昆明烟区植烟土壤pH与中微量元素时空变异性研究①

徐兴阳，邱学礼，杨树明，田临卿，罗 云，刘忠华，李 杰，鲁 耀，周 敏，耿川雄，周绍松，陈雅琼*，余小芬*

昆明烟区植烟土壤pH与中微量元素时空变异性研究①

徐兴阳1，邱学礼2，杨树明2，田临卿1，罗 云3，刘忠华4，李 杰1，鲁 耀2，周 敏2，耿川雄2，周绍松2，陈雅琼1*，余小芬2*

(1 云南省烟草公司昆明市公司，昆明 650051；2 云南省农业科学院农业环境资源研究所, 昆明 650205；3 红云红河烟草(集团)有限责任公司，昆明 650202；4 中国烟草总公司云南省公司，昆明 650011)

分析昆明烟区5个年度(2012—2020年)共4 888份植烟土壤pH和中微量营养元素的年际变化特征，为预测和阻控土壤酸化及科学配施中微量营养元素提供理论基础。结果表明，2012—2020年：①pH均值介于6.0 ～ 6.4，主要分布在微酸性至中性范围，随种植年限的增加，强酸性土壤频度增加，微酸性和中性土壤减少；②有机质均值变幅为29.7 ～ 32.2 g/kg，自2018年后有所下降；③交换性镁均值介于240.6 ～ 270.7 mg/kg，整体较丰富，随种植年限增加略有降低；④有效锌主要分布在很高等级，有效硼和水溶性氯主要分布在低和很低等级；⑤除pH外，5个年度的土壤有机质、交换性镁、有效锌、有效硼和水溶性氯样本的空间变异性较高。综上所述，在常规施肥管理模式下，昆明烟区植烟土壤酸碱度、有机质和交换性镁含量整体适宜，近年来有缓慢下降趋势；有效硼和水溶性氯含量整体偏低，均表现出一定的时空异质性。因此，基于昆明烟区常规施肥水平上，在注重提高有机肥和硼肥施用量，降低锌肥施用量的同时，应保持土壤交换性镁和水溶性氯的平衡。

昆明烟区；植烟土壤；pH；中微量元素；时空变异

近年来，土壤酸化导致的土壤质量退化是农业生产中面临的一个主要问题，严重威胁着土壤生态系统的功能实现。土壤pH在协调土壤与烤烟养分供需之间的关系方面有着不可或缺的作用[1]，其值的高低对烤烟生理生化[2-3]、土壤微生态环境[4]等方面有重要的影响，因而适宜的植烟土壤pH是生产优质烟叶的关键。长期施用化肥会导致土壤酸化[5]，尤其是氮肥的过量施用被认为是加速土壤酸化进程的重要原因之一[6]，而酸性复合肥可显著促进土壤酸化[7]。土壤中微量元素与烟叶化学成分、致香物质之间典型相关[8]。于建军等[9]基于偏相关和通径分析指出，烟叶和土壤中微量元素含量呈极显著正相关。然而生产中烟农偏重大量元素肥料的施用，中微量元素肥料施用严重不足，加上近年来农家肥施用量减少或不施现象较为普遍，中微量元素缺乏已逐渐成为限制烤烟产量和品质的重要因素。

昆明烟区是云南省核心烟叶生产区，年种植烤烟约在4.3×104hm2。在2009年版的《中国烟叶区划》[10]中，昆明市所有县(市)均列入适宜和最适宜植烟区域，其烟叶原料一直深受卷烟工业企业的青睐，但近年来烟叶品质下降等问题已引起广泛关注，加上近年来由于受经果林等种植的进一步挤压，烟田向山区转移的趋势加快，土壤问题日趋凸显。昆明烟区土壤区域特征近年来也有所报道[11-13]，但主要集中在大量元素的时空异质性，涉及微量元素的较少。加上烟区有机肥施用量甚少的情况，烟草专用复合肥、硫酸钾等生理性酸性肥料的长期施用，是否会导致植烟土壤pH及主要中微量元素含量的下降鲜见报道。基于此，本研究基于2年1次的昆明烟区植烟土壤普查的结果，旨在探究植烟土壤pH及主要中微量元素的时空变异，为预测和阻控烟田土壤酸化及科学配施中微量营养元素提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

昆明市位于云南省中部，102°10′E ～ 103°40′E，24°23′N ～ 26°22′N。气候类型属于北纬低纬亚热带-高原山地季风气候，主要受印度洋西南暖湿气流的影响，具有日照长、霜期短的特点，年降水量约1 100 mm，年均温15 ℃。地貌类型以湖盆岩溶高原地貌形态为主，红色山原地貌次之，总体地势为北高南低，即由北向南呈阶梯状降低。土壤类型主要有红壤、水稻土、紫色土、黄壤、冲积土和石灰性土。昆明烟区年均烤烟种植面积维持在4.3×104hm2，烟草核心产区主要分布在海拔1 500 ～ 2 200 m，垂直气候特征明显。

昆明烟区一般根据烤烟品种特性和土壤肥力状况确定氮肥施用比例，施肥量为75 ～ 105 kg/hm2纯氮，基肥∶追肥为6∶4或5∶5。一般以硫酸钾做追肥，施肥量多在450 ～ 600 kg/hm2，在中耕时一次性施入。中微量元素肥一般采取缺啥补啥的原则。

1.2 样品采集与制备

分别于2012年(595份土样)、2014年(997份)、2016年(1 080份)、2018年(1 070份)和2020年(1 146份)整地起垄前，对昆明市的嵩明县、寻甸县、禄劝县、石林县、宜良县、安宁市、富民县和晋宁区8个主要植烟区具有代表性的耕层土壤(0 ～ 20 cm)依据地块特征采用“M”或“S”形5点取样，然后按四分法留1.0 kg左右制成1个混合样，共计取样 4 888份。取样时，应避开粪堆，并剔除残膜、根系及石砾等杂物，同时利用GPS定位采集点经纬度及海拔信息(图1)。取样后带回实验室风干、磨细过筛后备用。

图1 土样采集点分布图

1.3 检测项目及方法

土壤pH采用电位计法测定，有机质采用重铬酸钾容量法–外加热法测定，交换性镁采用EDTA滴定法测定；有效硼采用沸水浸提–甲亚胺比色法测定，有效锌采用HCl浸提–AAS法测定，水溶性氯采用水浸提–硝酸银滴定法测定。具体测定方法详见《土壤农化分析》[14]。

1.4 土壤pH及中微量元素丰缺分级标准

依据相关文献[13, 15]分级标准，确定土壤pH分级标准为pH<4.5(极强酸性)、4.5 ～ 5.5(强酸性)、5.5 ～ 6.5(微酸性)、6.5 ～ 7.5(中性)、7.5 ～ 8.5(微碱性)、>8.5(强碱性)；有机质、交换性镁、有效硼、有效锌和水溶性氯含量的分级标准见表1。区域间样本的差异性采用变异系数(Coefficient of Variation, CV)三级评价法[16]进行判断，即CV<10%，弱变异；CV介于10% ～ 30%，中等变异；CV>30%，强变异。

表1 土壤养分分级标准

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2017 和IBM Statistics SPSS 19.0分别进行数据处理作图和方差分析。基于ArcGIS 10.1平台采用克里格法(Kriging)进行相关的指标空间插值处理。

2 结果与分析

2.1 昆明烟区植烟土壤pH和有机质含量动态变化

2.1.1 pH 2012—2020年，昆明烟区植烟土壤pH均值为6.0 ～ 6.4，年际间存在差异性(表2)。从表2可以看出，2014年和2016年的植烟土壤pH均值相同，高于2012年、2018年和2020年0.2 ～ 0.4个单位，达到极显著差异水平(<0.01)，主要分布在微酸性至中性范围。5个调查年份土壤pH的CV介于12.5% ～ 15.8%，均属中度变异。从分布频度来看，2012—2016年昆明烟区植烟土壤pH为微酸性土壤占40.5% ～ 43.1%，中性土壤占29.1% ～ 32.2%，强酸性土壤仅占14.7% ～ 21.5%，极少量为极强酸性，无强碱性土壤。相较于2012—2016年的植烟土壤，2018和2020年植烟土壤极强酸性、强酸性土壤频度分别增加了2.1% ～ 2.2% 和11.9% ～ 18.7%，而微酸性和中性植烟土壤频度分布降低了9.4% ～ 12.5% 和7.0% ～ 12.9%，说明近年来昆明烟区植烟土壤酸碱度有升高趋势。

注：同列数据大写字母不同表示差异达<0.01显著水平，下同。

2.1.2 有机质含量 2012—2020年，昆明烟区植烟土壤有机质含量均值变幅在29.3 ～ 32.1 g/kg(表3)，以2014年最高，2016—2020年显著(<0.05)下降。中值变化范围为28.2 ～ 30.6 g/kg，极差变化范围为61.6 ～ 137.0 g/kg，说明昆明烟区植烟土壤有机质含量年际间波动较小。5个调查年度植烟土壤样本的CV介于36.9% ～ 50.9%，属于强变异。从频度分布来看，2012—2020年处于低和很低水平的植烟土壤分别为30.3%、31.4%、36.9%、39.4%、39.1%，处于高和很高水平的植烟土壤分别为36.6%、36.9%、30.6%、31.0%、29.6%。相较于2012—2016年，2018—2020年处于中等(25 ～ 35 g/kg)水平的植烟土壤频度有所降低。

2.2 昆明烟区植烟土壤交换性镁含量动态变化

近9年来，昆明烟区植烟土壤交换性镁含量均值介于240.6 ～ 270.7 mg/kg，整体较丰富，年际间存在小幅度降低趋势(表4)。从表4可以看出，昆明烟区2012年的植烟土壤交换性镁含量明显高于其他年度，相较于2012年，2014年、2016年、2018年和2020年的植烟土壤交换性镁含量降幅分别为4.5%、3.0%、9.8%、11.1%。年际间样本的标准偏差(165.5 ～ 205.5 mg/kg)和极差(858.0 ～ 1 858.8 mg/kg)均较大，且CV介于62.9% ～ 84.1%，属于强变异，说明昆明烟区不同年度的植烟土壤交换性镁含量异质性较高，均质性较低。从频度分布来看，昆明烟区2012—2020年间80% 以上的植烟土壤交换性镁含量处于中等偏上水平，处于很低和低水平的样品占比数在15% 左右，说明昆明烟区不同年度的植烟土壤交换性镁含量较适宜，少部分烟田应提高镁肥使用量。

表3 昆明烟区植烟土壤有机质含量年度统计信息

注：同列数据小写字母不同表示差异达<0.05显著水平，下同。

表4 昆明烟区土壤交换性镁含量年度统计信息

2.3 昆明烟区植烟土壤微量元素含量动态变化

2.3.1 有效锌 从表5可以看出，昆明烟区植烟土壤有效锌含量年际间存在动态变化，以2018年度植烟土壤有效锌含量最高，极显著(<0.01)高于其他年度。5个取样年度植烟土壤有效锌含量的中值在1.8 ～ 2.6 mg/kg，极差在8.7 ～ 32.7 mg/kg，且CV介于67.8% ～ 83.2%，属于强变异。从频度分布来看，昆明烟区90% 以上的植烟土壤有效锌含量处于中等偏上水平，处于低和很低水平的土壤频度仅占5% 左右，其中处于很高水平的土壤占比呈增加趋势，处于高水平土壤占比整体呈降低趋势。

2.3.2 有效硼 由表6可以看出，昆明烟区植烟土壤有效硼含量均值为0.5 ～ 0.8 mg/kg，中值和极差分别为0.4 ～ 0.7 mg/kg和2.0 ～ 15.0 mg/kg，且CV介于67.2% ～ 78.3%，属于强变异。基于有效硼含量等级频数分布分析表明，随种植年度的进程，处于中等和高水平的土壤频数呈先升后降趋势，而处于低和很低水平的土壤频数呈先降后升趋势。

2.3.3 水溶性氯 由表7可以看出，2012—2020年昆明烟区植烟土壤水溶性氯含量整体呈先降后升趋势，其中，2012—2018年呈持续降低趋势，2020年有所提高。CV介于72.6% ～ 117.1%，属于强变异，标准偏差为9.6 ～ 16.4 mg/kg，中值为6.3 ～ 15.7 mg/kg，说明昆明烟区不同年度植烟土壤有效硼含量整体较低。从等级占比看，2014—2020年，昆明烟区植烟土壤水溶性氯含量小于10 mg/kg样本占32.7% ～ 75.1%；处于很高、高、中等及低水平的土壤频度呈先降后升趋势，且均以2018年度最低；处于很低水平土壤频数呈先增后降趋势，其中2018年度水溶性氯含量处于很低水平的土壤频度最高。

表5 昆明烟区土壤有效锌含量年度统计信息

表6 昆明烟区植烟土壤有效硼含量年度统计信息

表7 昆明烟区植烟土壤水溶性氯含量年度统计信息

2.4 2020年昆明烟区植烟土壤pH、有机质及中微量元素空间分布特征

从图2可以看出，昆明烟区2020年度植烟土壤pH总体较适宜(图2A)，主要介于5.5 ～ 6.5，强酸性的土壤主要分布在西部(安宁和富民)部分烟区。东南烟区(石林和宜良)和中部烟区(嵩明和寻甸)植烟土壤有机质含量整体较高(图2B)，北部和西南部烟区植烟土壤有机质含量整体适宜。中部、北部及南部烟区植烟土壤交换性镁整体处于中等偏上水平，东南部石林、安宁烟区有小部分植烟土壤交换性镁含量处于低和很低水平(图2C)。昆明烟区90.5% 的植烟土壤水溶性氯含量处于低和很低水平，高氯植烟土壤主要分布在寻甸中部区域，土壤存在低氯风险(图2D)。昆明烟区所有植烟土壤有效锌含量均处于中等偏上水平，低锌烟区主要分布在西南和西部部分烟区，高锌烟区由北向南形成一个贯穿带分布(图2E)。中部和南部烟区植烟土壤有效硼含量总体较适宜，东部、北部、西南及西部烟区植烟土壤有效硼含量整体偏低，高硼植烟土壤主要分布在晋宁东北部和石林西南部(图2F)。

3 讨论

酸碱度对土壤的许多化学过程，如氧化还原、吸附解吸、沉淀溶解和配合反应等起到支配作用，几乎所有的金属离子在土壤中的吸附解吸都依赖于pH[17-18]，因而土壤pH的高低影响着作物对养分的吸收与利用效率。本研究发现(表2)，近年来(2012—2020年)昆明烟区植烟土壤pH有所下降，均值变幅为6.0 ～ 6.4，土壤集中分布在微酸性至中性等级，但强酸性土壤频度呈增加趋势，微酸性和中性土壤频度呈降低趋势，说明昆明烟区植烟土壤有酸化趋势。土壤酸化是我国农业土壤退化面临的一个主要问题[19]。长期大量施用酸性或生理性酸性肥料[6, 20-21]、连作[22]等是引起土壤酸化的主要因素，说明昆明烟区植烟土壤酸化可能主要与长期施用酸性或生理性酸性肥料及连作有关，因为施肥模式在一定的时间尺度上对土壤pH的影响较大[23]。在生产方案的制定中，昆明市中西部烟区应适量提高生石灰、碱性或生理性碱性肥料的施用量以提高土壤pH，其他烟区宜采用酸度较低，且以有机氮、硝态氮为主的复合肥，同时降低连作年限，施用生物质炭等以阻控昆明烟区植烟土壤酸化趋势。

镁是烤烟产量和品质形成的重要元素之一。植物吸收的镁主要来自土壤交换态镁，土壤交换态镁含量高低是评价镁素供应水平的主要指标[24]。本研究(表3)发现昆明市80% 以上的植烟土壤交换性镁含量处于中等偏上水平，但近年来土壤交换性镁含量有不同程度的降低，且区域间植烟土壤交换性镁含量变异性较高。李强等[20]研究结果显示，交换性镁是土壤pH升高的主要驱动因素。谭军等[25]研究发现，土壤交换性镁含量随土壤pH的升高而升高。王亮等[26]研究指出，长期施用有机肥表层土壤交换性镁含量呈明显增加趋势，施用化肥土壤表层交换性镁含量呈明显下降趋势，而单施化肥配合覆膜则有利于提高土壤交换性镁含量。危锋和郝明德[27]研究也认为，不同种植体系交换性镁在土壤剖面发生淋溶累积现象，在60 ～ 100 cm土层产生累积峰。可见导致昆明烟区植烟土壤交换性镁含量呈不同幅度下降趋势的原因可能是近年来农家肥、有机肥施用量少，以及酸性肥料的长期施用导致pH下降，进而引起土壤交换性镁含量的降低；另外还可能与产区烤烟中耕揭膜后导致交换性镁容易淋失及其生产上只注重氮磷钾养分有关。

图2 土壤pH(A)、有机质(B)、交换性镁(C)、水溶性氯(D)、有效锌(E)和有效硼(F)空间分布

锌、硼是烟草生长发育必需的微量元素，对烟草产质量及工业可用性提高具有重要影响。该研究中，2012—2020年，昆明烟区植烟土壤有效锌较丰富，90% 以上的土壤有效锌含量处于中等偏上水平，50% 以上的植烟土壤有效硼分布在低和很低水平，说明昆明烟区植烟土壤有效锌含量较丰富，有效硼较低，可能存在严重的低硼风险。李强等[28]研究指出，海拔高度、土壤类型和pH、有机质物料投入量及前茬作物均影响土壤有效态微量元素含量。丁燕芳等[29]研究发现，随pH的升高，土壤有效锌含量呈先升后降趋势。昆明烟区植烟土壤维持较高的有效锌含量，可能与烟区土壤pH和有机质含量降低有关，也可能与土壤背景值较高有关。烤烟是一种忌氯作物，氯供应过量或不足均会对烟叶品质产生不利影响[30]。本研究表明，2012—2018年，昆明烟区植烟土壤水溶性氯含量持续下降，2020年有所提高，均值在9.7 ～ 19.2 mg/kg，且60% 以上的植烟土壤氯含量较低。这可能与近年来烤烟施肥上严格限制含氯肥料的施用有关，说明昆明烟区植烟土壤存在低氯风险，生产中可适当提高含氯肥料的施用。

4 结论

2012—2020年，昆明烟区植烟土壤pH、有机质、交换性镁、有效硼和水溶性氯含量均有缓慢降低的趋势，有效锌呈增加趋势。pH空间变异较小，其余指标空间变异均较高。植烟土壤有机质和中微量元素管理应采取分类指导，测土配方施肥，减少酸性或生理性酸性肥料的使用，增加有机肥和碱性或生理性碱性肥料的应用比例。

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Spatial-temporal Variability of Soil pH, Organic Matter and Medium and Trace Elements in Kunming Tobacco-planting Area

XU Xingyang1, QIU Xueli2, YANG Shuming2, TIAN Linqing1, LUO Yun3, LIU Zhonghua4, LI Jie1, LU Yao2, ZHOU Min2, GENG Chuanxiong2, ZHOU Shaosong2, CHEN Yaqiong1*, YU Xiaofen2*

(1 Kunming Branch of Yunnan Tobacco Company, Kunming 650051, China; 2 Agricultural Environment and Resources Institute, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650205, China; 3 Hongyun-Honghe Tobacco (Group) Co., Ltd., Kunming 650202, China; 4 Yunnan Tobacco Company of China National Tobacco Corporation, Kunming 650011, China)

In order to provide the basis for predicting and controlling soil acidification and scientific application of medium and trace element fertilizers, the interannual variation characteristics of pH value, medium and trace elements in tobacco-growing soils of 4 888 samples in 5 years (2012—2020) in Kunming were analyzed. The results show that, between 2012 and 2020, 1) The average pH is between 6.0 and 6.4, mainly distributed in slightly acidic to neutral grades, the frequency of strongly acidic soils is increased while those of slightly acidic and neutral soils are decreased with the planting years; 2) The average variation of organic matter content is between 29.7 g/kg and 32.2 g/kg, decreased gradually since 2018; 3) The average value of exchangeable Mg2+is ranged from 240.6 mg/kgto 270.7 mg/kg, which is abundant on the whole but tends to decrease with the increase of the planting years; 4) Available Zn is mainly distributed in very high grades, and available B and water-soluble Cl–are mainly distributed in low and very low grades; 5) Except for pH, the spatial variability of organic matter, exchangeable Mg2+, available Zn, available B and water-soluble Cl–are higher spatiotemporal heterogeneity in the 5 years. In conclusion, under the conventional fertilization management, pH, organic matter and exchangeable Mg2+of tobacco-planting soil are generally suitable, but with a slow downward trend in recent years. Therefore, based on the level of conventional fertilization, the balance of soil exchangeable Mg2+and water-soluble Cl–should be maintained, but the application rate of organic fertilizer and B fertilizer should be increased while that of Zn fertilizer should be reduced.

Kunming tobacco-growing area; Tobacco-growing soil; pH; Medium and trace elements; Spatiotemporal heterogeneity

S153.4；S153.6

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.04.023

徐兴阳, 邱学礼, 杨树明, 等. 昆明烟区植烟土壤pH与中微量元素时空变异性研究. 土壤, 2023, 55(4): 887–893.

中国烟草总公司云南省公司科技计划重点项目(2020530000241020)资助。

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徐兴阳(1974—)，男，云南盐津人，硕士，高级农艺师，主要从事烟草新品种、新技术、新方法研究。E-mail: yy_xxy@sina.com