龍山縣植煙土壤pH時空變異與影響因子研究

唐 韻，向德明，周清明，田明慧，李 強，姚 旺，戴 曦，黎 娟*

（1.湖南農業大學農學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省煙草公司湘西州公司，湖南 吉首 416000；3.湖南省煙草公司張家界市公司，湖南 張家界 427000）

土壤酸堿性對土壤肥力與烤煙生長有著重要影響，主要通過影響土壤養分有效性、土壤膠體的帶電性、土壤物理性質來影響土壤肥力［1］；通過影響烤煙根部對養分的吸收來影響烤煙的生長發育，過酸或過堿都對烤煙根部吸收能力有損害，進而使植物生長發育機能衰退［2］，同時酸化的土壤易導致烤煙病害加重［3］，從而影響煙葉品質與產量。研究表明，不同的成土母質、海拔高度、種植結構［4-5］等與肥料的施用都對土壤pH有不同的影響，而肥料的施用是影響土壤酸堿度的重要因 素［6］。近年來，湖南湘西，以及貴州銅仁、遵義、湖北恩施、宜昌等周邊地區，土壤酸化日趨嚴 重［7］，阻礙了其特色優質煙葉的開發，對其酸化因子的研究顯得尤為重要。龍山縣是湘西自治州的產煙大縣，其煙葉品質飽受工業企業的青睞，目前對其土壤pH影響因子的研究還未見報道。鑒于此，本研究在龍山縣植煙土壤pH時空變異的基礎上，采用相關分析確定各土壤指標間的相關性大小，再用逐步回歸法剔除存在多重共線性指標，篩選出影響pH的土壤指標，最后用等樣本平滑回歸建立各指標與pH的模型關系，分析土壤pH與其影響因素間的關系，以期為以龍山縣植煙土壤pH調控提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

龍山縣位于湘西北邊陲，地處武陵山脈腹地，在東經109°13′～109°46′8″、北緯28°46′7″～29°38′4″之間，占湘西州面積的五分之一，地勢北高南低，東陡西緩。地域屬亞熱帶大陸性濕潤季風氣候區，平均氣溫15.8℃。在復雜的山體影響下，形成山地垂直地帶和水平方向地域差異的多樣性氣候。與湖南省內同緯度地區相比，具有光熱總量偏少，冬暖夏涼，光熱基本同季，降水豐沛，時空分配不均，氣候類型多樣，立體特征明顯，氣象災害多等特征。龍山縣烤煙種植歷史悠久，是湖南湘西煙區烤煙種植大縣，也是優質煙葉生產供應基地。

1.2 樣品采集與處理

采用GPS定位技術在龍山縣選取定位田塊并記錄經緯度，定位田塊均在667 m2以上，采集具有代表性的耕層土樣300（2015年）、191（2000年）個，采集時間均在烤煙移栽前一個月完成，并避開雨季，采用取土器鉆取耕層土壤（0～20 cm），每個田塊取8～12個點混合成一個2 kg左右的土樣，并用四分法保留500 g土樣。采集土樣時立即編號以避免混合，土樣經過風干、混勻、磨細、過篩等預處理后保存備測。

1.3 土壤的測定方法

采用原子吸收分光光度法測定土壤交換性鈣和交換性鎂，土壤有機質采用重鉻酸鉀滴定法，采用pH計法（水土比為2.5∶1）測定pH，堿解氮、有效磷、速效鉀分別采用堿解擴散法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法、醋酸銨浸提-火焰光度法，土壤顆粒組成比例采用比重法測定，全氮、全磷、全鉀、有效硫、CEC測定參照文獻［8-9］。

1.4 統計分析方法

參照以往的研究［10-12］，將植煙土壤pH分為：極低（<5.0）、偏低（5.0～5.5）、適宜（5.5～7.0）、偏高（7.0～7.5）、極高（>7.5）。

采用域法剔除異常值，即把分布于平均值±3倍標準差之外的數值定為異常值并剔除［13］，描述性統計、相關分析、多重比較、逐步回歸均用SPSS 17.0軟件完成［14］，等樣本平滑回歸分析參照文獻［15］進行，將數據按自變量進行從低到高排序，按照數值大小進行等樣本分組，本試驗為20組，然后計算各變量的平均值和對應pH的平均值得到數據組，利用新的數據組采用等樣本平滑回歸分析法分析各變量與pH的關系。運用ArcGIS 10.4的地統計學模塊及克里格法插值繪制龍山縣植煙土壤pH空間分布圖［16］。

2 結果與分析

2.1 2000～2015年土壤pH描述統計與時空變化

由表1可知，龍山縣植煙土壤2000與2015年pH均值分別為6.32、6.03，降低幅度為4.64%；從變異程度來看2000與2015年都屬于中等程度變異；從土壤pH樣本分布頻率來看，2015與2000年相比，極低（<5）的樣本增加了19.05%，偏低（5.0～5.5）的樣本增加了1.1%，適宜（5.5～7.0）的樣本降低了19.45%，偏高（7.0～7.5）的樣本增加了0.81%，極高（≥7.5）的樣本降低了 1.52%。

表1 2000與2015年龍山縣土壤pH描述統計

利用半方差函數模型對區域植煙土壤pH值進行擬合，確定指數模型為2000和2015年區域pH值的最優半方差函數模型，相關參數見表2，其中標準化均方根誤差均接近1，標準化平均誤差接近0，表明插值精度高，選取的模型具有很高的擬合度。進一步采用ArcGIS軟件繪制龍山縣2000與2015年pH空間分布圖（圖1），龍山縣中部及南部植煙土壤2000年pH大部分處于適宜范圍內，15年后呈酸化趨勢，內溪、青天坪、鳳溪寨、洛塔、干溪等部分地區15年來pH由適宜（5.5～7.0）變為偏低（5.0～5.5），茅坪、洛塔、青天坪部分地區pH變為極低（<5.0），中部和南部其他地區雖處于適宜范圍內，但pH普遍下降1個單位左右；北部地區酸化與堿化現象并存，石牌、烏鴉、水田部分地區15年pH由適宜變為偏低（5.0～5.5）或極低（<5.0），烏鴉部分地區土壤由弱堿性變為強酸性，變幅最高，石羔鎮大部分地區pH由適宜（5.5～7.0）變為極高（≥7.5），猛必和水田部分區域pH由偏低（5.0～5.5）變為適宜（5.5～7.0）?？梢钥闯鳊埳娇h植煙土壤有兩級分化趨勢，大部分呈酸化趨勢，小部分地區呈堿化 趨勢。

表2 土壤pH半方差函數模型及相關參數比較

圖1 龍山縣2000與2015年pH時空分布圖

2.2 土壤各指標與pH的相關分析

把土壤各指標與pH做Pearson相關分析得到表3，可知pH與堿解氮、有效硫、海拔、粘粒（<0.002 mm）呈極顯著負相關，與交換性鈣、交換性鎂、細沙粒（0.2～0.02 mm）、CEC、速效鉀呈極顯著正相關或顯著正相關。

表3 土壤pH與各指標的相關分析

2.3 土壤pH與各指標的逐步回歸

因為相關分析只能確定各指標對pH的相關性，并不能體現影響效應的大小與影響關系，因此選取具有顯著相關或極顯著相關的指標（堿解氮、有效硫、交換性鈣、交換性鎂、海拔、細沙粒、粘粒、CEC、速效鉀）為自變量，pH為因變量，進一步采用逐步回歸分析篩選并剔除多重共線性變量得到表4，可知經逐步回歸篩選出的指標為交換性鈣、交換性鎂、有效硫、粘粒、堿解氮、海拔，剔除的指標為CEC、速效鉀、細沙粒，因為是用與pH呈顯著或極顯著相關的指標做逐步回歸，所以說明CEC、速效鉀、細沙粒為多重共線性指標。表中決定系數增量為在其他解釋變量的基礎上增加該變量時，回歸方程決定系數的增量，決定系數增量越大，說明該變量在回歸方程中越重要；校正決定系數，是回歸方程各模型中指標對pH變異的解釋比率。由表4中各模型可知，對pH變異影響最大的為交換性鈣，其獨立解釋能力為56.2%，交換性鈣、交換性鎂、有效硫、粘粒、堿解氮、海拔的累計解釋能力為85.4%。

表4 土壤pH與各指標的逐步回歸結果

2.4 土壤pH與主要影響因子2000～2015年變化分析

為觀察龍山縣植煙土壤主要致酸因子與酸化控制因子從2000年到2015年的變化情況（表5），得知龍山縣pH同比下降4.64%，堿解氮同比增長22.88%，有效硫同比增長39.16%，交換性鈣同比增長11.88%，交換性鎂同比增長12.20%，堿解氮和有效硫的增長率比交換性鈣和交換性鎂的增長率更為突出，一定程度反映了龍山縣植煙土壤酸化是由大量氮肥與硫酸鉀等酸性肥料的施用導致的。

2.5 土壤各指標對pH的平滑回歸分析

由逐步回歸結果得到的各指標與pH進行平滑回歸分析得到圖2?？芍猵H與交換性鈣呈線性加平臺模型，隨著交換性鈣含量的增加pH呈先增加后平穩的趨勢，其拐點為12.076 cmol·kg-1；pH與交換性鎂呈二次曲線模型，pH隨著交換性鎂含量的升高增加趨勢由急變緩；pH與土壤粘粒比例呈二次曲線模型，隨著土壤粘粒比例的增加，pH的下降趨勢由快變慢；pH與有效硫呈線性加平臺模型，隨著有效硫含量的增加pH先下降后趨于穩定，其拐點為26.01 mg·kg-1；pH與堿解氮呈二次曲線關系，隨堿解氮含量的增加pH由平緩變為下降趨勢；pH與海拔呈二次曲線關系，隨著海拔的升高pH呈先緩慢升高后轉為下降的趨勢。

表5 土壤pH與主要影響因子2000～2015年變化

圖2 土壤pH與其主控驅動因素的平滑回歸分析

2.6 其他因素對土壤pH的影響

農田基礎設施對pH的影響見表6，龍山縣植煙土壤農田基礎設施情況為配套、基本配套、不配套3種，3種基礎設施情況下pH的均值分別為6.59、6.05、5.88，均處于適宜范圍內，3種基礎設施情況下pH的變異系數分別為18.16%、16.01%、17.67%，屬于中等程度變異；pH在3種基礎設施情況下存在極顯著差異，其中基礎設施配套極顯著大于不配套，顯著大于基本配套。

表6 不同基礎設施情況下的pH變化

輪作制度對pH的影響見表7，龍山縣植煙土壤不同輪作制度下pH由大到小排序為煙-煙>煙-稻>其他>煙-玉米，pH平均值都處于適宜范圍；pH在不同輪作制度下存在顯著性差異，其中煙-煙顯著大于煙-玉米和其他，從變異程度來看，各輪作制度下pH均屬于中等程度變異。

表7 不同輪作制度下pH的變化

不同成土母質對pH的影響見表8，龍山縣植煙土壤成土母質主要分為坡積物、殘積物、洪積物，pH均值由大到小排序為洪積物>坡積物>殘積物，pH在不同母質下存在極顯著差異，洪積物極顯著大于殘積物；從變異程度來看，各母質下pH屬于中等程度變異。

表8 不同成土母質下pH

3 討論

有些學者用簡單的相關分析和灰色關聯來做土壤pH與養分之間的關系，進而確定相互之間的關系，這種方法有一定不足之處，因為沒有做指標間的篩選，由于各指標之間可能存在精確相關關系或高度相關關系，即存在多重共線性［17］，從而可能對某些指標存在誤判。逐步回歸是一種常用的消除多重共線性、選擇最優回歸方程的方法，其做法是引入經F檢驗是顯著的自變量，對已選入的變量進行逐個檢驗，剔除由于后引入的變量而變得不再顯著的變量，每引入或剔除一個變量為逐步回歸的一步，每一步都要進行F檢驗。重復進行直到沒有顯著自變量從回歸方程中剔除也沒有不顯著的自變量選入為止［18］。本研究選用相關分析中有顯著或極顯著相關的指標，進一步進入逐步回歸進行篩選，所以剔除的指標應為共線性指標。經篩選剔除了速效鉀、CEC、細沙粒比例，得到交換性鈣、交換性鎂、有效硫、堿解氮、粘粒比例、海拔6個影響龍山縣植煙土壤pH的因素。

本研究經逐步回歸篩選得到的交換性鈣、交換性鎂、有效硫、堿解氮、粘粒比例、海拔6個土壤指標對pH的累計解釋能力為85.4%，交換性鈣獨立的解釋能力達到56.2%，交換性鈣與交換性鎂解釋能力為76.2%，交換性鈣對pH的影響最大，這與梁煊等［19］的研究結果一致，平滑回歸結果顯示交換性鈣與交換性鎂對pH為正影響，這與鄧小華等［20］得到的交換性鈣對pH為正影響，交換性鎂對pH為負影響有一定差別。本文相關分析得知土壤交換性鈣、交換性鎂與pH呈極顯著正相關，有效硫、堿解氮、粘粒比例與pH呈極顯著負相關，而Ca2+、Mg2+、SO42-、NH4+則主要通過外在施肥進入土壤中，粘粒則為土壤內在構成，結合前文逐步回歸結果認為交換性鈣、交換性鎂為土壤酸化的外在控制因子，有效硫、堿解氮為土壤外在致酸因子，粘粒比例為內在致酸因子。值得注意的是，龍山縣2015年比2000年土壤pH降低4.64%，有效硫、堿解氮分別增加39.16%、22.88%，交換性鈣、交換性鎂分別增加11.88%、12.20%，從土壤酸化驅動因子來看，龍山縣植煙土壤15年間外在致酸因子較外在控制因子增加更為突出，其致酸效果更為顯著，驗證了前文龍山縣15年間植煙土壤酸化的主要驅動因素。海拔主要通過母質、母巖、水熱等因素影響著土壤發育，從而造成pH的垂直梯度差異［21］，相關分析結果顯示海拔與pH呈極顯著負相關，這與陳玉藍［22］的研究結果一致，隨著海拔上升pH呈下降趨勢，這可能是因為亞熱帶地區隨著海拔升高降雨量增 多［23］，從而使土壤養分流失導致土壤pH下降；土壤粘粒比例做為內在致酸因子與pH呈極顯著負相關，隨著粘粒比例升高pH呈下降趨勢，這與周碧青等［24］土壤粘粒比例越高對酸的緩沖能力越強，其減緩土壤酸化的能力越高的研究結果不同，這可能是因為土壤粘粒比列越高，土壤質地越細，降雨后易造成土壤板結，通透性減弱，微生物活性降低，而使土壤易酸化［25］。

雖然交換性鈣、交換性鎂、有效硫、堿解氮、粘粒比例、海拔6個土壤指標對pH的累計解釋能力為85.4%，但還有14.6%未得到解釋，其中可能包含著自然因素與人為因素，本文對基礎設施配套情況、輪作制度、成土母質3種因素的分析表明，不同基礎設施配套情況、不同輪作制度、不同成土母質分組間的pH有顯著或極顯著差異，配套設施完善，土壤酸化減弱；不同的輪作制度對pH的影響顯著，因為不同的輪作作物對土壤養分的利用量不同，物質量大或高產作物容易帶走更多的鹽基離子而土壤得不到及時補充，致使土壤酸化［26］。不同母質下殘積物pH值最低，這可能是龍山縣植煙土壤母質主要以硅鋁-碳酸鹽（硫酸鹽）、硅鋁粘土型殘積物為主，土壤中存在較多Al3+水解產生H+，導致土壤酸化［27］。

綜上，15年間龍山縣植煙土壤pH均值降低4.64%，由6.32變為6.03，總體上仍處于優質烤煙生長的適宜范圍內［4］。龍山縣植煙土壤中部、南部及北部部分區域呈酸化趨勢，北部小部分區域呈堿化趨勢，有兩級分化現象。pH極低的土壤增加了19.05%，適宜范圍的土壤降低了19.45%，這與15年來大量施用氮肥與硫酸鉀等酸性肥料密不可分；目前龍山縣用生石灰對酸性土壤進行改良，手段單一，應加大基礎設施建設，完善煙田基礎設施配套情況，注意輪作模式，選擇合理的輪作物，加大水土保持力度，防止養分流失致使土壤酸化，增施有機物料降低土壤黏結性使土壤不易板結；還應制定合理的肥料配施方案，對于pH極高或偏高的土壤應停止施用生石灰或白云石粉，適當施用腐殖酸等酸性有機物料；對于pH偏低或極低的土壤應減少酸性或生理酸性肥料的投入，硫酸鉀替代為氯化鉀或其他鉀肥，同時控制氮肥用量，用硝態氮肥替換銨態氮肥，以減少SO42-和NH4+的致酸作用［6］，用鈣鎂磷肥替代磷酸鈣的施用；使用白云石粉增加土壤中Ca2+、Mg2+的含量配合有機物料進行酸性土壤改良，增加土壤酸化控制因子的作用。

4 結論

龍山縣植煙土壤從2000～2015年的15年間pH降低4.64%，總體上呈酸化趨勢，但空間差異明顯，中部及南部基本呈酸化趨勢，北部部分區域呈堿化趨勢，有兩級分化現象。本研究找出有效硫、堿解氮為龍山縣植煙土壤酸化的外在致酸因子，交換性鈣與交換性鎂為外在控制因子，土壤粘粒為內在致酸因子；因此在pH調控上應注意分區分管調控，著重從鈣鎂氮硫4種元素的用量及其種類對不同地區土壤pH進行調控，配和有機肥的施用，以為龍山縣特色優質煙葉生產提供適宜的pH；同時，今后應重點從鈣鎂氮硫4種元素對武陵山地煙區土壤pH調控進行研究。