牡丹江烟区植烟土壤养分时空变化特征

李乾云，张剑飞，李莞晴，黄宗伟，范若增，元 野，贺国强，申洪涛，刘 领

(1.河南科技大学 农学院，河南 洛阳 471023；2.黑龙江省烟草公司 绥化市烟草专卖局，黑龙江 绥化 152001；3.中国烟草总公司 黑龙江省公司，黑龙江 哈尔滨 150001；4.黑龙江省烟草公司 牡丹江烟叶公司，黑龙江 牡丹江 157000；5.黑龙江省烟草公司 牡丹江烟草科学研究所，黑龙江 牡丹江 157011；6.河南中烟工业有限责任公司，河南 郑州 450000)

0 引言

【研究意义】土壤作为烟叶生长发育的关键要素和重要基础，是烟叶生长所需养分的主要来源，其有效养分含量的高低及比例直接影响烟叶生长发育和烤后烟叶风格特色的形成[1-2]，因此研究植烟区土壤养分变化，对于指导合理施肥和提高烟叶产质量具有重要意义。【前人研究进展】土壤有机质含量影响烤烟的产量和品质，有机质含量适宜，烟叶质量佳[3]。郭可谦等[4]研究显示，适宜的有机质含量有助于提高烟叶的整体品质。张凯等[5]研究表明，土壤有机质含量较为丰富，除有利于烟株发育及增产外，还对烟叶品质提高有促进作用，可提升烟叶化学成分协调性，改善香气质，增加香气量，降低刺激性，但有机质含量过高，会因养分过高而使烟叶主脉增粗、叶片肥厚、含氮化合物过多，从而导致烟叶品质差。氮是烟草产量和品质的决定性营养元素，土壤氮素含量适宜能够改善烟叶产质量和化学成分协调性[6]。磷对烟草的生长发育、农艺性状和烟叶化学成分的形成具有重要影响[7]；磷能促进烤烟早发，提前成熟[8]；施用磷肥还能提高烟株的钾含量，降低氮含量[9]。烟草是喜钾作物，土壤钾素含量能够影响烟叶钾含量以及烟叶的产量和品质[10-11]。根据不同区域土壤养分状况实施合理的施肥和管理措施能够促进土壤养分的提高和协调。受成土母质、地形、气候、生物等因素以及水肥管理、栽培措施的影响，植烟土壤养分在时间和空间上表现异质性[12]。近年来，关于不同植烟区土壤养分丰缺状况及其空间变异特征受到广泛关注[13-14]。【研究切入点】牡丹江烟区是黑龙江省烟叶主产区，是我国填充型烤烟的种植基地，明确该地区植烟土壤养分在时空上的变异及丰缺状况是进行土壤养分科学管理的前提和基础。【拟解决的关键问题】分别于2012年和2019年对牡丹江不同植烟区土壤进行取样测定主要养分含量，分析牡丹江不同植烟区土壤养分变化及分布状况，为牡丹江烟区合理施肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

牡丹江烟区位于黑龙江省东南部(43°24′～45°59′N，128°02′～131°18′E)，地处张广才岭、老爷岭山脉，地形以山地和丘陵为主，还有少量平原。该地区属半湿润中温带季风气候，年均气温3.8～4.5℃，年均降水量500～600 mm，年均无霜期115～152 d。牡丹江烟区下辖5个植烟县(东宁、海林、林口、穆棱和宁安)，根据祖世亨[15]的研究结果，牡丹江植烟区可分为3个区域，即温暖湿润植烟区、温凉半湿润植烟区和温和半干旱植烟区，其中，东宁县为温暖湿润植烟区，海林县、林口县和穆棱县为温凉半湿润植烟区，宁安县为温和半干旱植烟区。

1.2 土壤样品采集与测定

根据测土配方施肥技术[16]要求，在每个样地采用5点取样法，采取0～20 cm耕层土壤的混合土样，2012年采取土壤样品1 369个，其中，温暖湿润植烟区取样(东宁县)116个，温凉半湿润植烟区取样774个(海林县60个、林口县654个、穆棱县60个)，温和半干旱植烟区取样(宁安县)479个；2019年采取土壤样品1 234个，其中，温暖湿润植烟区取样643个，温凉半湿润植烟区取样315个(海林县45个、林口县240个、穆棱县30个)，温和半干旱植烟区取样276个。土壤指标测定采用《土壤农化分析》规定的方法[17]，其中，土壤有机质采用外加热重铬酸钾容量法，碱解氮采用碱解扩散法，速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法。土壤性质变异程度根据变异系数的分级标准进行判别[18-19]，变异系数>100%具有强变异性，变异系数10%～100%具有中等变异性，变异系数<10%具有弱变异性。

1.3 土壤主要养分评价标准

参照前人的研究结果[20-21]，对牡丹江植烟土壤养分指标进行评价，具体评价标准见表1。

表1 植烟土壤养分分级标准Table 1 Grading standard of soil nutrients in tobacco-growing region

1.4 数据处理

由于数据量大，为提高数据准确度，对牡丹江全区土壤样品进行统计性分析时，采用拉依达法[22]即3倍方差法对全区样本数据进行筛选。2012年有机质、碱解氮、速效磷和速效钾分别剔除27个、33个、33个和26个偏离较大的样本数，2019年分别剔除1个、25个、28个和1个偏离较大的样本数。采用Microsoft Excel 2016进行数据整理分析，采用SPSS 17.0进行方差分析，运用Duncan’s新复极差法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 2012年与2019年牡丹江各植烟生态区土壤养分含量变化

从表2看出，2012年与2019年牡丹江各植烟生态区土壤养分含量变化。

表2 牡丹江市2012年与2019年不同植烟区的土壤养分含量Table 2 Content of soil nutrients in different tobacco-growing areas of Mudanjiang City in 2012 and 2019

2.1.1 土壤有机质 2012年牡丹江植烟区土壤有机质含量0.17%～8.87%，平均3.26%，变异系数40.20%，属中等变异；2019年有机质含量0.72%～5.24%，平均2.57%，变异系数34.90%，属中等变异。与2012年相比，2019年牡丹江植烟区土壤有机质含量显著降低。2019年牡丹江3个植烟区土壤有机质含量存在差异，温暖湿润植烟区和温凉半湿润植烟区显著高于温和半干旱植烟区。

2.1.2 土壤碱解氮 2012年牡丹江植烟区土壤碱解氮含量35.00～341.25 mg/kg，平均148.88 mg/kg，变异系数29.81%，属中等变异；2019年土壤碱解氮含量42.00～297.50 mg/kg，平均143.16 mg/kg，变异系数33.23%，属中等变异。与2012年相比，2019年牡丹江植烟区土壤碱解氮含量降低，但差异不显著。2019年温暖湿润植烟区土壤碱解氮平均含量最高，为166.51 mg/kg；温凉半湿润植烟区为120.28 mg/kg；温和半干旱植烟区最低，为114.51 mg/kg。与2012年相比，2019年温暖湿润植烟区碱解氮含量显著升高，而温凉半湿润植烟区和温和半干旱植烟区显著降低。

2.1.3 土壤速效磷 2012年牡丹江植烟区土壤速效磷含量20.33～638.09 mg/kg，平均159.55 mg/kg，变异系数70.34%，属中等变异；2019年土壤速效磷含量12.97～442.36 mg/kg，平均113.93 mg/kg，变异系数69.71%，属中等变异。与2012年相比，2019年牡丹江市植烟区土壤速效磷含量显著降低。2019年温暖湿润植烟区速效磷平均含量最低，为80.04 mg/kg；温凉半湿润植烟区为140.04 mg/kg；温和半干旱植烟区最高，为162.03 mg/kg，3个植烟区土壤速效磷含量差异显著。与2012年相比，2019年温暖湿润植烟区和温凉半湿润植烟区土壤速效磷含量显著降低，而温和半干旱植烟区无显著差异。

2.1.4 土壤速效钾 2012年牡丹江植烟区土壤速效钾含量45.96～1 545.72 mg/kg，平均345.01 mg/kg，变异系数83.77%，变异较大；2019年土壤速效钾含量48.24～1 161.96 mg/kg，平均284.27 mg/kg，变异系数69.38%，属中等变异。与2012年相比，2019年牡丹江市烟区速效钾含量显著降低。2019年温暖湿润植烟区速效磷平均含量最低，为232.86 mg/kg；温凉半湿润植烟区为270.10 mg/kg；温和半干旱植烟区最高，为432.02 mg/kg；温和半干旱植烟区土壤速效钾含量显著高于其他植烟区。

2.2 2012年与2019年牡丹江各植烟生态区土壤养分等级分布频率

从表3看出，2012年与2019年牡丹江各植烟生态区土壤养分等级分布频率存在差异。

表3 牡丹江市2012年与2019年不同植烟生态区的土壤养分等级分布频率Table 3 Grading distribution frequency of soil nutrients in different tobacco-growing areas of Mudanjiang City in 2012 and 2019 %

2.2.1 有机质 2019年牡丹江植烟区土壤有机质含量在极低、低、适宜、高和极高水平的分布频率分别为0.34%、27.79%、42.02%、20.74%和9.10%，处于适宜水平的分布频率最高，其次为低水平，两者分布频率之和达69.81%，整体处于低-适宜水平。与2012年相比，2019年牡丹江植烟区有机质含量在适宜、高和极高水平的分布频率分别降低0.79百分点、11.60百分点和4.88百分点，低水平的分布频率增加17.45百分点。与2012年相比，2019年温暖湿润植烟区适宜水平的分布频率增加15.26百分点，低和极高水平的分布频率分别降低5.59百分点和11.3百分点；温凉半湿润植烟区适宜水平的分布频率降低38.38百分点，低和极高水平的分布频率分别增加26.52百分点和13.73百分点；温和半干旱植烟区有机质含量适宜、高和极高水平的分布频率分别降低0.12百分点、3.12百分点和18.33百分点，同时极低和低水平的分布频率分别增加0.1百分点和21.47百分点。

2.2.2 碱解氮 2019年牡丹江植烟区土壤碱解氮含量在极低、低、适宜、高和极高水平的分布频率分别为0.89%、26.84%、53.12%、14.84%和4.30%，处于适宜水平的分布频率最高，其次是低水平，两者之和高达79.96%，整体处于低-适宜水平。与2012年相比，2019年牡丹江市植烟区土壤碱解氮含量在适宜水平的分布频率降低12.15百分点，在低水平的分布频率增加13.28百分点。与2012年相比，2019年温暖湿润植烟区土壤碱解氮含量在适宜、高和极高水平的分布频率分别增加6.75百分点、12.16百分点和5.31百分点，在低水平的分布频率降低23.34百分点；温凉半湿润植烟区在高水平的分布频率降低1.40百分点，适宜和极高水平的分布频率分别增加0.32百分点和1.09百分点；温和半干旱植烟区土壤碱解氮含量在适宜、高和极高水平的分布频率分别降低20.08百分点、6.64百分点和6.93百分点，极低和低水平的分布频率分别增加1.71百分点和31.77百分点。

2.2.3 速效磷 2019年和2012年牡丹江植烟区土壤速效磷含量主要分布在极高水平，分布频率分别为92.87%和98.61%。与2012年相比，2019年温暖湿润植烟区土壤速效磷含量处于极高水平的分布频率降低7.07百分点，适宜和高水平的分布频率增加5.56百分点和1.52百分点；温凉半湿润植烟区土壤速效磷含量处于极高水平的分布频率降低79.15百分点，低、适宜和高水平分别增加27.06百分点、30.36百分点和20.73百分点；温和半干旱植烟区处于极高水平的分布频率降低2.95百分点，适宜和高水平的分布频率增加1.11百分点和1.85百分点。

2.2.4 速效钾 2019年牡丹江植烟区土壤速效钾含量在极低、低、适宜、高和极高水平的分布频率分别为2.43%、25.61%、24.8%、18.64%和28.53%，在低、适宜、极高水平分布频率相当。与2012年相比，2019年牡丹江植烟区速效钾含量在极高水平的分布频率降低6.82百分点，低水平和适宜水平的分布频率分别增加3.92百分点和3.18百分点。与2012年相比，2019年温暖湿润植烟区土壤速效钾含量在适宜水平的分布频率提高14.25百分点，高水平分布频率提高6.98百分点；温凉半湿润植烟区在适宜水平和高水平的分布频率分别增加1.29百分点和7.15百分点；温和半干旱植烟区在极高水平的分布频率增加4.78百分点。

3 讨论

研究结果表明，2019年牡丹江植烟区有机质平均含量为2.57%，整体处于低-适宜水平，与2012年相比，土壤有机质含量降低，处于低水平的分布频率增加。可能是由于烟农在施肥过程中重化肥轻有机肥，导致土壤有机质减少；另外，也可能与烟农以往不重视秸秆还田，造成土壤有机质输入减少有关[23]。孙士明等[24]研究表明，秸秆还田能够提高土壤有机质含量。因此，在烟叶种植过程中，增施有机肥和秸秆还田是提高土壤有机质的重要措施。2019年牡丹江植烟区土壤碱解氮平均含量为143.16 mg/kg，与2012年相比，2019年土壤碱解氮下降，整体处于低-适宜水平，因此，针对土壤碱解氮含量低的烟田要增施氮肥和有机肥。2019年牡丹江植烟区土壤速效磷平均含量为113.93 mg/kg，与2012年相比，土壤速效磷含量虽有少量下降，但整体仍处于极高水平，因此，在烟叶种植过程中要控制磷肥施用。2019年牡丹江植烟区土壤速效钾平均含量为284.27 mg/kg，土壤速效钾含量在极低、低、适宜、高和极高水平的分布频率分别为2.43%、25.61%、24.8%、18.64%和28.53%。充足的钾素供应，不仅能保证烟株正常生长代谢和烟株健壮生长，而且对改善烟叶质量和燃烧性具有重要作用，因此在烟叶种植过程中，根据不同区域土壤钾含量水平保证钾肥施用量，可以采取基肥与追肥结合、根施与根外施肥结合方式进行，以保障土壤速效钾的供应水平，提高钾肥的利用率[25]。

不同植烟区域土壤养分变异由系统变异和随机变异构成，土壤母质和土壤类型等结构因子导致系统变异，施肥、灌溉和耕作等人为因子引起随机变异[26-27]。2019年牡丹江温暖湿润植烟区和温凉半湿润植烟区有机质和碱解氮含量显著高于温和半干旱植烟区，温暖湿润植烟区和温凉半湿润植烟区气候与温和半干旱植烟区相比，气候湿润、温度较高，土壤微生物活性强，加速秸秆、枯落物的分解和有机质的输入。张学昕[28]研究表明，碱解氮含量的高低取决于有机质含量的高低以及施入氮肥量的多少，碱解氮含量和有机质呈正相关。2019年牡丹江温暖湿润植烟区速效磷和速效钾含量均低于温和半干旱植烟区和温凉半湿润植烟区，影响土壤速效磷和速效钾含量的因子主要包括土壤理化性质、气候条件、施肥管理方式等，本研究不同植烟区土壤速效磷和速效钾存在差异的原因主要体现在气候条件不同，气候对土壤磷和钾素的影响主要体现在温度和降水方面。一方面温暖湿润植烟区降水丰富，土壤水分比较充足，施入磷肥后有效磷存在的比例较高，易被植物吸收，土壤中速效磷含量降低。相关研究表明，土壤速效钾和速效磷含量随着降雨量的增加而减少[29]。降水较多，促进磷、钾在土壤中的淋洗，因此，温暖湿润植烟区土壤速效磷、速效钾含量偏低[30]。另一方面温度和水分影响土壤微生物活性，适宜的温度和水分条件提高土壤微生物活性，微生物对土壤磷和钾形态转化具有重要作用，温度、水分过高和过低均抑制微生物活性，从而影响土壤磷和钾的有效性[30-31]。

4 结论

2019年牡丹江烟区植烟土壤有机质平均含量为2.57%，碱解氮平均含量为143.16 mg/kg，速效磷平均含量为113.93 mg/kg，速效钾平均含量为284.27 mg/kg。有机质和碱解氮含量整体处在低-适宜水平，速效磷含量整体处在极高水平，速效钾含量变异较大，在低、适宜、极高水平分布频率相当。牡丹江各植烟生态区土壤养分存在差异，2019年土壤有机质含量温暖湿润植烟区=温凉半湿润植烟区>温和半干旱植烟区，碱解氮含量表现为温暖湿润植烟区>温凉半湿润植烟区>温和半干旱植烟区，速效磷和速效钾含量均表现为温和半干旱植烟区>温凉半湿润植烟区>温暖湿润植烟区。与2012年相比，2019年牡丹江市植烟区土壤有机质、速效磷、速效钾含量显著降低，碱解氮含量有所下降。因此，建议牡丹江烟区总体采用稳氮、增钾、控磷、增施有机肥的施肥策略，并根据各植烟生态区的土壤养分时空演变趋势，适度调整肥料施用量，以实现各植烟生态区土壤养分供需平衡。