龍山縣植煙土壤pH時(shí)空變異與影響因子研究

唐 韻，向德明，周清明，田明慧，李 強(qiáng)，姚 旺，戴 曦，黎 娟*

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)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(duì)土壤肥力與烤煙生長(zhǎng)有著重要影響，主要通過(guò)影響土壤養(yǎng)分有效性、土壤膠體的帶電性、土壤物理性質(zhì)來(lái)影響土壤肥力［1］；通過(guò)影響烤煙根部對(duì)養(yǎng)分的吸收來(lái)影響烤煙的生長(zhǎng)發(fā)育，過(guò)酸或過(guò)堿都對(duì)烤煙根部吸收能力有損害，進(jìn)而使植物生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)能衰退［2］，同時(shí)酸化的土壤易導(dǎo)致烤煙病害加重［3］，從而影響煙葉品質(zhì)與產(chǎn)量。研究表明，不同的成土母質(zhì)、海拔高度、種植結(jié)構(gòu)［4-5］等與肥料的施用都對(duì)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(lái)，湖南湘西，以及貴州銅仁、遵義、湖北恩施、宜昌等周邊地區(qū)，土壤酸化日趨嚴(yán) 重［7］，阻礙了其特色優(yōu)質(zhì)煙葉的開發(fā)，對(duì)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(chǎn)煙大縣，其煙葉品質(zhì)飽受工業(yè)企業(yè)的青睞，目前對(duì)其土壤pH影響因子的研究還未見(jiàn)報(bào)道。鑒于此，本研究在龍山縣植煙土壤pH時(shí)空變異的基礎(chǔ)上，采用相關(guān)分析確定各土壤指標(biāo)間的相關(guān)性大小，再用逐步回歸法剔除存在多重共線性指標(biāo)，篩選出影響pH的土壤指標(biāo)，最后用等樣本平滑回歸建立各指標(biāo)與pH的模型關(guān)系，分析土壤pH與其影響因素間的關(guān)系，以期為以龍山縣植煙土壤pH調(diào)控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

龍山縣位于湘西北邊陲，地處武陵山脈腹地，在東經(jīng)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(shì)北高南低，東陡西緩。地域?qū)賮啛釒Т箨懶詽駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，平均氣溫15.8℃。在復(fù)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(nèi)同緯度地區(qū)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(shí)空分配不均，氣候類型多樣，立體特征明顯，氣象災(zāi)害多等特征。龍山縣烤煙種植歷史悠久，是湖南湘西煙區(qū)烤煙種植大縣，也是優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)供應(yīng)基地。

1.2 樣品采集與處理

采用GPS定位技術(shù)在龍山縣選取定位田塊并記錄經(jīng)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(gè)，采集時(shí)間均在烤煙移栽前一個(gè)月完成，并避開雨季，采用取土器鉆取耕層土壤（0～20 cm），每個(gè)田塊取8～12個(gè)點(diǎn)混合成一個(gè)2 kg左右的土樣，并用四分法保留500 g土樣。采集土樣時(shí)立即編號(hào)以避免混合，土樣經(jīng)過(guò)風(fēng)干、混勻、磨細(xì)、過(guò)篩等預(yù)處理后保存?zhèn)錅y(cè)。

1.3 土壤的測(cè)定方法

采用原子吸收分光光度法測(cè)定土壤交換性鈣和交換性鎂，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀滴定法，采用pH計(jì)法（水土比為2.5∶1）測(cè)定pH，堿解氮、有效磷、速效鉀分別采用堿解擴(kuò)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(cè)定，全氮、全磷、全鉀、有效硫、CEC測(cè)定參照文獻(xiàn)［8-9］。

1.4 統(tǒng)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)差之外的數(shù)值定為異常值并剔除［13］，描述性統(tǒng)計(jì)、相關(guān)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(xiàn)［15］進(jìn)行，將數(shù)據(jù)按自變量進(jìn)行從低到高排序，按照數(shù)值大小進(jìn)行等樣本分組，本試驗(yàn)為20組，然后計(jì)算各變量的平均值和對(duì)應(yīng)pH的平均值得到數(shù)據(jù)組，利用新的數(shù)據(jù)組采用等樣本平滑回歸分析法分析各變量與pH的關(guān)系。運(yùn)用ArcGIS 10.4的地統(tǒng)計(jì)學(xué)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(jié)果與分析

2.1 2000～2015年土壤pH描述統(tǒng)計(jì)與時(shí)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(lái)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(lái)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(tǒng)計(jì)

利用半方差函數(shù)模型對(duì)區(qū)域植煙土壤pH值進(jìn)行擬合，確定指數(shù)模型為2000和2015年區(qū)域pH值的最優(yōu)半方差函數(shù)模型，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2，其中標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差均接近1，標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(nèi)，15年后呈酸化趨勢(shì)，內(nèi)溪、青天坪、鳳溪寨、洛塔、干溪等部分地區(qū)15年來(lái)pH由適宜（5.5～7.0）變?yōu)槠停?.0～5.5），茅坪、洛塔、青天坪部分地區(qū)pH變?yōu)闃O低（<5.0），中部和南部其他地區(qū)雖處于適宜范圍內(nèi)，但pH普遍下降1個(gè)單位左右；北部地區(qū)酸化與堿化現(xiàn)象并存，石牌、烏鴉、水田部分地區(qū)15年pH由適宜變?yōu)槠停?.0～5.5）或極低（<5.0），烏鴉部分地區(qū)土壤由弱堿性變?yōu)閺?qiáng)酸性，變幅最高，石羔鎮(zhèn)大部分地區(qū)pH由適宜（5.5～7.0）變?yōu)闃O高（≥7.5），猛必和水田部分區(qū)域pH由偏低（5.0～5.5）變?yōu)檫m宜（5.5～7.0）。可以看出龍山縣植煙土壤有兩級(jí)分化趨勢(shì)，大部分呈酸化趨勢(shì)，小部分地區(qū)呈堿化 趨勢(shì)。

表2 土壤pH半方差函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)比較

圖1 龍山縣2000與2015年pH時(shí)空分布圖

2.2 土壤各指標(biāo)與pH的相關(guān)分析

把土壤各指標(biāo)與pH做Pearson相關(guān)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(fù)相關(guān)，與交換性鈣、交換性鎂、細(xì)沙粒（0.2～0.02 mm）、CEC、速效鉀呈極顯著正相關(guān)或顯著正相關(guān)。

表3 土壤pH與各指標(biāo)的相關(guān)分析

2.3 土壤pH與各指標(biāo)的逐步回歸

因?yàn)橄嚓P(guān)分析只能確定各指標(biāo)對(duì)pH的相關(guān)性，并不能體現(xiàn)影響效應(yīng)的大小與影響關(guān)系，因此選取具有顯著相關(guān)或極顯著相關(guān)的指標(biāo)（堿解氮、有效硫、交換性鈣、交換性鎂、海拔、細(xì)沙粒、粘粒、CEC、速效鉀）為自變量，pH為因變量，進(jìn)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(jīng)逐步回歸篩選出的指標(biāo)為交換性鈣、交換性鎂、有效硫、粘粒、堿解氮、海拔，剔除的指標(biāo)為CEC、速效鉀、細(xì)沙粒，因?yàn)槭怯门cpH呈顯著或極顯著相關(guān)的指標(biāo)做逐步回歸，所以說(shuō)明CEC、速效鉀、細(xì)沙粒為多重共線性指標(biāo)。表中決定系數(shù)增量為在其他解釋變量的基礎(chǔ)上增加該變量時(shí)，回歸方程決定系數(shù)的增量，決定系數(shù)增量越大，說(shuō)明該變量在回歸方程中越重要；校正決定系數(shù)，是回歸方程各模型中指標(biāo)對(duì)pH變異的解釋比率。由表4中各模型可知，對(duì)pH變異影響最大的為交換性鈣，其獨(dú)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(jì)解釋能力為85.4%。

表4 土壤pH與各指標(biāo)的逐步回歸結(jié)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(zhǎng)22.88%，有效硫同比增長(zhǎng)39.16%，交換性鈣同比增長(zhǎng)11.88%，交換性鎂同比增長(zhǎng)12.20%，堿解氮和有效硫的增長(zhǎng)率比交換性鈣和交換性鎂的增長(zhǎng)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(dǎo)致的。

2.5 土壤各指標(biāo)對(duì)pH的平滑回歸分析

由逐步回歸結(jié)果得到的各指標(biāo)與pH進(jìn)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(tái)模型，隨著交換性鈣含量的增加pH呈先增加后平穩(wěn)的趨勢(shì)，其拐點(diǎn)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(shì)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(shì)由快變慢；pH與有效硫呈線性加平臺(tái)模型，隨著有效硫含量的增加pH先下降后趨于穩(wěn)定，其拐點(diǎn)為26.01 mg·kg-1；pH與堿解氮呈二次曲線關(guān)系，隨堿解氮含量的增加pH由平緩變?yōu)橄陆第厔?shì)；pH與海拔呈二次曲線關(guān)系，隨著海拔的升高pH呈先緩慢升高后轉(zhuǎn)為下降的趨勢(shì)。

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(qū)動(dòng)因素的平滑回歸分析

2.6 其他因素對(duì)土壤pH的影響

農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)pH的影響見(jiàn)表6，龍山縣植煙土壤農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施情況為配套、基本配套、不配套3種，3種基礎(chǔ)設(shè)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(nèi)，3種基礎(chǔ)設(shè)施情況下pH的變異系數(shù)分別為18.16%、16.01%、17.67%，屬于中等程度變異；pH在3種基礎(chǔ)設(shè)施情況下存在極顯著差異，其中基礎(chǔ)設(shè)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(chǔ)設(shè)施情況下的pH變化

輪作制度對(duì)pH的影響見(jiàn)表7，龍山縣植煙土壤不同輪作制度下pH由大到小排序?yàn)闊?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(lái)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(zhì)對(duì)pH的影響見(jiàn)表8，龍山縣植煙土壤成土母質(zhì)主要分為坡積物、殘積物、洪積物，pH均值由大到小排序?yàn)楹榉e物>坡積物>殘積物，pH在不同母質(zhì)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(lái)看，各母質(zhì)下pH屬于中等程度變異。

表8 不同成土母質(zhì)下pH

3 討論

有些學(xué)者用簡(jiǎn)單的相關(guān)分析和灰色關(guān)聯(lián)來(lái)做土壤pH與養(yǎng)分之間的關(guān)系，進(jìn)而確定相互之間的關(guān)系，這種方法有一定不足之處，因?yàn)闆](méi)有做指標(biāo)間的篩選，由于各指標(biāo)之間可能存在精確相關(guān)關(guān)系或高度相關(guān)關(guān)系，即存在多重共線性［17］，從而可能對(duì)某些指標(biāo)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(yōu)回歸方程的方法，其做法是引入經(jīng)F檢驗(yàn)是顯著的自變量，對(duì)已選入的變量進(jìn)行逐個(gè)檢驗(yàn)，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(gè)變量為逐步回歸的一步，每一步都要進(jìn)行F檢驗(yàn)。重復(fù)進(jìn)行直到?jīng)]有顯著自變量從回歸方程中剔除也沒(méi)有不顯著的自變量選入為止［18］。本研究選用相關(guān)分析中有顯著或極顯著相關(guān)的指標(biāo)，進(jìn)一步進(jìn)入逐步回歸進(jìn)行篩選，所以剔除的指標(biāo)應(yīng)為共線性指標(biāo)。經(jīng)篩選剔除了速效鉀、CEC、細(xì)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(gè)影響龍山縣植煙土壤pH的因素。

本研究經(jīng)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(gè)土壤指標(biāo)對(duì)pH的累計(jì)解釋能力為85.4%，交換性鈣獨(dú)立的解釋能力達(dá)到56.2%，交換性鈣與交換性鎂解釋能力為76.2%，交換性鈣對(duì)pH的影響最大，這與梁煊等［19］的研究結(jié)果一致，平滑回歸結(jié)果顯示交換性鈣與交換性鎂對(duì)pH為正影響，這與鄧小華等［20］得到的交換性鈣對(duì)pH為正影響，交換性鎂對(duì)pH為負(fù)影響有一定差別。本文相關(guān)分析得知土壤交換性鈣、交換性鎂與pH呈極顯著正相關(guān)，有效硫、堿解氮、粘粒比例與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)，而Ca2+、Mg2+、SO42-、NH4+則主要通過(guò)外在施肥進(jìn)入土壤中，粘粒則為土壤內(nèi)在構(gòu)成，結(jié)合前文逐步回歸結(jié)果認(rèn)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(nèi)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(qū)動(dòng)因子來(lái)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(yàn)證了前文龍山縣15年間植煙土壤酸化的主要驅(qū)動(dòng)因素。海拔主要通過(guò)母質(zhì)、母巖、水熱等因素影響著土壤發(fā)育，從而造成pH的垂直梯度差異［21］，相關(guān)分析結(jié)果顯示海拔與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)，這與陳玉藍(lán)［22］的研究結(jié)果一致，隨著海拔上升pH呈下降趨勢(shì)，這可能是因?yàn)閬啛釒У貐^(qū)隨著海拔升高降雨量增 多［23］，從而使土壤養(yǎng)分流失導(dǎo)致土壤pH下降；土壤粘粒比例做為內(nèi)在致酸因子與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)，隨著粘粒比例升高pH呈下降趨勢(shì)，這與周碧青等［24］土壤粘粒比例越高對(duì)酸的緩沖能力越強(qiáng)，其減緩?fù)寥浪峄哪芰υ礁叩难芯拷Y(jié)果不同，這可能是因?yàn)橥寥勒沉１攘性礁?，土壤質(zhì)地越細(xì)，降雨后易造成土壤板結(jié)，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(gè)土壤指標(biāo)對(duì)pH的累計(jì)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(duì)基礎(chǔ)設(shè)施配套情況、輪作制度、成土母質(zhì)3種因素的分析表明，不同基礎(chǔ)設(shè)施配套情況、不同輪作制度、不同成土母質(zhì)分組間的pH有顯著或極顯著差異，配套設(shè)施完善，土壤酸化減弱；不同的輪作制度對(duì)pH的影響顯著，因?yàn)椴煌妮喿髯魑飳?duì)土壤養(yǎng)分的利用量不同，物質(zhì)量大或高產(chǎn)作物容易帶走更多的鹽基離子而土壤得不到及時(shí)補(bǔ)充，致使土壤酸化［26］。不同母質(zhì)下殘積物pH值最低，這可能是龍山縣植煙土壤母質(zhì)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(chǎn)生H+，導(dǎo)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?yōu)?.03，總體上仍處于優(yōu)質(zhì)烤煙生長(zhǎng)的適宜范圍內(nèi)［4］。龍山縣植煙土壤中部、南部及北部部分區(qū)域呈酸化趨勢(shì)，北部小部分區(qū)域呈堿化趨勢(shì)，有兩級(jí)分化現(xiàn)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(lái)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(duì)酸性土壤進(jìn)行改良，手段單一，應(yīng)加大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，完善煙田基礎(chǔ)設(shè)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(yǎng)分流失致使土壤酸化，增施有機(jī)物料降低土壤黏結(jié)性使土壤不易板結(jié)；還應(yīng)制定合理的肥料配施方案，對(duì)于pH極高或偏高的土壤應(yīng)停止施用生石灰或白云石粉，適當(dāng)施用腐殖酸等酸性有機(jī)物料；對(duì)于pH偏低或極低的土壤應(yīng)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(shí)控制氮肥用量，用硝態(tài)氮肥替換銨態(tài)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(jī)物料進(jìn)行酸性土壤改良，增加土壤酸化控制因子的作用。

4 結(jié)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(shì)，但空間差異明顯，中部及南部基本呈酸化趨勢(shì)，北部部分區(qū)域呈堿化趨勢(shì)，有兩級(jí)分化現(xiàn)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(nèi)在致酸因子；因此在pH調(diào)控上應(yīng)注意分區(qū)分管調(diào)控，著重從鈣鎂氮硫4種元素的用量及其種類對(duì)不同地區(qū)土壤pH進(jìn)行調(diào)控，配和有機(jī)肥的施用，以為龍山縣特色優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)提供適宜的pH；同時(shí)，今后應(yīng)重點(diǎn)從鈣鎂氮硫4種元素對(duì)武陵山地?zé)焻^(qū)土壤pH調(diào)控進(jìn)行研究。