2023, Vol. 60
2. 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;
3. 江苏师范大学地理与测绘城乡规划学院, 江苏徐州 221116
2. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;
3. School of Geography, Geomatics and Planning, Jiangsu Normal University, Xuzhou, Jiangsu 221116, China
质地作为土壤最重要的物理性质之一[1-2]，与土壤供氮状况紧密相关[3]。而土壤供氮状况是影响烟叶品质的决定性因素[4-6]，表现为优质烟叶生产的需氮规律为“少时富，老来贫”，即生长前期土壤氮供应充足，后期供氮少[7]。国际上优质烟区的烟草栽培表明，土壤质地对烟叶品质具有决定性的影响，轻质地土壤的供氮过程易调控，而质地黏重的土壤烟叶品质普遍较差。云南省玉溪市是我国优质的产烟区[8-9]，但土壤质地空间变异大，因此，研究植烟区高精度的土壤质地分布对提升烟草种植区划，最终实现区域烟叶品质综合提升具有重要意义。
世界上主要优质产烟区，如美国、津巴布韦和巴西等均选择轻质地、通透性好、容易调控氮素供应的土壤作为优质烟草种植区[10-11]。如美国优质烤烟生产集中在北卡罗来纳和弗吉尼亚等五个州，土壤多为砂壤土[12]；津巴布韦种植烤烟的农场有1 600多个，这些农场多数在中性砂土和砂壤土上，海拔分布在1 050~1 650 m [13]；巴西烟草种植区主要分布在南部浅山丘岗的红砂土、黄砂土、灰色砂土和平原区砂土上，这些土壤含砂量在60%以上，土壤通气性较好[14]。
中国对烟草区划一直很重视，自20世纪60年代以来，我国进行了三次全国性烟草种植区划，区划的关键因子以气候、地形和土壤为主[15-18]。由于在山区地形与气候紧密相关，实际区划中只考虑气候和土壤这两个关键因子，因此，土壤作为区划关键因子之一，其作用得以凸显。然而，对烟草种植区进行土壤区划时，具体选择哪些土壤性质作为区划指标，每个指标权重赋值多少，以及区划成果的空间分辨率等，均会直接影响到土壤区划成果的实用性。筛选哪些土壤性质作为区划指标，国内外至今仍没有统一认识，如许自成等[19]在湘南烟区生态因素与烤烟质量的综合评价中，将土壤有机质、pH、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾、水溶性氯、全磷和全钾9个土壤性质作为评价指标，而土壤质地不在其中；河南省烟草生态适宜性评价的相关研究中，吴克宁等[20]根据河南省的土壤特点提出了8个土壤性质指标，即水溶性氯、耕层厚度、pH、有机质、土壤质地、全氮、速效钾和速效磷，其中土壤质地的权重仅为0.066，这表明土壤质地被作为区划次要因子。在全国第三次烟草种植区划时，经过专家反复讨论，最终确定土壤质地、土壤有机质、pH、有效土层厚度、土壤氯离子等5个土壤性质作为区划指标，其中土壤质地最为重要，其权重为0.306[21]。但该评价体系中土壤质地赋值只包含壤土和黏土等7个类型，而国内外普遍采用美国制粒径分级标准，即土壤质地类型分为12类[2]。不同的土壤质地分级体系以及赋值差异显然不利于当下烟草种植区划。
另一方面，在进行烟草种植区划时，区划成果的空间分辨率高低是其是否具有实际指导意义的重要标志。最新的全国第三次烟草种植区划（2003年—2008年）利用GIS技术，打破行政界线，提高了区划水平，但区划主要依据地理气候，属于一定程度上的经验式划分[22]，其区划成果的最小单元为县域尺度[18]，空间分辨率较低，不能满足目前烟草种植发展趋势。以云南省玉溪市为例，其烟草种植区划空间分辨率约为40 km×40 km（1 600 km2），结果显示其所辖9个区县如江川区、华宁县和红塔区等区划结果均为优质烟区，这与当前玉溪市烟草种植的实际情况不符，实际上这些地区的烟叶品质存在较大的空间差异。可见，以县域为单元进行烟草种植区划空间分辨率太低，不够准确和科学，因此，更为精细的烟草种植土壤区划已成为当下研究重点。
综上所述，红塔集团提出烟草区划成果的空间分辨率至少到村，目前区划的空间分辨率已不能满足烤烟发展的需求。区域土壤调查数据如何应用于烟草种植区划中，影响烤烟品质的土壤关键因子土壤质地等级如何划分等相关问题亟需解决。为此，本文以云南省玉溪市植烟区为研究对象，利用云南省、地市和县级多年土壤调查数据为基础，建立玉溪市100 m级空间分辨率土壤数据池，以烟草区划的土壤关键因子土壤质地为例，构建适应烟草区域需求的100 m级玉溪市土壤质地等级分布图，探究玉溪市主要植烟区100 m级土壤质地品质分布特征。
1 材料与方法 1.1 研究区概况玉溪市位于云南省中部（23°19'—24°53' N，101°16'—103°09' E），总面积为15 285 km2，下辖9个县区，即红塔区、江川区、澄江市、华宁县、通海县、峨山县、易门县、新平县、元江县。该区域地处云贵高原西缘，地势西北高，东南低，地形复杂，山地、峡谷、高原、盆地交错分布，海拔以1 500~1 800 m为主，属于亚热带季风气候，年平均气温15.4~24.2℃，年平均降水量787.8~1 000 mm[1，23-24]。该区域以山区为主，面积近91%，坝区面积较小，仅占7%[23]。种植农作物以水稻、小麦、玉米及烤烟等为主[25]。土壤类型主要为红壤、棕壤、黄棕壤、燥红壤、赤红壤、紫色土和水稻土，其中红壤、紫色土和水稻土适宜栽种烤烟作物，占总面积的70%[23]。
1.2 数据来源与处理玉溪市植烟区分布图由红塔烟草集团提供。依据全国第二次土壤普查资料，在ArcGIS支持下建立玉溪市1：5万土壤空间数据库，并与玉溪市所记录的444个土壤剖面数据融合，建立完整的玉溪市1：5万土壤数据库[26]，然后将矢量图层进行栅格化，得到100 m级（100 m×100 m栅格）的玉溪市土壤属性空间分布图。考虑到当地植烟土壤耕层的深度，本研究所涉及的土壤质地数据均为表层土（0~20 cm）。
利用ArcGIS软件，将玉溪市土壤质地空间分布图与玉溪市植烟区分布图进行叠加，获得植烟区土壤质地分布图。在此基础上，考虑到当前国内外土壤质地普遍采用美国制粒径分级标准（砂粒0.05~2.00 mm、粉粒0.002~0.05 mm和黏粒 < 0.002 mm）及其分类标准（12级）[2]，本研究针对植烟土壤特点提出植烟土壤质地品质的分等定级规范。
数据统计和分析在ArcGIS和SPSS13.0完成。
2 结果 2.1 玉溪植烟区100m级土壤颗粒组成及其空间分布特征依据全国第二次土壤普查资料，本研究建立了详细的玉溪市-区-村镇级土壤质地空间分布图，以土壤砂粒含量为例，结果如图 1所示。为便于进行比较，现以玉溪市为例，对其面积进行栅格转换，考虑到以往云南烤烟区划精度仅为地市级和县域，玉溪市总面积约15 000 km2，可转换成对应栅格为120 km×120 km；玉溪市下辖9个县（区），每个县（区）平均面积约为1 667 km2，可转换成对应栅格为40 km×40 km。本研究构建的玉溪市土壤属性空间分布图，精度为100 m，其对应栅格为0.01 km2。可以看出，与地市级区划空间分辨率相比，本研究烤烟区划空间分辨率提高了144万倍（14 400/0.01），与县域相比，空间分辨率提高了16万倍（1 600/ 0.01）。
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图 1 玉溪市100 m级烟草种植土壤质地分布图—以砂粒含量为例 Fig. 1 Soil texture distribution for the tobacco plantation in Yuxi at 100 m spatial resolution—soil sand content distribution as an example |
玉溪不同区县植烟区土壤粒级分布情况如图 2所示。玉溪全市土壤表层砂粒含量均值为25.8%，含量范围为0.4%~83.0%。土壤黏粒含量均值为28.5%，含量范围为3.8%~75.5%。可见，玉溪市植烟区表层土壤以粉粒含量为主，砂粒与黏粒含量相当。在变异系数方面，砂粒变异系数最大，为77%，粉粒变异系数最小，为32%，黏粒的变异系数处于砂粒和粉粒之间。玉溪市不同县区之间土壤粒径含量空间差异较大，如江川区砂粒含量最高，为43.5%，易门县砂粒含量最低，为17.5%。
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图 2 玉溪市各县域植烟区表层土壤颗粒组成 Fig. 2 Soil particle composition in the surface soil layer for the tobacco plantation in different counties of Yuxi |
以往的全国烟草种植区划中土壤质地类型仅包含7类[21]，而当前国内外普遍采用美国制土壤质地分类方法，其类型分为12类，尚有5个质地类型（砂质黏壤土、粉土、粉质黏壤土、砂质黏土和粉质黏土）缺乏对应等级。考虑到土壤质地分等定级中，一般采用5级用于烟草田间科学管理，因此，本研究将12个土壤质地类型归纳成5个烟草土壤质地品质等级。为进行科学的土壤质地分等定级，依据本团队近些年在玉溪市植烟土壤开展的相关研究结果和查阅文献资料表明，土壤质地对烟叶品质的关键是土壤通气性，烟叶品质以砂壤土为最佳，黏土最差[27]。基于此，依据土壤颗粒组成与土壤质地三角对照图，选择每种质地类型图形的中心点，读取对应的土壤砂粒和粉粒含量值，并列于表 1；再由此估算所对应的物理性砂粒含量（粒径≥0.01 mm），并提出相应的土壤物理性砂粒区间划分基准，共计划分了6个区间，如大于≥90%、90%~80%和80%~70%等，根据国内外土壤质地对烟叶品质影响的研究结果，将6个土壤物理性砂粒区间归纳为5个烟草土壤质地品质等级，即一等、二等、三等、四等和五等。如“一等”土壤物理性砂粒含量为80.0%~90.0%，包括2个质地类型，砂质壤土和砂质黏壤土；土壤物理性砂粒含量≤50%为五等，土壤质地类型包括黏土和粉（砂）质黏土。最后，将12个土壤质地类型归纳为相应的5个烟草土壤质地品质等级（表 1），在烟草种植区划评价中给予相应的权重，一等，二等、三等、四等和五等的质地品质指数依次为100、90、75、60和40（表 2）。基于已掌握的玉溪市植烟区土壤质地类型分布情况和当前调查结果，即玉溪市近26%的土壤剖面质地品质无对应等级，主要包括粉质黏壤土、粉质黏土和砂质黏壤土，说明本研究制定的分等定级规范覆盖全面且较为合理。
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表 1 不同土壤质地类型的物理性砂粒含量与植烟土壤质地品质等级划分基准 Table 1 Physical sand content in soil texture classification and the standard for soil texture grading in tobacco planted soil |
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表 2 玉溪市第二次全国土壤普查444个土壤剖面表层土壤质地品质等级及其权重划分结果 Table 2 The results of Soil texture grades and weights of 444 soil profiles in Yuxi recorded in 2nd National Soil Survey of China |
基于建立的1：5万植烟土壤数据库和量化植烟土壤质地品质等级，玉溪市植烟土壤质地品质整体较好，一等、二等和三等面积比例分别为10%、36%和12%，占总面积的1/2以上（表 3），表明当前玉溪植烟区土壤质地情况一定程度上能够保障优质烟叶的产质量。四等和五等质地面积较大，占总面积的42%。因此，本研究建议对四等质地植烟土壤进行结构改良，以提高植烟土壤质地品质；由于五等质地的烟叶品质较差，且土壤结构改良成本高，在保证烟叶产质量的前提下，可改种其他经济作物。
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表 3 玉溪市植烟土壤质地品质分布特征 Table 3 Soil texture grades distribution for the tobacco plantation in Yuxi City |
玉溪植烟土壤面积分布具有区域差异性，具体表现在：华宁县和新平县植烟土壤面积较大，均占总面积的15%左右，通海县和红塔区植烟土壤面积较小，仅占总面积的8%和6%，如表 4所示。由此说明，华宁县和新平县是玉溪市烤烟作物种植和生产的主要县区，其土壤质地的现状以及改良需重点关注。
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表 4 玉溪市各县区植烟土壤面积及其质地品质等级分布情况 Table 4 Soil area and texture grades distribution for the tobacco plantation in different counties of Yuxi |
植烟区土壤质地品质等级也存在明显的区域性差异，如图 3所示。大部分一等质地品质土壤集中在玉溪市东部地区，即江川区西北部、通海县中西部以及峨山县东南部；四等主要分布在玉溪北部地区；五等也多数分布在玉溪东部，即澄江县中部和南部地区，华宁县北部和红塔区北部地区。玉溪市地形复杂，山地、峡谷、高原、盆地交错分布[28]，区域小气候、微地形以及水文等条件的差异导致成土环境和人为活动强度不同，造成土壤质地品质差别较大。如玉溪市东部地区具有良好的耕地资源优势，能为烤烟作物生长提供较优的耕作条件，植烟土壤面积较大，且区域水系密集，有抚仙湖、星云湖、杞麓湖等，灌溉条件相对优越，长期连作以及农田肥料投入量较高，耕作历史悠久，造成植烟土壤质地不仅有优等（一等、二等和三等），也存在大量的五等，等级分异明显。
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图 3 玉溪市100m级植烟土壤质地品质等级空间分布 Fig. 3 Soil texture grades distribution for the tobacco plantation in Yuxi at 100 m spatial resolution |
玉溪市植烟土壤面积、土壤质地品质以及品质指数在不同海拔上均具有分异性。植烟土壤基本分布在海拔低于2 200 m的区域，其中，1 600~2 000 m占主要部分，面积比例高达76.4%，海拔＜1 600 m和＞2 000 m的植烟土壤面积较小，分别占总植烟面积的16.1%和7.4%。不同海拔高度上植烟土壤质地品质存在较为明显的差异，如表 5所示。优等土壤质地品质多集中在海拔低于2 000 m植烟区，占其植烟面积近60%。在土壤质地品质指数方面，玉溪市植烟土壤总体上处在70~74之间；同时，在海拔低于2 200 m土壤质地品质指数呈现随海拔升高而降低的趋势，如图 3所示。以上研究说明，海拔1 600~2 000 m的区域是玉溪烟叶主产区和优质植烟土壤质地主要分布区。这是因为：一方面，玉溪市耕地资源主要分布在海拔1 600~2 000 m地区[28]，为烤烟作物提供生长的土壤资源；另一方面，海拔影响农作物生长所需的温度、湿度、光照以及雨量等[28]，而烤烟作为喜温作物，低海拔能为其提供生长发育所需的热量资源。此外，海拔高度在一定程度上能够限制人为耕作活动，如高海拔地区道路不畅、灌溉设施缺乏等，相应的植烟土壤受人为扰动强度较小，自然状态下土壤干扰较少，其土壤结构及质地较好，这可能是海拔＞2 200 m的地区土壤质地品质指数较高的重要原因之一。可见，海拔不仅制约玉溪植烟土壤面积，而且对植烟土壤质地品质也有重要的影响。
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表 5 玉溪不同海拔高度及其质地品质等级植烟土壤面积 Table 5 Distribution of soil area and texture grades for the tobacco plantation in Yuxi at different altitudes |
利用云南省、地市和县级土种志所记录的玉溪市土壤剖面数据构建的100m级玉溪市土壤质地空间分布图，详细程度达到村镇尺度，极大地提高了植烟土壤区划精度及其实用性；以土壤物理性砂粒含量为基准，将玉溪市植烟土壤质地品质划分为五个等级，能够科学准确地表征当前玉溪市植烟区土壤质地品质现状；玉溪市植烟区土壤质地品质空间分布区域差异性较为明显，且随着海拔高度不同，土壤质地品质差异较大。因此，玉溪市实行分区域分海拔对植烟区进行规划，将有利于优质烟叶生产及其植烟土壤的科学管理；在此基础上，考虑到我国其他植烟地区烟田土壤质地改良，本研究所提出的植烟土壤质地品质划分标准区域性拓展和适应性推广值得进一步研究。
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