35 年來西南典型雪茄煙區土壤pH時空演變及其驅動因素

胡 越 ，樊紅柱，陳 勇，張 瀟，雷云康，李富程，馮文強

（1.西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010；2.四川省農業科學院農業資源與環境研究所，四川 成都 610066；3.四川省煙草公司德陽市公司，四川 德陽 618300；4.中國煙草總公司四川省公司，四川 成都 610041）

【研究意義】土壤pH 與土壤特性有關，如離子水解平衡、微生物群落和有機質含量等，在調節土壤條件和生態系統功能方面發揮著重要作用［1］。土壤pH 也是影響煙葉產量、質量的重要因素，煙葉生長適宜的土壤pH 范圍在5.5～6.5［2］。當土壤pH 過高時，養分元素的有效性會降低，土壤pH 過低時，煙堿含量增加、糖堿比例失調［3］，可見，植煙土壤pH 過高或過低均不利于營養元素的形態轉化和有效性，進而影響煙株對養分的吸收狀況［4］。作為一種特殊的煙草產品，雪茄煙對自然生態條件的要求極高，土壤pH 的變化直接影響土壤結構與養分質量，最終影響煙株的生長發育和煙葉產量、質量，因而掌握土壤pH 狀況對實現雪茄煙葉高質量發展與土壤可持續利用具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】近年來，對植煙土壤pH 變化的研究表明，我國不同煙區土壤pH 均表現出下降趨勢。福建龍巖煙區1982—2001 年土壤pH 下降0.31［3］，湘西州15年間土壤pH 整體下降0.09［5］，云南玉溪壩地煙田2008—2015 年土壤pH 降低0.40［6］。土壤pH 下降的原因各地不同，周煉川等［7］指出，土壤pH 與海拔呈負相關；譚智勇等［8］研究表明，堿解氮和交換性氫是銅仁市植煙土壤主要致酸因子；李強等［9］研究認為，交換性鈣和交換性鎂是影響郴州煙區植煙土壤pH空間變異的主要因素。因此，開展區域土壤pH 變化規律及影響因素研究可因地制宜指導區域土壤改良?！颈狙芯壳腥朦c】已有研究通過GIS 開展了大量的空間變化分析［10-11］，但多聚焦于短時期內變化［12-14］。有關植煙土壤pH 變化的研究多集中在云南、貴州、湖南、河南等烤煙種植區［5,15］，缺乏雪茄煙區土壤pH 較長時間跨度和時空變化特征及其影響因素的報道。四川什邡市是我國傳統雪茄煙原料生產的發源地，也是雪茄煙葉開發的重點產區之一。近年來該區土壤理化性狀，尤其是pH 值發生明顯改變，土壤pH 變化趨勢及驅動因子均不明確，影響優質雪茄煙葉產業發展?！緮M解決的關鍵問題】本研究基于1984、2009 和2019 年3 個時期什邡市土壤pH 數據，分析了35 年來植煙土壤pH 時空演變規律及其驅動因素，為該區優質雪茄煙葉生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

什邡市位于四川成都平原西北邊緣（31°01′～31°32′N、103°47′～104°16′E），屬亞熱帶濕潤氣候，年均氣溫15.9～16.1℃，年均日照1 247～1 254 h，年均降水量900～1 000 mm［16］。地形地貌以平原為主，兼有丘陵和山地特征，地勢呈西北高、東南低的趨勢。研究區馬井鎮、方亭街道、禾豐鎮、皂角街道、馬祖鎮、南泉鎮、洛水鎮、師古鎮土壤以灰棕沖積水稻土為主，洛水鎮和湔氏鎮包括灰棕沖積水稻土和黃壤兩個亞類，而鎣華鎮以冷沙黃壤土為主。什邡市耕地面積23 483 hm2，雪茄煙常年種植面積約3 300 hm2［17］，是國家重要雪茄煙生產基地之一，土壤肥力整體較高。

1.2 數據來源

本研究的土壤pH 數據來源于四川省第二次土壤普查（1984 年）、四川省測土配方施肥項目（2009 年）和四川省耕地質量調查（2019 年）。分別獲得土壤pH 數據26、391、164 個，采樣深度均為0～20 cm，3 個時期土壤采樣點分布見圖1。土壤屬性（全氮、有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀等含量）數據均與土壤pH 來源相同。土壤pH 采用電位法測定（土液比為1 ∶2.5），有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮含量采用凱氏定氮法測定，堿解氮含量采用堿解擴散法測定，速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用醋酸銨浸提—火焰光度法測定［18］。地理空間信息主要包括四川省高程（DEM）圖、什邡市土地利用現狀及行政區劃圖。氣象和施肥數據來自2017—2020 年什邡市統計年鑒。

圖1 1984、2009 和2019 年研究區土壤采樣點分布Fig.1 Distribution of soil sampling points in the study area in 1984,2009 and 2019

1.3 土壤pH 評價標準

基于前人研究結果［7,19-20］，將什邡市植煙土壤pH 值劃分為4 類：酸性（pH<5.5）、弱酸性（5.5～6.5）、中性（6.5～7.5）和堿性（pH>7.5）。土壤pH 變化分為5 個級別：ΔpH ≤-1.0 為明顯酸化，ΔpH 在-1.0～-0.3 為酸化，ΔpH 在-0.3～0.3為基本不變（自然波動和測量誤差范圍），ΔpH在0.3～1.0 為堿化，ΔpH ≥1.0 為明顯堿化。

1.4 半方差函數

為量化結構性因素（自然因素）和隨機性因素（人為因素）對土壤空間變異的影響，采用半方差函數對其空間變異結構進行描述。塊金系數用來衡量變量在空間上的變異程度，

式中，C0為塊金值，表示由隨機性因素引起的空間變異，C為偏基臺值，表示結構性因素引起的空間變異。塊金系數<25%，表示變量具有強烈的空間自相關性；塊金系數在25%～75%之間，則變量具有中等程度空間相關性；塊金系數>75%，表示變量空間自相關性很弱［21］。

1.5 數據處理

基礎數據采用Excel 2016 進行處理，通過SPSS 25.0 進行統計學分析。土壤pH 空間分布圖在ArcGIS10.8 軟件中運用地統計學中的普通克里格插值法進行繪制，得到的1984、2009 和2019年土壤pH 圖按類別進行重分類，將土壤pH 分類后的柵格圖轉換為面數據后，得到3 個時期不同類別土壤的pH 面積及占比。土壤pH 變化幅度的空間分布圖通過對3 個時期土壤pH 空間分布圖兩兩作差得到。使用R 語言（4.0.2）中的“Random Forest”包進行影響因素的相對重要性分析，其原理是利用Bootstrap 重抽樣從原始樣本中有放回地隨機抽取多組樣本，每組樣本分別構建決策樹進行訓練，得到數量最多的結果則作為最終輸出結果［22］。

2 結果與分析

2.1 植煙土壤pH 時序變化特征

由表1 可知，1984、2009 和2019 年什邡市植煙土壤pH 平均值分別為6.40、6.24 和5.97，35 年間土壤pH 顯著下降0.43 個單位，1984—2009 年年均下降0.01 個單位，2009—2019 年年均下降0.02 個單位。從什邡市各鎮煙田土壤pH統計情況（表1）來看，1984 年煙田土壤pH 分布在5.85～8.20，2009 年土壤pH 在6.04～6.62，2019 年土壤pH 處于5.60～7.17，1984—2019 年土壤pH 呈現最小值、最大值均降低的趨勢。與1984 年相比，2019 年除湔氐鎮、鎣華鎮外，其他鎮土壤pH 均存在不同程度的降低，其中禾豐鎮降幅最大、達30.62%，師古鎮降幅最小、僅為0.30%，35 年來植煙土壤pH 酸化趨勢明顯。

2.2 植煙土壤pH 空間分布特征

利用ArcGIS 地統計分析模塊對土壤pH 進行半方差函數模型擬合，并進行預測誤差比較：標準平均值（MSE）越接近于0，標準均方根預測誤差（RMSSE）越接近于1，模型擬合效果最好［23］。擬合結果表明，1984、2019 年土壤pH的最佳擬合模型為指數模型，2009 年高斯模型擬合效果更好（表2）。從表2 可以看出，1984 年土壤pH 的空間變異程度較低，主要為結構性因素引起的空間變異；2009、2019 年塊金系數分別為66.78%、50.34%，具有中等變異程度的空間相關性，土壤pH的空間分布受隨機因素的影響增強。

表2 土壤pH 半方差函數模型及其參數Table 2 Semi-variogram model and its parameters of soil pH

從圖2 可以看出，1984 年植煙土壤pH 最大值出現在洛水鎮、禾豐鎮和馬井鎮（pH>7.5），土壤pH 呈現以3 個區域為中心向四周逐漸降低的態勢。2009 年植煙土壤pH>7.5 的區域消失，pH 總體上呈現中部高、南北低的分布特征。2019年植煙土壤pH 整體呈現南低北高，南部平壩區以弱酸性-酸性土壤為主，酸性土壤主要呈斑塊狀鑲嵌于弱酸性土壤中，以禾豐鎮與馬祖鎮交界處最為集中，其余以塊狀結構鑲嵌于馬井鎮西部、南泉鎮西南部和師古鎮等局部地區。與1984 年植煙土壤pH 空間分布特征不同，2019 年植煙土壤出現酸性區域，特別是馬井鎮、馬祖鎮與禾豐鎮植煙土壤酸化面積增加明顯。

圖2 1984、2009 和2019 年什邡市植煙土壤pH 空間分布Fig.2 Spatial distribution of pH in tobacco growing soils in Shifang City in 1984,2009 and 2019

從圖3 可以看出，不同時期植煙土壤pH 差異顯著。1984 年研究區弱酸性、中性和堿性土壤面積占植煙土壤總面積的比例分別為81.33%、16.08%和2.59%；2009 年僅有弱酸性和中性土壤，分別占93.13%和6.87%；2019 年弱酸性和中性土壤分別占83.01%和12.24%，而酸性土壤占4.75%。與1984 年相比，2019 年什邡煙區堿性和中性土壤占比均下降，弱酸性土壤占比增加，新增了酸性土壤，植煙土壤pH呈現酸性增強的趨勢。

圖3 1984、2009 和2019 年什邡市不同類別植煙土壤pH 面積占比Fig.3 Area proportions of pH in different types of tobacco growing soils in Shifang City in 1984,2009 and 2019

2.3 植煙土壤pH 時空變化特征

從圖4 可以看出，1984—2019 年什邡市南部絕大部分地區土壤pH 呈降低趨勢，其中禾豐鎮東部和馬井鎮西部土壤pH 降低幅度相對較大，降幅達到1.0～2.0 個單位，馬祖鎮pH 值降幅為0.3～1.0 個單位。北部的鎣華鎮和中部的湔氐鎮土壤pH 整體出現較大幅度的升高趨勢，為0.3～1.0個單位。從變化面積來看，明顯酸化區（ΔpH ≤-1.0）占8.54%，酸化區（ΔpH 為-1.0～-0.3）和不變區（ΔpH 為-0.3～0.3）分別為44.98%和34.86%。1984—2019 年約53.51%的植煙土壤出現酸化趨勢（ΔpH<-0.3），大部分地區的降幅為0.3～1.0，約11.63%的植煙土壤表現出堿化趨勢（ΔpH ＞0.3）。1984—2009 年，20.90%的植煙土壤呈酸化趨勢，禾豐鎮、洛水鎮和馬井鎮部分地區酸化明顯（ΔpH ≤-1.0）。2009—2019 年土壤pH 變化趨勢與1984—2009 年相比差異顯著，局部地區土壤pH 出現酸堿度逆轉的現象，其中師古鎮和禾豐鎮部分地區出現堿化，馬祖鎮和馬井鎮酸化面積不斷擴大，南泉鎮則由1984—2009 年的堿化轉變為酸化趨勢。

圖4 1984—2019、1984—2009 和2009—2019 年什邡市植煙土壤pH 變化幅度Fig.4 Range of variation of pH in tobacco growing soils in Shifang City during 1984-2019,1984-2009 and 2009-2019

2.4 植煙土壤pH 變化的影響因素分析

本文借鑒以往學者對土壤pH 影響因素的研究［9,24-25］，結合研究區實際情況，利用隨機森林模型分析了氣象因素（年均降雨量、年均氣溫）、土壤屬性（有機質、全氮、有效磷、堿解氮、速效鉀）、施肥水平（磷肥、氮肥和鉀肥）對土壤pH 變化的相對重要性，將模型結果中各變量相對重要性結果值標準化至100%（圖5）。結果顯示，土壤屬性對土壤pH 變化的相對重要性最大、為56.81%，氣象因素對土壤pH 變化的相對重要性為41.07%，而施肥水平對土壤pH 變化的相對重要性較低、為2.12%。從各因子的相對重要性來看，年均降雨量對土壤pH 空間變異的相對重要性最高、為25.08%，其次是有機質含量、為24.32%。

圖5 不同因素對土壤pH 變化影響的相對重要性比較Fig.5 Comparison of relative importance of different factors affecting soil pH change

3 討論

土壤pH 值是土壤酸性強度的重要指標，與土壤養分的有效性密切相關，國內外學者普遍認為，弱酸性至中性土壤具有較強的潛力發展優質煙葉［26］。2019 年什邡市植煙土壤pH 均值為5.97，呈弱酸性，說明當前土壤適宜優質煙葉生產；從面積統計結果來看，研究區約有95.25%的植煙土壤呈弱酸性至中性，滿足優質雪茄煙葉生長條件。半方差函數和空間插值結果表明，什邡煙區土壤pH 的空間特征受自然因素和人為因素的綜合影響，總體上呈南低北高的分布格局，與四川盆地紫色土土壤pH 值總體由北到南逐漸降低的趨勢相吻合［27］。

本研究中，35 年間植煙土壤pH 值下降0.43，降幅較大，pH ＞7.5 的植煙區域面積占比下降2.59個百分點，pH ＜5.5 的區域面積占比增至4.75%，表現出酸化趨勢，這與Zhang 等［28］研究結果一致。據報道，20 世紀90 年代以來，隨著高強度人類活動的不斷干預，土壤酸化速度加快［29］。煙田也存在類似現象，但因區域土壤類型、氣候條件等存在差異，各地煙田土壤pH下降速率有所不同。湘西龍山縣15 年間（2000—2015 年）土壤pH下降了0.29［30］，茶陵縣煙稻復種區2009—2014年降低0.28［31］。此外，本研究還發現，什邡市53.51%的植煙土壤pH 呈酸化趨勢，而11.63%呈堿化趨勢；在空間上，南部主要發生酸化，北部主要發生堿化。土壤pH 值降幅在0.3～1.0 個單位的土壤面積占比最大（44.98%），降幅超過1.0個單位的土壤面積占8.54%，可見，研究區土壤酸化問題不容忽視。

本研究結果顯示，年均降雨量對土壤pH 變化的相對重要性為25.08%，是研究區土壤酸化最主要的影響因素。高降雨量會增強淋溶作用，導致土壤鹽基離子總量和鹽基飽和度下降，土壤緩沖能力降低，從而造成土壤pH 值降低［32-33］。有機質含量對土壤pH 變化的相對重要性僅次于年均降雨量、為24.32%，韓天富等［25］利用我國30年長期定位試驗也發現有機質是導致水稻土酸化的主要因素。我國煙-稻輪作種植制度下，增施有機肥（特別是餅肥、農家肥、商品有機肥）或稻草還田是補充煙田土壤有機質的重要措施［34］。韓金等［35］研究顯示，秸稈還田可以降低土壤pH值，且土壤pH 值的降低幅度隨秸稈還田量的增加而增大。增施有機肥或秸稈還田引起土壤酸化可能的原因，一方面是土壤有機質在微生物作用下分解過程中產生的CO2溶于水后形成碳酸鹽會促使土壤酸化［25］，另一方面是秸稈還田后腐解過程中產生有機酸類物質，導致土壤pH 降低［35］。與之不同的是，肖慶禮等［36］發現，牛糞有機肥可提高西南山區土壤pH 值，緩解植煙黃壤酸化；丁玉梅等［37］指出，有機肥施用量為600～1 200 kg/hm2時有利于提高植煙土壤pH 值，其原因可能與各研究區域的土壤本底酸堿度、質地、有機肥種類和施用量等密切相關。因此，針對什邡煙區土壤酸化現狀，實際生產中應結合自然條件和區域土壤特征，對于明顯酸化區（如禾豐鎮、馬井鎮），采取施用石灰等土壤改良劑或其他堿性肥料，創制新型專用肥以及配合適量的有機肥等酸化改良措施調控土壤pH 以滿足優質煙葉生產的需要［38-40］。

4 結論

1984、2009、2019 年什邡市植煙土壤pH 均以弱酸性和中性為主，整體適宜優質煙葉生產。2019 年什邡市植煙土壤pH 均值為5.97，比1984年顯著降低0.43。1984 年2.59%的區域土壤呈堿性，土壤pH 在洛水鎮、禾豐鎮和馬井鎮3 個區域較高；2009 年研究區已不存在堿性土壤，土壤pH 呈現中部高、南北低的分布特征；2019 年出現4.75%的酸性土壤，主要分布在什邡市南部，包括禾豐鎮、馬祖鎮、馬井鎮、南泉鎮和師古鎮，土壤pH 在空間上呈南低北高的分布特征。35 年來什邡市植煙土壤總體表現為酸化特征，pH 變化幅度在-1.0～-0.3 的區域占44.98%，8.54%的區域呈明顯酸化（ΔpH ≤-1.0）趨勢。年均降雨量和土壤有機質是影響煙區土壤pH 變化的主要因素，生產中應針對區域土壤pH 狀況，采取創制新型專用肥、施用土壤改良劑等調控措施。