豫西南丘陵区植烟土壤养分时空变异特征及肥力评价

李 倩，贾晓果，李 亮，张 翔，程玉渊，李 鹏

（1.河南省烟草公司 南阳市公司，河南 南阳 473000；2.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002）

长期农业生产中土壤易受结构因素（气候、生物、母质和地形等）和人为作用（耕作模式、水肥管理和土地利用方式等）的双重影响，常表现出高度的时空异质性[1-2]。土壤养分是土壤肥力最重要的因素，直接影响烟株的生长发育，决定着烤烟的产量和品质。在现代烟草农业体系下，随着烟叶标准化、集约化及原料定制化生产的推进，以植烟为主的耕作制度及水肥调控等田间管理措施，逐渐成为改变植烟土壤养分时空分布的主要影响因素[3-4]。因此，厘清植烟土壤养分时空变化特征和当前肥力本底水平，可为植烟土壤培肥和烟田规划提供合理建议，对保障优质烟叶的可持续生产具有重要意义。

近年来，诸多学者将地统计学方法和地理信息系统（GIS）技术结合，从流域[5]、区域[6-7]、县域[8-9]、镇域[10]等尺度开展土壤养分时空变化特征研究，评价施肥策略和耕作制度的合理性，旨在优化烟田土壤管理方式，提升土地生产力。2011—2020 年洱海流域施肥量的差异引起了植烟土壤有效磷含量分布的变异[5]；湖南浏阳烟区15 a 间持续施用生石灰，土壤pH 值得到有效提升[6]；遵义烟区近10 a 土壤养分较稳定，归因于统一的田间施肥和管理技术[4]；云南马龙植烟土壤酸化与氮肥大量施用有关[11]；湘西州花垣烟区土壤肥力因前茬作物和施肥的不同而有差异[12]。在烤烟实际生产中，因各植烟区生态气候、地形因子和土壤类型等结构因素的差别，与之配套的烟田管理措施也存在差异，两者相互作用下最终形成各地独有的烟叶风格。豫西南是我国浓香型优质烟叶特色产区，所产烟叶焦甜焦香风格突出，且多年来坚持构建以烟为主的多产业融合发展模式，但尚未有关于其植烟土壤养分时空变化特征的研究。因此，以豫西南丘陵区植烟面积最大的县——内乡县为研究区，拟通过采集该区2002、2020 年植烟土壤数据，分析其土壤养分的时空变化特征及空间分布格局，探讨水肥管理、栽培措施等对土壤养分的影响，旨在为后续烟田管理和土壤可持续利用提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

内乡县位于河南省西南部，南阳盆地西缘，介于北纬32°49′～33°36′、东经111°34′～112°09′，面积36 975 hm2。属亚热带季风气候，全年日照总时数2 200 h 以上，年均气温15.7 ℃，＞10 ℃有效积温为2 150 ℃，年降雨量762 mm，无霜期232 d。地形主要为丘陵和低山，土壤质地以黏土和壤土为主，黄褐土和黄棕壤土占植烟面积的70%以上。内乡县是河南浓香型烟叶典型产区，其中部和西南部丘陵地带为主要植烟区，海拔180～350 m，中部包括湍东、赵店、赤眉、余关、马山口、王店、灌涨7 个乡（镇），西南部包括师岗、瓦亭和砟岖3 个乡（镇），年种植烤烟2 000 hm2，收购量约3 500 t，是中华、利群和黄金叶品牌的优质原料产地。

1.2 土壤数据采集

2002 年80 份数据来源于全国植烟土壤普查，2020 年213 份数据来源于南阳市烟草公司内乡县分公司植烟土壤调查。2002 年的数据分别包括湍东镇5 份、赵店乡8 份、赤眉镇6 份、余关乡10 份、马山口镇4 份、王店镇10 份、灌涨镇10 份、师岗镇11份、瓦亭镇11份、砟岖乡5份，2020年的数据分别包括湍东镇12 份、赵店乡27 份、赤眉镇4 份、余关乡34 份、马山口镇9 份、王店镇28 份、灌涨镇20 份、师岗镇21份、瓦亭镇41份、砟岖乡17份（图1）。

图1 内乡县植烟土壤采样点分布Fig.1 Sampling points of tobacco-planting soil in Neixiang County

1.3 测定项目与方法

土壤pH 值采用电位法测定（土∶水=1∶2.5），土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，有效磷含量采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法（Olsen 法）测定，速效钾含量采用火焰光度法测定[13]，水溶性氯含量采用硝酸银滴定法测定[14]。

1.4 土壤肥力评价方法

1.4.1 土壤肥力指标分级标准 参照中国植烟土壤养分评价标准[15]及叶协峰等[16]的方法，制定了内乡县植烟土壤肥力指标分级标准（表1）。

表1 内乡县植烟土壤肥力指标分级标准Tab.1 Classification standard of tobacco-planting soil fertility index in Neixiang County

1.4.2 土壤肥力指标的隶属函数类型及阈值 采用模糊数学模型对土壤肥力进行评价。先利用隶属度函数对原始数据进行归一化处理，将原始数据转化为0～1 分布的、无量纲差异的隶属度值。参考胡瑞文等[12]、武德传等[17]的研究方法，土壤有效磷和速效钾含量采用S 型隶属函数，pH 值、有机质、碱解氮和水溶性氯离子含量采用抛物线型隶属函数，分别见表达式（1）和（2），并确定了土壤评价指标的阈值（表2）。

表2 土壤肥力指标隶属度函数类型及阈值Tab.2 Type of membership function and threshold of soil fertility index

式中，x为土壤肥力指标的实际测定值，x1和x4为各指标的下限值和上限值，x2和x3为各指标的最优下限值和最优上限值。

1.4.3 土壤肥力指数 采用因子分析法计算各指标的权重系数，加成法计算土壤肥力指数（SFI），公式为：SFI=∑Wij×Nij，Wij和Nij分别表示第i个土壤第j个指标的隶属度值和对应的权重系数[5]。根据评价结果，将植烟土壤划分为4个等级：优质（Ⅰ级，SFI＞0.80）、良好（Ⅱ级，0.60＜SFI≤0.80）、中等（Ⅲ级，0.40＜SFI≤0.60）和较差（Ⅳ级，SFI≤0.40）。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2016 进行数据计算，采用SPSS 21.0 进行统计分析，采用ArcGIS 10.2 绘制养分空间分布图，其他图利用Origin 2018 绘制，采用最小显著差数法（LSD）进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 内乡县植烟土壤养分含量统计分析

2.1.1 土壤养分描述性统计分析 2002—2020 年，土壤pH 值和养分含量平均值出现不同程度的变化（表3）。18 a 来，全县土壤pH 值平均值由7.74 降至6.59，下降了1.15；速效钾和水溶性氯含量均值显著降低，分别下降了7.31%、34.29%；有机质、碱解氮和有效磷含量均值显著增加，分别提高了21.00%、109.77%、20.77%。2002年仅pH值的变异系数＜10%，为弱变异；其他指标变异系数介于10%～100%，属中等强度变异[9]。2020年各指标变异系数均属中等强度变异。与2002 年相比，2020 年各肥力指标的变异系数均有所增加，水溶性氯的增幅最小，为1.18%，碱解氮的增幅最大，为322.09%。

表3 内乡县植烟土壤养分含量描述性统计特征Tab.3 Statistical characteristics of tobacco-planting soil nutrient content in Neixiang County

2.1.2 土壤养分各等级占比 图2是各肥力指标对应等级采样点数占总采样点数比值情况。与2002年相比，2020 年土壤养分各等级占比发生不同程度的变化。从适宜等级占比来看，pH值、碱解氮、速效钾、水溶性氯含量分别提高了52.41、29.58、19.76、18.18 个百分点，有机质和有效磷含量分别降低了10.76、1.57个百分点。2002年碱解氮含量偏低等级占比较大，pH值、速效钾、水溶性氯含量偏高等级占比较大，但2020 年分别下降了82.63、62.74、25.40、46.82 个百分点。2020 年，碱解氮、速效钾和水溶性氯含量偏高等级占比分别达到53.05%、68.54%、38.03%。另外，2020 年有10.33% 的采样点pH值＜5.5。

图2 内乡县植烟土壤养分各等级占比Fig.2 Proportion of tobacco-planting soil nutrients in Neixiang County

2.2 内乡县植烟土壤pH值及养分的时空分布

2.2.1 pH 值的时空分布 2002 年全县植烟土壤偏碱（pH 值＞7.5）（图3A）；2020 年79.11%的植烟土壤pH 值介于5.5～7.0，以中性偏酸为主，仅赤眉镇、马山口镇、赵店乡和余关乡部分区域土壤pH 值偏高（图3a）。与2002 年相比，2020 年pH 值＞7.0 的植烟面积占植烟总面积的比值下降了79.14个百分点。

2.2.2 有机质的时空分布 2002 年植烟土壤有机质含量以中等（10～20 g/kg）为主，21.38%区域含量偏低（图3B）；2020 年有机质含量10～20 g/kg 植烟区域占植烟总面积的94.82%，仅马山口镇和王店镇零星区域有机质含量偏低，面积合计占比5.18%（图3b）。与2002 相比，2020 年土壤有机质含量偏低区域面积占比下降了16.20 个百分点，这些区域主要分布在西部的赤眉镇、余关乡、赵店乡、湍东镇和砟岖乡。

D企业将“新零售”与“共享经济”有机融合，致力于打造办公室的自助便利店，并成为首批设计、研发、制造无人货架的企业之一，开创了利用互联网实现无人售货模式的新时代。根据表3的编码结果，模仿型机会条目数为5，创新型机会的条目数为12，将其开发的机会判定为创新型机会。

图3 内乡县植烟土壤养分时空分布特征Fig.3 Spatial-temporal distribution characteristics of tobacco-planting soil nutrients in Neixiang County

2.2.3 碱解氮的时空分布 2002 年碱解氮含量在30～60 mg/kg 的区域占植烟总面积的100%（图3C）；2020 年土壤碱解氮含量以90～120 mg/kg 为主，占植烟总面积的59.76%；除了马山口镇、赤眉镇、赵店乡、余关乡、湍东镇和砟岖乡部分连片区域碱解氮含量中等，其他区域含量偏高（图3c）。与2002年相比，2020 年全县植烟土壤碱解氮含量中等及以上（＞60 mg/kg）的面积占比增加了97.46 个百分点，偏高（＞90 mg/kg）区域面积占比增至65.51%，其中灌涨镇、师岗镇和瓦亭镇合计有5.75%区域碱解氮含量增幅较大。

2.2.4 有效磷的时空分布 2002 年植烟土壤有效磷含量以中等（10～20 mg/kg）为主，占95.99%（图3D）。2020 年有效磷中等含量面积增加至97.08%，但仍有0.70%植烟区域有效磷含量＜10 mg/kg，分布在赤眉镇（图3d）。

2.2.5 速效钾的时空分布 2002 年植烟土壤速效钾含量主要分布在150～250 mg/kg（图3E）；2020 年速效钾仍表现为丰富，但含量偏高区域面积占比下降了10.03 个百分点，主要分布在砟岖乡、湍东镇、赵店乡和余关乡等区域（图3e）。

2.2.6 水溶性氯的时空分布 2002 年，全县植烟土壤水溶性氯含量均高于上限值（＞45 mg/kg）（图3F）；2020 年全县水溶性氯含量仍然偏高，＞30 mg/kg 的区域占总植烟面积的83.16%（图3f）。与2002 年相比，2020年水溶性氯含量超限（＞45 mg/kg）植烟面积占比下降了86.36 个百分点，含量偏高（＞30 mg/kg）的植烟面积占比下降了16.84 个百分点，各植烟乡（镇）均有下降区域。

2.3 内乡县植烟土壤肥力评价

由表4 可见，2002 年全县植烟乡（镇）土壤肥力指数（SFI）介于0.41～0.65，师岗镇最大，赵店乡最小。SFI 的Ⅲ级占比最大，Ⅰ级最小。从变异系数来看，瓦亭镇、赵店乡、赤眉镇和砟岖乡SFI 变异系数＜10%，表现为弱变异，其他乡（镇）SFI 变异系数属中等变异强度。2020 年，全县植烟乡（镇）SFI 介于0.53～0.66，师岗镇仍为最大，赤眉镇最小。SFI的Ⅱ级占比最大，Ⅰ级仍为最小。各植烟乡（镇）变异系数均属中等变异强度。与2002 年相比，2020 年全县SFI 由0.54 提升至0.61，显著提高了0.07，土壤肥力由以Ⅲ级为主提升至以Ⅱ级为主，SFI 的Ⅱ级及以上占比增加了30.82 个百分点。此外，湍东镇、赵店乡、王店镇、赤眉镇、余关乡和砟岖乡的SFI 均有显著提高。

表4 内乡县植烟土壤肥力评价Tab.4 Assessment of tobacco-planting soil fertility in Neixiang County

2.4 内乡县植烟土壤肥力时空分布特征

如图4 所示，2002 年，全县烟田土壤肥力整体表现为中等，仅砟岖乡和瓦亭镇有3.94%区域土壤肥力良好。2020 年，全县植烟土壤中等及良好肥力烟田面积合计占植烟总面积比值接近100%，中等肥力烟田主要集中在王店镇、余关乡、赤眉镇和马山口镇4 个相邻乡（镇），面积合计占比41.08%，良好等级烟田占植烟总面积的58.90%。与2002 年相比，2020 年全县良好等级烟田面积占比增加了54.96 个百分点，但王店镇、余关乡和赤眉镇大部分区域肥力等级未见明显提升。

图4 内乡县植烟土壤肥力时空变化Fig.4 Spatio-temporal variation of tobacco-planting soil fertility in Neixiang County

3 结论与讨论

土壤经过18 a的持续利用，pH 值＞7.0植烟区域面积占比下降了79.14 个百分点，pH 值＜5.5 的采样点占比增至10.33%，表现出酸化趋势，这与ZHANG等[18]、李强等[19]、谭智勇等[20]和唐韵等[21]的研究结果一致，即长期植烟会造成土壤酸化。据报道，农田土壤pH 值变化极为缓慢，但20 世纪90 年代后，随着人类活动不断干预，土壤加速酸化[22]。烟田也存在类似现象，且下降速率因区域不同而异。湘西龙山县15 a 间植烟土壤pH 值下降了约0.3[21]；茶陵县烟稻复种区2009—2014 年降低了0.28[8]。然而，2015—2019 年5 a 间保山市5 县（市、区）植烟土壤pH 值平均降低了0.2[7]；武陵山区20 a以上的植烟土壤中，pH 值比种植4～6 a 的烟田显著下降了1.79[23]。在本研究中，18 a 间烟田土壤pH 值下降了1.15，降幅较大。研究表明，豫西南雨量充沛，土壤肥沃，土地复种指数较高，盛产小麦、玉米、烟叶等，它们向土壤中分泌大量有机酸和酚酸类物质，络合或消耗碱基离子，造成土壤内源酸化[24-25]。此外，内乡县烟叶生产偏施铵态氮肥和硫酸钾，富余的H+与SO42-结合成酸[12，26]；加上轮茬作物收获带走大量的碱性元素[27]，以及城镇化过程中导致的酸沉降对烟田的影响等，均加剧了植烟土壤酸化。优质烤烟生长的适宜土壤pH 值为5.5～7.0[28-29]。与2002 年相比，2020年土壤pH 值在此范围的植烟面积占比由0 提升至79.11%，说明当前土壤酸碱度更适宜优质烟叶生产，但也要注意防范进一步酸化风险。从2002年到2020 年，内乡县植烟土壤有机质含量平均值提高了21.00%，偏低区域面积占比下降了16.20 个百分点。自2008 年以来，全县注重增施烟用饼肥，并大力推广绿肥掩青，这是土壤有机质提升的主要原因。植烟区土壤pH 值适宜区域的扩大和有机质含量的增加，可能是内乡烟叶品质提升的原因之一。

从2002 年到2020 年，土壤碱解氮中等及以上含量区域面积占比增加了97.46 个百分点。在烤烟生产过程中，烟农多凭借经验施肥，易造成氮素残留。研究表明，土壤中适量的氮有利于提升烟叶产质量，过量的氮易造成烟叶贪青晚熟，烤后烟叶容易黑暴，品质下降[30]。从空间分布图看，除了马山口镇、赤眉镇、赵店乡和湍东镇部分连片区域外，有65.51%区域碱解氮含量偏高，应注意控施氮肥。2020 年全县97.08%植烟土壤磷含量中等，烟株对磷的需求较少且吸收相对稳定，可继续保持磷肥的稳定投入。河南耕地土壤富钾，但供钾能力弱，造成烟叶钾含量偏低，间接影响了烤烟品质[31]。本研究中，从2002 年到2020 年全县土壤速效钾平均值和偏高区域面积占比分别下降了7.31%、10.03 个百分点，但整体含量仍然较为丰富。为提高烟叶钾含量，该县结合烟株需钾规律推广分次供钾技术，以提高烟株对钾素的利用率，因此土壤残留的速效钾相应减少。此外，土壤钾含量也受轮作模式、降水量及土壤黏粒固定的影响[32-33]，这需要在今后研究中深入探讨。

烟叶氯含量偏高会影响烤烟的工业可用性，而烟叶对氯具有奢侈吸收特性[34-35]。2002 年全区土壤氯含量显著高于上限值（＞45 mg/kg）。据报道，烟叶氯主要来自土壤、肥料和灌溉水[36]。为此，该区域通过禁施含氯肥料和减少灌溉水用量来减少烟叶对氯的吸收。至2020年，土壤水溶性氯含量超限区域面积占比下降了86.36 个百分点，表明经过较长时间的水肥调控，土壤氯含量得到了较好的控制，这与段淑辉等[6]的研究结果类似。但孙慧敏等[37]的研究结果表明，水溶性氯在土壤中的移动性极强，其含量极易受采样前降雨量与蒸腾作用的干扰发生较大波动。因此，要实现烟叶持续降氯，今后应开展不同时期土壤和烟叶氯的动态监测工作。2020年内乡县土壤水溶性氯含量总体仍然偏高，这主要是因为当地土壤中氯含量本身偏高且降氯难度大，而这是土壤类型、地形地势、降雨量等各种成土因素长期作用的结果[37]。

土壤肥力代表土壤潜在的生产能力，已经开垦的土壤肥力受土壤类型、成土母质、地形地貌、坡向坡度等自然因素影响引起的空间变化在逐渐缩小，而受耕作制度、水肥管理和精细管理等人类活动的影响在逐渐变大[38]。2020年全县SFI较2002年提高了0.07，土壤肥力由以Ⅲ级为主提升至以Ⅱ级为主，良好肥力等级烟田面积占比达到58.90%。说明在合理的管理措施下，土壤养分的转化、吸收、固定和迁移已发生改变，内乡县植烟土壤肥力得到了提升，这有利于优质烟叶的生产。张阳等[8]的研究结果表明，长期规范耕作和科学施肥能改善烟稻复种区的土壤养分；张恒等[4]认为，科学的田间施肥和管理技术维持了遵义烟区土壤养分的稳定供应。此外，从土壤肥力时空变化分布图来看，2020 年土壤肥力中等区域主要集中在王店镇、余关乡、赤眉镇和马山口镇4 个相邻乡（镇），其作为相同卷烟品牌原料定制化生产基地，烟叶生产技术方案和管理措施也不同于其他片区，土壤肥力随之也发生时空变化。由此可见，与农田系统类似，区域间管理的差异会引起土壤肥力空间分布格局的变化[39-40]。

综上所述，从2002 年到2020 年，内乡县植烟土壤有机质、碱解氮和有效磷平均含量增加，pH值、速效钾和水溶性氯含量平均值下降；pH 值、碱解氮和水溶性氯含量空间分布变异较大；在长期科学管理下，2020 年全县植烟土壤肥力等级提升至以良好为主，但部分区域碱解氮和水溶性氯含量偏高，后续烤烟生产应控施氮肥，并进行土壤降氯。