保山市煙區(qū)植煙土壤pH時空變異特征分析

周杰文　張發(fā)明　李海平

摘要：采用傳統(tǒng)統(tǒng)計學方法以及地統(tǒng)計學方法結(jié)合GIS技術(shù)研究了云南省保山市煙區(qū)植煙土壤耕層（0～20 cm）pH的時空變異特征。結(jié)果表明，2011年保山市煙區(qū)植煙土壤pH分布在5.5～6.5的樣本占38.3%，2016年下降至32.0%；土壤pH屬中等變異強度；2011年和2016年煙區(qū)土壤pH塊金值/基臺值分別為40.9%和25.3%，變程分別為41.5 km與47.2 km，具有中等強度的空間相關(guān)性；Kriging最優(yōu)內(nèi)插法結(jié)果表明，保山市煙區(qū)植煙土壤pH呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，下降趨勢由西北方向與東南方向逐漸向中部地區(qū)減小，中部地區(qū)所受影響不大。

關(guān)鍵詞：植煙土壤pH；時空變異特征；地統(tǒng)計學；GIS

中圖分類號：S151.9 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）09-0037-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.09.009

Temporal and Spatial Variability Analysis of Soil pH

in Baoshan Tobacco-Growing Area

ZHOU Jie-wen1，ZHANG Fa-ming2，LI Hai-ping2，ZHOU Ji-heng1，XIAO Zhi-xing2，

DUAN Zhi-chao3，ZHANG Yi1，LI Qiang1

（1.College of Bioscience and Biotechnology，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China；2.Baoshan Branch of Yunnan Provincial Tobacco Company，Baoshan 678000，Yunnan，China；3.China Tobacco Hunan Industrial Co.，Ltd.，Changsha 410014，China）

Abstract： The temporal and spatial variability of the soil pH value in Baoshan tobacco-growing areas of Yunnan province was studied by using the traditional statistical methods and the geostatistics method combined with GIS technology. The results showed that the pH value distribution in the sample of 5.5 to 6.5 of the tobacco planted in the tobacco-growing area in 2011 was 38.3% and decreased to 32.0% in 2016. The pH variation belonged to medium variation. The nugget/sill values of soil pH were 40.9% and 25.3%，and the range was 41.5 km and 47.2 km respectively in 2011 and 2016. The spatial correlation was moderate. The Kriging optimal interpolation method showed that the soil pH decreased with the increase of the year，and gradually moved closer to the central area from the northwest and the southeast，the central area was not affected much.

Key words： planted tobacco soil pH； temporal and spatial variability； geostatistics； GIS

煙草是中國老少邊窮地區(qū)重要的經(jīng)濟作物之一，它的產(chǎn)量、質(zhì)量很大程度受到土壤理化性質(zhì)的影響，而植煙土壤pH則是重要的因素之一。土壤養(yǎng)分的生物有效性及形態(tài)轉(zhuǎn)換與土壤pH密切相關(guān)。研究表明，植煙土壤pH在協(xié)調(diào)土壤與烤煙養(yǎng)分供需之間的關(guān)系有著不可或缺的作用[1]。植煙土壤最適pH范圍為5.5～6.5，過高的pH將會導致烤煙根系活力降低，烤后煙葉中總氮、還原糖以及蛋白質(zhì)含量偏高，煙葉煙堿和鉀含量偏低，煙葉品質(zhì)下降；植煙土壤pH過低往往會導致煙葉煙堿含量偏高，糖堿比偏低，煙葉化學成分也不協(xié)調(diào)[2，3]。目前，中國許多煙區(qū)就煙區(qū)內(nèi)植煙土壤酸化及改良開展了一系列研究，已有不少相關(guān)報道[4，5]。近年來利用地統(tǒng)計學進行區(qū)域內(nèi)相關(guān)研究日益增長，使用經(jīng)典地統(tǒng)計學對烤煙栽培相關(guān)方面的研究也日益增多[6，7]。本研究地統(tǒng)計學（Geostatistics）于20世紀50年代首先應用在南非采礦業(yè)的礦藏勘察計算中，60年代法國著名統(tǒng)計學家Matheron G在做了大量理論工作的基礎上提出了區(qū)域化變量理論（The theory of regionalized variable），形成了地統(tǒng)計學的基本框架[8]。地統(tǒng)計學主要是利用隨機函數(shù)對不確定的現(xiàn)象進行探索分析，并結(jié)合采樣點提供的信息對未知點進行估計和模擬[9]。隨著3S技術(shù)愈發(fā)成熟，運用地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS）結(jié)合地統(tǒng)計學來研究區(qū)域因素空間變異特征的相關(guān)研究逐漸增多，已經(jīng)成為科研熱點方向之一。

近年來云南省保山市煙區(qū)酸化土壤日趨增多，對于其具體成因尚未有定論。本研究利用地統(tǒng)計學和GIS研究保山市煙區(qū)植煙土壤pH時空變異特征，并結(jié)合相關(guān)研究[10-13]，初步分析植煙土壤酸化成因，為保山市煙區(qū)酸化土壤改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

保山市處于橫斷山脈滇西縱谷南端，位于東經(jīng)98°25′-100°02′，北緯24°08′-25°51′，壩區(qū)占8.21%，山區(qū)占91.79%。整個地勢自西北向東南延伸傾斜，最低海拔535 m，最高海拔3 780.9 m，平均海拔1 800 m左右。保山市屬低緯山地亞熱帶季風氣候，由于地處低緯高原，地形地貌復雜，形成“一山分四季，十里不同天”的立體氣候。年溫差小，日溫差大，年均氣溫為14～17 ℃；降水充沛、干濕分明、分布不均，年降水量700～2 100 mm。

1.2 樣品采集與測定方法

根據(jù)研究區(qū)域煙草種植情況以及植煙地塊肥力水平選取適宜位置，采樣方法參照標準NY/T 1121.1-2006，采用S型布點采樣，取耕層0～20 cm土樣，采樣點采用GPS定位，每個采樣點代表的面積為20 hm2，分布情況見圖1。2011年采集土壤樣品614個，2016年采集土壤樣品654個。所有樣品數(shù)據(jù)來源于云南省煙草公司保山市公司對煙區(qū)內(nèi)代表性植煙區(qū)域土壤進行的采集與檢測。土壤pH采用pH計測定（水土比為1.0∶2.5）。

1.3 地統(tǒng)計學原理

地統(tǒng)計學是一種以半方差函數(shù)為基本工具的數(shù)學方法[14]，主要用途是研究對象空間自相關(guān)結(jié)構(gòu)（或空間變異結(jié)構(gòu)）的探測以及變量值的估計和模擬[9]，其核心是根據(jù)樣本點來確定研究對象（某一變量）隨空間位置而變化的規(guī)律，以此去推算未知點的屬性值。常用半方差函數(shù)模型有環(huán)狀模型（Circular）、球狀模型（Spherical）、高斯模型（Gaussian）和指數(shù)模型（Exponential）等。結(jié)合某一區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)以及半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點來對區(qū)域中未測點進行線性無偏最優(yōu)估計的方法稱為Kriging插值法[15]。公式[16，17]如下：

γ（h）=■■[Z（xi）-Z（xi+h）]2 （1）

Z（x）=■？姿iZ（xi），i=1，2，…，N （2）

式中，γ（h）為半方差函數(shù)；h為步長；N（h）為觀測樣點對數(shù)；Z（xi）和Z（xi+h）分別為區(qū)域化變量 Z（x）在空間位置xi和xi+h的實測值。Z（x）為點x處的估計值；Z（xi）為參與估計的第i個有效觀測值； N為參與估計的有效觀測值個數(shù)；λi為賦予觀測值Z（xi）的權(quán)重（其和為1），表示各觀測值對估計值 Z（x）的貢獻，在保證估值無偏性（即估值偏差的平均值為0）和最優(yōu)性（即估值方差最?。l件下，可由變量半方差函數(shù)計算。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 19.0、Microsoft Excel 2010等軟件進行統(tǒng)計分析；數(shù)字化地形圖和Kriging插值圖采用ArcGIS 10.2軟件繪制；半方差函數(shù)計算和模型擬合以及圖像制作采用GS+3.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 保山市煙區(qū)植煙土壤pH年度分布狀況

由表1可知，2011年保山市煙區(qū)各縣區(qū)植煙土壤pH分布各有差異。騰沖、昌寧、龍陵3縣植煙土壤pH總體呈酸性，騰沖縣植煙土壤pH小于5.5的樣本占30.7%，處于5.5～6.5的占57.4%；昌寧縣pH小于5.5的樣本占17.9%，處于5.5～6.5的占45.3%；龍陵縣pH處于5.5～6.5的樣本占總數(shù)的67.3%。3個縣植煙土壤pH處于5.5～6.5的樣本所占比例較高，比較適合優(yōu)質(zhì)煙葉的生產(chǎn)。隆陽區(qū)與施甸縣植煙土壤pH總體偏堿性，其中隆陽區(qū)pH大于7.0的樣本占該區(qū)總樣本數(shù)的61.4%，施甸縣占54.0%。

由表2可知，龍陵縣、隆陽區(qū)以及施甸縣3個地區(qū)植煙土壤pH相比2011年變化不大。2016年騰沖縣、昌寧縣兩地區(qū)植煙土壤pH小于5.5的樣本數(shù)有所增加，分別為68.1%和49.4%。

2.2 保山市煙區(qū)植煙土壤pH變異性

保山市煙區(qū)2011年與2016年植煙土壤pH描述性統(tǒng)計結(jié)果見表3，經(jīng)偏度和峰度檢驗，兩個年度的土壤酸堿度數(shù)據(jù)基本符合對數(shù)正態(tài)分布要求，可以進行空間變異性分析。兩個時期土壤pH變異系數(shù)介于10%～100%，屬于中等變異強度[18]。pH的描述性統(tǒng)計分析只能說明整個區(qū)域整體的變化情況，不能反映出局部的變化特征，即不能反映植煙土壤pH的結(jié)構(gòu)性和隨機性、相關(guān)性和獨立性，因此需進一步進行地統(tǒng)計學分析，以便闡述其時空變異特征。

2.3 保山市煙區(qū)植煙土壤pH空間分布特征

為研究保山市煙區(qū)植煙土壤pH的時空變異特征，對2011年和2016年兩個時間段數(shù)據(jù)進行了半方差函數(shù)模型擬合，結(jié)果見圖2與表4，擬合度分別為0.980與0.971，說明擬合的理論模型較好地反映了植煙土壤pH的空間結(jié)構(gòu)特征[19]。

按照區(qū)域化變量空間相關(guān)性程度的分級標準，Cambardella等[20]運用塊金值/基臺值（C0與C0+C比值）的大小來判定系統(tǒng)內(nèi)變量的空間相關(guān)性程度，如果比值小于25%，表明變量有強烈的空間相關(guān)性；如果比值在25%～75%，表明變量具有中等的空間相關(guān)性；如果比值大于75%，表明變量的空間相關(guān)性較弱。隨機性因素如施肥、耕作措施、種植制度等各種分散的人為活動使得土壤性質(zhì)的空間相關(guān)性減弱，而結(jié)構(gòu)因素如氣候、母質(zhì)、地形等則是土壤性質(zhì)具有空間相關(guān)性的根本原因[21]。表4中2011年和2016年土壤pH塊金值/基臺值分別為40.9%和25.3%，具有中等強度的空間相關(guān)性。

變程是指半方差函數(shù)達到基臺值所對應的距離，也稱為空間最大相關(guān)距離，在此距離內(nèi)的內(nèi)插是有意義的[22]。由表4可知，2011年與2016年變程分別為41.5 km和47.2 km，均大于取樣距離，而且擬合的地統(tǒng)計模型經(jīng)F檢驗達到了顯著水平，說明插值是具有實際意義的，因此對保山煙區(qū)植煙土壤pH進行了Kriging插值，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，保山市煙區(qū)植煙土壤pH分布大致為西部地區(qū)以及東南地區(qū)較低，偏向于酸化，中部地區(qū)pH偏向于堿化。2011年處于西北部的騰沖縣植煙土壤pH 5.5～6.0的面積約占整個騰沖縣總面積的70%，pH 5.0～5.5的面積約占15%，整體呈弱酸性，比較適合煙草生長與發(fā)育；2016年騰沖縣植煙土壤pH有所下降，全縣大部分地區(qū)土壤pH處于5.0～5.5，甚至有小部分地區(qū)pH下降到了5.0以下。從全煙區(qū)整體結(jié)果來看，近年來，保山市煙區(qū)內(nèi)植煙土壤pH處于下降的趨勢，這將會對優(yōu)質(zhì)煙葉的可持續(xù)生產(chǎn)帶來部分負面影響。

3 結(jié)論

植煙土壤最適宜的pH范圍為5.5～6.5，本研究表明，2011年保山市煙區(qū)植煙土壤pH分布在5.5～6.5適宜植煙的樣本占38.3%，2016年下降至32.0%；pH小于5.5的樣本由2011年的15.1%上升至29.5%，煙區(qū)土壤有酸化趨勢。2011年騰沖縣大部分地區(qū)處于5.5～6.0，小部分地區(qū)土壤pH分布在5.0～5.5；龍陵縣轄區(qū)植煙土壤pH基本大于5.5；昌寧縣只有很小部分地區(qū)土壤pH處于5.0～5.5，其余地區(qū)土壤pH均分布在5.5～7.0；施甸縣以及隆陽區(qū)大部分地區(qū)植煙土壤pH大于7.0。單從土壤pH來分析，保山市煙區(qū)2016年適宜種植煙草的地域面積縮減到30%左右。2016年保山市煙區(qū)騰沖縣地區(qū)土壤酸化趨勢明顯，土壤pH分布在5.0～5.5的地區(qū)pH下降到了5.0以下，分布在5.5～6.0的地區(qū)土壤pH則下降到了5.0～5.5，并有向中部地區(qū)繼續(xù)發(fā)展的趨勢；龍陵縣由于樣本采集較少，表現(xiàn)的空間與時間分布特征不明顯；昌寧縣轄區(qū)內(nèi)開始出現(xiàn)土壤pH小于5.0的地區(qū)，而pH在5.0～5.5的地區(qū)也開始迅速增加，并也有向煙區(qū)中部地區(qū)發(fā)展的趨勢；施甸縣與隆陽區(qū)兩地區(qū)時空變異特征不明顯，土壤pH變化不大。2011-2016年整個煙區(qū)土壤pH在騰沖縣與昌寧縣的時空變異特征最明顯，隆陽區(qū)與施甸縣特征表現(xiàn)不明顯，龍陵縣則由于樣本數(shù)量較少無法進行準確的分析。

研究證實，地統(tǒng)計學結(jié)合GIS能夠很好地描述保山市煙區(qū)植煙土壤近年來的酸化趨勢。2011年和2016年的植煙土壤pH基本符合對數(shù)正態(tài)分布，變異函數(shù)最佳理論模型均為高斯模型。2011年和2016年植煙土壤pH塊金值/基臺值分別為40.9%和25.3%，變程分別為41.5 km與47.2 km，具有中等強度的空間相關(guān)性，說明保山市煙區(qū)植煙土壤pH不僅受到當?shù)貧夂?、土壤母質(zhì)的影響，而且還受到人為因素如施肥、耕作措施等的影響[20]。Kriging插值的結(jié)果表明，保山市煙區(qū)植煙土壤pH呈逐年下降的趨勢，下降趨勢由西北方向與東南方向逐漸向中部地區(qū)減小，中部地區(qū)所受影響不大。東南方向的昌寧縣植煙土壤pH發(fā)展趨勢與騰沖縣有所類似，轄區(qū)內(nèi)土壤均有酸化現(xiàn)象，造成這種趨勢的原因可能是諸如肥料施用種類、用量以及耕作管理等不當[23]。中部地區(qū)的隆陽區(qū)與施甸縣因土壤整體pH偏高，個別地塊pH雖略有下降，但不足以影響兩個地區(qū)土壤pH的整體空間變異，這可能與兩個地區(qū)土壤母質(zhì)以及水熱條件有關(guān)。西南地區(qū)龍陵縣植煙土壤pH的Kriging插值圖時間與空間分布均表現(xiàn)不明顯，可能由于該地區(qū)采樣點過少，無法直觀表現(xiàn)出明顯的時空變異特征。導致這種時空變異分布不均勻的主要因素可能與煙區(qū)內(nèi)一些地區(qū)長期大量施用酸性肥料（如硫酸鉀）、未合理采取施用有機（碳）肥以及輪作方式等土壤保育措施有關(guān)[24]；同時，還可能與煙區(qū)內(nèi)部分地區(qū)土壤母質(zhì)以及自然生態(tài)氣候條件（水熱條件）等因素有關(guān)。為減緩煙區(qū)內(nèi)植煙土壤酸化，應當采取適當施用酸化土壤調(diào)理劑、優(yōu)化配套栽培管理措施進行酸化土壤的調(diào)節(jié)與改良。

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