拔最低；2015—2017 年土壤有机质平均含量为（26.13±13.50）g/kg，高海拔最高、低海拔最低。③2 次普查结果显示，土壤碱解氮低海拔降低25.0 mg/kg、中海拔降低15.4 mg/kg、高海拔提高8.7 mg/kg，总体降低3.32 mg/kg。④水溶性氯含量低海拔降低5.9 mg/kg、中海拔提高0.5 mg/kg、高海拔降低11.5 mg/kg，总体降低6.87 mg/kg。⑤土壤有效锌在低海拔和中海拔稍有降低，高海拔稍有提高，总体上保持稳定。而土壤速效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁4 个指标大幅度提高，总体均值分别提高35.4%、49.5%、396.8%和274.7%，且中高海拔提高幅度远高于低海拔。

图2 土壤养分指标值的描述统计

从离散程度（变异系数）来看，2 次调查结果显示，碱解氮和水溶性氯变异系数降低，速效钾、交换性钙和交换性镁变异系数大幅度增加，说明这些养分指标在时间尺度上离散程度增加；其他指标变异系数基本维持不变。从不同海拔来看，2 次普查结果显示，pH 和速效钾变异系数在低海拔升高；pH、碱解氮、速效钾、交换性钙、交换性镁变异系数在中海拔升高；pH、交换性镁、有效锌变异系数在高海拔升高，说明不同养分在不同海拔上随时间推移离散程度变化并不一致，如交换性钙、交换性镁的变异系数在中、高海拔大幅度提高，而水溶性氯变异系数则在低海拔和高海拔大幅度降低。

2.2 不同海拔土壤养分状况及综合分析

2.2.1 不同海拔肥力指标权重 不同养分在不同海拔的公因子方差和权重结果（表2）显示，①低海拔2009—2010 年土壤pH、有机质、碱解氮、速效磷、交换性钙权重较高，交换性镁权重最低；2015—2017年则有机质、碱解氮、速效磷、速效钾和有效锌权重较高，水溶性氯最低。②中海拔2009—2010 年土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、交换性镁、水溶性氯、有效锌权重较高，pH 权重最低；2015—2017 年则有机质、碱解氮、速效磷、有效锌权重较高，交换性镁和水溶性氯最低。③高海拔2009—2010 年土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、有效锌权重较高，交换性镁权重最低；2015—2017 年则有机质、碱解氮、速效钾、交换性钙、有效锌权重较高，速效磷和水溶性氯权重最低。从全县尺度来看，2009—2010 年土壤碱解氮权重最高、水溶性氯权重最低，2015—2017年则有效锌权重最高、水溶性氯权重最低。可见不论是时间尺度上还是空间尺度上，土壤养分各项指标对综合肥力贡献处于不断变化状态，总体上有机质、碱解氮、有效锌的权重保持较高水平，而水溶性氯较低，速效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁则变化较大。

表2 各指标公因子方差和权重

2.2.2 不同海拔土壤肥力综合评价 参照已有方法［4］将土壤肥力综合指标值（IFI）划分为4 个等级：Ⅰ级，IFI≥0.75；Ⅱ级，0.50≤IFI＜0.75；Ⅲ级，0.25≤IFI＜0.50；Ⅳ级，IFI＜0.25。由 表3 可 知，2009—2010 年低海拔、中海拔、高海拔IFI平均值分别为0.52、0.53、0.55，IFI随海拔升高而提高；2015—2017年IFI平均值分别为0.56、0.58、0.59，IFI随海拔升高而提高。就全县而言，2009—2010 年和2015—2017年IFI分别为0.54 和0.60，可见随着种植年限的延长，不同海拔以及总体上土壤肥力综合指标值在逐步提高。从分布状况来看，随着种植年限延长，在低海拔上土壤肥力变异增大，在中海拔和高海拔土壤肥力变异降低；不同海拔，土壤肥力IFI以Ⅱ级比例为主，且I级和Ⅱ级比例提高、Ⅲ级比例降低。

表3 土壤肥力综合评价

2.3 海拔高度与各指标的相关关系

2009—2010 年显示海拔高度与pH、有效锌呈负相关，与其他指标均呈正相关，其中与速效磷、速效钾呈显著正相关；2015—2017 年海拔高度与pH、交换性钙、交换性镁呈显著负相关，与其他指标呈正相关，其中与有机质、碱解氮、速效钾、有效锌、有效硼呈显著正相关（图3）。

图3 海拔、pH 与土壤养分之间的相关系数

3 讨论与小结

3.1 不同海拔肥力指标时空变化

土壤自然酸化非常缓慢，但在人为干扰下土壤酸化急剧增加，因此改良土壤酸化是土壤保育重要内容之一［12］。植烟土壤适宜pH 为5.5～7.0［13，14］，盐边县植烟土壤总体pH 适宜，低海拔稍高，中高海拔稍低，且低海拔有升高趋势，而中高海拔保持稳定。这可能主要是由于低海拔更加注重土壤酸化改良，同时说明在施用碱性材料改良土壤时应该注意施用量和施用频率，以防止土壤pH 急剧升高。

就全县而言，有机质含量始终呈升高趋势。从不同海拔来看，中、低海拔土壤有机质降低（分别降低3.6%和16.9%），高海拔土壤有机质提高（提高22.5%），这主要可能与高海拔土壤温度较低，同样的施肥情况下土壤呼吸量较低，导致有机质矿化速率较慢有关。目前认为，植烟土壤碱解氮含量适宜范围为65～120 mg/kg［15］。本研究结果表明，总体上盐边县植烟土壤碱解氮含量高于120 mg/kg。从时间尺度来看，低海拔碱解氮大幅度降低（降低20.7%），中海拔稍有降低、高海拔稍有提高，总体上稍有降低（降低2.6%），基本稳定。从空间尺度来看，2009—2010 年以中海拔碱解氮最高，而2015—2017 年则以高海拔碱解氮最高。不论从时间尺度还是空间尺度来看，目前的施氮量均较为适宜。

2010—2017 年盐边县植烟土壤速效磷、速效钾含量有较大幅度提高，总体上磷、钾分别提高21.4%和49.5%，且速效磷、速效钾含量随海拔升高而增加。土壤速效磷、速效钾含量逐步提高可能与超量施肥有关，该地区年均投入量（kg/hm2）为N∶P2O5∶K2O=100∶116∶320，按8.0、1.2、10.0 g/株计算烟株氮、磷、钾累积量［16］，每公顷按16 500 株计算，则每公顷烟株带走氮、磷、钾分别为132.0、19.8、165.0 kg，可见磷、钾投入量远高于烟株需要量，即使降雨会导致钾素流失，但长期高量投入肯定引起土壤磷、钾累积，这可以从前人研究得到印证［17］。

2 次普查结果显示，土壤交换性钙、交换性镁含量大幅度上升，交换性钙总体上升幅度达396.8%、交换性镁上升幅度达274.7%。从海拔角度来看，2009—2010 年普查交换性钙、交换性镁均以中海拔最高，而2015—2017 年则以低海拔最高、高海拔最低，本研究结果与前人研究结论基本一致［18］。这与土壤pH 结果也基本一致，推测是受到酸化土壤改良措施（施用石灰）的影响，该改良剂价格便宜、改良效果好，同时可补充土壤钙含量，但过量和不合理使用石灰会引起短期内土壤pH 急剧升高［19］，因此在施用石灰时应该注意用量和频率。

氯是烟草必需营养元素之一［20］，但烟草是忌氯作物，土壤水溶性氯含量是植烟土壤的重要指标，烟叶氯含量的61.8%来自土壤［21，22］，植烟土壤适宜水溶性氯含量为20～30 mg/kg［23］。氯含量主要受施肥和降雨的影响。本研究结果表明，目前的施肥水平和降雨量条件下土壤水溶性氯含量有缓慢降低风险。从不同海拔来看，中海拔土壤水溶性氯含量基本保持稳定，而低海拔和高海拔则降低明显，说明海拔对水溶性氯含量有明显影响，因此在施肥时应该加以区别，做到因地制宜。

3.2 土壤肥力指标的关系

海拔是影响山地植烟土壤的重要因子，土壤理化性质随海拔高度而变化，如低海拔土壤碱解氮、有机质、有效硫含量明显低于中、高海拔［11］。植烟土壤pH 与土壤养分的关系已有大量报道［6，13］，但结果并不完全一致，这说明研究对象、样本量大小等对土壤pH 与养分之间关系均有影响，但就pH 与交换性钙、交换性镁关系而言，已有报道均表明土壤pH 与土壤交换性钙、交换性镁呈显著正相关［13，14］，这与本研究结果一致，说明交换性钙、交换性镁与土壤pH的关系在更普遍的范围上仍有密切关系。

土壤有机质对土壤肥力的重要性不言而喻，一般认为土壤有机质的高低直接反映了土壤肥力的高低。本研究结果显示，2 次调查中土壤有机质与速效氮、速效磷、速效钾、有效锌呈极显著正相关，与交换性钙、交换性镁、pH 呈显著负相关，这从侧面表明了土壤有机质可以直接反映养分指标的高低。

土壤速效钾、水溶性氯含量直接影响烟叶中钾和氯的含量，在植烟土壤养分管理中尤为重要。土壤中的速效钾、水溶性氯含量输入主要受施肥量的影响，而输出受降雨量和作物吸收的影响强烈，由于烟草是喜钾忌氯作物，在长期施肥中一般都是高钾无氯或极低氯配方，由此导致土壤速效钾累积较高，而氯含量则相对降低，因此，在施肥中应该注意控制钾、平衡氯。

3.3 综合肥力评价指标值的时空变化

2009—2010、2015 —2017 年2 次普查结果显示，总体上土壤肥力综合指标值有升高趋势。从不同海拔来看，2 次结果均显示不同肥力因子在相同海拔或相同肥力因子在不同海拔的权重并不相同，说明在相同施肥制度下，随着海拔的升高，不同肥力因子对综合肥力的贡献相对重要性发生了变化，如有机质、碱解氮在2 次普查中的任何一个海拔高度都比较重要，而其他肥力因子则时空变化较大。这有可能是单一施肥情况下，作物对养分的消耗比例不同，导致某些养分在土壤中累积，而某些养分则保持不变或稍有降低，进而对土壤综合肥力的影响比重发生相对变化，表明养分不均衡度在增加，故平衡施肥比单纯提高某一个养分指标更重要。