湘西植煙土壤pH時空變異及其主要驅(qū)動因素

李 強，閆晨兵，田明慧，向德明，蒲文宣，黎 娟

（1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南長沙 410128；2 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410128；3 湖南省煙草公司湘西自治州公司，湖南吉首 416000；4 湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖南長沙 410014）

pH是土壤重要的化學(xué)特性之一，它是成土母巖/母質(zhì)以及許多化學(xué)性質(zhì)特別是鹽基離子狀況的綜合反映，是評價土壤肥力的一項重要指標[1-2]。pH影響著土壤中諸多重要的物理、化學(xué)及生物過程，進而影響土壤養(yǎng)分的有效性、土壤的理化性質(zhì)和微生物活性，以及土壤在農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)中的功能[3-4]。pH也是影響烤煙產(chǎn)質(zhì)量的一個重要因素，優(yōu)質(zhì)烤煙的適宜pH大致為5.5～7.0[5-6]。煙田土壤pH一直受到國內(nèi)的廣泛關(guān)注，利用中國知網(wǎng) (CNKI) 進行的相關(guān)檢索表明，迄今涉及煙田土壤pH空間分布及其影響因素的文獻已有40多篇。湘西州是湖南主要烤煙區(qū)之一，基本煙田面積達3.07 × 105hm2，其中水旱輪作煙田1.32 × 105hm2，旱地?zé)熖锩娣e1.75 × 105hm2。有關(guān)湘西煙區(qū)土壤pH空間分布等方面也有較多報道[7-11]。鄧小華等[11]的研究表明，湘西煙田pH值低于5.5的樣品占37.27%，pH值高于7.5的土壤樣品占18.20%，成土母巖、土壤類型、水土流失狀況、灌溉能力、海拔高度、耕作層厚度、有機質(zhì)含量、土壤顆粒組成均顯著影響植煙土壤pH。但相比之下，有關(guān)湘西植煙土壤pH時空變異及其驅(qū)動因素的研究卻未見報道。鑒于此，本研究系統(tǒng)分析了湘西植煙土壤pH值時空變異及其驅(qū)動因素，以期進一步為湘西植煙土壤pH調(diào)節(jié)和烤煙養(yǎng)分管理提供參考，為優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域自然概況

研究區(qū)位于湖南省西北部的湘西土家族苗族自治州，該自治州面積15462 km2，耕地面積1.99 × 106hm2，地勢呈西北高，東南低的趨勢。地形地貌以山原山地為主，兼有丘陵和小平原。湘西州屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，大陸性氣候特征明顯，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年均氣溫為16.5～17.5℃，年均降雨量1290～1600 mm，年均日照時數(shù)在1406～1219 h。

湘西州是湖南主要烤煙區(qū)之一，基本煙田3.07 ×105hm2，其中水旱輪作煙田1.32 × 105hm2，旱地?zé)熖锩娣e1.75 × 105hm2，全州年均煙葉產(chǎn)量2.25 × 104t。植煙土壤有水稻土、紅壤、黃壤、黃棕壤、石灰土和紫色土等。煙田種植模式主要為烤煙—玉米—烤煙，烤煙—綠肥—烤煙和烤煙—空閑—烤煙、烤煙—水稻—烤煙；其中烤煙施氮量為105～120 kg/hm2，氮磷鉀比例為 1.0∶1.0～1.5∶2.5～3.0；玉米施肥量為純氮150～180 kg/hm2、P2O5150～180 kg/hm2、K2O150～180 kg/hm2；水稻施肥量為純氮100～120 kg/hm2、P2O530～50 kg/hm2、K2O 120～150 kg/hm2。

1.2 樣品采集

兩次采樣分別在2000年和2015年的11—12月進行，2000年按每400～500畝布置一個取樣點，2015年按每200～300畝布置一個取樣點 (兩期樣點的空間分布見圖1)。在煙田冬翻前，選取面積在667 m2以上的田塊進行樣品采集，用手持式GPS定位，記錄田塊中心的經(jīng)緯度和海拔，根據(jù)采樣田塊的形狀，采取“X”形或“W”形取樣法，用土鉆采集耕層土壤 (0—20 cm)，每個田塊確保5個樣點以上，將多點的土樣混合均勻后用四分法取大約1.5 kg土樣帶回實驗室。2000年采集土壤樣品446個，2015年采集土壤樣品1242個。

圖1 樣點分布圖Fig. 1 Distribution of soil sampling sites in 2000 and 2015

1.3 樣品分析

采集的土樣經(jīng)去雜、風(fēng)干、研磨后分別過1.7 mm、0.25 mm和0.15 mm篩制成待測樣品備用。土壤pH采用電位計法測定，土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法測定，全氮采用凱氏定氮法測定，堿解氮采用堿解擴散法測定，全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測定，有效磷采用氫氧化鈉提取—鉬銻抗比色法測定，全鉀采用氫氧化鈉熔融—火焰光度法測定，速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定，交換性鈣和交換性鎂采用乙酸銨交換—EDTA絡(luò)合滴定法測定，有效硫采用磷酸鹽浸提—硫酸鋇比濁法測定，陽離子交換量 (CEC) 采用乙酸銨交換法測定，土壤機械組成采用比重計法分別測定粗砂(2～0.2 mm)、細砂 (0.2～0.02 mm)、粉砂(0.02～0.002 mm) 和粘粒 (＜ 0.002 mm) 等土壤顆粒的含量。以上指標具體測定方法詳見參考文獻[12]。

1.4 土壤pH評價標準

參照相關(guān)文獻[11,13-15]制定了湘西煙區(qū)土壤pH的分級標準，具體分為以下5個等級：極低 (＜ 5.0)、低 (5.0～5.5)、適宜 (5.5～7.0)、高 (7～7.5)、極高 (＞7.5)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

多元統(tǒng)計分析利用IBM Statistics SPSS17.0完成，等樣本數(shù)回歸分析具體流程參照文獻[16]，逐步回歸分析方法參照文獻[17]進行，半方差函數(shù)的計算和擬合在GS+9.0中完成[18]，Kriging插值、面積統(tǒng)計和圖片繪制在ArcGIS10.22軟件中進行[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH基本統(tǒng)計特征和年代變化

表1表明，湘西州植煙土壤15年期間pH略有下降，2015年pH均值較2000年下降了0.09個單位，下降幅度為1.45%，但仍然均為適宜水平。pH變異系數(shù)由2000年的12.87%上升到2015年的18.30%，增加了5.43個百分點。最小值變化較大，下降了0.33個單位，而最大值變化較小，僅上升0.07個單位。極差由2000年的3.60上升到2015年的4.00，增加了0.40個單位。表明pH均值雖變化較小，但其變異卻有所增大。進一步對pH等級分布情況進行分析 (表1) 可見，與2000年相比，2015年pH“極低”和“低”的樣品比例分別增加了17.41和0.36個百分點，相應(yīng)地“適宜”、“高”等級的土壤樣品比例分別下降了25.36和2.09個百分點，“極高”等級的樣品比例增加了9.68個百分點。表明pH兩極分化漸趨嚴重。

表1 2000和2015年湘西植煙土壤pH狀況Table 1 Soil pH values in tobacco production soils in Xiangxi area in 2000 and 2015

2.2 pH時空變異特征

2.2.1 空間結(jié)構(gòu) 采用多種函數(shù)模型對pH擬合的結(jié)果表明 (表2)，2000和2015年pH的最佳函數(shù)模型分別是球狀模型 (Sph.) 和指數(shù)模型 (Exp.)，模型具有較高的擬合精度 (RMSSE≈1，MSE≈0)，能夠很好地反映pH的空間結(jié)構(gòu)特征。2000和2015年pH的塊金效應(yīng)分別為58.17%和64.13%，塊金效應(yīng)數(shù)值增大，反映出隨機性因素對pH作用變大，表明pH的空間結(jié)構(gòu)性減弱，隨機變異性增強，可能與養(yǎng)分管理、栽培技術(shù)及土壤改良措施有關(guān)。此外還發(fā)現(xiàn)，15年期間pH的Moran’s I值也有較大下降。經(jīng)標準化計算，兩個年份Moran’s I的標準化Z值均大于2.58，說明兩個時期pH表現(xiàn)為顯著空間自相關(guān)，2015年標準化Z值低于2000年，表明pH的空間自相關(guān)性在減弱，隨機性因素對pH的影響在增強。進一步利用分形維數(shù)D對兩個時期pH的空間結(jié)構(gòu)特點進行了定量分析 (見表2)，2015年pH的分形維數(shù)比2000年增加了0.005，表明pH呈現(xiàn)出更多較小尺度上的變異特點，其隨機變異所占比例增加。

2.2.2 時空分布 采用普通克里格插值法獲取2000年和2015年pH空間分布圖 (圖2)，并利用ArcGIS軟件自帶的Arctool box模塊統(tǒng)計pH空間分布不同等級的面積。兩個時期pH空間分布規(guī)律均不明顯，2015年pH分級面積與2000年相比發(fā)生一定變化 (圖2和表3)。2000年pH總體較適宜，“適宜”的植煙土壤面積高達94.94%，“低”和“高”的植煙土壤面積比例分別僅為3.91%和1.15%。2015年pH較2000年有兩級分化的趨勢，新增了2000年未出現(xiàn)的“極高”等級和“極低”等級，面積分別為0.17%和2.61%，“高”和“低”等級亦由原來的零星分布分別增加至5.55%和10.40%，相應(yīng)地“適宜”等級的面積下降至81.28%。綜上，2015年pH“極低”、“低”、“高”和“極高”等級的面積顯著增加，分別增加了2.61、6.48、4.39和0.17個百分點；而“適宜”等級則大幅下降，比2000年下降了13.65個百分點。15年來湘西植煙土壤pH兩極分化嚴重，這可能與不同區(qū)域的改土措施差異有關(guān)。

2.3 土壤酸化的影響因素

2.3.1 土壤其他屬性與pH的簡單相關(guān)分析 采用簡單相關(guān)分析的方法分析了pH與主要養(yǎng)分指標的相關(guān)性 (表4)，發(fā)現(xiàn)pH與全鉀、堿解氮、有效硫和粘粒 (＜ 0.002 mm，國際制，下同) 呈顯著或極顯著負相關(guān)，與全氮、全磷、有機質(zhì)、交換性鈣、交換性鎂、CEC、粗砂粒 (2～0.2 mm)、細砂粒 (0.2～0.02 mm) 和粉粒 (0.02～0.002 mm) 呈顯著或極顯著正相關(guān)。

2.3.2 各因素對土壤pH影響效應(yīng)分析 相關(guān)分析雖能夠說明土壤其他屬性與pH的相關(guān)性，但不能定量解析各屬性對SOM含量的影響效應(yīng)大小。因此，以與pH相關(guān)性達顯著或極顯著水平的海拔、全鉀、全氮、全磷、堿解氮、交換性鈣、交換性鎂、有效硫、有機質(zhì)、CEC、砂粒 (2～0.2 mm和0.2～0.02 mm)、粉粒 (0.02～0.002 mm)、粘粒 (＜ 0.002 mm) 等指標為自變量，以pH為因變量進行逐步回歸分析，定量分析各屬性對pH空間變異的綜合解釋能力和不同屬性對pH空間變異的獨立解釋能力。各屬性對pH的逐步回歸分析結(jié)果見表5，進入回歸方程的因素有7項，分別為交換性鈣、交換性鎂、有效硫、有機質(zhì)、粘粒、粉粒、堿解氮；表中△R2為在其他變量的基礎(chǔ)上增加該變量時回歸方程判定系數(shù)的增量，△R2越大，說明該變量在回歸方程中越重要；校正決定系數(shù)，是各回歸方程中所有屬性對pH變異的解釋比例。由R2、Adjusted R2和△R2可知，土壤交換性鈣對pH空間變異的影響最大，能夠獨立解釋其變異的60.6%，其次是交換性鎂、有效硫、有機質(zhì)、粘粒、粉粒和堿解氮，對pH的累計解釋能力達83.8%。綜上，pH是多個因子共同作用的結(jié)果，結(jié)合前文相關(guān)分析結(jié)果可知，有效硫和堿解氮是湘西植煙土壤的主要致酸因子，交換性鈣、交換性鎂和有機質(zhì)是湘西土壤酸化的控制因子，質(zhì)地對pH亦有較大影響。

表2 土壤pH半方差函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)比較Table 2 The semi-variogram models of soil pH and its parameters

圖2 2000和2015年湘西植煙土壤pH時空分布Fig. 2 Spatial distribution of soil pH in Xiangxi in 2000 and 2015

表3 2000和2015年湘西土壤酸堿度各等級面積統(tǒng)計及變化Table 3 Area statistics and changes of soil pH in 2000 and 2015

表4 土壤pH與土壤主要養(yǎng)分指標的相關(guān)分析Table 4 Correlation analysis between soil pH and other properties

表5 各因素與土壤pH的逐步回歸分析結(jié)果Table 5 Stepwise regression analysis of soil properties contributing to pH variability

2.3.3 各土壤屬性對pH的影響 各土壤屬性對pH影響的平滑回歸分析在明確pH主控因素的基礎(chǔ)上，進一步采用平滑回歸的方法探討交換性鈣、交換性鎂、有效硫、有機質(zhì)和堿解氮對pH的影響 (圖3)。結(jié)果表明，pH與交換性鈣含量符合分段線性模型，隨交換性鈣增加，pH表現(xiàn)為先快速升高后緩慢升高的趨勢，模型拐點為13.1 cmol/kg；pH與交換性鎂符合二次曲線模型，隨交換性鎂增加，pH表現(xiàn)為先快速升高后趨于穩(wěn)定的趨勢；pH與有機質(zhì)符合線性模型，隨有機質(zhì)增加，pH呈直線升高趨勢，但方程斜率較?。籶H與有效硫符合線性加平臺模型，隨有效硫增加，pH表現(xiàn)為先下降后趨于穩(wěn)定的趨勢，模型拐點為48.57 mg/kg；pH與堿解氮符合線性模型，隨堿解氮增加，pH呈直線下降趨勢。與前文相關(guān)分析及逐步回歸分析的結(jié)果一致。

圖3 土壤pH與其主控驅(qū)動因素的平滑回歸分析Fig. 3 Smooth regression analysis of soil pH and its main controlling factors

2.3.4 影響pH的其他環(huán)境因素 前文的逐步回歸分析表明，土壤理化指標可解釋土壤pH變異的83.8%，但仍有16.2%的變異未得到解釋，這也印證了土壤pH影響因素的復(fù)雜性。因而進一步采用方差分析和多重比較分析地形地貌、成土母質(zhì)和成土母巖對pH的影響。

1) 地形地貌 湘西煙區(qū)的地形地貌主要有山地、丘陵和平原，土壤pH在不同地形地貌間存在顯著和極顯著差異 (圖4)，其中低山最高，其次是山地，均極顯著高于丘陵土壤的pH值。

2) 成土母質(zhì)和成土母巖 郴州植煙土壤主要成土母質(zhì)為坡積物、洪積物、殘積物和沖積物，沖積物主要分布在瀘溪縣和鳳凰縣，坡積物在各植煙縣均有分布，殘積物主要分布在龍山縣、永順縣、鳳凰縣和瀘溪縣，洪積物主要分布在永順縣，土壤pH在4種成土母質(zhì)間存在極顯著差異 (圖5)，最高的是沖積物和洪積物，其次是坡積物，最低的是殘積物；從變異程度來看，4種土壤母質(zhì)均表現(xiàn)為中等程度變異。湘西植煙土壤主要成土母巖為板頁巖、石灰?guī)r和紫色砂頁巖，龍山和花垣縣主要為石灰?guī)r，保靖縣和鳳凰縣主要為板頁巖，古丈縣主要為板頁巖和紫色砂頁巖，永順縣主要為板頁巖和石灰?guī)r，土壤pH在3種成土母巖間存在極顯著差異 (圖5)，由高到低依次為板頁巖、石灰?guī)r和紫色砂頁巖；從變異程度來看，3種成土母巖均表現(xiàn)為中等程度變異。

圖4 地形對土壤pH值的影響Fig. 4 Effects of topography on soil pH[注（Note）: 柱上不同大小寫字母分別表示在0.01和0.05水平差異顯著 Different capital and small letters above the bars indicatesignificantly different at 0. 01 and 0. 05 levels among treatments,respectively. ]

3 討論

烤煙對土壤pH的適應(yīng)能力較強，在pH 4～9的土壤上均能正常完成其生長和發(fā)育，但要獲得品質(zhì)優(yōu)良的煙葉，煙草須種植在特定的pH值范圍的土壤上[20]。不同的研究得到的烤煙種植的最佳土壤pH雖因地域的不同而略有差異[21]，但普遍認為弱酸性到中性的土壤更利于獲得優(yōu)質(zhì)煙葉[22]?？傮w上，15年來湘西植煙土壤pH時空變異較大，酸化和堿化問題同時發(fā)生，以酸化問題更為嚴重，以古丈縣植煙土壤pH下降幅度較大，以保靖縣植煙土壤pH升高幅度較大。

本文著重研究了全鉀、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、有效硫、海拔、有機質(zhì)、氯離子、陽離子交換量、土壤砂粒、粉粒和粘粒等因素對土壤pH的影響。海拔高度主要通過母巖、母質(zhì)、水熱條件影響著土壤的發(fā)育進程，從而造成土壤理化性狀在垂直梯度上的差異[23]；湘西州海拔高度呈現(xiàn)北高南低的趨勢，植煙土壤pH與海拔呈顯著負相關(guān)關(guān)系，這與鄧小華等[11]及杜薇等[24]的研究結(jié)果一致。龍山海拔500 m以下的區(qū)域、保靖大部分區(qū)域、花垣北部、古丈海拔600 m以下的區(qū)域、鳳凰和瀘溪等地降水量在800 mm以下；龍山中北部、永順中海拔以下的區(qū)域、古丈中高海拔區(qū)域、花垣中南部、吉首南部等地降水量為800～1000 mm；只有龍山、永順兩縣海拔1000 m以上的區(qū)域降水量超過1000 mm；但湘西煙區(qū)降雨量與土壤pH關(guān)系如何尚未作深入研究。土壤pH與全鉀、堿解氮、有效硫和粘粒呈顯著或極顯著負相關(guān)，與全氮、全磷、有機質(zhì)、交換性鈣、交換性鎂、CEC、砂粒和土壤粉粒呈顯著或極顯著正相關(guān)。我們特別注意到，逐步回歸分析結(jié)果表明，土壤交換性鈣對湘西土壤pH空間變異的影響最大，能夠獨立解釋其變異的60.6%，其次是交換性鎂、有效硫、有機質(zhì)、粘粒、粉粒和堿解氮，對土壤pH的累計解釋能力達83.8%，值得注意的是交換性鈣與交換性鎂對pH的累計解釋能力便達到了75.4%，這與Drohan等[25]的研究結(jié)果一致。但和Guo等的研究得到的氮肥過量施用是土壤酸化的主要因素不完全一致[26]，本研究中硫元素的致酸作用更為突出，這可能與煙草種植中硫酸鉀的超量施用帶入大量硫酸根離子有關(guān)[27]。綜上，本研究基本探明了湘西植煙土壤pH的主控因素，闡明了土壤有效硫和堿解氮是湘西植煙土壤的主要致酸因子，土壤交換性鈣、交換性鎂和有機質(zhì)是湘西土壤酸化的控制因子。此外，我們注意到一些區(qū)域pH時空變異明顯，如保靖縣西部pH明顯升高、古丈縣中東部pH明顯降低，從以上酸化驅(qū)動因子入手進行解析，發(fā)現(xiàn)15年來保靖縣植煙土壤交換性鈣、交換性鎂和有機質(zhì)等土壤酸化的控制因子分別升高了26.16%、94.71%和10.56%，而致酸因子有效硫含量則下降了51.11%；相應(yīng)地，15年來古丈縣植煙土壤交換性鈣和交換性鎂等土壤酸化的控制因子分別下降了49.91%和16.82%，而致酸因子有效硫含量則上升了93.58%；因此認為，土壤酸化的控制因子和致酸因子含量的變化是導(dǎo)致這兩個典型區(qū)域土壤pH出現(xiàn)明顯變化的重要原因，同時也進一步驗證了前文的土壤pH驅(qū)動因素的研究結(jié)論。

圖5 成土母質(zhì)和成土母巖對土壤pH的影響Fig. 5 Effects of parent materials and parent rocks on soil pH[注（Note）: 柱上不同大小寫字母分別表示在0.01和0.05水平差異顯著Different capital and small letters above the bars indicate significantly different at the 0. 01 and 0. 05 levels among treatments, respectively.]

綜上，湘西植煙土壤和我國其他很多煙區(qū)一樣[14,24]存在較為嚴重的酸化問題，目前湘西煙區(qū)主要采取施用生石灰的方法改良酸性土壤 (750～1500 kg/hm2)，手段較為單一。而對于堿性植煙土壤目前尚未采取措施進行改良。目前尚未有來自工業(yè)企業(yè)的由于土壤酸化或堿化導(dǎo)致湘西煙葉質(zhì)量變差的反饋，但有關(guān)酸性土壤導(dǎo)致病害加重已被當(dāng)?shù)貜V泛認可，但pH進一步下降后是否對煙葉品質(zhì)造成不良影響尚不得而知，這一問題應(yīng)當(dāng)引起足夠關(guān)注。一方面應(yīng)繼續(xù)關(guān)注土壤pH變化，在當(dāng)?shù)亻_展酸性土壤對煙葉品質(zhì)影響的研究，為植煙土壤管理決策提供參考。另一方面，應(yīng)針對植煙土壤不同pH狀況采取差異化管理方案，針對pH“極高”的區(qū)域，應(yīng)暫時停止施用石灰，是否需要施用堿性土壤調(diào)理劑則應(yīng)謹慎對待；針對土壤pH“低”和“極低”的區(qū)域應(yīng)杜絕過磷酸鈣的施用，替代施用鈣鎂磷肥作為磷肥來源，并適當(dāng)投入石灰粉、白云石粉和有機物料進行酸性土壤改良。此外，應(yīng)同時適當(dāng)減少氮肥用量，并采用其他鉀肥部分替代硫酸鉀，以減少氮肥和硫酸根離子對植煙土壤的致酸作用。

4 結(jié)論

由于長期施用不同化學(xué)肥料和有機物料，湘西植煙土壤的pH變異程度在加大，適宜等級的土壤面積在減少。影響因素的分析結(jié)果顯示，交換性鈣、交換性鎂、有效硫、有機質(zhì)、粘粒 (＜ 0.002 mm)、粉粒 (0.02～0.002 mm) 和堿解氮是植煙土壤pH的主要影響因素，交換性鈣、交換性鎂是土壤pH升高的主要驅(qū)動因素，而有效硫和堿解氮是土壤pH降低的驅(qū)動因素。因此應(yīng)根據(jù)土壤pH區(qū)域差異，從增加含鈣物料的投入，控制含硫物料以及化肥氮的使用，以維持土壤的可持續(xù)利用。