Spatial Heterogeneity Distribution and Evaluation of Soil Nutrients of Tobacco Fields in Shizhu County, Chongqing

石柱县是重庆市优质烟叶产区，全县29°39′~30°33′N，107°59′~108°34′E，属亚热带季风性湿润气候，雨热充沛，以黄壤为主，非常适合烤烟种植.

2021年11月进行石柱县烟田土壤样品采集，按照每个种植单元(6.7~8 hm²)采集1个土壤样品. 具体方法是在种植单元内，选取5块集中连片有代表性的烟田进行采样，共确定130个点，记录每个采样点经纬度信息(图 1)；每个采样点按照“S”形采样方法，设置15个分样点进行垂直取耕层0~20 cm土样，采用四分法取样2 kg进行室内化验工作；样品经自然风干研磨过筛后放专用磨口瓶保存并用以后续测定，将测定结果与2002，2012和2017年数据进行纵向对比分析.

土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾质量分数测定参照《土壤农化分析与环境监测》^[4]. 土壤pH采用土水比1∶2.5的悬浊液电位法测定；土壤有机质采用重铬酸钾容量-外加热法测定；土壤碱解氮采用氢氧化钠碱解扩散法测定；土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定. 参照文献[5]的方法测定水溶性氯、交换性钙、交换性镁、有效铜、有效钼、有效锰和有效铁质量分数.

结合石柱县植烟区烤烟生产实际和近年来的相关研究结果^[6]，根据《中国植烟土壤及烟草养分综合管理》^[7]，权衡土壤养分状况与烟叶产、质量，制订出石柱县植烟土壤pH与各养分分级标准(表 1).

采用SPSS 25.0，Excel 2016，MapGIS 67，Section 2016软件对数据进行统计分析与制图.

土壤酸化对土壤营养元素转换、土壤微生物活性、土壤酶活性等方面有着深刻的影响. 由表 2可以看出，2021年石柱土壤pH均值为5.93，pH值在5.5~7.5适宜烟草生长的比例占53.8%. 全县没有pH值小于4.5的烟田，但pH值小于5.5的烟田占比仍较大，为40.0%；南宾、马武基地单元分别为40.7%和39.4%，说明石柱县植烟部分土壤pH偏低. 为了不影响烤烟对土壤养分有效性、土壤微生物的分布及烤烟的生长及品质的需求，急需对这部分烟田施用石灰及碱性肥料改良土壤，以利于烟叶的可持续发展.

由图 2可知，石柱县植烟区pH呈酸性的区域主要分布在南宾基地单元，整体呈斑块状分布. 随种植年限的增加，石柱县植烟土壤pH均值在2002，2012，2017和2021年分别为5.56，5.35，5.64和5.93. 土壤pH值的大小总体上呈先降低后升高趋势. 2012年石柱县pH均值最低，2012年后pH值呈逐年升高趋势，这与近年来石柱县加强了土壤酸化改良有关.

由有机质特征值表 3及分布图 3可以看出，2021年石柱县有机质平均质量分数为25.08 g/kg，有机质大于20 g/kg的土壤占83.9%，南宾、马武也达到了88.1%，80.2%，有机质质量分数较为适宜，但也有16.1%的土壤有机质质量分数较低. 石柱县植烟土壤有机质平均值在2002，2012，2017和2021年分别为24.51，30.20，30.70和25.08 g/kg. 2017年有机质质量分数与2012年相比差异不明显，但2021年有机质质量分数较2012年减少了5.12个单位，较2017年减少了5.62个单位，减少明显.

石柱县碱解氮均值为146.77 mg/kg，其中小于100 mg/kg的土壤占9.2%，大部分土壤处在较适宜的范围，大于180 mg/kg的土壤占20.1%(表 4和图 4).

石柱县植烟土壤碱解氮均值在2002，2012，2017和2021年分别为40.90，136.13，156.35和146.77 mg/kg. 与2002年相比，2012年石柱植烟土壤碱解氮质量分数提高了2.33倍，2017年碱解氮质量分数在2012年的基础上又增加了14.9%，绝大多数植烟土壤碱解氮质量分数处于丰富或过剩状态；尽管2021年碱解氮质量分数较2017年有所减少，约减少了6.1%，但仍需注意控制氮肥施用量.

由表 5可知，石柱县植烟土壤中碳氮比均值为9.13，全县碳氮比严重偏低，仅有1.5%处于10~15之间，偏低的比例占98.5%，应注重土壤有机质质量分数的添加.

表 6和图 5中石柱县植烟土壤有效磷质量分数均值为86.01 mg/kg，小于15 mg/kg的只有0.8%，南宾、马武小于15 mg/kg的土壤分别为0和1.4%. 石柱土壤有效磷质量分数大多在极高水平，表明土壤有效磷质量分数相对丰富，土壤磷素随种烟年限增加总体呈积累状态. 石柱县植烟土壤有效磷均值在2002，2012，2017和2021年分别为22.48，40.62，108.40和86.01 mg/kg.

表 7和图 6得出速效钾均值为431.03 mg/kg，石柱县植烟土壤速效钾整体呈非常丰富的状态. 若以土壤速效钾质量分数150 mg/kg为标准，则石柱县有0.8%的土壤钾质量分数低，南宾、马武分别有1.7%和0的土壤钾偏低. 总体而言，石柱县土壤钾质量分数非常丰富. 石柱县植烟土壤速效钾均值在2002，2012，2017和2021年分别为148.60，223.14，436.25和431.03 mg/kg. 与2002年相比，2012年速效钾质量分数增加了50.2%；2017年与2012年相比，速效钾质量分数显著增加了将近1倍；2021年的速效钾质量分数与2017年接近. 总体来看，石柱县植烟土壤速效钾质量分数随种植年限的增加而显著增长.

表 8为2021年石柱县植烟土壤中微量元素质量分数现状及评价表，其中交换性钙和交换性镁的平均质量分数较低，分别为5.08 cmol/kg，0.79 cmol/kg. 烟田中钙、镁缺乏的土壤占70.2%和74.8%，适宜植烟的比例分别为26.4%和19.5%，钙、镁缺乏的土壤建议施用含钙、镁的土壤改良剂或肥料. 石柱县植烟土壤有效钼和有效硼的质量分数较丰富，偏低的比例分别为12.3%和5.4%，适宜的比例分别为15.4%和25.4%，偏高的比例分别为72.3%和69.2%. 石柱县植烟土壤铁、锰质量分数丰富，有效铁和有效锰质量分数较高的比例分别为48.5%，86.9%，应注意开沟排水防治土壤有效铁和有效锰过高对根系的危害，但同时也有28.4%的土壤缺铁，需要引起重视. 石柱县植烟土壤铜、氯、锌总体质量分数差异较大，铜缺乏较为严重，其质量分数较低占比为33.9%，适宜的比例为30.0%，较高的比例为36.1%；水溶性氯处于适宜范围的分布为100.0%；有效锌质量分数过于丰富，较高占比为90.7%，较低占比仅为1.5%. 表 9可以看出，石柱县大部分烟田土壤阳离子交换量处于中等水平.

烟草是我国重要的经济作物，其品质(包括香气质和香气量)的形成与土壤养分均衡供应密切相关^[8]. 研究表明，土壤养分的丰缺状况、供应强度和供应容量直接影响着烟草的产量和品质^[9]. 杨效家等^[10]通过大样本整合分析得出，土壤中各种营养元素均衡供应，可调节烤烟的生理代谢来维持各化学成分的平衡，从而提高烤烟的内在品质. 可见对烟区土壤肥力状况进行评价可为烤烟平衡施肥和烟叶品质提升提供基础的数据支撑.

烟草为茄科忌连作作物，但是石柱县人多地少，烟田常年连作，大部分烟田连作年限超30年，这种现状导致目前烟田土壤退化十分严重. 石柱县40.0%的烟田酸化，酸化程度非常严峻. 据查宇璇等^[11]报道，一方面，盐基离子(K⁺，Ca²⁺，Mg²⁺)的输出远大于输入，每年烟叶和烟杆带走大量的盐基离子，同时石柱县烟区多雨，钙、镁等盐基离子淋失非常严重，而被输入到烟田的盐基离子非常有限，所以土壤水解产生了大量的H⁺，使土壤胶体表面的盐基阳离子被致酸氢离子所代替，从而发生土壤酸化^[11-12]；另一方面，烟田氮肥的不合理施用，经测算，盐基离子总致酸贡献率达到82.93%，氮的致酸贡献率为17.07%^[11]，这与石柱县实际烟田钙、镁缺乏的土壤占70.2%和74.8%非常吻合. 土壤阳离子交换量(CEC)是指土壤胶体所能吸附各种阳离子的总量，其质量分数能作为评价土壤保肥能力的指标. 重庆市石柱县植烟土壤中有83.85%的CEC质量分数处于中等水平，其植烟土壤保肥供肥能力有待进一步提升. 因此，在土壤酸化后补充钙、镁，可以有效改善土壤阳离子交换量，增强土壤的保蓄能力. 对于pH值小于5.0的强酸性土壤施用石灰，同时配合施用3 t/hm²有机肥增强土壤对酸性的缓冲，可增加生物肥力. 针对pH值在5.0~5.5之间的弱酸性土壤，建议选择施用1.2 t/hm²硅钙钾镁肥，达到即节约改良成本又精准对标. 寇智瑞等^[13]报道，连作5年以上的烟田，土壤pH和烟田细菌的多样性和丰富度均开始降低，pH是影响土壤细菌组成的关键因子，所以建议改良烟田土壤酸性的同时应注意土壤生物肥力的恢复. 石柱县氮素过量烟田占20.1%，对于这部分烟田要严格控制氮肥的施用，以免引起土壤酸化和烟叶烟碱质量分数升高，从而影响烟叶的品质.

适宜的土壤碳氮比为微生物生长和繁殖提供了能源，石柱县98.5%的烟田土壤碳氮比偏低. 研究表明，土壤碳氮比过高和过低均不利于烤烟的碳氮代谢，随着土壤碳氮比增加，烟叶碳氮代谢酶活性逐渐增加，烤后烟叶总糖和还原糖含量、糖碱比、中性香气成分均有不同程度增加^[14]. 韦建玉等^[15]采用牛粪、菜籽饼和烟草秸秆等混合发酵成高碳氮比(14.5~26.2)的有机肥，能显著提升黄壤烟田碳氮比、土壤微生物活性和土壤大于0.25 mm水稳性团聚体的形成，降低了微团聚体比例，提升了土壤团聚体的机械稳定性，提高了土壤水肥气热供应能力. 施用碳氮比为30的有机物料，能有效降低土壤容重，增加总碳总氮、土壤微生物量碳，同时能促进烟草根系生长，有助于烟草碳氮代谢，提高烤烟的抗病性和烤烟品质^[16-17].

石柱县有28.4%的土壤缺铁和33.9%的土壤缺铜，有效钼和有效硼偏低的比例分别为12.3%和5.4%. 大部分烟田常年施用大量元素，忽视微量元素施用，造成土壤营养元素的不均衡供应，严重影响烤烟品质. 究其原因在于微量元素是烤烟酶、维生素、激素等的重要组成部分，直接或间接参与机体的生理代谢过程，能够改善烤烟根系形态，促进叶片生长，增强抗病性，提高产量与品质^[18]. 土壤中微量元素与烟叶化学成分、致香物质之间显著相关^[19]，而且是不同微量元素间协调配合共同影响烤后烟叶品质，比如土壤速效钾、有效镁、有效铜和有效钼共同作用能提高烟叶糖含量，并得出了它们之间的定量关系，表明烟叶品质不是由某一元素决定的^[20]. 铁素在烤烟植物体内流动性小，老叶中的铁素不易流动到新叶，如出现嫩叶正片黄化等，缺铁使烤后烟叶叶片结构不够疏松及其他物理性状变差，建议采用叶面喷施0.1%~0.2%硫酸亚铁溶液，叶面还可喷施0.02%~0.05%硫酸铜溶液. 为了避免毒害，最好加入0.15%~0.25%的熟石灰，配成波尔多液，既可避免叶面的灼伤，又可以杀菌防病，促进烟草根系更加均匀和健壮，以提高烟叶的香气质和产量^[21]. 缺钼植烟区，将复合肥以150 g/hm²拌入基肥中，也可以用钼酸铵或钼酸钠配成0.02%~0.1%的溶液喷施叶面. 施钼能够提高中上部烟叶中性和酸性香气成分总量，能提高绝大部分香气成分和香气指数B值^[22]. 多酚类物质是烟叶次生代谢产物之一，对烟叶外观质量、烟气质量和风格起着重要的作用. 硼和锌交互可显著提高烟叶硼、锌和多酚类物质质量分数，提升烟叶的感官质量，同时烟叶化学成分可用性指数表现最高^[23]. 可以得出，烟叶质量的提高依赖于各种元素的均衡供应，大量元素与微量元素结合，才能促进烟草的正常生长，增加烟叶的香气质和产量，任何一种元素缺乏均不利于优质烟叶的生产.

烟田土壤养分丰缺状况诊断是实现烟草平衡施肥的基础，对于改进施肥技术、提高烟田土壤养分均衡供应，进而促进烤烟生长发育、产量和品质具有十分重要的意义. 石柱县植烟土壤养分的丰缺状况呈现出不同程度的空间异质性，因此石柱县烟草专用肥配方和制订施肥方案时要考虑不同区域养分质量分数的空间差异，进行分区施肥，不同区域应根据植烟土壤主要关键养分指标的丰缺状况进行精细化施肥分区，大量和中微量元素平衡施用，因地制宜调整施肥方案. 本研究在进行合理准确诊断石柱县土壤养分丰缺状况的基础上，探明了影响烟叶产量与品质的关键土壤障碍因素，通过补短板的“木桶理论”进行平衡施肥，即可解决石柱县工业调拨需求和科学指导烟叶生产实践.

1) 石柱县pH值小于5.5的烟田占比40.0%，土壤酸化依然严峻，这与目前烟田土壤钙、镁缺乏，氮质量分数丰富是相互对应且关联的. 建议施用含钙、镁的土壤改良剂或肥料(如硅钙钾镁肥)，在改良土壤酸性的同时，增加土壤钙、镁元素的质量分数，同时严格控制氮肥用量. 全县土壤碳氮比偏低，应注重提高土壤有机碳的质量分数.

2) 全县植烟土壤有效磷和速效钾质量分数都非常丰富，适当降低磷肥和钾肥的投入，缓解磷素、钾素的积累状况，注意肥料的施用和选择，提高肥料的利用率. 石柱县植烟土壤有效锌和有效氯质量分数较丰富；有效铁、有效硼、有效铜、有效钼质量分数过量和缺乏并存，土壤锰过量，应注意开沟排水防治土壤有效铁、有效锰过高对根系的危害.

3) 石柱县植烟土壤养分的丰缺状况呈现出不同程度的空间异质性，因此烟草专用肥配方和制订施肥方案时要考虑不同区域养分质量分数的空间差异，不同区域应根据植烟土壤主要关键养分指标的丰缺状况进行精细化施肥分区，大量和中微量元素平衡施用，因地制宜调整施肥方案.