35 年来西南典型雪茄烟区土壤pH时空演变及其驱动因素

胡 越 ，樊红柱，陈 勇，张 潇，雷云康，李富程，冯文强

（1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010；2.四川省农业科学院农业资源与环境研究所，四川 成都 610066；3.四川省烟草公司德阳市公司，四川 德阳 618300；4.中国烟草总公司四川省公司，四川 成都 610041）

【研究意义】土壤pH 与土壤特性有关，如离子水解平衡、微生物群落和有机质含量等，在调节土壤条件和生态系统功能方面发挥着重要作用［1］。土壤pH 也是影响烟叶产量、质量的重要因素，烟叶生长适宜的土壤pH 范围在5.5～6.5［2］。当土壤pH 过高时，养分元素的有效性会降低，土壤pH 过低时，烟碱含量增加、糖碱比例失调［3］，可见，植烟土壤pH 过高或过低均不利于营养元素的形态转化和有效性，进而影响烟株对养分的吸收状况［4］。作为一种特殊的烟草产品，雪茄烟对自然生态条件的要求极高，土壤pH 的变化直接影响土壤结构与养分质量，最终影响烟株的生长发育和烟叶产量、质量，因而掌握土壤pH 状况对实现雪茄烟叶高质量发展与土壤可持续利用具有重要意义。【前人研究进展】近年来，对植烟土壤pH 变化的研究表明，我国不同烟区土壤pH 均表现出下降趋势。福建龙岩烟区1982—2001 年土壤pH 下降0.31［3］，湘西州15年间土壤pH 整体下降0.09［5］，云南玉溪坝地烟田2008—2015 年土壤pH 降低0.40［6］。土壤pH 下降的原因各地不同，周炼川等［7］指出，土壤pH 与海拔呈负相关；谭智勇等［8］研究表明，碱解氮和交换性氢是铜仁市植烟土壤主要致酸因子；李强等［9］研究认为，交换性钙和交换性镁是影响郴州烟区植烟土壤pH空间变异的主要因素。因此，开展区域土壤pH 变化规律及影响因素研究可因地制宜指导区域土壤改良。【本研究切入点】已有研究通过GIS 开展了大量的空间变化分析［10-11］，但多聚焦于短时期内变化［12-14］。有关植烟土壤pH 变化的研究多集中在云南、贵州、湖南、河南等烤烟种植区［5,15］，缺乏雪茄烟区土壤pH 较长时间跨度和时空变化特征及其影响因素的报道。四川什邡市是我国传统雪茄烟原料生产的发源地，也是雪茄烟叶开发的重点产区之一。近年来该区土壤理化性状，尤其是pH 值发生明显改变，土壤pH 变化趋势及驱动因子均不明确，影响优质雪茄烟叶产业发展。【拟解决的关键问题】本研究基于1984、2009 和2019 年3 个时期什邡市土壤pH 数据，分析了35 年来植烟土壤pH 时空演变规律及其驱动因素，为该区优质雪茄烟叶生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

什邡市位于四川成都平原西北边缘（31°01′～31°32′N、103°47′～104°16′E），属亚热带湿润气候，年均气温15.9～16.1℃，年均日照1 247～1 254 h，年均降水量900～1 000 mm［16］。地形地貌以平原为主，兼有丘陵和山地特征，地势呈西北高、东南低的趋势。研究区马井镇、方亭街道、禾丰镇、皂角街道、马祖镇、南泉镇、洛水镇、师古镇土壤以灰棕冲积水稻土为主，洛水镇和湔氏镇包括灰棕冲积水稻土和黄壤两个亚类，而蓥华镇以冷沙黄壤土为主。什邡市耕地面积23 483 hm2，雪茄烟常年种植面积约3 300 hm2［17］，是国家重要雪茄烟生产基地之一，土壤肥力整体较高。

1.2 数据来源

本研究的土壤pH 数据来源于四川省第二次土壤普查（1984 年）、四川省测土配方施肥项目（2009 年）和四川省耕地质量调查（2019 年）。分别获得土壤pH 数据26、391、164 个，采样深度均为0～20 cm，3 个时期土壤采样点分布见图1。土壤属性（全氮、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾等含量）数据均与土壤pH 来源相同。土壤pH 采用电位法测定（土液比为1 ∶2.5），有机质含量采用重铬酸钾容量法测定，全氮含量采用凯氏定氮法测定，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，速效磷含量采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用醋酸铵浸提—火焰光度法测定［18］。地理空间信息主要包括四川省高程（DEM）图、什邡市土地利用现状及行政区划图。气象和施肥数据来自2017—2020 年什邡市统计年鉴。

图1 1984、2009 和2019 年研究区土壤采样点分布Fig.1 Distribution of soil sampling points in the study area in 1984,2009 and 2019

1.3 土壤pH 评价标准

基于前人研究结果［7,19-20］，将什邡市植烟土壤pH 值划分为4 类：酸性（pH<5.5）、弱酸性（5.5～6.5）、中性（6.5～7.5）和碱性（pH>7.5）。土壤pH 变化分为5 个级别：ΔpH ≤-1.0 为明显酸化，ΔpH 在-1.0～-0.3 为酸化，ΔpH 在-0.3～0.3为基本不变（自然波动和测量误差范围），ΔpH在0.3～1.0 为碱化，ΔpH ≥1.0 为明显碱化。

1.4 半方差函数

为量化结构性因素（自然因素）和随机性因素（人为因素）对土壤空间变异的影响，采用半方差函数对其空间变异结构进行描述。块金系数用来衡量变量在空间上的变异程度，

式中，C0为块金值，表示由随机性因素引起的空间变异，C为偏基台值，表示结构性因素引起的空间变异。块金系数<25%，表示变量具有强烈的空间自相关性；块金系数在25%～75%之间，则变量具有中等程度空间相关性；块金系数>75%，表示变量空间自相关性很弱［21］。

1.5 数据处理

基础数据采用Excel 2016 进行处理，通过SPSS 25.0 进行统计学分析。土壤pH 空间分布图在ArcGIS10.8 软件中运用地统计学中的普通克里格插值法进行绘制，得到的1984、2009 和2019年土壤pH 图按类别进行重分类，将土壤pH 分类后的栅格图转换为面数据后，得到3 个时期不同类别土壤的pH 面积及占比。土壤pH 变化幅度的空间分布图通过对3 个时期土壤pH 空间分布图两两作差得到。使用R 语言（4.0.2）中的“Random Forest”包进行影响因素的相对重要性分析，其原理是利用Bootstrap 重抽样从原始样本中有放回地随机抽取多组样本，每组样本分别构建决策树进行训练，得到数量最多的结果则作为最终输出结果［22］。

2 结果与分析

2.1 植烟土壤pH 时序变化特征

由表1 可知，1984、2009 和2019 年什邡市植烟土壤pH 平均值分别为6.40、6.24 和5.97，35 年间土壤pH 显著下降0.43 个单位，1984—2009 年年均下降0.01 个单位，2009—2019 年年均下降0.02 个单位。从什邡市各镇烟田土壤pH统计情况（表1）来看，1984 年烟田土壤pH 分布在5.85～8.20，2009 年土壤pH 在6.04～6.62，2019 年土壤pH 处于5.60～7.17，1984—2019 年土壤pH 呈现最小值、最大值均降低的趋势。与1984 年相比，2019 年除湔氐镇、蓥华镇外，其他镇土壤pH 均存在不同程度的降低，其中禾丰镇降幅最大、达30.62%，师古镇降幅最小、仅为0.30%，35 年来植烟土壤pH 酸化趋势明显。

2.2 植烟土壤pH 空间分布特征

利用ArcGIS 地统计分析模块对土壤pH 进行半方差函数模型拟合，并进行预测误差比较：标准平均值（MSE）越接近于0，标准均方根预测误差（RMSSE）越接近于1，模型拟合效果最好［23］。拟合结果表明，1984、2019 年土壤pH的最佳拟合模型为指数模型，2009 年高斯模型拟合效果更好（表2）。从表2 可以看出，1984 年土壤pH 的空间变异程度较低，主要为结构性因素引起的空间变异；2009、2019 年块金系数分别为66.78%、50.34%，具有中等变异程度的空间相关性，土壤pH的空间分布受随机因素的影响增强。

表2 土壤pH 半方差函数模型及其参数Table 2 Semi-variogram model and its parameters of soil pH

从图2 可以看出，1984 年植烟土壤pH 最大值出现在洛水镇、禾丰镇和马井镇（pH>7.5），土壤pH 呈现以3 个区域为中心向四周逐渐降低的态势。2009 年植烟土壤pH>7.5 的区域消失，pH 总体上呈现中部高、南北低的分布特征。2019年植烟土壤pH 整体呈现南低北高，南部平坝区以弱酸性-酸性土壤为主，酸性土壤主要呈斑块状镶嵌于弱酸性土壤中，以禾丰镇与马祖镇交界处最为集中，其余以块状结构镶嵌于马井镇西部、南泉镇西南部和师古镇等局部地区。与1984 年植烟土壤pH 空间分布特征不同，2019 年植烟土壤出现酸性区域，特别是马井镇、马祖镇与禾丰镇植烟土壤酸化面积增加明显。

图2 1984、2009 和2019 年什邡市植烟土壤pH 空间分布Fig.2 Spatial distribution of pH in tobacco growing soils in Shifang City in 1984,2009 and 2019

从图3 可以看出，不同时期植烟土壤pH 差异显著。1984 年研究区弱酸性、中性和碱性土壤面积占植烟土壤总面积的比例分别为81.33%、16.08%和2.59%；2009 年仅有弱酸性和中性土壤，分别占93.13%和6.87%；2019 年弱酸性和中性土壤分别占83.01%和12.24%，而酸性土壤占4.75%。与1984 年相比，2019 年什邡烟区碱性和中性土壤占比均下降，弱酸性土壤占比增加，新增了酸性土壤，植烟土壤pH呈现酸性增强的趋势。

图3 1984、2009 和2019 年什邡市不同类别植烟土壤pH 面积占比Fig.3 Area proportions of pH in different types of tobacco growing soils in Shifang City in 1984,2009 and 2019

2.3 植烟土壤pH 时空变化特征

从图4 可以看出，1984—2019 年什邡市南部绝大部分地区土壤pH 呈降低趋势，其中禾丰镇东部和马井镇西部土壤pH 降低幅度相对较大，降幅达到1.0～2.0 个单位，马祖镇pH 值降幅为0.3～1.0 个单位。北部的蓥华镇和中部的湔氐镇土壤pH 整体出现较大幅度的升高趋势，为0.3～1.0个单位。从变化面积来看，明显酸化区（ΔpH ≤-1.0）占8.54%，酸化区（ΔpH 为-1.0～-0.3）和不变区（ΔpH 为-0.3～0.3）分别为44.98%和34.86%。1984—2019 年约53.51%的植烟土壤出现酸化趋势（ΔpH<-0.3），大部分地区的降幅为0.3～1.0，约11.63%的植烟土壤表现出碱化趋势（ΔpH ＞0.3）。1984—2009 年，20.90%的植烟土壤呈酸化趋势，禾丰镇、洛水镇和马井镇部分地区酸化明显（ΔpH ≤-1.0）。2009—2019 年土壤pH 变化趋势与1984—2009 年相比差异显著，局部地区土壤pH 出现酸碱度逆转的现象，其中师古镇和禾丰镇部分地区出现碱化，马祖镇和马井镇酸化面积不断扩大，南泉镇则由1984—2009 年的碱化转变为酸化趋势。

图4 1984—2019、1984—2009 和2009—2019 年什邡市植烟土壤pH 变化幅度Fig.4 Range of variation of pH in tobacco growing soils in Shifang City during 1984-2019,1984-2009 and 2009-2019

2.4 植烟土壤pH 变化的影响因素分析

本文借鉴以往学者对土壤pH 影响因素的研究［9,24-25］，结合研究区实际情况，利用随机森林模型分析了气象因素（年均降雨量、年均气温）、土壤属性（有机质、全氮、有效磷、碱解氮、速效钾）、施肥水平（磷肥、氮肥和钾肥）对土壤pH 变化的相对重要性，将模型结果中各变量相对重要性结果值标准化至100%（图5）。结果显示，土壤属性对土壤pH 变化的相对重要性最大、为56.81%，气象因素对土壤pH 变化的相对重要性为41.07%，而施肥水平对土壤pH 变化的相对重要性较低、为2.12%。从各因子的相对重要性来看，年均降雨量对土壤pH 空间变异的相对重要性最高、为25.08%，其次是有机质含量、为24.32%。

图5 不同因素对土壤pH 变化影响的相对重要性比较Fig.5 Comparison of relative importance of different factors affecting soil pH change

3 讨论

土壤pH 值是土壤酸性强度的重要指标，与土壤养分的有效性密切相关，国内外学者普遍认为，弱酸性至中性土壤具有较强的潜力发展优质烟叶［26］。2019 年什邡市植烟土壤pH 均值为5.97，呈弱酸性，说明当前土壤适宜优质烟叶生产；从面积统计结果来看，研究区约有95.25%的植烟土壤呈弱酸性至中性，满足优质雪茄烟叶生长条件。半方差函数和空间插值结果表明，什邡烟区土壤pH 的空间特征受自然因素和人为因素的综合影响，总体上呈南低北高的分布格局，与四川盆地紫色土土壤pH 值总体由北到南逐渐降低的趋势相吻合［27］。

本研究中，35 年间植烟土壤pH 值下降0.43，降幅较大，pH ＞7.5 的植烟区域面积占比下降2.59个百分点，pH ＜5.5 的区域面积占比增至4.75%，表现出酸化趋势，这与Zhang 等［28］研究结果一致。据报道，20 世纪90 年代以来，随着高强度人类活动的不断干预，土壤酸化速度加快［29］。烟田也存在类似现象，但因区域土壤类型、气候条件等存在差异，各地烟田土壤pH下降速率有所不同。湘西龙山县15 年间（2000—2015 年）土壤pH下降了0.29［30］，茶陵县烟稻复种区2009—2014年降低0.28［31］。此外，本研究还发现，什邡市53.51%的植烟土壤pH 呈酸化趋势，而11.63%呈碱化趋势；在空间上，南部主要发生酸化，北部主要发生碱化。土壤pH 值降幅在0.3～1.0 个单位的土壤面积占比最大（44.98%），降幅超过1.0个单位的土壤面积占8.54%，可见，研究区土壤酸化问题不容忽视。

本研究结果显示，年均降雨量对土壤pH 变化的相对重要性为25.08%，是研究区土壤酸化最主要的影响因素。高降雨量会增强淋溶作用，导致土壤盐基离子总量和盐基饱和度下降，土壤缓冲能力降低，从而造成土壤pH 值降低［32-33］。有机质含量对土壤pH 变化的相对重要性仅次于年均降雨量、为24.32%，韩天富等［25］利用我国30年长期定位试验也发现有机质是导致水稻土酸化的主要因素。我国烟-稻轮作种植制度下，增施有机肥（特别是饼肥、农家肥、商品有机肥）或稻草还田是补充烟田土壤有机质的重要措施［34］。韩金等［35］研究显示，秸秆还田可以降低土壤pH值，且土壤pH 值的降低幅度随秸秆还田量的增加而增大。增施有机肥或秸秆还田引起土壤酸化可能的原因，一方面是土壤有机质在微生物作用下分解过程中产生的CO2溶于水后形成碳酸盐会促使土壤酸化［25］，另一方面是秸秆还田后腐解过程中产生有机酸类物质，导致土壤pH 降低［35］。与之不同的是，肖庆礼等［36］发现，牛粪有机肥可提高西南山区土壤pH 值，缓解植烟黄壤酸化；丁玉梅等［37］指出，有机肥施用量为600～1 200 kg/hm2时有利于提高植烟土壤pH 值，其原因可能与各研究区域的土壤本底酸碱度、质地、有机肥种类和施用量等密切相关。因此，针对什邡烟区土壤酸化现状，实际生产中应结合自然条件和区域土壤特征，对于明显酸化区（如禾丰镇、马井镇），采取施用石灰等土壤改良剂或其他碱性肥料，创制新型专用肥以及配合适量的有机肥等酸化改良措施调控土壤pH 以满足优质烟叶生产的需要［38-40］。

4 结论

1984、2009、2019 年什邡市植烟土壤pH 均以弱酸性和中性为主，整体适宜优质烟叶生产。2019 年什邡市植烟土壤pH 均值为5.97，比1984年显著降低0.43。1984 年2.59%的区域土壤呈碱性，土壤pH 在洛水镇、禾丰镇和马井镇3 个区域较高；2009 年研究区已不存在碱性土壤，土壤pH 呈现中部高、南北低的分布特征；2019 年出现4.75%的酸性土壤，主要分布在什邡市南部，包括禾丰镇、马祖镇、马井镇、南泉镇和师古镇，土壤pH 在空间上呈南低北高的分布特征。35 年来什邡市植烟土壤总体表现为酸化特征，pH 变化幅度在-1.0～-0.3 的区域占44.98%，8.54%的区域呈明显酸化（ΔpH ≤-1.0）趋势。年均降雨量和土壤有机质是影响烟区土壤pH 变化的主要因素，生产中应针对区域土壤pH 状况，采取创制新型专用肥、施用土壤改良剂等调控措施。