红河州植烟土壤养分和土壤肥力变化特征研究

唐佐芯，冯俊娜，阮亚男，陆庆华，吴 甜，夏体渊，李柘锦

(1.昆明学院农学与生命科学学院，昆明 650214；2.云南省烟草公司红河州分公司，云南 弥勒 652300)

【研究意义】烟草(NicotianatabacumL.)是云南重要的叶用经济作物，土壤养分供应好、营养和环境条件协调能力强是生产优质烤烟的基础[1-2]，烟草适应性较强，在多种土壤上均可以生长发育，但优质烟叶对土壤条件的要求较高[3-4]。植烟土壤养分的丰缺很大程度上影响土壤质量和烤烟的生长、产量和内在品质[5-6]。随着现代农业的发展，人类对耕地资源的利用程度越来越高，这必然使耕地的土壤养分含量发生很大的变化。因此，在国家“2020 年化肥零增长计划”的大背景下，掌握耕地土壤养分的丰富与缺乏及其规律，对于指导合理施肥、因土栽培、增效提质等具有重要的指导意义[7-9]。植烟土壤肥力适宜性评价是在某一区域内，通过定性、定量或定位有效综合评价各土壤肥力因素来确定其适宜烤烟种植的程度，是优质烤烟生产规划的一个重要依据，还可为烟田土壤的改良、保育及健康持续发展提供理论参考。【前人研究进展】针对植烟区土壤养分含量及肥力适宜性评价，云南省临沧市[3]、罗平县[10]、保山市[11]和红河州[6,12-13]等植烟区域涉及其动态变化的研究，采用的方法主要包括生态位适宜度、主成分分析、聚类分析、模糊数学理论等[3,10-13]。红河烟区是云南省优质烟叶原料产区之一，是红云红河集团“四大核心原料区”中最大的烟区[2]，了解红河州烟区土壤养分含量、分布及变化趋势，对红河州烟草合理施肥，提高烟叶产量、质量有重要意义。前人就红河州植烟土壤周年内丰缺状况和土壤肥力评价做了不少工作，取得了一定进展[6,12-13]。【本研究切入点】土壤作为时空连续的变异体，具有高度的空间异质性，红河州年际间土壤肥力评价的研究尚未见报道。【拟解决的关键问题】本研究以红河州植烟土壤为对象，分析2014—2018年红河州植烟土壤pH和主要养分的年际间变化规律，在各肥力指标定量描述的基础上，利用模糊数学模型隶属函数法估算土壤肥力指数，旨在为红河州生产优质烟叶提供理论依据，为烤烟种植养分管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

红河州属低纬高原亚热带季风气候区，北回归线穿越全州，境内山峦起伏，地貌复杂多样，有北热带、北亚热带、南亚热带、南温带、中亚热带和中温带等6种气候类型，红河州大部分耕作区域处于热带和亚热带气候区，光、热、水等条件比较优越。年平均日照时数1065～2300 h，烤烟生长期和成熟期的5—9月，州内主要植烟区日照时数为646.4～821.8 h，日照百分率为32.4%～41.2%，有利于烟叶生产。无霜期在300 d左右，气候温和，降水量较为丰沛，多年平均降水量1491 mm，年平均降雨日数为152 d，雨季(5—10月)降水量约占全年总降水量的80%以上。降水时空分布极不均匀，呈南多北少，山区多于坝区，夏秋降水集中，冬春干旱明显。在烤烟生长大田期，各地月均降水量均在100 mm以上，能满足烤烟生长发育的需要[12]。

1.2 土壤样品采集与分析

为了保证各个年度数据的可比性和可靠性，土壤样品采集和样品测定均由红河州烟草公司组织，对个旧市、建水县、开远市、泸西县、蒙自市、弥勒市和石屏县7个县(市)的表层20 cm土壤进行采集，每年3—4月完成相关采样工作。采样时考虑土壤类型、种烟规模、品种、海拔等因素，采集土壤样品进行GPS定位编号登记，按照“S”型采样法采集耕作层 0～20 cm土壤。各县(市)土壤样品取样数量见表1，选择土壤pH、有机质(SOM，g/kg)、碱解氮(AN，mg/kg)、有效磷(AP，mg/kg)、速效钾(AK，mg/kg)、有效硼(B，mg/kg)、有效锌(Zn，mg/kg)、交换性镁(Mg，mg/kg)和水溶性氯(Cl，mg/kg)为评价指标，土壤样品去除根系、石块等杂物，自然风干，过筛后测定土壤上述指标含量[12]。

1.3 数据分析方法

采用土壤养分分级法对植烟土壤进行丰缺状况评价，将土壤pH分为6个等级，其他8个土壤养分指标(有机质、碱解氮、交换性镁、水溶性氯、土壤有效磷、速效钾、有效硼和有效锌)分为5个等级[12]。同时，将上述9个指标进行抛物线型和S型[10,13]隶属度赋值(表2)，并将隶属度值进行因子分析，计算各肥力指标对应的公因子方差大小获得权重[14]。最后，计算土壤肥力适宜性指数(Soil fertility index,SFI)，并用等间距法进一步对SFI值进行等级划分[14]，即较高(0.6≤SFI<0.8)、中等(0.4≤SFI<0.6)和较低(0.20≤SFI<0.4)，SFI值越大则说明该地区土壤肥力越高，越适宜烤烟的生长。采用Excel 2010完成数据描述性统计，方差分析借助SPSS 17.0的独立样本t检验和单因素方差分析，借助Origin 2021完成图形绘制。

式中：i=1，2，3，……m，j=1，2，3，……n，m为土壤样品的总数，n为养分指标的总数，Mij和Wij分别为第i个土壤样品第j个养分指标的隶属度值和相应的权重。

2 结果与分析

2.1 红河州土壤pH和主要养分年际间变化特征分析

如图1所示，土壤有机质、碱解氮和速效钾从2014年至2018年分别增加了2.81 g/kg、9.61 mg/kg和16.74 mg/kg，土壤有效硼和交换性镁则分别减少了0.22和51.69 mg/kg，均达到显著差异，其他养分含量在2014年和2018年无差异。

如图2所示，从2014—2018年，红河州极强酸和中性的土壤分别下降39.52%和27.44%，微酸比例基本无变化，强酸和微碱分别上升17.36%和47.83%，且微碱性土壤的区组在2018年显著高于2014年(t=-5.194，P<0.001)。土壤有机质含量极低的比例降低46.0%，且达到显著水平(t=-3.263，P=0.002)，有机质含量在中等以上的土壤所占比例较大，在2014年和2018年分别占79.73%和85.93%，有机质含量高和很高的比例呈上升趋势，其中，有机质含量很高的土壤占比上升80.59%。土壤碱解氮很低的比例下降27.11%，低的比例下降17.02%，且达到显著水平(t=-16.671，P<0.001)；而中等以上的比例较大，在2014年和2018年分别达到52.03%和67.80%，中等、高和很高3个区组分别上升了12.21%、38.70%和23.19%，且中等比例达到显著水平(t=-26.977，P<0.001)。

表1 2014和2018年土壤取样情况

表2 土壤pH和主要养分指标的隶属函数类型、阈值和权重

土壤有效磷含量很低的比例下降了16.57%，且达到显著水平(t=5.123，P<0.001)，中等水平的比例增加了12.21%，但仍有48.54%～50.62%的土壤有效磷低于20 mg/kg。土壤速效钾总体含量丰富，中等以上比例占57.44%～63.90%，速效钾含量很高的区组在2018年显著高于2014年(t=-5.931，P<0.001)，增加了72.19%。水溶性氯的含量总体偏低，含量很低的比例达76.84%～81.08%，年际间变化趋势不明显。土壤有效硼含量总体偏低，含量低于0.5 mg/kg的比例达48.31%～77.19%，含量很低(t=-2.857，P=0.005)的比例增加了38.84%，含量中等的比例则下降了41.36%(t=5.304，P<0.001)。有效锌含量属于高和很高的比例达到80.14%～85.37%，年际间变化较小。交换性镁含量总体偏高，含量处于中等偏上的比例高达76.05%～83.54%，含量很高的区组在2018年显著低于2014年(t=2.049，P=0.043,图2)。

2.2 红河州土壤pH和主要养分空间年际间变化特征分析

如表3所示，2014年，石屏县土壤pH和有效锌含量最低，蒙自市土壤pH较低，有机质和有效锌的含量最高；个旧市碱解氮、速效钾和水溶性氯离子含量最高。2018年，石屏县土壤pH最低，有效磷含量最高，而个旧市土壤pH也较低，但有效磷含量最低；建水县土壤速效钾含量最低，而有效锌和水溶性氯离子含量最高。独立样本t检验结果显示：土壤pH在红河州7个县(市)均表现出显著差异性，除蒙自市和石屏县外，其他县(市)均表现为2014年的土壤pH低于2018年。土壤有机质和碱解氮含量仅在开远市和弥勒市有显著差异，均表现为2018年高于2014年。土壤有效磷在个旧市和开远市有显著性差异，前者在2014年高于2018年，而后者却在2018年高于2014年。速效钾含量在建水县、蒙自市和弥勒市均表现为2018年高于2014年，其余县(市)无显著差异。个旧市的水溶性氯含量表现为2014年高于2018年，而泸西县则为2018年高于2014年。除开远市和蒙自市外，其余县(市)土壤有效硼含量均表现为2014年高于2018年。土壤有效锌含量在开远市、弥勒市和石屏县表现为2018年高于2014年，在泸西县则是2014年高于2018年，其余县(市)差异不显著。交换性镁含量在建水县表现为2018年高于2014年，而在弥勒市和石屏县则表现为2014年高于2018年，其余县(市)差异不显著。

2.3 红河州植烟土壤土壤肥力年际间变化特征

如表4所示，2014年与2018年的土壤肥力指数间无显著差异(t=0.993，P=0.321)，2014年土壤肥力指数平均值0.499，变幅0.10～0.85，变异系数27.15%，2018年土壤肥力指数平均值0.491，变幅0.10～0.86，变异系数26.53%。经过4年的生产利用，红河州植烟土壤肥力适宜性情况发生了变化，主要表现为建水县、开远市和弥勒市的土壤肥力指数上升，而个旧市、蒙自市和石屏县土壤肥力指数的下降，且石屏县达到显著水平，泸西县土壤肥力指数基本无变化。2014年土壤肥力指数在个旧市的变异系数最低，蒙自市的最高，变幅为22.92%～29.47%；而2018年则在石屏县的变异系数最大，开远市的最小，变幅为18.94%～30.39%，植烟土壤肥力指数的空间变异较小。2014年各县(市)间土壤肥力指数表现为个旧市>石屏县>弥勒市>开远市>蒙自市>泸西县>建水县。2018年各县(市)土壤肥力指数表现为个旧市>弥勒市>开远市>建水县>泸西县>石屏县>蒙自市。

红河州植烟土壤肥力状况良好，97.30%和98.98%的植烟土壤处于较低、中等和较高这3个等级内，中等水平肥力指数的土壤分别占63.18%和61.29%，而综合肥力指数大于0.6的土壤样品为17.91%和23.27%。2014年和2018年全州植烟土壤肥力在3个等级间均无显著差异。各县(市)2014年和2018年较低和中等土壤肥力所占比例无差异，仅较高土壤肥力等级所占比例在弥勒市表现出2018年显著高于2014年，其余县(市)间无差异(表4)。

表3 各县(市)土壤pH和主要养分指标在2014年和2018年的差异性分析

表4 红河州植烟土壤肥力综合评价

2014年3个土壤肥力等级中土壤pH均表现为微酸，水溶性氯离子含量均较低，有效硼含量中等，交换性镁含量高，且土壤pH、水溶性氯和有效硼在3个土壤肥力间无显著差异。在2014年土壤肥力较低等级内表现出较明显的碱解氮和有效磷含量低，土壤有机质和速效钾中等，有效锌含量高；在土壤肥力较高等级内表现出明显的有机质和碱解氮含量中等，有效磷和速效钾含量高，有效锌含量很高。2018年3个土壤肥力等级内土壤pH均为微酸，且无显著差异，碱解氮含量中等，有效锌含量很高，交换性镁含量高。在2018年土壤肥力较低的区域表现出中等含量的有机质、有效磷和速效钾，水溶性氯和有效硼含量低；在土壤肥力较高的区域则表现为有机质、有效磷和速效钾含量高，水溶性氯含量低，有效硼含量中等，且均达到显著水平(表5)。

3 讨 论

3.1 年际间土壤肥力指数变化特征分析

本文以红河州7个县(市)的植烟区田块0～20 cm土壤为对象，考虑复杂的地形地貌和土壤养分的时空变异性，借助隶属度函数计算土壤肥力指数对土壤pH和氮、磷、钾及中微量元素进行系统研究。本研究中，取样点均根据植烟区田块的行政区划分布情况选择，综合考虑土壤类型、种烟规模、品种、海拔等因素，覆盖区域广，能满足统计分析的要求。另一方面，土壤肥力指数由隶属度值和权重决定，而隶属度函数在2014年和2018年是一致的，因此，年际间的差异主要是由于权重的变化导致的[15]。本研究中，红河州植烟土壤有机质和碱解氮所占权重较高，且2014年土壤有机质的权重最大，这与前人的研究结果相似[16]；而2018年碱解氮的权重最大，土壤pH值、速效钾和有效硼的权重在2018年高于2014年，其余指标的权重则表现为在2014年较高。两年间土壤pH值、速效钾和有效锌的权重差异约0.02个单位，而水溶性氯和有效硼的权重差异约50%，年际间有差异[11-13]。在未来的研究中，可结合地形、气候因素和栽培管理等诸多因素对植烟土壤的生产力进行更科学更准确的评价[2,12]。

表5 红河州3个土壤肥力对应的土壤pH和养分含量

3.2 年际间土壤肥力指标变化特征分析

前期研究表明最适宜烤烟生长的土壤pH范围是5.5～6.5，且有机质含量在20～40 g/kg有利于烤烟品质的形成[12]，红河州2014年和2018年中等及较高肥力等级对应的土壤酸碱度和有机质含量均在此范围内。经过4年的生产实践，3个土壤肥力等级对应的土壤有机质、碱解氮和速效磷含量有上升的趋势，可能的原因是有机肥的使用力度加大从而增加了有机质的含量；亦或植烟土壤的有机质含量随pH升高而降低[17]；或与增加氮肥和钾肥投入有关。另一方面，土壤有机质、碱解氮和速效钾含量从2014—2018年均显著增加，增幅分别为11.45%、9.04%和8.47%，其中，有机质增加主要体现在大于40 mg/kg的区组，碱解氮中等偏上的区组在2018年所占的比例高于2014年，速效钾含量<80 mg/kg和>350 mg/kg的区组表现为2018年高于2014年。部分地区仍然表现出土壤缺钾的现象，需进一步调整施肥方案，如通过水肥一体化形式适当提高钾素的利用效率[15]。另一方面，碱解氮含量有大幅度提升，可能与土壤有机质含量的提升有关，或是前茬作物种植中投入了大量氮肥[15]。上述研究结果与临沧市[3]、罗平县[10]、保山市[11]、云南大理[18]等烟草种植区域和其他常规耕作区域[19-21]的研究结果一致，长期耕作和施肥会影响土壤有机质和土壤养分含量的变化。

土壤有效硼在2014年和2018年含量均较低，但土壤肥力较低和中等等级区域内土壤有效硼含量从2014年的中等水平下降到2018年的低水平，土壤有效硼在4年来有下降的趋势，具体表现为有效硼中等及以上含量的下降，中等、高和很高水平的占比分别下降了41.36%、94.26%和66.40%。因此，红河州植烟土壤应加大硼肥的投入。同时，土壤肥力在一定程度上受土壤有效锌和交换性镁含量的影响[11]。本研究中，土壤交换性镁和有效锌含量很高，主要与成土母质相关[22]，土壤交换性镁与烟叶镁含量有明显的正相关，过高的土壤交换性镁会导致烟叶储存时吸湿性增强甚至生理性缺镁从而直接影响卷烟质量[22]。2018年土壤交换性镁含量有所下降，具体表现为在100～200 mg/kg及>400 mg/kg区间内交换性镁含量的下降，可能与红河州推广绿肥、玉米(喜镁作物)轮作相关[22]。同时，2014年和2018年土壤有效锌含量属于高和很高的比例达到80.14%～85.37%，表明植烟土壤有效锌过高，这可能与红河州植烟土壤有机质含量的提升有关。如果不采取措施，未来将可能面临土壤锌污染，并导致烟株株产生锌毒害，烟叶坏死等现象[23]，因此，红河州植烟土壤需合理控制镁肥和锌肥的施用。最后，烟草种植适宜和最适宜的土壤含氯量要小于30 mg/kg，适量的氯素营养，有利于提高烤烟旺长期叶片叶绿素含量、植株根系活力和烤烟生长前期硝酸还原酶的活性[24]，这与日本的标准是一致的[25]，且当土壤含氯量小于30 mg/kg时不会成为烟叶质量的限制因素[26]，在本研究中，红河州植烟土壤水溶性氯离子含量均低于30 mg/kg。

4 结 论

2014—2018年，红河州植烟土壤pH、有效磷、水溶性氯和有效锌含量变化较稳定，土壤有机质、碱解氮和速效钾有所增加，表现为有机质含量很高、碱解氮含量中等偏上及速效钾含量很低和很高的区组比例有所增加，而土壤有效硼、交换性镁和有效锌中等以上含量的区组呈降低趋势。红河州植烟土壤有机质和碱解氮所占权重较高，全州植烟土壤肥力状况良好且变异小，分别有63.18%和82.52%的植烟土壤属于土壤肥力中等水平。土壤肥力综合指数在2014年和2018年之间无差异，个旧市土壤碱解氮含量和土壤肥力综合指数最高；石屏县2018年土壤肥力综合指数远低于2014年，表现为土壤pH和有效硼的显著差异；仅弥勒市的较高土壤肥力等级在2018年较2014年增加了7.95%，表现为速效钾含量<80 mg/kg和>350 mg/kg的区组在2018年高于2014年。红河州烟区土壤较适宜烟草生长，在实际生产实践中，需加大硼肥的使用，合理控制锌肥和镁肥的施用，提高钾肥利用效率。