曲靖植烟土壤pH分布特征及其影响因素研究

李 强 张芸萍 解 燕 易 克 刘加红 程昌新王津军 张一扬

(1湖南农业大学 农学院,湖南 长沙 410128;2云南省烟草公司曲靖市公司,云南 曲靖 655000;3湖南中烟工业有限责任公司,湖南 长沙 410000;4 红云红河烟草(集团)有限责任公司,云南 昆明 650231;5 中国烟草总公司云南省公司,云南 昆明 650224)

酸碱度是土壤重要的化学特性之一,是土壤成土母岩、成土母质以及许多化学性质特别是盐基离子状况的综合反映,是评价土壤肥力的一项重要指标[1-2]。酸碱度影响着土壤中诸多重要的物理、化学及生物过程,从而影响土壤养分的有效性、土壤的理化性质和微生物活性,进而影响土壤在农林生态系统中的功能[3-4],因此有关农田土壤pH的相关研究一直备受关注。杨歆歆等[5]研究了山东省土壤酸碱度变化状况,发现近30年间,山东省弱碱性和中性土壤面积分别减少12.67%和4.38%,而弱酸性和酸性土壤面积分别增加8.31%和8.06%。郭治兴等[6]研究表明,30年来广东省土壤pH 平均值由5.70 降至5.44,除潮土pH升高外,其他类型土壤的pH均呈降低趋势,尤其以赤红壤、水稻土和红壤下降最为严重。王寅等[7]研究表明,吉林省各类型农田耕层土壤普遍存在酸化趋势,其中黑土pH值下降约0.5,草甸土和水稻土pH值分别下降了1.4和1.6。大量研究表明,成土母质、高程、坡度、土地利用类型、施肥管理等均是影响土壤pH的重要因素[8-9]。近年来,区域植烟土壤pH的分布与变化也备受关注。周炼川等[10]研究了文山植烟土壤的酸碱度分布情况,发现文山烟区强酸性和碱性土壤的比例分别为20.3%和12.0%,随着海拔升高,土壤pH值呈降低趋势。符云鹏等[11]研究发现,毕节烟区强酸性和碱性土壤的比例分别为11.2%和6.04%,土壤pH与全氮、有效硼及有效锌含量呈显著或极显著正相关,与铵态氮、有效锰、有效铁含量呈极显著负相关。邓小华等[12]研究了湘西植烟土壤pH 特征及其影响因素,发现该烟区土壤pH值＜5.5的比例达37.27%,土壤pH值＞7.5的占18.20%,成土母岩、土壤类型、水土流失状况、灌溉能力、海拔高度、耕作层厚度、有机质含量、土壤颗粒组成均显著影响植烟土壤pH。魏国胜[13]研究了咸丰县植烟土壤的酸碱度变化,发现该区域土壤酸化十分严峻。咸丰县植烟土壤主要呈酸性,pH均值仅为4.4,pH值＜5.0的强酸性土壤面积占80.3%,30年间,强酸性土壤面积占比增加了79.3个百分点。Zhang 等[14]研究表明,长期的烟草种植会导致土壤酸化,并认为烟草种植所导致的盐基离子损失是造成土壤酸化的主要原因。曲靖种烟历史悠久,目前年均种植烤烟面积约8.67×104hm2,年产烟叶1.8×105t,是我国最大的优质烟区[15]。有关曲靖植烟土壤pH分布的研究虽已有少量报道[16-17],但关于曲靖植烟土壤pH 空间分布及其影响因素的研究却鲜有报道。鉴于此,本研究系统分析了曲靖植烟土壤pH分布状况及其影响因素,以期为曲靖植烟土壤改良和烤烟养分管理提供参考,为优质烟叶生产奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

曲靖烟区地处云南省东部(102°42′E～104°50′E,24°19′N～27°03′N)属低纬高原亚热带季风气候区,有南亚热带到北温带6种气候类型,主要为亚热带季风气候,年平均气温14.24℃,年均降雨量总量800～1 700 mm,年日照时数1 584～2 195 h,无霜期达204～282 d。曲靖总耕地面积729 333.3 hm2,其中水田面积251 333.3 hm2,旱地面积478 000.0 hm2,适宜种植烤烟的面积563 333.3 hm2。曲靖烟区是云南乃至全国最大的烤烟产区,年均烟叶产量达1.8×105t,该区主要植烟土壤类型有红壤、黄壤、紫色土和水稻土。

1.2 样品采集与分析

2010-2015 年采用GPS 定位技术在曲靖基本烟田选取定位田块,选点时综合考虑当地烤烟种植分布、地形地貌、海拔高度、土壤类型,确保选取的样点具有代表性,入选田块面积均在667 m2以上。记录田块中心的经纬度(102°42′E～104°50′E,24°19′N～27°03′N)和海拔(1 187～2 901 m),以及取样地点的地形和土壤类型。在田块翻耕前,根据田块形状采用“X”取样法或“W”形取样法采集耕作层(0～20 cm)土壤,确保每个田块选取5～10个样点,用四分法取约1 kg 土样带回实验室,共采集土壤样品3 456 份。

土壤经风干、研磨后过100 目筛制成待测样品,参照鲁如坤[18]的方法进行以下测定:土壤机械组成采用比重法测定、土壤酸碱度采用玻璃电极法测定、土壤有机质采用重铬酸钾氧化法测定、土壤全氮采用凯氏定氮法测定、土壤全磷和有效磷采用钼锑抗比色法测定、土壤全钾和速效钾采用火焰光度法测定、土壤碱解氮采用碱解扩散法测定、土壤有效钙和有效镁采用原子吸收分光光度法测定、土壤有效硫采用比浊法测定、土壤水溶性氯采用硝酸银电位滴定法测定。

1.3 土壤pH 评价标准

参照文献[10-12]制定曲靖烟区土壤pH的评价标准,具体分为以下5个等级:极低(pH值＜5.0)、低(pH值5.0～5.5)、适宜(pH值5.5～7.0)、高(pH值7.0～7.5)、极高(pH值＞7.5)。

1.4 数据分析

采用SPSS 17.0 软件进行多元统计分析,Microsoft Office Excel 2010进行平滑回归分析[19],GS+9.0进行半方差函数的计算和拟合[20],ArcGIS 10.22 软件进行Kriging 插值、面积统计和绘图。

2 结果与分析

2.1 曲靖植烟土壤pH 基本统计特征

2.1.1 土壤pH 总体分布 曲靖植烟土壤pH 描述性统计和分布频率情况见表1。结果表明,曲靖植烟土壤pH均值为6.28,属适宜水平,变幅为4.16～8.50,变异系数为13.74%,表现为中等程度变异;经K-S 检验,植烟土壤pH 经对数转换后服从正态分布。“低”和“极低” 等级的土壤pH 样本分别占14.41%和6.98%,“适宜”等级的土壤pH 样本仅占54.25%,“高”和“极高”等级的土壤pH的样本分别占16.40%和7.96%。

2.1.2 不同植烟县土壤pH分布 由表1可知,9个植烟县区除师宗土壤pH为弱变异外,其他各县区均为中等程度变异;各县植烟土壤pH均值为5.43～6.57,除马龙区土壤pH均值偏低外,其他县区均处于“适宜”等级。方差分析结果表明,土壤pH 在植烟县区间存在极显著差异(P＜0.01),进一步多重比较发现罗平、师宗和宣威土壤pH 显著或极显著高于除麒麟以外的其他植烟县区,但该三县之间差异不显著;马龙区植烟土壤pH 极显著低于其他各植烟县。各植烟县区土壤pH“适宜”等级样本比例从高到低依次为师宗＞富源＞沾益＞宣威＞罗平＞会泽＞麒麟＞陆良＞马龙,这与土壤pH均值高低的规律不完全一致。

2.1.3 土壤pH 空间分布 采用多种函数模型对植烟县区pH 空间结构特征进行拟合(表2),结果发现最佳函数模型为指数模型,该模型均具有较高的拟合精度(RMSSE 接近1,MSE 接近0),能够很好地反映土壤pH 空间结构特征。土壤pH的块金效应为57.51%,在25%～75%范围内[20],说明该植烟县区土壤pH 空间结构由结构因素和随机因素共同决定。利用获取的半方差函数,采用普通克里格插值法绘制土壤pH的空间分布图(图1)。面积统计结果显示,斑块面积最大的是“适宜”等级,占全市面积的89.12%,在除马龙以外的各个县区均有分布;其次是“低”等级,占全市面积的6.91%,主要分布在马龙区和陆良县,零星分布在宣威市;最后是“高”和“极高”等级,分别占全市面积的3.96%和0.01%,零星分布在会泽、宣威、麒麟和罗平。

表1 曲靖植烟土壤pH 基本统计特征Table1 Basic statistical characteristics of pH in tobacco growing soil in Qujing

表2 土壤pH 半方差函数模型及其插值精度Table2 The semi-variogram models of soil pH and interpolation accuracy

2.2 土壤pH的影响因素

根据土壤pH 空间结构分析得知植烟土壤pH 受结构性因子和随机性因子共同影响,将不易受人为因素影响的因子定为结构性因子,易受人为因素影响的因子定为随机性因子,分别研究海拔、地形、地貌、土壤质地、土壤类型等结构性因子,以及有机质含量、土壤大量元素、土壤盐基阳离子和土壤阴离子等随机性因子对土壤pH的影响。本研究仅列出对土壤pH 影响较大的因素的试验结果,无显著影响的未叙述。

2.2.1 海拔和地形对土壤pH的影响 曲靖烟区海拔高且跨度大,本研究中海拔范围为1 187～2 901 m。简单相关性分析结果表明,土壤pH 与海拔高度呈极显著负相关关系(r=-0.289,P＜0.01)。平滑回归分析结果表明(图2),土壤pH 与海拔高度呈良好的线性关系(R2=0.881,P＜0.01),即随着海拔的升高,土壤pH表现为下降趋势。曲靖烟区的地形主要为平坝、山地、河槽和丘陵,土壤pH 在不同地形间存在显著差异(表3),其中平坝最高,极显著高于其他地形,丘陵最低。

2.2.2 土壤质地和类型对土壤pH的影响 由表4可知,6种质地的土壤pH均值在6.09～6.91 之间,最高的是砂壤土,最低的是中壤土。方差分析结果表明,土壤pH 在土壤质地间存在极显著差异(F=11.053,P＜0.01),其中重壤土和中壤土pH 极显著低于其他质地,总体上表现为随着土壤粘性增加,土壤pH 呈先下降后上升的趋势。

表3 地形对土壤pH的影响Table3 Effect of terrain on soil pH

表4 土壤质地对土壤pH的影响Table4 Effect of soil texture on soil pH

图1 曲靖土壤pH 空间分布Fig.1 Spatial distribution of soil pH in Qujing

图2 土壤pH 与海拔的平滑回归分析Fig.2 Regression analysis of soil pH of flue-cured tobacco and altitude

由表5可知,6种类型土壤pH均值在6.12～6.66范围内,从高到低依次为黄壤＞紫色土＞冲积土＞新积土＞水稻田＞红壤,均属于“适宜”等级。方差分析结果表明,土壤pH 在土壤类型间存在极显著差异(F=22.699,P＜0.01),经多重比较发现黄壤pH 极显著高于其他土壤类型,红壤pH 极显著低于紫色土。

2.2.3 有机质对土壤pH的影响 土壤pH 与有机质 含量的相关性分析表明,土壤pH 与有机质含量呈极显著正相关关系(r=0.067,P＜0.01)。决策树分析结果表明,土壤有机质对pH 影响的节点分别为18.738、38.977、42.620 g·kg-1,3个节点将土壤样本按有机质含量高低分成4 组,各分组土壤pH均值分别为6.38(n=345)、6.13(n=1 729)、6.24(n=345)和6.41(n=1 037),土壤pH 在土壤有机质分组间差异达到极显著水平;平滑回归分析结果显示,土壤pH 与有机质含量呈三次曲线关系(R2=0.845,P＜0.01)(图3),即随着土壤有机质含量增加,土壤pH表现为先下降后上升再略有下降的趋势,当有机质含量增加至45 g·kg-1左右时,土壤pH 达到最大值,这与决策树分析结果也基本一致。

表5 土壤类型对pH 土壤的影响Table5 Effects of different soil types on soil pH

图3 土壤pH 与有机质含量的回归分析Fig.3 Regression analysis of soil pH and soil organic matter content

2.2.4 土壤盐基阳离子对土壤pH的影响 相关性分析结果表明,土壤pH 与土壤速效钾、有效钙、有效镁含量呈极显著正相关关系(r速效钾=0.243,r有效钙=0.695,r有效镁=0.279,P值均为0.01)。进一步采用决策树模型和平滑回归的方法分析土壤3种盐基元素对土壤pH的影响,结果表明,土壤速效钾对土壤pH 影响的节点分别为79.941、107.362、203.000、326.076 mg·kg-1,4个节点将按土壤速效钾高低分成5 组,各分组土壤pH分别为5.86(n=345)、6.08(n=347)、6.18(n=1 383)、6.38(n=1 036)和6.67(n=345),土壤pH 在土壤速效钾分组间差异达到极显著水平;等样本数平滑回归分析结果显示,土壤pH 与速效钾含量呈良好的二次曲线关系(R2=0.239,P＜0.01)(图4),随着土壤速效钾含量的增加,土壤pH表现为先上升后趋于稳定的趋势。

土壤有效钙对土壤pH 影响的节点分别为1 113.717、1 414.499、1 691.383、1 946.133、2 236.584、2 531.300、2 865.720、3 323.331、4 332.533 mg·kg-1,9个节点将按土壤有效钙高低分成10 组,各分组土壤pH分别5.13(n=345)、5.51(n=345)、5.77(n=347)、5.98(n=345)、6.25(n=346)、6.39(n=346)、6.56(n=346)、6.71(n=345)、6.88(n=346)和7.30(n=345),土壤pH 在土壤有效钙分组间差异达到极显著水平,随着有效钙含量的增加,土壤pH 呈增加趋势;等样本数平滑回归分析结果显示,土壤pH 与有效钙含量呈良好的对数函数关系(R2=0.986,P＜0.01)(图5),随着土壤有效钙含量的增加,土壤pH表现为减速上升的趋势。

土壤有效镁对土壤pH 影响的节点分别为106.938、179.132、222.008、267.285、456.652 mg·kg-1,5个节点将按土壤有效镁高低分成6 组,各分组土壤pH分别5.69(n=345)、5.99(n=692)、6.12(n=345)、6.24(n=346)、6.42(n=1 037)和6.60(n=691),土壤pH 在土壤有效镁分组间差异达到极显著水平,随着有效镁含量的增加,土壤pH 持续升高;等样本数平滑回归分析结果显示,土壤pH 与有效镁含量呈良好的对数函数关系(R2=0.98,P＜0.01)(图6),随着土壤有效镁含量的增加,土壤pH表现为减速上升的趋势。

平滑回归分析结果表明,土壤pH 与盐基阳离子含量呈良好的对数函数关系(R2=0.989,P＜0.01)(图7),随着土壤盐基阳离子总量的增加,土壤pH表现为减速上升的趋势。

图4 土壤pH 与速效钾含量的回归分析Fig.4 Regression analysis of soil pH and available K

图5 土壤pH 与有效钙含量的回归分析Fig.5 Regression analysis of soil pH and available Ca

图6 土壤pH 与有效镁含量的回归分析Fig.6 Regression analysis of soil pH and available Mg

图7 土壤pH 与阳离子总量的回归分析Fig.7 Regression analysis of soil pH and cation content

2.2.5 土壤阴离子对pH的影响 采用决策树模型和平滑回归的方法分析土壤有效硫和水溶性氯对土壤pH的影响,结果表明,土壤有效硫对土壤pH 影响的节点分别为14.247、17.060、25.985、37.035、76.318 mg·kg-1,5个节点将按土壤有效硫高低分成6 组,各分组土壤pH分别为6.66(n=346)、6.52(n=345)、6.31(n=1 037)、6.19(n=691)、5.91(n=692)和6.17(n=345),土壤pH 在土壤有效硫分组间差异达到极显著水平,其中有效硫含量为76.318 mg·kg-1,是土壤pH的拐点,当土壤有效硫含量＜76.318 mg·kg-1时,随着土壤有效硫含量的增加,土壤pH 下降;当土壤有效硫含量＞76.318 mg·kg-1时,随着土壤有效硫含量的增加,土壤pH 升高。等样本数平滑回归分析结果显示,土壤pH 与有效硫含量符合分段线性模型(y=-0.018 2x+ 6.752 3,x＜68.7,R2=0.875 8;y=0.002 8x+ 5.679 9,x≥68.7,R2=0.966 5;P值均为0.01)(图8),这与决策树分析的结果基本一致。

图8 土壤pH 与有效硫含量的回归分析Fig.8 Regression analysis of soil pH and available S

土壤水溶性氯对土壤pH 影响的节点分别为4.491、15.428 mg·kg-1,2个节点将按土壤水溶性氯高低分成3 组,各分组土壤pH分别为6.52(n=352)、6.23(n=658)和6.20(n=2 446),土壤pH 在土壤水溶性氯分组间差异达到极显著水平;平滑回归分析结果显示,土壤pH 与水溶性氯含量符合对数函数模型(图9),即随着土壤水溶性氯含量的增加,土壤pH表现为先快速下降后减速下降的趋势。

图9 土壤pH 与水溶性氯的回归分析Fig.9 Regression analysis of soil pH and water-soluble Cl

3 讨论

烤烟对土壤酸碱度的适应能力较强,在pH值4～9的土壤上均能正常生长和繁殖,但要获得品质优良的烟叶,烟草须种植在特定pH 范围的土壤上[21]。研究发现,烤烟种植的最佳土壤pH 虽因地域不同而略有差异,但普遍认为弱酸性至中性的土壤有利于获得优质烟叶[22]。与其他烟区类似[8,10-13],曲靖植烟土壤也存在明显的酸化问题。因此,本试验研究了海拔、地形、土壤质地、土壤类型等结构性因子,以及有机质含量、土壤盐基阳离子和土壤阴离子等随机性因子(人为因子)对土壤pH的影响。

海拔高度主要通过母岩、母质、水热条件影响土壤的发育进程,从而造成土壤理化性状在垂直梯度上的差异[23-24]。本研究结果表明,随着海拔的升高,土壤pH 呈下降趋势,这与邓小华等[12]和杜薇等[25]的研究结果一致。此外,土壤pH 在不同地形间存在显著差异,其中平坝最高,丘陵最低,这可能与不同地形土壤类型等因素的差异有关,如平坝多为黄壤,山地和丘陵多为紫色土和红壤,而河槽的土壤母质和土壤类型则十分复杂,前人研究也证实了地形对土壤pH的影响[26-27]。本研究还发现,植烟土壤pH 在不同土壤质地和土壤类型间均存在极显著差异,以砂壤土pH 最高,中壤土pH 最低。不同土壤类型以黄壤pH 最高,红壤pH 最低,这与前人研究结果一致[13,28-29]。

本研究结果表明,土壤有机质含量与土壤pH 呈极显著正相关,这与邓小华等[12]的研究结果基本一致,决策树分析获取的4个有机质分组间土壤pH 差异极显著,总体上有机质含量越高,土壤pH 越高,但曲靖的变化情况较湘西烟区更为复杂;但本研究与戴万宏等[30]的研究结果不完全一致,可能与本研究采集的是植烟土壤,其养分管理措施与普通耕作土壤有较大差异有关,具体原因有待深入研究。本研究中,钾、钙、镁及盐基阳离子总量均对土壤pH表现为正效应,土壤pH 与速效钾、有效镁、有效钙及盐基阳离子总量均符合对数函数模型,随着盐基阳离子含量的增加,土壤pH 呈减速上升趋势,与较高的盐基阳离子占据了交换性氢的吸附位点有关[31],这与刘琳等[32]的钙镁元素用于改良酸性土壤并不是用量越多越好的结论一致。土壤有效硫和水溶性氯含量对土壤pH 总体上表现为负效应,决策树分析得到的6个有效硫分组间土壤pH 差异达到极显著水平,当土壤有效硫含量＜76.318 mg·kg-1时,随着土壤有效硫含量的增加,土壤pH 下降,这与硫酸钾是生理酸性肥料有关,烟草选择吸收钾离子,导致土壤中硫酸根离子积累,从而导致土壤酸化[33];但当土壤有效硫含量＞76.318 mg·kg-1时,土壤pH 则随有效硫增加呈升高趋势,导致该现象的原因仍需进一步深入研究;土壤pH 与水溶性氯含量符合对数函数模型,即随土壤水溶性氯含量的增加,土壤pH表现为先迅速下降后减速下降的趋势,与崔玉珍等[34]的研究结果一致。

目前尚未有来自工业企业关于土壤酸化导致曲靖烟叶质量变差的反馈,但土壤pH 进一步下降是否会对烟叶品质造成不良影响不得而知,土壤pH 升高的问题应当引起足够关注。一方面,应继续关注土壤pH变化,在当地开展酸性土壤对烟叶品质影响的研究,为植烟土壤管理决策提供参考;另一方面,应针对不同植烟土壤酸碱度状况采取差异化管理。针对pH“极高”等级区域,可考虑暂时采用过磷酸钙代替钙镁磷肥进行施用,适当降低土壤pH;针对pH“高”等级区域,应采取隔年过磷酸钙和钙镁磷肥交替施用的办法,稳步降低土壤pH;针对pH“适宜”等级区域,应保持当前养分管理方案,稳定土壤pH;而针对土壤pH“低”和“极低”等级区域,如马龙区的大部和陆良县的西北部应杜绝过磷酸钙的施用,施用钙镁磷肥作为磷肥来源,同时可采用硝酸钾和氯化钾部分替代硫酸钾,减少硫酸根离子的投入,并适当投入石灰或白云石粉进行酸性土壤改良。此外,应同时采用秸秆还田、有机肥施用等方法加大有机物料的投入,增强植烟土壤的酸缓冲容量,防止土壤复酸化[35]。

4 结论

本研究结果表明,曲靖植烟土壤pH均值为6.28,处于适宜水平,从样本分布情况来看,土壤pH“低”和“极低”等级样本分别占14.41%和6.98%,土壤pH“高”和“极高”等级样本分别占16.40%和7.96%,土壤pH“适宜”等级样本占54.25%。海拔、地形、土壤质地、土壤类型、有机质含量、土壤盐基阳离子和土壤阴离子等均对土壤pH 有显著影响。今后应根据土壤pH 区域差异,从有机物料管理、钙镁元素投入及硫素管控等方面进行土壤酸碱度差异化调控方面的研究。