2020, Vol. 57
表1(Table 1)
2. 玉溪市烟草公司峨山县分公司，云南玉溪 653200;
3. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所），南京 210008
2. Eshan branch of Yuxi tobacco Co. Ltd., Yuxi Yunnan 653200, China;
3. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China
烤烟是云南省的重要经济作物，其种植面积和产量常年居全国首位[1]。植烟土壤物理性质对烤烟长势和品质有重要影响[2]。云南植烟土壤多为黏性红壤，加上大田生长季雨热同期，土壤通透性差，这会制约烤烟生长的营养需求，导致生长前期叶片扩展慢，生长后期土壤持续释放氮素，烟叶增厚，开片不足，严重影响烤烟品质风格的形成[3]。因此，深入研究云南典型植烟土壤的通气孔隙状况及其主要影响因子，进而综合评估植烟土壤物理性状的区域适宜性，可为当地优质烤烟种植区划、区域烤烟总体品质提升等提供理论依据。
近年来有关植烟土壤物理性质的研究，主要集中在土壤质地、容重和通气孔隙等方面。在土壤质地研究方面，宋莹丽等[4]对全国8个省份的植烟土壤质地与烟叶品质的关系研究表明，适宜的高砂粒和低黏粒含量的土壤有利于烟叶优质品质的形成。在土壤容重研究方面，祖朝龙等[5]在皖南烟区水稻土中掺播体积比为5%~50%稻壳后，土壤容重由1.3~1.4 g·cm–3降至0.9~1.2 g·cm–3，烟株农艺性状显著提高。贾国涛等[6]研究发现腐熟秸秆可以显著降低土壤容重，降低土壤紧实程度。邓小华等[7]研究表明绿肥翻压3年后植烟土壤容重最高可降低23.87%。在土壤通气孔隙研究方面，李云飞等[8]对陕西宝鸡黏土烟区进行掺砂（10%、20%、30%和40%）后发现，与不掺砂相比，掺砂处理可提高土壤孔隙度10.2%~11.5%。孙益权等[9]在贵州毕节黏重植烟黄壤上添加7.5%、15.0%和22.5%的多孔改良剂后，土壤通气孔隙度分别增加了2.7%、8.6%和10.6%，多孔改良剂的体积比每增加1%，土壤通气孔隙将增加0.5%。
虽然对植烟土壤物理性状的研究受到国内外学者的广泛关注，且有较多报道，但迄今为止，对我国植烟区土壤通气性量化表征的研究报道并不多见。因此，为了解云南典型植烟土壤的通气状况以及物理适宜性，本研究从云南省玉溪市和楚雄州中分别选取华宁县和楚雄市作为研究区，采集典型片区的代表性烟田的耕作层和犁底层土样（之所以同时研究犁底层，是因为调查发现，由于烟田耕作普遍采用小型旋耕机，其耕作深度仅为8~10 cm，加之云南近年来干旱频发，烤烟根系生长更加难以穿透犁底层），并测定分析了土壤理化性质，旨在通过分析云南典型烟区植烟土壤的物理性质，尤其是通气孔隙的特征、规律和区域特点，为植烟土壤物理性质改良和烟叶品质提升提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况华宁县地处云南省中部，位于23°59′~24°34′N，102°49′~103°09′E之间，海拔介于1 110~2 663 m，平均海拔1 620 m，属于亚热带半湿润高原季风气候，年均气温16℃，降雨量916 m左右，日照时数2 115~228 9 h，是典型的山区农业县，主要种植甘蔗、烤烟、油麻、蔬菜和柑桔等作物。在华宁县代表烟区选择青龙镇和宁州镇作为采样点，青龙镇土壤类型主要有红壤、紫色土和水稻土，成土母质为冲积岩、页岩和紫红色砂岩；宁州镇土壤类型主要有红壤和水稻土，成土母质为冲积岩和紫红色砂岩。
楚雄市位于云南省中部偏北，处于24°13′~26°30′N，100°43′~102°32′E之间，平均海拔约1 773 m，属亚热带低纬高原季风气候，年均14. 8~21.9℃，降水量864 mm，日照时数2 414 h。土壤类型共有19类，以紫色土分布最广，红壤次之，主要种植烤烟、茶叶、薯类、豆类等作物[10]。地势西北高，东南低，从西北到东南倾斜，全市海拔区间在691~2 916 m。该地区气候冬干夏湿，气温日差较大，年降雨量为864 mm，年均气温为15.6℃。在楚雄市代表烟区选择子午镇作为采样点，子午镇土壤类型主要为紫色土和水稻土，成土母质为页岩和紫红色砂岩。
1.2 样品采集与处理土壤样品采自华宁县代表性烟区的青龙镇、宁州镇和楚雄市代表性烟区子午镇，分别选择16、13和9块典型烟田，各采样点按深度将土层划分为耕层（表土层，Topsoil）和犁底层（表下层，Subsoil），各层分别采集环刀样（100 cm3）3个，分析样1份。在各采样点区域内，按五点混合取样随机采集土壤，用四分法制成分析样约1 kg，带回室内风干、磨碎，过2 mm筛备用。按云南植烟区主要样品采集地进行分类分析，每个采样区的采样点数大于等于3。
1.3 测定项目与方法土壤容重采用环刀法（100 cm3）；土壤通气孔隙采用砂箱法[11-12]，将原状土壤环刀置于水中浸泡至饱和（24 h）后称重，再放入Eijkelkamp Sandbox（08.01）砂箱，将压力水头设置为60 cm，饱和含水量与60 cm压力水头下的含水量差即为 > 50 μm的通气孔隙度；土壤机械组成采用吸管法测定，土壤质地分类标准采用美国制；土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定；土壤pH采用电位测定法测定[13]。
1.4 数据处理与分析数据采用Microsoft Excel 2016软件进行统计分析并作图，采用IBM SPSS 22.0对土壤各项指标进行显著性检验与分析。采用单因素ANOVA进行方差分析，Duncan法进行多重比较；相关分析采用Spearman法。
2 结果 2.1 云南典型植烟土壤基本理化性质土壤基本理化性质描述统计结果如表 1所示。土壤容重是指田间自然状态下单位容积土体（包括土粒和孔隙）的质量或重量，是衡量土壤结构的重要指标。郝葳等提出，适宜烟草生长的土壤容重为1.1~1.4 g·cm–3[14]。由表 1可知，青龙、宁州和子午耕作层容重均值为1.3 g·cm–3，数值均小于1.4 g·cm–3临界值。青龙、宁州和子午的犁底层容重均值分别为1.3、1.5和1.4 g·cm–3，其中宁州犁底层容重超出临界值。耕作层和犁底层的土壤均表现为青龙地区的土壤容重更小。
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表 1 土壤基本理化性质 Table 1 Basic physic-chemical properties of the studied soils |
根据中国土壤养分评价标准[15]，适宜烤烟生长的土壤pH范围为5.5~7.0。从表 1可以看出，青龙、宁州和子午的耕作层pH均值分别为7.2、6.8和6.6。其中，宁州地区土壤pH的变幅较大，为4.8~8.2。在犁底层中，青龙地区的土壤pH变幅较大，为5.3~8.3，均值为7.5。三个采样区域中，子午地区犁底层土壤pH最低，为6.8。
土壤有机质是衡量土壤肥力的重要因子。已有研究表明，植烟土壤有机质含量过高，烟叶贪青晚熟；有机质含量过低，烤烟香气不足[16]。从表 1可以看出，宁州地区耕作层土壤有机质含量在12.38~30.88 g·kg–1之间，均值为23.0 g·kg–1。比较三个采样区的耕层有机质含量，子午地区耕作层土壤有机质含量最高，为31.0 g·kg–1。在犁底层中，青龙地区土壤有机质含量最高，达26.6 g·kg–1，其次为子午地区，宁州地区土壤有机质含量最低，仅为20.9 g·kg–1。一般认为，适宜烤烟生长发育的土壤有机质含量为20~30 g·kg–1。青龙、宁州和子午地区有机质含量较高，能满足烤烟生长的需求。
氮是烤烟生长发育必备的营养元素之一[17]。由表 1可知，青龙耕层土壤全氮含量处在0.83~2.60 g·kg–1之间，均值为1.6 g·kg–1。子午地区全氮含量变幅最大，介于0.52~3.11 g·kg–1之间，均值为1.9 g·kg–1。在犁底层中，青龙地区的全氮极大值为2.72 g·kg–1，均值为1.7 g·kg–1；宁州地区土壤全氮含量在0.62~1.93 g·kg–1之间，均值为1.3 g·kg–1。植烟土壤全氮含量最适范围为1.1~1.5 g·kg–1。云南典型植烟区土壤全氮含量在1.3~1.9 g·kg–1之间，土壤供氮能力强。这表明云南典型植烟区土壤养分含量充足。
2.2 云南典型植烟土壤颗粒组成根据美国农部（USDA）土壤颗粒分级（砂粒，0.05~2.00 mm；粉粒，0.002~0.05 mm；黏粒，< 0.002 mm）和质地分类，由表 2可知，青龙地区耕层土壤砂粒、粉粒和黏粒比例均值分别为34.3%、42.0%和23.7%，以粉粒为主。犁底层土壤的粉粒占比为41.3%，三者中占比最高。宁州地区的耕作层土壤砂粒、粉粒和黏粒比例均值分别为32.2%、39.6%和28.2%，以粉粒为主。在犁底层中，粉粒含量最高，达39.6%，其次为砂粒，黏粒含量最低。子午地区的耕作层土壤以粉粒含量最高，变化范围为25.88%~56.16%，均值为39.0%。犁底层同样粉粒含量最高，达37.7%。
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表 2 土壤颗粒组成 Table 2 Soil particle size composition |
将云南典型植烟区全部采样点的土壤质地进行分类统计，计算各类所占比例，结果如图 1所示。由图 1可知，云南典型植烟区土壤质地主要有砂质壤土、粉砂壤土、壤土、粉砂质黏壤土、黏壤土5类，其中以黏壤土占比最高，达39.5%；壤土次之，占31.6%；粉砂壤土仅占7.9%。
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图 1 云南典型植烟区土壤质地占比 Fig. 1 Proportion of soils by texture in the tobacco planting areas typical of Yunnan Province |
土壤通气孔隙度是指气体填充土壤孔隙的体积比例[13]，一般定义为 > 50 μm的孔隙度[18]。从表 3云南典型植烟区土壤通气孔隙度来看，青龙、宁州和子午的耕作层土壤通气孔隙度均值分别为15.1%、10.6%和9.4%，青龙地区的通气孔隙度最高，宁州和子午地区与青龙地区相比，通气孔隙度分别减少了11.3%和29.8%。
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表 3 土壤通气孔隙度 Table 3 Soil aeration porosity |
在犁底层土壤中，青龙地区的土壤通气孔隙度最高，达10.8%，宁州和子午地区与青龙地区相比，通气孔隙度分别减少了40.7%和45.4%。其中，宁州地区土壤通气孔隙最小值仅为0.75%。
郝葳和田孝华[14]提出，适宜烟草生长的土壤通气孔隙度介于15.9%~19.6%。从图 2可以看出，云南典型植烟区土壤通气孔隙度均值最大为15.1%，最小为5.9%，均低于临界值15.9%。因此，青龙、宁州和子午地区存在通气孔隙不足的问题。
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图 2 云南典型植烟区土壤通气孔隙度 Fig. 2 Soil aeration porosity in the major tobacco planting areas in typical of Yunnan Province |
土壤质地是影响烤烟品质的重要因子之一。郝葳和田孝华[14]认为优质烟区适宜的土壤质地为砂壤土至中壤土。陈江华等[15]认为最适宜的植烟土壤是壤砂土和砂壤土，黏粒含量在10%~20%之间；美国研究则认为在砂土和砂壤土上种植的烟草最好。亢贵霞等[19]研究表明砂土抗旱能力弱，保肥性能差；黏土通气性差，有机质含量丰富；壤土兼有两者的优点，是理想的植烟土壤。云南地区11月至次年5月的冬春季节为旱季，降水量较少，砂土保肥能力差，养分易流失。因此在云南地区，不能套用美国的标准。根据实地调查结果表明，壤土适宜，黏壤土和粉黏壤土较适宜，砂质壤土为不适宜。统计研究区土壤质地占比发现，青龙、宁州和子午地区土壤质地以黏壤土占比最高，占比达39.5%；壤土次之，粉砂壤土占比最低，此地区耕性优良，土壤质地适合烟叶生长。
通气孔隙是指主要充满空气的孔隙，这部分孔隙不具有毛管引力，水分不能在其中保持，在重力作用下迅速排出或下渗补充地下水，成为通气的通道、故称为通气孔隙[13]。玉溪地区地处低纬度高原区，大、暴雨集中于6—8月，此时正是烤烟生长的关键时期，高密度降雨量会导致土壤水分饱和，通气孔隙堵塞，不利于烤烟的生长。郝葳和田孝华[14]提出，适宜烟草生长的土壤通气孔隙度介于15.9%~19.6%。本研究认为郝葳和田孝华的标准符合云南典型植烟区的情况，采用15.9%作为临界值。从图 2可以看出，云南典型植烟区土壤通气孔隙最高达15.1%，最低仅为5.9%，远远低于15.9%的临界值，因此，华宁和楚雄地区均存在土壤通气不足的问题。
综合土壤质地和通气孔隙度等数据分析，可知3个典型研究区中青龙镇植烟土壤物理性质最好，结构疏松，孔隙结构良好，宁州和子午的土壤物理性质仍有待改善。
3.2 土壤通气孔隙度影响因子土壤通气孔隙度受多种因素影响，主要包括土壤质地、土壤颗粒组成、土壤容重、施肥方式等。土壤质地是土壤通气孔隙大小的影响因子之一。土壤质地通过改变土壤的通气性能，对养分供应产生间接影响，进而影响烟叶产质量[20]。植烟区土壤质地类型对烟草生长具有显著影响。云南典型烟区土壤主要质地类型为：粉砂壤土、粉砂质黏壤土、砂质壤土、壤土和黏壤土，根据不同土壤质地类型下土壤通气孔隙度统计结果（图 3）可知，在5种质地类型的植烟土壤中，耕层土壤，砂质壤土、壤土和粉砂壤土的通气孔隙度均较高，分别为14.7%、12.8%和12.2%，粉砂质黏壤土通气孔隙度最低，仅为6.6%，耕层砂质壤土、壤土和粉砂壤土通气孔隙度较粉砂质黏壤土分别提高121%、92.6%和83.3%。犁底层土壤中，砂质壤土的通气孔隙度仍为最高，可达10.7%，其次是壤土，其通气孔隙度也可达10.0%，其余三种土壤的通气孔隙度均低于10%，黏壤土、粉砂质黏壤土和粉砂壤土的通气孔隙度较砂质壤土分别降低了30.9%、52.2%和62.8%。综上可知通气孔隙对土壤质地影响较显著。
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图 3 不同质地条件下的云南典型植烟土壤通气孔隙度 Fig. 3 Soil aeration porosity of the tobacco fields relative to soil texture |
值得注意的是，粉砂质黏壤土质地的土壤通气孔隙度无论是在耕作层还是犁底层，孔隙度均较低，而粉砂壤土的犁底层通气孔隙相比耕作层明显减少，说明粉粒多的土壤更容易受到植烟过程中的耕作扰动，造成犁底层细颗粒堆积，阻塞通气孔隙。类似的结论也在一些研究中被发现，例如，Tester[21]认为砂质土壤中具有较多的大孔隙是因为土壤的颗粒较大，且排列松散，颗粒间的孔隙不易受扰动而阻塞。王德盛等[23]提出，相同容重条件下，不同类型土壤导气率不同，即使土壤类型相同，土壤导气性能也不一定相同，河南郑州的砂粉土导气率约为鹤壁砂粉土的3倍~5倍，是由于郑州砂粉土的砂粒含量较鹤壁砂粉土高15.3%。这说明土壤类型中的土壤粒径含量不同对土壤通气性能也具有显著影响。
为了验证土壤颗粒组成对土壤通气孔隙度的影响，对云南典型植烟土壤通气孔隙度和基本物理性质进行了相关性分析。一般认为砂土类粒间孔隙大，通气透水能力强，但本研究发现，土壤通气孔隙度与砂粒含量无关，而与粉粒含量呈显著正相关，相关系数为0.965；与黏粒含量呈负相关，相关系数为–0.818。这可能与土壤中的有机质含量有关，Brady和Weil[23]认为当细质土壤中有机质含量高于粗质土壤时，土壤中的总孔隙和大孔隙（> 50 μm）较多，有机质与细粒结合形成较大的团粒结构，团粒结构再排列形成较大的通气孔隙[24]。与本研究的结论相同，五种质地的土壤中有机质含量在同一水平，此时土壤通气孔隙度受质地影响最为显著，云南典型烟区中，质地较粗的砂质壤土和壤土通气性最好，其他土壤质地较细的植烟区可以通过增加有机质输入来提高土壤通气孔隙度。
比较三个采样区域耕作层和犁底层的通气孔隙度，发现从耕作层到犁底层，土壤通气孔隙度逐渐减小，这与人为的耕作活动有关。何海燕等[25]在研究不同土壤利用方式下黑土的孔隙特征时发现，耕地土壤通气孔隙度随着取土深度逐渐减小，撂荒地土壤通气孔隙度高于耕地，因为撂荒后杂草生长，植物根系穿插有利于土壤通气孔隙恢复。
3.3 土壤通气孔隙预估土壤通气孔隙度的传统测定方法是先测定出土壤总孔隙度和毛管孔隙度，再根据相关公式计算得出[18]。但关于通气孔隙度的计算公式标准不一，加之测定比较繁琐，在常规植烟土壤区域调查中，土壤通气孔隙一直被忽略，在烟叶产区很难收集到相关数据。因此，可以考虑根据土壤其他易获属性的数据建立土壤通气孔隙度的传递函数来预测。
这里选择影响较大且容易获取数据的粉粒和黏粒含量2个因子。在模型1中，以粉粒（Silt）含量为源数据，建立土壤通气孔隙度（AP）与粉粒含量的回归关系式（表 4）；在模型2中，以黏粒（Clay）含量为源数据，建立土壤通气孔隙度（AP）与黏粒含量的回归关系式。
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表 4 土壤通气孔隙度的回归方程 Table 4 Regression equation of aeration porosity(AP) |
尽管本研究提出通过相对易获取的粉粒或黏粒含量，可以对土壤通气孔隙度进行粗略预测，但由于影响土壤通气孔隙度的因素较为复杂，不仅与土壤本身的性状有关，不同耕作方式及种植制度等也会影响土壤的通气孔隙，这些因素导致其预测精度仍然较低（表 4）。因此，对植烟土壤通气孔隙度的精确预测，需要做进一步更加深入的研究。
4 结论云南典型植烟区土壤通气孔隙不足，土壤质地以壤土和黏壤土为主，土壤容重适宜，养分含量充足。土壤通气孔隙度受土壤质地类型影响显著，其中砂质壤土耕层和犁底层土壤通气孔隙度均为最高。土壤中粉粒和黏粒含量是土壤通气孔隙的主要影响因素。
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