喬紅波，張 慧，高 瑞，陳勝利，汪孝國

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與管理科學(xué)學(xué)院，鄭州 450002；2.河南省煙草公司三門峽分公司，河南 三門峽 472000）

土壤酸堿度對土壤肥力及養(yǎng)分的有效性影響很大，在低pH情況下，P、Ca、Mg養(yǎng)分的有效性降低；在高pH情況下，微量元素Fe、Mn、B變?yōu)樽魑锊豢梢晕盏臓顟B(tài)?？緹煂ν寥浪釅A度的適應(yīng)性極強(qiáng)，在pH為3.5～9.0的土壤上均能正常生長，且完成生命周期循環(huán)，但烤煙品質(zhì)卻是在一定 pH范圍內(nèi)最好。因此，適宜的土壤酸堿度是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)烤煙的基礎(chǔ)[1]。

地統(tǒng)計(jì)學(xué)（Geostatistics)于20世紀(jì)50年代初開始形成，60年代在法國著名統(tǒng)計(jì)學(xué)家G Matheron的大量理論研究工作基礎(chǔ)上所形成的一門新的統(tǒng)計(jì)學(xué)分支。一些地統(tǒng)計(jì)學(xué)工作者認(rèn)為：“地統(tǒng)計(jì)學(xué)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以變異函數(shù)為主要工具，研究在空間分布上既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性，或空間相關(guān)和依賴性的自然現(xiàn)象的科學(xué)”[2]，對土壤養(yǎng)分時(shí)空變異的充分研究，是土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)管理和合理施肥的基礎(chǔ)。隨著 3S技術(shù)的廣泛應(yīng)用，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS）研究土壤性質(zhì)空間變異已成為目前土壤學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[3-5]。

利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS研究煙田pH空間變異報(bào)道不多，僅有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了初步探討。如秦鐘立等研究了貴州省植煙區(qū)土壤pH的空間變異特征，發(fā)現(xiàn)pH有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，其變化主要受結(jié)構(gòu)性因子的影響[6]。筆者利用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，研究三門峽煙區(qū)植煙土壤pH時(shí)空變異特征，繪制土壤pH的空間分布圖，為三門峽優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)和植煙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

三門峽市位于河南省西部邊陲，豫、晉、陜?nèi)〗唤缣?，總面積10 496 km2，地貌以山地、丘陵和黃土塬為主，其中山地約占總面積的54.8%，丘陵占36%，平原占9.2%。大部分地區(qū)海拔在300～1 500 m之間，小秦嶺老鴉岔海拔2 413.8 m，為河南省的最高峰。

三門峽煙區(qū)地處中緯度內(nèi)陸區(qū)，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫 13.2℃，年平均日照 2 354.3 h，無霜期184～218 d，平均年降雨量550～800 mm，屬于烤煙生長的適宜區(qū)。

1.2 樣品采集與分析

根據(jù)全國第二次土壤普查中土壤采集方法進(jìn)行土壤采樣。在三門峽市選擇有代表性的植煙土壤，取耕層0～20 cm土樣，每個(gè)采樣點(diǎn)代表的面積為20 hm2，在樣品采集的同時(shí)用GPS定位。采用2.5∶1水土比浸提—pH計(jì)法測定樣品pH。2002年和2007年分別采集土壤樣品697和299個(gè)。采樣點(diǎn)分布情況見圖1。

圖1 三門峽植煙區(qū)土壤采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling locations

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 11.0軟件計(jì)算描述性統(tǒng)計(jì)值；GS+3.0進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析；數(shù)字化地形圖和Kriging插值采用ArcGIS 8.3軟件進(jìn)行。

2 結(jié) 果

2.1 三門峽植煙土壤pH分布狀況

一般來說，土壤pH與烤煙生長呈拋物線型關(guān)系，在pH 5.0～5.5，隨著pH的升高，生長逐漸改善；pH 5.5～7.5，生長最佳；7.5～8.0之間，生長逐漸受阻；小于 5或大于 8，生長不良[7]。由表1可知，2002年煙區(qū)土壤pH變動(dòng)在6.55～8.55之間，平均為7.76，總體來說，土壤偏堿性化，在最適宜煙草生長的5.0～7.5區(qū)間，澠池所占比例最大，達(dá)到 93.5%，陜縣次之（占 24.8%），盧氏居三（占14.9%），靈寶所占比例最小，僅為3.7%。

由表2可知，2007年煙區(qū)土壤pH變動(dòng)在6.6～8.8之間，平均為7.92，集中分布在7.6～8.0和＞8.0兩級，前一級共有 93個(gè)樣點(diǎn)，占采樣點(diǎn)總數(shù)的31.1%，后一級共有104個(gè)樣點(diǎn)，占采樣點(diǎn)的34.7%。

表1 三門峽植煙區(qū)土壤pH分級及各級次數(shù)分布（2002年）Table 1 The classification and frequency of soil pH (2002)

2.2 三門峽植煙土壤pH統(tǒng)計(jì)特征

數(shù)據(jù)正態(tài)分布是使用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行土壤特征空間變異性分析的前提，只有數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布時(shí)，才滿足地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的假設(shè)條件。經(jīng)偏度和峰度檢驗(yàn)表明（表3），2002和2007年土壤pH測定值均符合正態(tài)分布的要求。

2.3 三門峽植煙土壤pH空間結(jié)構(gòu)分析

半方差函數(shù)是區(qū)域化變量在分隔距離上各樣本變異的度量，有關(guān)半方差函數(shù)模型類型的選取和參數(shù)交互驗(yàn)證參照參考文獻(xiàn)[8]，結(jié)果如表4。2002和2007年pH的半方差函數(shù)模型的擬合度為0.713和 0.560，說明選取的理論模型較好地反映了土壤微量元素空間結(jié)構(gòu)特征。

表2 三門峽植煙區(qū)土壤pH分級及各級次數(shù)分布（2007年）Table2 The classification and frequency of soil pH (2007)

表3 不同年份土壤pH描述性統(tǒng)計(jì)Table 3 The description statistics of soil pH

塊金值主要來源于遠(yuǎn)小于抽樣間距的空間尺度上土壤性質(zhì)的差異，其大小直接限制了空間內(nèi)插的精度[9]。本研究中2002年和2007年的塊金值分別為0.198和0.190，說明2002年由于試驗(yàn)誤差引起的pH變異較小。三門峽煙區(qū)土壤pH的空間分布特征主要是地形、成土過程、母質(zhì)等自然因素的影響，人類活動(dòng)對其空間分布特征影響不大。

塊金值/基臺值的大小可判定系統(tǒng)內(nèi)變量的空間相關(guān)性程度：如果比值小于25%，表明變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；如果比值在 25%～75%之間，表明具有中等的空間相關(guān)性；如果比值大于75%，表明空間變量的空間相關(guān)性較弱[10]。表4中 2002年和2007年塊金值/基臺值分別為18.9%和16.4%，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，說明pH的空間變異主要是母質(zhì)、地形和成土過程等結(jié)構(gòu)性因素引起的，與塊金方差分析結(jié)果一致。

變程也稱為空間最大相關(guān)距離，反映了變量空間自相關(guān)范圍的大小，在變程內(nèi)，具有空間相關(guān)性，反之則不存在。從表4中可以看出，2002和2007年的變程分別為55.77 km和92.39 km，說明pH在研究區(qū)域較大范圍內(nèi)均有相關(guān)關(guān)系，反映土壤母質(zhì)、地形和土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素影響較大。擬合的地統(tǒng)計(jì)模型經(jīng)F檢驗(yàn)達(dá)到了顯著水平，說明取樣密度能夠滿足地統(tǒng)計(jì)的需要，插值具有實(shí)際意義。

表4 土壤pH各向同性半方差函數(shù)理論模型和有關(guān)參數(shù)Table 4 Theoretical semivariogram model and corresponding parameters of soil pH value in year 2002 and 2007

2.4 三門峽植煙土壤pH空間分布特征

根據(jù)得到的半方差函數(shù)模型，利用 Kriging最優(yōu)內(nèi)插法，繪制了三門峽煙區(qū)2002年和2007年土壤pH空間分布圖和差異圖。

2002年土壤pH空間分布西部、北部高于東部和南部，盧氏局部地區(qū)也有高pH分布。與2002年相比，2007年pH有增大趨勢，即土壤堿性化程度有所增高，pH空間分布如圖2所示。從圖中可以看出，盧氏縣官道口鎮(zhèn)、沙河、潘河，澠池坡頭等煙田pH有所增大。

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

3 討 論

適宜的土壤酸堿度有利于改善煙株根系生長的環(huán)境條件，促進(jìn)煙株生長，增強(qiáng)煙株的抗病力，提高煙葉產(chǎn)質(zhì)量，是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙的基本條件之一[11-13]。因此，適宜pH對優(yōu)質(zhì)煙生產(chǎn)具有重要意義。傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，三門峽煙區(qū)pH在6.5～8.8之間變動(dòng)，集中分布在6.6～7.5和7.6～8.5，能夠滿足優(yōu)質(zhì)煙生產(chǎn)需要，但局部地區(qū)pH較高，需要調(diào)整。研究表明，不同的煙草品種對pH適應(yīng)性不同，NC89及S7921在中性的環(huán)境中（pH 6.5～7.5）生長較好，K326及紅花大金元在偏酸性的環(huán)境中（pH 5.5～6.5）生長較好，NC82、中煙90則適合于在偏堿性的環(huán)境中（pH 7.5～8.5）生長[14]，因此，根據(jù)pH選擇合適的品種也很重要。

pH服從對數(shù)正態(tài)分布，2002年和2007年變異系數(shù)分別為15.2%和4.5%，變異程度較低，變異函數(shù)的最佳理論模型為指數(shù)模型。土壤pH塊金值/基臺值[C0/C0+C]2002和 2007年分別為 18.9%和16.4%，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，其空間變異由母質(zhì)、地形和成土過程等因素引起；2002和2007年的變程分別為55.77 km和92.39 km，說明pH在研究區(qū)域較大范圍內(nèi)均有相關(guān)關(guān)系，反映土壤母質(zhì)、地形和土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素影響較大。

采用Kriging最優(yōu)內(nèi)插法得到三門峽煙區(qū)2002和2007年土壤pH空間分布圖。從圖中可以看出，pH呈增加趨勢，尤其在東部的澠池縣和南部的盧氏縣，其原因可能是化學(xué)肥料用量加大，自然降水減少而地下水灌溉增多，地下水多為堿性，有機(jī)肥用量相對下降等。

對于pH較高的地塊，應(yīng)注意改良土壤，通過適當(dāng)選用生理酸性氮肥、鉀肥和酸性過磷酸鈣等肥料，結(jié)合移栽時(shí)窩施、環(huán)施，改善根際微環(huán)境內(nèi)的酸堿度。同時(shí)，施用腐植酸肥料也是降低pH的一條有效途徑。有研究表明，腐植酸對土壤有酸化作用，這有利于偏堿性的土壤上煙株的生長發(fā)育和優(yōu)良品質(zhì)的形成。

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