保山植煙土壤pH 與有機質組分及離子含量的關系研究*

胡志明，謝龍杰，段必挺，吳紹梅，張儒和，楊紹幫 ，汪 林，楊懋杰

（1.云南省煙草公司保山市公司，云南 保山 678000；2.湖南中煙工業(yè)有限責任公司，湖南 長沙 410014）

土壤酸堿度是影響土壤肥力和土壤生產力的重要因素，對作物生長、品質及微生物結構有較大影響。土壤pH 影響玉米養(yǎng)分吸收、生長發(fā)育、產量[1-2]和根際土壤重金屬有效性[3]以及土壤細菌群落結構[4]；影響水稻苗期生長發(fā)育[5]、有效穗數(shù)、籽粒鎘含量[6]、土壤鎘有效性[7]及微生物群落結構[8]。就烤煙而言，土壤pH 過低，易發(fā)生土傳病害，且影響磷元素的吸收利用；過高則降低煙葉感官質量評價結果，且影響鉀和鎂等元素的吸收利用[9]。

土壤是復雜的生態(tài)系統(tǒng)，土壤各指標間的關系復雜多樣。土壤pH 與土壤有機質、養(yǎng)分和鹽基離子等土壤內部因子的關系復雜，不同研究者采用不同的方法闡明了多個土壤因子與土壤pH的關系，但研究結果不盡一致。如采用多元回歸和相關性分析研究土壤pH 與有機質含量、土壤養(yǎng)分[10-17]和鹽基離子[11,18-20]的關系；采用灰色關聯(lián)度分析法研究土壤pH 與養(yǎng)分的關系[21-22]；采用空間分析和方差分析方法研究土壤pH 與土壤母質和土壤類型的關系[19-20,23-25]。綜合國內外對土壤pH 與土壤因子的研究來看，研究因子較為單一，主要局限于某方面的因子，如土壤有機質和鹽基離子等，鮮有將有機質及其組分、鹽基離子、陽離子和陰離子等各指標因子進行整體研究。

偏最小二乘回歸（partial least-squares regression，PLS）法能提供多對多線性回歸建模的方法，在建模過程中集中了主成分分析、典型相關分析和線性回歸分析的特點，特別是針對變量多且都存在多重相關性、而觀測數(shù)據(jù)量（樣本量）又較少時，其結論更加可靠、整體性更強。同時，該方法具有意義明確、計算簡單、建模效果好和解釋性強等優(yōu)點[26-29]。目前已在化學、工程學、經濟學、金融及基因工程[26,30-31]等領域廣泛應用。本研究以保山植煙土壤為研究對象，引入PLS，旨在探討土壤pH 與有機質及其組分、交換性酸（總量）、交換性鹽基、陽離子和陰離子含量的關系，并綜合評價上述各因素對土壤pH 的影響，以期將PLS 應用于土壤pH 影響因素研究，并為土壤酸堿度調節(jié)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

保山市位于云南省西南部，地處N24°08′～25°51′，E98°25′～100°02′，包括隆陽、騰沖、龍陵、昌寧和施甸共5 個縣（市、區(qū)）。境內地形復雜多樣，地勢北高南低，自西北向東南延伸傾斜，海拔535～3 781 m，平均海拔1 800 m。保山市為低緯度高原季風氣候區(qū)，具有冬干夏雨、年溫差小和日溫差大的特點，年平均氣溫 14～17 ℃，年降水量700～2 100 mm。全市有紅壤、石灰性土、紫色土、黃棕壤和水稻土等土壤類型[14]。

1.2 土壤樣品采集

根據(jù)歷年測土配方結果，2018 年在隆陽、騰沖、龍陵、昌寧和施甸5 個縣（市、區(qū)）主要植煙區(qū)采集酸性（pH≤5.0）和堿性（pH≥8.0）耕層土壤樣品各50 個，各點土樣充分混勻，以四分法留取2 kg 土壤作為待測樣品。

1.3 樣品的處理與測定

土壤樣品經過風干、研磨和過篩處理，測定土壤pH、有機質及其組分、交換性酸（總量）、交換性鹽基、陽離子和陰離子含量等指標。采用重鉻酸鉀外熱源法測定土壤有機質含量；采用氯化鉀交換—中和滴定法（LY/T 1240—1999）測定交換性酸（總量）含量；采用乙酸銨交換法（LY/T 1243—1999）測定陽離子交換量（cation exchange capacty，CEC）；采用乙酸銨交換—ICP 法（LY/T 1245—1999）測定交換性Ca2+和交換性Mg2+含量；采用乙酸銨交換—火焰光度法（LY/T 1246—1999）測定交換性Na+和交換性K+含量；采用固相萃取—離子色譜法測定NO3-、SO42-、CO32-和HCO3-含量；采用火焰光度法測定Na+和K+含量；采用原子吸收光度法測定Ca2+和Mg2+含量；采用電位測定法（NY/T 1377—2007，水土質量比2.5∶1）測定土壤pH。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0 進行描述性統(tǒng)計、多重比較（LSD 法）及相關分析（Pearson correlation）；利用偏最小二乘回歸法，通過SIMCA-P 11.5 軟件建模，提取主成分評價土壤pH 影響因素的重要性，并依據(jù)模型建立土壤pH 回歸方程。PLS 模型建立為：土壤pH=有機質及組分含量+交換性酸（總量）含量+交換性鹽基離子含量+陰離子含量+陽離子含量。根據(jù)前人研究[27-31]，PLS 模型有效性判別為：累計Q2Y（累計交叉有效性，即模型擬合效果）和累計R2Y（因變量累計測定系數(shù)，即累計解釋率）均≥0.5，說明自變量能很好的解釋因變量，則所建模型非常好；變量投影重要性指標（variable importance in the projection，VIP）≥1 表示自變量指標非常重要，VIP＜0.5 表示自變量指標不重要，0.5≤VIP＜1 表示自變量指標重要性一般。

2 結果與分析

2.1 保山酸性、堿性植煙土壤有機質及組分和離子含量特征分析

由表1 可知：保山酸性土壤有機質、腐殖酸、腐殖質、富里酸、胡敏素、交換性酸（總量）、交換性H+、交換性Al3+、NO3-和SO42-等含量均極顯著高于堿性土壤（P＜0.01），胡敏酸、交換性Ca2+、交換性Mg2+、HCO3-、Ca2+和Mg2+含量則極顯著低于堿性土壤（P＜0.01）；兩者CEC、交換性Na+、交換性K+、Na+和K+含量則差異不顯著。酸性和堿性植煙土壤的有機質及組分、交換性酸（總量）、交換性鹽基離子、陽離子和陰離子含量特征明顯，但保山植煙土壤樣品均未檢測出CO32-。

表1 保山典型酸性、堿性植煙土壤有機質及組分和離子含量描述性統(tǒng)計Tab.1 Descriptive statistics of organic matter,components and ions in typical acid and alkaline tobacco-planting soils in Baoshan

2.2 保山植煙土壤pH 與有機質及組分、離子含量的相關性分析

由表2 可知：保山植煙土壤pH 與有機質、腐殖酸、腐殖質、胡敏素、交換性酸（總量）、交換性H+、交換性Al3+、NO3-和SO42-含量呈極顯著負相關（P＜0.01），與CEC、交換性Ca2+、交換性Mg2+、HCO3-、Ca2+和Mg2+含量呈極顯著正相關（P＜0.01），與胡敏酸含量呈顯著正相關（P＜0.05），與富里酸、交換性Na+、交換性K+、Na+和K+含量相關性不顯著（P＞0.05）。

表2 保山植煙土壤pH 與有機質及組分、離子含量相關性Tab.2 Correlation between soil pH and organic matter,component and ion content of tobacco-planting soil in Baoshan

2.3 保山植煙土壤pH 影響因素分析

2.3.1 土壤pH 與各指標偏最小二乘模型建立

利用SIMCA-P 11.5 軟件建立土壤pH 與各指標的PLS 模型為：pH（Y）=有機質（X1）+腐殖酸（X2）+腐殖質（X3）+富里酸（X4）+胡敏酸（X5）+胡敏素（X6）+CEC（X7）+交換性酸（總量）（X8）+交換性H+（X9）+交換性Al3+（X10）+交換性Na+（X11）+交換性K+（X12）+交換性Ca2+（X13）+交換性Mg2+（X14）+NO3-（X15）+SO42-（X16）+HCO3-（X17）+Na+（X18）+K+（X19）+Ca2+（X20）+Mg2+（X21）。提取主成分2 個（圖1），累計Q2Y（0.907）和累計R2Y（0.920）均大于0.5，故建立的模型有效。

圖1 土壤pH 影響因素的PLS 模型主成分Fig.1 Principal components of PLS model for soil pH influencing factors

2.3.2 各指標對土壤pH 影響的重要程度

由圖2 可知：影響保山植煙土壤pH 的重要指標依次為交換性H+、HCO3-、交換性Ca2+、Ca2+、腐殖酸、交換性酸（總量）、交換性Mg2+、SO42-、交換性Al3+和Mg2+含量，上述指標基本決定了土壤pH；K+、交換性K+、富里酸、交換性Na+和Na+含量以及CEC 為非重要指標，對土壤pH 基本無影響；其余指標為一般重要指標，對土壤pH 影響程度一般。

圖2 土壤pH 影響因素的PLS 模型變量重要性Fig.2 VIP of PLS model for soil pH influencing factors

2.3.3 土壤pH 影響因素回歸系數(shù)

保山植煙土壤pH 影響因素PLS 模型回歸系數(shù)列于表3。由該表可建立土壤pH 與重要指標和一般重要指標的回歸模型：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 影響因素的PLS 模型回歸系數(shù)Tab.3 Regression coefficient of PLS model for influencing factors of soil pH

3 討論

土壤pH 與土壤內在成分關系復雜，與土壤有機質、鹽基離子和陰離子含量等均有相關性，但已有研究結果不盡相同。有研究表明土壤pH與有機質含量呈極顯著正相關[12]，也有研究表明植煙土壤pH 與有機質含量呈顯著負相關[15]；土壤有機質含量極顯著影響土壤pH[32-33]，是影響pH 值空間分布的主要因子之一[23]。本研究表明：保山植煙土壤pH 與有機質含量呈極顯著負相關，與闕勁松等[15]的研究結果一致。偏最小二乘回歸分析結果則表明：土壤有機質含量對pH 影響一般，為一般重要因素；而有機質組分中腐殖酸含量是土壤pH 的重要指標，這與廣建芳等[22]和李強等[33]的研究結果不盡一致，這可能與不同區(qū)域有機質組分、成土母質和土壤質地等不同有關，但具體原因還需要深入研究。

阿斯古麗·木薩等[34]研究表明：土壤pH 與土壤含鹽量及鹽基離子含量相關性不顯著；而也有研究表明：土壤pH 值與交換性鈣、交換性鎂含量間呈極顯著正相關[11,33]；土壤pH 與CaCO3相當物含量之間存在顯著的非線性正相關[20]，不同土壤母質鎂的形態(tài)及其含量差異較大[18]。本研究結果顯示：保山堿性土壤Ca2+和Mg2+含量極高，而酸性土壤Ca2+和Mg2+含量相對較低，相關性分析表明當?shù)赝寥纏H 與土壤交換性Ca2+、Ca2+、交換性Mg2+和Mg2+含量均呈極顯著正相關，這與朱永青等[12]和李強等[33]的研究結果相似；偏最小二乘回歸分析結果進一步表明交換性Ca2+、Ca2+、交換性Mg2+和Mg2+含量是影響保山植煙土壤pH 的重要指標。在進行土壤酸堿調節(jié)時，酸性土壤應以補充Ca2+和Mg2+的措施為主，堿性土壤應以補充腐殖酸及降低Ca2+和Mg2+的措施為主。

土壤陽離子交換量與表層紅壤酸化差值呈顯著負相關，是影響酸性紅壤表層酸化的主要因素之一[19,32]。本研究表明：保山酸性土壤和堿性土壤的陽離子交換量總體差異不大，相關性分析結果表明其與土壤pH 呈極顯著正相關，這與李強等[32]的研究結果一致；而偏最小二乘回歸分析結果則表明保山植煙土壤pH 與陽離子交換量關系不密切，屬非重要因素，該結果可能與樣品區(qū)域不同有關，也可能是分析方法不同所致。另外，李強等[32]研究表明：曲靖植煙土壤陰離子均顯著或極顯著影響植煙土壤pH。本研究相關性分析表明：保山植煙土壤HCO3-含量與土壤pH 呈極顯著正相關，SO42-和NO3-含量與土壤pH 呈極顯著負相關，這與李強等[32]的研究結果相似；而偏最小二乘回歸分析結果表明：HCO3-和SO42-含量是影響保山植煙土壤的重要因素，NO3-含量則僅為一般重要因素，可能與偏最小二乘回歸方法能比較好地處理各指標之間的相互干擾有關。

本研究還發(fā)現(xiàn)：所選酸性和堿性土壤樣品均未檢測到CO32-，其原因可能是該區(qū)域土壤樣品中CO32-含量為痕量，導致現(xiàn)有檢測方法未能檢測到，但具體原因尚需進一步探究。

4 結論

保山酸性和堿性植煙土壤有機質及離子特征明顯。酸性土壤中有機質、腐殖酸、腐殖質、富里酸、胡敏素、交換性酸（總量）、交換性H+、交換性Al3+、NO3-和SO42-等含量相對較高；堿性土壤中胡敏酸、交換性Ca2+、交換性Mg2+、HCO3-、Ca2+和Mg2+等含量相對較高。保山植煙土壤酸性的決定因素依次為：交換性H+、腐殖酸、交換性酸（總量）、SO42-和交換性Al3+含量；堿性的決定因素依次為：HCO3-、交換性Ca2+、Ca2+、交換性Mg2+和Mg2+含量。在進行土壤酸堿改良時可重點針對上述指標制定改良策略。