云南陆良植烟土壤有效磷空间变异及其对烟叶质量和面源污染潜在风险的评估

李强，刘晓颖，王佩，段旺军，程昌新，罗维，徐向丽，李志伟，王瑞宝，王超 ，解燕，魏新亮，周冀衡

1 湖南农业大，烟草研究院, 食品科学技术学院, 长沙410128;2 四川中烟工业有限责任公司, 成都610017;3 红云红河烟草（集团）有限责任公司, 昆明 650231;4湖南中烟工业有限责任公司, 长沙41000;5 云南省烟草公司曲靖市公司, 云南曲靖655000

植物保护

云南陆良植烟土壤有效磷空间变异及其对烟叶质量和面源污染潜在风险的评估

李强1，刘晓颖1，王佩2，段旺军2，程昌新3，罗维2，徐向丽4，李志伟2，王瑞宝5，王超3，解燕5，魏新亮4，周冀衡1

1 湖南农业大，烟草研究院, 食品科学技术学院, 长沙410128;2 四川中烟工业有限责任公司, 成都610017;3 红云红河烟草（集团）有限责任公司, 昆明 650231;4湖南中烟工业有限责任公司, 长沙41000;5 云南省烟草公司曲靖市公司, 云南曲靖655000

为探明典型老烟区土壤有效磷空间分布，采用GPS定位技术，在陆良烟区采集耕作层土壤样品340个，测定了有效磷含量，并采用地统计学方法、克里格插值法和概率克里格插值法对土壤有效磷空间分布、有效磷潜在的品质风险和有效磷潜在的环境风险进行了研究。结果表明，烟田土壤有效磷均值为44.71 mg/kg，有效磷含量>40mg/kg即“很高”的植烟耕地面积比例达43.19%，其中>60 mg/kg的植烟耕地面积比例为5.75%，有效磷含量与海拔、地形地貌、土壤质地、土壤酸碱度及土地利用方式有关；超过品质临界值的有效磷含量概率>60%的区域主要位于陆良县西北部，占研究区域面积的8.43%和18.19%；有效磷含量超过环境临界值的概率区间为60%～80%的区域主要位于小百户镇，占研究区域面积的3.08%。小百户镇和芳华镇大部分区域应作为烤烟品质的重点控制区和预警区，小百户镇西南部和东部的部分区域应作为农业面源磷污染的重点控制区。

植烟土壤；有效磷；品质风险；环境风险

磷是烟草必需的大量元素之一，磷含量一般占烟株干重的0.15%～0.60%，是构成植物体内核酸、核蛋白、磷脂、卵磷脂、植素和多种酶的重要成分[1]。磷在光合作用、光合磷酸化作用、Krebs循环和氮代谢过程有重要的生理作用[2]。我国农业普遍施用磷肥已有40多年的历史，植烟区土壤磷素的供应能力有大幅度提高[3]，据中国统计年鉴报道[4]，我国磷肥消费量从1980年的270万吨上升到2011年的820万吨，总量增长了3倍，土壤磷盈余总量达9.8×105t，磷盈余强度2.5 kg/hm2。烤烟磷素营养管理应是“足而不多”，土壤有效磷含量达32 mg/kg的烟田可大幅减少磷肥用量[5]，磷肥的当季利用率很低，一般只有15%～18%，由于磷在土壤中的移动性较弱，因此施入土壤中的磷肥85%左右都残留在土壤中[5,6]。目前，较多烤烟产区施肥一般常采取N:P2O5:K2O为1:1～1.5:3.0养分配比，且连年如此，导致植烟土壤的磷素盈余更多[7]，甚至已造成一些烟区水体污染[8]。当土壤磷素超过32mg/kg时，亩施磷素4kg（低于当前常规施磷水平），烟叶外观质量和内在质量均明显变差，表现为叶脉突出、组织粗糙、烟株早花，烤后烟叶弹性差、油分低、易破碎，经济效益差[5]。有学者提出将土壤有效磷含量60 mg/kg作为旱地土壤环境风险的临界值[9]。我国烟区多集中在西南部缓坡耕地上，过多的磷素随地表径流损失的几率较大，极有可能对环境构成风险。而有关烟区土壤磷素环境风险的研究却鲜见报道。陆良是典型的老烟区，规模种烟的年限已达50余年，大量施用磷肥的历史已达40余年。鉴于此，本研究拟采用地统计学和概率克里格插值法，研究典型老烟区的磷素对烟叶品质和环境带来的潜在风险进行评估，旨在为烟区烤烟种植和环境保护提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 区域自然概况

陆良县位于云南省东部，素有“滇东粮仓”之称，居南盘江上游，北纬24°44′～25°18′，东经103°23′～104°02′。全县东西长65.6km，南北宽62.8km，总面积2096平方千米。境内平均海拔1840米，四面环山，中间是开阔平坦的山间盆地，是云南省第一平坝，面积达772平方千米。终年气候温和，春暖干旱，秋凉湿润，冬无严寒较干燥，夏无酷热而多雨，年均气温14.7℃，年降雨量979.6毫米。土壤主要有：红壤、紫色土、石灰(岩)土和水稻土等，是云南省乃至全国优质烟产区之一。

1.2 样品采集和分析

2010年3月，采用GPS技术对陆良基本烟田进行定点取样，共取样340个。选取667m2以上的田块进行取样，用手持式GPS定位，记录田块中心的经纬度和高程，取样根据田块形状采用五点取样法或“W”形取样法进行取样，每个田块确保5点以上，取样深度0～20 cm，用四分法取大约1 kg土样带回实验室。土样登记编码后经风干、研磨及过筛后，进行土壤有效磷含量测定。土壤有效磷采用钼锑抗比色法测定[10]。

图1 样点分布图Fig.1 Distribution of soil samples

1.3 土壤有效磷评价标准

1.3.1 土壤有效磷评价标准

参照周冀衡[5]和王淑英[9]研究，同时结合曲靖市植烟土壤养分评价结果[11]，将陆良植烟土壤有效磷含量分为很低、低、中等、高、很高和极高6个等级（表1）。

表1 植烟土壤有效磷分级标准Tab. 1 Classification standard for available P content in soil

1.3.2 土壤有效磷风险评估方法

风险评估分为两步，第一步是确定土壤有效磷风险临界值（烟叶品质和环境），风险临界值的确定一般有两种，一是采用试验法确定风险临界值，二是采用文献法确定风险临界值，本文采用的是文献法确定土壤有效磷的风险临界值，文献[5]认为当土壤有效磷含量超过32mg/kg时，施用相当于常规用量50%磷肥，便造成烤烟外观质量和内在质量明显变差，因此结合曲靖的土壤养分评价标准，将土壤有效磷40mg/kg作为烤烟品质风险临界值；文献[9]将有效磷含量60mg/kg作为旱地土壤有效磷含量的风险临界值，本文结合曲靖的土壤养分评价标准，将土壤有效磷60mg/kg作为陆良植烟土壤风险临界值。

第二步是以有效磷风险临界值为运算参数，在ArcGIS软件中计算各区域超过临界值的概率[9]，以土壤有效磷超过临界值的概率作为风险评估的数值化指标，概率越大，则风险越高。具体标准如下将有效磷含量超过40mg/kg的概率在80%以上的区域作为品质风险重点控制区，将有效磷含量超过40mg/kg的概率在60%-80%的区域作为品质风险的预警区，有效磷含量超过60mg/kg的概率在60%-80%的区域作为环境面源磷污染的重点控制区，将有效磷含量超过60mg/kg的概率在40%-60%的环境面源磷污染的预警区。

1.4 数据分析

描述性统计、方差分析、多重比较和K-S检验（Kolmogorov-Smirnov test）利用SPSS17.0 软件完成[12]。实验半方差函数分析、克里格插值（Kriging）、概率克里格插值（Probability Kriging）参照文献[9]和文献[13]的方法进行，其中实验半方差函数计算和理论模型拟合在GS+9.0中完成，空间插值采用ArcGIS10.22软件实现[14]。半方差函数用于描述区域化变量的空间变异[15-16]，半方差函数模型拟合的优劣决定了空间结构分析的可靠性，进而直接决定了空间插值精度[17]。因此分别用不同模型对植烟土壤有效磷进行拟合，通过对不同模型的决定系数和残差平方和的比较，获得了土壤有效磷的最优半方差函数模型及其相关参数(表3)，并绘制了半方差拟合图（图2）。

2 结果与分析

2.1 植烟土壤有效磷基本统计特征

陆良植烟土壤有效磷含量均值为44.71mg/kg，变幅为5.03～162.81 mg/kg，变异系数为55.42%，为中等变异（表2），K-S检验的结果显示土壤有效磷经对数转换后服从正态分布（P=0.286）；多重比较结果显示，土壤有效磷含量在各乡镇间存在极显著差异（表2），最高的小百户镇为58.33 mg/kg，最低的大莫古镇为30.41 mg/kg。按照表1所列分级标准对陆良植烟土壤有效磷含量进行分级（表2），全县有48.24%的植烟土壤有效磷含量高于品质风险级（>40mg/kg），其中24.71%的植烟土壤有效磷含量更是超过了环境风险级（>60mg/kg）；从不同乡镇来看，土壤有效磷超标最为严重的是小百户镇，分别有26.60%的土壤有效磷含量在40～60mg/kg之间；有46.81 %的土壤有效磷含量超过60mg/kg。

表2 陆良植烟土壤有效磷含量状况Tab. 2 Descriptive analysis of available P in Luliang tobacco planting soil

2.2 土壤有效磷空间结构及空间分布特征

由表3和图2可知，有效磷在变程范围内的点与理论模型曲线十分接近，决定系数（R2）为0.812，模型具有很高的拟合精度。土壤有效磷的块金效应为28.30%，土壤有效磷具有明显的空间相关性，壤有效磷的变程仅为0.03km，表明其空间自相关范围较小。

图2 土壤有效磷半方差函数图Fig.2 Isotropic semi-variograms of available P in soil

表3 土壤有效磷含量半方差函数模型及其插值精度Tab. 3 Semi-variogram models of soil nutrients and interpolation accuracy

根据所得的半方差函数模型，利用普通Kriging最优内插法，绘制了陆良植烟土壤有效磷含量空间分布图(图3)，并利用ArcGIS软件的统计模块对空间分布图进行面积统计，得到植烟土壤有效磷含量等级面积比例。植烟土壤有效磷含量空间分布大致呈西北和东南高，中间低的趋势，有效磷含量>40mg/kg即“很高”的植烟耕地面积比例达43.19%，主要分布在小百户镇、召夸镇和芳华镇的大部分区域，其中>60mg/kg的植烟耕地面积比例为5.75%，主要分布在小百户镇；20～40 mg/kg即 “中等”和“高”的植烟耕地面积比例达55.27%，覆盖了活水乡、板桥镇、三岔河镇和马街镇的大部分区域；分布面积最小的是10～20mg/kg的植烟耕地面积比例为1.54 %，主要分布在大莫古镇；总的来说，陆良烟区大部分面积（98.46%）的土壤有效磷丰富，土壤有效磷水平可以满足烤烟生产，且有部分烟田存在较大磷素环境风险，应适当控制磷肥用量。

图3 陆良植烟土壤磷素含量空间分布Fig. 3 Spatial distribution of available P in Luliang tobacco planting soil

2.3 土壤有效磷含量空间分布的影响因素

陆良植烟土壤有效磷的空间变异同时受结构性因素和随机性因素的影响，因此从结构性因素和随机性因素两方面对土壤有效磷的可能影响因素进行分析。

首先，土壤有效磷含量随海拔升高呈下降趋势，最高的是海拔1800～1900的分组（46.62mg/kg），最低的是>2100m的分组（41.04 mg/kg），但差异没有统计学意义（P=0.596）（图4）。不同的地形条件影响着水分在自然界的重新分配及人类活动的频度，导致养分含量因地形条件变化而产生差异，不同地形条件下土壤有效磷含量差异有统计学意义（P=0.023），土壤有效磷含量最高的是河槽地形（53.61mg/kg），其余依次为平坝（50.93mg/kg）、山地（44.03 mg/kg）和丘陵（40.02 mg/kg）（图5）。

图4 海拔高度对土壤有效磷含量的影响Fig. 4 Effect of elevation on available phosphorus content in soil

图5 地形对对土壤有效磷含量的影响Fig. 5 Effect of topography on available phosphorus content in soil

其次，陆良植烟土壤有效磷含量最高的是pH<5的分组（平均为53.49 mg/kg），其余依次为pH 5～6的分组（平均为49.90 mg/kg）、pH 6～7的分组（平均为40.29 mg/kg）和pH>7的分组（平均为29.25mg/kg），差异有高度统计学意义（P=0.000）（图6）；土壤质地影响土壤的养分保持能力和养分有效性，不同质地土壤有效磷含量差异有高度统计学意义（P=0.000），最高的是轻壤土（71.83mg/kg），其余依次为中壤土（54.45 mg/kg）、重壤土（44.78mg/kg）和轻粘土（32.84 mg/kg）（图7）。

图6 酸碱度对土壤有效磷含量的影响Fig. 6 Effect of pH on available phosphorus content in soil

图7 质地对土壤有效磷含量的影响Fig. 7 Effect of texture on the content of available phosphorus in soil

第三，当地种植模式影响土壤有效磷的空间分布。陆良县植烟耕地的主要种植模式及其磷素投入列于表4，可以看出不同的种植模式其土壤有效磷含量差异有高度统计学意义（P=0.000），其中土壤有效磷含量最高的是种植模式1，最低的是种植模式7，其中除种植模式7以外的其它各个种植模式均超过40mg/kg，模式7的土壤有效磷含量亦超过30 mg/kg。陆良地区烤烟施磷量一般为75～105kg/ha。

表4 种植模式对土壤有效磷含量的影响Tab. 4 Effect of planting patterns on available phosphorus content in soil

2.4 植烟土壤有效磷含量潜在风险评估

采用概率克里格（Probability Kriging）插值法[9]对陆良植烟土壤有效磷含量的烤烟品质潜在风险和环境潜在风险进行了评价，结果见图8和图9。有效磷含量超过品质临界值的概率空间分布总体趋势呈现为西北高东南低，概率区间为>80%的区域主要位于陆良县西北部，包括小百户镇的西部的大部分和东部的局部，以及芳华镇北部的小部，占研究区域面积的8.43%，可作为烟叶品质风险区重点控制区；概率区间为60%～80%的区域主要位于西部芳华镇和小百户镇，以及南部的召夸镇，占研究区域面积的18.19%，可作为烟叶品质风险预警区；概率为40～60%的区域在除三岔河镇以外的各个乡镇均有分布；其余为概率20～40%和<20%的区域，可作为烟叶品质的低风险区。有效磷含量超过环境风险临界值的概率空间分布表现为西北较高其他区域较低的趋势，概率区间为60%～80%的区域主要位于小百户镇西南部和东部，占研究区域面积的3.08%，该区域应作为烟田面源磷污染的重点控制区；概率为50%～60%和40%～50%的区域分布于小百户镇重点控制区的外围及芳华镇中部，分别占研究区域总面积的3.45%和8.84%，可作为烟田面源磷污染的预警区；概率为30%～40%主要分布在小百户镇和芳华镇，<30%的区域覆盖全县的大部分区域（73.62%），可作为有效磷对环境威胁的低风险区。

图8 植烟土壤有效磷含量超过品质临界值的概率图Fig. 8 Probability map of available P exceeding the quality critical value of 40 mg/kg in Luliang county

图9 植烟土壤有效磷含量超过环境临界值的概率图Fig. 9 Probability map of available P exceeding the environment critical value of 60 mg/kg in Luliang county

3 结论与讨论

3.1 关于土壤有效磷的临界值确定

据国外学者报道[18]，全世界很多国家和地区都出现磷素盈余现象，主要发生在美国东部、南美、欧洲西部和中国东南部。陈敏鹏等[19]研究表明，我国土壤表观磷盈余强度达 2.5 kg/hm2，化肥和畜禽粪便是土壤磷素的主要来源，不难理解外源磷的大量、长期施用是磷素盈余发生的主要原因[20-21]，在我国当前的农业生产中，磷肥的施用量已远远超过作物需要量，导致土壤磷素积累，增加土壤磷素的流失风险[22-24]。有研究把有效磷含量60mg/kg作为旱地土壤磷素淋失的环境临界值。烤烟对于磷素供应的要求是足而不过多，一般旱地土壤20 mg/kg～30 mg/kg即可满足烤烟生长，水田土壤这一数值为10 mg/kg～20 mg/kg。过多的磷素营养对于烟叶品质有显著的不利影响，研究发现中磷（实测有效磷为18.87 mg/kg）土壤上种植烤烟，随着施磷量的增加，烟叶细胞壁物质总量呈先下降后持续上升的趋势[25]；而在高磷土壤上（实测为32 mg/kg），相当于常规用量一半的磷肥便会造成烟叶外观质量和内在质量明显变差[5]。本研究参考以上的相关研究将60mg/kg和40mg/kg作为陆良植烟土壤有效磷的环境潜在风险临界值和品质潜在风险临界值，有一定的科学性，但具体到陆良不同的土壤类型、土壤质地有效磷含量临界值，仍须要通过淋溶试验进行准确求算。

3.2 关于土壤有效磷含量的影响因素及烟田磷素养分管理建议

据文献报道[26-32]，我国不少烟区土壤有效磷含量高于30 mg/kg，甚至超过40 mg/kg。分析认为一方面与我国农业生产普遍磷肥投入较高有关以外，与烤烟种植的施肥习惯也关系密切，我国烤烟施肥普遍采取的氮磷钾比例（N:P2O5:K2O）为1:1～1.5:3.0，而与之矛盾的是烤烟的磷肥的当季利用率仅为15.00%～18.00%[6]。本研究结果显示，研究区域有效磷均值为44.71mg/kg，其中>40mg/kg即“很高”的植烟耕地面积比例达43.19%，>60mg/kg的植烟耕地面积比例为5.75%。烟田土壤有效磷含量与地形地貌、酸碱度、土壤质地及种植模式有关。此外，有机肥和化肥的大量、持续投入是土壤有效磷含量高的主要原因。7种种植模式烟田土壤的有效磷含量对于烤烟生长而言均有不同程度的盈余，耕层土壤有效磷含量超过品质风险临界值（40 mg/kg）的概率为>60%的区域占研究区总面积的26.62%，有效磷含量超过环境风险临界值（60 mg/kg）的概率为60%～80%的区域占研究区总面积的3.08%，主要分布在西北部的山区。针对当前烟田土壤磷素现状，建议严格控制磷肥用量，推行测土施肥技术，有效磷在30 mg/kg以上的烟田土壤可减少磷肥用量50%以上，有效磷在40或60 mg/kg以上的烟田尝试采取隔年施磷或连续几年暂停施磷，以便减少磷肥投入、降低肥料成本、促进优质烟叶生产的持续发展和保护烟区生态环境。

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Spatial variation of available Phosphorus in tobacco-planting soil and evaluation of its potential risks to leaf quality and surface pollution in Luliang county of Yunnan province

LI Qiang1, LIU Xiaoying1, WANG Pei2, DUAN Wangjun2, CHENG Changxin3, LUO Wei2, XU Xiangli4, LI Zhiwei2, WANG Ruibao5, WANG Chao3, XIE Yan5, WEI Xinliang4, ZHOU Jiheng1
1Tobacco Research Institute, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China;2 China Tobacco Sichuan Industrial Co., Ltd., Chengdu 610017, China;3 Hongyun Honghe Tobacco (Group) Co., Ltd., Kunming 650231, China;4 China Tobacco Hunan Industrial Co., Ltd., Changsha 41000, China;5 Yunnan Qujing Municipal Tobacco Company, Qujing 655000, Yunnan, China

340 tobacco soil samples were collected in Luliang tobacco growing soil based on GPS techology to determine the available phosphorus content and to investigate spatial distribution of available phosphorus and its potential risks to leaf quality and surface pollution through the geo-statistical methods like Kriging and Probability Kriging. Results showed that the average content of available P is 44.71mg/kg with 43.19% of the area containing over 40mg/kg and 5.75% over 60mg/kg as result of many factors such as elevation, topography, soil texture,soil pH and land use. Soils with >60% probability of exceeding the quality critical value (40 mg/kg) in terms of available phosphorus were mainly located in the northwest of Luliang County, accounting for 8.43% and 18.19% of the study area. Soils with 60%～80% probability of exceeding the environmental critical value (60 mg/kg) in terms of available phosphorus were mainly located in Xiaobaihu town, accounting for 3.08% of the study area. Xiaobaihu and Fanghua Towns proved to be main areas that need to be monitoring for control of leaf quality and the southwest and east part of Xiaobaihu town should be paid attention to in controlling agricultural surface pollution of phosphorus.

tobacco planting soil; available phosphorus; risk to leaf quality; environmental risk

李强，刘晓颖，王佩,等. 云南陆良植烟土壤有效磷空间变异及其对烟叶质量和面源污染潜在风险的评估[J]. 中国烟草学报，2016,22（3）

云南省烟草公司项目“曲靖市精益烟叶生产研究与应用”（2014YN24）；红云红河烟草集团项目（HYHH2016YL03）；川渝中烟工业有限责任公司项目[（2013）164-22]

李 强（1982－），博士，研究方向为烟草科学与工程技术和农业可持续发展，Email:zqiangli@126.com

魏新亮（1979－），学士，研究方向为卷烟产品配方与烟叶技术研究，Email:weixl1212@hngytobacco.com

2015-11-18

:LI Qiang, LIU Xiaoying, WANG Pei, et al. Spatial variation of available Phosphorus in tobacco-planting soil and evaluation of its potential risks to leaf quality and surface pollution in Luliang county of Yunnan province[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2016,22(3)