保山市烟区植烟土壤pH时空变异特征分析

周杰文　张发明　李海平

摘要：采用传统统计学方法以及地统计学方法结合GIS技术研究了云南省保山市烟区植烟土壤耕层（0～20 cm）pH的时空变异特征。结果表明，2011年保山市烟区植烟土壤pH分布在5.5～6.5的样本占38.3%，2016年下降至32.0%；土壤pH属中等变异强度；2011年和2016年烟区土壤pH块金值/基台值分别为40.9%和25.3%，变程分别为41.5 km与47.2 km，具有中等强度的空间相关性；Kriging最优内插法结果表明，保山市烟区植烟土壤pH呈现逐年下降的趋势，下降趋势由西北方向与东南方向逐渐向中部地区减小，中部地区所受影响不大。

关键词：植烟土壤pH；时空变异特征；地统计学；GIS

中图分类号：S151.9 文献标识码：A 文章编号：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

烟草是中国老少边穷地区重要的经济作物之一，它的产量、质量很大程度受到土壤理化性质的影响，而植烟土壤pH则是重要的因素之一。土壤养分的生物有效性及形态转换与土壤pH密切相关。研究表明，植烟土壤pH在协调土壤与烤烟养分供需之间的关系有着不可或缺的作用[1]。植烟土壤最适pH范围为5.5～6.5，过高的pH将会导致烤烟根系活力降低，烤后烟叶中总氮、还原糖以及蛋白质含量偏高，烟叶烟碱和钾含量偏低，烟叶品质下降；植烟土壤pH过低往往会导致烟叶烟碱含量偏高，糖碱比偏低，烟叶化学成分也不协调[2，3]。目前，中国许多烟区就烟区内植烟土壤酸化及改良开展了一系列研究，已有不少相关报道[4，5]。近年来利用地统计学进行区域内相关研究日益增长，使用经典地统计学对烤烟栽培相关方面的研究也日益增多[6，7]。本研究地统计学（Geostatistics）于20世纪50年代首先应用在南非采矿业的矿藏勘察计算中，60年代法国著名统计学家Matheron G在做了大量理论工作的基础上提出了区域化变量理论（The theory of regionalized variable），形成了地統计学的基本框架[8]。地统计学主要是利用随机函数对不确定的现象进行探索分析，并结合采样点提供的信息对未知点进行估计和模拟[9]。随着3S技术愈发成熟，运用地理信息系统技术（GIS）结合地统计学来研究区域因素空间变异特征的相关研究逐渐增多，已经成为科研热点方向之一。

近年来云南省保山市烟区酸化土壤日趋增多，对于其具体成因尚未有定论。本研究利用地统计学和GIS研究保山市烟区植烟土壤pH时空变异特征，并结合相关研究[10-13]，初步分析植烟土壤酸化成因，为保山市烟区酸化土壤改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

保山市处于横断山脉滇西纵谷南端，位于东经98°25′-100°02′，北纬24°08′-25°51′，坝区占8.21%，山区占91.79%。整个地势自西北向东南延伸倾斜，最低海拔535 m，最高海拔3 780.9 m，平均海拔1 800 m左右。保山市属低纬山地亚热带季风气候，由于地处低纬高原，地形地貌复杂，形成“一山分四季，十里不同天”的立体气候。年温差小，日温差大，年均气温为14～17 ℃；降水充沛、干湿分明、分布不均，年降水量700～2 100 mm。

1.2 样品采集与测定方法

根据研究区域烟草种植情况以及植烟地块肥力水平选取适宜位置，采样方法参照标准NY/T 1121.1-2006，采用S型布点采样，取耕层0～20 cm土样，采样点采用GPS定位，每个采样点代表的面积为20 hm2，分布情况见图1。2011年采集土壤样品614个，2016年采集土壤样品654个。所有样品数据来源于云南省烟草公司保山市公司对烟区内代表性植烟区域土壤进行的采集与检测。土壤pH采用pH计测定（水土比为1.0∶2.5）。

1.3 地统计学原理

地统计学是一种以半方差函数为基本工具的数学方法[14]，主要用途是研究对象空间自相关结构（或空间变异结构）的探测以及变量值的估计和模拟[9]，其核心是根据样本点来确定研究对象（某一变量）随空间位置而变化的规律，以此去推算未知点的属性值。常用半方差函数模型有环状模型（Circular）、球状模型（Spherical）、高斯模型（Gaussian）和指数模型（Exponential）等。结合某一区域化变量的原始数据以及半方差函数的结构特点来对区域中未测点进行线性无偏最优估计的方法称为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）为半方差函数；h为步长；N（h）为观测样点对数；Z（xi）和Z（xi+h）分别为区域化变量 Z（x）在空间位置xi和xi+h的实测值。Z（x）为点x处的估计值；Z（xi）为参与估计的第i个有效观测值； N为参与估计的有效观测值个数；λi为赋予观测值Z（xi）的权重（其和为1），表示各观测值对估计值 Z（x）的贡献，在保证估值无偏性（即估值偏差的平均值为0）和最优性（即估值方差最小）条件下，可由变量半方差函数计算。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 19.0、Microsoft Excel 2010等软件进行统计分析；数字化地形图和Kriging插值图采用ArcGIS 10.2软件绘制；半方差函数计算和模型拟合以及图像制作采用GS+3.0软件。

2 结果与分析

2.1 保山市烟区植烟土壤pH年度分布状况

由表1可知，2011年保山市烟区各县区植烟土壤pH分布各有差异。腾冲、昌宁、龙陵3县植烟土壤pH总体呈酸性，腾冲县植烟土壤pH小于5.5的样本占30.7%，处于5.5～6.5的占57.4%；昌宁县pH小于5.5的样本占17.9%，处于5.5～6.5的占45.3%；龙陵县pH处于5.5～6.5的样本占总数的67.3%。3个县植烟土壤pH处于5.5～6.5的样本所占比例较高，比较适合优质烟叶的生产。隆阳区与施甸县植烟土壤pH总体偏碱性，其中隆阳区pH大于7.0的样本占该区总样本数的61.4%，施甸县占54.0%。

由表2可知，龙陵县、隆阳区以及施甸县3个地区植烟土壤pH相比2011年变化不大。2016年腾冲縣、昌宁县两地区植烟土壤pH小于5.5的样本数有所增加，分别为68.1%和49.4%。

2.2 保山市烟区植烟土壤pH变异性

保山市烟区2011年与2016年植烟土壤pH描述性统计结果见表3，经偏度和峰度检验，两个年度的土壤酸碱度数据基本符合对数正态分布要求，可以进行空间变异性分析。两个时期土壤pH变异系数介于10%～100%，属于中等变异强度[18]。pH的描述性统计分析只能说明整个区域整体的变化情况，不能反映出局部的变化特征，即不能反映植烟土壤pH的结构性和随机性、相关性和独立性，因此需进一步进行地统计学分析，以便阐述其时空变异特征。

2.3 保山市烟区植烟土壤pH空间分布特征

为研究保山市烟区植烟土壤pH的时空变异特征，对2011年和2016年两个时间段数据进行了半方差函数模型拟合，结果见图2与表4，拟合度分别为0.980与0.971，说明拟合的理论模型较好地反映了植烟土壤pH的空间结构特征[19]。

按照区域化变量空间相关性程度的分级标准，Cambardella等[20]运用块金值/基台值（C0与C0+C比值）的大小来判定系统内变量的空间相关性程度，如果比值小于25%，表明变量有强烈的空间相关性；如果比值在25%～75%，表明变量具有中等的空间相关性；如果比值大于75%，表明变量的空间相关性较弱。随机性因素如施肥、耕作措施、种植制度等各种分散的人为活动使得土壤性质的空间相关性减弱，而结构因素如气候、母质、地形等则是土壤性质具有空间相关性的根本原因[21]。表4中2011年和2016年土壤pH块金值/基台值分别为40.9%和25.3%，具有中等强度的空间相关性。

变程是指半方差函数达到基台值所对应的距离，也称为空间最大相关距离，在此距离内的内插是有意义的[22]。由表4可知，2011年与2016年变程分别为41.5 km和47.2 km，均大于取样距离，而且拟合的地统计模型经F检验达到了显著水平，说明插值是具有实际意义的，因此对保山烟区植烟土壤pH进行了Kriging插值，结果见图3。

由圖3可知，保山市烟区植烟土壤pH分布大致为西部地区以及东南地区较低，偏向于酸化，中部地区pH偏向于碱化。2011年处于西北部的腾冲县植烟土壤pH 5.5～6.0的面积约占整个腾冲县总面积的70%，pH 5.0～5.5的面积约占15%，整体呈弱酸性，比较适合烟草生长与发育；2016年腾冲县植烟土壤pH有所下降，全县大部分地区土壤pH处于5.0～5.5，甚至有小部分地区pH下降到了5.0以下。从全烟区整体结果来看，近年来，保山市烟区内植烟土壤pH处于下降的趋势，这将会对优质烟叶的可持续生产带来部分负面影响。

3 结论

植烟土壤最适宜的pH范围为5.5～6.5，本研究表明，2011年保山市烟区植烟土壤pH分布在5.5～6.5适宜植烟的样本占38.3%，2016年下降至32.0%；pH小于5.5的样本由2011年的15.1%上升至29.5%，烟区土壤有酸化趋势。2011年腾冲县大部分地区处于5.5～6.0，小部分地区土壤pH分布在5.0～5.5；龙陵县辖区植烟土壤pH基本大于5.5；昌宁县只有很小部分地区土壤pH处于5.0～5.5，其余地区土壤pH均分布在5.5～7.0；施甸县以及隆阳区大部分地区植烟土壤pH大于7.0。单从土壤pH来分析，保山市烟区2016年适宜种植烟草的地域面积缩减到30%左右。2016年保山市烟区腾冲县地区土壤酸化趋势明显，土壤pH分布在5.0～5.5的地区pH下降到了5.0以下，分布在5.5～6.0的地区土壤pH则下降到了5.0～5.5，并有向中部地区继续发展的趋势；龙陵县由于样本采集较少，表现的空间与时间分布特征不明显；昌宁县辖区内开始出现土壤pH小于5.0的地区，而pH在5.0～5.5的地区也开始迅速增加，并也有向烟区中部地区发展的趋势；施甸县与隆阳区两地区时空变异特征不明显，土壤pH变化不大。2011-2016年整个烟区土壤pH在腾冲县与昌宁县的时空变异特征最明显，隆阳区与施甸县特征表现不明显，龙陵县则由于样本数量较少无法进行准确的分析。

研究证实，地统计学结合GIS能够很好地描述保山市烟区植烟土壤近年来的酸化趋势。2011年和2016年的植烟土壤pH基本符合对数正态分布，变异函数最佳理论模型均为高斯模型。2011年和2016年植烟土壤pH块金值/基台值分别为40.9%和25.3%，变程分别为41.5 km与47.2 km，具有中等强度的空间相关性，说明保山市烟区植烟土壤pH不仅受到当地气候、土壤母质的影响，而且还受到人为因素如施肥、耕作措施等的影响[20]。Kriging插值的结果表明，保山市烟区植烟土壤pH呈逐年下降的趋势，下降趋势由西北方向与东南方向逐渐向中部地区减小，中部地区所受影响不大。东南方向的昌宁县植烟土壤pH发展趋势与腾冲县有所类似，辖区内土壤均有酸化现象，造成这种趋势的原因可能是诸如肥料施用种类、用量以及耕作管理等不当[23]。中部地区的隆阳区与施甸县因土壤整体pH偏高，个别地块pH虽略有下降，但不足以影响两个地区土壤pH的整体空间变异，这可能与两个地区土壤母质以及水热条件有关。西南地区龙陵县植烟土壤pH的Kriging插值图时间与空间分布均表现不明显，可能由于该地区采样点过少，无法直观表现出明显的时空变异特征。导致这种时空变异分布不均匀的主要因素可能与烟区内一些地区长期大量施用酸性肥料（如硫酸钾）、未合理采取施用有机（碳）肥以及轮作方式等土壤保育措施有关[24]；同时，还可能与烟区内部分地区土壤母质以及自然生态气候条件（水热条件）等因素有关。为减缓烟区内植烟土壤酸化，应当采取适当施用酸化土壤调理剂、优化配套栽培管理措施进行酸化土壤的调节与改良。

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