武陵山地植烟土壤养分和酸度垂直分布特征

邓小华 李源环 周米良 赵炯平 田峰 菅攀锋 刘朝营 李海林

摘要：为了解种植烤烟对武陵山地土壤养分和酸度垂直变化的影响，采集了湘西烟区不同土壤类型和种植方式的典型剖面土壤，分析了植烟土壤养分和酸度参数的垂直分布特征。结果表明，土壤养分和缓冲容量随土壤深度增加而减少。随土壤剖面深度增加，黄棕壤的pH变化较小，紫色土和黄红壤pH增加，黄壤pH先增加后减少再增加：黄棕壤和黄壤的潜性酸变化较小，黄红壤的潜性酸呈下降趋势，紫色土的潜性酸呈跳跃式变化；黄棕壤、紫色土和黄红壤的阳离子交换量、交换性盐基总量、盐基饱和度以底层相对较高，黄壤以表层相对较高。表层土壤的酸度参数变异大；紫色土和黃红壤的表层土壤交换性酸、交换性氢和交换性铝极显著高于黄棕壤和黄壤；表层土壤交换性盐基总量和阳离子交换量以黄壤相对较高，土壤盐基饱和度以黄棕壤和黄壤相对较高。酸碱缓冲容量按大小排序为黄红壤>黄壤>黄棕壤>紫色土。长期种植烤烟会导致植烟土壤养分表聚化和酸化，水旱轮作和施用石灰、种植绿肥具有改善酸化土壤的作用。

关键词：武陵山区；植烟土壤；土壤养分；土壤酸度参数；垂直分布

优质烟叶生产需要良好的土壤环境。土壤养分和酸度是植烟土壤环境质量评价的重要内容。植烟土壤养分为烟株生长提供必须的营养元素，其酸度影响土壤理化性质及烟叶品质。土壤养分和土壤酸度在垂直空间上具有分异现象，不同的土壤类型、土地利用方式、施肥方式都会对土壤养分和酸度的垂直分布产生影响。尚斌等研究认为，武陵山烤烟产区不同剖面发生层的pH随着深度的增加而增大，有机质表现出表层富集现象：曹裕松等研究认为，水稻田土壤中有机质、有效磷含量随着土层深度的增加迅速降低，土壤速效钾含量垂直差异不明显：吴士文等研究了南方茶园及集约经营下南方竹园土壤酸度指标垂直分布特征，认为表层土壤酸化严重，且有明显的深层化趋势：而对于烤烟种植土壤的养分和酸度垂直分布特征的研究少有报道。以我国武陵山地烤烟典型生态区湘西州为研究对象，研究了该区域多年植烟土壤的养分和酸度垂直分布特征，以期为酸化植烟土壤的改良和修复提供参考。

1材料与方法

1.1研究区域概况

研究区域位于武陵山腹地的湘西自治州（27°44'～29°38'N，1096°10'～110°22'E），平均海拔1000m左右，以山地为主，山地山原约占81.5%，丘陵占10.3%，平原占4.1%牟均气温15.8-16.9℃，年均降水量1300-1500 mna，无霜期250-280 d属中亚热带山区季风湿润气候区：烤烟种植有60余年历史，主要是一年一熟，与玉米、水稻等作物轮作，为中国醇甜香烤烟典型生态区。

1.2土壤样品采集

根据湘西州烟区土壤类型的分布特点，于2016年在烤烟拔秆后，选择具有10年以上烤烟种植历史的4种典型土壤：黄棕壤（Yellowbrown soil，简称YBS），采自龙山县大安镇水稻田，成土母质为板页岩，烟一稻轮作：紫色土（Purple soil，简称PS），采自永顺县芙蓉镇旱地，成土母质为紫色砂页岩，烟一玉米轮作：黄红壤（Yellow red soil，简称YRS），采自保靖县复兴镇旱地，成土母质为白云岩，烟一玉米轮作：黄壤（Yellow soil，简称YS），采自花垣县道二镇旱地，成土母质为石灰岩，烟一玉米轮作，近2年种植绿肥和施用石灰改良土壤。每种典型土壤选择3个点，分别按0～10、10～20、20～30、30～40、40～50，50～60、60～70，70～80，80～90，90～100 cm挖取剖面土壤，带回实验室自然风干、研磨，过孔径1mm土壤筛备用。

1.3土壤检测指标及方法

重铬酸钾容量法测定土壤有机质（soil organicmatter，SOM）：碱解氮（Alkali-hydrolyzable N，AN）、速效磷（AvailableP，AP）、速效钾（AvailableK，AK）、土壤pH、交换性酸（Exchangeable acid，EA）、交换性氢（Exchangeable hydrogen，EH+）、交换性铝（Exchangeable alex，EAl3）、土壤阳离子交换量（cation exchange capacity，CEC）、交换性盐基总量（Total exchangeable base cations，EB）测定参考文献，并计算盐基饱和度（Base saturation，BS）[BS（%）=EB/CEC*100]：土壤酸碱缓冲容量（pH buffer capacityJ pHBC）测定参照文献。

1.4数据处理

采用Excel 2010及SPSS 20.0等软件进行统计分析。由于烤烟采用垄作，将土壤样品按垂直深度0～40、40～70、70～100 cm分为表层（surface layer，简称SL）、中层（Middle layer，简称ML）、底层（Bottom layer，简称BL），分别统计不同土壤层次土壤养分和酸度指标平均值，并做方差分析。新复极差法进行多重比较。

2结果

2.1植烟土壤主要养分垂直分布

2.1.1垂直分布特征（1）有机质：由图1左可知，土壤有机质含量3.19～33.65 g/kg，随剖面深度增加而下降。黄棕壤和黄壤在0～20cm土层有机质下降较快，而紫色土在0～60cm土层、黄红壤在0～50cm土层有机质下降较快，随深度增加，4种土壤类型有机质下降趋缓。从图1右看出，表层、中层、底层土壤有机质含量差异显著或极显著，黄棕壤、紫色土、黄红壤、黄壤的表层有机质较中层分别高33.05%、48.27%、48.00%、36.90%。整体上，黄色土有机质降幅最大，其次是紫色土。

（2）碱解氮：由图2左可知，土壤碱解氮含量24.00-192.50 mg/kg，随剖面深度增加而下降。黄棕壤在0-30 cm土层碱解氮下降较快，黄红壤和黄壤在0-40 cm土层碱解氮下降较快，紫色土在20-40 cm土层碱解氮下降较快，以后4种土壤类型碱解氮下降趋缓。从图2右看，表层、中层、底层土壤碱解氮含量差异显著或极显著，黄棕壤、紫色土、黄红壤、黄壤的表层碱解氮较中层分别高27.72%、58.52%、57.79%、54.02%。整体上，紫色土、黄红壤、黄壤碱解氮降幅较大，黄棕壤相对降幅较小。

（3）有效磷：由图3左可知，土壤有效磷含量5.39-77.55 mg/kg，随剖面深度增加而下降。黄棕壤在0-30 cm土层有效磷差异小，30-50 cm土层有效磷下降较快：紫色土在0-40 cm土层有效磷下降较快：黄红壤在0-20 cm土层有效磷差异小，20-50 cm土层有效磷下降较快：黄壤在0-30 cm土层有效磷下降较快：4种土壤类型在50-100 cm土层有效磷差异较小。从图3右看，4种土壤类型表层土壤有效磷显著高于中层、底层，而中层、底层之间土壤有效磷差异不显著。黄棕壤、紫色土、黄红壤、黄壤的表层有效磷较中层分别高82.27%、77.39%、64.92%、46.09%。整体上，黄棕壤有效磷降幅较大，其次是紫色土。

（4）速效钾：由图4左可知，土壤速效钾含量85.27-612.99 mg/kg，随剖面深度增加而下降。黄棕壤在0-40 cm土层速效钾差异小，40-60 cm土层速效钾下降较快，以后下降幅度较小：紫色土、黄红壤、黄壤分别在0～50、0～60、0～30 cm土层速效钾下降较快，以后下降幅度较小。从图4右看，黄棕壤和黄红壤表层、中层、底层土壤速效钾含量差异极显著：紫色土、黄壤的表层土壤速效钾显著高于中层、底层，而中层、底层之间土壤速效钾差异不显著。黄棕壤、紫色土、黄红壤、黄壤的表层速效钾较中层分别高42.96%、37.49%、64.54%、44.31%。整体上，黄红壤速效钾降幅较大，其他土壤类型降幅较小。

2.1.2不同类型土壤养分差异

由表1可知，从表层土壤看，黄棕壤、紫色土和黄壤的有机质极显著高于黄红壤：不同类型土壤碱解氮差异不显著：黄棕壤有效磷极显著高于黄壤：紫色土和黄红壤的速效钾极显著高于黄棕壤和黄壤，且黄棕壤速效钾也极显著高于黄壤。从中层土壤看，黄棕壤的有机质极显著高于黄壤、黄红壤：黄棕壤的碱解氮显著高于紫色土、黄壤、黄红壤：不同类型土壤有效磷差异不显著：黄棕壤的速效钾极显著高于紫色土、黄红壤、黄壤。从底层土壤看，黄棕壤的有机质极显著高于黄红壤、黄壤，紫色土的有机质极显著高于黄红壤：黄棕壤的碱解氮极显著高于紫色土、黄红壤、黄壤：黄棕壤的有效磷显著高于紫色土、黄红壤、黄壤：紫色土的速效钾极显著高于黄棕壤、黄红壤、黄壤。

从表1的F值大小看，不同类型表层土壤，以速效钾含量变化最大，碱解氮含量变化最小：不同类型中层土壤，以速效钾含量变化最大，有效磷含量变化最小：不同类型底层土壤，以碱解氮含量变化最大，有机质含量变化最小。

2.2植烟土壤pH垂直分布

2.2.1垂直分布特征由图5左可知，黄棕壤的pH在6.47-6.78，随土壤剖面深度增加略有增加，变化较小。紫色土pH在0-70 cm土层，随土壤剖面深度增加而增加（从4.47增加至6.04），以后略有下降。黄红壤pH在4.69～5.55，随土壤剖面深度增加而增加。黄壤pH在0～30 cm土层，随土壤剖面深度增加而增加：在30～70 cm土层，随土壤剖面深度增加而减少：在70～100 cm土层，随土壤剖面深度增加而增加。

从图5右看，表层、中层、底层土壤pH差异极显著。黄棕壤表层土壤pH极显著高于中层、底层，分别高2.86%、2.93%：紫色土表层土壤pH极显著低于中层、底层，分别低19.09%、24.43%；黄红壤表层土壤pH极显著低于中层、底层，分别低9.43%、12.47%黄壤表层土壤pH极显著高于中层、底层，分别高9.45%、3.06%，但中层土壤pH极显著低于底层（低6.97%）。

2.2.2不同类型土壤pH分布差异由表2可知，从表层土壤oH看，黄棕壤（中性）>黄壤（弱酸性）>黄红壤（强酸性）>紫色土（强酸性），不同类型土壤pH差异极显著。从中层土壤pH看，黄棕壤（中性）>黄壤（酸性）>紫色土（酸性）>黄红壤（强酸性），黄棕壤土壤pH极显著高于其他类型土壤。从底层土壤pH看，黄棕壤（中性）>黄壤（弱酸性）>紫色土（酸性）>黄红壤（酸性），不同类型土壤pH差异极显著。从表2的不同土层的F值大小看，以表层土壤变化最大，其次是底层土壤。这表明表层土壤pH受人为干扰最大，通过人为调控可以改变土壤pH。

2.3植烟土壤潜性酸垂直分布

2.3.1垂直分布特征（1）交换性酸：土壤pH可用来表示土壤活性酸度。土壤潜性酸度主要是交换性酸（EA），是指吸附在土壤膠粒表面的交换性氢（EH+）和交换性铝（EAl3+）的数量。由图6左可知，黄棕壤的EA随剖面深度增加而略有增加，但变化较小：黄壤在0～70cm土层的EA随剖面深度增加而略有增加，此后下降：紫色土和黄红壤的EA随剖面深度增加呈下降趋势。从图6右看，黄棕壤表层、中层、底层的EA呈极显著增加：紫色土和黄红壤表层、中层、底层的EA呈极显著下降：黄壤的中层EA极显著高于表层和底层土壤。

（2）交换性氢：由图7左可知，黄棕壤的EH+随剖面深度增加变化较小：紫色土EH+随剖面深度增加呈跳跃式变化：黄红壤EH+随剖面深度增加而下降；黄壤EH+在0～20cm土层下降，在20～70 cm土层上升，以后下降。从图7右看，黄棕壤和紫色土表层、中层、底层的EH+差异不显著：黄红壤表层、中层、底层的EH+呈极显著下降：黄壤的中层EH+极显著高于表层和底层土壤。

（3）交换性铝：由图8左可知，黄棕壤的EA1+随剖面深度增加而略有增加，但变化较小：紫色土的EA13+在0～20cm土层随剖面深度增加而增加，以后呈下降趋势：黄红壤的EA1+在0～30 cm土层随剖面深度增加而增加，在30～60 cm土层随剖面深度增加而快速下降，以后缓慢下降：黄壤的EA13+在0～70 cm土层随剖面深度增加而略有增加，以后缓慢下降。从图8右看，黄棕壤表层、中层、底层的EA13+呈极显著增加：紫色土和黄红壤表层、中层、底层的EA13+呈极显著或显著下降：黄壤的中层EA13+极显著高于表层和底层土壤。

2.3.2不同类型土壤潜性酸分布差异由表2可知，紫色土和黄红壤的表层土壤EA、EH+、EA13+极显著高于黄棕壤和黄壤：从中层土壤潜性酸看，黄红壤的EA、EA13+显著高于黄棕壤和黄壤，黄红壤的EH+极显著高于黄棕壤、紫色土和黄壤：从底层土壤潜性酸看，黄红壤的EA、EA13+显著或极显著高于黄棕壤、紫色土和黄壤，不同类型土壤的EH+差异不显著。从表2的不同土层的F值大小看，以表层土壤的潜性酸变异最大：不同潜性酸以EA变异最大，其次是EA13+。

2.4植烟土壤交换性盐基垂直分布

2.4.1垂直分布特征（1）阳离子交换量：由图9左可知，黄棕壤在0-60cm土层CEC随剖面深度增加而下降，在60-90cm土层CEC随剖面深度增加而增加；紫色土和黄红壤的CEC随剖面深度增加成上升趋势：黄壤在0-30cm土层的CEC随剖面深度增加而增加，以后呈下降趋势。

从图9右看，黄棕壤CEC表现为底层>表层>中层，不同土层的CEC差异极显著：紫色土和黄红壤的CEC表现为底层>中层>表层，不同土层的CEC差异极显著：黄壤的表层CEC显著高于中层和底层土壤。

（2）交换性盐基总量：由图10左可知，黄棕壤在0-60cm土层的EB随剖面深度增加而下降，在60-80cm土层的EB随剖面深度增加而增加；紫色土和黄红壤的EB随剖面深度增加呈上升趋势：黄壤在0-30cm土层的EB随剖面深度增加而增加，在30-70cm土层的EB随剖面深度增加而下降，以后呈上升趋势。从图10右看，黄棕壤EB表现为底层>表层>中层，黄壤EB表现为表层>中层>底层，不同土层的EB差异极显著：紫色土和黄红壤的EB表现为底层>中层>表层，不同土层的EB随剖面深度增加而变化较小：紫色土和黄红壤在0-20 cm土层的BS下降，以后呈上升趋势：黄壤在0～40、50～70、80～100cm土层的BS随剖面深度增加而变化较小，在40～50cm.在70～80cm土层是BS变化拐点。从图11右看，黄棕壤表层、中层、底层的BS差异不显著；紫色土和黄红壤的BS表现为底层>中层>表层，不同土层的BS差异极显著：黄壤的表层和底层BS极显著高于中层土壤。

2.4.2不同类型土壤交换性盐基总量分布差异由表2可知，不同土壤类型的EB、CEC、BS差异极显著。从表层土壤看，土壤EB和CEC以黄壤相对较高：土壤BS以黄棕壤和黄壤相对较高。从中层土壤看，紫色土、黄红壤和黄壤的EB相对较高：黄壤的CEC相对较高，但其BS相对较低。从底层土壤看，紫色土的EB、CEC相对较高，黄棕壤、紫色土和黄壤的BS相对较高。从表2的不同土层的F值大小看，以表层土壤的EB、CEC、BS变异差异极显著。

（3）盐基饱和度：由图11左可知，黄棕壤BS最大：不同交换性盐基总量以CEC变异最大。

2.5植烟土壤缓冲容量垂直分布

2.5.1垂直分布特征

由图12左可知，不同土壤类型的pHBC随剖面深度增加呈下降趋势。黄棕壤的pHBC在20～40cm土层下降较快：紫色土的pHBC在0～50cm土层下降较快：黄红壤的pHBC在40～70cm土层下降较快：黄壤的pHBC在40～60cm土层下降较快。从图12右看，黄棕壤和紫色土的pHBC表现为表层>底层>中层，不同土层的pHBC差异显著：黄红壤和黄壤的表层pHBC极显著高于中层和底层土壤。可见，整体上，以表层土壤的pHBC相对较高：黄棕壤、紫色土、黄红壤、黄壤的表层pHBC较中层分别高38.68%、23.03%、33.30%、33.23%。

2.5.2不同类型土壤缓冲容量垂直分布差异

由序为：黄红壤>黄壤>黄棕壤>紫色土，不同类型土壤pHBC差异极显著。从不同土层的F值大小看，以表层土壤的pHBC变异最大。可见土壤pHBC不仅与土壤类型有关，也与土壤利用后的人为干扰有关，可以通过土壤改良措施提高土壤的pHBC。

3讨论

武陵山地植烟土壤养分具有较强的表聚性特征，自上而下存在明显的递减性，这与朱海滨等、张心昱等、尚斌等的研究结果是一致的：不同土壤类型以表层土壤的酸度参数变异最大。土壤养分和酸度是自然因子和人为因子共同作用的结果。表层土壤作为人类利用土地进行各种活动的综合反映，不同的土壤管理措施、作物施肥、作物根系分泌物、作物凋落物和残余量等，加之表层土壤处于土壤与大气的界面，承接大气的干、湿沉降，这些变化都会引起养分和酸度在表层土壤系统的再分配。

不同土壤类型和土地利用方式影响土壤pH垂直分布特征。孙东海等研究表明，橡胶林地土壤pH随着土层深度的增加而逐渐升高，这与本研究有关紫色土和黄红壤植烟土壤pH垂直变化特征是一致的，表明长期种植烤烟会导致土壤酸化。本研究中，黄棕壤土剖面的前期为水稻田，水稻生长期间的淹水耕作导致铁、硫的氧化还原，以及二氧化碳还原为甲烷等生物地球化学过程，形成水稻土的pH趋于中性至偏碱性，近几年改作旱地种植烤烟，虽降低了土壤pH，但其表层土壤pH还是极显著高于中层、底层。黄壤表层土壤pH极显著高于中层、底层，中层土壤pH极显著低于底层，主要是因为近2年来施用石灰和种植绿肥改良酸性土壤導致表层土壤pH升高的缘故。

由于大量施用化肥，导致植烟耕层土壤养分富集。植烟耕层土壤有机质、有效磷、速效钾适宜值分别为20～30 g/kg、10～30 mg/kg、160～240 mg/kg。但是，武陵山地中黄红壤表层土中有机质含量偏低，应适当增施有机肥：黄棕壤表层土中有效磷含量偏高，应适当减少施肥配方中的磷肥比例：紫色土和黄红壤表层土中速效钾为适宜值的2～3倍，主要是烟草生产大量施用硫酸钾肥所为，生产中应采用硝酸钾部分替代硫酸钾。

优质烤烟生产所需的土壤pH范围为5.5～7.0，武陵山地紫色土和黄红壤植烟表层土的pH值低于烤烟生产适宜的水平，为强酸性土壤：其交换性酸、交换性氢和交换性铝极显著高于中层、底层土壤：其交换性盐基总量、阳离子交换量和盐基饱和度极显著低于中层、底层土壤：这种土壤不仅不利于烟株根系的生长和养分的吸收，而且影响土壤养分的有效性，必须采取措施进行修复，以满足优质烟叶生产需要。

4结论

武陵山地植烟土壤养分具有较强的表聚性特征，但黄红壤表层土有机质含量偏低，黄棕壤表层土有效磷含量偏高，紫色土和黄红壤表层土速效钾含量偏高，应增施有机肥，控制化肥的施用量。不同类型土壤的酸度特征垂直分布存在差异。随土壤剖面深度增加，黄棕壤的pH变化较小，紫色土和黄红壤pH增加，黄壤pH先增加后减少再增加：黄棕壤和黄壤的交换性酸、交换性氢和交换性铝含量变化较小，黄红壤的交换性酸、交换性氢、交换性铝呈下降趋势，紫色土的交换性酸、交换性铝呈下降趋势，紫色土交换性氢呈跳跃式变化；黄棕壤阳离子交换量、交换性盐基总量以中层土壤较低，紫色土和黄红壤的阳离子交换量、交换性盐基总量、盐基饱和度以表层土壤较低，黄壤表现为交换性盐基总量、阳离子交换量和盐基饱和度以中层土壤较低。