唐佐芯,馮俊娜,阮亞男,陸慶華,吳 甜,夏體淵,李柘錦
(1.昆明學(xué)院農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,昆明 650214;2.云南省煙草公司紅河州分公司,云南 彌勒 652300)
【研究意義】煙草(NicotianatabacumL.)是云南重要的葉用經(jīng)濟(jì)作物,土壤養(yǎng)分供應(yīng)好、營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境條件協(xié)調(diào)能力強(qiáng)是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)烤煙的基礎(chǔ)[1-2],煙草適應(yīng)性較強(qiáng),在多種土壤上均可以生長(zhǎng)發(fā)育,但優(yōu)質(zhì)煙葉對(duì)土壤條件的要求較高[3-4]。植煙土壤養(yǎng)分的豐缺很大程度上影響土壤質(zhì)量和烤煙的生長(zhǎng)、產(chǎn)量和內(nèi)在品質(zhì)[5-6]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展,人類(lèi)對(duì)耕地資源的利用程度越來(lái)越高,這必然使耕地的土壤養(yǎng)分含量發(fā)生很大的變化。因此,在國(guó)家“2020 年化肥零增長(zhǎng)計(jì)劃”的大背景下,掌握耕地土壤養(yǎng)分的豐富與缺乏及其規(guī)律,對(duì)于指導(dǎo)合理施肥、因土栽培、增效提質(zhì)等具有重要的指導(dǎo)意義[7-9]。植煙土壤肥力適宜性評(píng)價(jià)是在某一區(qū)域內(nèi),通過(guò)定性、定量或定位有效綜合評(píng)價(jià)各土壤肥力因素來(lái)確定其適宜烤煙種植的程度,是優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)規(guī)劃的一個(gè)重要依據(jù),還可為煙田土壤的改良、保育及健康持續(xù)發(fā)展提供理論參考?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】針對(duì)植煙區(qū)土壤養(yǎng)分含量及肥力適宜性評(píng)價(jià),云南省臨滄市[3]、羅平縣[10]、保山市[11]和紅河州[6,12-13]等植煙區(qū)域涉及其動(dòng)態(tài)變化的研究,采用的方法主要包括生態(tài)位適宜度、主成分分析、聚類(lèi)分析、模糊數(shù)學(xué)理論等[3,10-13]。紅河煙區(qū)是云南省優(yōu)質(zhì)煙葉原料產(chǎn)區(qū)之一,是紅云紅河集團(tuán)“四大核心原料區(qū)”中最大的煙區(qū)[2],了解紅河州煙區(qū)土壤養(yǎng)分含量、分布及變化趨勢(shì),對(duì)紅河州煙草合理施肥,提高煙葉產(chǎn)量、質(zhì)量有重要意義。前人就紅河州植煙土壤周年內(nèi)豐缺狀況和土壤肥力評(píng)價(jià)做了不少工作,取得了一定進(jìn)展[6,12-13]?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】土壤作為時(shí)空連續(xù)的變異體,具有高度的空間異質(zhì)性,紅河州年際間土壤肥力評(píng)價(jià)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以紅河州植煙土壤為對(duì)象,分析2014—2018年紅河州植煙土壤pH和主要養(yǎng)分的年際間變化規(guī)律,在各肥力指標(biāo)定量描述的基礎(chǔ)上,利用模糊數(shù)學(xué)模型隸屬函數(shù)法估算土壤肥力指數(shù),旨在為紅河州生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉提供理論依據(jù),為烤煙種植養(yǎng)分管理提供參考。
紅河州屬低緯高原亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),北回歸線穿越全州,境內(nèi)山巒起伏,地貌復(fù)雜多樣,有北熱帶、北亞熱帶、南亞熱帶、南溫帶、中亞熱帶和中溫帶等6種氣候類(lèi)型,紅河州大部分耕作區(qū)域處于熱帶和亞熱帶氣候區(qū),光、熱、水等條件比較優(yōu)越。年平均日照時(shí)數(shù)1065~2300 h,烤煙生長(zhǎng)期和成熟期的5—9月,州內(nèi)主要植煙區(qū)日照時(shí)數(shù)為646.4~821.8 h,日照百分率為32.4%~41.2%,有利于煙葉生產(chǎn)。無(wú)霜期在300 d左右,氣候溫和,降水量較為豐沛,多年平均降水量1491 mm,年平均降雨日數(shù)為152 d,雨季(5—10月)降水量約占全年總降水量的80%以上。降水時(shí)空分布極不均勻,呈南多北少,山區(qū)多于壩區(qū),夏秋降水集中,冬春干旱明顯。在烤煙生長(zhǎng)大田期,各地月均降水量均在100 mm以上,能滿足烤煙生長(zhǎng)發(fā)育的需要[12]。
為了保證各個(gè)年度數(shù)據(jù)的可比性和可靠性,土壤樣品采集和樣品測(cè)定均由紅河州煙草公司組織,對(duì)個(gè)舊市、建水縣、開(kāi)遠(yuǎn)市、瀘西縣、蒙自市、彌勒市和石屏縣7個(gè)縣(市)的表層20 cm土壤進(jìn)行采集,每年3—4月完成相關(guān)采樣工作。采樣時(shí)考慮土壤類(lèi)型、種煙規(guī)模、品種、海拔等因素,采集土壤樣品進(jìn)行GPS定位編號(hào)登記,按照“S”型采樣法采集耕作層 0~20 cm土壤。各縣(市)土壤樣品取樣數(shù)量見(jiàn)表1,選擇土壤pH、有機(jī)質(zhì)(SOM,g/kg)、堿解氮(AN,mg/kg)、有效磷(AP,mg/kg)、速效鉀(AK,mg/kg)、有效硼(B,mg/kg)、有效鋅(Zn,mg/kg)、交換性鎂(Mg,mg/kg)和水溶性氯(Cl,mg/kg)為評(píng)價(jià)指標(biāo),土壤樣品去除根系、石塊等雜物,自然風(fēng)干,過(guò)篩后測(cè)定土壤上述指標(biāo)含量[12]。
采用土壤養(yǎng)分分級(jí)法對(duì)植煙土壤進(jìn)行豐缺狀況評(píng)價(jià),將土壤pH分為6個(gè)等級(jí),其他8個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)(有機(jī)質(zhì)、堿解氮、交換性鎂、水溶性氯、土壤有效磷、速效鉀、有效硼和有效鋅)分為5個(gè)等級(jí)[12]。同時(shí),將上述9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行拋物線型和S型[10,13]隸屬度賦值(表2),并將隸屬度值進(jìn)行因子分析,計(jì)算各肥力指標(biāo)對(duì)應(yīng)的公因子方差大小獲得權(quán)重[14]。最后,計(jì)算土壤肥力適宜性指數(shù)(Soil fertility index,SFI),并用等間距法進(jìn)一步對(duì)SFI值進(jìn)行等級(jí)劃分[14],即較高(0.6≤SFI<0.8)、中等(0.4≤SFI<0.6)和較低(0.20≤SFI<0.4),SFI值越大則說(shuō)明該地區(qū)土壤肥力越高,越適宜烤煙的生長(zhǎng)。采用Excel 2010完成數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì),方差分析借助SPSS 17.0的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)和單因素方差分析,借助Origin 2021完成圖形繪制。
式中:i=1,2,3,……m,j=1,2,3,……n,m為土壤樣品的總數(shù),n為養(yǎng)分指標(biāo)的總數(shù),Mij和Wij分別為第i個(gè)土壤樣品第j個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬度值和相應(yīng)的權(quán)重。
如圖1所示,土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀從2014年至2018年分別增加了2.81 g/kg、9.61 mg/kg和16.74 mg/kg,土壤有效硼和交換性鎂則分別減少了0.22和51.69 mg/kg,均達(dá)到顯著差異,其他養(yǎng)分含量在2014年和2018年無(wú)差異。
如圖2所示,從2014—2018年,紅河州極強(qiáng)酸和中性的土壤分別下降39.52%和27.44%,微酸比例基本無(wú)變化,強(qiáng)酸和微堿分別上升17.36%和47.83%,且微堿性土壤的區(qū)組在2018年顯著高于2014年(t=-5.194,P<0.001)。土壤有機(jī)質(zhì)含量極低的比例降低46.0%,且達(dá)到顯著水平(t=-3.263,P=0.002),有機(jī)質(zhì)含量在中等以上的土壤所占比例較大,在2014年和2018年分別占79.73%和85.93%,有機(jī)質(zhì)含量高和很高的比例呈上升趨勢(shì),其中,有機(jī)質(zhì)含量很高的土壤占比上升80.59%。土壤堿解氮很低的比例下降27.11%,低的比例下降17.02%,且達(dá)到顯著水平(t=-16.671,P<0.001);而中等以上的比例較大,在2014年和2018年分別達(dá)到52.03%和67.80%,中等、高和很高3個(gè)區(qū)組分別上升了12.21%、38.70%和23.19%,且中等比例達(dá)到顯著水平(t=-26.977,P<0.001)。
表1 2014和2018年土壤取樣情況
表2 土壤pH和主要養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬函數(shù)類(lèi)型、閾值和權(quán)重
土壤有效磷含量很低的比例下降了16.57%,且達(dá)到顯著水平(t=5.123,P<0.001),中等水平的比例增加了12.21%,但仍有48.54%~50.62%的土壤有效磷低于20 mg/kg。土壤速效鉀總體含量豐富,中等以上比例占57.44%~63.90%,速效鉀含量很高的區(qū)組在2018年顯著高于2014年(t=-5.931,P<0.001),增加了72.19%。水溶性氯的含量總體偏低,含量很低的比例達(dá)76.84%~81.08%,年際間變化趨勢(shì)不明顯。土壤有效硼含量總體偏低,含量低于0.5 mg/kg的比例達(dá)48.31%~77.19%,含量很低(t=-2.857,P=0.005)的比例增加了38.84%,含量中等的比例則下降了41.36%(t=5.304,P<0.001)。有效鋅含量屬于高和很高的比例達(dá)到80.14%~85.37%,年際間變化較小。交換性鎂含量總體偏高,含量處于中等偏上的比例高達(dá)76.05%~83.54%,含量很高的區(qū)組在2018年顯著低于2014年(t=2.049,P=0.043,圖2)。
如表3所示,2014年,石屏縣土壤pH和有效鋅含量最低,蒙自市土壤pH較低,有機(jī)質(zhì)和有效鋅的含量最高;個(gè)舊市堿解氮、速效鉀和水溶性氯離子含量最高。2018年,石屏縣土壤pH最低,有效磷含量最高,而個(gè)舊市土壤pH也較低,但有效磷含量最低;建水縣土壤速效鉀含量最低,而有效鋅和水溶性氯離子含量最高。獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果顯示:土壤pH在紅河州7個(gè)縣(市)均表現(xiàn)出顯著差異性,除蒙自市和石屏縣外,其他縣(市)均表現(xiàn)為2014年的土壤pH低于2018年。土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量?jī)H在開(kāi)遠(yuǎn)市和彌勒市有顯著差異,均表現(xiàn)為2018年高于2014年。土壤有效磷在個(gè)舊市和開(kāi)遠(yuǎn)市有顯著性差異,前者在2014年高于2018年,而后者卻在2018年高于2014年。速效鉀含量在建水縣、蒙自市和彌勒市均表現(xiàn)為2018年高于2014年,其余縣(市)無(wú)顯著差異。個(gè)舊市的水溶性氯含量表現(xiàn)為2014年高于2018年,而瀘西縣則為2018年高于2014年。除開(kāi)遠(yuǎn)市和蒙自市外,其余縣(市)土壤有效硼含量均表現(xiàn)為2014年高于2018年。土壤有效鋅含量在開(kāi)遠(yuǎn)市、彌勒市和石屏縣表現(xiàn)為2018年高于2014年,在瀘西縣則是2014年高于2018年,其余縣(市)差異不顯著。交換性鎂含量在建水縣表現(xiàn)為2018年高于2014年,而在彌勒市和石屏縣則表現(xiàn)為2014年高于2018年,其余縣(市)差異不顯著。
如表4所示,2014年與2018年的土壤肥力指數(shù)間無(wú)顯著差異(t=0.993,P=0.321),2014年土壤肥力指數(shù)平均值0.499,變幅0.10~0.85,變異系數(shù)27.15%,2018年土壤肥力指數(shù)平均值0.491,變幅0.10~0.86,變異系數(shù)26.53%。經(jīng)過(guò)4年的生產(chǎn)利用,紅河州植煙土壤肥力適宜性情況發(fā)生了變化,主要表現(xiàn)為建水縣、開(kāi)遠(yuǎn)市和彌勒市的土壤肥力指數(shù)上升,而個(gè)舊市、蒙自市和石屏縣土壤肥力指數(shù)的下降,且石屏縣達(dá)到顯著水平,瀘西縣土壤肥力指數(shù)基本無(wú)變化。2014年土壤肥力指數(shù)在個(gè)舊市的變異系數(shù)最低,蒙自市的最高,變幅為22.92%~29.47%;而2018年則在石屏縣的變異系數(shù)最大,開(kāi)遠(yuǎn)市的最小,變幅為18.94%~30.39%,植煙土壤肥力指數(shù)的空間變異較小。2014年各縣(市)間土壤肥力指數(shù)表現(xiàn)為個(gè)舊市>石屏縣>彌勒市>開(kāi)遠(yuǎn)市>蒙自市>瀘西縣>建水縣。2018年各縣(市)土壤肥力指數(shù)表現(xiàn)為個(gè)舊市>彌勒市>開(kāi)遠(yuǎn)市>建水縣>瀘西縣>石屏縣>蒙自市。
紅河州植煙土壤肥力狀況良好,97.30%和98.98%的植煙土壤處于較低、中等和較高這3個(gè)等級(jí)內(nèi),中等水平肥力指數(shù)的土壤分別占63.18%和61.29%,而綜合肥力指數(shù)大于0.6的土壤樣品為17.91%和23.27%。2014年和2018年全州植煙土壤肥力在3個(gè)等級(jí)間均無(wú)顯著差異。各縣(市)2014年和2018年較低和中等土壤肥力所占比例無(wú)差異,僅較高土壤肥力等級(jí)所占比例在彌勒市表現(xiàn)出2018年顯著高于2014年,其余縣(市)間無(wú)差異(表4)。
表3 各縣(市)土壤pH和主要養(yǎng)分指標(biāo)在2014年和2018年的差異性分析
表4 紅河州植煙土壤肥力綜合評(píng)價(jià)
2014年3個(gè)土壤肥力等級(jí)中土壤pH均表現(xiàn)為微酸,水溶性氯離子含量均較低,有效硼含量中等,交換性鎂含量高,且土壤pH、水溶性氯和有效硼在3個(gè)土壤肥力間無(wú)顯著差異。在2014年土壤肥力較低等級(jí)內(nèi)表現(xiàn)出較明顯的堿解氮和有效磷含量低,土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀中等,有效鋅含量高;在土壤肥力較高等級(jí)內(nèi)表現(xiàn)出明顯的有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量中等,有效磷和速效鉀含量高,有效鋅含量很高。2018年3個(gè)土壤肥力等級(jí)內(nèi)土壤pH均為微酸,且無(wú)顯著差異,堿解氮含量中等,有效鋅含量很高,交換性鎂含量高。在2018年土壤肥力較低的區(qū)域表現(xiàn)出中等含量的有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀,水溶性氯和有效硼含量低;在土壤肥力較高的區(qū)域則表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀含量高,水溶性氯含量低,有效硼含量中等,且均達(dá)到顯著水平(表5)。
本文以紅河州7個(gè)縣(市)的植煙區(qū)田塊0~20 cm土壤為對(duì)象,考慮復(fù)雜的地形地貌和土壤養(yǎng)分的時(shí)空變異性,借助隸屬度函數(shù)計(jì)算土壤肥力指數(shù)對(duì)土壤pH和氮、磷、鉀及中微量元素進(jìn)行系統(tǒng)研究。本研究中,取樣點(diǎn)均根據(jù)植煙區(qū)田塊的行政區(qū)劃分布情況選擇,綜合考慮土壤類(lèi)型、種煙規(guī)模、品種、海拔等因素,覆蓋區(qū)域廣,能滿足統(tǒng)計(jì)分析的要求。另一方面,土壤肥力指數(shù)由隸屬度值和權(quán)重決定,而隸屬度函數(shù)在2014年和2018年是一致的,因此,年際間的差異主要是由于權(quán)重的變化導(dǎo)致的[15]。本研究中,紅河州植煙土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮所占權(quán)重較高,且2014年土壤有機(jī)質(zhì)的權(quán)重最大,這與前人的研究結(jié)果相似[16];而2018年堿解氮的權(quán)重最大,土壤pH值、速效鉀和有效硼的權(quán)重在2018年高于2014年,其余指標(biāo)的權(quán)重則表現(xiàn)為在2014年較高。兩年間土壤pH值、速效鉀和有效鋅的權(quán)重差異約0.02個(gè)單位,而水溶性氯和有效硼的權(quán)重差異約50%,年際間有差異[11-13]。在未來(lái)的研究中,可結(jié)合地形、氣候因素和栽培管理等諸多因素對(duì)植煙土壤的生產(chǎn)力進(jìn)行更科學(xué)更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)[2,12]。
表5 紅河州3個(gè)土壤肥力對(duì)應(yīng)的土壤pH和養(yǎng)分含量
前期研究表明最適宜烤煙生長(zhǎng)的土壤pH范圍是5.5~6.5,且有機(jī)質(zhì)含量在20~40 g/kg有利于烤煙品質(zhì)的形成[12],紅河州2014年和2018年中等及較高肥力等級(jí)對(duì)應(yīng)的土壤酸堿度和有機(jī)質(zhì)含量均在此范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)4年的生產(chǎn)實(shí)踐,3個(gè)土壤肥力等級(jí)對(duì)應(yīng)的土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效磷含量有上升的趨勢(shì),可能的原因是有機(jī)肥的使用力度加大從而增加了有機(jī)質(zhì)的含量;亦或植煙土壤的有機(jī)質(zhì)含量隨pH升高而降低[17];或與增加氮肥和鉀肥投入有關(guān)。另一方面,土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量從2014—2018年均顯著增加,增幅分別為11.45%、9.04%和8.47%,其中,有機(jī)質(zhì)增加主要體現(xiàn)在大于40 mg/kg的區(qū)組,堿解氮中等偏上的區(qū)組在2018年所占的比例高于2014年,速效鉀含量<80 mg/kg和>350 mg/kg的區(qū)組表現(xiàn)為2018年高于2014年。部分地區(qū)仍然表現(xiàn)出土壤缺鉀的現(xiàn)象,需進(jìn)一步調(diào)整施肥方案,如通過(guò)水肥一體化形式適當(dāng)提高鉀素的利用效率[15]。另一方面,堿解氮含量有大幅度提升,可能與土壤有機(jī)質(zhì)含量的提升有關(guān),或是前茬作物種植中投入了大量氮肥[15]。上述研究結(jié)果與臨滄市[3]、羅平縣[10]、保山市[11]、云南大理[18]等煙草種植區(qū)域和其他常規(guī)耕作區(qū)域[19-21]的研究結(jié)果一致,長(zhǎng)期耕作和施肥會(huì)影響土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分含量的變化。
土壤有效硼在2014年和2018年含量均較低,但土壤肥力較低和中等等級(jí)區(qū)域內(nèi)土壤有效硼含量從2014年的中等水平下降到2018年的低水平,土壤有效硼在4年來(lái)有下降的趨勢(shì),具體表現(xiàn)為有效硼中等及以上含量的下降,中等、高和很高水平的占比分別下降了41.36%、94.26%和66.40%。因此,紅河州植煙土壤應(yīng)加大硼肥的投入。同時(shí),土壤肥力在一定程度上受土壤有效鋅和交換性鎂含量的影響[11]。本研究中,土壤交換性鎂和有效鋅含量很高,主要與成土母質(zhì)相關(guān)[22],土壤交換性鎂與煙葉鎂含量有明顯的正相關(guān),過(guò)高的土壤交換性鎂會(huì)導(dǎo)致煙葉儲(chǔ)存時(shí)吸濕性增強(qiáng)甚至生理性缺鎂從而直接影響卷煙質(zhì)量[22]。2018年土壤交換性鎂含量有所下降,具體表現(xiàn)為在100~200 mg/kg及>400 mg/kg區(qū)間內(nèi)交換性鎂含量的下降,可能與紅河州推廣綠肥、玉米(喜鎂作物)輪作相關(guān)[22]。同時(shí),2014年和2018年土壤有效鋅含量屬于高和很高的比例達(dá)到80.14%~85.37%,表明植煙土壤有效鋅過(guò)高,這可能與紅河州植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量的提升有關(guān)。如果不采取措施,未來(lái)將可能面臨土壤鋅污染,并導(dǎo)致煙株株產(chǎn)生鋅毒害,煙葉壞死等現(xiàn)象[23],因此,紅河州植煙土壤需合理控制鎂肥和鋅肥的施用。最后,煙草種植適宜和最適宜的土壤含氯量要小于30 mg/kg,適量的氯素營(yíng)養(yǎng),有利于提高烤煙旺長(zhǎng)期葉片葉綠素含量、植株根系活力和烤煙生長(zhǎng)前期硝酸還原酶的活性[24],這與日本的標(biāo)準(zhǔn)是一致的[25],且當(dāng)土壤含氯量小于30 mg/kg時(shí)不會(huì)成為煙葉質(zhì)量的限制因素[26],在本研究中,紅河州植煙土壤水溶性氯離子含量均低于30 mg/kg。
2014—2018年,紅河州植煙土壤pH、有效磷、水溶性氯和有效鋅含量變化較穩(wěn)定,土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀有所增加,表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)含量很高、堿解氮含量中等偏上及速效鉀含量很低和很高的區(qū)組比例有所增加,而土壤有效硼、交換性鎂和有效鋅中等以上含量的區(qū)組呈降低趨勢(shì)。紅河州植煙土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮所占權(quán)重較高,全州植煙土壤肥力狀況良好且變異小,分別有63.18%和82.52%的植煙土壤屬于土壤肥力中等水平。土壤肥力綜合指數(shù)在2014年和2018年之間無(wú)差異,個(gè)舊市土壤堿解氮含量和土壤肥力綜合指數(shù)最高;石屏縣2018年土壤肥力綜合指數(shù)遠(yuǎn)低于2014年,表現(xiàn)為土壤pH和有效硼的顯著差異;僅彌勒市的較高土壤肥力等級(jí)在2018年較2014年增加了7.95%,表現(xiàn)為速效鉀含量<80 mg/kg和>350 mg/kg的區(qū)組在2018年高于2014年。紅河州煙區(qū)土壤較適宜煙草生長(zhǎng),在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中,需加大硼肥的使用,合理控制鋅肥和鎂肥的施用,提高鉀肥利用效率。