湘西植烟土壤pH时空变异及其主要驱动因素

李 强，闫晨兵，田明慧，向德明，蒲文宣，黎 娟

（1 湖南农业大学农学院，湖南长沙 410128；2 湖南农业大学生物科学技术学院，湖南长沙 410128；3 湖南省烟草公司湘西自治州公司，湖南吉首 416000；4 湖南中烟工业有限责任公司，湖南长沙 410014）

pH是土壤重要的化学特性之一，它是成土母岩/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]。pH影响着土壤中诸多重要的物理、化学及生物过程，进而影响土壤养分的有效性、土壤的理化性质和微生物活性，以及土壤在农林生态系统中的功能[3-4]。pH也是影响烤烟产质量的一个重要因素，优质烤烟的适宜pH大致为5.5～7.0[5-6]。烟田土壤pH一直受到国内的广泛关注，利用中国知网 (CNKI) 进行的相关检索表明，迄今涉及烟田土壤pH空间分布及其影响因素的文献已有40多篇。湘西州是湖南主要烤烟区之一，基本烟田面积达3.07 × 105hm2，其中水旱轮作烟田1.32 × 105hm2，旱地烟田面积1.75 × 105hm2。有关湘西烟区土壤pH空间分布等方面也有较多报道[7-11]。邓小华等[11]的研究表明，湘西烟田pH值低于5.5的样品占37.27%，pH值高于7.5的土壤样品占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、土壤颗粒组成均显著影响植烟土壤pH。但相比之下，有关湘西植烟土壤pH时空变异及其驱动因素的研究却未见报道。鉴于此，本研究系统分析了湘西植烟土壤pH值时空变异及其驱动因素，以期进一步为湘西植烟土壤pH调节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 研究区域自然概况

研究区位于湖南省西北部的湘西土家族苗族自治州，该自治州面积15462 km2，耕地面积1.99 × 106hm2，地势呈西北高，东南低的趋势。地形地貌以山原山地为主，兼有丘陵和小平原。湘西州属亚热带季风湿润气候，大陆性气候特征明显，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，年均气温为16.5～17.5℃，年均降雨量1290～1600 mm，年均日照时数在1406～1219 h。

湘西州是湖南主要烤烟区之一，基本烟田3.07 ×105hm2，其中水旱轮作烟田1.32 × 105hm2，旱地烟田面积1.75 × 105hm2，全州年均烟叶产量2.25 × 104t。植烟土壤有水稻土、红壤、黄壤、黄棕壤、石灰土和紫色土等。烟田种植模式主要为烤烟—玉米—烤烟，烤烟—绿肥—烤烟和烤烟—空闲—烤烟、烤烟—水稻—烤烟；其中烤烟施氮量为105～120 kg/hm2，氮磷钾比例为 1.0∶1.0～1.5∶2.5～3.0；玉米施肥量为纯氮150～180 kg/hm2、P2O5150～180 kg/hm2、K2O150～180 kg/hm2；水稻施肥量为纯氮100～120 kg/hm2、P2O530～50 kg/hm2、K2O 120～150 kg/hm2。

1.2 样品采集

两次采样分别在2000年和2015年的11—12月进行，2000年按每400～500亩布置一个取样点，2015年按每200～300亩布置一个取样点 (两期样点的空间分布见图1)。在烟田冬翻前，选取面积在667 m2以上的田块进行样品采集，用手持式GPS定位，记录田块中心的经纬度和海拔，根据采样田块的形状，采取“X”形或“W”形取样法，用土钻采集耕层土壤 (0—20 cm)，每个田块确保5个样点以上，将多点的土样混合均匀后用四分法取大约1.5 kg土样带回实验室。2000年采集土壤样品446个，2015年采集土壤样品1242个。

图1 样点分布图Fig. 1 Distribution of soil sampling sites in 2000 and 2015

1.3 样品分析

采集的土样经去杂、风干、研磨后分别过1.7 mm、0.25 mm和0.15 mm筛制成待测样品备用。土壤pH采用电位计法测定，土壤有机质采用重铬酸钾氧化法测定，全氮采用凯氏定氮法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，全磷采用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法测定，有效磷采用氢氧化钠提取—钼锑抗比色法测定，全钾采用氢氧化钠熔融—火焰光度法测定，速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定，交换性钙和交换性镁采用乙酸铵交换—EDTA络合滴定法测定，有效硫采用磷酸盐浸提—硫酸钡比浊法测定，阳离子交换量 (CEC) 采用乙酸铵交换法测定，土壤机械组成采用比重计法分别测定粗砂(2～0.2 mm)、细砂 (0.2～0.02 mm)、粉砂(0.02～0.002 mm) 和粘粒 (＜ 0.002 mm) 等土壤颗粒的含量。以上指标具体测定方法详见参考文献[12]。

1.4 土壤pH评价标准

参照相关文献[11,13-15]制定了湘西烟区土壤pH的分级标准，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 (7～7.5)、极高 (＞7.5)。

1.5 数据分析

多元统计分析利用IBM Statistics SPSS17.0完成，等样本数回归分析具体流程参照文献[16]，逐步回归分析方法参照文献[17]进行，半方差函数的计算和拟合在GS+9.0中完成[18]，Kriging插值、面积统计和图片绘制在ArcGIS10.22软件中进行[19]。

2 结果与分析

2.1 pH基本统计特征和年代变化

表1表明，湘西州植烟土壤15年期间pH略有下降，2015年pH均值较2000年下降了0.09个单位，下降幅度为1.45%，但仍然均为适宜水平。pH变异系数由2000年的12.87%上升到2015年的18.30%，增加了5.43个百分点。最小值变化较大，下降了0.33个单位，而最大值变化较小，仅上升0.07个单位。极差由2000年的3.60上升到2015年的4.00，增加了0.40个单位。表明pH均值虽变化较小，但其变异却有所增大。进一步对pH等级分布情况进行分析 (表1) 可见，与2000年相比，2015年pH“极低”和“低”的样品比例分别增加了17.41和0.36个百分点，相应地“适宜”、“高”等级的土壤样品比例分别下降了25.36和2.09个百分点，“极高”等级的样品比例增加了9.68个百分点。表明pH两极分化渐趋严重。

表1 2000和2015年湘西植烟土壤pH状况Table 1 Soil pH values in tobacco production soils in Xiangxi area in 2000 and 2015

2.2 pH时空变异特征

2.2.1 空间结构 采用多种函数模型对pH拟合的结果表明 (表2)，2000和2015年pH的最佳函数模型分别是球状模型 (Sph.) 和指数模型 (Exp.)，模型具有较高的拟合精度 (RMSSE≈1，MSE≈0)，能够很好地反映pH的空间结构特征。2000和2015年pH的块金效应分别为58.17%和64.13%，块金效应数值增大，反映出随机性因素对pH作用变大，表明pH的空间结构性减弱，随机变异性增强，可能与养分管理、栽培技术及土壤改良措施有关。此外还发现，15年期间pH的Moran’s I值也有较大下降。经标准化计算，两个年份Moran’s I的标准化Z值均大于2.58，说明两个时期pH表现为显著空间自相关，2015年标准化Z值低于2000年，表明pH的空间自相关性在减弱，随机性因素对pH的影响在增强。进一步利用分形维数D对两个时期pH的空间结构特点进行了定量分析 (见表2)，2015年pH的分形维数比2000年增加了0.005，表明pH呈现出更多较小尺度上的变异特点，其随机变异所占比例增加。

2.2.2 时空分布 采用普通克里格插值法获取2000年和2015年pH空间分布图 (图2)，并利用ArcGIS软件自带的Arctool box模块统计pH空间分布不同等级的面积。两个时期pH空间分布规律均不明显，2015年pH分级面积与2000年相比发生一定变化 (图2和表3)。2000年pH总体较适宜，“适宜”的植烟土壤面积高达94.94%，“低”和“高”的植烟土壤面积比例分别仅为3.91%和1.15%。2015年pH较2000年有两级分化的趋势，新增了2000年未出现的“极高”等级和“极低”等级，面积分别为0.17%和2.61%，“高”和“低”等级亦由原来的零星分布分别增加至5.55%和10.40%，相应地“适宜”等级的面积下降至81.28%。综上，2015年pH“极低”、“低”、“高”和“极高”等级的面积显著增加，分别增加了2.61、6.48、4.39和0.17个百分点；而“适宜”等级则大幅下降，比2000年下降了13.65个百分点。15年来湘西植烟土壤pH两极分化严重，这可能与不同区域的改土措施差异有关。

2.3 土壤酸化的影响因素

2.3.1 土壤其他属性与pH的简单相关分析 采用简单相关分析的方法分析了pH与主要养分指标的相关性 (表4)，发现pH与全钾、碱解氮、有效硫和粘粒 (＜ 0.002 mm，国际制，下同) 呈显著或极显著负相关，与全氮、全磷、有机质、交换性钙、交换性镁、CEC、粗砂粒 (2～0.2 mm)、细砂粒 (0.2～0.02 mm) 和粉粒 (0.02～0.002 mm) 呈显著或极显著正相关。

2.3.2 各因素对土壤pH影响效应分析 相关分析虽能够说明土壤其他属性与pH的相关性，但不能定量解析各属性对SOM含量的影响效应大小。因此，以与pH相关性达显著或极显著水平的海拔、全钾、全氮、全磷、碱解氮、交换性钙、交换性镁、有效硫、有机质、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) 等指标为自变量，以pH为因变量进行逐步回归分析，定量分析各属性对pH空间变异的综合解释能力和不同属性对pH空间变异的独立解释能力。各属性对pH的逐步回归分析结果见表5，进入回归方程的因素有7项，分别为交换性钙、交换性镁、有效硫、有机质、粘粒、粉粒、碱解氮；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属性对pH变异的解释比例。由R2、Adjusted R2和△R2可知，土壤交换性钙对pH空间变异的影响最大，能够独立解释其变异的60.6%，其次是交换性镁、有效硫、有机质、粘粒、粉粒和碱解氮，对pH的累计解释能力达83.8%。综上，pH是多个因子共同作用的结果，结合前文相关分析结果可知，有效硫和碱解氮是湘西植烟土壤的主要致酸因子，交换性钙、交换性镁和有机质是湘西土壤酸化的控制因子，质地对pH亦有较大影响。

表2 土壤pH半方差函数模型及相关参数比较Table 2 The semi-variogram models of soil pH and its parameters

图2 2000和2015年湘西植烟土壤pH时空分布Fig. 2 Spatial distribution of soil pH in Xiangxi in 2000 and 2015

表3 2000和2015年湘西土壤酸碱度各等级面积统计及变化Table 3 Area statistics and changes of soil pH in 2000 and 2015

表4 土壤pH与土壤主要养分指标的相关分析Table 4 Correlation analysis between soil pH and other properties

表5 各因素与土壤pH的逐步回归分析结果Table 5 Stepwise regression analysis of soil properties contributing to pH variability

2.3.3 各土壤属性对pH的影响 各土壤属性对pH影响的平滑回归分析在明确pH主控因素的基础上，进一步采用平滑回归的方法探讨交换性钙、交换性镁、有效硫、有机质和碱解氮对pH的影响 (图3)。结果表明，pH与交换性钙含量符合分段线性模型，随交换性钙增加，pH表现为先快速升高后缓慢升高的趋势，模型拐点为13.1 cmol/kg；pH与交换性镁符合二次曲线模型，随交换性镁增加，pH表现为先快速升高后趋于稳定的趋势；pH与有机质符合线性模型，随有机质增加，pH呈直线升高趋势，但方程斜率较小；pH与有效硫符合线性加平台模型，随有效硫增加，pH表现为先下降后趋于稳定的趋势，模型拐点为48.57 mg/kg；pH与碱解氮符合线性模型，随碱解氮增加，pH呈直线下降趋势。与前文相关分析及逐步回归分析的结果一致。

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

2.3.4 影响pH的其他环境因素 前文的逐步回归分析表明，土壤理化指标可解释土壤pH变异的83.8%，但仍有16.2%的变异未得到解释，这也印证了土壤pH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pH的影响。

1) 地形地貌 湘西烟区的地形地貌主要有山地、丘陵和平原，土壤pH在不同地形地貌间存在显著和极显著差异 (图4)，其中低山最高，其次是山地，均极显著高于丘陵土壤的pH值。

2) 成土母质和成土母岩 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，冲积物主要分布在泸溪县和凤凰县，坡积物在各植烟县均有分布，残积物主要分布在龙山县、永顺县、凤凰县和泸溪县，洪积物主要分布在永顺县，土壤pH在4种成土母质间存在极显著差异 (图5)，最高的是冲积物和洪积物，其次是坡积物，最低的是残积物；从变异程度来看，4种土壤母质均表现为中等程度变异。湘西植烟土壤主要成土母岩为板页岩、石灰岩和紫色砂页岩，龙山和花垣县主要为石灰岩，保靖县和凤凰县主要为板页岩，古丈县主要为板页岩和紫色砂页岩，永顺县主要为板页岩和石灰岩，土壤pH在3种成土母岩间存在极显著差异 (图5)，由高到低依次为板页岩、石灰岩和紫色砂页岩；从变异程度来看，3种成土母岩均表现为中等程度变异。

图4 地形对土壤pH值的影响Fig. 4 Effects of topography on soil pH[注（Note）: 柱上不同大小写字母分别表示在0.01和0.05水平差异显著 Different capital and small letters above the bars indicatesignificantly different at 0. 01 and 0. 05 levels among treatments,respectively. ]

3 讨论

烤烟对土壤pH的适应能力较强，在pH 4～9的土壤上均能正常完成其生长和发育，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[20]。不同的研究得到的烤烟种植的最佳土壤pH虽因地域的不同而略有差异[21]，但普遍认为弱酸性到中性的土壤更利于获得优质烟叶[22]。总体上，15年来湘西植烟土壤pH时空变异较大，酸化和碱化问题同时发生，以酸化问题更为严重，以古丈县植烟土壤pH下降幅度较大，以保靖县植烟土壤pH升高幅度较大。

本文着重研究了全钾、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁、有效硫、海拔、有机质、氯离子、阳离子交换量、土壤砂粒、粉粒和粘粒等因素对土壤pH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[23]；湘西州海拔高度呈现北高南低的趋势，植烟土壤pH与海拔呈显著负相关关系，这与邓小华等[11]及杜薇等[24]的研究结果一致。龙山海拔500 m以下的区域、保靖大部分区域、花垣北部、古丈海拔600 m以下的区域、凤凰和泸溪等地降水量在800 mm以下；龙山中北部、永顺中海拔以下的区域、古丈中高海拔区域、花垣中南部、吉首南部等地降水量为800～1000 mm；只有龙山、永顺两县海拔1000 m以上的区域降水量超过1000 mm；但湘西烟区降雨量与土壤pH关系如何尚未作深入研究。土壤pH与全钾、碱解氮、有效硫和粘粒呈显著或极显著负相关，与全氮、全磷、有机质、交换性钙、交换性镁、CEC、砂粒和土壤粉粒呈显著或极显著正相关。我们特别注意到，逐步回归分析结果表明，土壤交换性钙对湘西土壤pH空间变异的影响最大，能够独立解释其变异的60.6%，其次是交换性镁、有效硫、有机质、粘粒、粉粒和碱解氮，对土壤pH的累计解释能力达83.8%，值得注意的是交换性钙与交换性镁对pH的累计解释能力便达到了75.4%，这与Drohan等[25]的研究结果一致。但和Guo等的研究得到的氮肥过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为突出，这可能与烟草种植中硫酸钾的超量施用带入大量硫酸根离子有关[27]。综上，本研究基本探明了湘西植烟土壤pH的主控因素，阐明了土壤有效硫和碱解氮是湘西植烟土壤的主要致酸因子，土壤交换性钙、交换性镁和有机质是湘西土壤酸化的控制因子。此外，我们注意到一些区域pH时空变异明显，如保靖县西部pH明显升高、古丈县中东部pH明显降低，从以上酸化驱动因子入手进行解析，发现15年来保靖县植烟土壤交换性钙、交换性镁和有机质等土壤酸化的控制因子分别升高了26.16%、94.71%和10.56%，而致酸因子有效硫含量则下降了51.11%；相应地，15年来古丈县植烟土壤交换性钙和交换性镁等土壤酸化的控制因子分别下降了49.91%和16.82%，而致酸因子有效硫含量则上升了93.58%；因此认为，土壤酸化的控制因子和致酸因子含量的变化是导致这两个典型区域土壤pH出现明显变化的重要原因，同时也进一步验证了前文的土壤pH驱动因素的研究结论。

图5 成土母质和成土母岩对土壤pH的影响Fig. 5 Effects of parent materials and parent rocks on soil pH[注（Note）: 柱上不同大小写字母分别表示在0.01和0.05水平差异显著Different capital and small letters above the bars indicate significantly different at the 0. 01 and 0. 05 levels among treatments, respectively.]

综上，湘西植烟土壤和我国其他很多烟区一样[14,24]存在较为严重的酸化问题，目前湘西烟区主要采取施用生石灰的方法改良酸性土壤 (750～1500 kg/hm2)，手段较为单一。而对于碱性植烟土壤目前尚未采取措施进行改良。目前尚未有来自工业企业的由于土壤酸化或碱化导致湘西烟叶质量变差的反馈，但有关酸性土壤导致病害加重已被当地广泛认可，但pH进一步下降后是否对烟叶品质造成不良影响尚不得而知，这一问题应当引起足够关注。一方面应继续关注土壤pH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，应针对植烟土壤不同pH状况采取差异化管理方案，针对pH“极高”的区域，应暂时停止施用石灰，是否需要施用碱性土壤调理剂则应谨慎对待；针对土壤pH“低”和“极低”的区域应杜绝过磷酸钙的施用，替代施用钙镁磷肥作为磷肥来源，并适当投入石灰粉、白云石粉和有机物料进行酸性土壤改良。此外，应同时适当减少氮肥用量，并采用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

由于长期施用不同化学肥料和有机物料，湘西植烟土壤的pH变异程度在加大，适宜等级的土壤面积在减少。影响因素的分析结果显示，交换性钙、交换性镁、有效硫、有机质、粘粒 (＜ 0.002 mm)、粉粒 (0.02～0.002 mm) 和碱解氮是植烟土壤pH的主要影响因素，交换性钙、交换性镁是土壤pH升高的主要驱动因素，而有效硫和碱解氮是土壤pH降低的驱动因素。因此应根据土壤pH区域差异，从增加含钙物料的投入，控制含硫物料以及化肥氮的使用，以维持土壤的可持续利用。