熊維亮，潘興兵，馮文龍，劉 余，袁家富，徐祥玉

（1.四川省煙草公司攀枝花市公司，四川 攀枝花 617026；2.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，武漢 430064）

煙草是中國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，在中國有悠久的種植歷史。包括海拔、營養(yǎng)元素供應(yīng)等的土壤狀況是影響煙草產(chǎn)量產(chǎn)值的重要因子。一般而言，將土壤為植物生長提供適宜養(yǎng)分和環(huán)境的能力稱為土 壤 肥 力［1，2］，是 評 價 土 壤 生 產(chǎn) 力 高 低 的 重 要 指標(biāo)［3-5］。不同海拔高度土壤肥力因受到自然條件和人為因素影響而不同，評估不同海拔高度土壤肥力變化對指導(dǎo)煙草栽培中肥料施用、制定施肥技術(shù)參數(shù)具有重要意義。

攀枝花市位于四川省西南角，是中國優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)基地之一［6］。鹽邊煙區(qū)是攀枝花烤煙主產(chǎn)區(qū)之一，鹽邊縣地處攀枝花市北部，介于北緯26°25′—27°21′和東經(jīng)101°08′—102°04′，屬南亞熱帶半干旱季風(fēng)氣候，年溫差較小、日溫差較大。地勢以東西向為主，海拔變化大，土壤養(yǎng)分在不同海拔差異明顯。本研究以主成分分析法和模糊數(shù)學(xué)法相結(jié)合，通過對比分析2009—2010 年和2015—2017 年2 次取樣土壤養(yǎng)分狀況，對該區(qū)域不同海拔土壤養(yǎng)分變化進(jìn)行分析，揭示耕種措施和自然因子在不同海拔上對土壤肥力的影響，為制定烤煙生產(chǎn)“大方案、小調(diào)整”的施肥方案提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

在2009—2010 年和2005—2017 年進(jìn)行定位取樣，取樣數(shù)量分別為285 個和188 個。在每年3—4月煙田尚未進(jìn)行整地施肥以前取樣，每個采樣點采集8～10 個0～20 cm 表層土壤混合為一個樣本。土壤樣品處理和分析參見魯如坤［7］和鮑士旦［8］的方法，測定指標(biāo)包括pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、有效鋅、水溶性氯、有效硼8 個指標(biāo)。

1.2 數(shù)據(jù)分析與評價方法

采用拉依達(dá)法（3 倍方差法）清洗數(shù)據(jù)［9，10］，以R語言mice 包進(jìn)行缺失值插值處理，以R 語言psych包進(jìn)行主成分分析并進(jìn)一步計算各項指標(biāo)的權(quán)重。根據(jù)實踐經(jīng)驗確定土壤肥力指標(biāo)之間的隸屬度函數(shù)類型，常用的隸屬度函數(shù)類型有拋物線型和S 型隸屬函數(shù)［11］。S 型隸屬函數(shù)表達(dá)式如下。

拋物線型隸屬函數(shù)表達(dá)式如下。

式（1）和式（2）中，x為所測元素的實測值；x1、x2、x3、x4分別為下限、下限最優(yōu)、上限最優(yōu)和上限。根據(jù)生產(chǎn)實踐和有關(guān)專家建議，同時結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)［11］，確定各養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬度函數(shù)類型和曲線轉(zhuǎn)折點取值，如表1 所示。

表1 各指標(biāo)的隸屬函數(shù)類型及曲線轉(zhuǎn)折點取值

通過對曲線轉(zhuǎn)折點取值計算出每個樣品的隸屬度值，通過權(quán)重和隸屬度值計算土壤肥力綜合指標(biāo)值（IFI，Integrated fertility index）［3，4］。計算公式如下。

式中，IFI為土壤肥力綜合指標(biāo)值；Wi為第i種養(yǎng)分指標(biāo)權(quán)重系數(shù)；Ni為第i種養(yǎng)分指標(biāo)隸屬度值。IFI的取值范圍為［0，1］，數(shù)值越大表示該土壤綜合肥力越高。

2 結(jié)果與分析

2.1 海拔狀況及不同海拔土壤養(yǎng)分狀況

從海拔變化（圖1）來看，2009—2010 年平均海拔為（1 768.7±246.3）m，2015—2017 年為（1 831.1±231.8）m，可見總體上海拔在不斷提高，其中，低海拔（＜1 600 m）平均提高了約25 m，高海拔（＞1 800 m）平均提高了約13 m，而中海拔（1 600～1 800 m）則降低了約10 m。同時可以看出，植煙土壤海拔高度離散程度在降低，說明海拔高度有集中趨勢。

圖1 海拔變化趨勢

從不同海拔養(yǎng)分指標(biāo)（圖2）來看，①2009—2010 年總體土壤pH 介于4.4～7.9，均值為5.99±0.60，其中低海拔土壤pH 最高，中海拔最低；2015—2017年土壤pH 介于4.7～8.5，均值為6.1±0.8，其中低海拔土壤pH 最高，高海拔最低。2 次普查結(jié)果顯示，pH有提高趨勢，這可能與有意識的改良土壤酸化有關(guān)。②2009—2010 年土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為（23.76±13.28）g/kg，中海拔有機(jī)質(zhì)平均含量最高、低海拔最低；2015—2017 年土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為（26.13±13.50）g/kg，高海拔最高、低海拔最低。③2 次普查結(jié)果顯示，土壤堿解氮低海拔降低25.0 mg/kg、中海拔降低15.4 mg/kg、高海拔提高8.7 mg/kg，總體降低3.32 mg/kg。④水溶性氯含量低海拔降低5.9 mg/kg、中海拔提高0.5 mg/kg、高海拔降低11.5 mg/kg，總體降低6.87 mg/kg。⑤土壤有效鋅在低海拔和中海拔稍有降低，高海拔稍有提高，總體上保持穩(wěn)定。而土壤速效磷、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂4 個指標(biāo)大幅度提高，總體均值分別提高35.4%、49.5%、396.8%和274.7%，且中高海拔提高幅度遠(yuǎn)高于低海拔。

圖2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)值的描述統(tǒng)計

從離散程度（變異系數(shù)）來看，2 次調(diào)查結(jié)果顯示，堿解氮和水溶性氯變異系數(shù)降低，速效鉀、交換性鈣和交換性鎂變異系數(shù)大幅度增加，說明這些養(yǎng)分指標(biāo)在時間尺度上離散程度增加；其他指標(biāo)變異系數(shù)基本維持不變。從不同海拔來看，2 次普查結(jié)果顯示，pH 和速效鉀變異系數(shù)在低海拔升高；pH、堿解氮、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂變異系數(shù)在中海拔升高；pH、交換性鎂、有效鋅變異系數(shù)在高海拔升高，說明不同養(yǎng)分在不同海拔上隨時間推移離散程度變化并不一致，如交換性鈣、交換性鎂的變異系數(shù)在中、高海拔大幅度提高，而水溶性氯變異系數(shù)則在低海拔和高海拔大幅度降低。

2.2 不同海拔土壤養(yǎng)分狀況及綜合分析

2.2.1 不同海拔肥力指標(biāo)權(quán)重 不同養(yǎng)分在不同海拔的公因子方差和權(quán)重結(jié)果（表2）顯示，①低海拔2009—2010 年土壤pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、交換性鈣權(quán)重較高，交換性鎂權(quán)重最低；2015—2017年則有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀和有效鋅權(quán)重較高，水溶性氯最低。②中海拔2009—2010 年土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、交換性鎂、水溶性氯、有效鋅權(quán)重較高，pH 權(quán)重最低；2015—2017 年則有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、有效鋅權(quán)重較高，交換性鎂和水溶性氯最低。③高海拔2009—2010 年土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、有效鋅權(quán)重較高，交換性鎂權(quán)重最低；2015—2017 年則有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀、交換性鈣、有效鋅權(quán)重較高，速效磷和水溶性氯權(quán)重最低。從全縣尺度來看，2009—2010 年土壤堿解氮權(quán)重最高、水溶性氯權(quán)重最低，2015—2017年則有效鋅權(quán)重最高、水溶性氯權(quán)重最低?？梢姴徽撌菚r間尺度上還是空間尺度上，土壤養(yǎng)分各項指標(biāo)對綜合肥力貢獻(xiàn)處于不斷變化狀態(tài)，總體上有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效鋅的權(quán)重保持較高水平，而水溶性氯較低，速效磷、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂則變化較大。

表2 各指標(biāo)公因子方差和權(quán)重

2.2.2 不同海拔土壤肥力綜合評價 參照已有方法［4］將土壤肥力綜合指標(biāo)值（IFI）劃分為4 個等級：Ⅰ級，IFI≥0.75；Ⅱ級，0.50≤IFI＜0.75；Ⅲ級，0.25≤IFI＜0.50；Ⅳ級，IFI＜0.25。由 表3 可 知，2009—2010 年低海拔、中海拔、高海拔IFI平均值分別為0.52、0.53、0.55，IFI隨海拔升高而提高；2015—2017年IFI平均值分別為0.56、0.58、0.59，IFI隨海拔升高而提高。就全縣而言，2009—2010 年和2015—2017年IFI分別為0.54 和0.60，可見隨著種植年限的延長，不同海拔以及總體上土壤肥力綜合指標(biāo)值在逐步提高。從分布狀況來看，隨著種植年限延長，在低海拔上土壤肥力變異增大，在中海拔和高海拔土壤肥力變異降低；不同海拔，土壤肥力IFI以Ⅱ級比例為主，且I級和Ⅱ級比例提高、Ⅲ級比例降低。

表3 土壤肥力綜合評價

2.3 海拔高度與各指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

2009—2010 年顯示海拔高度與pH、有效鋅呈負(fù)相關(guān)，與其他指標(biāo)均呈正相關(guān)，其中與速效磷、速效鉀呈顯著正相關(guān)；2015—2017 年海拔高度與pH、交換性鈣、交換性鎂呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他指標(biāo)呈正相關(guān)，其中與有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀、有效鋅、有效硼呈顯著正相關(guān)（圖3）。

圖3 海拔、pH 與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)系數(shù)

3 討論與小結(jié)

3.1 不同海拔肥力指標(biāo)時空變化

土壤自然酸化非常緩慢，但在人為干擾下土壤酸化急劇增加，因此改良土壤酸化是土壤保育重要內(nèi)容之一［12］。植煙土壤適宜pH 為5.5～7.0［13，14］，鹽邊縣植煙土壤總體pH 適宜，低海拔稍高，中高海拔稍低，且低海拔有升高趨勢，而中高海拔保持穩(wěn)定。這可能主要是由于低海拔更加注重土壤酸化改良，同時說明在施用堿性材料改良土壤時應(yīng)該注意施用量和施用頻率，以防止土壤pH 急劇升高。

就全縣而言，有機(jī)質(zhì)含量始終呈升高趨勢。從不同海拔來看，中、低海拔土壤有機(jī)質(zhì)降低（分別降低3.6%和16.9%），高海拔土壤有機(jī)質(zhì)提高（提高22.5%），這主要可能與高海拔土壤溫度較低，同樣的施肥情況下土壤呼吸量較低，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)礦化速率較慢有關(guān)。目前認(rèn)為，植煙土壤堿解氮含量適宜范圍為65～120 mg/kg［15］。本研究結(jié)果表明，總體上鹽邊縣植煙土壤堿解氮含量高于120 mg/kg。從時間尺度來看，低海拔堿解氮大幅度降低（降低20.7%），中海拔稍有降低、高海拔稍有提高，總體上稍有降低（降低2.6%），基本穩(wěn)定。從空間尺度來看，2009—2010 年以中海拔堿解氮最高，而2015—2017 年則以高海拔堿解氮最高。不論從時間尺度還是空間尺度來看，目前的施氮量均較為適宜。

2010—2017 年鹽邊縣植煙土壤速效磷、速效鉀含量有較大幅度提高，總體上磷、鉀分別提高21.4%和49.5%，且速效磷、速效鉀含量隨海拔升高而增加。土壤速效磷、速效鉀含量逐步提高可能與超量施肥有關(guān)，該地區(qū)年均投入量（kg/hm2）為N∶P2O5∶K2O=100∶116∶320，按8.0、1.2、10.0 g/株計算煙株氮、磷、鉀累積量［16］，每公頃按16 500 株計算，則每公頃煙株帶走氮、磷、鉀分別為132.0、19.8、165.0 kg，可見磷、鉀投入量遠(yuǎn)高于煙株需要量，即使降雨會導(dǎo)致鉀素流失，但長期高量投入肯定引起土壤磷、鉀累積，這可以從前人研究得到印證［17］。

2 次普查結(jié)果顯示，土壤交換性鈣、交換性鎂含量大幅度上升，交換性鈣總體上升幅度達(dá)396.8%、交換性鎂上升幅度達(dá)274.7%。從海拔角度來看，2009—2010 年普查交換性鈣、交換性鎂均以中海拔最高，而2015—2017 年則以低海拔最高、高海拔最低，本研究結(jié)果與前人研究結(jié)論基本一致［18］。這與土壤pH 結(jié)果也基本一致，推測是受到酸化土壤改良措施（施用石灰）的影響，該改良劑價格便宜、改良效果好，同時可補(bǔ)充土壤鈣含量，但過量和不合理使用石灰會引起短期內(nèi)土壤pH 急劇升高［19］，因此在施用石灰時應(yīng)該注意用量和頻率。

氯是煙草必需營養(yǎng)元素之一［20］，但煙草是忌氯作物，土壤水溶性氯含量是植煙土壤的重要指標(biāo)，煙葉氯含量的61.8%來自土壤［21，22］，植煙土壤適宜水溶性氯含量為20～30 mg/kg［23］。氯含量主要受施肥和降雨的影響。本研究結(jié)果表明，目前的施肥水平和降雨量條件下土壤水溶性氯含量有緩慢降低風(fēng)險。從不同海拔來看，中海拔土壤水溶性氯含量基本保持穩(wěn)定，而低海拔和高海拔則降低明顯，說明海拔對水溶性氯含量有明顯影響，因此在施肥時應(yīng)該加以區(qū)別，做到因地制宜。

3.2 土壤肥力指標(biāo)的關(guān)系

海拔是影響山地植煙土壤的重要因子，土壤理化性質(zhì)隨海拔高度而變化，如低海拔土壤堿解氮、有機(jī)質(zhì)、有效硫含量明顯低于中、高海拔［11］。植煙土壤pH 與土壤養(yǎng)分的關(guān)系已有大量報道［6，13］，但結(jié)果并不完全一致，這說明研究對象、樣本量大小等對土壤pH 與養(yǎng)分之間關(guān)系均有影響，但就pH 與交換性鈣、交換性鎂關(guān)系而言，已有報道均表明土壤pH 與土壤交換性鈣、交換性鎂呈顯著正相關(guān)［13，14］，這與本研究結(jié)果一致，說明交換性鈣、交換性鎂與土壤pH的關(guān)系在更普遍的范圍上仍有密切關(guān)系。

土壤有機(jī)質(zhì)對土壤肥力的重要性不言而喻，一般認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)的高低直接反映了土壤肥力的高低。本研究結(jié)果顯示，2 次調(diào)查中土壤有機(jī)質(zhì)與速效氮、速效磷、速效鉀、有效鋅呈極顯著正相關(guān)，與交換性鈣、交換性鎂、pH 呈顯著負(fù)相關(guān)，這從側(cè)面表明了土壤有機(jī)質(zhì)可以直接反映養(yǎng)分指標(biāo)的高低。

土壤速效鉀、水溶性氯含量直接影響煙葉中鉀和氯的含量，在植煙土壤養(yǎng)分管理中尤為重要。土壤中的速效鉀、水溶性氯含量輸入主要受施肥量的影響，而輸出受降雨量和作物吸收的影響強(qiáng)烈，由于煙草是喜鉀忌氯作物，在長期施肥中一般都是高鉀無氯或極低氯配方，由此導(dǎo)致土壤速效鉀累積較高，而氯含量則相對降低，因此，在施肥中應(yīng)該注意控制鉀、平衡氯。

3.3 綜合肥力評價指標(biāo)值的時空變化

2009—2010、2015 —2017 年2 次普查結(jié)果顯示，總體上土壤肥力綜合指標(biāo)值有升高趨勢。從不同海拔來看，2 次結(jié)果均顯示不同肥力因子在相同海拔或相同肥力因子在不同海拔的權(quán)重并不相同，說明在相同施肥制度下，隨著海拔的升高，不同肥力因子對綜合肥力的貢獻(xiàn)相對重要性發(fā)生了變化，如有機(jī)質(zhì)、堿解氮在2 次普查中的任何一個海拔高度都比較重要，而其他肥力因子則時空變化較大。這有可能是單一施肥情況下，作物對養(yǎng)分的消耗比例不同，導(dǎo)致某些養(yǎng)分在土壤中累積，而某些養(yǎng)分則保持不變或稍有降低，進(jìn)而對土壤綜合肥力的影響比重發(fā)生相對變化，表明養(yǎng)分不均衡度在增加，故平衡施肥比單純提高某一個養(yǎng)分指標(biāo)更重要。