山东烟区砂质土改良与可持续利用研究进展

Research Progress on Sandy Soil Improvement and Sustainable Utilisation in Shandong Tobacco Region

摘要: 山东省作为中国核心烟叶产区，砂质土占比超60%，其保水保肥能力弱、养分贫瘠等问题严重制约烟草优质生产。本文系统解析砂质土物理、化学及微生物特性，揭示其对烟草根系发育、产量和品质的影响机制。通过集成有机物料改良、无机肥精准调控与保水剂应用，实现烟叶上等烟比例提高及产值增长。研究证实，技术协同可降低水土流失，但长期生态风险监测与低成本材料开发仍需突破。本文为砂质土烟田生态–经济协同管理提供理论依据和技术范式。

Abstract: As a core tobacco-producing area in China, Shandong Province has more than 60% sandy soils, which are weak in water and fertilizer retention and poor in nutrients, severely restricting the quality production of tobacco. This paper systematically analyses the physical, chemical and microbiological properties of sandy soils, and reveals their influence mechanisms on tobacco root development, yield and quality. Through the integration of organic material improvement, inorganic fertilizer precision control and water retention agent application, the proportion of top-grade tobacco is increased and the production value is increased. The study confirms that technological synergy can reduce soil erosion, but long-term ecological risk monitoring and low-cost material development still need breakthroughs. This paper provides a theoretical basis and technical paradigm for the ecological-economic synergistic management of tobacco fields in sandy soils.

1. 引言

山东省作为中国重要的优质烟叶生产基地[1]，其烟叶产量约占全国总量的12%，常年稳居全国前三，是“中华”“泰山”等知名卷烟品牌的核心原料供应区。该区域烟田集中分布于鲁中、鲁南的丘陵地带及黄泛冲积平原，其中砂质土占比高，独特的土壤环境既赋予了烟叶特有的香气风格，也因保水保肥能力弱、养分易流失[2]等问题，成为制约烟叶优质高产的关键瓶颈。有研究表明，选择适宜土壤有利于调节烟叶中的烟碱含量[3]，烤烟品质特征与成土母质类型及土壤理化性状存在显著关联性。砂质土壤因粗颗粒占比大导致有效肥力水平较低，其烟叶生物碱合成量通常维持在较低区间；与之相反，黏质土壤因细粒组分富集而具有较高的氮素有效性，促使烟叶烟碱积累显著增加[4]。因此，解析砂质土特性及其与烟草生长的互作机制，研发经济高效的改良技术，对保障国家烟草原料安全、促进乡村振兴具有双重战略意义。

山东烟区砂质土以粗骨性棕壤和潮土为主[5] [6]，砂粒含量普遍超过70%，孔隙度达45%~55%，虽利于根系透气，但土壤容重偏，田间持水量不足黏壤土的40% [7]。化学特性方面，有机质含量多低于1.0%，全氮、速效磷钾等关键养分处于“极缺”水平，加之微生物群落结构单一、碳氮循环效率低下，导致烟草生长中后期易出现脱肥早衰[8]。研究表明，砂质土烟株根系虽长度增加20%~30%，但根毛密度下降，对磷、锌等元素的吸收效率显著降低[9]，直接造成烟叶钾氯比失调、燃烧性下以及感官质量的下降[10]。这些特性与烟草需肥规律的矛盾，凸显了砂质土改良的迫切性。

近年来，科研人员围绕砂质土改良开展了大量研究，如生物炭添加、微生物菌剂接种、水肥一体化等技术[11]已取得阶段性成果。然而，现有技术多侧重单一因子调控，缺乏对“土壤–微生物–作物”系统的协同优化，且高成本材料难以大规模推广。此外，气候变化引发的极端干旱与暴雨交替，进一步加剧了砂质土养分淋失与结构退化。本研究系统综述山东烟区砂质土研究进展，旨在揭示其障碍形成机制，评估不同改良技术的生态经济效应，为构建区域适配的可持续管理模式提供理论支撑，助力实现“烟叶提质、农民增收、生态安全”的多维目标。

2. 山东烟区砂质土的基本特性研究

2.1. 物理特性：疏松多孔与持水能力矛盾

山东烟区砂质土以粗骨性棕壤和潮土亚类为主，颗粒组成中砂占比达70%~85%，黏粒含量普遍低于15%，质地松散且结构性差[12]。空间分布上，鲁中丘陵区砂质土[13]砂粒含量显著高于鲁南黄泛区[14]，但两者孔隙度均高达45%~55%，容重介于1.3~1.5 g/cm³，显著高于黏壤土。这种高孔隙结构虽有利于根系穿透和气体交换，但导致田间持水量仅为18%~22%，不足黏壤土的40%。在干旱季节，砂质土表层水分蒸发速率达6.2 mm/d，深水分下渗速率超过15 cm/h [15]，加剧了烟草伸根期的水分胁迫风险。

2.2. 化学特性：养分贫瘠与离子失衡并存

化学分析表明，山东烟区砂质土pH值介于5.8~7.2，其中鲁中丘陵区因母质风化程度高，pH多低于6.5，而鲁南冲积区受黄河沉积物影响，pH普遍在7.0以上。土壤有机质含量仅为0.6%~1.2%，全、速效磷[16]、速效钾均低于烟草优质生产的临界值。离子交换量(CEC)不足8 cmol (+)/kg，导致阳离子(K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺)吸附能力弱，钾离子淋失率高达40%~60%。中微量元素方面，有效锌、有效硼严重缺乏[17]，与烟草需肥规律形成尖锐矛盾。此外，砂质土碳酸钙含量通过影响磷素有效性，导致烟株磷吸收效率降低15%~20%。

2.3. 微生物特性：群落单一与功能弱化

高通量测序结果显示[18] [19]，砂质土微生物多样性指数显著低于邻近壤。其中，放线菌门(Actinobacteria)占比超过35%，而具有有机质降解功能的拟杆菌门(Bacteroidetes)仅占8%~12%。功能基因分析表明[20]，与碳氮循环相关的amoA、nifH基因丰度分别下降42%和37%，导致氮素矿化速率不足0.8 mg/(kg∙d)，仅为壤土的50%。根际微生物组中，促生菌丰度降低，而土传病原菌相对丰度增加2~3倍，进一步加剧了烟草黑胫病、根黑腐病的发生风险[21]。

3. 砂质土对烟草的影响

3.1. 砂质壤土不同有机质含量对烤烟干物质累积、氮素、磷素、钾素积累的影响

有研究表明，在砂质壤土中，烤烟移栽后的生长呈现出特定规律移栽前5周生长缓慢，5周后干物质积累加快，第9周达峰值[22]。低有机质土壤干物质累积高峰期在5~9周，累积量大；中有机质土壤在9~13周；高有机质土壤在7~11周[23]。土壤有机质含量差异显著影响烟株干物质累积量及速度。

当粉质壤土较为粘重且有机质含量较高时，烟株吸氮高峰期会出现延迟[24]。在土壤后期氮素供应充足的情况下打顶，烟株对氮素的吸收累积量依然较大。如果后期氮素吸收过多，会导致上部烟叶含氮量偏高。

有研究指出，不同土壤对烟株磷素累积影响有别[25]，除受自身土壤速效磷制约外，质地影响总体为：粉质壤土上磷素累积量居首，砂质壤土次之，壤土最低[23]。

于低有机质土壤中，砂质壤土所产烟叶含钾量较高，达1.92%；在中有机质土壤里，壤土所产烟叶含钾量较高，为2.20%；处于高有机质土壤，粉质壤土所产烟叶钾含量最高，达2.0% [23]。烟叶含钾量受土壤因子、栽培措施、气候条件等多方面因素的共同影响[26]。

基于上述机制，建议依据土壤有机质–质地组合特征实施精准调控：砂质土采用保肥控释技术优化速效养分供给，黏质土通过结构改良增强通气性，配合基追肥动态配比与功能型改良剂施用，实现烟株碳氮代谢平衡与品质协同提升。

3.2. 根系发育的适应性响应

砂质土疏松多孔的结构特性对烟草根系发育呈现“双刃剑”效应。从土壤物理结构分析，黏质土体因持水性能突出而易产生滞水现象，加之孔隙度偏低导致的透气性不良，对烟草根系形态建成产生抑制作用[27]。田间观测表明，砂质土中烟草主根长度较黏壤土增加20%~30%，但侧根密度降低40%~50%，根毛数量减少60%~80% [28]。这种形态变化源于机械阻力降低对主根延伸的促进，以及养分分布不均导致的侧根分枝抑制。

在养分供给特征方面，黏质土壤具有较强的保肥性能，能够持续释放养分，其供肥曲线呈现前期平缓后期陡增的态势，这与烟草生育期内“少–多–少”的需肥规律存在时序性错位，最终导致烟碱过度积累[27]。根系扫描电镜显示，砂质土烟株根尖细胞壁增厚，木栓化程度提高[29]，表明其通过强化结构抗性应对渗透胁迫。生理层面，根系分泌草酸、柠檬酸等有机酸含量较黏壤土提高3~5倍，有效活化土壤中难溶性磷，使根际有效磷浓度从5.2 mg/kg提升至8.7 mg/kg (p < 0.05) [30]。然而，过量分泌导致根系碳耗竭，光合产物向地上部转移比例下降12%，限制了生物量积累。

3.3. 植株生长与品质形成的双向调控

砂质土养分供应能力的时空异质性显著影响烟草地上部发育[31]。大田试验显示，砂质土烟田团棵期至旺长期植株株高日均增长量较黏壤降低，最大叶面积指数(LAI)仅为3.5，较对照下降。限制主要源于水分–养分耦合胁迫：砂质土速效氮含量在移栽后60天内下降70% [32]，导致烟株硝酸还原酶活性降低45%，蛋白质合成受阻。

烟叶品质方面，砂质土环境诱导的代谢响应呈现显著特异性。不同质地类型土壤的对比研究表明，随着土壤机械组成由砂粒主导向粉粒过渡(壤砂土→砂壤土→壤土→粉砂质壤土)，其烟碱含量呈现显著递增趋势，表明土壤质地梯度变化是调控烟叶次生代谢产物合成的重要环境因子[23]。化学分析表明，砂质土烟叶总糖含量较黏壤土提高15%~20%，钾离子积累量增加10%~18%，有利于改善燃烧性和灰分质量[33]。然而，烟碱含量波动范围扩大，变异系数较黏壤土显著升高，导致烟气劲头与柔和度失衡。进一步研究发现，砂质土中氮素供应不稳定使烟碱合成关键酶(PMT、QPT)基因表达量波动幅度达40%~60%，且干旱胁迫下茉莉酸信号通路激活，进一步加剧烟碱合成紊乱。此外，砂质土烟叶中性香气物质(如新植二烯、巨豆三烯酮)总量虽增加12%~15% [34]，但苯丙氨酸类香气前体物比例下降，导致香气质感单一，协调性评分降低0.5~0.8。

4. 砂质土改良措施与技术优化

4.1. 有机物料改良与微生物激活

针对砂质土有机质匮乏的核心问题，腐殖酸类肥料与秸秆还田技术形成协同改良效应。连续两年施用腐殖酸肥料，土壤胡敏酸含量从0.15 g/kg提升至0.38 g/kg，促进微团聚体比例由12%增至25%，有机质含量达到1.5%~1.8% [35]。烟田试验表明，该处理下烟叶上等烟比例提高5%~8%，产值增加2200~3500元/hm²。秸秆还田配合哈茨木霉菌接种，使土壤碳氮比从18:1优化至25:1，容重降低0.12~0.15 g/cm³，细菌/真菌比(B/F)从4.3升至6.8 [36]，纤维素降解速率提高40%，显著缓解还田初期碳氮失衡导致的烟株黄化问题。

氮肥输入强度对土壤微生物群落结构产生差异化调控效应。试验数据显示，氮素过量投入显著抑制了土壤微生物群落多样性(p < 0.05)，但在充足水分管理条件下，氮素施用对细菌群落α多样性未产生统计学显著影响[37]。进一步分析表明，氮素迁移流失过程与Firmicutes门菌群丰度衰减呈现显著负相关[38]，揭示了氮肥利用率下降与特定微生物类群响应间的内在联系。灌溉氮可以显著提高土壤微生物的活性，改善土壤微环境。

4.2. 无机肥精准调控

基于砂质土养分淋失规律，提出“基肥减量–追肥增效”的精准调控策略。鲁南部分烟区，将氮磷钾比例从传统1:1:2调整为1:0.5:2.5，基肥占比从70%降至50%，追肥采用硫包膜尿素(SCU)分两次施用，使氮素利用率从28.5%提升至39.7%，硝态氮淋失量减少15%~20% [39]。中微量元素方面，旺长期[40]叶面喷施0.2%硫酸锌 + 0.1%硼砂溶液，烟株赤星病发病率从18.3%降至12.7%，花叶病发生率降低30%，烟叶钾含量提高0.3%~0.5%，产值增幅达12%~15%。该技术体系通过养分时空精准投放，实现产量–品质–环境效益的协同提升。

4.3. 土壤结构改良与土壤改良剂

深翻结合客土改良可快速优化砂质土结构[41]。每公顷添加150吨黏土后，土壤黏粒占比从12%升至18%，田间持水量从19%提高至24%，烟叶产量恢复至2.4 t/hm² [42]。聚丙烯酰胺(PAM)保水剂通过氢键与土壤颗粒结合，形成稳定水稳性团聚体，使旱季0~30 cm土层含水量稳定在12%~15%，灌溉次数从常规5~6次减少至3次，节水效率达35%~40%。此外，改性生物炭[43]与PAM复配使用，可使铵态氮吸附量增加25%，硝态氮流失量降低18%，实现保水与保肥功能的耦合增效。虽然生物炭在短期内能够减少土壤中一氧化二氮等温室气体的排放，但随着生物炭的老化，其表面官能团发生变化，可能会导致一氧化二氮的减排效果逐渐降低甚至升高排放。此外，生物炭的添加还可能会影响土壤中甲烷的排放，其长期影响因土壤类型和环境条件而异。长期添加生物炭导致种植成本高且长期施用可能导致多环芳烃累积。

土壤改良剂的应用通过优化土壤三相结构比例，显著改善了团聚体稳定性与孔隙连通性。有研究表明，经改良处理的土壤持水性能提升28.6%~34.2%，阳离子交换量增加17.3%~22.8%，这主要归因于胶体表面电荷特性的调控作用[44]。土壤物理化学性质的协同改良有效延长了养分生物有效性周期，使作物根系发育良好，最终实现产量提升。

4.4. 技术集成

为实现砂质土改良的规模化应用，移栽时采用腐熟牛粪基质进行穴施，配合控释肥(CRF)条施于20 cm深土层，滴灌系统定时注入芽孢杆菌菌液[45]。该模式使烟株团棵期提前5~7天，肥料利用率提高22%，烟碱含量变异系数(CV)从28%降至15%，亩均综合收益增加1800元，为砂质土烟田绿色生产提供可复制范式。

此外，水肥一体化可以同时对田间水分和养分进行综合管理与调控的一种农业新兴技术[46]，已广泛应用于多种作物，覆盖我国大部分地区[47]。有研究表明，在土壤方面，水肥一体化处理的烤烟土壤速效钾、速效磷、有机质含量均高于对照组，且在移栽后120天，土壤pH接近烟草适宜生长范围。对烟株的影响表现为植物生理指标提高，根长密度提高37.5%，根尖数增加42.3% [48]。在烟株生长方面，水肥一体化技术能有效增强养分吸收能力改善烟叶物理性质及化学成分[49]，上部叶烟碱含量控制在2.8%~3.2%，钾氯比优化至4.5~6.0 [48]，提高烟叶次生代谢多酚类物质含量及中性致香物质。经济效益方面，水肥一体化技术可显著提高烟叶产量、均价及产值，有效提升上等烟比例[50]。在增产效果方面，水溶肥处理优于常规肥料，展现出更出色的增产能力，进而带来更为显著的经济效益。缺点是在设备初期投资大、对水质要求高，但又能够在烟株生长阶段减少人工成本。河南烟区在水肥一体化条件下[51]云烟87烟株根系发达，拥有较好的根冠比，改善了大田的群体结构，增加了产量，且滴灌设备降低了肥料和人工成本。

5. 生态效应与可持续性评价

5.1. 砂质土改良的生态效益

砂质土改良措施显著提升了烟田生态系统的稳定性。覆盖种植技术使地表径流量从550 m³/hm²降至330 m³/hm²，土壤侵蚀模数由350 t/(km²∙a)下降至200 t/(km²∙a)，有效遏制丘陵区水土流失[52]。丛枝菌根真菌(AMF)接种后，土壤微生物Shannon指数从6.8提升至8.0，放线菌门丰度降低12%，而具有碳固定功能的绿弯菌门(Chloroflexi)占比增加5%，有机质年累积量提高0.15%。此外，线虫数量减少50%，其中植物寄生类线虫占比从45%降至28%，烟草根际病害发生率下降20%~25%。生物炭改良[53]田块的土壤碳库管理指数(CPMI)达135，较对照区提升35%，碳汇潜力显著增强。

5.2. 经济可行性与可持续性分析

成本–收益模型显示，生物炭改良初期投入成本增加2000元/hm²，但3年内烟叶产值累计增长18%，投资回收期缩短至2.5年[54]。生命周期评价(LCA)表明，改良后烟田的温室气体排放强度从2.8 kg CO₂-eq/kg烟叶降至2.1 kg CO₂-eq/kg烟叶，氮足迹减少40%，水资源利用效率(WUE)提升至0.85 g/L，较传统模式提高37%，凸显环境–经济协同增效优势[55]。

6. 研究不足与未来展望

6.1. 当前研究的局限性

现有砂质土改良技术多聚焦单一因子调控，缺乏系统性整合。例如，生物炭与微生物菌剂的协同效应仅停留在实验室阶段，田间应用中因环境异质性导致增效不稳定，干旱年份协同改良效果波动幅度达30%~40%。此外，82%的改良试验周期短于5年，难以评估土壤结构改良剂(如PAM)的长期生态风险。定位观测显示，连续施用腐植酸几年后[56]，土壤中多环芳烃(PAHs)累积量达0.8 mg/kg，接近生态安全阈值，提示需建立全生命周期环境影响评价体系。

6.2. 未来研究方向与突破路径

未来研究应着力构建“智能感知–精准调控–循环再生”技术体系。开发基于LoRa网络的土壤多参数传感器(水分、EC、pH)，结合机器学习算法，可实现烟田水肥需求实时诊断，误差率可控制在8%以内。循环农业方面，利用酒糟、菌渣等废弃物制备生物基保水材料(持水率 > 300%)，配合固氮菌包埋技术，可使改良材料成本降低40%。同时，需建立20年以上长期定位试验站，解析改良措施对土壤微生物网络稳定性和碳库演变的影响机制，为碳中和目标下烟田生态管理提供理论支撑。

7. 结论

山东烟区砂质土通过“有机改良–结构调控–智能管理”技术体系可实现生产力与生态效益的协同提升。有机物料添加使土壤有机质含量提高，微生物Shannon指数提升，烟叶上等烟比例增加；保水剂与滴灌技术耦合使水分利用效率提高，并减少氮素淋失。当前研究证实，砂质土并非“低产陷阱”，通过根系–土壤–微生物互作机制挖掘及缓释材料创新，可突破传统改良技术短期性、高成本的局限。适当提高烟田肥力水平，提高烟叶含钾量和降低烟叶含氯量，对改善山东烟叶内在质量具有重要意义。未来需构建覆盖“土壤健康诊断–智能决策–碳汇管理”的全链条技术体系，推动烟田从单一生产功能向生态–经济复合系统转型，为类似生态脆弱区农业可持续发展提供范式。

基金项目

中国烟草总公司山东省公司重大专项，山东烟区丘陵砂质土壤保育技术集成及示范，项目编号(KN326)。

NOTES

^*通讯作者。