保山市煙區植煙土壤pH時空變異特征分析

周杰文　張發明　李海平

摘要：采用傳統統計學方法以及地統計學方法結合GIS技術研究了云南省保山市煙區植煙土壤耕層（0～20 cm）pH的時空變異特征。結果表明，2011年保山市煙區植煙土壤pH分布在5.5～6.5的樣本占38.3%，2016年下降至32.0%；土壤pH屬中等變異強度；2011年和2016年煙區土壤pH塊金值/基臺值分別為40.9%和25.3%，變程分別為41.5 km與47.2 km，具有中等強度的空間相關性；Kriging最優內插法結果表明，保山市煙區植煙土壤pH呈現逐年下降的趨勢，下降趨勢由西北方向與東南方向逐漸向中部地區減小，中部地區所受影響不大。

關鍵詞：植煙土壤pH；時空變異特征；地統計學；GIS

中圖分類號：S151.9 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）09-0037-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.09.009

Temporal and Spatial Variability Analysis of Soil pH

in Baoshan Tobacco-Growing Area

ZHOU Jie-wen1，ZHANG Fa-ming2，LI Hai-ping2，ZHOU Ji-heng1，XIAO Zhi-xing2，

DUAN Zhi-chao3，ZHANG Yi1，LI Qiang1

（1.College of Bioscience and Biotechnology，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China；2.Baoshan Branch of Yunnan Provincial Tobacco Company，Baoshan 678000，Yunnan，China；3.China Tobacco Hunan Industrial Co.，Ltd.，Changsha 410014，China）

Abstract： The temporal and spatial variability of the soil pH value in Baoshan tobacco-growing areas of Yunnan province was studied by using the traditional statistical methods and the geostatistics method combined with GIS technology. The results showed that the pH value distribution in the sample of 5.5 to 6.5 of the tobacco planted in the tobacco-growing area in 2011 was 38.3% and decreased to 32.0% in 2016. The pH variation belonged to medium variation. The nugget/sill values of soil pH were 40.9% and 25.3%，and the range was 41.5 km and 47.2 km respectively in 2011 and 2016. The spatial correlation was moderate. The Kriging optimal interpolation method showed that the soil pH decreased with the increase of the year，and gradually moved closer to the central area from the northwest and the southeast，the central area was not affected much.

Key words： planted tobacco soil pH； temporal and spatial variability； geostatistics； GIS

煙草是中國老少邊窮地區重要的經濟作物之一，它的產量、質量很大程度受到土壤理化性質的影響，而植煙土壤pH則是重要的因素之一。土壤養分的生物有效性及形態轉換與土壤pH密切相關。研究表明，植煙土壤pH在協調土壤與烤煙養分供需之間的關系有著不可或缺的作用[1]。植煙土壤最適pH范圍為5.5～6.5，過高的pH將會導致烤煙根系活力降低，烤后煙葉中總氮、還原糖以及蛋白質含量偏高，煙葉煙堿和鉀含量偏低，煙葉品質下降；植煙土壤pH過低往往會導致煙葉煙堿含量偏高，糖堿比偏低，煙葉化學成分也不協調[2，3]。目前，中國許多煙區就煙區內植煙土壤酸化及改良開展了一系列研究，已有不少相關報道[4，5]。近年來利用地統計學進行區域內相關研究日益增長，使用經典地統計學對烤煙栽培相關方面的研究也日益增多[6，7]。本研究地統計學（Geostatistics）于20世紀50年代首先應用在南非采礦業的礦藏勘察計算中，60年代法國著名統計學家Matheron G在做了大量理論工作的基礎上提出了區域化變量理論（The theory of regionalized variable），形成了地統計學的基本框架[8]。地統計學主要是利用隨機函數對不確定的現象進行探索分析，并結合采樣點提供的信息對未知點進行估計和模擬[9]。隨著3S技術愈發成熟，運用地理信息系統技術（GIS）結合地統計學來研究區域因素空間變異特征的相關研究逐漸增多，已經成為科研熱點方向之一。

近年來云南省保山市煙區酸化土壤日趨增多，對于其具體成因尚未有定論。本研究利用地統計學和GIS研究保山市煙區植煙土壤pH時空變異特征，并結合相關研究[10-13]，初步分析植煙土壤酸化成因，為保山市煙區酸化土壤改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

保山市處于橫斷山脈滇西縱谷南端，位于東經98°25′-100°02′，北緯24°08′-25°51′，壩區占8.21%，山區占91.79%。整個地勢自西北向東南延伸傾斜，最低海拔535 m，最高海拔3 780.9 m，平均海拔1 800 m左右。保山市屬低緯山地亞熱帶季風氣候，由于地處低緯高原，地形地貌復雜，形成“一山分四季，十里不同天”的立體氣候。年溫差小，日溫差大，年均氣溫為14～17 ℃；降水充沛、干濕分明、分布不均，年降水量700～2 100 mm。

1.2 樣品采集與測定方法

根據研究區域煙草種植情況以及植煙地塊肥力水平選取適宜位置，采樣方法參照標準NY/T 1121.1-2006，采用S型布點采樣，取耕層0～20 cm土樣，采樣點采用GPS定位，每個采樣點代表的面積為20 hm2，分布情況見圖1。2011年采集土壤樣品614個，2016年采集土壤樣品654個。所有樣品數據來源于云南省煙草公司保山市公司對煙區內代表性植煙區域土壤進行的采集與檢測。土壤pH采用pH計測定（水土比為1.0∶2.5）。

1.3 地統計學原理

地統計學是一種以半方差函數為基本工具的數學方法[14]，主要用途是研究對象空間自相關結構（或空間變異結構）的探測以及變量值的估計和模擬[9]，其核心是根據樣本點來確定研究對象（某一變量）隨空間位置而變化的規律，以此去推算未知點的屬性值。常用半方差函數模型有環狀模型（Circular）、球狀模型（Spherical）、高斯模型（Gaussian）和指數模型（Exponential）等。結合某一區域化變量的原始數據以及半方差函數的結構特點來對區域中未測點進行線性無偏最優估計的方法稱為Kriging插值法[15]。公式[16，17]如下：

γ（h）=■■[Z（xi）-Z（xi+h）]2 （1）

Z（x）=■？姿iZ（xi），i=1，2，…，N （2）

式中，γ（h）為半方差函數；h為步長；N（h）為觀測樣點對數；Z（xi）和Z（xi+h）分別為區域化變量 Z（x）在空間位置xi和xi+h的實測值。Z（x）為點x處的估計值；Z（xi）為參與估計的第i個有效觀測值； N為參與估計的有效觀測值個數；λi為賦予觀測值Z（xi）的權重（其和為1），表示各觀測值對估計值 Z（x）的貢獻，在保證估值無偏性（即估值偏差的平均值為0）和最優性（即估值方差最小）條件下，可由變量半方差函數計算。

1.4 數據處理與分析

采用SPSS 19.0、Microsoft Excel 2010等軟件進行統計分析；數字化地形圖和Kriging插值圖采用ArcGIS 10.2軟件繪制；半方差函數計算和模型擬合以及圖像制作采用GS+3.0軟件。

2 結果與分析

2.1 保山市煙區植煙土壤pH年度分布狀況

由表1可知，2011年保山市煙區各縣區植煙土壤pH分布各有差異。騰沖、昌寧、龍陵3縣植煙土壤pH總體呈酸性，騰沖縣植煙土壤pH小于5.5的樣本占30.7%，處于5.5～6.5的占57.4%；昌寧縣pH小于5.5的樣本占17.9%，處于5.5～6.5的占45.3%；龍陵縣pH處于5.5～6.5的樣本占總數的67.3%。3個縣植煙土壤pH處于5.5～6.5的樣本所占比例較高，比較適合優質煙葉的生產。隆陽區與施甸縣植煙土壤pH總體偏堿性，其中隆陽區pH大于7.0的樣本占該區總樣本數的61.4%，施甸縣占54.0%。

由表2可知，龍陵縣、隆陽區以及施甸縣3個地區植煙土壤pH相比2011年變化不大。2016年騰沖縣、昌寧縣兩地區植煙土壤pH小于5.5的樣本數有所增加，分別為68.1%和49.4%。

2.2 保山市煙區植煙土壤pH變異性

保山市煙區2011年與2016年植煙土壤pH描述性統計結果見表3，經偏度和峰度檢驗，兩個年度的土壤酸堿度數據基本符合對數正態分布要求，可以進行空間變異性分析。兩個時期土壤pH變異系數介于10%～100%，屬于中等變異強度[18]。pH的描述性統計分析只能說明整個區域整體的變化情況，不能反映出局部的變化特征，即不能反映植煙土壤pH的結構性和隨機性、相關性和獨立性，因此需進一步進行地統計學分析，以便闡述其時空變異特征。

2.3 保山市煙區植煙土壤pH空間分布特征

為研究保山市煙區植煙土壤pH的時空變異特征，對2011年和2016年兩個時間段數據進行了半方差函數模型擬合，結果見圖2與表4，擬合度分別為0.980與0.971，說明擬合的理論模型較好地反映了植煙土壤pH的空間結構特征[19]。

按照區域化變量空間相關性程度的分級標準，Cambardella等[20]運用塊金值/基臺值（C0與C0+C比值）的大小來判定系統內變量的空間相關性程度，如果比值小于25%，表明變量有強烈的空間相關性；如果比值在25%～75%，表明變量具有中等的空間相關性；如果比值大于75%，表明變量的空間相關性較弱。隨機性因素如施肥、耕作措施、種植制度等各種分散的人為活動使得土壤性質的空間相關性減弱，而結構因素如氣候、母質、地形等則是土壤性質具有空間相關性的根本原因[21]。表4中2011年和2016年土壤pH塊金值/基臺值分別為40.9%和25.3%，具有中等強度的空間相關性。

變程是指半方差函數達到基臺值所對應的距離，也稱為空間最大相關距離，在此距離內的內插是有意義的[22]。由表4可知，2011年與2016年變程分別為41.5 km和47.2 km，均大于取樣距離，而且擬合的地統計模型經F檢驗達到了顯著水平，說明插值是具有實際意義的，因此對保山煙區植煙土壤pH進行了Kriging插值，結果見圖3。

由圖3可知，保山市煙區植煙土壤pH分布大致為西部地區以及東南地區較低，偏向于酸化，中部地區pH偏向于堿化。2011年處于西北部的騰沖縣植煙土壤pH 5.5～6.0的面積約占整個騰沖縣總面積的70%，pH 5.0～5.5的面積約占15%，整體呈弱酸性，比較適合煙草生長與發育；2016年騰沖縣植煙土壤pH有所下降，全縣大部分地區土壤pH處于5.0～5.5，甚至有小部分地區pH下降到了5.0以下。從全煙區整體結果來看，近年來，保山市煙區內植煙土壤pH處于下降的趨勢，這將會對優質煙葉的可持續生產帶來部分負面影響。

3 結論

植煙土壤最適宜的pH范圍為5.5～6.5，本研究表明，2011年保山市煙區植煙土壤pH分布在5.5～6.5適宜植煙的樣本占38.3%，2016年下降至32.0%；pH小于5.5的樣本由2011年的15.1%上升至29.5%，煙區土壤有酸化趨勢。2011年騰沖縣大部分地區處于5.5～6.0，小部分地區土壤pH分布在5.0～5.5；龍陵縣轄區植煙土壤pH基本大于5.5；昌寧縣只有很小部分地區土壤pH處于5.0～5.5，其余地區土壤pH均分布在5.5～7.0；施甸縣以及隆陽區大部分地區植煙土壤pH大于7.0。單從土壤pH來分析，保山市煙區2016年適宜種植煙草的地域面積縮減到30%左右。2016年保山市煙區騰沖縣地區土壤酸化趨勢明顯，土壤pH分布在5.0～5.5的地區pH下降到了5.0以下，分布在5.5～6.0的地區土壤pH則下降到了5.0～5.5，并有向中部地區繼續發展的趨勢；龍陵縣由于樣本采集較少，表現的空間與時間分布特征不明顯；昌寧縣轄區內開始出現土壤pH小于5.0的地區，而pH在5.0～5.5的地區也開始迅速增加，并也有向煙區中部地區發展的趨勢；施甸縣與隆陽區兩地區時空變異特征不明顯，土壤pH變化不大。2011-2016年整個煙區土壤pH在騰沖縣與昌寧縣的時空變異特征最明顯，隆陽區與施甸縣特征表現不明顯，龍陵縣則由于樣本數量較少無法進行準確的分析。

研究證實，地統計學結合GIS能夠很好地描述保山市煙區植煙土壤近年來的酸化趨勢。2011年和2016年的植煙土壤pH基本符合對數正態分布，變異函數最佳理論模型均為高斯模型。2011年和2016年植煙土壤pH塊金值/基臺值分別為40.9%和25.3%，變程分別為41.5 km與47.2 km，具有中等強度的空間相關性，說明保山市煙區植煙土壤pH不僅受到當地氣候、土壤母質的影響，而且還受到人為因素如施肥、耕作措施等的影響[20]。Kriging插值的結果表明，保山市煙區植煙土壤pH呈逐年下降的趨勢，下降趨勢由西北方向與東南方向逐漸向中部地區減小，中部地區所受影響不大。東南方向的昌寧縣植煙土壤pH發展趨勢與騰沖縣有所類似，轄區內土壤均有酸化現象，造成這種趨勢的原因可能是諸如肥料施用種類、用量以及耕作管理等不當[23]。中部地區的隆陽區與施甸縣因土壤整體pH偏高，個別地塊pH雖略有下降，但不足以影響兩個地區土壤pH的整體空間變異，這可能與兩個地區土壤母質以及水熱條件有關。西南地區龍陵縣植煙土壤pH的Kriging插值圖時間與空間分布均表現不明顯，可能由于該地區采樣點過少，無法直觀表現出明顯的時空變異特征。導致這種時空變異分布不均勻的主要因素可能與煙區內一些地區長期大量施用酸性肥料（如硫酸鉀）、未合理采取施用有機（碳）肥以及輪作方式等土壤保育措施有關[24]；同時，還可能與煙區內部分地區土壤母質以及自然生態氣候條件（水熱條件）等因素有關。為減緩煙區內植煙土壤酸化，應當采取適當施用酸化土壤調理劑、優化配套栽培管理措施進行酸化土壤的調節與改良。

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