2022, Vol. 59
表1(Table 1)
2. 江苏师范大学地理测绘与城乡规划学院, 江苏徐州 221116;
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. School of Geography, Geomatics and Planning, Jiangsu Normal University, Xuzhou, Jiangsu 221116, China;
3. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China
良好的土壤生态环境是维持烟草产量和质量的重要前提[1]。化肥的长期过度施用使得不少地区的植烟土壤生态受到破坏[2]。生物质炭基肥作为一种新兴土壤肥料，因独特的物理化学性质有助于维持土壤生态系统的平衡，改善土壤的生态功能，对促进作物生长发育具有重要意义[3-4]。在当前区域土壤环境保护和烟草生产可持续发展背景下，生物质炭及其衍生的炭基有机肥在提升烟草产量、品质和改善土壤环境方面，展现出优良的经济效益和环境效应[5-6]。
生物质炭是由农作物废弃秸秆在完全或部分缺氧情况下，经热解炭化产生的一类高度芳香化的难熔性固态物质，炭基有机肥是以生物质炭作为辅料生产出的有机肥[7]。近几年，炭基有机肥施用对土壤环境的影响成为土壤学和环境科学的研究热点，一些学者对此问题开展研究并取得了一系列研究成果。首先，炭基有机肥可显著改变土壤物理性质。由于经过炭化，炭基有机肥通常具有巨大的比表面积和丰富的孔隙结构，其可利用自身的吸附性和高孔隙性增加土壤团聚体数量，降低土壤容重，增大孔隙度，使土壤结构得到有效改善，进而为作物根系的生长提供有利条件[8]；同时，炭基有机肥土壤孔径和分布改变了土壤水分的渗滤模式、停留时间和流动路径，可改善土壤保水能力，尤其对砂质土壤的改良效果更为明显[9]。其次，炭基有机肥对土壤化学性质具有重要影响。由于大多数生物质炭自身呈碱性，施用后能有效提升土壤pH，在酸性较强的土壤中施用的效果更为明显[1，10]；由于炭基有机肥能提高土壤pH，可进而降低重金属的活性，降低汞、铜、镉等重金属元素的危害[11]；炭基有机肥中含有大量灰分元素，能大幅提高土壤溶液的盐基饱和度，增加土壤可溶性盐基离子的含量，进而对土壤电导率产生影响[12]；生物质炭施入土壤后还能够增加土壤阳离子交换量，可间接改善土壤的保肥能力[13-14]；由于炭基有机肥自身含有大量的养分元素，同时其表面含有大量的含氧官能团和电荷，使其对土壤中的NH4+等离子具有较强的吸附性，从而减少土壤养分淋失，起到保持土壤养分和增加土壤固碳的效果[15-16]。再者，炭基有机肥对土壤微生物的影响不容忽视。土壤微生物对环境变化的感受十分敏锐，对生物质炭施用的响应要较土壤理化性质的变化更快。一方面由于生物炭自身的孔隙结构会对水肥形成吸附作用，可形成适合土壤微生物生长的良好环境[17]；另一方面由于生物质炭自身具有较高的碳氮比，进入土壤后造成土壤体系碳氮比的改变，从而对土壤微生物的种群数量以及群落结构等产生较大影响[18]。
已有研究表明，炭基有机肥对改善土壤生态环境作用明显，其效果在不同植烟区土壤得到证实[5，13，17]。但需要指出的是，烟草最适宜生长的土壤pH为5.5~7.0，炭基有机肥本身具有较强的碱性，应避免在pH偏高或很高的植烟区大量使用，以免造成土壤pH升至过高而对烟草生长产生不利影响。如何在土壤pH变幅较大地区科学确定炭基有机肥的施用区域和施用量是需要解决的现实问题。然而，已有研究多是基于定位试验的改良效果对比评价，针对特定土壤环境问题而施用炭基有机肥的区划研究报道甚少。毕节市烟草公司已建成了年产10万t的烟杆炭基有机肥生产基地，现在迫切需要明确该有机肥的适宜施用区。鉴于此，选择贵州省毕节植烟区土壤为研究对象，针对该烟区近几年大力推广烟杆炭基有机肥以改善土壤条件的现实需要，结合本烟区土壤酸化的空间分异特点，制定改良酸化土壤为目的的炭基有机肥施用管理分区，为该地区炭基有机肥的精准施用提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况毕节市位于贵州省西北部，地处26°21′N~27°46′N、105°36′E~106°43′E之间，面积约26 900 km2，下辖威宁、赫章、七星关、纳雍、大方、织金、金沙和黔西8个县区。该市地处滇东高原向黔中山原过渡地带，地势呈西高东低，平均海拔1 400 m。该市属北亚热带季风湿润气候，降雨量较为充沛，年均降水量849~1 399 mm，多年平均温度10~15℃，年日照数1 096~1 769 h，无霜期为245~290 d。该地区属于典型的岩溶山区，地形复杂，土壤类型多样，主要包括黄壤、黄棕壤、石灰土、紫色土、粗骨土等[19]。毕节市是贵州省的主要烟草产区之一，以烟草种植为主，其他农作物主要有水稻、小麦、玉米和大豆等。
1.2 样品采集与处理本研究在毕节植烟区共采集2 059个土壤样品，其主要母岩类型包括砂岩、砂页岩、页岩、碳酸盐岩和玄武岩。在8个县区中，威宁、赫章、七星关、纳雍、大方、织金、金沙和黔西的土壤样点数量分别为958、168、143、129、309、81、98和173个。土壤样品采集分别于2018年11月和2019年11月进行，采样时利用GPS定位仪记录采样点的经纬度和高程，并记录各采样点的土壤类型、地形地貌等相关环境信息。
1.3 测定项目与方法根据研究的需要，本研究不仅对土壤pH进行测定，同时对与土壤酸碱缓冲潜力相关的土壤有机质、有效钙、有效镁、土壤黏粒和阳离子交换量（CEC）等指标进行测定。其中，土壤pH采用pH计法（水土比为1：2.5）测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾滴定法测定；土壤有效钙、有效镁含量通过乙酸铵交换—原子吸收分光光度法进行测定，土壤黏粒含量和CEC分别采用吸液管法（沉降法）和乙酸铵法测定，具体操作步骤参照土壤农化常规分析方法[20]。
1.4 土壤pH分级和酸碱缓冲潜力综合指数首先，根据植烟区土壤pH的已有研究[21-23]，结合毕节地区的烟草种植情况，将土壤pH划分为很低（pH < 5.0）、偏低（5.0 < pH < 5.5）、适宜（5.5 < pH < 7.0）、偏高（7.0 < pH < 7.5）和很高（pH > 7.5）5个等级[1]。
其次，本研究基于采样点土壤有机质含量、有效钙镁含量（有效钙和有效镁含量之和）、土壤黏粒含量和阳离子交换量等多因子的综合指数评价法对毕节植烟区土壤酸碱缓冲性能进行评价[24]。在对不同因子进行标准化处理（式（1））的基础上，采用标准差因子赋权法得到各因子的权重（式（2）和式（3））和酸碱缓冲潜力指数，进而综合得出各类型区的酸碱缓冲潜力综合指数（SI）。
| Tij=xij¯xj(i=1,2,......n;j=1,2,......m) | (1) |
| Sj=√nt∑i=1(Tij−¯Tj)2n，¯Tj=nt∑i=1Tijn | (2) |
| Wj=Sjm∑j=1Sj | (3) |
式中，Tij为指标的标准化值，
| SIi=V1×W1+V2×W2+V3×W3+V4×W4 | (4) |
式中，SIi表示i类型的酸碱缓冲潜力的综合指数值；其中V1、V2、V3和V4分别为i类型的有机质、有效钙镁、黏粒和CEC含量的标准化数值，W1、W2、W3和W4分别为有机质、钙镁、黏粒和CEC含量的权重值，W1+W2+W3+W4 =1。
1.5 炭基有机肥施用适宜性等级划分吴甫成等[25]在湖南6种土壤类型上，通过pH定值回滴实验发现不同土壤类型pH及其酸碱缓冲性能存在较大差异，并指出pH与酸碱缓冲能力均是优化调控酸化土壤时需充分考虑的重要因素。本研究基于毕节烟区2 059个土壤采样点数据，通过图斑类型法得到土壤pH、有机质、有效钙镁、黏粒和CEC含量的空间分布图，并基于采样点土壤有机质、有效钙镁、黏粒和CEC含量数值计算得到土壤酸碱缓冲潜力综合指数（SI）值，进而根据每个类型的pH和SI对毕节烟区土壤炭基有机肥的施用适宜性等级进行区域划分。在确定炭基有机肥施用的适宜性等级时，pH越低，施用炭基有机肥的适宜性等级越高；SI越低，表明该土壤抵御进一步酸化的能力越弱，则施用炭基有机肥的适宜性等级也越高。为统筹考虑pH和SI，并消除两指标数值之间较大差异带来的影响，保证结果的可靠性，本研究先对pH和SI通过均值标准化法进行处理，分别得到pH'和SI'，然后通过两者的乘积（Pv）来确定炭基有机肥施用的适宜性等级[26]，乘积越小，适宜性等级越高，反之越低。为增强适宜性等级的实用性，本研究综合考虑土壤pH和酸碱缓冲能力，根据Pv将施炭基有机肥用适宜性等级分为最适宜（Pv≤0.8）、次适宜（0.8 < Pv≤1.2）和不适宜（Pv > 1.2）三个等级。
此外，为了更好地指导当地炭基有机肥的施用，本研究依据各乡镇的最适宜、次适宜和不适宜等级的面积比例，将毕节地区所有乡镇划分为重点施用乡镇、一般施用乡镇、不宜施用乡镇三种类型。若该乡镇的最适宜等级的面积超过1/3，且最适宜和次适宜等级的面积之和超过该乡镇的2/3，则将该乡镇确定为重点施用乡镇，若不适宜等级的面积比例超过2/3，则将该乡镇确定为不宜施用乡镇，将以上两类型之外的乡镇确定为一般施用乡镇。
2 结果与讨论 2.1 毕节烟区土壤pH统计特征研究区全部土壤采样点（n=2 059）的pH统计结果如表 1所示。全部采样点的pH变幅为3.8~8.7，均值为6.5，整体上呈弱酸性。土壤pH变异系数为0.2，为中等强度变异，表明土壤pH存在较强的空间变异性。就植烟土壤pH等级划分而言，pH处于适宜等级（5.5 < pH < 7.0）的样点比例为43.0%，不足全部采样点的1/2。土壤pH偏低和很低的样点比例分别为13.2%和8.4%，两等级占全部采样点的比例为21.6%，而pH偏高和很高的比例分别为14.8%和20.7%，两等级的样点比例之和达到35.5%。
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表 1 毕节植烟区各县区土壤pH基本统计特征 Table 1 Basic statistical characteristics of soil pH in tobacco growing areas of Bijie |
各县区采样点土壤pH存在较大差异。从pH均值看，大方县、七星关区和威宁县的pH较低，分别仅为6.2、6.3和6.3；而织金县、金沙县和黔西县的pH均值超过了7.0。各县区pH分段统计表明，纳雍县土壤pH处于适宜等级的比例最大，达到51.2%，其次为威宁县、七星关区、赫章县和大方县，比例分别为45.3%、44.8%、44.2%和42.2%，而金沙、黔西和织金三县区的比例较低，分别为30.6%、34.3%和34.6%。大方、七星关和威宁三县pH处于偏低和很低等级的比例较高，两等级之和分别为32.5%、25.9%和24.8%，而织金县和金沙县的相应比例均低于10%；相反地，金沙、织金和黔西三县土壤pH处于偏高和很高等级的比例均超过了50%，而大方、七星关和威宁相应等级的比例远低于前者。数据统计表明，毕节烟区大方、七星关和威宁三县区的酸化土壤面积比例较大，而金沙、织金和黔西三县区酸化土壤面积比例较小。
2.2 毕节烟区土壤酸缓冲能力特征土壤酸碱缓冲潜力是表征土壤抗衡酸碱物质以减缓pH变化的能力，使土壤酸度尽可能地维持在一定范围内，而不致产生剧烈变化。土壤有机质含量、有效钙镁含量、黏粒含量及CEC等指标可有效反映土壤酸缓冲容量的大小[27-29]。表 2为毕节各县区植烟土壤的酸碱缓冲性综合指数分布情况，可以看出各县区植烟土壤的有机质、有效钙镁、黏粒、CEC等含量存在差异，导致了不同县区之间的土壤酸碱缓冲综合指数SI存在不同程度的差异。大方和威宁两县区的缓冲综合指数值最低，SI仅为0.96，这主要与两县的土壤有机质和有效钙镁含量偏低有关；织金和赫章县的土壤有机质和有效钙镁含量均偏高，因此两县的SI较大，分别为1.23和1.12。这说明了不同县区植烟土壤不仅pH存在差异，而且其土壤阻止酸化的能力也存在差异。王敬华和张效年[30]在华南开展了土壤酸敏感性分区研究，并指出酸缓冲性是影响酸化土壤改良效果的重要指标。故考虑土壤酸碱缓冲潜力进行炭基有机肥施用分区研究是非常必要的。
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表 2 毕节市各县区植烟土壤的酸碱缓冲性综合指数 Table 2 Comprehensive index of acid-base buffer capacity of tobacco growing soil in Bijie City |
已有研究[31]表明，母岩类型和土壤类型是影响土壤pH和土壤酸碱缓冲能力的重要因素。本研究基于母岩和土壤类型对毕节烟区土壤pH及其缓冲能力进行分区，以便为该地区以提升酸化土壤pH为目标的炭基有机肥施用提供科学依据。表 3为不同母岩发育的各种土壤类型的pH及其酸碱缓冲能力分级，就全部母岩—土壤类型而言，砂岩、砂页岩和玄武岩土壤的pH整体较低，其中砂岩粗骨土的pH最低，仅为4.9，其次是砂岩黄棕壤和黄壤、砂页岩粗骨土、玄武岩黄棕壤，其pH分别为5.3、5.4和5.4。砂岩紫色土与砂页岩黄壤、黄棕壤、紫色土的pH较高，但均低于6.0；而碳酸盐岩土壤pH整体较高，其中碳酸盐岩粗骨土和石灰土的pH分别达到了7.4和7.5，为砂岩粗骨土的约1.5倍，碳酸盐岩黄壤和黄棕壤pH分别为6.5和6.6，也全部高于其他母岩发育的土壤类型。各母岩—土壤类型的酸碱缓冲潜力大小与其pH高低大致呈正相关关系，砂岩粗骨土、黄壤的pH最低，其酸碱缓冲潜力指数SI也最小，而碳酸盐岩—石灰土的pH最高，其SI也远高于其他类型，这一趋势与李源环等[28]在湘西地区的研究结果十分一致。通过pH和酸碱缓冲综合指数计算得到的炭基有机肥适宜性等级表明，除砂页岩紫色土外，砂岩和砂页岩发育的土壤类型均属于最适宜施用等级，这些土壤类型区域迫切需要通过施用炭基有机肥提升土壤pH；而碳酸盐粗骨土和石灰土属于不适宜施用等级，表明这两种土壤类型在不改变当前土壤pH及酸碱缓冲潜力的条件下，不宜施用炭基有机肥；其他母岩土壤类型均属于次适宜等级，这些土壤类型需施用一定量的炭基有机肥以适度提升pH，以使其土壤pH保持在较优状态。
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表 3 不同母岩发育土壤的炭基有机肥施用适宜性等级 Table 3 Suitability grades of carbon-based organic fertilizer application in soils with different parent rocks |
图 1为提升酸化土壤pH施用炭基有机肥的适宜性等级分布图。整体上，毕节烟区西部和南部地区的施用优先等级高于东部地区，这主要是因为东部地区以砂岩、砂页岩和碳酸盐岩发育的黄棕壤和黄壤为主，由于该地区处于亚热带海拔较高地区，降雨频繁，有利于土壤的累积黏化过程，同时具有硅、铁淋溶的富铝化特征，土壤多呈酸性至微酸性反应[32]，是适宜施用炭基有机肥的主要区域；而东部地区多为碳酸盐岩发育的石灰土，土壤溶液中的钙镁离子含量极高，土壤盐基饱和度大，土壤pH较高且酸碱缓冲潜力大，为当前不宜施用土壤炭基有机肥的区域。
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图 1 毕节烟区土壤炭基有机肥施用适宜性等级分布 Fig. 1 Distribution map of soil carbon-based organic fertilizer application suitability in Bijie tobacco growing area |
整个毕节烟区和各县区炭基有机肥施用适宜性各等级的比例如表 4所示。可以看出，毕节烟区最适宜、次适宜和不适宜施用炭基有机肥的面积比例分别为22.1%、47.0%和30.9%，其中最适宜和次适宜等级的面积之和超过整个毕节地区的三分之二以上。各县区中，织金县的最适宜等级面积比例最大，超过了全县的一半，其次是赫章和威宁两县，其面积比例均超过了全县的30%，而金沙、大方和黔西三县的最适宜等级比例最小，仅为8.8%、6.2%和4.6%，各县区之间差异性较大。就最适宜和次适宜两等级的面积之和而言，威宁县的比例超过95%，而七星关、纳雍和赫章三县区的比例也达到或接近90%，大方和织金两县的比例也超过了70%，这些县区将是炭基有机肥施用的重点县区。
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表 4 毕节市各县区土壤炭基有机肥施用适宜性等级统计 Table 4 Suitability grade statistics of soil carbon-based organic fertilizer application in Bijie City |
根据各乡镇最适宜、次适宜和不适宜等级的面积比例，将毕节市全部乡镇分为了重点施用、一般施用和不宜施用三种类型，其乡镇数量分别为82、144和32。在重点施用的乡镇中，以威宁、织金和赫章等县区的乡镇为主，代表性的乡镇如威宁县的中水镇和玉龙乡，织金县的上坪寨乡和板桥乡，以及赫章县的可乐乡和安乐溪乡等，这些乡镇的土壤多是由砂岩或砂页岩发育而来，土壤pH整体水平和酸碱缓冲能力均较低；一般施用的乡镇数量较多，多以砂页岩和页岩发育的土壤为主，大方县和七星关区的乡镇数量相对较多，如大方县的星宿乡和牛场乡，七星关区的大屯乡和团结乡等；当前不宜施用炭基有机肥的乡镇则主要集中在黔西县和金沙县，如黔西县的铁石乡和大关镇，金沙县的源村镇和桂花乡等，这些乡镇土壤多为碳酸盐岩发育的石灰土为主，土壤pH和酸碱缓冲潜力较高。
土壤酸碱状况对烟草生长发育和烟叶品质具有重要影响。已有的相关研究通常仅关注土壤pH这一指标，较少考虑土壤酸碱缓冲能力这一重要指标。而仇荣亮等[33]多位学者指出土壤酸缓冲能力反映了土壤pH改变的难易程度，其对植物生境的影响不容忽视，因此已有土壤pH空间变异研究对烟区土壤酸碱调控的指导意义受到影响。本研究充分考虑到土壤pH和酸碱缓冲潜力均对炭基有机肥的施用适宜性产生影响，在提升土壤pH而施用炭基有机肥时，根据各乡镇的土壤pH及其酸碱缓冲能力的具体状况，确定了施用炭基有机肥的适宜性等级，以使毕节烟区土壤管理更加科学高效。此外，研究烟区土壤属性的目的是服务于土壤生产条件的改善，因而土壤制图应能更直接地指导农户管理和生产。然而，一般的区域土壤属性特征图对农户的指导意义有限，而明确、具体的管理措施更容易让农户接受。故本研究基于土壤pH和酸碱缓冲能力，对毕节市各乡镇的炭基有机肥施用适宜性及制图做了初步尝试，明确了每个乡镇施用炭基有机肥的适宜性等级，以求更好地服务农户烟草生产。为使研究结果的指导意义更强，今后尚需在更小的尺度上开展研究。
3 结论通过毕节植烟区2 059个土壤采样点数据的分析表明，该烟区pH平均值为6.5，整体上处于烟草生长的适宜等级，但土壤pH存在较大分异，大方县、七星关区和威宁县的pH较低，而织金县、金沙县和黔西县的pH较高。就土壤酸碱缓冲潜力而言，大方和威宁两县区的缓冲潜力最低，而织金和赫章两县的缓冲潜力最强。根据各母岩及土壤类型的pH及其酸碱缓冲能力分级，砂岩、砂页岩和玄武岩土壤属于最适宜施用炭基有机肥来提升土壤pH的区域，砂页岩紫色土、页岩发育的黄壤、黄棕壤和紫色土以及碳酸盐岩黄棕壤和黄壤等类型属于次适宜区域，而碳酸盐岩粗骨土和石灰土则属于当前不适宜施用炭基有机肥提升pH的区域。对于毕节全部乡镇而言，炭基有机肥重点施用、一般施用和不宜施用三种类型的乡镇数量分别为82、144和32个，重点施用的乡镇多集中在威宁、织金和赫章等县区，一般施用的以大方县和七星关区的乡镇居多，而当前不宜施用炭基有机肥的乡镇主要集中在黔西和金沙两县。研究结果可对毕节烟区土壤的精准施肥和科学管理提供参考。
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表 5 毕节市各县区乡镇施用炭基有机肥的类型划分 Table 5 Classification of application types of carbon-based organic fertilizer in towns of Bijie City |
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