郴州植烟土壤pH空间分布及影响因素初探

李强，闫晨兵，刘勇军，黎娟，穰中文，肖艳松，李宏光，彭曙光

1 湖南农业大学 农学院，生物科学技术学院，烟草研究院 长沙 410128；

2 湖南省烟草公司，长沙 410004；

3 湖南省烟草科学研究所，长沙 410004；

4 湖南省烟草公司郴州市公司，湖南郴州 423000

酸碱度是评价土壤肥力的一项重要指标[1]，影响着土壤在农林生态系统中的功能[2]。有关农田土壤pH值的相关研究一直受到国内外研究人员的广泛关注。杨歆歆等[3]研究了山东省土壤酸碱度变化状况，26年间弱碱性和中性土壤面积分别减少了12.67%和4.38%，而弱酸性和酸性土壤面积比例分别增加了8.31%和8.06%。郭治兴等[4]在广东省的研究表明，30年来广东省土壤pH 值平均值由5.70降至5.44，除潮土pH值升高以外，其他类型的土壤pH值均呈降低趋势，尤其以赤红壤、水稻土和红壤最为严重。王寅等[5]研究表明吉林省各类型农田耕层土壤普遍存在酸化趋势，其中黑土pH值下降约0.5个单位，草甸土和水稻土pH值分别下降了1.4和1.6个单位。有关土壤pH值影响因素的研究也有大量报道，成土母质、高程、坡度、土地利用类型、养分管理和种植技术，均是影响土壤pH的重要因素[6,7]。近年来植烟土壤pH值的分布与变化也备受关注。周炼川等[8]在文山烟区的研究表明，该烟区强酸性和碱性土壤的比例分别为20.3%和12.0%，随海拔升高土壤pH 值呈降低趋势。符云鹏等[9]在毕节的研究表明，该烟区强酸性和碱性土壤的比例分别为11.2%和6.04%，土壤pH值与全氮、有效硼及有效锌呈显著或极显著正相关，与铵态氮、有效锰、有效铁的含量呈现极显著负相关。邓小华等[10]研究了湘西州植烟土壤pH值分布特征及其影响因素，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%，成土母岩、土壤类型、水土流失状况、灌溉能力、海拔高度、耕作层厚度、有机质含量、土壤颗粒组成显著影响植烟土壤pH值。魏国胜等[11]研究了咸丰县植烟土壤的酸碱度变化，结果表明土壤酸化十分严峻，该县植烟土壤主要呈酸性，pH值平均仅为4.4，pH值<5.0的强酸性土壤的面积占80.3%，30年间，强酸性土壤的面积增加了79.3个百分点。郴州是我国浓香型烟叶主产区，是典型的烟稻复种连作烟区，长期复种连作下植烟土壤pH值空间分布及其影响因素的研究未见报道。鉴于此，本研究利用郴州烟区2015年土壤pH值值数据开展研究，揭示烟稻复种连作烟区土壤pH值的空间变异特征及其影响因素，以期为郴州烟区土壤改良和烤烟养分管理决策提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 区域自然概况

郴州位于湖南省东南部，地处南岭山脉与罗霄山脉交错及长江水系与珠江水系分流的地带。位于东经112°13 ＇ ～114°14 ＇，北纬 24°53～26°50 ＇之间，全市东西宽约202 km，南北长约217 km，总面积1.94万平方公里。地势自东南向西北倾斜，最高峰海拔2061.3米，最低处海拔70米。全市土壤分为10个土类，23个亚类，102个土属，343个土种。其中以红壤、黄壤以及黄棕壤占土壤平面分布中的70%以上。

1.2 样品采集和分析

2015年水稻收获后，采用GPS定位技术，在郴州烟区进行土壤取样，采取“X”或“W”形取样法，取耕层0～20 cm 的土样，共采集1055份耕层土样（其中安仁100个，北湖17个，桂阳560个，嘉禾110个，临武12个，苏仙45个，宜章96个，永兴115个），每个田块5～10个点取样，混匀后采用四分法取约500g土样带回实验室经风干、研磨后过筛制成待测样品，进行土壤酸碱度、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁、阳离子交换量（CEC）、粗砂（2～0.2 mm）、细砂（0.2～0.02 mm）、粉砂（0.02～0.002 mm）和粘粒（＜0.002 mm）等指标的测定，具体测定方法参照鲁如坤[12]的方法。

1.3 土壤pH评价标准

参照《中国烟草种植区划》[13]和相关文献[8-10]，制定了郴州烟区土壤pH值的评价标准，具体分为以下5个等级，极低（<5.0）、低（5.0-5.5）、适宜（5.5-7.0）、高（7.0-7.5）、极高（>7.5）。

1.4 数据分析

1.4.1 简单多元统计分析

采用EXCEL和SPSS17.0进行描述性统计，K-S检验（Kolmogorov-Smirnov test），多重比较，相关分析和平滑回归分析[14][15]。

1.4.2 地统计分析

地统计学是以区域化变量理论为基础，以半方差函数为基本工具的一种数学方法。半方差函数是描述土壤性质空间变异的一个函数，反映了不同距离观测值的空间自相关程度，它是研究土壤特性空间变异性的关系，同时也是进行空间布局估计的基础[16]。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，Kriging插值法是利用区域化变量的原始数据和半方差函数的结构特点，对未测点的取值进行线性无偏最优估计的一种方法[17-18]。半方差函数模型拟合和模型参数计算采用GS+9.0软件完成，普通克里格插值（Ordinary-Kriging）和绘图在ArcGIS 10.2.2软件中完成[17-18]。

1.4.3 偏最小二乘回归

偏最小二乘回归（ PLS，Partial Least-Squares Regression）是从应用领域产生和发展的一种具有广泛适用性的多元统计分析方法，由S.Wold 和C.Albano于1983年提出[19]。PLS具有传统回归方法所不具备的许多优点，能有效地解决许多用普通多元线性回归无法解决的复杂问题，可以在观察样本数少以及自变量之间存在多重共线性的情况下，完成多因变量对多自变量和单因变量对多自变量的回归[20]。此外，该方法计算简单，意义明确，建模效果好，更易于辨识系统信息与噪声，对因变量的解释能力强[21]。采用SIMCA-P 11.5完成主成分提取和偏最小二乘回归建模。

2 结果与分析

2.1 植烟土壤pH值状况

2.1.1 植烟土壤pH值的基本统计特征

从描述性统计结果来看（表1），郴州植烟土壤pH值平均为7.00，总体上处于适宜水平，变幅4.47～8.14，变异系数为13.35%，属中等程度变异，经K-S检验符合对数正态分布。从各植烟县土壤pH均值比较的情况来看，土壤pH值在不同植烟县区间存在极显著差异（P<0.001），桂阳、嘉禾、临武和宜章土壤显著或极显著高于其他植烟县，其中桂阳、嘉禾、临武和宜章植烟土壤pH值偏高，其他县区植烟土壤pH平均值处于适宜水平；从各植烟县土壤pH值变异情况来看，除桂阳县植烟土壤pH值为弱变异外，其他植烟县区土壤pH值均为中等程度变异。

从样本分布情况来看（表1），郴州植烟土壤pH值“低”和“极低”的样本分别占6.64%和4.27%，pH适宜的样本占26.73%，pH值“高”和“极高”的样本分别占12.70%和49.67%；各县土壤pH值适宜样本比例差异较大，在16.67%～52.94%，各县土壤pH适宜比例从高到低依次为：北湖区、永兴县、苏仙区、宜章县、安仁县、嘉禾县、桂阳县和临武县。

2.1.2 植烟土壤pH值空间分布

采用不同函数模型对土壤pH值空间结构特征进行拟合，获得最佳函数模型及其相关参数（表2），土壤pH值最佳函数模型为指数模型，模型具有较高的拟合精度（RMSSE接近1，MSE接近0），能够很好地反映土壤pH值空间结构特征。土壤pH值的块金效应值C/（C0+C）达98.18%，表明人为因素对土壤pH值空间变异的贡献率达98.18%，说明土壤pH值更多地受到人为因素的影响[22,23]。利用得到的半方差函数，采用普通克里格插值法获得郴州土壤pH值的空间分布图，发现郴州植烟土壤pH值总体上呈现西南高、东北低的格局。

表1 郴州植烟土壤pH值及其分布状况Tab.1 pH value distribution of tobacco-planting soil in Chenzhou

图1 郴州植烟土壤pH值空间分布Fig.1 Spatial distribution of soil pH value in Chenzhou

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

2.2 土壤pH的影响因素

空间结构分析表明植烟土壤pH值主要受人为因素（生石灰、钙镁磷肥，火土灰的长期使用等）的影响，因而此部分着重研究受人为因素干扰较大的土壤有机质含量、大量元素含量、土壤盐基阳离子含量和土壤阴离子含量等土壤化学因素对土壤pH值的影响；此外兼顾到海拔高度、土壤机械组成、地形地貌、成土母质和成土母岩这5个自然因素对土壤理化性状的重要影响，因此在研究的过程中一并考虑这5个因素。对于连续变量采用相关和PLS进行分析，而对地形地貌、成土母质和成土母岩等类别变量采用多重比较的方法进行分析。

2.2.1 各因素对土壤pH值影响的偏最小二乘回归分析

首先对所选指标进行相关分析，发现在所选取的指标中，除有效磷、有效硫和氯离子外，其他各项指标均与土壤pH值存在显著或极显著相关，各影响指标之间也存在不同程度的相关性。说明选取的指标之间存在多重共线性关系，因此采用偏最小二乘回归方法对土壤理化参数与土壤pH值的关系进行分析。

根据偏最小二乘回归回归分析方法的要求,选取第3个PLS 主成分时Q2=0.0282小于临界值0.0975，因此，选取2个PLS 主成分成分即可满足分析精度要求（表3）。表3可见，当选择2个PLS主成分时，Q2（cum）达到0.644；根据PLS 的精度分析，测得2个PLS 主成分对来自变量X 的累计信息利用率仅为0.339，反映出选取的指标中有部分指标与土壤pH值关系较弱；R2Y（cum）为0.652大于0.6，Q2（cum）为0.644大于0.5，说明自变量对因变量解释能力较强，累计交叉效性较高，模型拟合效果较好。

偏最小二乘回归在计算PLS模型主成分解释能力和交叉有效性的同时，也对土壤理化指标对土壤pH值作用大小的变量投影重要性 （VIP，Variable Importance Plot）进行了评价（图1）。由图3可知16项土壤理化指标中8项在偏最小二乘回归模型中的VIP值均超过0.8，分别是交换性钙、粉粒、全磷、全氮、有机质、碱解氮、阳离子交换量（CEC）和交换性镁，说明这8项指标均对土壤pH值具有重要影响，其中交换性钙、粉粒、全磷、全氮、有机质和碱解氮的VIP 值超过1，对土壤pH值起着显著重要作用。

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

图2 土壤理化因素对土壤pH影响的投影重要性（VIP）Fig.2 VIP value of soil physical and chemical indexes on soil pH

2.2.2 各因素对土壤pH值影响的平滑回归分析

在明确土壤理化指标对土壤pH值影响相对重要性的基础上，进一步采用平滑回归的方法研究VIP值大于0.8的土壤理化指标对土壤pH值的影响（图2）。结果表明，土壤pH值与交换性钙含量符合线性加平台模型（R2= 0.986，P=0.001），随土壤交换性钙增加，土壤pH值先升高后趋于稳定，土壤交换性钙平台值为25.098 cmol/kg；土壤pH值与粉砂粒含量符合线性模型，随土壤粉砂粒含量增加，土壤pH值表现为直线上升趋势；土壤pH与全磷符合线性加平台模型（R2= 0.9573，P=0.001），即随全磷含量增加，土壤pH值先升高后趋于稳定，土壤全磷平台值为0.94 mg/kg；土壤pH值与全氮符合线性加平台模型（R2=0.9514，P=0.001），即随全氮含量增加，土壤pH值先升高后趋于稳定，土壤全氮平台值为3.31 g/kg；土壤pH值与土壤有机质含量符合线性加平台模型（R2=0.915，P=0.001），有机质升高至60.051 g/kg后，土壤pH值趋于稳定；土壤pH值与碱解氮含量符合线性加平台模型（R2= 0.6391，P=0.001），即随碱解氮含量增加，土壤pH值先升高后趋于稳定，土壤碱解氮平台值为239.34 mg/kg；土壤pH值与交换性镁含量符合线性加平台模型（R2=0.812，P=0.001），随土壤交换性镁增加，土壤pH值表现为先升高后保持稳定，平台值为2.871 cmol/kg。

2.2.3 其他因素对土壤pH值的影响

图3 土壤pH值与其主控因素的平滑回归分析Fig.3 Smooth regression analysis of soil pH value and its main controlling factors

由前文的偏最小二乘回归分析结果可知，交换性钙、粉砂粒、全磷、全氮、有机质、碱解氮、阳离子交换量（CEC）等因素解释了土壤pH值变异的65.2%，但仍有34.8%的变异未得到解释，这也印证了土壤pH值影响因素的复杂性。因而进一步采用方差分析和多重比较分析地形地貌、成土母质和成土母岩对土壤pH值的影响。

地形地貌 郴州烟区的地形地貌主要有山地、丘陵和平原，土壤pH值在不同地形地貌间存在显著差异（表4），其中山地最高，其次是丘陵，均极显著高于平原土壤的pH值。

表4 地形对土壤pH值的影响Tab.4 The effect of topography on soil pH value

成土母质 郴州植烟土壤主要成土母质为坡积物、洪积物、残积物和冲积物，土壤pH值在4种成土母质间存在极显著差异（表5），最高的是洪积物，最低的是冲积物，其中洪积物和坡积物为“高”等级，冲积物和残积物为“适宜”等级。从变异程度来看，4种土壤母质均表现为中等程度变异。

成土母岩 郴州植烟土壤主要成土母岩为紫色砂页岩、石灰岩、第四季红壤和板页岩，土壤pH值在4种成土母岩间存在极显著差异（表6），由高到低依次为石灰岩、板页岩、紫色砂页岩和第四季红壤，其中石灰岩为“高”等级，其他土壤母岩为“适宜”等级。从变异程度来看，4种土壤母质均表现为中等程度变异。

表5 成土母质对土壤pH值的影响Tab.5 The effect of parent material on soil pH value

表6 成土母质和成土母岩对土壤pH值的影响Tab.6 The effect of parent rock on soil pH value

3 讨论

烤烟对土壤酸碱度的适应能力较强，在pH值4～9的土壤上均能正常完成其生长和繁殖，但要获得品质优良的烟叶，烟草须种植在特定的pH值范围的土壤上[24]。烤烟种植的最佳土壤pH值虽因地域的不同而略有差异[25]，但国内外学者均普遍认为弱酸性到中性的土壤利于获得优质烟叶。从均值来看，郴州植烟土壤pH值平均为7.00，总体处于适宜水平；但从样本分布情况来看，pH值适宜的样本仅占26.73%，pH值过高和过低的样本比例分别占62.37%和10.91%。半方差函数和空间插值的结果表明，土壤pH值主要受人为因素的影响，郴州植烟土壤pH值总体上呈现西南高、东北低的格局。郴州烟区土壤pH值表现出偏高的现象，这与多个其他烟区土壤酸化严重的现状存在一定差异[8-11]。在对郴州烟区的生产技术进行调查后发现，当地有施用生石灰、钙镁磷肥、火土灰以及稻草还田进行土壤改良的习惯，可能是当地植烟土壤pH值较高的一个原因[26-28]；当地采取的种植制度主要是烟稻轮作，水稻种植中的淹水过程对土壤中H+有一定的消减作用，可能也是当地植烟土壤pH值较高的另一个重要原因[29,30]；此外，当地有将烟草和水稻秸秆粉碎还田的习惯，使得当地植烟土壤有机质稳定在较高水平，也是植烟土壤较高的原因之一[10]，这与土壤有机质中腐殖质具有强大的吸附能力和缓冲性能有关[31]。

偏最小二乘回归分析结果表明交换性钙、粉砂粒、全磷、全氮、有机质、碱解氮、阳离子交换量（CEC）和交换性镁等8项指标对土壤pH值的累计解释能力达65.2%，其中全磷、全氮、有机质、碱解氮、阳离子交换量（CEC）和交换性镁等土壤化学因素的累计VIP值达8.30，自然因素中粉砂粒的VIP值为1.39，与前文的空间结构结果分析一致。值得注意的是交换性钙对土壤pH值影响较大（VIP值达2.08），这与Drohan等人的研究结果一致[32]；但本研究中有关氮素对植烟土壤pH值的影响表现为正效应，这与Guo等人的研究得到的氮肥过量施用是土壤酸化的主要因素这一观点不一致[33]，这一现象值得深入研究。偏最小二乘回归分析未能解释的变异，可能来自于地形地貌、成土母质、成土母岩的等自然因素的作用[34-38]。

综上，和众多烟区土壤发生酸化不同[8-11]，郴州植烟土壤pH值有升高的趋势，这与当地长期推行石灰、钙镁磷肥和火土灰施用，以及水旱轮作，稻草还田等技术措施有关。目前尚未有来自工业企业的关于烟叶质量变差的反馈，但土壤pH值进一步升高后会否对烟叶品质造成不良影响尚不得而知，土壤pH值升高的问题应当引起足够关注。一方面应继续关注土壤pH值变化，开展碱性土壤对烟叶品质影响的研究，为植烟土壤管理决策提供参考。另一方面，应针对不同植烟土壤酸碱度状况采取差异化管理方案，针对pH值“极高”的区域，应暂时停止施用石灰，适当降低土壤pH值；针对pH值“高”的区域，应采取隔年施用石灰或减少石灰用量办法，稳定土壤pH值；针对pH值“适宜”的区域，应维持当前石灰用量，稳步降低土壤pH值；而针对土壤pH值“低”和“极低”的区域应适当增加石灰和钙镁磷肥的投入，适当提高土壤pH值。

4 结论

郴州植烟土壤pH值平均为7.00，pH适宜的样本仅占26.73%，pH值过高和过低的样本比例分别占62.37%和10.91%；植烟土壤pH值空间结构为指数模型，空间变异主要由土壤化学因素决定，化学因素中的全磷、全氮、有机质、碱解氮、阳离子交换量（CEC）和交换性镁等对土壤pH值均表现为正效应，偏最小二乘回归的累计VIP值达8.30，其中交换性钙的VIP值最大达2.08。今后应根据土壤pH值区域差异，重点从生石灰施用及钙镁元素投入，有机物料输入等方面进行土壤酸碱度分类调控方面的研究。