冉 茂，吴佳蓉，周 嵘，周鑫斌，代先强*
(1.中国烟草总公司 重庆市公司烟叶分公司，重庆 400020;2.西南大学 资源环境学院，重庆 400716)
烟草是一种经济效益良好的作物，据调查显示，我国拥有约3亿左右的烟民，全国烟叶消费水平约占全世界的三分之一[1]。烟草作为叶类经济作物，土壤对烟叶品质有着至关重要的影响，其中土壤肥力的丰缺情况及供应强度直接决定了烟叶的产量和质量[2-5]。由于土壤是多元有机无机复合体，受生态环境、地形、地貌等多重影响，所以只有通过分析土壤各养分状况及相互关系，才能够科学合理地判断当前土壤肥力状况，为实施精准施肥及科学养分管理提供依据[6-7]。研究表明，在土壤母质、地形地貌和土地利用方式相近的基础上影响土壤肥力的主要因子为土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾和交换性钙镁，烟区的常年连作和不合理的管理模式使土壤养分指标变异性极大，仅当土壤各养分含量适宜且配比合理时，烟叶的产质量和经济效益最高[8-11]。而近年来，丰都县植烟土壤养分失调情况加剧，因此急需对丰都县植烟土壤进行养分含量分析，根据分析结果改进不合理的种植模式和施肥措施。
重庆市丰都县位于重庆中部，是三峡库区的腹心地带，全县多以丘陵地区为主，呈南高北低、“四山”夹“三槽”地形，全年气候温和，四季分明，属亚热带湿润季风气候，适宜种植烟叶[12]。全县为打造“渝金香”特色烟叶品牌，种植的烟叶品种主要为云烟87、云烟97和K326，烟叶品质整体较好，但由于长期以来丰都县植烟土壤酸化问题严重、交换性钙镁含量偏低、有效硫含量偏高，所以该县烟叶长期存在烟叶生物量少、燃烧性差等品质问题，可见丰都县在烟叶生产品质方面仍有提高空间[12-13]。目前，针对重庆市丰都县植烟土壤各养分含量分析和养分相关性分析的研究鲜有报道。本文以丰都县植烟土壤为对象，以土壤采集原则为基础，对该县植烟土壤中各养分进行综合对比分析，为烟区土壤养分保持、施肥科学合理化及精准农业的实施提供依据。
1.1 土壤样品采集与制备
为获得更为均一的烟田土壤样品，试验样品在烟叶采收及烟田冬耕清残后于2021年12月在重庆市丰都县武平镇、太平坝乡、暨龙镇、都督乡、南天湖镇和仙女湖镇植烟地块采集，共100个。样品采集遵循代表性、均一性原则，每个种植单元采集一个土样，按“S”型采样法，每个土样设置10个分样点，为防止取样工具对土壤养分测定值的影响，采用木铲挖取0～20 cm的耕作土壤，在剔除明显杂质后用四分法和宝塔法取约2 kg土样，并记录采样点经纬度、植烟年限、地质地貌等因素。土壤经风干、研磨、过筛、分类后装袋备用，之后进行各项养分指标分析，依据土壤采样原则，不同乡镇间的测定数据进行分析比较。
图1 丰都县植烟区土壤样品分布图Fig.1 Distribution of soil sampling sites in Fengdu
1.2 测定项目及分析方法
依据土壤农化分析中的常规方法测定各养分指标。采用pH计法，以1∶2.5的土水比测定土壤pH[14]；
采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机质[14]；
采用扩散法测定土壤碱解氮[14]；
采用钼锑抗比色法测定土壤有效磷[14]；
采用NH4Ac-火焰光度计法测定土壤速效钾[14]；
采用NH4Cl-NH4Ac法测定交换性钙镁[14]。
1.3 土壤养分等级划分标准
依据全国第二次土壤普查资料、相关的烟田养分研究报告和近年来有关丰都县烟田土壤实际生产情况[15-20]，充分结合丰都县实际烟叶生产种植技术和生态环境保护措施，将丰都县土壤养分含量分为低、偏低、适宜、偏高和高5个等级，划分结果详见表1。
1.4 数据分析
原始数据处理和统计分析采用Excel 2016和Origin 2021完成，数据插值和空间叠加分析采用Mapgis 67和Section 2016完成。
2.1 丰都县pH现状
由图2可知，全县土壤pH均值为5.6，处于适宜烟草生长的pH范围内(pH5.5～6.5)。其中pH<5.5的酸性土壤占比为46.0%，pH适宜的植烟土壤占比为36.0%，中性和弱碱性土壤占比为18.0%。相比之下，酸性土壤在太平坝乡和暨龙镇的占比偏高，分别61.4%和75.0%，仙女湖镇的pH均值最低为5.4，武平镇、都督乡和南天湖镇的pH分布较为均一，可见丰都县潜性酸化问题较为严重，仍需持续改良。为减少pH对植烟土壤的进一步影响，应减少生理酸性肥料的施用，同时施用石灰等碱性物质对土壤进行改良。图3为2021年丰都县植烟土壤pH空间分布图，可直观地表明该县植烟地块pH分布情况。
图2 2021年丰都县植烟土壤pH分布频率图Fig.2 Frequency map of soil pH distribution in tobacco-growing areas in Fengdu in 2021
表1 丰都县植烟区土壤pH值与养分含量分级标准
图3 2021年丰都县植烟土壤pH空间分布状况Fig.3 Distribution of soil pH in tobacco-growing areas of Fengdu in 2021
2.2 丰都县有机质含量现状
图4结果显示，丰都县植烟土壤有机质均值为30.1 g/kg，有96.0%的植烟土壤有机质含量≥20 g/kg；
除太平坝乡有机质含量均值于偏高范围内，其余植烟乡镇有机质均值处于适宜范围内；
太平坝乡和都督乡植烟地块有机质含量分布不均一，可见两乡的植烟施肥管理措施有所差异，应特别注意控制植烟土壤中有机质含量，以免对烟叶造成不可逆影响。图5为丰都县植烟区土壤有机质空间分布图，由图可知丰都县植烟土壤有机质含量丰富，说明该县近年持续关注对土壤碳库的培育和保持。
图4 2021年丰都县植烟土壤有机质含量分布频率图Fig.4 Frequency map of soil organic matter content distribution in tobacco-growing areas of Fengdu in 2021
图5 2021年丰都县植烟土壤有机质空间分布状况Fig.5 Distribution of organic matter in tobacco-growing areas of Fengdu in 2021
2.3 丰都县碱解氮含量现状
丰都县土壤碱解氮均值为176.4 mg/kg，大于180 mg/kg的土壤占比为43.0%，57.0%的土壤碱解氮含量处于适宜范围内；
太平坝乡碱解氮均值为211.6 mg/kg，处于碱解氮过量范围内的植烟土壤占比为79.5%；
都督乡和南天湖镇分别有21.2%和25.0%的植烟地块碱解氮含量偏高；
武平镇、暨龙镇和仙女湖镇的植烟土壤碱解氮含量均处于适宜范围内(图6)。由图7可知，太平坝乡土壤碱解氮空间分布差异性大。整体来看，丰都县植烟地块土壤碱解氮含量适宜，但仍需特别关注植烟土壤的氮肥用量问题，避免出现土壤氮素过剩现象。
图6 2021年丰都县植烟土壤碱解氮含量分布频率图Fig.6 Distribution frequency map of soil alkali-hydrolyzed nitrogen content in tobacco-growing areas of Fengdu in 2021
图7 2021年丰都县植烟土壤碱解氮空间分布状况Fig.7 Distribution of soil alkaline-hydrolyzed nitrogen in tobacco-growing areas of Fengdu in 2021
2.4 丰都县有效磷含量现状
从图8中可知，丰都县土壤有效磷均值为77.1 mg/kg，大于180 mg/kg的植烟土壤占比高达90%，仅有9%的植烟土壤有效磷含量处于适宜范围内；
武平镇和太平坝乡的土壤速效钾均值分别为99.3 mg/kg和98.4 mg/kg，明显高于其余四个乡镇；
太平坝乡土壤有效磷分布差异性较大，其余五个乡镇土壤有效磷分布较为均一。由图9可见，丰都县植烟土壤有效磷含量极其丰富，为防止土壤磷含量不断增加，该县需减少对植烟土壤磷的输入。
图8 2021年丰都县植烟土壤有效磷含量分布频率图Fig.8 Distribution frequency map of soil available phosphorus content in tobacco-growing areas of Fengdu in 2021
图9 2021年丰都县植烟土壤有效磷空间分布状况Fig.9 Distribution of available phosphorus in tobacco-growing areas of Fengdu in 2021
2.5 丰都县速效钾含量现状
由图10可知，丰都县土壤速效钾均值为488.0 mg/kg，仅有1.0%的烟田速效钾含量小于150 mg/kg；
武平镇土壤速效钾含量处于适宜范围的占比最高，为37.5%，太平坝乡、都督乡和南天湖镇的土壤速效钾含量在高范围内的占比均超过80.0%。由图11可知，丰都县土壤速效钾过剩，急需减少对植烟地块的钾肥投入。
图10 2021年丰都县植烟区土壤速效钾含量分布频率图Fig.10 Distribution frequency map of soil available potassium content in tobacco-growing areas of Fengdu in 2021
图11 2021年丰都县植烟土壤速效钾空间分布状况Fig.11 Distribution of available potassium tobacco-growing areas of Fengdu in 2021
2.6 丰都县土壤交换性钙镁含量现状
2021年丰都县土壤交换性钙镁均值分别为6.19 cmol/kg和0.92 cmol/kg。由图12可知，该县土壤交换性钙含量小于10 cmol/kg的植烟土壤占比为96.4%，处在土壤交换性钙含量适宜范围内的植烟土壤占比为51.2%；
太平坝乡和暨龙镇的交换性钙均值偏低，分别为5.91 cmol/kg和5.81 cmol/kg；
太平坝乡和仙女湖镇的土壤交换性钙空间分布差异较大。由此可知，丰都县植烟土壤交换性钙含量偏低。该县植烟土壤交换性镁含量处于低、偏低、适宜和偏高范围内的占比分别为6.1%、61.0%、29.3和3.6%；
太平坝乡、都督乡和仙女湖镇的土壤交换性镁空间分布差异大。整体上，丰都县植烟土壤交换性镁含量偏低且空间分布不均一。
注：a为交换性钙；
b为交换性镁。图12 2021年丰都县土壤交换性钙镁含量分布频率图Fig.12 Distribution frequency map of soil exchangeable calcium and magnesium content in Fengdu in 2021
2.7 土壤pH与土壤交换性钙镁的相互关系
由图13可知，丰都县土壤pH与土壤交换性钙镁均呈一次函数关系，且一次函数直线斜率均为正。土壤交换性钙斜率大于土壤交换性镁斜率，说明在增加同等土壤pH的条件下，土壤交换性钙比交换性镁的增幅大。丰都县植烟区土壤交换性钙镁含量与土壤pH均存在极显著正相关关系(P<0.01)。
注：a为交换性钙；
b为交换性镁；
“**”表示P <0.01,“*”表示P<0.05。图13 丰都县植烟区土壤pH与交换性钙镁关系图Fig.13 The relationship between soil pH and exchangeable calcium and magnesium in the tobacco-growing area of Fengdu
2.8 土壤阳离子交换量与土壤pH的相互关系
由图14可知，丰都县土壤阳离子交换量与土壤pH呈一次函数关系，且一次函数直线斜率为负。丰都县土壤阳离子交换量与土壤pH存在弱负相关关系。
图14 丰都县植烟区阳离子交换量与pH关系图Fig.14 Relationship between cation exchange capacity and pH in the tobacco-growing area of Fengdu
3.1 丰都县土壤养分指标分析
烟叶良好品质的形成与土壤养分平衡息息相关，其中因为土壤酸碱度受到多种养分元素的共同影响，所以土壤酸碱度可以大致反映当前植烟地块的养分含量水平[21-22]。研究表明，2021年丰都县土壤pH均值为5.6，其中太平坝乡的土壤酸化程度明显高于其他乡镇，且该县土壤pH分布存在不均一和集中性现象，这与前人的研究基本一致[12]，说明丰都县六个植烟乡镇在土壤母质和施肥管理措施方面有显著差异。土壤酸化程度的加剧一方面归因于当地土壤类型，研究结果表明，重庆市丰都县的植烟土壤主要为矿子黄泥、山地黄棕壤及暗紫泥，由土壤特性及当地气候特征可知，经雨水冲刷，土壤脱硅富铝化现象严重，交换性钙镁等盐基离子流失严重，进而逐步扩大了丰都县土壤酸化面积[13,23]。另一方面是由不合理的施肥管理措施导致的，数据显示，丰都县土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量偏高，土壤交换性钙镁含量偏低，直接表明该县在烟草种植的过程中长期不合理地施用过量生理酸性肥料，氢离子和铝离子在土壤中的大量存在降低了土壤盐基饱和度，增加了土壤缺素症状发生的可能性[24-26]。目前，针对烟田土壤酸化改良的措施可分为以下三个方面[27]，首先，可以通过施用石灰等碱性物料缓解土壤酸化问题，如条施草木灰900～1050 kg/hm2或撒施白云石粉1500 kg/hm2[28]；
其次，可以施用生物有机肥等酸碱改良剂来平衡植烟地块酸碱度及植物根际环境，如在烟田土壤中施用韩国假单胞菌对改善酸化土壤质量和增加土壤微生物多样性方面具有显著效果[29]；
再者，轮作方式和农艺措施对改善土壤酸化问题效果显著，如烟草绿肥轮作可以对土壤酸碱度进行调控、烟草—玉米轮作制度可以提高土壤酸碱度[30-31]。建议丰都县根据不同区域实际生产情况，从以上三个方面入手，逐步解决土壤酸化问题，以提高烟草的经济效益。
土壤有机质是土壤固相及其中有机体的必需组成成分，其含量直接反映了土壤的肥力情况。2021年丰都县土壤有机质含量均值为30.1 g/kg，处于中等及以上水平的植烟地块占94.0%，有机质含量丰富。这一方面可能与植烟地块的地形及气候有关，本研究选取的六个乡镇以低浅丘地地形为主，全年气候温和、降雨量适中、温度偏高，土壤微生物活动剧烈，形成了良好的土壤结构，提高了土壤的保肥能力[32-33]；
另一方面，丰都县大力倡导施用绿色有机肥料的举措和“互联网+”数字化精准作业管理，使该县土壤碳库得到有效培育[34]。基于以上分析，丰都县应继续在农艺技术和施肥运营管理模式上巩固加强土壤碳库，以促进烟叶生长发育并改善其化学品质。
研究区土壤碱解氮含量偏高，无植烟地块的土壤碱解氮含量低于适宜水平，其中太平坝乡、都督乡和南天湖镇的土壤碱解氮均值明显高于其余乡镇。由此说明以太平坝乡为代表的丰都县植烟土壤长期施用单一性无机氮肥，如硫酸铵、硝酸铵和尿素等，导致土壤中氮含量过剩。研究表明，烟叶对氮肥的需求量主要集中在烟株生长的前中期，氮素过量会导致GS和NS酶活性保持较高水平，碳氮代谢转化过程进行缓慢，导致烟叶贪青晚熟、氮碱比含量升高，直接降低了烟叶香吃味和燃烧性[35-37]。为提高烟叶的产质量，建议丰都县在确保烟叶必要施氮量的前提下，减少单一氮肥的持续投入，应配以配比适宜的生物有机肥来提高土壤微生物多样性及氮肥的农学利用效率[38-39]。
2021年丰都县土壤有效磷和速效钾中处于偏高范围的土壤占比高达90.0%和93.0%。土壤中磷钾含量的偏高，主要与磷钾肥料施用用量和时期不合理有关，罗倩等[40]的研究表明，烟叶生产中肥料施用过量会直接影响到各养分间的利用效率，再加以管理措施的不合理，不仅造成了烟叶品质的下降，也造成了烟区小生态环境的污染。以磷为例，磷在土壤中的移动性差，容易与土壤中的矿物质形成络合物，所以磷在作物生长期中的利用效率较低，磷肥的过量施用，不但没有增加土壤中有效磷含量，反而使土壤根系分泌更多的H+以诱导难溶性磷向有效磷的转变，长此以往，土壤酸碱度下降，形成恶性循环[41-42]。由此说明，土壤中的磷、钾含量都应保持在适宜的范围内才能使烟叶的化学品质和物理性状达到最佳。基于以上分析，建议在作物生长期内适当减少氮肥施用以降低其对磷钾的抑制，同时根据烟叶生长情况适量混施50%～75%枸溶性钾肥及水溶性钾肥，磷肥配以有机肥宜作基肥早施、近根施用以降低矿物对磷的吸附[43-44]。
分析结果显示，2021年丰都县土壤交换性钙、镁含量均值为6.19 cmol/kg和0.92 cmol/kg，钙、镁含量整体偏低，且空间分布差异性大。李晓婷等[45]研究表明，植烟地块交换性钙、镁缺乏是由于烟田土壤酸化导致钙、镁离子易随降雨流失。钙、镁是烤烟生长发育过程中的必需中量元素[46]。钙是植物细胞壁的组成成分并参与了植物的生理代谢活动，烤烟缺钙会使其生理代谢紊乱，叶片形成受阻，钙含量过多会导致烟叶的杂气加重[47]。镁是植物叶绿素中的必需元素，参与了植物叶片多种生理活动，烤烟缺镁会导致叶片出现白化现象同时降低了烟叶的燃烧性[48]。综上所述，建议根据丰都县烟田实际情况，对烟区配施氧化镁25 kg/hm2和过磷酸钙108 kg/hm2或施用钙镁磷肥72～108 kg/hm2以达到提高烤烟产量和产值的效果[49-51]。
3.2 土壤pH、交换性钙镁与阳离子交换量相关性分析
丰都县土壤pH与交换性钙、镁含量呈显著正相关关系，这与蔡凯等[52]的研究结果一致。研究表明[53]，随着土壤pH下降，土壤中的正电荷不断增加，钙、镁离子的吸附量减少，加以土壤风化和淋溶作用，土壤中的交换性钙、镁含量不断降低。
土壤阳离子交换量能够反映土壤的保肥与缓冲能力，是土壤合理施肥的重要依据[54]。本研究表明，丰都县土壤阳离子交换量与土壤pH呈弱负相关。目前关于土壤pH与阳离子交换量之间的关系存在争论。一般认为，随着土壤pH的降低，土壤中负电荷减少，阳离子交换量增加，土壤阳离子交换量与pH呈正相关。但张雪姣等[55]对北京昌平区土壤的研究表明，土壤中阳离子交换量与pH之间呈弱负相关关系。许亚琪等[56]对南通三个水厂周边土壤的研究表明，随阳离子交换量增加，土壤中有机质含量增加，土壤pH降低，阳离子交换量与pH呈负相关。综上所述，在土壤pH偏低的情况下，可适量增加土壤中盐基离子含量以提高土壤的保肥能力。
3.3 区域施肥建议
运用Mapgis软件对氮磷钾土壤养分图进行空间叠加分析，得到丰都县施肥区划图(图15)。根据土壤养分分级标准，将植烟地块划分为高氮高磷高钾、中氮高磷高钾、中氮高磷中钾和中氮中磷中钾四块区域。结合“区域大配方，地块小调整”的原则，对各地块进行精准施肥。低氮区域氮肥用量控制在7.5～8.0 kg/667m2，中氮区域氮肥用量控制在7.0～7.5 kg/667m2，高氮区域氮肥用量控制在6.0～7.0 kg/667m2，以纯氮肥量为1，建议高氮高磷高钾区施用氮、磷、钾的比例为1∶0.8∶2.3，中氮高磷高钾区施用氮、磷、钾的比例为1∶0.8∶2.3，中氮高磷中钾区施用比例为1∶0.8∶2.7，中氮中磷中钾区施用比例为1∶1∶2.7。
图15 丰都县施肥区划图Fig.15 Fertilization zoning map of tobacco-growing soil in Fengdu
丰都县土壤酸化问题严重，有机质含量丰富，碱解氮、有效磷和速效钾含量偏高、交换性钙、镁含量偏低。整体上该县植烟土壤养分处于丰富水平，但各养分间适宜性下降，尤为明显的是氮、磷、钾三种必需大量元素及交换性钙、镁两种必需中量元素平衡性的失调，这为丰都县烟叶品质、外观及产量埋下隐患。结合实际情况，建议丰都县依据测土配方结果，酌情改变植烟土壤施肥管理策略。一方面可以根据土壤养分丰缺情况选用不同耐受性的烟叶品种，另一方面可以有效利用科学合理的栽培方式和施肥管理技术为烟叶优质高产打下良好的基础。
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