郴州植煙土壤pH空間分布及影響因素初探

李強，閆晨兵，劉勇軍，黎娟，穰中文，肖艷松，李宏光，彭曙光

1 湖南農業大學 農學院，生物科學技術學院，煙草研究院 長沙 410128；

2 湖南省煙草公司，長沙 410004；

3 湖南省煙草科學研究所，長沙 410004；

4 湖南省煙草公司郴州市公司，湖南郴州 423000

酸堿度是評價土壤肥力的一項重要指標[1]，影響著土壤在農林生態系統中的功能[2]。有關農田土壤pH值的相關研究一直受到國內外研究人員的廣泛關注。楊歆歆等[3]研究了山東省土壤酸堿度變化狀況，26年間弱堿性和中性土壤面積分別減少了12.67%和4.38%，而弱酸性和酸性土壤面積比例分別增加了8.31%和8.06%。郭治興等[4]在廣東省的研究表明，30年來廣東省土壤pH 值平均值由5.70降至5.44，除潮土pH值升高以外，其他類型的土壤pH值均呈降低趨勢，尤其以赤紅壤、水稻土和紅壤最為嚴重。王寅等[5]研究表明吉林省各類型農田耕層土壤普遍存在酸化趨勢，其中黑土pH值下降約0.5個單位，草甸土和水稻土pH值分別下降了1.4和1.6個單位。有關土壤pH值影響因素的研究也有大量報道，成土母質、高程、坡度、土地利用類型、養分管理和種植技術，均是影響土壤pH的重要因素[6,7]。近年來植煙土壤pH值的分布與變化也備受關注。周煉川等[8]在文山煙區的研究表明，該煙區強酸性和堿性土壤的比例分別為20.3%和12.0%，隨海拔升高土壤pH 值呈降低趨勢。符云鵬等[9]在畢節的研究表明，該煙區強酸性和堿性土壤的比例分別為11.2%和6.04%，土壤pH值與全氮、有效硼及有效鋅呈顯著或極顯著正相關，與銨態氮、有效錳、有效鐵的含量呈現極顯著負相關。鄧小華等[10]研究了湘西州植煙土壤pH值分布特征及其影響因素，表明土壤pH值低于5.5的占37.27%，土壤pH值大于7.5的占18.20%，成土母巖、土壤類型、水土流失狀況、灌溉能力、海拔高度、耕作層厚度、有機質含量、土壤顆粒組成顯著影響植煙土壤pH值。魏國勝等[11]研究了咸豐縣植煙土壤的酸堿度變化，結果表明土壤酸化十分嚴峻，該縣植煙土壤主要呈酸性，pH值平均僅為4.4，pH值<5.0的強酸性土壤的面積占80.3%，30年間，強酸性土壤的面積增加了79.3個百分點。郴州是我國濃香型煙葉主產區，是典型的煙稻復種連作煙區，長期復種連作下植煙土壤pH值空間分布及其影響因素的研究未見報道。鑒于此，本研究利用郴州煙區2015年土壤pH值值數據開展研究，揭示煙稻復種連作煙區土壤pH值的空間變異特征及其影響因素，以期為郴州煙區土壤改良和烤煙養分管理決策提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 區域自然概況

郴州位于湖南省東南部，地處南嶺山脈與羅霄山脈交錯及長江水系與珠江水系分流的地帶。位于東經112°13 ＇ ～114°14 ＇，北緯 24°53～26°50 ＇之間，全市東西寬約202 km，南北長約217 km，總面積1.94萬平方公里。地勢自東南向西北傾斜，最高峰海拔2061.3米，最低處海拔70米。全市土壤分為10個土類，23個亞類，102個土屬，343個土種。其中以紅壤、黃壤以及黃棕壤占土壤平面分布中的70%以上。

1.2 樣品采集和分析

2015年水稻收獲后，采用GPS定位技術，在郴州煙區進行土壤取樣，采取“X”或“W”形取樣法，取耕層0～20 cm 的土樣，共采集1055份耕層土樣（其中安仁100個，北湖17個，桂陽560個，嘉禾110個，臨武12個，蘇仙45個，宜章96個，永興115個），每個田塊5～10個點取樣，混勻后采用四分法取約500g土樣帶回實驗室經風干、研磨后過篩制成待測樣品，進行土壤酸堿度、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、陽離子交換量（CEC）、粗砂（2～0.2 mm）、細砂（0.2～0.02 mm）、粉砂（0.02～0.002 mm）和粘粒（＜0.002 mm）等指標的測定，具體測定方法參照魯如坤[12]的方法。

1.3 土壤pH評價標準

參照《中國煙草種植區劃》[13]和相關文獻[8-10]，制定了郴州煙區土壤pH值的評價標準，具體分為以下5個等級，極低（<5.0）、低（5.0-5.5）、適宜（5.5-7.0）、高（7.0-7.5）、極高（>7.5）。

1.4 數據分析

1.4.1 簡單多元統計分析

采用EXCEL和SPSS17.0進行描述性統計，K-S檢驗（Kolmogorov-Smirnov test），多重比較，相關分析和平滑回歸分析[14][15]。

1.4.2 地統計分析

地統計學是以區域化變量理論為基礎，以半方差函數為基本工具的一種數學方法。半方差函數是描述土壤性質空間變異的一個函數，反映了不同距離觀測值的空間自相關程度，它是研究土壤特性空間變異性的關系，同時也是進行空間布局估計的基礎[16]。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，Kriging插值法是利用區域化變量的原始數據和半方差函數的結構特點，對未測點的取值進行線性無偏最優估計的一種方法[17-18]。半方差函數模型擬合和模型參數計算采用GS+9.0軟件完成，普通克里格插值（Ordinary-Kriging）和繪圖在ArcGIS 10.2.2軟件中完成[17-18]。

1.4.3 偏最小二乘回歸

偏最小二乘回歸（ PLS，Partial Least-Squares Regression）是從應用領域產生和發展的一種具有廣泛適用性的多元統計分析方法，由S.Wold 和C.Albano于1983年提出[19]。PLS具有傳統回歸方法所不具備的許多優點，能有效地解決許多用普通多元線性回歸無法解決的復雜問題，可以在觀察樣本數少以及自變量之間存在多重共線性的情況下，完成多因變量對多自變量和單因變量對多自變量的回歸[20]。此外，該方法計算簡單，意義明確，建模效果好，更易于辨識系統信息與噪聲，對因變量的解釋能力強[21]。采用SIMCA-P 11.5完成主成分提取和偏最小二乘回歸建模。

2 結果與分析

2.1 植煙土壤pH值狀況

2.1.1 植煙土壤pH值的基本統計特征

從描述性統計結果來看（表1），郴州植煙土壤pH值平均為7.00，總體上處于適宜水平，變幅4.47～8.14，變異系數為13.35%，屬中等程度變異，經K-S檢驗符合對數正態分布。從各植煙縣土壤pH均值比較的情況來看，土壤pH值在不同植煙縣區間存在極顯著差異（P<0.001），桂陽、嘉禾、臨武和宜章土壤顯著或極顯著高于其他植煙縣，其中桂陽、嘉禾、臨武和宜章植煙土壤pH值偏高，其他縣區植煙土壤pH平均值處于適宜水平；從各植煙縣土壤pH值變異情況來看，除桂陽縣植煙土壤pH值為弱變異外，其他植煙縣區土壤pH值均為中等程度變異。

從樣本分布情況來看（表1），郴州植煙土壤pH值“低”和“極低”的樣本分別占6.64%和4.27%，pH適宜的樣本占26.73%，pH值“高”和“極高”的樣本分別占12.70%和49.67%；各縣土壤pH值適宜樣本比例差異較大，在16.67%～52.94%，各縣土壤pH適宜比例從高到低依次為：北湖區、永興縣、蘇仙區、宜章縣、安仁縣、嘉禾縣、桂陽縣和臨武縣。

2.1.2 植煙土壤pH值空間分布

采用不同函數模型對土壤pH值空間結構特征進行擬合，獲得最佳函數模型及其相關參數（表2），土壤pH值最佳函數模型為指數模型，模型具有較高的擬合精度（RMSSE接近1，MSE接近0），能夠很好地反映土壤pH值空間結構特征。土壤pH值的塊金效應值C/（C0+C）達98.18%，表明人為因素對土壤pH值空間變異的貢獻率達98.18%，說明土壤pH值更多地受到人為因素的影響[22,23]。利用得到的半方差函數，采用普通克里格插值法獲得郴州土壤pH值的空間分布圖，發現郴州植煙土壤pH值總體上呈現西南高、東北低的格局。

表1 郴州植煙土壤pH值及其分布狀況Tab.1 pH value distribution of tobacco-planting soil in Chenzhou

圖1 郴州植煙土壤pH值空間分布Fig.1 Spatial distribution of soil pH value in Chenzhou

表2 土壤pH值半方差函數模型及其插值精度Tab.2 Soil pH value semivariance function model and interpolation accuracy

2.2 土壤pH的影響因素

空間結構分析表明植煙土壤pH值主要受人為因素（生石灰、鈣鎂磷肥，火土灰的長期使用等）的影響，因而此部分著重研究受人為因素干擾較大的土壤有機質含量、大量元素含量、土壤鹽基陽離子含量和土壤陰離子含量等土壤化學因素對土壤pH值的影響；此外兼顧到海拔高度、土壤機械組成、地形地貌、成土母質和成土母巖這5個自然因素對土壤理化性狀的重要影響，因此在研究的過程中一并考慮這5個因素。對于連續變量采用相關和PLS進行分析，而對地形地貌、成土母質和成土母巖等類別變量采用多重比較的方法進行分析。

2.2.1 各因素對土壤pH值影響的偏最小二乘回歸分析

首先對所選指標進行相關分析，發現在所選取的指標中，除有效磷、有效硫和氯離子外，其他各項指標均與土壤pH值存在顯著或極顯著相關，各影響指標之間也存在不同程度的相關性。說明選取的指標之間存在多重共線性關系，因此采用偏最小二乘回歸方法對土壤理化參數與土壤pH值的關系進行分析。

根據偏最小二乘回歸回歸分析方法的要求,選取第3個PLS 主成分時Q2=0.0282小于臨界值0.0975，因此，選取2個PLS 主成分成分即可滿足分析精度要求（表3）。表3可見，當選擇2個PLS主成分時，Q2（cum）達到0.644；根據PLS 的精度分析，測得2個PLS 主成分對來自變量X 的累計信息利用率僅為0.339，反映出選取的指標中有部分指標與土壤pH值關系較弱；R2Y（cum）為0.652大于0.6，Q2（cum）為0.644大于0.5，說明自變量對因變量解釋能力較強，累計交叉效性較高，模型擬合效果較好。

偏最小二乘回歸在計算PLS模型主成分解釋能力和交叉有效性的同時，也對土壤理化指標對土壤pH值作用大小的變量投影重要性 （VIP，Variable Importance Plot）進行了評價（圖1）。由圖3可知16項土壤理化指標中8項在偏最小二乘回歸模型中的VIP值均超過0.8，分別是交換性鈣、粉粒、全磷、全氮、有機質、堿解氮、陽離子交換量（CEC）和交換性鎂，說明這8項指標均對土壤pH值具有重要影響，其中交換性鈣、粉粒、全磷、全氮、有機質和堿解氮的VIP 值超過1，對土壤pH值起著顯著重要作用。

表3 表PLS模型主成分的解釋能力及交叉有效性Tab.3 Interpretation ability and cross-validity of principal components in PLS model

圖2 土壤理化因素對土壤pH影響的投影重要性（VIP）Fig.2 VIP value of soil physical and chemical indexes on soil pH

2.2.2 各因素對土壤pH值影響的平滑回歸分析

在明確土壤理化指標對土壤pH值影響相對重要性的基礎上，進一步采用平滑回歸的方法研究VIP值大于0.8的土壤理化指標對土壤pH值的影響（圖2）。結果表明，土壤pH值與交換性鈣含量符合線性加平臺模型（R2= 0.986，P=0.001），隨土壤交換性鈣增加，土壤pH值先升高后趨于穩定，土壤交換性鈣平臺值為25.098 cmol/kg；土壤pH值與粉砂粒含量符合線性模型，隨土壤粉砂粒含量增加，土壤pH值表現為直線上升趨勢；土壤pH與全磷符合線性加平臺模型（R2= 0.9573，P=0.001），即隨全磷含量增加，土壤pH值先升高后趨于穩定，土壤全磷平臺值為0.94 mg/kg；土壤pH值與全氮符合線性加平臺模型（R2=0.9514，P=0.001），即隨全氮含量增加，土壤pH值先升高后趨于穩定，土壤全氮平臺值為3.31 g/kg；土壤pH值與土壤有機質含量符合線性加平臺模型（R2=0.915，P=0.001），有機質升高至60.051 g/kg后，土壤pH值趨于穩定；土壤pH值與堿解氮含量符合線性加平臺模型（R2= 0.6391，P=0.001），即隨堿解氮含量增加，土壤pH值先升高后趨于穩定，土壤堿解氮平臺值為239.34 mg/kg；土壤pH值與交換性鎂含量符合線性加平臺模型（R2=0.812，P=0.001），隨土壤交換性鎂增加，土壤pH值表現為先升高后保持穩定，平臺值為2.871 cmol/kg。

2.2.3 其他因素對土壤pH值的影響

圖3 土壤pH值與其主控因素的平滑回歸分析Fig.3 Smooth regression analysis of soil pH value and its main controlling factors

由前文的偏最小二乘回歸分析結果可知，交換性鈣、粉砂粒、全磷、全氮、有機質、堿解氮、陽離子交換量（CEC）等因素解釋了土壤pH值變異的65.2%，但仍有34.8%的變異未得到解釋，這也印證了土壤pH值影響因素的復雜性。因而進一步采用方差分析和多重比較分析地形地貌、成土母質和成土母巖對土壤pH值的影響。

地形地貌 郴州煙區的地形地貌主要有山地、丘陵和平原，土壤pH值在不同地形地貌間存在顯著差異（表4），其中山地最高，其次是丘陵，均極顯著高于平原土壤的pH值。

表4 地形對土壤pH值的影響Tab.4 The effect of topography on soil pH value

成土母質 郴州植煙土壤主要成土母質為坡積物、洪積物、殘積物和沖積物，土壤pH值在4種成土母質間存在極顯著差異（表5），最高的是洪積物，最低的是沖積物，其中洪積物和坡積物為“高”等級，沖積物和殘積物為“適宜”等級。從變異程度來看，4種土壤母質均表現為中等程度變異。

成土母巖 郴州植煙土壤主要成土母巖為紫色砂頁巖、石灰巖、第四季紅壤和板頁巖，土壤pH值在4種成土母巖間存在極顯著差異（表6），由高到低依次為石灰巖、板頁巖、紫色砂頁巖和第四季紅壤，其中石灰巖為“高”等級，其他土壤母巖為“適宜”等級。從變異程度來看，4種土壤母質均表現為中等程度變異。

表5 成土母質對土壤pH值的影響Tab.5 The effect of parent material on soil pH value

表6 成土母質和成土母巖對土壤pH值的影響Tab.6 The effect of parent rock on soil pH value

3 討論

烤煙對土壤酸堿度的適應能力較強，在pH值4～9的土壤上均能正常完成其生長和繁殖，但要獲得品質優良的煙葉，煙草須種植在特定的pH值范圍的土壤上[24]。烤煙種植的最佳土壤pH值雖因地域的不同而略有差異[25]，但國內外學者均普遍認為弱酸性到中性的土壤利于獲得優質煙葉。從均值來看，郴州植煙土壤pH值平均為7.00，總體處于適宜水平；但從樣本分布情況來看，pH值適宜的樣本僅占26.73%，pH值過高和過低的樣本比例分別占62.37%和10.91%。半方差函數和空間插值的結果表明，土壤pH值主要受人為因素的影響，郴州植煙土壤pH值總體上呈現西南高、東北低的格局。郴州煙區土壤pH值表現出偏高的現象，這與多個其他煙區土壤酸化嚴重的現狀存在一定差異[8-11]。在對郴州煙區的生產技術進行調查后發現，當地有施用生石灰、鈣鎂磷肥、火土灰以及稻草還田進行土壤改良的習慣，可能是當地植煙土壤pH值較高的一個原因[26-28]；當地采取的種植制度主要是煙稻輪作，水稻種植中的淹水過程對土壤中H+有一定的消減作用，可能也是當地植煙土壤pH值較高的另一個重要原因[29,30]；此外，當地有將煙草和水稻秸稈粉碎還田的習慣，使得當地植煙土壤有機質穩定在較高水平，也是植煙土壤較高的原因之一[10]，這與土壤有機質中腐殖質具有強大的吸附能力和緩沖性能有關[31]。

偏最小二乘回歸分析結果表明交換性鈣、粉砂粒、全磷、全氮、有機質、堿解氮、陽離子交換量（CEC）和交換性鎂等8項指標對土壤pH值的累計解釋能力達65.2%，其中全磷、全氮、有機質、堿解氮、陽離子交換量（CEC）和交換性鎂等土壤化學因素的累計VIP值達8.30，自然因素中粉砂粒的VIP值為1.39，與前文的空間結構結果分析一致。值得注意的是交換性鈣對土壤pH值影響較大（VIP值達2.08），這與Drohan等人的研究結果一致[32]；但本研究中有關氮素對植煙土壤pH值的影響表現為正效應，這與Guo等人的研究得到的氮肥過量施用是土壤酸化的主要因素這一觀點不一致[33]，這一現象值得深入研究。偏最小二乘回歸分析未能解釋的變異，可能來自于地形地貌、成土母質、成土母巖的等自然因素的作用[34-38]。

綜上，和眾多煙區土壤發生酸化不同[8-11]，郴州植煙土壤pH值有升高的趨勢，這與當地長期推行石灰、鈣鎂磷肥和火土灰施用，以及水旱輪作，稻草還田等技術措施有關。目前尚未有來自工業企業的關于煙葉質量變差的反饋，但土壤pH值進一步升高后會否對煙葉品質造成不良影響尚不得而知，土壤pH值升高的問題應當引起足夠關注。一方面應繼續關注土壤pH值變化，開展堿性土壤對煙葉品質影響的研究，為植煙土壤管理決策提供參考。另一方面，應針對不同植煙土壤酸堿度狀況采取差異化管理方案，針對pH值“極高”的區域，應暫時停止施用石灰，適當降低土壤pH值；針對pH值“高”的區域，應采取隔年施用石灰或減少石灰用量辦法，穩定土壤pH值；針對pH值“適宜”的區域，應維持當前石灰用量，穩步降低土壤pH值；而針對土壤pH值“低”和“極低”的區域應適當增加石灰和鈣鎂磷肥的投入，適當提高土壤pH值。

4 結論

郴州植煙土壤pH值平均為7.00，pH適宜的樣本僅占26.73%，pH值過高和過低的樣本比例分別占62.37%和10.91%；植煙土壤pH值空間結構為指數模型，空間變異主要由土壤化學因素決定，化學因素中的全磷、全氮、有機質、堿解氮、陽離子交換量（CEC）和交換性鎂等對土壤pH值均表現為正效應，偏最小二乘回歸的累計VIP值達8.30，其中交換性鈣的VIP值最大達2.08。今后應根據土壤pH值區域差異，重點從生石灰施用及鈣鎂元素投入，有機物料輸入等方面進行土壤酸堿度分類調控方面的研究。