土壤pH、有机质、氮、磷、钾是衡量土壤肥力及质量的重要指标^[1]，直接影响烟株生长发育和烟叶的产质量^[2]。探明植烟土壤pH和养分丰缺状况、空间变异规律及其主控影响因素，是提升耕地质量和烟叶生产力的基础，对土壤可持续利用及指导精准施肥促进烤烟高质量发展具有重要意义。土壤作为一个时空连续的变异体，其理化属性空间分布及格局变化都可能受到结构性因素(土壤母质、地形条件、气候等)^[3]和人为因素(土地利用方式、耕作、施肥等)的影响，在特定区域空间尺度上形成特有的空间异质性^[4]。我国烟草行业在植烟土壤理化属性空间变异方面开展了大量研究^[5-6]，据中国知网上以“土壤”、“空间变异”和“烟”为关键词进行的检索表明，相关的中文研究报道约70余篇。一些研究表明，在田块尺度上，施肥、有机物料投入、秸秆还田是土壤有机质变异的成因^[6-7]；在县域尺度上，pH变异受结构因子(海拔、地形、土壤质地)和随机因子共同作用^[8]；在区域尺度上，土壤碱解氮含量空间变异的主导因子因其所处环境条件不同而有所差异^[9-10]；土壤类型和前作是有效磷变异的主控因素，而速效钾则为海拔和坡度^[11]。目前，关于植烟土壤pH、有机质及氮、磷、钾分布特点和影响因素已有研究^[6-11]，但在自然环境中，各因子间交互作用复杂，随着时间尺度、采样范围、样本量大小的变化，解析土壤养分变异规律不尽相同^[12]。同时，不同烟区间的地域差异，导致土壤养分空间变异的主导因子不同，使得研究结果应用区域性较强。曲靖是云南主产烟区，年均种植烤烟约8.67×10⁴ hm²，年产烟叶1.8×10⁵ t，是中式卷烟最大的核心基地^[8]。已有2008年曲靖市植烟土壤pH和养分方面的研究报道^[13]，揭示pH、有机质、有效硫和水溶性氯含量适宜，全氮和碱解氮含量偏高，速效钾、有效钙、有效镁、有效铜、有效铁、有效锌、有效钼和有效锰含量丰富，有效磷含量中等，全磷、全钾和有效硼含量偏低；各指标均表现为各向异性分布，其中有效磷和有效硼的空间变异主要受随机性因素的影响，其他养分指标的空间变异是结构性因素和随机性因素共同作用的结果。但植烟土壤肥力现状如何尚不明确，为此，本研究运用GIS技术和地统计学方法，分析曲靖主要土壤养分2017—2020年的丰缺状况、空间分布特征及其变异主控因素，旨在为实现烟区土壤可持续利用及精准施肥提供技术支撑。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

曲靖烟区地处云南省东部，介于24°19' ~ 27°03' N、102°42' ~ 104°50' E，海拔介于563 ~ 3 675 m，地势由西北部向东南部倾斜，属低纬高原亚热带季风气候区，年均气温14.24 ℃，降雨量800 ~ 1 700 mm，日照时数1 584 ~ 2 195 h，无霜期204 ~ 282 d。耕地总面积72.9×10⁴ hm²，年均种植烤烟约8.67×10⁴ hm²，按成土母质，土壤类型主要有红壤、紫色土、黄壤、水稻土、冲积土、新积土和石灰岩土^[14]。根据卡庆斯基土壤质地分类制，曲靖土壤质地以壤土占比较高，其次是黏土、砂土^[15]。耕作方式为冬闲、玉米、绿肥、油菜与烤烟轮作为主。

1.2 土壤采集与制备

2017—2020年在曲靖市的会泽县、马龙区、罗平县、陆良县、师宗县、沾益区、麒麟区、富源县、宣威市9个区域采集具有代表性的植烟土壤样品6 685个，在每年4月份烤烟移栽前，平坝区每30 ~ 40 hm²取一个混合土样，丘陵区域或山区每13 hm²左右取一个混合土样；每个田块采样点按“梅花形”随机5点采集0 ~ 20 cm耕层土壤，剔除根系、砾石等杂质均匀混合后按四分法获取0.5 kg左右，在同一采样单元内每8 ~ 10个点的土样构成混合土样，经登记编号后带回实验室，风干、混匀、磨细、过筛留存待测，GPS定位采样点经纬度、海拔。

1.3 测定项目与方法

土壤pH测定采用电位法(水土比2.5:1，V: m) (NY/T1377—2007) ^[16]；有机质采用重铬酸钾氧化法测定(NY/T1121.6—2006) ^[17]；水解性氮采用碱解扩散法测定(LY/T1228—2015) ^[18]；有效磷采用钼锑抗比色法测定(NY/T1121.7—2014)^[19]；速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定^[20-21]。

1.4 植烟土壤有效养分分级标准

根据以往研究^{[14, 22]}，土壤pH、有机质、水解性氮、有效磷和速效钾分级分别见表 1和表 2。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和IBM Statistics SPSS 19.0软件对土壤pH及主要养分元素含量特征进行描述性统计和正态分布检验(K-S检验)，对不服从正态分布的数据，进行对数转换，使其服从对数正态，再采用ArcGIS 10.2软件对数据进行半方差函数计算、模型拟合、克里格空间插值(Kriging)和绘制土壤养分空间分布图。

2 结果与分析 2.1 土壤养分含量统计特征值及等级分布 2.1.1 土壤pH

由表 3可知，曲靖市植烟土壤pH均值6.30，变幅4.16 ~ 8.50，变异系数8.71% ~ 12.84%。9个植烟县(区)土壤pH均值范围5.52 ~ 6.67，从高到低依次为：罗平 > 师宗 > 富源 > 宣威 > 麒麟 > 会泽 > 陆良 > 沾益 > 马龙，除马龙外，其他县区差异未达显著水平。强酸性土壤区域在马龙、沾益、麒麟和会泽分布相对多一些，强酸性土壤的比例占20% 以上；中性土壤师宗、罗平占比最高，分别为58.06% 和50.57%。曲靖土壤pH绝大多数分布在偏酸和中性等级，分别占25.19% ~ 50.24% 和7.19% ~ 58.06%，整体处于适宜种植烤烟水平。

2.1.2 土壤有机质

由表 4可知，曲靖市植烟土壤有机质含量均值为32.83 g/kg，变幅2.23 ~ 99.93 g/kg，全市有72.45% 的烟区土壤有机质处于中高和高等级，低等级比例较少。9个植烟县土壤有机质含量均值范围27.76 ~ 40.37 g/kg，变异系数27.33% ~ 39.27%，属于中等变异；从高到低依次为：富源 > 罗平 > 马龙 > 宣威 > 沾益 > 师宗 > 麒麟 > 陆良 > 会泽；马龙与罗平、师宗与沾益间土壤有机质含量差异不显著，其他县区之间差异达极显著水平(P < 0.01)。从各县土壤有机质含量等级分布来看，会泽整体较低，共有26.57% 集中在低和极低极别；其他县区集中在高和极高级别，分别占22.30% ~ 42.28%、22.52% ~ 59.25%，有机质处于丰富水平。

2.1.3 土壤水解性氮

由表 5可知，曲靖市植烟土壤水解性氮含量均值为125.42 mg/kg，变幅14.88 ~ 393.36 mg/kg，水解性氮整体水平较高，共81.38% 集中在中等至很高等级。9个植烟县土壤水解性氮含量均值范围111.31 ~ 143.93 mg/kg，变异系数24.15% ~ 36.68%，属于中等变异；从高到低依次为：富源 > 罗平 > 宣威 > 沾益 > 陆良 > 师宗 > 会泽 > 麒麟 > 马龙；富源与罗平间土壤水解性氮差异显著(P < 0.05)，宣威、沾益、陆良之间差异达极显著水平(P < 0.01)，陆良与师宗间差异不显著，会泽、麒麟和马龙间未达极显著水平。从各县土壤水解性氮含量等级看，马龙、沾益、师宗集中在中等级别，分别占63.78%、61.72%、57.64%；罗平、富源和宣威集中在高和很高等级，共计分别占60.32%、47.32%、44.24%；会泽、陆良和麒麟土壤水解性氮整体较低，缺乏的比例分别占35.94%、26.73%、26.88%。

2.1.4 土壤有效磷

由表 6可知，曲靖市土壤有效磷含量均值为29.92 mg/kg，变幅2.45 ~ 142.78 mg/kg，有效磷整体处于中偏高水平，共85.93% 集中在中等至很高等级。9个植烟县土壤有效磷含量均值为21.48 ~ 41.00 mg/kg，变异系数51.82% ~ 78.86%，属于中偏高变异；从高到低依次为：陆良 > 罗平 > 马龙 > 宣威 > 师宗 > 沾益 > 会泽 > 麒麟 > 富源；陆良、罗平和马龙土壤有效磷含量极显著高于其他县(P < 0.01)，宣威与师宗间差异不显著，沾益、会泽、麒麟和富源间差异极显著。从各县土壤有效磷含量等级比例看，除富源缺磷比例最高外（占18.55%），其他县土壤有效磷分布于高和很高的等级比例较高，占比为52.71% ~ 69.85%。

2.1.5 土壤速效钾

由表 7可知，曲靖市土壤速效钾含量均值为270.38 mg/kg，变幅19.65 ~ 991.33 mg/kg，速效钾整体偏高，共84.76% 集中在中等至很高等级。9个植烟县土壤速效钾含量均值为222.13 ~ 385.53 mg/kg，变异系数24.27% ~ 55.88%，属中偏高变异；从高到低依次为：罗平 > 富源 > 师宗 > 麒麟 > 沾益 > 宣威 > 陆良 > 会泽 > 马龙；其中罗平与富源、师宗间土壤速效钾含量差异极显著(P < 0.01)，麒麟与沾益间差异不显著，沾益、宣威、陆良、会泽间差异不显著。9个县土壤速效钾含量在每个等级都有分布，总体集中在高和很高等级，占比为55.06% ~ 84.57%。

2.3 土壤养分的空间变异特征及分布格局

由表 8可知，土壤pH为指数模型，有机质和水溶性氮均为高斯模型，有效磷、速效钾为线性模型。其中有机质、水溶性氮拟合较好，R²分别为0.905和0.876；pH、有效磷和速效钾拟合性次之，R²分别为0.612、0.714和0.627。土壤pH的块基比小于25%，表明空间自相关性较强，其变异以土壤母质、地形和气候等自然因素为主导；土壤有机质、水解性氮和速效钾的块基比介于25% ~ 75%，表明其空间自相关性中等，变异由自然和人为共同作用产生；土壤有效磷块基比大于75%，表明其空间自相关性很弱，施肥、耕作等人为因素对其变异起主导作用。在曲靖市尺度上，5种土壤养分含量的变程较大，介于2.456 ~ 4.368 km，其中土壤pH变程最小。从图 1可以看出，土壤pH空间连续性好，整体呈聚集分布，强酸和极强酸土壤主要分布在马龙、宣威和会泽，微碱(pH介于7.5 ~ 8.5)土壤较少。土壤有机质、水解性氮、有效磷、速效钾呈不规则的块状分布，随机性较强。土壤有机质、水解性氮、速效钾的高值区主要在富源、罗平；土壤有效磷较高的区域集中在陆良、罗平。上述分析可见，在曲靖烟区应大力推行分区划片精准施肥，促进区域间土壤养分平衡，为优质烟叶生产创造适宜的土壤条件。

2.2 土壤养分空间变异的影响因素 2.2.1 土壤类型

由表 9可知，6种类型土壤pH均值为6.15 ~ 6.78，黄壤pH最高，红壤最低，变异系数3.86% ~ 9.22%，属弱变异程度。土壤有机质以石灰岩土最高，紫色土最低，各类土壤均值范围为29.04 ~ 44.83 g/kg，变异系数23.54% ~ 39.05%，达中等变异程度。土壤水解性氮以黄壤最高，紫色土最低，各类土壤均值为117.95 ~ 159.21 mg/kg，变异系数21.72% ~ 33.93%，属中等变异程度。各类土壤有效磷均值为27.57 ~ 41.43 mg/kg，以紫色土最高，新积土次之，石灰岩土最低，变异系数34.93% ~ 79.90%，属中偏强变异。各类土壤速效钾均值为204.49 ~ 312.02 mg/kg，以紫色土最高，新积土次之，红壤最低，变异系数25.04% ~ 51.01%，属中等变异程度。总体来看，新积土水解性氮、有效磷、速效钾含量丰富；紫色土有机质低，有效磷、速效钾含量高；土壤类型的差异可为烤烟施肥提供参考。

2.2.2 土壤质地

由表 10可知，各类质地土壤pH均值为6.15 ~ 6.84，砂壤土pH最高，中壤土最低，变异系数7.93% ~ 18.57%，为弱变异程度。土壤有机质以重壤土最高，砂壤土最低，各种质地土壤均值为28.54 ~ 42.57 g/kg，变异系数4.45% ~ 9.27%，属弱变异程度。土壤水解性氮以重壤土最高，砂壤土最低，不同质地土壤均值为104.27 ~ 131.61 mg/kg，变异系数23.14% ~ 40.89%，为中等变异程度。土壤有效磷均值为29.16 ~ 41.49 mg/kg，以中壤土最高，砂壤土最低，变异系数39.75% ~ 55.71%，属中等变异。土壤速效钾均值为164.91 ~ 275.46 mg/kg，以轻黏土最高，中壤土最低，变异系数36.50% ~ 73.62%，变异程度较高。重壤土和轻黏土的水解性氮、速效钾含量显著高于其他土质。

2.2.3 气候因素

由表 11可知，不同植烟区域内，气候因素对土壤养分含量影响不同。平均气温与会泽土壤有机质、水解性氮及罗平土壤的pH、有机质、水解性氮、有效磷、速效钾呈显著负相关。年降雨量与9个植烟县土壤pH呈显著负相关，与有机质(罗平)、水解性氮(罗平)、有效磷(会泽、罗平、宣威)、速效钾(沾益、麒麟)呈显著负相关。年蒸发量与9个植烟县土壤有机质、水解性氮呈显著或极显著负相关，与罗平、沾益和麒麟的土壤有效磷呈显著或极显著正相关，与会泽、罗平、宣威土壤速效钾呈显著或极显著负相关。

2.2.4 施肥因素

根据调查，曲靖罗平烟区平均氮、磷和钾投入量分别为69.3、138.6和207.9 kg/hm²，其他烟区平均氮、磷和钾施用量分别为105.0、210和315 kg/hm²。部分农户以追求最大的单叶重提高单株生产力，持续过量地施用氮磷钾依然普遍。由表 12可知，土壤pH与施钾量(硫酸钾)呈极显著负相关，有机质、水解性氮与施氮磷量(普通过磷酸钙)呈极显著负相关，土壤有效磷与施磷、钾量分别呈显著和极显著正相关，速效钾与施钾量呈极显著正相关。

3 讨论 3.1 土壤pH

在本研究中，植烟土壤pH变幅4.16 ~ 8.50，均值6.30，集中分布在弱酸性至中性等级，处于适宜水平，在马龙、会泽和宣威土壤有酸化趋势，这与李强等^[8]研究结果相似。从半方差分析结果看，结构因子(土壤类型、质地和降雨量)是引起pH空间变异性强的主导因素，随机因子(施肥、耕作)次之。一方面，曲靖土壤类型分红壤(48.87%)、黄壤(5.85%)、紫色土(16.70%)、新积土(12.17%)、水稻土(15.92%)和石灰岩土(0.49%)^[20]，成土母质与土壤类型有关，也影响土壤pH。如石灰岩、砂岩和页岩发育的石灰岩土pH较高；水稻土富含铁、锰氧化物，pH缓冲范围接近中性，紫色砂页岩发育的紫色土、脱硅富铝化强的红壤pH相对较低，水稻土的酸缓冲容量和缓冲强度均强于红壤^[21]；研究区黄壤pH最高，红壤pH最低，其他土壤类型pH接近中性(表 9)，这就是与不同母质有关。另一方面，按“卡庆斯基质地制”的双级分类法，曲靖土壤质地以砂壤土(0.68%)、轻壤土(2.78%)、中壤土(19.35%)、重壤土(47.30%)、中黏土(1.11%)、轻黏土(28.68%)和重黏土(0.11%)为主^[14]，研究区内砂土和黏土pH相对较高，这可能是砂质土颗粒间空隙大通气透水，黏土胶体比表面积大，两类土吸附阳离子较多的缘故^[21]。其次，较多的降雨导致土壤胶体上的代换性盐基大量淋失，氢离子取而代之，造成土壤pH降低^[8]。土壤酸化受长期施用硫酸钾、过磷酸钙等生理酸性肥料，造成土壤有机质、盐基饱和度下降，H⁺和Al³⁺增加所致^[23]。从影响因素看，土壤类型、土壤质地、气候和施肥因素等结构性因子均对土壤pH产生影响，这与前人研究结果一致^[8]。

3.2 土壤养分

土壤有机质、水解性氮、有效磷和速效钾是影响烟叶产质量的主控肥力因子^[1]，研究区内土壤养分总体较丰富。从半方差分析结果看，土壤有机质、水解性氮和速效钾的变程大，块基比为25% ~ 75%，表明各指标具有中度的空间自相关性，变异受自然(土壤质地、气候)和人为因素共同作用。土壤有效磷块基比大于75%，说明其区域分布随机性强，随机因素是导致土壤有效磷空间变异的主要因子。一方面，曲靖复杂的土壤质地是主控因子。有研究显示，土壤颗粒大可增强土壤通透性，促进有机质矿化，高黏粒含量的土壤对养分的吸收和固定力强，质地越重的土壤有机质、有效磷和速效钾含量越高，土壤养分富集明显^[6-7]，本文结果与此一致(表 10)。另一方面，土壤养分形成受雨热条件的影响。研究表明，雨热格局控制着土壤有机质合成和分解动态平衡，土壤有机质含量随蒸发量增加而递减^[6]。高温和多雨影响土壤矿物的分化速率、养分淋溶强度，从而影响有效磷产生^[24]，降雨对红壤表层和下层有效磷的空间分布大于棕壤、褐土^[25]。高降雨量和蒸发量促进速效钾在土体中的淋洗，使钾素不易被土壤固定^[11]。但在本研究中，土壤水解性氮、有效磷、速效钾含量受雨热条件的影响与其所处环境条件不同而异(表 11)。其次，农户过量施用氮磷钾肥是造成土壤异质性加大的重要因子(表 12)。据报道，在曲靖中高肥力植烟土壤上，减施当前氮磷钾用量的10%，可显著提高烟叶产值、烟叶品质及肥料利用率^[26]。磷肥施入土壤后被土壤矿物吸附固定，造成磷素移动性差，当季利用率低，在土壤中不断积累，磷的容量和强度增加^[27]。综上所述，在曲靖中高肥力植烟土壤上，应控制氮磷钾施肥量，增加有机肥替代化肥或有机无机复混肥投入，注意营养元素间的互作关系(表 12)，其中磷可尝试应用“启动性施磷”和“隔年施磷技术” ^[28]，以促进土壤可持续利用和保障烟叶提质增效。

3.3 土壤养分动态变化

将本研究结果与李强等^{[13, 29]}研究结果进行比较，显示2017—2020年土壤pH达6.30，较2008年下降0.21，总体呈现下降趋势，其中马龙、会泽和宣威部分土壤有酸化趋势，这主要与在这时期内硫酸钾、过磷酸钙施用量较大，以及前作玉米、马铃薯收获带走大量盐基离子^[30]有着密切联系。曲靖土壤有机质含量均值由2008年的27.36 g/kg提高到32.83 g/kg，总体呈现上升趋势，这与这期间研究区推广有机肥、绿肥还田有关。土壤水解性氮、有效磷和速效钾含量均值分别由2008年的97.37、20.45和180.29 mg/kg提高到125.42、29.92和270.38 mg/kg，总体呈现上升趋势，主要原因在于研究区烟田土壤的利用强度较高，为获得稳定的烤烟产质量，磷肥、复合肥、钾肥(硫酸钾、硝酸钾)施用量较大。

4 结论

曲靖植烟土壤pH处于适宜水平，但在马龙、会泽和宣威土壤有酸化趋势。有机质、水解性氮、有效磷和速效钾含量总体较丰富。在全市尺度上，土壤pH的空间变异受自然因素(土壤类型、质地和降雨)的影响；土壤有机质、水解性氮和速效钾的空间变异受自然和人为因素(施肥)共同作用；土壤有效磷的空间变异受人为因素(肥料施用)主控。土壤养分存在明显的空间分布和局部空间聚集，养分失衡严重，烤烟生产中应控制氮磷钾施肥量，采用推行分区划片精准施肥，有机肥替代化肥或有机无机复混肥，确保烤烟优质适产和降低环境污染。