三门峡烟区土壤pH时空变异特征

乔红波，张 慧，高 瑞，陈胜利，汪孝国

（1.河南农业大学信息与管理科学学院，郑州 450002；2.河南省烟草公司三门峡分公司，河南 三门峡 472000）

土壤酸碱度对土壤肥力及养分的有效性影响很大，在低pH情况下，P、Ca、Mg养分的有效性降低；在高pH情况下，微量元素Fe、Mn、B变为作物不可以吸收的状态。烤烟对土壤酸碱度的适应性极强，在pH为3.5～9.0的土壤上均能正常生长，且完成生命周期循环，但烤烟品质却是在一定 pH范围内最好。因此，适宜的土壤酸碱度是生产优质烤烟的基础[1]。

地统计学（Geostatistics)于20世纪50年代初开始形成，60年代在法国著名统计学家G Matheron的大量理论研究工作基础上所形成的一门新的统计学分支。一些地统计学工作者认为：“地统计学是以区域化变量理论为基础，以变异函数为主要工具，研究在空间分布上既有随机性又有结构性，或空间相关和依赖性的自然现象的科学”[2]，对土壤养分时空变异的充分研究，是土壤养分精准管理和合理施肥的基础。随着 3S技术的广泛应用，利用地统计学和地理信息系统技术（GIS）研究土壤性质空间变异已成为目前土壤学研究的热点之一[3-5]。

利用地统计学和GIS研究烟田pH空间变异报道不多，仅有少数学者进行了初步探讨。如秦钟立等研究了贵州省植烟区土壤pH的空间变异特征，发现pH有强烈的空间相关性，其变化主要受结构性因子的影响[6]。笔者利用GIS和地统计学方法，研究三门峡烟区植烟土壤pH时空变异特征，绘制土壤pH的空间分布图，为三门峡优质烤烟生产和植烟土壤改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

三门峡市位于河南省西部边陲，豫、晋、陕三省交界处，总面积10 496 km2，地貌以山地、丘陵和黄土塬为主，其中山地约占总面积的54.8%，丘陵占36%，平原占9.2%。大部分地区海拔在300～1 500 m之间，小秦岭老鸦岔海拔2 413.8 m，为河南省的最高峰。

三门峡烟区地处中纬度内陆区，属暖温带大陆性季风气候。年平均气温 13.2℃，年平均日照 2 354.3 h，无霜期184～218 d，平均年降雨量550～800 mm，属于烤烟生长的适宜区。

1.2 样品采集与分析

根据全国第二次土壤普查中土壤采集方法进行土壤采样。在三门峡市选择有代表性的植烟土壤，取耕层0～20 cm土样，每个采样点代表的面积为20 hm2，在样品采集的同时用GPS定位。采用2.5∶1水土比浸提—pH计法测定样品pH。2002年和2007年分别采集土壤样品697和299个。采样点分布情况见图1。

图1 三门峡植烟区土壤采样点分布Fig.1 Sampling locations

1.3 数据处理与分析

采用SPSS 11.0软件计算描述性统计值；GS+3.0进行地统计学分析；数字化地形图和Kriging插值采用ArcGIS 8.3软件进行。

2 结 果

2.1 三门峡植烟土壤pH分布状况

一般来说，土壤pH与烤烟生长呈抛物线型关系，在pH 5.0～5.5，随着pH的升高，生长逐渐改善；pH 5.5～7.5，生长最佳；7.5～8.0之间，生长逐渐受阻；小于 5或大于 8，生长不良[7]。由表1可知，2002年烟区土壤pH变动在6.55～8.55之间，平均为7.76，总体来说，土壤偏碱性化，在最适宜烟草生长的5.0～7.5区间，渑池所占比例最大，达到 93.5%，陕县次之（占 24.8%），卢氏居三（占14.9%），灵宝所占比例最小，仅为3.7%。

由表2可知，2007年烟区土壤pH变动在6.6～8.8之间，平均为7.92，集中分布在7.6～8.0和＞8.0两级，前一级共有 93个样点，占采样点总数的31.1%，后一级共有104个样点，占采样点的34.7%。

表1 三门峡植烟区土壤pH分级及各级次数分布（2002年）Table 1 The classification and frequency of soil pH (2002)

2.2 三门峡植烟土壤pH统计特征

数据正态分布是使用地统计学方法进行土壤特征空间变异性分析的前提，只有数据符合正态分布时，才满足地统计学分析的假设条件。经偏度和峰度检验表明（表3），2002和2007年土壤pH测定值均符合正态分布的要求。

2.3 三门峡植烟土壤pH空间结构分析

半方差函数是区域化变量在分隔距离上各样本变异的度量，有关半方差函数模型类型的选取和参数交互验证参照参考文献[8]，结果如表4。2002和2007年pH的半方差函数模型的拟合度为0.713和 0.560，说明选取的理论模型较好地反映了土壤微量元素空间结构特征。

表2 三门峡植烟区土壤pH分级及各级次数分布（2007年）Table2 The classification and frequency of soil pH (2007)

表3 不同年份土壤pH描述性统计Table 3 The description statistics of soil pH

块金值主要来源于远小于抽样间距的空间尺度上土壤性质的差异，其大小直接限制了空间内插的精度[9]。本研究中2002年和2007年的块金值分别为0.198和0.190，说明2002年由于试验误差引起的pH变异较小。三门峡烟区土壤pH的空间分布特征主要是地形、成土过程、母质等自然因素的影响，人类活动对其空间分布特征影响不大。

块金值/基台值的大小可判定系统内变量的空间相关性程度：如果比值小于25%，表明变量具有强烈的空间相关性；如果比值在 25%～75%之间，表明具有中等的空间相关性；如果比值大于75%，表明空间变量的空间相关性较弱[10]。表4中 2002年和2007年块金值/基台值分别为18.9%和16.4%，具有强烈的空间相关性，说明pH的空间变异主要是母质、地形和成土过程等结构性因素引起的，与块金方差分析结果一致。

变程也称为空间最大相关距离，反映了变量空间自相关范围的大小，在变程内，具有空间相关性，反之则不存在。从表4中可以看出，2002和2007年的变程分别为55.77 km和92.39 km，说明pH在研究区域较大范围内均有相关关系，反映土壤母质、地形和土壤类型等结构性因素影响较大。拟合的地统计模型经F检验达到了显著水平，说明取样密度能够满足地统计的需要，插值具有实际意义。

表4 土壤pH各向同性半方差函数理论模型和有关参数Table 4 Theoretical semivariogram model and corresponding parameters of soil pH value in year 2002 and 2007

2.4 三门峡植烟土壤pH空间分布特征

根据得到的半方差函数模型，利用 Kriging最优内插法，绘制了三门峡烟区2002年和2007年土壤pH空间分布图和差异图。

2002年土壤pH空间分布西部、北部高于东部和南部，卢氏局部地区也有高pH分布。与2002年相比，2007年pH有增大趋势，即土壤碱性化程度有所增高，pH空间分布如图2所示。从图中可以看出，卢氏县官道口镇、沙河、潘河，渑池坡头等烟田pH有所增大。

图2 不同年份土壤pH Kriging插值图Fig.2 Kriging estimates for soil pH in year 2002 and 2007

3 讨 论

适宜的土壤酸碱度有利于改善烟株根系生长的环境条件，促进烟株生长，增强烟株的抗病力，提高烟叶产质量，是生产优质烟的基本条件之一[11-13]。因此，适宜pH对优质烟生产具有重要意义。传统统计分析结果表明，三门峡烟区pH在6.5～8.8之间变动，集中分布在6.6～7.5和7.6～8.5，能够满足优质烟生产需要，但局部地区pH较高，需要调整。研究表明，不同的烟草品种对pH适应性不同，NC89及S7921在中性的环境中（pH 6.5～7.5）生长较好，K326及红花大金元在偏酸性的环境中（pH 5.5～6.5）生长较好，NC82、中烟90则适合于在偏碱性的环境中（pH 7.5～8.5）生长[14]，因此，根据pH选择合适的品种也很重要。

pH服从对数正态分布，2002年和2007年变异系数分别为15.2%和4.5%，变异程度较低，变异函数的最佳理论模型为指数模型。土壤pH块金值/基台值[C0/C0+C]2002和 2007年分别为 18.9%和16.4%，具有强烈的空间相关性，其空间变异由母质、地形和成土过程等因素引起；2002和2007年的变程分别为55.77 km和92.39 km，说明pH在研究区域较大范围内均有相关关系，反映土壤母质、地形和土壤类型等结构性因素影响较大。

采用Kriging最优内插法得到三门峡烟区2002和2007年土壤pH空间分布图。从图中可以看出，pH呈增加趋势，尤其在东部的渑池县和南部的卢氏县，其原因可能是化学肥料用量加大，自然降水减少而地下水灌溉增多，地下水多为碱性，有机肥用量相对下降等。

对于pH较高的地块，应注意改良土壤，通过适当选用生理酸性氮肥、钾肥和酸性过磷酸钙等肥料，结合移栽时窝施、环施，改善根际微环境内的酸碱度。同时，施用腐植酸肥料也是降低pH的一条有效途径。有研究表明，腐植酸对土壤有酸化作用，这有利于偏碱性的土壤上烟株的生长发育和优良品质的形成。

[1]陈建军，陈建勋，吕永华.根际pH值对烟草无机营养的影响[J].植物生理学通讯，1996，32（5）：341-344.

[2]王政权.地统计学及其在生态学中的应用[M].北京：科学出版社，1999：31-32.

[3]Liu X M,Xu J M,Zhang M K,et al.Application of geostatistics and GIS technique to Characterize spatial variabilities of bioavailable micronutrients in paddys soils[J].Environmental geology,2004,46:189-194.

[4]连纲，郭旭东，傅伯杰，等.黄土高原县域土壤养分空间变异特征及预测——以陕西省横山县为例[J].土壤学报，2008，45（4）：577-584.

[5]王淑英，路苹，王建立，等.不同研究尺度下土壤有机质和全氮的空间变异特征——以北京市平谷区为例[J].生态学报，2008，28（10）：4957-4964.

[6]秦钟立，秦松，刘洪斌.贵州省植烟区土壤pH值和养分空间变异特征的研究[J].土壤通报，2007，38（6）：1046-1051

[7]张久权，张教侠，刘传峰，等.山东烤烟生态适应性综合评价[J].中国烟草科学，2008，29（5）：11-17.

[8]候景儒，尹镇南，李维明，等.实用地质统计学[M].北京：地质出版社，1998：31-72.

[9]张庆利，潘贤章，王洪杰，等.中等尺度上土壤肥力质量的空间分布研究及定量评价[J].土壤通报，2003，34（6）：493-497.

[10]Cambardella C A,Moorman A T,Novak J M,et al.Field-scale heterogeneity of soil properties in central Iowa soils[J].Soil Science Society of America Journal,1994,58:1501-1511.

[11]唐莉娜，刘淑欣，熊德中，等.调节土壤酸碱度对烤烟生长和品质的影响[J].福建农业大学学报，1999，28（1）：71-76.

[12]陈建军，任永浩，钟俊周.根际pH值与烤烟产量和质量的关系研究[J].热带亚热带土壤科学，1996，5（2）：98-101.

[13]崔喜艳，陈展宇，张美善，等.土壤pH值对烤烟叶片生理生化特性的影响[J].植物生理学通讯，2005，41（6）：737-740.

[14]周冀衡，方晓东，段灿枝，等.不同烤烟品种对根 pH适应能力的研究[J].中国农业科学，1999，32（3）：105-107.