保山植烟土壤pH 与有机质组分及离子含量的关系研究*

胡志明，谢龙杰，段必挺，吴绍梅，张儒和，杨绍帮 ，汪 林，杨懋杰

（1.云南省烟草公司保山市公司，云南 保山 678000；2.湖南中烟工业有限责任公司，湖南 长沙 410014）

土壤酸碱度是影响土壤肥力和土壤生产力的重要因素，对作物生长、品质及微生物结构有较大影响。土壤pH 影响玉米养分吸收、生长发育、产量[1-2]和根际土壤重金属有效性[3]以及土壤细菌群落结构[4]；影响水稻苗期生长发育[5]、有效穗数、籽粒镉含量[6]、土壤镉有效性[7]及微生物群落结构[8]。就烤烟而言，土壤pH 过低，易发生土传病害，且影响磷元素的吸收利用；过高则降低烟叶感官质量评价结果，且影响钾和镁等元素的吸收利用[9]。

土壤是复杂的生态系统，土壤各指标间的关系复杂多样。土壤pH 与土壤有机质、养分和盐基离子等土壤内部因子的关系复杂，不同研究者采用不同的方法阐明了多个土壤因子与土壤pH的关系，但研究结果不尽一致。如采用多元回归和相关性分析研究土壤pH 与有机质含量、土壤养分[10-17]和盐基离子[11,18-20]的关系；采用灰色关联度分析法研究土壤pH 与养分的关系[21-22]；采用空间分析和方差分析方法研究土壤pH 与土壤母质和土壤类型的关系[19-20,23-25]。综合国内外对土壤pH 与土壤因子的研究来看，研究因子较为单一，主要局限于某方面的因子，如土壤有机质和盐基离子等，鲜有将有机质及其组分、盐基离子、阳离子和阴离子等各指标因子进行整体研究。

偏最小二乘回归（partial least-squares regression，PLS）法能提供多对多线性回归建模的方法，在建模过程中集中了主成分分析、典型相关分析和线性回归分析的特点，特别是针对变量多且都存在多重相关性、而观测数据量（样本量）又较少时，其结论更加可靠、整体性更强。同时，该方法具有意义明确、计算简单、建模效果好和解释性强等优点[26-29]。目前已在化学、工程学、经济学、金融及基因工程[26,30-31]等领域广泛应用。本研究以保山植烟土壤为研究对象，引入PLS，旨在探讨土壤pH 与有机质及其组分、交换性酸（总量）、交换性盐基、阳离子和阴离子含量的关系，并综合评价上述各因素对土壤pH 的影响，以期将PLS 应用于土壤pH 影响因素研究，并为土壤酸碱度调节提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

保山市位于云南省西南部，地处N24°08′～25°51′，E98°25′～100°02′，包括隆阳、腾冲、龙陵、昌宁和施甸共5 个县（市、区）。境内地形复杂多样，地势北高南低，自西北向东南延伸倾斜，海拔535～3 781 m，平均海拔1 800 m。保山市为低纬度高原季风气候区，具有冬干夏雨、年温差小和日温差大的特点，年平均气温 14～17 ℃，年降水量700～2 100 mm。全市有红壤、石灰性土、紫色土、黄棕壤和水稻土等土壤类型[14]。

1.2 土壤样品采集

根据历年测土配方结果，2018 年在隆阳、腾冲、龙陵、昌宁和施甸5 个县（市、区）主要植烟区采集酸性（pH≤5.0）和碱性（pH≥8.0）耕层土壤样品各50 个，各点土样充分混匀，以四分法留取2 kg 土壤作为待测样品。

1.3 样品的处理与测定

土壤样品经过风干、研磨和过筛处理，测定土壤pH、有机质及其组分、交换性酸（总量）、交换性盐基、阳离子和阴离子含量等指标。采用重铬酸钾外热源法测定土壤有机质含量；采用氯化钾交换—中和滴定法（LY/T 1240—1999）测定交换性酸（总量）含量；采用乙酸铵交换法（LY/T 1243—1999）测定阳离子交换量（cation exchange capacty，CEC）；采用乙酸铵交换—ICP 法（LY/T 1245—1999）测定交换性Ca2+和交换性Mg2+含量；采用乙酸铵交换—火焰光度法（LY/T 1246—1999）测定交换性Na+和交换性K+含量；采用固相萃取—离子色谱法测定NO3-、SO42-、CO32-和HCO3-含量；采用火焰光度法测定Na+和K+含量；采用原子吸收光度法测定Ca2+和Mg2+含量；采用电位测定法（NY/T 1377—2007，水土质量比2.5∶1）测定土壤pH。

1.4 数据处理

采用SPSS 22.0 进行描述性统计、多重比较（LSD 法）及相关分析（Pearson correlation）；利用偏最小二乘回归法，通过SIMCA-P 11.5 软件建模，提取主成分评价土壤pH 影响因素的重要性，并依据模型建立土壤pH 回归方程。PLS 模型建立为：土壤pH=有机质及组分含量+交换性酸（总量）含量+交换性盐基离子含量+阴离子含量+阳离子含量。根据前人研究[27-31]，PLS 模型有效性判别为：累计Q2Y（累计交叉有效性，即模型拟合效果）和累计R2Y（因变量累计测定系数，即累计解释率）均≥0.5，说明自变量能很好的解释因变量，则所建模型非常好；变量投影重要性指标（variable importance in the projection，VIP）≥1 表示自变量指标非常重要，VIP＜0.5 表示自变量指标不重要，0.5≤VIP＜1 表示自变量指标重要性一般。

2 结果与分析

2.1 保山酸性、碱性植烟土壤有机质及组分和离子含量特征分析

由表1 可知：保山酸性土壤有机质、腐殖酸、腐殖质、富里酸、胡敏素、交换性酸（总量）、交换性H+、交换性Al3+、NO3-和SO42-等含量均极显著高于碱性土壤（P＜0.01），胡敏酸、交换性Ca2+、交换性Mg2+、HCO3-、Ca2+和Mg2+含量则极显著低于碱性土壤（P＜0.01）；两者CEC、交换性Na+、交换性K+、Na+和K+含量则差异不显著。酸性和碱性植烟土壤的有机质及组分、交换性酸（总量）、交换性盐基离子、阳离子和阴离子含量特征明显，但保山植烟土壤样品均未检测出CO32-。

表1 保山典型酸性、碱性植烟土壤有机质及组分和离子含量描述性统计Tab.1 Descriptive statistics of organic matter,components and ions in typical acid and alkaline tobacco-planting soils in Baoshan

2.2 保山植烟土壤pH 与有机质及组分、离子含量的相关性分析

由表2 可知：保山植烟土壤pH 与有机质、腐殖酸、腐殖质、胡敏素、交换性酸（总量）、交换性H+、交换性Al3+、NO3-和SO42-含量呈极显著负相关（P＜0.01），与CEC、交换性Ca2+、交换性Mg2+、HCO3-、Ca2+和Mg2+含量呈极显著正相关（P＜0.01），与胡敏酸含量呈显著正相关（P＜0.05），与富里酸、交换性Na+、交换性K+、Na+和K+含量相关性不显著（P＞0.05）。

表2 保山植烟土壤pH 与有机质及组分、离子含量相关性Tab.2 Correlation between soil pH and organic matter,component and ion content of tobacco-planting soil in Baoshan

2.3 保山植烟土壤pH 影响因素分析

2.3.1 土壤pH 与各指标偏最小二乘模型建立

利用SIMCA-P 11.5 软件建立土壤pH 与各指标的PLS 模型为：pH（Y）=有机质（X1）+腐殖酸（X2）+腐殖质（X3）+富里酸（X4）+胡敏酸（X5）+胡敏素（X6）+CEC（X7）+交换性酸（总量）（X8）+交换性H+（X9）+交换性Al3+（X10）+交换性Na+（X11）+交换性K+（X12）+交换性Ca2+（X13）+交换性Mg2+（X14）+NO3-（X15）+SO42-（X16）+HCO3-（X17）+Na+（X18）+K+（X19）+Ca2+（X20）+Mg2+（X21）。提取主成分2 个（图1），累计Q2Y（0.907）和累计R2Y（0.920）均大于0.5，故建立的模型有效。

图1 土壤pH 影响因素的PLS 模型主成分Fig.1 Principal components of PLS model for soil pH influencing factors

2.3.2 各指标对土壤pH 影响的重要程度

由图2 可知：影响保山植烟土壤pH 的重要指标依次为交换性H+、HCO3-、交换性Ca2+、Ca2+、腐殖酸、交换性酸（总量）、交换性Mg2+、SO42-、交换性Al3+和Mg2+含量，上述指标基本决定了土壤pH；K+、交换性K+、富里酸、交换性Na+和Na+含量以及CEC 为非重要指标，对土壤pH 基本无影响；其余指标为一般重要指标，对土壤pH 影响程度一般。

图2 土壤pH 影响因素的PLS 模型变量重要性Fig.2 VIP of PLS model for soil pH influencing factors

2.3.3 土壤pH 影响因素回归系数

保山植烟土壤pH 影响因素PLS 模型回归系数列于表3。由该表可建立土壤pH 与重要指标和一般重要指标的回归模型：Y=-0.016X1-0.068X2-0.017X3+0.080X5-0.054X6-0.014X8-0.162X9-0.102X10+0.140X13+0.089X14-0.063X15-0.105X16+0.147X17+0.140X20+0.087X21。

表3 土壤pH 影响因素的PLS 模型回归系数Tab.3 Regression coefficient of PLS model for influencing factors of soil pH

3 讨论

土壤pH 与土壤内在成分关系复杂，与土壤有机质、盐基离子和阴离子含量等均有相关性，但已有研究结果不尽相同。有研究表明土壤pH与有机质含量呈极显著正相关[12]，也有研究表明植烟土壤pH 与有机质含量呈显著负相关[15]；土壤有机质含量极显著影响土壤pH[32-33]，是影响pH 值空间分布的主要因子之一[23]。本研究表明：保山植烟土壤pH 与有机质含量呈极显著负相关，与阙劲松等[15]的研究结果一致。偏最小二乘回归分析结果则表明：土壤有机质含量对pH 影响一般，为一般重要因素；而有机质组分中腐殖酸含量是土壤pH 的重要指标，这与广建芳等[22]和李强等[33]的研究结果不尽一致，这可能与不同区域有机质组分、成土母质和土壤质地等不同有关，但具体原因还需要深入研究。

阿斯古丽·木萨等[34]研究表明：土壤pH 与土壤含盐量及盐基离子含量相关性不显著；而也有研究表明：土壤pH 值与交换性钙、交换性镁含量间呈极显著正相关[11,33]；土壤pH 与CaCO3相当物含量之间存在显著的非线性正相关[20]，不同土壤母质镁的形态及其含量差异较大[18]。本研究结果显示：保山碱性土壤Ca2+和Mg2+含量极高，而酸性土壤Ca2+和Mg2+含量相对较低，相关性分析表明当地土壤pH 与土壤交换性Ca2+、Ca2+、交换性Mg2+和Mg2+含量均呈极显著正相关，这与朱永青等[12]和李强等[33]的研究结果相似；偏最小二乘回归分析结果进一步表明交换性Ca2+、Ca2+、交换性Mg2+和Mg2+含量是影响保山植烟土壤pH 的重要指标。在进行土壤酸碱调节时，酸性土壤应以补充Ca2+和Mg2+的措施为主，碱性土壤应以补充腐殖酸及降低Ca2+和Mg2+的措施为主。

土壤阳离子交换量与表层红壤酸化差值呈显著负相关，是影响酸性红壤表层酸化的主要因素之一[19,32]。本研究表明：保山酸性土壤和碱性土壤的阳离子交换量总体差异不大，相关性分析结果表明其与土壤pH 呈极显著正相关，这与李强等[32]的研究结果一致；而偏最小二乘回归分析结果则表明保山植烟土壤pH 与阳离子交换量关系不密切，属非重要因素，该结果可能与样品区域不同有关，也可能是分析方法不同所致。另外，李强等[32]研究表明：曲靖植烟土壤阴离子均显著或极显著影响植烟土壤pH。本研究相关性分析表明：保山植烟土壤HCO3-含量与土壤pH 呈极显著正相关，SO42-和NO3-含量与土壤pH 呈极显著负相关，这与李强等[32]的研究结果相似；而偏最小二乘回归分析结果表明：HCO3-和SO42-含量是影响保山植烟土壤的重要因素，NO3-含量则仅为一般重要因素，可能与偏最小二乘回归方法能比较好地处理各指标之间的相互干扰有关。

本研究还发现：所选酸性和碱性土壤样品均未检测到CO32-，其原因可能是该区域土壤样品中CO32-含量为痕量，导致现有检测方法未能检测到，但具体原因尚需进一步探究。

4 结论

保山酸性和碱性植烟土壤有机质及离子特征明显。酸性土壤中有机质、腐殖酸、腐殖质、富里酸、胡敏素、交换性酸（总量）、交换性H+、交换性Al3+、NO3-和SO42-等含量相对较高；碱性土壤中胡敏酸、交换性Ca2+、交换性Mg2+、HCO3-、Ca2+和Mg2+等含量相对较高。保山植烟土壤酸性的决定因素依次为：交换性H+、腐殖酸、交换性酸（总量）、SO42-和交换性Al3+含量；碱性的决定因素依次为：HCO3-、交换性Ca2+、Ca2+、交换性Mg2+和Mg2+含量。在进行土壤酸碱改良时可重点针对上述指标制定改良策略。