大理典型煙區土壤有機質與全氮時空演變特征

關鍵詞：植煙土壤；有機質；全氮；碳氮比；時空變異

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0054

中圖分類號：S158 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2023）12017709

土壤肥力不僅影響煙草的生長發育，而且是煙葉產量和品質的基礎[1]。適宜的土壤肥力是提高煙葉品質的關鍵[2]，其中土壤有機質（soil organicmatter，SOM）和全氮（total nitrogen，TN）含量與煙葉品質密切相關，對煙葉生產具有重要影響[3]，同時也是陸地土壤碳庫和氮庫的重要組成部分，其轉化和遷移對全球碳氮循環產生直接影響[4]。土壤有機質含量是衡量土壤肥力的重要指標，有機質含量過低時煙株矮小，煙葉小而?。贿^高時煙葉不易落黃，吃味辛辣，可用性較差；適宜的有機質含量是優質煙葉生產的基礎[5]，一般認為有機質含量在15～25 g·kg^-1有利于煙葉品質。土壤全氮是土壤養分的重要組成部分，也是烤煙生長發育的必要因素，烤煙對土壤氮素要求的適宜范圍較其大量元素和中量元素要窄。全氮含量過低會導致煙株生長緩慢，發育不良；過高會導致烤煙生長過旺，成熟延遲，影響煙葉的質量和品質[67]。土壤碳氮比（carbon-nitrogenratio，C/N）是評價土壤質量的重要因素，也是衡量土壤碳、氮營養平衡狀況的重要指標[8]，其變化會引起土壤微生物活性及礦化率變化，進而影響土壤碳氮循環和土壤質量。因此，研究土壤有機質、全氮及碳氮比的空間變異對于土壤質量提升及農業資源可持續利用具有重要意義。

鑒于土壤有機質和氮素對煙葉產量和質量的重要影響，有關煙區土壤有機質和全氮含量的相關研究一直備受關注，特別是關于植煙土壤有機質與全氮含量評價及其空間變異的研究報道較多。向世鵬等[9]研究了2000 和2015 年湘西州煙區土壤有機質和全氮的時空變異特征，為合理施用有機肥和氮肥提供了科學依據。高旭等[10]為探明湖南郴州煙區土壤有機質和全氮的時空變化規律，采用地統計學對該區2000和2015年植煙土壤有機質和全氮時空變異特征進行研究。目前對植煙土壤有機質、全氮時空變異特征的研究大多集中在短期內或一個時間段內[11]，關于長期或多個時間段植煙土壤有機質、全氮時空分布特征的量化研究鮮有報道。因此，定量和定性分析土壤有機質、全氮及其相互關系的時空變異，有利于掌握煙田養分信息，為科學管理煙田碳、氮庫提供重要依據。

巍山縣和永平縣均位于大理白族自治州，是云南省煙草種植最適宜區域。兩縣烤煙種植歷史悠久，植煙面積較大，具有典型性。本研究基于兩縣1982、2012、2022年3個時期的土壤有機質和全氮面上采樣大數據，運用地統計學分析和普通克里金插值等方法定量分析土壤SOM和TN及C/N的時空變異特征及其相互關系，為煙田養分管理、碳氮調控等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

大理白族自治州地處云南省中西部，巍山縣和永平縣位于云南省大理白族自治州西南部（24°56'—25°45'N、99°17'—100°25'E），地勢復雜，北高南低，地貌以山地為主，海拔1 130—3 037 m。兩縣處于北亞熱帶季風氣候區，冬溫夏熱，四季分明，季節分配比較均勻，年均氣溫15.7 ℃，年均日照時數2 191.4 h，降水量在700～800 mm。兩縣煙田面積較大，約38 043 hm2，煙田土壤類型主要為紅壤、紫色土、水稻土，成土母質以坡積母質、沖積母質為主，其輪作方式主要為玉米-烤煙輪作。

1.2 樣品采集與分析

2012和2022年選取兩縣中具有代表性的連片煙田，采用方格法分別采集229個和852個耕層（0—20 cm）土壤樣品，隨時間演變和技術發展土壤樣點采集更加密集，且不同年份土壤樣品采集雖不是原位采樣，但均具有較強的代表性。樣品采集遵循代表性原則，綜合考慮地形地貌等因素，每個取樣單位采用對角線法，每條對角線均勻分布10個點，20個點混合為1個土壤樣品，除去雜物并充分混勻，按四分法取土，同時利用GPS記錄采樣點經緯度和海拔等信息。采集的土樣室內風干，磨細過篩后保存，用于土壤理化性質的測定。土壤有機質和全氮的測定分別采用重鉻酸鉀氧化法和凱氏定氮法[12]。1982年的數據來源為大理州第二次土壤普查資料，兩縣共有55個耕層土壤樣品，其經緯度通過地域名稱推測得到。

1.3 土壤有機質和全氮評價方法

根據我國植煙土壤養分豐缺評價標準及相關植煙土壤肥力評價研究[12]，植煙土壤有機質和全氮含量分為Ⅰ（低）、Ⅱ（較低）、Ⅲ（中）、Ⅳ（較高）、Ⅴ（高）5個等級（表1），其中Ⅲ級為煙葉生長適宜等級。

地統計學是以變異函數理論和結構分析為基礎，在有限區域內對區域化變量進行無偏最優估計的一種方法[13]。半變異函數是地統計分析的特有函數，其計算公式如下。

2.2 煙田有機質和全氮的空間變異分析

表2為巍山和永平兩縣煙田SOM、TN及C/N地統計學分析的特征參數，1982—2022 年煙田SOM的空間變異受自然因素影響減弱。1982年SOM塊金效應為20.26%，主要受成土母質、地形、氣候等一些自然因素影響。2012、2022年塊金效應（40.41%、28.38%）為中等空間自相關性，由自然因素和人為管理因素共同影響。1982、2012和2022 年煙田土壤TN 的塊金效應（34.52%、37.90%、26.05%）均屬中等空間自相關性，受自然因素和人為管理因素共同影響。1982—2022年植煙土壤C/N的空間變異受耕作、施肥等人為管理因素影響逐漸增加，1982年植煙土壤C/N的塊金效應為21.60%，表明自然因素是導致C/N空間變異的主要因素，2012、2022年煙田土壤C/N的塊金效應分別為28.54% 和42.81%，主要受自然因素和人為管理因素共同影響。

2.3 煙田有機質和全氮的相關性分析

對3個年度巍山和永平兩縣煙田SOM與TN的關系進行線性擬合，結果表明（圖2），1982、2012、2022年兩縣域煙區土壤SOM與TN均呈極顯著正相關（Plt;0.001）。其中，1982、2012、2022年R2分別為0.862、0.717、0.799，2022年較1982年降低了0.063，但均為極顯著正相關。

2.4 煙田土壤有機質和全氮空間演變特征分析

SOM和TN含量的空間分布如圖3所示，表3是3個時期SOM和TN含量不同等級煙田面積占比，1982—2022年煙田SOM含量西部下降明顯，整體呈現東高西低的空間分布格局。1982年煙田SOM 含量豐富，Ⅳ 和Ⅴ 級面積占比共為76.41%，主要分布在西部與南部；2012年SOM面積占比最高為Ⅳ級（82.18%），集中分布在東部、南部以及西北部，如永建鎮、大倉鎮、廟街鎮、南詔鎮、巍寶山鄉、龍門鄉及北斗彝族鄉；2022年煙田SOM 含量降低，Ⅳ級、Ⅴ級面積占比降低為58.52%和10.04%，主要分布在東部以及西北部的部分區域，如馬鞍山鄉、五印鄉龍門鄉。1982—2022年土壤TN含量先上升后下降，呈現東高西低的分布格局。1982年TN面積占比最高為Ⅳ級（45.81%），主要分布在北部，如永建鎮、大倉鎮、龍門鄉及北斗彝族鄉；2012年土壤TN含量增加，Ⅴ級面積占比（24.95%）增加，主要分布在東部，如永建鎮、大倉鎮和廟街鎮；2022年土壤TN含量略有下降，Ⅴ級（12.93%）面積占比降低，主要分布在東部，如永建鎮、大倉鎮。

1982、2012、2022年3個時期煙田C/N的空間分布如圖4所示，C/N頻率分布情況如圖5所示。1982—2022年煙田C/N顯著降低，在空間分布上表現為四周高，中部低。1982年C/N主要分布在10～14個單位之間，占比67.27%，高值區域主要分布在南部區域，如牛街鎮，低值區域主要分布在東北部如永建鎮及大倉鎮。2012 年土壤C/N 下降明顯，東部地區如大倉鎮、廟街鎮、馬鞍山鄉降低明顯，C/N在10～14個單位之間的煙田土壤占總樣本數的58.52%。2022年土壤C/N顯著降低，C/N在11～21個單位之間的占比降低為21.38%，東部、南部、西部均有分布。

3 討論

有機質是植煙土壤肥力的關鍵指標，顯著影響著煙株生長和煙葉品質的提高[16]。本研究發現，1982—2022年40年間，大理巍山縣和永平縣煙區SOM含量呈先持平后顯著下降的趨勢，Ⅳ級以上煙田面積占比降為68.56%。早期30 年（1982—2012），SOM含量變化不顯著，可能該地區人類活動影響較少，煙田外源碳投入變化不大，且兩縣地形復雜，地處北亞熱帶地區，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，在氣候與地形的綜合影響下，水土流失嚴重，導致土壤養分流失，土壤質量退化等問題，但煙農化肥施用較多，總體上有機質含量呈現持平狀態。近10年（2012—2022）SOM 年均下降速率為0.34 g·kg^-1。20世紀90年代，隨著全縣化肥大面積使用，煙農重視無機肥施用，有機肥施用減少[17]，糞肥等無法被利用，煙稈無法還田，煙田外源碳投入量減少，土壤中有機物來源減少[18]，長期以來導致有機質含量降低。受各種因素的影響，不同區域土壤有機質含量存在明顯的空間異質性。1982—2022年，SOM空間分布受人為管理因素影響增強。1982年煙田SOM空間變異主要受成土母質、地形、氣候等自然因素影響，2012、2022年SOM的塊金效應在25%～75%之間，表明其空間變異受自然因素和人為管理因素共同影響?？臻g分布上，總體均表現為東部高于西部，存在明顯的空間異質性，這與兩縣地形地貌、成土母質等自然因素以及人為施肥管理與耕作措施密切相關[19]。兩縣地形復雜，以山地為主，海拔差異大，氣溫變異大導致有機質含量東高西低的空間分布格局。一般認為植煙土壤有機質在15～25 g·kg^-1對優質煙葉形成最有利，目前SOM均值（28.03 g·kg^-1）處于較高等級，因此煙區土壤需控制有機肥與無機肥的用量，盡管如此，仍有小部分區域有機質含量偏低，應加強有機肥（如農家肥和餅肥）的施用，改善土壤結構，刺激烤煙根系發育，從而增強烤煙對養分的吸收能力[20]。

土壤全氮由無機氮和有機氮組成，氮是構成煙草生命活動的物質基礎[21]。40年間植煙土壤全氮含量先增加后降低，呈現東高西低的空間分布格局。1982—2012 年均增加速率為0.01 g·kg^-1，20世紀末，隨著氮肥在我國大面積推廣，其對作物產量的提升效果明顯，煙農為追求更大的經濟效益，開始重視氮肥的施用，有機肥施用被忽視，氮肥投入量增加，土壤中的氮素逐年累積，導致土壤全氮含量增加[22]。然而2012—2022 年全氮含量下降明顯，2010年以來，云南省為減少化肥對生態環境的污染，同時煙草公司實施“控氮”原則，降低化肥投入成本，烤煙生產總體施氮量由135～150 kg·hm² 減少為90～105 kg·hm²，土壤TN 含量降低，但2022 年均值（1.65 g kg^-1）仍處于較高等級。1982、2012、2022年3個時期TN的塊金效應均在25%～75%，其空間變異由自然因素和人為管理因素共同作用。土壤TN的空間分布總體呈東高西低，1982年TN北部含量較高，2022年東部含量較高，空間分布特點發生了巨大變化，同樣劉勇軍等[23]研究發現，湖南寧鄉煙區空間分布特點發生巨大變化，這可能與該地區以山地為主，地形復雜，海拔懸殊較大有關。同時，煙農因地制宜地進行土壤養分管理和長期耕作措施也影響著TN的空間分布。植煙土壤全氮含量以1.0～1.5 g·kg^-1為宜，鑒于目前土壤TN水平（1.65 g·kg^-1），煙區應適當減少氮肥施用，采取有機無機肥配施，提高氮素利用率，協調煙葉化學成分[24]，減少土壤全氮含量，確保煙葉生長和土壤可持續利用。已有研究也表明，增施有機肥并適量降低化學氮肥施用量可在一定程度上提高氮素在煙株各器官的積累，提高烤煙產量，且有利于煙葉品質形成[20]。

土壤有機質是表征土壤肥力的重要指標，與土壤供氮能力呈正相關。1982—2022年研究區植煙土壤有機質與全氮均呈顯著線性正相關，與王豐等[25]研究結果相似，說明土壤有機質的礦化釋放是全氮的一個主要來源。同時植煙土壤有機質和全氮在含量變化、半方差函數及空間分布等方面呈現一致性，這是由于陸地生態系統中的氮素主要儲存在土壤有機質庫中[26]，且有機質與全氮相關系數較高，相關性強。郭迎新等[27]也發現，洱海流域植煙土壤有機質與全氮在變異系數、最優插值模型、空間分布格局等方面呈現出高度一致性。40年間土壤有機質與全氮含量的相關系數呈降低趨勢，可能是由于1982—2012年兩縣人類活動影響較少，有機質與全氮相關系數較高；到2022年人類活動加劇，受施肥等耕作措施影響，土壤中氮素大多以無機態形式存在，相關系數略有降低。

土壤碳氮比不僅影響烤煙的碳氮代謝，而且對煙葉品質的形成也有重要作用，適宜的C/N有利于促進烤煙碳氮代謝平衡，協調烤后煙葉的化學成分。本研究發現，1982—2022年煙田土壤C/N呈現下降趨勢，年均下降速率為0.04個單位，可能是由于長期耕作和秸稈焚燒造成土壤中有機碳大量損失[28]，有機質含量下降。此外，過量施用氮肥也會導致土壤中氮含量較高[29]，土壤微生物同化同重量的氮需要消耗更多的碳，不利于土壤有機質的累積，進而導致土壤C/N降低。空間上，C/N的空間變異受施肥等人為耕作措施影響增強，呈現四周高、中部低的空間分布格局，這可能與煙田SOM和TN空間影響因素作用強度不同有關。提高土壤C/N能夠在一定程度上抑制土壤微生物分解碳氮的能力，降低土壤礦化速率，達到提升土壤碳氮含量的目的[30]。李雪利等[31]指出，植煙土壤適宜碳氮比在24～28，土壤C/N不同將影響烤煙各個生育期內土壤微生物繁殖和生長。目前煙區土壤C/N（9.88）較低，有機質、全氮含量較高，可以通過減少氮肥，增加炭基有機肥施入，大力推廣秸稈還田技術，提高土壤C/N，實現農業可持續發展。綜上所述，今后巍山縣和永平縣植煙土壤應適當減少氮肥用量，增加有機肥無機肥配合施用，大力推廣秸稈還田技術，為煙區土壤養分管理、碳氮調控等提供科學依據。

（責任編輯：胡立霞）