近年来土壤酸化进程加速,严重危害热带和亚热带地区的生态环境、农业生产、农产品质量安全[1,2]。土壤酸化不利于土壤肥力的保持、土壤微生物的生长活动及养分循环的进行[1, 3-4]。黄运湘等[5]研究表明土壤酸化导致氮、磷、钾供应能力下降;王海斌等[6]研究表明茶树根际土壤酸化显著影响了土壤微生物数量变化,微生物对土壤酸度具有敏感性;Manzoni 等[7]和田永强等[8]研究表明土壤酸化影响土壤碳、氮等元素矿化,不利于土壤养分的循环。此外,土壤酸化会活化土壤重金属,王存龙等[9]发现山东烟台土壤酸化会促进Cd、Pb等的释放与活化。土壤酸化能够增加病害发生,樊小林等[10]发现提高土壤pH能够降低巴拿马病(枯萎病)的发病率和病情指数。土壤酸化的直接表现为土壤pH下降,适宜的土壤pH能够促进土壤养分的有效吸收[11]。pH是土壤酸碱性的反映,土壤的酸碱度直接影响着烤烟对营养元素的吸收,随着植烟土壤酸碱度研究的深入,已引起越来越多的关注。前人研究表明,当土壤pH值过低,微量元素的有效性较低;当土壤pH值过高,则不利于大量元素的吸收[12,13]。植烟土壤pH值过高或过低均不利于烟叶对于土壤矿物营养的吸收,不利于烤烟体内的碳氮代谢,进而影响烟叶的生长状况。
1 材料与方法
1.1 资料收集
1982年第2次土壤普查资料的收集。收集了龙岩烟区永定县、上杭县、武平县、连城县、长汀县、漳平市6个县（市）的1:5万土壤图、土壤剖面样品采样点分布图,土壤普查总结,土样理化性状分析汇总数据资料等。根据龙岩烟区现有烤烟种植区域,选择具有代表性的土壤样点共354个,并收集整理354个样点的耕层土壤pH数据。
2001年龙岩烟区植烟土壤平衡施肥相关资料的收集。收集了2001年龙岩烟区平衡施肥数据资料（2001年在福建省烟草公司统一部署下,龙岩烟区开展了平衡施肥工作,共测试分析了1362个土壤样品的理化性状）。本次研究以第2次土壤普查354个代表性土壤样点分布为依据,选取与其采样点相近点的相同土壤类型的样点数据,共360个,收集整理了360个样点的耕层土壤pH数据。
1:15万龙岩市行政区图、1:15万龙岩市土地利用现状图及数据库资料等。土壤样品的采集：采样地点以第2次土壤普查354个代表性土壤样点分布为依据,选取与其采样点相近点的相同土壤类型的样点366个,采集耕层土壤。2011年12月采样时,采用GPS定位记录了样点的地理坐标,经Arcview投影转换后生成龙岩烟区植烟土壤采样点分布图（图1）。
1.2 测定方法及植烟土壤pH分级指标的确定
土壤pH测定方法：采用NY/T 1121.2-2006《土壤检测 第2部分：土壤pH的测定》中的电位法。
表1 龙岩市植烟土壤pH分级指标Tab. 1 Grading index of pH value of tobacco planting soil in Longyan |
| pH | 适宜性Suitability |
|---|---|
| <5.0 | 不适宜（强酸性） |
| 5.0~5.5 | 适宜（弱酸性） |
| 5.5~6.5 | 最适宜 |
| 6.5~7.0 | 适宜 |
| >7.0 | 不适宜（碱性） |
1.3 数据处理
数据分析采用传统统计学和地统计学相结合的方法。统计分析采用SPSS 18和Excel 2007软件完成,其中半方差函数模型拟合在GS+9.0中实现,克里格插值和插值图绘制选择在ArcGIS 9.3软件完成。在得出龙岩烟区植烟土壤3个时段的土壤pH,通过ArcGis软件功进一步得出土壤pH的时空变异状况。
对所研究区域的不同时期的土壤样品应用Geostatiscal Analyst模块中的Explore Data工具中的Histogram和Normal QQ plot进行正态分布检验,GS+9.0软件进行半方差模型的拟合和地统计学分析,运用Geostatistical Wizard中的Kriging分析模块进行克里格插值,制作土壤pH的插值空间分布图。将利用克里格插值方法得到的1982、2001和2011年土壤pH赋值到耕地图斑上,然后建立研究区耕地土壤pH数据库,最终出图。龙岩烟区为烟稻轮作系统,植烟土壤区以龙岩六县（市）水田图斑为控制区域,对土壤pH分区后的栅格图层以龙岩烟区1.75万hm2进行面积评差,最终确定1982、2001、2011年3个时期土壤pH的面积以及比重。
2 结果与分析
2.1 龙岩烟区植烟土壤pH的空间变化
1982、2001、2011年土壤pH数据经对数转换,经Arcgis 9.3中的Geostatiscal Analyst模块中的Explore Data工具中的Histogram和Normal QQ plot检验,符合正态分布。为了解1982、2001、2011年土壤pH局部变异特征,对3个时期土壤pH进行半方差模型拟合,研究其空间特征。图2、图3、图4和表2为3时期土壤pH半方差模型最优模型拟合结果,其中1982、2001年土壤pH为线性模型,2011年土壤pH为指数模型。1982、2001、2011年土壤pH块金效应分别为85.47%、94.90%、44.62%。块金效应<25%为强空间依赖性,25%<块金效应<75%为中等空间依赖性,块金效应>75%为弱空间依赖性,可知1982、2001年土壤pH为弱空间依赖性,2011年土壤pH为中等空间依赖性。空间的依赖性呈现先变弱再变强的特点。
图2 1982年龙岩植烟土壤pH半方差函数图Fig. 2 Semivariance function of pH of Longyan tobacco soil in 1982 |
图3 2001年龙岩植烟土壤pH半方差函数图Fig. 3 Semivariance function of pH of Longyan tobacco soil in 2001 |
图4 2011年龙岩植烟土壤pH半方差函数图Fig. 4 Semivariance function of soil pH of Longyan tobacco in 2011 |
表2 1982、2001、2011年土壤pH半方差函数理论模型及有关参数Tab. 2 Theoretical model of soil pH semivariogram function and related parameters in 1982, 2001 and 2011 |
| 时期Period | 模型Model | 变程Range m | 块金值Nugget C0 | 基台值Sill C0+C | 块金效应Nugget/Sill/% C0/C0+C | 决定系数 R2 | 残差 RSS |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1982 | Linear | 2800 | 0.351 3 | 0.411 0 | 85.47 | 0.41 | 0.041 2 |
| 2001 | linear | 2850 | 0.172 9 | 0.182 2 | 94.90 | 0.42 | 6.73E-03 |
| 2011 | Exponential | 1500 | 0.100 4 | 0.225 0 | 44.62 | 0.71 | 7.47E-04 |
通过半方差函数模型的模拟,本文选用普通克里格插值方法,对龙岩市烟区1982、2001、2011年土壤pH进行插值。龙岩烟区pH一直以偏酸性为主,1982年空间分布上（图5）,主要高值区分布在长汀县西北部地区、连城县的中北部地区、以及上杭县的南部地区,呈现块状分布。2001年龙岩烟区空间分布上（图6）,主要高值区各县市均有零星点状分布,其中在长汀县的西北部、上杭县的南部地区、漳平市的中部地区存在较大范围的高值区。2011年龙岩烟区空间分布上（图7）,高值区主要在3个地区：长汀县以新桥镇为中心的区域、上杭县以中赤乡和十方镇为中心的区域、以及漳平市的东北部。3时期的高值区在上杭县南部以中赤乡和十方镇为中心的区域均有分布,表明该区域土壤pH的影响主要是自然原因。1982年龙岩烟区植烟土壤低值区域主要在漳平市大部分地区;2001年龙岩烟区植烟土壤低值区域主要在漳平市的西北部地区以及永定县的西南地区;2011年龙岩烟区植烟土壤低值区域主要在永定县的西南地区,以及永定与上杭县的北部交界处。
图5 1982年龙岩植烟土壤pH空间分布图Fig. 5 Spatial distribution of pH in the soil of Longyan tobacco in 1982 |
图6 2001年龙岩植烟土壤pH空间分布图Fig. 6 Spatial distribution of pH in the soil of Longyan tobacco in 2001 |
本文通过预测误差来检验所得结果是否符合,通过检验（表3）发现,1982、2001、2011年3时期土壤pH的预测误差的均值、预测误差的均方根、平均预测标准差、平均标准差均较小;标准均方根预测误差均接近于1。因此,龙岩烟区植烟土壤pH选用普通克里格插值方法结果满足要求。
表3 1982、2001、2011年土壤pH克里格插值效果Tab. 3 Soil pH Kriging interpolation effect table in 1982, 2001 and 2011 |
| 时期 Period | 检验参数 Test parameters | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| ME | RMS | ASE | MS | RMSS | |
| 1982 | -0.004 58 | 0.599 7 | 0.5798 | -0.010 07 | 1.034 |
| 2001 | 0.002 61 | 0.409 8 | 0.4306 | -0.001 02 | 0.965 |
| 2011 | -0.005 17 | 0.468 6 | 0.4749 | -0.013 71 | 0.984 |
2.2 龙岩烟区植烟土壤pH的时间变异
由表4可知,2001年龙岩烟区植烟土壤pH比1982年龙岩烟区植烟土壤pH平均值下降0.31,2011年龙岩烟区植烟土壤pH比2001年龙岩烟区植烟土壤pH上升0.20。经Duncan差异分析,3时期土壤pH均达极显著差异。1982、2001、2011年土壤pH主要范围为5.0~5.5,处于适宜烤烟生长的范围。
表4 1982、2001、2011龙岩植烟土壤pH平均值统计Tab. 4 Soil pH average statistics table in 1982, 2001, 2011 |
| 时期Period | pH |
|---|---|
| 1982 | 5.34Aa |
| 2001 | 5.03Cc |
| 2011 | 5.23Bb |
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among pH at different times (P<0.05); Different uppercase letters in the same column indicate extremely significant differences among pH at different times (P<0.01). | |
注：同列不同小写字母表示不同时间pH间存在显著差异（P<0.05）;不同大写字母表示不同时间pH间存在极显著差异（P<0.01）。 |
从表5可知,pH<5.0（不适宜种植烤烟区）龙岩烟区植烟土壤的面积,1982年为2828.00 hm2;2001年为6592.25 hm2;2011年为1438.50 hm2。2001年比1982年的不适宜植烟土壤面积比重增加了21.51%,2011年比2001年的不适宜植烟土壤面积减少了29.45%。至2011年,龙岩烟区植烟土壤面积的91.78%均为适宜烤烟生长或者最适宜烤烟生长的区域。2011年、1982年土壤pH最适宜区域面积比较,龙岩烟区最适宜植烟土壤面积下降了14.05%,且最适宜植烟面积的绝对面积较小。由图8可知,1982—2001年龙岩烟区植烟土壤pH下降较严重区域（pH下降大于0.5）,在2001-2011年土壤pH的变化图中,绝大多数地区均表现为pH上升。其中永定县的中部地区、武平县的东南部地区上升较明显（pH上升大于0.5个单位）。其中漳平市东部地区2个时间段中均表现为pH上升较明显区。同时,长汀县的中南部地区、上杭县的东南部地区在2个时期中均表现为较小的下降（pH下降为0~0.5之间）,应引起关注。
表5 1982、2001、2011年龙岩植烟土壤pH面积变化Tab. 5 Area change of to bacco soil with pH in 1982, 2001 and 2011 |
| 适宜性 Suitability | pH范围 pH range | 时期 Period | 面积 Area/hm2 | 比重 Proportion/% |
|---|---|---|---|---|
| 不适宜 （强酸性） | <5.0 | 1982 | 2 828.00 | 16.16 |
| 2001 | 6 592.25 | 37.67 | ||
| 2011 | 1 438.50 | 8.22 | ||
| 适宜 （弱酸性） | 5.0~5.5 | 1982 | 11 530.75 | 65.89 |
| 2001 | 10 907.75 | 62.33 | ||
| 2011 | 15 379.00 | 87.88 | ||
| 最适宜 | 5.5~6.5 | 1982 | 3 141.25 | 17.95 |
| 2001 | 0.00 | 0.00 | ||
| 2011 | 682.50 | 3.90 |
3 讨论
块金效应大小反映的是土壤性质对空间的依赖性强弱,是土壤性质空间变异的结果,Liu等[22]研究表明,空间依赖性越强,受自然因素影响越大,受人类活动影响越小。龙岩烟区1982、2001、2011年块金效应分别为85.47%、94.90%、44.62%,随时间变化,人类活动是其结构因子变化的主要原因。pH高值区域空间分布变化为块状—点状—块状,反映的是耕作制度变化对土壤pH的影响。1982—2001年,耕作制度（家庭联产承包责任制）的变化让龙岩烟区空间变异依赖性减弱。21世纪初期起,龙岩市烟草公司开展统一的配方施肥、土壤改良以及龙岩市烟区种植户减少、土地流转加速[23],烟区烟草种植趋向连片,均一化方向发展,外因（土壤管理）的影响削弱,内因（土壤形成因素）对土壤pH的空间变异的贡献更大[24]。郝红瑞等[25]指出,变程（Range）是最为重要的参数,2011年pH变程（Range）相对1982、2001年减小,也是块金效应变小的可能原因。
1982—2001年,耕作制度的变化带来的化学肥料施用量的过量施用是龙岩烟区植烟土壤pH下降的主要原因。2001—2011年,龙岩烟区生石灰、测土配方施肥的推广[26],促进龙岩烟区土壤pH均值在该时期有所提高。龙岩烟区在2001—2011年,土壤酸化现象得到了一定的抑制,但亚热带地区自然现象（强烈淋溶作用）和酸沉降、化肥施用、作物吸收阳离子等人类活动因素在本区域持续影响土壤酸化[1]。周晓阳等[27]认为南方水旱轮作模式也会出现土壤酸化,邓小华等[28]研究表明水土流失状况显著影响植烟土壤pH,水土流失严重的植烟土壤容易酸化。因此,龙岩烟区应合理注意有机肥配施化肥,定期注重土壤改良剂进行调酸。同时,长汀县是福建省水土流失典型县域单元,本研究发现在长汀县的中南部地区、上杭县的东南部地区两时期均出现土壤pH下降现象,该区域更需关注水土流失治理,以达到改良土壤酸碱度的目的。
4 结论
（1）1982、2001、2011年3年土壤pH均值呈现先下降后上升的趋势,土壤pH分别为5.34、5.03、5.23,土壤pH在烟叶适宜生长的范围之内。
（2）半方差函数模型拟合表明,1982、2001年土壤pH为线性模型,2011年土壤pH为指数模型。1982、2001年土壤pH为弱空间依赖性,2011年土壤pH为中等空间依赖性,空间依赖性呈现先变弱再变强的特点。
（3）pH高值区域空间分布上,1982、2011年土壤pH呈现块状分布特征;2001年土壤pH呈现点状分布特征。
（4）时间变化上,不适宜种植烤烟的地区呈现先上升后下降的趋势,1982、2001、2011年龙岩烟区植烟土壤不适宜种植烤烟区面积分别为2828.00、6592.25、1438.50 hm2。最适宜区面积减少,与1982年相比,2011年龙岩烟区最适宜植烟土壤面积下降了14.05%,且最适宜植烟的面积的绝对面积较小。
（5）近30年龙岩烟区植烟土壤pH有酸化现象,pH整体略微下降,土壤酸化得到了有效的抑制。