豫西南丘陵区植烟土壤养分时空变异特征及肥力评价_李倩.pdf

河南农业科学，2023，52（1）：7385Journal of Henan Agricultural Sciencesdoi：10.15933/ki.10043268.2023.01.008豫西南丘陵区植烟土壤养分时空变异特征及肥力评价李倩1，贾晓果1，李亮2，张翔2，程玉渊1，李鹏1（1.河南省烟草公司 南阳市公司，河南 南阳 473000；2.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002）摘要：为明确豫西南丘陵区植烟土壤养分时空变化特征，选取内乡县2002、2020年植烟土壤数据，运用地统计学和地理信息系统（GIS）技术，分析土壤养分时空变异特征及空间分布格局，并采用模糊数学模型对土壤肥力进行综合评价。结果表明，18 a来，内乡县植烟土壤pH值平均值由7.74降至6.59，下降了1.15，速效钾和水溶性氯平均含量分别降低了7.31%、34.29%，有机质、碱解氮和有效磷平均含量分别增加了21.00%、109.77%、20.77%；土壤肥力指数由0.54提升至0.61，土壤肥力以级为主提升至以级为主；土壤pH值、碱解氮和水溶性氯含量空间变异较大，其中土壤pH值和水溶性氯含量偏高的植烟面积占比分别下降了79.14、16.84个百分点，碱解氮含量中等及以上植烟面积占比增加了97.46个百分点。2020年全县土壤肥力等级以良好为主，且相同等级区域呈集中分布，65.51%植烟区域碱解氮含量偏高，83.16%的植烟区域水溶性氯含量偏高，表明该研究区长期科学管理有效提高了植烟土壤肥力，但仍需因地制宜采取控氮、降氯措施，进一步提升植烟土壤肥力。关键词：豫西南；丘陵区；烟草；土壤养分；时空变异；土壤肥力评价中图分类号：S158.2文献标志码：A文章编号：1004-3268（2023）01-0073-13收稿日期：2022-10-23基金项目：河南省烟草公司重点科技项目（2021410000240020）；中国烟草总公司重大科技项目 110202101047（LS-07）作者简介：李倩（1987-），女，河南郑州人，农艺师，博士，主要从事植物营养与烟草栽培研究。E-mail：通信作者：李亮（1982-），女，甘肃通渭人，副研究员，博士，主要从事烟草施肥研究。E-mail：SpatialTemporal Variability of Nutrients and Assessment of Fertilityin TobaccoPlanting Soil in Hilly Areas of Southwest HenanLI Qian1，JIA Xiaoguo1，LI Liang2，ZHANG Xiang2，CHENG Yuyuan1，LI Peng1（1.Nanyang Prefecture Branch of Henan Tobacco Company，Nanyang 473000，China；2.Institute of Plant Nutrient，Resources and Environment，Henan Academy of Agricultural Sciences，Zhengzhou 450002，China）Abstract：To clarify the spatialtemporal variation characteristics of tobaccoplanting soil nutrients inhilly areas of southwest Henan under longterm field management，the data of tobaccoplanting soil inNeixiang County in 2002 and 2020 were selected as the study object.The spatialtemporal variationcharacteristics and spatial distribution patterns of soil nutrients were analyzed by using geostatistics andgeographicinformationsystem（GIS）techniques.Afuzzymathematicalmodelwasusedtocomprehensively assess the soil fertility.The results showed that the average pH value of tobaccoplantingsoil in Neixiang County decreased by 1.15 from 7.74 to 6.59 over the past 18 years，the average contentsof available potassium and water soluble chloride decreased by 7.31%and 34.29%，and the averagecontents of organic matter，alkalihydrolyzable nitrogen and available phosphorous increased by 21.00%，109.77%and 20.77%，respectively.The soil fertility index increased from 0.54 to 0.61，mostly河南农业科学第 52 卷upgrading from grade to grade .Soil pH value，alkalihydrolyzable nitrogen and water solublechlorine content showed significant spatial variation characteristics.Among them，the proportion oftobaccoplanting area with higher pH value and water soluble chlorine content decreased by 79.14 and16.84 percentage points respectively，and the proportion of tobaccoplanting area with medium and abovealkalihydrolyzable nitrogen content increased by 97.46 percentage points.The countywide soil fertilitywas mainly good in 2020，and the areas with the same grade were concentrated，with 65.51%and83.16%of tobaccoplanting areas having higher alkalihydrolyzable nitrogen and water soluble chloridecontent，respectively，indicating that the longterm scientific management effectively improved thefertility of tobaccoplanting soil in the study area，but there was still a need to further improve the fertilityof tobaccoplanting soil by taking sitespecific measures to control nitrogen and reduce chlorine.Key words：Southwest Henan；Hilly area；Tobacco；Soil nutrient；Spatialtemporal variability；Assessment of soil fertility长期农业生产中土壤易受结构因素（气候、生物、母质和地形等）和人为作用（耕作模式、水肥管理和土地利用方式等）的双重影响，常表现出高度的时空异质性12。土壤养分是土壤肥力最重要的因素，直接影响烟株的生长发育，决定着烤烟的产量和品质。在现代烟草农业体系下，随着烟叶标准化、集约化及原料定制化生产的推进，以植烟为主的耕作制度及水肥调控等田间管理措施，逐渐成为改变植烟土壤养分时空分布的主要影响因素34。因此，厘清植烟土壤养分时空变化特征和当前肥力本底水平，可为植烟土壤培肥和烟田规划提供合理建议，对保障优质烟叶的可持续生产具有重要意义。近年来，诸多学者将地统计学方法和地理信息系统（GIS）技术结合，从流域5、区域67、县域89、镇域10等尺度开展土壤养分时空变化特征研究，评价施肥策略和耕作制度的合理性，旨在优化烟田土壤管理方式，提升土地生产力。20112020年洱海流域施肥量的差异引起了植烟土壤有效磷含量分布的变异5；湖南浏阳烟区15 a间持续施用生石灰，土壤pH值得到有效提升6；遵义烟区近10 a土壤养分较稳定，归因于统一的田间施肥和管理技术4；云南马龙植烟土壤酸化与氮肥大量施用有关11；湘西州花垣烟区土壤肥力因前茬作物和施肥的不同而有差异12。在烤烟实际生产中，因各植烟区生态气候、地形因子和土壤类型等结构因素的差别，与之配套的烟田管理措施也存在差异，两者相互作用下最终形成各地独有的烟叶风格。豫西南是我国浓香型优质烟叶特色产区，所产烟叶焦甜焦香风格突出，且多年来坚持构建以烟为主的多产业融合发展模式，但尚未有关于其植烟土壤养分时空变化特征的研究。因此，以豫西南丘陵区植烟面积最大的县内乡县为研究区，拟通过采集该区 2002、2020年植烟土壤数据，分析其土壤养分的时空变化特征及空间分布格局，探讨水肥管理、栽培措施等对土壤养分的影响，旨在为后续烟田管理和土壤可持续利用提供参考。1材料和方法1.1研究区概况内乡县位于河南省西南部，南阳盆地西缘，介于北纬32493336、东经1113411209，面积36 975 hm2。属亚热带季风气候，全年日照总时数2 200 h以上，年均气温 15.7，10 有效积温为2 150，年降雨量762 mm，无霜期232 d。地形主要为丘陵和低山，土壤质地以黏土和壤土为主，黄褐土和黄棕壤土占植烟面积的70%以上。内乡县是河南浓香型烟叶典型产区，其中部和西南部丘陵地带为主要植烟区，海拔 180350 m，中部包括湍东、赵店、赤眉、余关、马山口、王店、灌涨 7 个乡（镇），西南部包括师岗、瓦亭和砟岖3个乡（镇），年种植烤烟2 000 hm2，收购量约3 500 t，是中华、利群和黄金叶品牌的优质原料产地。1.2土壤数据采集2002年 80份数据来源于全国植烟土壤普查，2020年 213份数据来源于南阳市烟草公司内乡县分公司植烟土壤调查。2002年的数据分别包括湍东镇5份、赵店乡8份、赤眉镇6份、余关乡10份、马山口镇4份、王店镇10份、灌涨镇10份、师岗镇11份、瓦亭镇11份、砟岖乡5份，2020年的数据分别包括湍东镇 12份、赵店乡 27份、赤眉镇 4份、余关乡34份、马山口镇9份、王店镇28份、灌涨镇20份、师岗镇21份、瓦亭镇41份、砟岖乡17份（图1）。74第 1 期本图基于自然资源部标准地图服务系统下载的标准地图制作 审图号：GS（2019）1822号，底图无修改，下同The map is based on the standard map downloaded from the standard map service system of the Ministry of Natural Resourcesdrawing check：GS（2019）1822，the base map is not modified，the same below图1内乡县植烟土壤采样点分布Fig.1Sampling points of tobacco-planting soil in Neixiang County表1内乡县植烟土壤肥力指标分级标准Tab.1Classification standard of tobacco-planting soil fertility index in Neixiang County指标IndexpH有机质含量/（g/kg）Organic matter content碱解氮含量/（mg/kg）Alkalihydrolyzable nitrogen content有效磷含量/（mg/kg）Available phosphorus content速效钾含量/（mg/kg）Available potassium content水溶性氯含量/（mg/kg）Water soluble chlorine content偏低 Lower极低 Very low5.06305507.53512040250451.3测定项目与方法土壤pH值采用电位法测定（土 水=1 2.5），土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，有效磷含量采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法（Olsen法）测定，速效钾含量采用火焰光度法测定13，水溶性氯含量采用硝酸银滴定法测定14。变异系数是数据离散程度的表现，计算公式：变异系数=（标准差/平均值）100%。通常认为变异系数100%为强变异9。1.4土壤肥力评价方法1.4.1土壤肥力指标分级标准参照中国植烟土壤养分评价标准15及叶协峰等16的方法，制定了内乡县植烟土壤肥力指标分级标准（表1）。1.4.2土壤肥力指标的隶属函数类型及阈值采用模糊数学模型对土壤肥力进行评价。先利用隶属度函数对原始数据进行归一化处理，将原始数据李倩等：豫西南丘陵区植烟土壤养分时空变异特征及肥力评价75河南农业科学第 52 卷1.4.3土壤肥力指数采用因子分析法计算各指标的权重系数，加成法计算土壤肥力指数（SFI），公式为：SFI=Wij Nij，Wij和Nij分别表示第i个土壤第j个指标的隶属度值和对应的权重系数5。根据评价结果，将植烟土壤划分为4个等级：优质（级，SFI0.80）、良好（级，0.60SFI0.80）、中等（级，0.40SFI0.60）和较差（级，SFI0.40）。1.5数据处理采用 Microsoft Excel 2016进行数据计算，采用SPSS 21.0 进行统计分析，采用 ArcGIS 10.2 绘制养分空间分布图，其他图利用Origin 2018绘制，采用最小显著差数法（LSD）进行差异显著性分析。2结果与分析2.1内乡县植烟土壤养分含量统计分析2.1.1土壤养分描述性统计分析20022020年，土壤pH值和养分含量平均值出现不同程度的变化（表3）。18 a来，全县土壤pH值平均值由7.74降至6.59，下降了1.15；速效钾和水溶性氯含量均值显著降低，分别下降了7.31%、34.29%；有机质、碱解氮和有效磷含量均值显著增加，分别提高了 21.00%、109.77%、20.77%。2002年仅pH值的变异系数10%，为弱变异；其他指标变异系数介于10%100%，属中等强度变异9。2020年各指标变异系数均属中等强度变异。与 2002年相比，2020年各肥力指标的变异系数均有所增加，水溶性氯的增幅最小，为1.18%，碱解氮的增幅最大，为322.09%。2.1.2土壤养分各等级占比图2是各肥力指标对应等级采样点数占总采样点数比值情况。与2002年相比，2020年土壤养分各等级占比发生不同程度的变化。从适宜等级占比来看，pH值、碱解氮、速效钾、水溶性氯含量分别提高了 52.41、29.58、19.76、18.18个百分点，有机质和有效磷含量分别降低了10.76、1.57个百分点。2002年碱解氮含量偏低等级占比较大，pH值、速效钾、水溶性氯含量偏高等级占比较大，但 2020年分别下降了 82.63、62.74、25.40、46.82个百分点。2020年，碱解氮、速效钾和水溶性氯含量偏高等级占比分别达到 53.05%、68.54%、38.03%。另 外，2020 年 有 10.33%的 采 样 点 pH值5.5。表2土壤肥力指标隶属度函数类型及阈值Tab.2Type of membership function and threshold of soil fertility index指标IndexpH有机质含量/（g/kg）Organic matter content碱解氮含量/（mg/kg）Alkalihydrolyzable nitrogen content有效磷含量/（mg/kg）Available phosphorus content速效钾含量/（mg/kg）Available potassium content水溶性氯含量/（mg/kg）Water soluble chlorine content函数类型Functiontype抛物线型抛物线型抛物线型S型S型抛物线型下限值Lower limitvalue5.063055010最优下限值Lower limit ofoptimal value5.5106020最优上限值Upper limit ofoptimal value7.0209030上限值Upper limitvalue7.5351204025045注：“”表示不存在。Note：“”means does not exist.转化为01分布的、无量纲差异的隶属度值。参考胡瑞文等12、武德传等17的研究方法，土壤有效磷和速效钾含量采用S型隶属函数，pH值、有机质、碱解氮和水溶性氯离子含量采用抛物线型隶属函数，分别见表达式（1）和（2），并确定了土壤评价指标的阈值（表2）。f()x=0.1x x10.9()x-x1x4-x1+0.1x1 x x41.0 x x4（1）f()x=0.1x x1,x x40.9()x-x1x2-x1+0.1x1 x x21.0 x2 x x31.0-0.9()x-x3x4-x3x3 x 7.5）（图3A）；2020年79.11%的植烟土壤pH值介于5.57.0，以中性偏酸为主，仅赤眉镇、马山口镇、赵店乡和余关乡部分区域土壤pH值偏高（图3a）。与2002年相比，2020年pH值7.0的植烟面积占植烟总面积的比值下降了79.14个百分点。2.2.2有机质的时空分布2002年植烟土壤有机质含量以中等（1020 g/kg）为主，21.38%区域含量偏低（图3B）；2020年有机质含量1020 g/kg植烟区域占植烟总面积的94.82%，仅马山口镇和王店镇零星区域有机质含量偏低，面积合计占比 5.18%（图3b）。与2002相比，2020年土壤有机质含量偏低区域面积占比下降了16.20个百分点，这些区域主要分布在西部的赤眉镇、余关乡、赵店乡、湍东镇和砟岖乡。2.2.3碱解氮的时空分布2002年碱解氮含量在3060 mg/kg的区域占植烟总面积的100%（图3C）；表3内乡县植烟土壤养分含量描述性统计特征Tab.3Statistical characteristics of tobacco-planting soil nutrient content in Neixiang County指标IndexpH有机质含量/（g/kg）Organic matter content碱解氮含量/（mg/kg）Alkalihydrolyzable nitrogen content有效磷含量/（mg/kg）Available phosphorus content速效钾含量/（mg/kg）Available potassium content水溶性氯含量/（mg/kg）Water soluble chlorine content2002变幅Range6.708.556.6014.1038.8058.203.7835.40148.00283.2028.20268.40平均值标准差Meanstandarddeviation7.740.46 a10.811.88 b48.295.30 b12.526.89 b202.7039.35 a56.3243.34 a变异系数/%Coefficient ofvariation5.8817.3911.0055.0519.4176.962020变幅Range5.018.931.0231.457.07273.861.7053.8015.40370.003.20154.00平均值标准差Meanstandarddeviation6.590.85 b13.085.85 a101.3047.04 a15.129.99 a187.8966.67 b37.0128.82 b变异系数/%Coefficientof variation12.9244.7246.4366.0835.4877.87增幅/%Increaseratio-14.8621.00109.7720.77-7.31-34.29注：同行数据后不同小写字母表示差异显著（P0.05）。Note：Different lowercase letters after the same row data indicate significant difference（P0.05）.图2内乡县植烟土壤养分各等级占比Fig.2Proportion of tobacco-planting soil nutrients in Neixiang County10080604020045水溶性氯含量/（mg/kg）Water soluble chlorine content100806040200250速效钾含量/（mg/kg）Available potassium content10080604020040有效磷含量/（mg/kg）Available phosphorus content120100806040200120碱解氮含量/（mgkg）Alkalihydrolyzable nitrogen content10080604020035有机质含量/（g/kg）Organic matter content1008060402007.5占比/%ProportionpH20022020李倩等：豫西南丘陵区植烟土壤养分时空变异特征及肥力评价占比/%Proportion占比/%Proportion占比/%Proportion占比/%Proportion占比/%Proportion77河南农业科学第 52 卷AaBbCc78第 1 期大、小写字母分别代表2002、2020年The capital and lowercase letters represent 2002 and 2020 respectively图3内乡县植烟土壤养分时空分布特征Fig.3Spatial-temporal distribution characteristics of tobacco-planting soil nutrients in Neixiang CountyDdEeFf李倩等：豫西南丘陵区植烟土壤养分时空变异特征及肥力评价79河南农业科学第 52 卷表4内乡县植烟土壤肥力评价Tab.4Assessment of tobacco-planting soil fertility in Neixiang County乡（镇）Township（town）瓦亭镇 Wating Town湍东镇 Tuandong Town师岗镇 Shigang Town赵店乡 Zhaodian Township王店镇 Wangdian Town灌涨镇 Guanzhang Town赤眉镇 Chimei Town马山口镇 Mashankou Town余关乡 Yuguan Township砟岖乡 Zhaqu Township全县 The county年度Year2002202020022020200220202002202020022020200220202002202020022020200220202002202020022020SFI平均值Mean0.610.05 a0.580.15 a0.480.03 b0.640.13 a0.650.13 a0.660.09 a0.410.08 b0.630.11 a0.550.10 b0.590.12 a0.590.14 a0.590.15 a0.500.01 b0.530.15 a0.620.02 a0.620.11 a0.510.10 b0.600.12 a0.440.15 b0.600.13 a0.540.11 b0.610.13 a变异系数/%Coefficient of variation3.4521.2518.0725.3411.6928.191.1613.4018.4017.9623.3920.697.7125.3719.9420.9734.1417.265.8917.0914.3820.75占比/%Proportion级Grade 0.009.760.000.000.004.760.003.700.003.570.005.000.000.000.000.000.002.940.005.880.003.56级Grade 50.0034.150.0075.0066.6780.950.0066.6733.3350.0040.0045.000.0050.00100.0066.670.0052.940.0041.1829.0056.26级Grade 25.0041.46100.0025.0033.3314.2950.0022.2266.6742.8660.0040.00100.0025.000.0033.33100.0041.1850.0047.0658.5033.24级Grade 25.0014.630.000.000.000.0050.007.410.003.570.0010.000.0025.000.000.000.002.9450.005.8812.506.94注：同一列数据中，同乡（镇）或县不同年份后不同小写字母表示差异显著（P0.05）。Note：In the same column，different lowercase letters after different years in the same township（town）or county indicate significant differences at P60 mg/kg）的面积占比增加了97.46个百分点，偏高（90 mg/kg）区域面积占比增至 65.51%，其中灌涨镇、师岗镇和瓦亭镇合计有5.75%区域碱解氮含量增幅较大。2.2.4有效磷的时空分布2002年植烟土壤有效磷含量以中等（1020 mg/kg）为主，占 95.99%（图3D）。2020年有效磷中等含量面积增加至97.08%，但仍有0.70%植烟区域有效磷含量45 mg/kg）（图3F）；2020年全县水溶性氯含量仍然偏高，30 mg/kg的区域占总植烟面积的83.16%（图3f）。与2002年相比，2020年水溶性氯含量超限（45 mg/kg）植烟面积占比下降了86.36个百分点，含量偏高（30 mg/kg）的植烟面积占比下降了16.84个百分点，各植烟乡（镇）均有下降区域。2.3内乡县植烟土壤肥力评价由表4可见，2002年全县植烟乡（镇）土壤肥力指数（SFI）介于 0.410.65，师岗镇最大，赵店乡最80第 1 期小。SFI的级占比最大，级最小。从变异系数来看，瓦亭镇、赵店乡、赤眉镇和砟岖乡SFI变异系数7.0植烟区域面积占比下降了79.14个百分点，pH值45 mg/kg）。据报道，烟叶氯主要来自土壤、肥料和灌溉水36。为此，该区域通过禁施含氯肥料和减少灌溉水用量来减少烟叶对氯的吸收。至2020年，土壤水溶性氯含量超限区域面积占比下降了86.36个百分点，表明经过较长时间的水肥调控，土壤氯含量得到了较好的控制，这与段淑辉等6的研究结果类似。但孙慧敏等37的研究结果表明，水溶性氯在土壤中的移动性极强，其含量极易受采样前降雨量与蒸腾作用的干扰发生较大波动。因此，要实现烟叶持续降氯，今后应开展不同时期土壤和烟叶氯的动态监测工作。2020年内乡县土壤水溶性氯含量总体仍然偏高，这主要是因为当地土壤中氯含量本身偏高且降氯难度大，而这是土壤类型、地形地势、降雨量等各种成土因素长期作用的结果37。土壤肥力代表土壤潜在的生产能力，已经开垦的土壤肥力受土壤类型、成土母质、地形地貌、坡向坡度等自然因素影响引起的空间变化在逐渐缩小，而受耕作制度、水肥管理和精细管理等人类活动的影响在逐渐变大38。2020年全县SFI较2002年提高了 0.07，土壤肥力由以级为主提升至以级为主，良好肥力等级烟田面积占比达到58.90%。说明在合理的管理措施下，土壤养分的转化、吸收、固定和迁移已发生改变，内乡县植烟土壤肥力得到了提升，这有利于优质烟叶的生产。张阳等8的研究结果表明，长期规范耕作和科学施肥能改善烟稻复种区的土壤养分；张恒等4认为，科学的田间施肥和管理技术维持了遵义烟区土壤养分的稳定供应。此外，从土壤肥力时空变化分布图来看，2020年土壤肥力中等区域主要集中在王店镇、余关乡、赤眉镇和马山口镇4个相邻乡（镇），其作为相同卷烟品牌原料定制化生产基地，烟叶生产技术方案和管理措施也不同于其他片区，土壤肥力随之也发生时空变化。由此可见，与农田系统类似，区域间管理的差异会引起土壤肥力空间分布格局的变化3940。综上所述，从2002年到2020年，内乡县植烟土壤有机质、碱解氮和有效磷平均含量增加，pH值、速效钾和水溶性氯含量平均值下降；pH值、碱解氮和水溶性氯含量空间分布变异较大；在长期科学管理下，2020年全县植烟土壤肥力等级提升至以良好为主，但部分区域碱解氮和水溶性氯含量偏高，后续烤烟生产应控施氮肥，并进行土壤降氯。参考文献：1 LI Q，LUO Y，WANG C，et al.Spatiotemporal variationsand factors 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