福建龍巖煙區植煙土壤pH時空變異研究

錢笑杰 肖靖 洪雅芳 李發林 史國強 譚茜 曾文龍 蔡海洋 熊德中

摘??要??為了了解龍巖煙區植煙土壤pH的時間和空間分布情況，本文采用傳統統計學和地統計學相結合的方式，進行了龍巖煙區植煙土壤pH的時空變異研究。結果表明：1982、2001、2011年龍巖煙區植煙土壤pH分別為5.34、5.03、5.23，土壤酸化得到有效抑制;1982、2001、2011年土壤pH半方差函數模型分別為線性模型、線性模型、指數模型?？臻g分布上，1982、2001、2011年高值區域分別呈現塊狀、點狀、塊狀;不適宜種植烤煙的地區呈現先上升后下降的趨勢，最適宜區面積減少。

關鍵詞??植煙土壤;土壤pH;時空變異;龍巖煙區;地統計學中圖分類號??S572??????文獻標識碼??A

Spatial and Temporal Variability of Soil pH in Longyan Tobacco Planting Areas

QIAN Xiaojie¹， XIAO Jing²， HONG Yafang³， LI Falin¹， SHI Guoqiang¹， TAN Qian⁴， ZENG Wenlong⁵，CAI Haiyang^4*， XIONG Dezhong⁴

1. Fujian Institute of Tropical Crops， Zhangzhou， Fujian 363004， China; 2. Fujian Eco-Tech Center for State Farm and South Subtropical Crops， Fuzhou， Fujian 350001， China; 3. Fujian Rural Work Resrarch Center， Fuzhou， Fujian 350001， China; 4. College of Resources and Environment， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350007， China; 5. Longyan Tobacco Company， Longyan， Fujian 364000， China

Abstract ?The spatial and temporal variation of pH value of tobacco-growing soil in Longyan tobacco-growing areas was studied by the combination of traditional statistics and geostatistics. pH values of tobacco planting soil in Longyan tobacco-growing areas in 1982， 2001 and 2011 was 5.34， 5.03 and 5.23， respectively， meaning soil acidification was effectively inhibited. The semi-variance function model of soil pH in 1982， 2001 and 2011 was a linear model， linear model and exponential model correspondingly. In terms of spatial distribution， the high-value areas in 1982， 2001 and 2011 was in the form of block， dot and block accordingly.?The areas that are not suitable for growing flue-cured tobacco show a trend of increasing first and then decreasing， and the area of the most suitable area is reduced.

Keywords ?tobacco planting soil; soil pH; spatial-temporal variation; Longyan tobacco area; geostatistics

DOI ?10.3969/j.issn.1000-2561.2019.10.021

近年來土壤酸化進程加速，嚴重危害熱帶和亞熱帶地區的生態環境、農業生產、農產品質量安全^[1-2]。土壤酸化不利于土壤肥力的保持、土壤微生物的生長活動及養分循環的進行^[1，?3-4]。黃運湘等^[5]研究表明土壤酸化導致氮、磷、鉀供應能力下降;王海斌等^[6]研究表明茶樹根際土壤酸化顯著影響了土壤微生物數量變化，微生物對土壤酸度具有敏感性;Manzoni 等^[7]和田永強等^[8]研究表明土壤酸化影響土壤碳、氮等元素礦化，不利于土壤養分的循環。此外，土壤酸化會活化土壤重金屬，王存龍等^[9]發現山東煙臺土壤酸化會促進Cd、Pb等的釋放與活化。土壤酸化能夠增加病害發生，樊小林等^[10]發現提高土壤pH能夠降低巴拿馬病（枯萎病）的發病率和病情指數。土壤酸化的直接表現為土壤pH下降，適宜的土壤pH能夠促進土壤養分的有效吸收^[11]。pH是土壤酸堿性的反映，土壤的酸堿度直接影響著烤煙對營養元素的吸收，隨著植煙土壤酸堿度研究的深入，已引起越來越多的關注。前人研究表明，當土壤pH值過低，微量元素的有效性較低;當土壤pH值過高，則不利于大量元素的吸收^[12-13]。植煙土壤pH值過高或過低均不利于煙葉對于土壤礦物營養的吸收，不利于烤煙體內的碳氮代謝，進而影響煙葉的生長狀況。

不同區域土壤pH的影響因素不盡相同，開展區域土壤pH的豐缺評價能夠因地制宜指導區域土壤改良^[14]。近年來對土壤pH區域內部差異、時間尺度變化等研究較多^[15-17]，但對熱帶亞熱帶農用地作物優勢種植區土壤pH的時空變異研究較少^[18]，3個時期的時間尺度pH變化研究鮮有報道^[19]。福建地區丘陵、山地較多，基于復雜地貌下的縣域特色農業的影響因素不同。煙草產業一直是龍巖市農業的支柱產業之一，龍巖煙區土壤也是典型的亞熱帶紅壤區農用地土壤，開展近30年土壤pH的時空變異研究，對煙稻輪作系統下的土壤養分綜合管理具有指導意義。

1??材料與方法

1.1資料收集

1982年第2次土壤普查資料的收集。收集了龍巖煙區永定縣、上杭縣、武平縣、連城縣、長汀縣、漳平市6個縣（市）的1∶5萬土壤圖、土壤剖面樣品采樣點分布圖，土壤普查總結，土樣理化性狀分析匯總數據資料等。根據龍巖煙區現有烤煙種植區域，選擇具有代表性的土壤樣點共354個，并收集整理354個樣點的耕層土壤pH數據。

2001年龍巖煙區植煙土壤平衡施肥相關資料的收集。收集了2001年龍巖煙區平衡施肥數據資料（2001年在福建省煙草公司統一部署下，龍巖煙區開展了平衡施肥工作，共測試分析了1362個土壤樣品的理化性狀）。本次研究以第2次土壤普查354個代表性土壤樣點分布為依據，選取與其采樣點相近點的相同土壤類型的樣點數據，共360個，收集整理了360個樣點的耕層土壤pH數據。

1∶15萬龍巖市行政區圖、1∶15萬龍巖市土地利用現狀圖及數據庫資料等。土壤樣品的采集：采樣地點以第2次土壤普查354個代表性土壤樣點分布為依據，選取與其采樣點相近點的相同土壤類型的樣點366個，采集耕層土壤。2011年12月采樣時，采用GPS定位記錄了樣點的地理坐標，經Arcview投影轉換后生成龍巖煙區植煙土壤采樣點分布圖（圖1）。

1.2測定方法及植煙土壤pH分級指標的確定

土壤pH測定方法：采用NY/T 1121.2-2006《土壤檢測?第2部分：土壤pH的測定》中的電位法。

本文參考唐莉娜等^[20]、陳朝陽^[21]等對福建煙區植煙土壤pH的研究，適宜煙草生長的pH范圍為5.0～7.0，其中最適宜煙草生長的pH范圍為5.5～6.5，因此龍巖市植煙土壤pH分級指標按表1來劃分。

1.3數據處理

數據分析采用傳統統計學和地統計學相結合的方法。統計分析采用SPSS 18和Excel 2007軟件完成，其中半方差函數模型擬合在GS+9.0中實現，克里格插值和插值圖繪制選擇在ArcGIS 9.3軟件完成。在得出龍巖煙區植煙土壤3個時段的土壤pH，通過ArcGis軟件功進一步得出土壤pH的時空變異狀況。

對所研究區域的不同時期的土壤樣品應用Geostatiscal Analyst模塊中的Explore Data工具中的Histogram和Normal QQ plot進行正態分布檢驗，GS+9.0軟件進行半方差模型的擬合和地統計學分析，運用Geostatistical Wizard中的Kriging分析模塊進行克里格插值，制作土壤pH的插值空間分布圖。將利用克里格插值方法得到的1982、2001和2011年土壤pH賦值到耕地圖斑上，然后建立研究區耕地土壤pH數據庫，最終出圖。龍巖煙區為煙稻輪作系統，植煙土壤區以龍巖六縣（市）水田圖斑為控制區域，對土壤pH分區后的柵格圖層以龍巖煙區1.75萬hm²進行面積評差，最終確定1982、2001、2011年3個時期土壤pH的面積以及比重。

2??結果與分析

2.1龍巖煙區植煙土壤pH的空間變化

1982、2001、2011年土壤pH數據經對數轉換，經Arcgis 9.3中的Geostatiscal Analyst模塊中的Explore Data工具中的Histogram和Normal QQ plot檢驗，符合正態分布。為了解1982、2001、2011年土壤pH局部變異特征，對3個時期土壤pH進行半方差模型擬合，研究其空間特征。圖2、圖3、圖4和表2為3時期土壤pH半方差模型最優模型擬合結果，其中1982、2001年土壤pH為線性模型，2011年土壤pH為指數模型。1982、2001、2011年土壤pH塊金效應分別為85.47%、94.90%、44.62%。塊金效應<25%為強空間依賴性，25%<塊金效應<75%為中等空間依賴性，塊金效應>75%為弱空間依賴性，可知1982、2001年土壤pH為弱空間依賴性，2011年土壤pH為中等空間依賴性?？臻g的依賴性呈現先變弱再變強的特點。

通過半方差函數模型的模擬，本文選用普通克里格插值方法，對龍巖市煙區1982、2001、2011年土壤pH進行插值。龍巖煙區pH一直以偏酸性為主，1982年空間分布上（圖5），主要高值區分

布在長汀縣西北部地區、連城縣的中北部地區、以及上杭縣的南部地區，呈現塊狀分布。2001年龍巖煙區空間分布上（圖6），主要高值區各縣市均有零星點狀分布，其中在長汀縣的西北部、上杭縣的南部地區、漳平市的中部地區存在較大范圍的高值區。2011年龍巖煙區空間分布上（圖7），高值區主要在3個地區：長汀縣以新橋鎮為中心的區域、上杭縣以中赤鄉和十方鎮為中心的區域、以及漳平市的東北部。3時期的高值區在上杭縣南部以中赤鄉和十方鎮為中心的區域均有分布，表明該區域土壤pH的影響主要是自然原因。1982年龍巖煙區植煙土壤低值區域主要在漳平市大部分地區;2001年龍巖煙區植煙土壤低值區域主要在漳平市的西北部地區以及永定縣的西南地區;2011年龍巖煙區植煙土壤低值區域主要在永定縣的西南地區，以及永定與上杭縣的北部交界處。

本文通過預測誤差來檢驗所得結果是否符合，通過檢驗（表3）發現，1982、2001、2011年3時期土壤pH的預測誤差的均值、預測誤差的均方根、平均預測標準差、平均標準差均較小;標準均方根預測誤差均接近于1。因此，龍巖煙區植煙土壤pH選用普通克里格插值方法結果滿足要求。

2.2龍巖煙區植煙土壤pH的時間變異

由表4可知，2001年龍巖煙區植煙土壤pH

注：同列不同小寫字母表示不同時間pH間存在顯著差異（P<0.05）;不同大寫字母表示不同時間pH間存在極顯著差異（P<0.01）。

比1982年龍巖煙區植煙土壤pH平均值下降0.31，2011年龍巖煙區植煙土壤pH比2001年龍巖煙區植煙土壤pH上升0.20。經Duncan差異分析，3時期土壤pH均達極顯著差異。1982、2001、2011年土壤pH主要范圍為5.0～5.5，處于適宜烤煙生長的范圍。

從表5可知，pH<5.0（不適宜種植烤煙區）龍巖煙區植煙土壤的面積，1982年為2828.00?hm²;2001年為6592.25 hm²;2011年為1438.50 hm²。2001年比1982年的不適宜植煙土壤面積比重增加了21.51%，2011年比2001年的不適宜植煙土壤面積減少了29.45%。至2011年，龍巖煙區植煙土壤面積的91.78%均為適宜烤煙生長或者最適宜烤煙生長的區域。2011年、1982年土壤pH最適宜區域面積比較，龍巖煙區最適宜植煙土壤面積下降了14.05%，且最適宜植煙面積的絕對面積較小。由圖8可知，1982—2001年龍巖煙區植煙土壤pH下降較嚴重區域（pH下降大于0.5），在2001–2011年土壤pH的變化圖中，絕大多數地區均表現為pH上升。其中永定縣的中部地區、武平縣的東南部地區上升較明顯（pH上升大于0.5個單位）。其中漳平市東部地區2個時間段中均表現為pH上升較明顯區。同時，長汀縣的中南部地區、上杭縣的東南部地區在2個時期中均表現為較小的下降（pH下降為0～0.5之間），應引起關注。

3??討論

塊金效應大小反映的是土壤性質對空間的依賴性強弱，是土壤性質空間變異的結果，Liu等^[22]研究表明，空間依賴性越強，受自然因素影響越大，受人類活動影響越小。龍巖煙區1982、2001、2011年塊金效應分別為85.47%、94.90%、44.62%，隨時間變化，人類活動是其結構因子變化的主要原因。pH高值區域空間分布變化為塊狀—點狀—塊狀，反映的是耕作制度變化對土壤pH的影響。1982—2001年，耕作制度（家庭聯產承包責任制）的變化讓龍巖煙區空間變異依賴性減弱。21世紀初期起，龍巖市煙草公司開展統一的配方施肥、土壤改良以及龍巖市煙區種植戶減少、土地流轉加速^[23]，煙區煙草種植趨向連片，均一化方向發展，外因（土壤管理）的影響削弱，內因（土壤形成因素）對土壤pH的空間變異的貢獻更大^[24]。郝紅瑞等^[25]指出，變程（Range）是最為重要的參數，2011年pH變程（Range）相對1982、2001年減小，也是塊金效應變小的可能原因。

1982—2001年，耕作制度的變化帶來的化學肥料施用量的過量施用是龍巖煙區植煙土壤pH下降的主要原因。2001—2011年，龍巖煙區生石灰、測土配方施肥的推廣^[26]，促進龍巖煙區土壤pH均值在該時期有所提高。龍巖煙區在2001—2011年，土壤酸化現象得到了一定的抑制，但亞熱帶地區自然現象（強烈淋溶作用）和酸沉降、化肥施用、作物吸收陽離子等人類活動因素在本區

域持續影響土壤酸化^[1]。周曉陽等^[27]認為南方水旱輪作模式也會出現土壤酸化，鄧小華等^[28]研究表明水土流失狀況顯著影響植煙土壤pH，水土流失嚴重的植煙土壤容易酸化。因此，龍巖煙區應合理注意有機肥配施化肥，定期注重土壤改良劑進行調酸。同時，長汀縣是福建省水土流失典型縣域單元，本研究發現在長汀縣的中南部地區、上杭縣的東南部地區兩時期均出現土壤pH下降現象，該區域更需關注水土流失治理，以達到改良土壤酸堿度的目的。

4??結論

（1）1982、2001、2011年3年土壤pH均值呈現先下降后上升的趨勢，土壤pH分別為5.34、5.03、5.23，土壤pH在煙葉適宜生長的范圍之內。

（2）半方差函數模型擬合表明，1982、2001年土壤pH為線性模型，2011年土壤pH為指數模型。1982、2001年土壤pH為弱空間依賴性，2011年土壤pH為中等空間依賴性，空間依賴性呈現先變弱再變強的特點。

（3）pH高值區域空間分布上，1982、2011年土壤pH呈現塊狀分布特征;2001年土壤pH呈現點狀分布特征。

（4）時間變化上，不適宜種植烤煙的地區呈現先上升后下降的趨勢，1982、2001、2011年龍巖煙區植煙土壤不適宜種植烤煙區面積分別為2828.00、6592.25、1438.50 hm²。最適宜區面積減少，與1982年相比，2011年龍巖煙區最適宜植煙土壤面積下降了14.05%，且最適宜植煙的面積的絕對面積較小。

（5）近30年龍巖煙區植煙土壤pH有酸化現象，pH整體略微下降，土壤酸化得到了有效的抑制。

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