龙山县植烟土壤pH时空变异与影响因子研究

唐 韵，向德明，周清明，田明慧，李 强，姚 旺，戴 曦，黎 娟*

（1.湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省烟草公司湘西州公司，湖南 吉首 416000；3.湖南省烟草公司张家界市公司，湖南 张家界 427000）

土壤酸碱性对土壤肥力与烤烟生长有着重要影响，主要通过影响土壤养分有效性、土壤胶体的带电性、土壤物理性质来影响土壤肥力［1］；通过影响烤烟根部对养分的吸收来影响烤烟的生长发育，过酸或过碱都对烤烟根部吸收能力有损害，进而使植物生长发育机能衰退［2］，同时酸化的土壤易导致烤烟病害加重［3］，从而影响烟叶品质与产量。研究表明，不同的成土母质、海拔高度、种植结构［4-5］等与肥料的施用都对土壤pH有不同的影响，而肥料的施用是影响土壤酸碱度的重要因 素［6］。近年来，湖南湘西，以及贵州铜仁、遵义、湖北恩施、宜昌等周边地区，土壤酸化日趋严 重［7］，阻碍了其特色优质烟叶的开发，对其酸化因子的研究显得尤为重要。龙山县是湘西自治州的产烟大县，其烟叶品质饱受工业企业的青睐，目前对其土壤pH影响因子的研究还未见报道。鉴于此，本研究在龙山县植烟土壤pH时空变异的基础上，采用相关分析确定各土壤指标间的相关性大小，再用逐步回归法剔除存在多重共线性指标，筛选出影响pH的土壤指标，最后用等样本平滑回归建立各指标与pH的模型关系，分析土壤pH与其影响因素间的关系，以期为以龙山县植烟土壤pH调控提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

龙山县位于湘西北边陲，地处武陵山脉腹地，在东经109°13′～109°46′8″、北纬28°46′7″～29°38′4″之间，占湘西州面积的五分之一，地势北高南低，东陡西缓。地域属亚热带大陆性湿润季风气候区，平均气温15.8℃。在复杂的山体影响下，形成山地垂直地带和水平方向地域差异的多样性气候。与湖南省内同纬度地区相比，具有光热总量偏少，冬暖夏凉，光热基本同季，降水丰沛，时空分配不均，气候类型多样，立体特征明显，气象灾害多等特征。龙山县烤烟种植历史悠久，是湖南湘西烟区烤烟种植大县，也是优质烟叶生产供应基地。

1.2 样品采集与处理

采用GPS定位技术在龙山县选取定位田块并记录经纬度，定位田块均在667 m2以上，采集具有代表性的耕层土样300（2015年）、191（2000年）个，采集时间均在烤烟移栽前一个月完成，并避开雨季，采用取土器钻取耕层土壤（0～20 cm），每个田块取8～12个点混合成一个2 kg左右的土样，并用四分法保留500 g土样。采集土样时立即编号以避免混合，土样经过风干、混匀、磨细、过筛等预处理后保存备测。

1.3 土壤的测定方法

采用原子吸收分光光度法测定土壤交换性钙和交换性镁，土壤有机质采用重铬酸钾滴定法，采用pH计法（水土比为2.5∶1）测定pH，碱解氮、有效磷、速效钾分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法、醋酸铵浸提-火焰光度法，土壤颗粒组成比例采用比重法测定，全氮、全磷、全钾、有效硫、CEC测定参照文献［8-9］。

1.4 统计分析方法

参照以往的研究［10-12］，将植烟土壤pH分为：极低（<5.0）、偏低（5.0～5.5）、适宜（5.5～7.0）、偏高（7.0～7.5）、极高（>7.5）。

采用域法剔除异常值，即把分布于平均值±3倍标准差之外的数值定为异常值并剔除［13］，描述性统计、相关分析、多重比较、逐步回归均用SPSS 17.0软件完成［14］，等样本平滑回归分析参照文献［15］进行，将数据按自变量进行从低到高排序，按照数值大小进行等样本分组，本试验为20组，然后计算各变量的平均值和对应pH的平均值得到数据组，利用新的数据组采用等样本平滑回归分析法分析各变量与pH的关系。运用ArcGIS 10.4的地统计学模块及克里格法插值绘制龙山县植烟土壤pH空间分布图［16］。

2 结果与分析

2.1 2000～2015年土壤pH描述统计与时空变化

由表1可知，龙山县植烟土壤2000与2015年pH均值分别为6.32、6.03，降低幅度为4.64%；从变异程度来看2000与2015年都属于中等程度变异；从土壤pH样本分布频率来看，2015与2000年相比，极低（<5）的样本增加了19.05%，偏低（5.0～5.5）的样本增加了1.1%，适宜（5.5～7.0）的样本降低了19.45%，偏高（7.0～7.5）的样本增加了0.81%，极高（≥7.5）的样本降低了 1.52%。

表1 2000与2015年龙山县土壤pH描述统计

利用半方差函数模型对区域植烟土壤pH值进行拟合，确定指数模型为2000和2015年区域pH值的最优半方差函数模型，相关参数见表2，其中标准化均方根误差均接近1，标准化平均误差接近0，表明插值精度高，选取的模型具有很高的拟合度。进一步采用ArcGIS软件绘制龙山县2000与2015年pH空间分布图（图1），龙山县中部及南部植烟土壤2000年pH大部分处于适宜范围内，15年后呈酸化趋势，内溪、青天坪、凤溪寨、洛塔、干溪等部分地区15年来pH由适宜（5.5～7.0）变为偏低（5.0～5.5），茅坪、洛塔、青天坪部分地区pH变为极低（<5.0），中部和南部其他地区虽处于适宜范围内，但pH普遍下降1个单位左右；北部地区酸化与碱化现象并存，石牌、乌鸦、水田部分地区15年pH由适宜变为偏低（5.0～5.5）或极低（<5.0），乌鸦部分地区土壤由弱碱性变为强酸性，变幅最高，石羔镇大部分地区pH由适宜（5.5～7.0）变为极高（≥7.5），猛必和水田部分区域pH由偏低（5.0～5.5）变为适宜（5.5～7.0）。可以看出龙山县植烟土壤有两级分化趋势，大部分呈酸化趋势，小部分地区呈碱化 趋势。

表2 土壤pH半方差函数模型及相关参数比较

图1 龙山县2000与2015年pH时空分布图

2.2 土壤各指标与pH的相关分析

把土壤各指标与pH做Pearson相关分析得到表3，可知pH与碱解氮、有效硫、海拔、粘粒（<0.002 mm）呈极显著负相关，与交换性钙、交换性镁、细沙粒（0.2～0.02 mm）、CEC、速效钾呈极显著正相关或显著正相关。

表3 土壤pH与各指标的相关分析

2.3 土壤pH与各指标的逐步回归

因为相关分析只能确定各指标对pH的相关性，并不能体现影响效应的大小与影响关系，因此选取具有显著相关或极显著相关的指标（碱解氮、有效硫、交换性钙、交换性镁、海拔、细沙粒、粘粒、CEC、速效钾）为自变量，pH为因变量，进一步采用逐步回归分析筛选并剔除多重共线性变量得到表4，可知经逐步回归筛选出的指标为交换性钙、交换性镁、有效硫、粘粒、碱解氮、海拔，剔除的指标为CEC、速效钾、细沙粒，因为是用与pH呈显著或极显著相关的指标做逐步回归，所以说明CEC、速效钾、细沙粒为多重共线性指标。表中决定系数增量为在其他解释变量的基础上增加该变量时，回归方程决定系数的增量，决定系数增量越大，说明该变量在回归方程中越重要；校正决定系数，是回归方程各模型中指标对pH变异的解释比率。由表4中各模型可知，对pH变异影响最大的为交换性钙，其独立解释能力为56.2%，交换性钙、交换性镁、有效硫、粘粒、碱解氮、海拔的累计解释能力为85.4%。

表4 土壤pH与各指标的逐步回归结果

2.4 土壤pH与主要影响因子2000～2015年变化分析

为观察龙山县植烟土壤主要致酸因子与酸化控制因子从2000年到2015年的变化情况（表5），得知龙山县pH同比下降4.64%，碱解氮同比增长22.88%，有效硫同比增长39.16%，交换性钙同比增长11.88%，交换性镁同比增长12.20%，碱解氮和有效硫的增长率比交换性钙和交换性镁的增长率更为突出，一定程度反映了龙山县植烟土壤酸化是由大量氮肥与硫酸钾等酸性肥料的施用导致的。

2.5 土壤各指标对pH的平滑回归分析

由逐步回归结果得到的各指标与pH进行平滑回归分析得到图2。可知pH与交换性钙呈线性加平台模型，随着交换性钙含量的增加pH呈先增加后平稳的趋势，其拐点为12.076 cmol·kg-1；pH与交换性镁呈二次曲线模型，pH随着交换性镁含量的升高增加趋势由急变缓；pH与土壤粘粒比例呈二次曲线模型，随着土壤粘粒比例的增加，pH的下降趋势由快变慢；pH与有效硫呈线性加平台模型，随着有效硫含量的增加pH先下降后趋于稳定，其拐点为26.01 mg·kg-1；pH与碱解氮呈二次曲线关系，随碱解氮含量的增加pH由平缓变为下降趋势；pH与海拔呈二次曲线关系，随着海拔的升高pH呈先缓慢升高后转为下降的趋势。

表5 土壤pH与主要影响因子2000～2015年变化

图2 土壤pH与其主控驱动因素的平滑回归分析

2.6 其他因素对土壤pH的影响

农田基础设施对pH的影响见表6，龙山县植烟土壤农田基础设施情况为配套、基本配套、不配套3种，3种基础设施情况下pH的均值分别为6.59、6.05、5.88，均处于适宜范围内，3种基础设施情况下pH的变异系数分别为18.16%、16.01%、17.67%，属于中等程度变异；pH在3种基础设施情况下存在极显著差异，其中基础设施配套极显著大于不配套，显著大于基本配套。

表6 不同基础设施情况下的pH变化

轮作制度对pH的影响见表7，龙山县植烟土壤不同轮作制度下pH由大到小排序为烟-烟>烟-稻>其他>烟-玉米，pH平均值都处于适宜范围；pH在不同轮作制度下存在显著性差异，其中烟-烟显著大于烟-玉米和其他，从变异程度来看，各轮作制度下pH均属于中等程度变异。

表7 不同轮作制度下pH的变化

不同成土母质对pH的影响见表8，龙山县植烟土壤成土母质主要分为坡积物、残积物、洪积物，pH均值由大到小排序为洪积物>坡积物>残积物，pH在不同母质下存在极显著差异，洪积物极显著大于残积物；从变异程度来看，各母质下pH属于中等程度变异。

表8 不同成土母质下pH

3 讨论

有些学者用简单的相关分析和灰色关联来做土壤pH与养分之间的关系，进而确定相互之间的关系，这种方法有一定不足之处，因为没有做指标间的筛选，由于各指标之间可能存在精确相关关系或高度相关关系，即存在多重共线性［17］，从而可能对某些指标存在误判。逐步回归是一种常用的消除多重共线性、选择最优回归方程的方法，其做法是引入经F检验是显著的自变量，对已选入的变量进行逐个检验，剔除由于后引入的变量而变得不再显著的变量，每引入或剔除一个变量为逐步回归的一步，每一步都要进行F检验。重复进行直到没有显著自变量从回归方程中剔除也没有不显著的自变量选入为止［18］。本研究选用相关分析中有显著或极显著相关的指标，进一步进入逐步回归进行筛选，所以剔除的指标应为共线性指标。经筛选剔除了速效钾、CEC、细沙粒比例，得到交换性钙、交换性镁、有效硫、碱解氮、粘粒比例、海拔6个影响龙山县植烟土壤pH的因素。

本研究经逐步回归筛选得到的交换性钙、交换性镁、有效硫、碱解氮、粘粒比例、海拔6个土壤指标对pH的累计解释能力为85.4%，交换性钙独立的解释能力达到56.2%，交换性钙与交换性镁解释能力为76.2%，交换性钙对pH的影响最大，这与梁煊等［19］的研究结果一致，平滑回归结果显示交换性钙与交换性镁对pH为正影响，这与邓小华等［20］得到的交换性钙对pH为正影响，交换性镁对pH为负影响有一定差别。本文相关分析得知土壤交换性钙、交换性镁与pH呈极显著正相关，有效硫、碱解氮、粘粒比例与pH呈极显著负相关，而Ca2+、Mg2+、SO42-、NH4+则主要通过外在施肥进入土壤中，粘粒则为土壤内在构成，结合前文逐步回归结果认为交换性钙、交换性镁为土壤酸化的外在控制因子，有效硫、碱解氮为土壤外在致酸因子，粘粒比例为内在致酸因子。值得注意的是，龙山县2015年比2000年土壤pH降低4.64%，有效硫、碱解氮分别增加39.16%、22.88%，交换性钙、交换性镁分别增加11.88%、12.20%，从土壤酸化驱动因子来看，龙山县植烟土壤15年间外在致酸因子较外在控制因子增加更为突出，其致酸效果更为显著，验证了前文龙山县15年间植烟土壤酸化的主要驱动因素。海拔主要通过母质、母岩、水热等因素影响着土壤发育，从而造成pH的垂直梯度差异［21］，相关分析结果显示海拔与pH呈极显著负相关，这与陈玉蓝［22］的研究结果一致，随着海拔上升pH呈下降趋势，这可能是因为亚热带地区随着海拔升高降雨量增 多［23］，从而使土壤养分流失导致土壤pH下降；土壤粘粒比例做为内在致酸因子与pH呈极显著负相关，随着粘粒比例升高pH呈下降趋势，这与周碧青等［24］土壤粘粒比例越高对酸的缓冲能力越强，其减缓土壤酸化的能力越高的研究结果不同，这可能是因为土壤粘粒比列越高，土壤质地越细，降雨后易造成土壤板结，通透性减弱，微生物活性降低，而使土壤易酸化［25］。

虽然交换性钙、交换性镁、有效硫、碱解氮、粘粒比例、海拔6个土壤指标对pH的累计解释能力为85.4%，但还有14.6%未得到解释，其中可能包含着自然因素与人为因素，本文对基础设施配套情况、轮作制度、成土母质3种因素的分析表明，不同基础设施配套情况、不同轮作制度、不同成土母质分组间的pH有显著或极显著差异，配套设施完善，土壤酸化减弱；不同的轮作制度对pH的影响显著，因为不同的轮作作物对土壤养分的利用量不同，物质量大或高产作物容易带走更多的盐基离子而土壤得不到及时补充，致使土壤酸化［26］。不同母质下残积物pH值最低，这可能是龙山县植烟土壤母质主要以硅铝-碳酸盐（硫酸盐）、硅铝粘土型残积物为主，土壤中存在较多Al3+水解产生H+，导致土壤酸化［27］。

综上，15年间龙山县植烟土壤pH均值降低4.64%，由6.32变为6.03，总体上仍处于优质烤烟生长的适宜范围内［4］。龙山县植烟土壤中部、南部及北部部分区域呈酸化趋势，北部小部分区域呈碱化趋势，有两级分化现象。pH极低的土壤增加了19.05%，适宜范围的土壤降低了19.45%，这与15年来大量施用氮肥与硫酸钾等酸性肥料密不可分；目前龙山县用生石灰对酸性土壤进行改良，手段单一，应加大基础设施建设，完善烟田基础设施配套情况，注意轮作模式，选择合理的轮作物，加大水土保持力度，防止养分流失致使土壤酸化，增施有机物料降低土壤黏结性使土壤不易板结；还应制定合理的肥料配施方案，对于pH极高或偏高的土壤应停止施用生石灰或白云石粉，适当施用腐殖酸等酸性有机物料；对于pH偏低或极低的土壤应减少酸性或生理酸性肥料的投入，硫酸钾替代为氯化钾或其他钾肥，同时控制氮肥用量，用硝态氮肥替换铵态氮肥，以减少SO42-和NH4+的致酸作用［6］，用钙镁磷肥替代磷酸钙的施用；使用白云石粉增加土壤中Ca2+、Mg2+的含量配合有机物料进行酸性土壤改良，增加土壤酸化控制因子的作用。

4 结论

龙山县植烟土壤从2000～2015年的15年间pH降低4.64%，总体上呈酸化趋势，但空间差异明显，中部及南部基本呈酸化趋势，北部部分区域呈碱化趋势，有两级分化现象。本研究找出有效硫、碱解氮为龙山县植烟土壤酸化的外在致酸因子，交换性钙与交换性镁为外在控制因子，土壤粘粒为内在致酸因子；因此在pH调控上应注意分区分管调控，着重从钙镁氮硫4种元素的用量及其种类对不同地区土壤pH进行调控，配和有机肥的施用，以为龙山县特色优质烟叶生产提供适宜的pH；同时，今后应重点从钙镁氮硫4种元素对武陵山地烟区土壤pH调控进行研究。