马龙植烟土壤pH值分布特征及其主控因素研究

周子方，解 燕，易 克，王瑞宝，刘加红，何志明，杜 坚，李 强

（1．湖南农业大学农学院，生物科学技术学院，烟草研究院，湖南 长沙 410128；2．江苏中烟工业有限责任公司，江苏 南京 210019；3．云南省烟草公司曲靖市公司，云南 曲靖 655000；4．湖南中烟工业有限责任公司，湖南 长沙 410019）

酸碱度是土壤重要的化学特性之一，它是土壤成土母岩、成土母质以及许多化学性质特别是盐基离子状况的综合反映，是评价土壤肥力的一项重要指标［1-2］。酸碱度控制着土壤中诸多重要的物理、化学及生物过程，从而影响土壤养分的有效性、土壤的理化性质和微生物活性，进而影响着土壤在农林生态系统中的功能［3-4］。因此有关农田土壤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［5］研究了山东省土壤酸碱度变化状况，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［6］在广东省的研究表明，30年来广东省土壤pH值由平均5.70降至5.44，除潮土pH值增大以外，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［7］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，草甸土和水稻分别下降了1.4和1.6个单位。有关pH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、施肥管理均是影响土壤pH值的重要因素［8-9］。因此近年来，区域植烟土壤的pH值的分布与变化也备受关注。周炼川等［10］研究了文山植烟土壤的酸碱度分布情况，发现文山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［11］研究了毕节市植烟土壤pH值的分布状况及其与土壤养分的关系，发现毕节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［12］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。魏国胜［13］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，咸丰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。Zhang等［14］研究表明，长期的烟草种植会导致土壤酸化。马龙种烟历史悠久，目前年均种植烤烟0.67×104hm2左右，年产烟叶约1.5万t［15］，但有关马龙植烟土壤的pH值的研究却未见报道。鉴于此，本研究系统分析了马龙植烟土壤pH值分布状况及其影响因素，以期为马龙酸性植烟土壤改良和烤烟养分管理提供参考，为优质烟叶生产奠定基础。

1 材料与方法

1.1 样品采集和分析

2015年在小春作物收获后，田块翻耕前，采用GPS定位技术在云南马龙烟区基本烟田选取定位田块，记录田块中心的经纬度和高程，入选的田块均在667 m2以上。在田块翻耕前，采用5点取样法或“W”形取样法采集耕作层土壤（0～20 cm），确保每个田块5～10个样点，用四分法取约1 kg土样带回实验室，共采集土壤样品214份。土壤经风干、研磨后过筛制成待测样品，参照鲁如坤［16］的方法进行土壤酸碱度、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、有效钙、有效镁、有效硫、水溶性等指标的测定。

1.2 土壤酸碱度评价标准

参照《中国烟草种植区划》［17］和相关文献［10-12］，制定了马龙烟区土壤酸碱度的评价标准，具体分为以下5个等级，极低（＜5.0）、低（5.0～5.5）、适宜（5.5～6.5）、高（6.5～7.5）、极高（＞7.5）。

1.3 数据分析

多元统计分析利用SPSS 17.0软件完成［18］；虚拟变量逐步回归分析在SPSS 17.0中完成，参照赵明松等［19］的方法进行分析；半方差函数的计算和拟合在GS+9.0中完成［20］；Kriging插值、面积统计和图片绘制在ArcGIS 10.22软件中进行［21］。

2 结果与分析

2.1 马龙植烟土壤pH值基本统计特征

2.1.1 土壤pH值基本统计特征

马龙植烟土壤pH值分布列于表1，均值为5.43，处于适宜范围，变幅为4.27～7.54，变异系数为11.45%，属中等变异，经K-S检验，马龙植烟土壤pH值不符合正态分布，经对数转换后符合对数正态分布。马龙土壤pH值“低”和“极低”的样本分别占22.90%和38.31%，土壤pH值处于适宜范围的样本仅占33.18%，土壤pH值“高”和“极高”的分别占5.14%和0.47%。8个植烟乡镇土壤pH值均为中等程度变异，土壤pH值在5.18～5.66，最低的是马过河镇，最高的是王家庄镇，除王家庄镇土壤pH均值在适宜范围外，其他县区均为“低”水平。方差分析结果表明，不同植烟县区土壤pH值差异达显著水平（P＜0.05），进一步多重比较发现王家庄镇植烟土壤pH值显著高于马过河镇、旧县镇、大庄乡和月望乡，其他各县区土壤pH值也存在不同程度的差异。

表1 马龙植烟土壤pH值基本统计特征

2.1.2 土壤pH值空间分布

采用多种函数模型对pH值空间结构模型进行拟合，获得最佳函数模型及其相关参数（表2），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值的块金效应均在25%～75%，反映出土壤由随机因素和人为因素共同决定。利用得到的半方差函数，采用普通克里格插值法获得马龙土壤pH值的空间分布图（图1）。进一步利用ArcGIS软件中的面积统计模块对分布图各等级的面积进行统计，面积最大的是“低”等级，占全县面积的67.28%，在各植烟乡镇均有分布；其次是“适宜”等级，占全县面积的30.72%，以插花状分散分布在各植烟乡镇，最后是“极低”等级，占全县面积的2.00%，分布在通泉镇、王家庄镇和旧县镇的交界处。

表2 土壤pH值半方差函数模型及其插值精度

图1 马龙土壤pH值空间分布

2.2 土壤pH值的影响因素

2.2.1 海拔高度、土壤质地和土壤类型对土壤pH值的影响

马龙烟区平均海拔高达2 010 m，且跨度较大，海拔范围变化为1 861～2 148 m。土壤pH值与海拔高度呈显著负相关关系（r=-0.163，P=0.000）。马龙烟区的土壤质地主要有重壤土、轻黏土和中壤土，土壤pH值在不同质地间存在显著差异（P=0.023）（表3），其中重壤土最高，显著高于轻黏土和中壤土。马龙烟区的土壤类型主要有紫色土、水稻土、新积土和红壤，土壤pH值在不同土壤类型间存在极显著差异（P＜0.01）（表4），其中紫色土最高，极显著高于其他类型土壤。

表3 土壤质地对土壤pH值的影响

表4 土壤类型对土壤pH值的影响

2.2.2 土壤pH值与有机质和主要土壤养分指标关系分析

土壤pH值与有机质和主要养分指标的相关分析结果（表5）显示，土壤pH值与土壤碱解氮、有效磷、有效硫、有机质呈显著或极显著负相关，与土壤有效钙、有效镁、速效钾和水溶性氯呈显著或极显著正相关。

表5 土壤pH值与有机质和主要养分指标的相关分析

2.2.3 各因素对土壤pH值影响效应分析

方差分析和多重比较虽然能够表征相关因素对土壤pH值影响的差异性，相关分析能够说明各因素与土壤pH值的相关性，但不能定量解析各因子对pH值的影响效应大小。因此，以海拔、质地、土壤类型、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质、有效钙、有效镁、有效硫和水溶性氯为自变量，以土壤pH值为因变量进行逐步回归分析，定量分析各因素对土壤pH值空间变异的综合解释能力和不同因素对土壤pH值空间变异独立解释能力［19］。表6为各因子对土壤pH值的逐步回归分析结果。从逐步回归分析的结果来看，进入回归方程的因素有6项，分别为有效钙、有效镁、土壤类型、碱解氮、土壤质地、有效硫；表中△R2为在其他变量的基础上增加该变量时，回归方程判定系数的增量，△R2越大，说明该变量在回归方程中越重要；校正决定系数，是各回归方程中所有因素对土壤pH值变异的解释比例。由R2、Adjusted R2和△R2可知，土壤有效钙含量对县域土壤pH值空间变异的影响最大，能够独立解释其变异的50.9%；其次是有效镁、土壤类型、碱解氮、土壤质地、有效硫，这6项指标对土壤pH值的累计解释能力达86.2%。综上，土壤pH值是多个因子共同作用的结果，结合前文多重比较和相关分析结果可知，土壤有效硫和碱解氮是马龙植烟土壤的主要致酸因子，土壤有效钙和有效镁是马龙土壤酸化的控制因子，而土壤类型和土壤质地均对土壤pH值有较大影响。

表6 各因素与土壤pH值的逐步回归分析结果

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［22］。不同的研究得到的烤烟种植的最佳土壤pH值虽因地域的不同而有微小差异［23］，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［24］。总体上与其他烟区类似［8，10-13］，马龙植烟土壤也存在明显的酸化问题，土壤pH值由2003年的5.72下降至2015年的5.43（2003年数据来自曲靖市烟草公司内部资料），下降了0.29个单位，酸化趋势明显。

本文研究了海拔、土壤质地、土壤类型、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、有效钙、有效镁、有效硫和水溶性氯等因素对土壤pH值的影响。海拔高度主要通过母岩、母质、水热条件影响着土壤的发育进程，从而造成土壤理化性状在垂直梯度上的差异［25-26］。本研究中，植烟土壤pH值与海拔呈显著负相关关系，这与邓小华等［12］及杜薇等［27］的研究结果一致。植烟土壤pH值在不同土壤质地和土壤类型间分别存在显著和极显著差异，不同质地土壤以重壤土最高，中壤土最低。不同土壤类型以紫色土pH值最高，红壤pH值最低，进一步分析不同类型土壤酸碱度差异的影响因素（表7），发现不同类型植烟土壤的有效钙、碱解氮和有机质含量是造成土壤酸碱度差异的主要原因，这与他人的研究结果一致［13，28-29］。植烟土壤pH值与土壤碱解氮、有效磷、有效硫、有机质呈显著或极显著负相关，与土壤有效钙、有效镁、速效钾和水溶性氯呈显著或极显著正相关。这与邓小华等［12］、戴万宏等［30］、刘琳等［31］、朱小琴等［32］、Tang［33］、崔玉珍等［34］的研究结果各有异同。逐步回归分析结果表明，土壤有效钙含量对县域土壤pH值空间变异的影响最大，能够独立解释其变异的50.9%，其次是有效镁、土壤类型、碱解氮、土壤质地、有效硫，这6项指标对土壤pH值的累计解释能力达86.2%。综上，本研究基本探明了植烟土壤pH值的影响因素，阐明了土壤碱解氮含量是马龙植烟土壤的主要致酸因子，这与Guo等［35］认为的氮素过量施用是土壤酸化的主要因素的结论一致，土壤有效钙含量是马龙土壤酸化的控制因子。

表7 不同类型植烟土壤致酸因子和控制因子的差异

目前没有来自工业企业的由于土壤酸化导致马龙烟叶质量变差的反馈，但土壤pH值进一步下降后是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，在当地开展酸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。另一方面针对土壤pH值“低”和“极低”的区域应杜绝过磷酸钙的施用，施用钙镁磷肥作为磷肥来源，并适当投入石灰粉或白云石粉进行酸性土壤改良。此外，应同时适当减少氮肥用量，采用氯化钾或其他钾肥部分替代硫酸钾，以减少氮肥和硫酸根离子对植烟土壤的致酸作用。

4 结论

马龙植烟土壤pH值平均为5.43，处于“低”水平；但从样本分布情况来看，土壤pH值“低”的面积占67.28%，是除王家庄镇以外各植烟乡镇土壤pH值的主要分布等级；土壤pH值“适宜”的面积占30.72%，是王家庄镇土壤pH值的主要分布等级，同时以插花状零星分布在各植烟乡镇；土壤pH值“极低”的面积占2.00%，主要分布在通泉镇、王家庄镇和旧县镇的交界处。土壤有效钙、有效镁、土壤质地、土壤类型、碱解氮和有效硫等均对土壤pH值有显著影响；土壤碱解氮含量是马龙植烟土壤的主要致酸因子，土壤有效钙含量是马龙土壤酸化的控制因子。今后应根据土壤pH值区域差异，针对钙镁元素投入、氮肥投入和硫素管控等方面进行土壤酸碱度分类调控方面的研究。