大理典型植烟县烟田土壤速效养分时空变异特征

程晓梅 王晋峰 孙楠 蒯雁 范志勇 张久权 徐明岗 李建华

摘  要：探明烟田土壤速效养分时空变异特征，为烤烟高产优质的施肥管理提供科学依据。应用地统计学等方法，分析了大理州祥云和彌渡两个典型植烟县1982、2012和2022年烟田土壤碱解氮、有效磷和速效钾的时空演变特征。1982—2022年祥云土壤碱解氮含量呈先增后降趋势，弥渡土壤碱解氮含量3个年度间无显著差异且以III级为主（100～150 mg/kg），空间分布均匀。烟区土壤有效磷和速效钾含量均呈不同程度上升趋势，弥渡北部和祥云中西部高，其他区域低。近40年土壤速效养分块金效应由<25%上升至50%，表明养分空间变异的影响因素中地形等自然因素影响减弱，施肥等人为因素影响增强。土壤碱解氮含量一直处于中等水平（100～150 mg/kg），磷钾肥施用导致有效磷和速效钾含量持续升高。根据土壤速效养分丰缺状况，祥云中北部、西部及弥渡北部区域烟田应“稳氮减磷钾”，其余区域需注意“稳氮控磷钾”。

关键词：大理州；烟田；速效养分；时空变异

中图分类号：S572.01                    文献标识码：A                    文章编号：1007-5119（2023）02-0015-07

Abstract： The spatial-temporal variation characteristics of soil available nutrients were studied to provide scientific basis for fertilization management of high yield and high quality in tobacco fields. The spatio-temporal evolution characteristics of soil available nitrogen， available phosphorus and available potassium in two typical counties of Xiangyun and Midu in Dali prefecture in 1982， 2012 and 2022 were analyzed by using geostatistics. From 1982 to 2022， the average content of soil available nitrogen in Xiangyun county increased first and then decreased. There was no significant difference in soil available nitrogen between three years in Midu， which was mainly grade III （100-150 mg/kg） and evenly distributed spatially. The contents of soil available phosphorus and available potassium in tobacco-growing areas showed an upward trend to various degrees， which were high in the north of Midu and the central and western parts of Xiangyun， and low in other regions. In recent 40 years， the nugget effect of soil available nutrients increased from <25% to 50%， indicating that the influence of natural factors such as topography on the spatial variation of nutrients was weakened， and human factors such as fertilization was enhanced. The content of soil available nitrogen was at a medium level （100-150 mg/kg）， and the contents of available phosphorus and available potassium increased continuously due to the application of phosphorus and potassium fertilizers. According to the abundance and deficiency of soil available nutrients， for the tobacco fields in north central and west of Xiangyun and north of Midu we should 'stabilize nitrogen and reduce phosphorus and potassium'， and for the rest areas we need to pay attention to 'stabilize nitrogen and control phosphorus and potassium'.

Keywords： Dali Prefecture; tobacco field; soil available nutrients; spatial-temporal variability

烤烟是我国重要的经济作物，云南是我国最大烟叶生产省域[1]。该区域为传统农业发展区，由于其丰富的光热条件和充沛的水資源，生产的烟叶品质独特、气味纯净，烤烟产业已然成为该区域农业经济的重要支柱[2]。土壤速效养分是烤烟营养元素的直接来源，很大程度上决定了烟叶产量与品质[3]。随着烤烟种植及烟田管理的不断发展，烟田土壤养分发生了很大的变化[4-5]。因此系统了解典型区域烟田土壤速效养分时空变异特征及分布状况有利于科学掌握土壤肥力，实现平衡施肥。

地统计学与地理信息系统（GIS）的结合是当前研究土壤养分时空分布的主要方法[6-8]，可在不同尺度范围内将土壤属性与地理数据有机结合，更加高效直观地反映出研究区土壤养分变异特征和分布状况[9]。GIS技术具有管理空间不均匀分布资源的功能，可以探究土壤养分时空变异，能够直接反映区域内烟田施肥策略及耕作方式等农业制度的合理性，为区域烟叶生产中养分的科学管理提供参考[10]。目前，众多研究已利用地统计学分析了不同区域烟田土壤养分的时空变异特征。邹静等[11]以安顺市西秀区烟田土壤为研究对象，结果显示土壤碱解氮含量略高，空间分布上无明显规律，有效磷含量适宜，速效钾含量较低，均呈明显西低东高规律。谭智勇等[12]对文山州基本烟田进行研究，该区土壤碱解氮含量整体呈由北向南、由东向西增加趋势，土壤有效磷空间变化不显著，土壤有效钾含量整体上呈由中部向北部及南部增加趋势。郭迎新等[2]研究了2011—2020年洱海流域烟田土壤养分时空变异特征，表明有效磷含量上升，高值区以斑块状分布在洱海北部、东部和西部，速效钾含量丰富，高值区呈片状分布在洱海北部和东部。综合来看，我国烟田土壤速效养分存在分布不均衡、空间变异较大等特点，不同植烟区土壤养分含量时间变异特征及空间分布格局存在较大差异。县域尺度的研究不仅可以具体地分析当地烟田土壤速效养分的时空变异特征，而且可以精准结合当地气候条件、地形地貌、施肥习惯等因素为烟草种植提供科学施肥指导，对当地农业生产具有重要指导意义[13-14]。有学者对重庆石柱县、云南罗平县、湘西花垣县等地烟田土壤速效养分空间变异进行研究并提出区划施肥，为县域烟田因土施肥提供现实参考[15-17]。然而，目前已有的关于县域尺度烟田土壤速效养分的研究大多集中于短时期内的时空变化，关于时空分布长期动态变化的定量研究较少，缺乏对云南省典型植烟区合理化施肥策略的精确指导。

祥云和弥渡县地处大理州红花大金元特色烟叶“黄金走廊”上的核心区域，生产的烤烟以其独特的“清、香、甜、润”而闻名全国，是许多知名品牌卷烟的首选原料，该区域植烟面积较大，具有典型性。本文探讨1982—2022年大理州祥云和弥渡县2个典型县域烟田土壤碱解氮、有效磷和速效钾时空变异特征及分布格局，为大理州乃至云南和全国烟田养分管理及平衡施肥提供参考。

1  材料与方法

1.1  研究区概况

大理白族自治州地处云南省中部偏西（东经98°52′～101°03′，北纬24°41′～26°42′），平均海拔2090 m，年均温15.8 ℃，年均日照时数2332 h，年均降水量835.7 mm。烟田土壤主要以水稻土、红壤、紫色土、潮土和黄壤为主。全州常年烤烟种植面积约3.23万hm2，其中祥云县和弥渡县烟田面积大，分别为5600 hm2和3100 hm2。

1.2  样品采集与分析

根据祥云和弥渡县烤烟种植情况，于2012年和2022年分别采集289个（173和116个）和1126个（700和426个）耕层（0～20 cm）土壤样品（图1）。随着时间变化和技术发展，土壤样点采集更加密集。土样采集时间选在烤烟前茬作物收获后未进行翻耕和施肥时，以反映取样点的真实理化性状，同时使用GPS定位，记录经纬度等信息。取样时，每取样点以对角线法采20个点，土壤均匀混合后四分法留取1 kg，作为1个样品备用。土样经自然风干、研磨、过筛后测定土壤速效养分，碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用钼锑抗比色法测定；速效钾采用原子吸收分光光度法测定。1982年的数据来源于祥云和弥渡县第二次土壤普查资料，共51个（24和27个）烟田耕层土壤数据。

1.3  土壤速效养分分级

依据《大理州植烟土壤分析与评价》土壤养分分级标准[18]，对烟田土壤速效养分含量进行分级，共分为5个等级，分别为V（低）、IV（较低）、III（中等）、II（较高）、I（高）（表1）。

1.4  数据处理

利用SPSS 17.0进行统计描述和正态检验，Minitab 20进行Box-Cox变换，使之服从正态分布。

采用ArcGIS 10.6地统计学软件中的Geostatistical Analyst模块的普通Kriging插值法绘制土壤速效养分空间分布图，运用重分类（Reclassify）计算每个等级面积比例。半方差函数模型计算和最优理论模型拟合使用GS+9.0完成，计算块金值、基台值、块金效应、变程、残差、决定系数等参数，模型选取以决定系数越大、残差越小为最佳。块金效应即块金值与基台值之比，表示空间异质性程度或土壤属性的空间依赖性。当比值<25%时，表示变量具有强烈的空间自相关性，空间变异主要由结构因素引起；当比值在25%～75%范围内，表示变量具有中等水平的空间自相关性，空间变异由结构因素和随机因素共同作用；当比值>75%时，表示变量具有较弱的空间自相关性，变异主要由随机因素引起。结构因素包括地形、气候、土壤母质等自然因素，随机因素主要包括施肥、耕作、种植制度和灌溉等人为活动。

2  结  果

2.1  土壤速效养分含量统计特征

表2示出，40年间祥云植烟土壤碱解氮含量呈先增后降趋势，1982—2012年年均增速1.1 mg/kg，2012—2022年年均下降速率为1.2 mg/kg，至2022年降为119.1 mg/kg；空间变异系数逐渐降低。有效磷在1982—2012年间由V级上升为III级，年均增速为0.5 mg/kg，2012—2022年年均增速有所提高（1.6 mg/kg）；3次取样有效磷空间变异系数均属中等，其中1982年变异性最强。速效钾含量在1982—2022年间呈上升趋势，增加了1.3倍；均属中等变异。

弥渡土壤碱解氮含量在3次取样间（115.0～129.1 mg/kg）变化不显著，均处于III级。有效磷含量在1982—2022年呈不断增加趋势，1982—2012年年均增加1.1 mg/kg，2012—2022年年均增加1.7 mg/kg。速效钾含量1982—2022年呈增加趋势，1982—2012年提升较缓，年均增加3.0 mg/kg，2012—2022年提升较快，年均增加15 mg/kg；其中1982年空间分布呈强变异，2012和2022年均呈中等变异。

2.2  土壤速效养分半方差函数分析

表3为3次取样烟田土壤速效养分最优半方差函数模型及参数。1982年土壤碱解氮块金效应为15.0%，该时期碱解氮主要受结构因素影响，2012和2022年块金效应为40.9%和50.0%，受结构因素和随机因素共同影响。1982和2012年有效磷与速效钾块金效应均小于25%，具有较强的空间自相关性；2022年土壤有效磷与速效钾块金效应均为49.9%，属中等程度空间自相关。可见近40年土壤有效磷和速效钾结构性减弱，随机性增强，烤烟种植过程中施肥等农艺措施影响增强。

2.3  土壤速效养分空间分布格局

由图2可见，1982—2022年祥云县土壤碱解氮含量以III级为主，呈大片状分布于全区，下庄镇、普棚镇及鹿鳴乡部分区域碱解氮含量随时间推移上升趋势明显。弥渡县土壤碱解氮含量1982年以III级为主（58.6%）；2012年和2022年III级面积进一步扩大，占比为75%以上。

由图3可见，祥云县土壤有效磷含量1982年以IV（45.8%）和V级（45.6%）为主；2012年III级以上等级占比增加至85.1%，空间分布相对均匀；2022年III级及以上等级占比增加至94.7%，其中祥城镇、下庄镇、禾甸镇和普棚镇大部分区域I级和II级面积明显增加。弥渡有效磷含量1982年以V级为主，空间分布均匀；2012年以III级（69.7%）为主，II级次之（19.4%）；2022年III级及以上等级面积占比增加至92.1%，其中弥渡北部部分区域有效磷含量超过80 mg/kg。

由图4可见，祥云速效钾含量1982年以IV级（73.6%）为主；2012年III级及以上等级占比为57.8%；2022年IV等级面积明显下降，III级及以上等级占比增加至94.1%，其中I和II等级占比62.8%，主要分布在祥城镇、禾甸镇、下庄镇和云南驿镇等大部分区域。弥渡速效钾含量1982年以IV级为主（37.1%），V级次之（33.8%），III级及以上等级主要分布于米甸镇和牛街彝族乡等区域；2012年速效钾含量大幅提升，III级面积占比42.7%；2022年I级和II级面积占比高达85.0%，呈片状分布于全区，III级及以下等级面积占比仅为15.0%，零星分布于新街镇及牛街乡等部分区域。

总体来看，大理两个县域烟田碱解氮、有效磷和速效钾含量的时空变异明显。40年间弥渡北部及祥云中部碱解氮含量上升，空间分布更加均匀。有效磷和速效钾的空间分布趋势相似，呈弥渡北部和祥云中西部高其他区域低的分布格局。

3  讨  论

本研究表明，1982—2022年间，祥云和弥渡县烟田土壤碱解氮含量整体处于III级，属中等范围。祥云县碱解氮呈先升后降趋势，这是由于20世纪90年代化学氮肥用量逐年增多[19]所致。2012年之后，随着烟草的规模化种植，为保证烟草产量和质量，烟草公司制定了“控氮、稳磷、增钾”原则，因此碱解氮含量又有所下降，但氮素含量整体相对适宜。而弥渡县3次取样碱解氮含量变化不显著（115.0～129.1 mg/kg），这可能与该县植烟区烟农的施肥习惯及有机肥的合理配施等有关。据调查，祥云县烟区农户习惯施氮量（90 kg/hm2）高于弥渡（60 kg/hm2）。弥渡北部及祥云中部等低氮区域土壤碱解氮含量逐渐增加至中等水平，中等肥力区域保持相对稳定，这与大理重视烟草产业发展，合理的施肥指导政策紧密相关。1982年碱解氮以强自相关为主，2012年以来自相关减弱，说明烤烟种植过程中受人为管理影响增强。近年来烟田推行使用含氮复合肥和有机肥以及烟田管理水平的提高，土壤肥力变得更加均匀。针对祥云和弥渡烟田现状，大部分区域应以“稳氮”为主，祥云米甸镇及弥渡牛街乡部分低氮区应适当增施氮肥，确保烟叶的正常生长发育。

1982—2022年大理州2个典型县域烟田土壤有效磷含量均呈上升趋势。由于第二次土壤普查发现大面积农田土壤磷含量较低，增施磷肥对作物增产明显，农民加大了磷肥施用量[20]，而烤烟对磷肥的当季利用率仅为15%～18%，导致土壤中磷素大量累积，烟田磷含量不断提升。祥云中西部和弥渡北部有效磷含量高于其他区域，因祥云中西部和弥渡北部地势较平缓，多为坝地，有相对优越的灌溉设施及管理条件，植烟面积大，促使烟田肥料的投入量高于其他区域，而且地势平缓，磷不易随水分流失。土壤有效磷水平过高，会导致烟叶叶片厚而粗糙，油分少弹性小，粗筋暴梗，并引发环境污染[21-22]。针对大理州烟田土壤现状，应以“减磷”为主，尤其对祥云中北部、西部及弥渡北部高磷区应实施减磷措施，其他中磷区应控制磷肥施用，而弥渡牛街乡南部区域则可适当增施磷肥。

大理2个典型县域烟田土壤速效钾含量均呈显著上升趋势。烟叶钾含量是衡量烟叶品质的一个重要指标，能提高烤烟的燃烧性，减少烟叶中有害物质如焦油等含量，提升烟叶香气、吃味、色泽等[23]。土壤钾素的供应状况直接影响着烟叶含钾量[24]。20世纪80年代，随着社会进步和化肥种类的完善，烤烟生产注重多养分协调，硫酸钾、硝酸钾等钾肥施用量逐年增加[19]。为追求高品质高效益，大理烟草公司制定“增钾”原则，部分烟区存在超标准施钾现象[2，25]，导致烟区土壤速效钾含量不断增加。钾肥长期大量施用导致当季利用率下降[26]，土壤钾素积累增加。研究区土壤速效钾的空间分布表现为弥渡北部和祥云中西部高其他区域低的分布格局。祥云弥渡为云南老牌烟区，植烟年限较长，各区域农户在农业生产过程中采用不同的施肥习惯，且祥云中西部和弥渡北部多为坝地，有机肥推广施用较易，投入较多，且该区域地势平缓，钾流失少，土壤残留高，因此钾素含量高。针对钾含量较高的祥云中西部、北部和弥渡北部、中南部等区域宜实施“减钾”措施，确保烤烟生产投入减量不减收，其他区域宜实施“稳钾”措施。

總体来看，随机性因素如施肥等成为该区当前土壤速效氮磷钾的主要影响因素。从当前烟田土壤速效养分来看，氮含量相对适宜，部分区域磷钾丰富，持续采取“控氮提钾”措施会造成土壤养分失衡[26]，应根据土壤氮、磷、钾养分状况，及时调整施肥策略。

4  结  论

1982—2022年40年间，祥云土壤碱解氮含量呈现先增后降趋势，弥渡3次采样土壤碱解氮含量无显著差异且均以III级为主（100～150 mg/kg）；两县土壤有效磷和速效钾含量均表现为不同程度上升趋势，有效磷含量高于20 mg/kg 和速效钾含量高于150 mg/kg的面积增加至90%以上，空间上呈弥渡北部和祥云中西部高其他区域低的分布特点。当前烟田土壤速效养分氮含量相对适宜，部分区域磷钾丰富，祥云中北部、西部及弥渡北部区域应“稳氮减磷钾”，其他区域需注意“稳氮控磷钾”。

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