良好的土壤生态环境条件是维持烟草产量和质量的重要前提^[1-2]。土壤酸碱度不仅通过影响土壤养分的形成、转化对烟草生长发育产生重要作用，而且对区域植烟土壤的整体生态系统功能产生不可忽视的影响^[3-4]。pH过低或过高，通常会改变土壤元素的有效性，从而导致烟株元素的失调^[5-6]，故烟区土壤酸碱度的调节一直是烟区土壤管理的重要内容。

我国烟草种植面积广大，种植区域包括东南沿海、华北、华中、西南和东北等地区^[7]。由于植烟土壤分布区域较广，各区域气候、土壤等环境条件不同，导致不同烟区之间的土壤酸碱度空间变异特征及管理措施出现差异^[8-9]。一些学者对烟区土壤酸碱度的水平等级开展研究，如魏国胜^[10]研究了湖北省咸丰县植烟土壤pH状况，发现该烟区土壤酸化严重，土壤pH平均值仅为4.4，pH < 5.0的强酸性土壤面积占比高达80.3%，对烟草生产造成不利影响；王晖等^[11]研究了四川攀西烟区紫色土的pH状况，发现大部分采样点的土壤pH都在适宜范围之外，处于最适宜烤烟生长范围的土壤样品占比为13.3%，而pH > 7.5的碱性土壤样品占比50%。也有一些学者对烟区土壤酸碱度的影响因子展开探讨，如欧阳磊等^[12]研究了云南沾益植烟土壤pH分布特征，发现土壤类型对pH有重要影响，不同土壤类型pH高低顺序表现为：新积土 > 水稻土 > 紫色土 > 红壤；Zhang等^[13]研究发现重庆地区连续植烟10 a后土壤pH平均下降0.20个单位；Li等人^[14]的研究表明，农田土壤pH的下降随母质和土壤类型的不同而不同，土壤pH下降幅度大与初始pH低和土壤阳离子交换容量(CEC)小密切相关。针对烟区土壤pH调节的研究也日益受到重视。石灰和白云石是较常使用的酸化土壤改良物质，但其在改变土壤pH的同时，也会造成土壤板结，并引起钙镁拮抗等作用^[15]。美洲和非洲有些国家将一些工业副产品如磷石膏等用于酸性土壤改良，但我国磷酸工业产生的磷石膏中残留了比较多的酸性物质，限制了这一方法在我国酸性土壤改良中的应用^[16]。近几年，施用炭基有机肥进行土壤改良成为流行做法，基于作物秸秆等农业废弃物制备的炭基有机肥含有较强的碱性物质，不仅能够提高土壤pH和降低交换性铝含量，而且还能改善土壤理化性质，提高土壤肥力^[17-18]。已有研究表明，查明烟区土壤pH空间分布特征及其主控因子是酸化土壤改良的必要前提。

毕节是贵州省优质烟叶产地，烟草种植面积较大，是全市经济社会发展的支柱产业，在全国烟草生产中具有重要地位。由于地形地貌条件复杂，地带性和非地带性土壤并存，导致毕节烟区土壤pH空间变异性强，给区域土壤改良带来挑战。近几年毕节地区已建成了烟杆炭基有机肥生产基地，为植烟区酸化土壤改良提供有利机会，现在迫切需要明确该有机肥适宜施用的具体区域，已成为该植烟区土壤研究的重要课题。鉴于此，本研究选择毕节市植烟区作为研究对象，通过野外土壤采样点数据，分析毕节烟区土壤pH变异特征和区域分布特点，查明哪些地区适宜通过炭基有机肥施用改善土壤pH，哪些地区不适宜施用，为该烟区炭基有机肥的精准施用和烟叶品质的提升提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

毕节市位于贵州省西北部，地处26°21′N ~ 27°46′N，105°36′E ~ 106°43′E，面积约2.69 × 10⁴ km²，下辖七星关、大方、黔西、金沙、织金、纳雍、威宁和赫章8个县、区。该地区地处滇东高原向黔中山原过渡地带，地势整体上呈现西高东低，平均海拔为1 400 m。全市属北亚热带季风湿润气候，年均降水量为849 ~ 1 399 mm，各区县多年平均温度介于10 ~ 15 ℃，年日照时数为1 096 ~ 1 769 h，无霜期为245 ~ 290 d。该地区属于典型的岩溶山区，地形复杂，土壤类型多样，主要包括黄壤、黄棕壤、石灰土、紫色土、粗骨土等，其成土母岩主要包括碳酸盐岩、砂岩、砂页岩、页岩等类型。毕节市是贵州省的主要烟草产区之一，烟草种植面积约8.33 × 10⁴ hm^2[19]，其他农作物主要有水稻、小麦和大豆等。

1.2 样品采集与处理

本研究于2018年和2019年在毕节植烟区共采集了2 059个土壤样点(图 1)。采样时依据毕节烟草公司提供的“烟草规模种植统计表”，计算出各区县及所辖乡镇的植烟面积权重，再根据面积比例分配采样点数量。为保证样品的代表性，土样均在烟草集中连片区域采集。全部采样点所属土壤类型(土类等级)主要包括粗骨土、黄壤、黄棕壤、石灰土和紫色土，所属母岩类型分别为砂岩、砂页岩、页岩和碳酸盐岩。其中，大方县、赫章县、金沙县、纳雍县、七星关、黔西县、威宁县和织金县的土壤样点数量分别为309、168、98、129、143、173、958、81个。土壤样品采集分别于2018年10月和2019年10月进行，在每个采样点附近约20 m范围内取4 ~ 5个土壤表层(0 ~ 20 cm)样品，充分混合后取500 g土为1个混合样品。采样时利用GPS定位仪记录采样点的经纬度和海拔高度，并记录各采样点的地形地貌等相关环境信息。本研究土壤pH采用pH计法(土水比为1：2.5，m：V)测定，具体测定步骤遵照土壤农化常规分析方法进行^[20]。根据已有的植烟区土壤pH研究^[9，21]，结合毕节地区的烟草种植情况，将毕节烟区土壤pH划分为极低(pH < 5.0)、偏低(5.0 < pH < 5.5)、适宜(5.5 < pH < 7.0)、偏高(7.0 < pH < 7.5)和极高(pH > 7.5) 5个等级。

1.3 数据来源

本研究使用的毕节地区的土壤类型图(1：25万)、成土母岩图(1：25万)及数字高程模型(DEM)数据(30 m × 30 m)由毕节市农业和自然资源部门提供。

1.4 土壤pH空间插值

为提升毕节烟区土壤pH空间插值的精度，本研究采用结合环境因子的克里格方法。基于土壤pH影响因子分析，从土壤类型、母岩类型及海拔、地形位置和坡地部位等地形因子中，得到毕节烟区土壤pH变异性的主控环境影响因子，并将其作为土壤pH空间克里格插值的辅助因子，以提升研究区土壤pH空间插值精度。具体做法为：首先将全部采样点分为两部分，一部分为插值样点，另一部分为精度验证样点，两者分别占总样点数量的80%和20%，即分别为1 647和412个采样点；其次依据土壤pH的主要影响因子将采样点分为若干个子类型，每个子类型土壤样点的pH(z(x_kj))可以被分为子类型均值μ(t_k)和残差r(x_kj)两部分(公式1)。

$ Z\left(x_{k j}\right)=\mu\left(t_k\right)+r\left(x_{k j}\right) $

(1)

式中：t_k为所属的子类型，x_kj是样品所在位置。该方法将各样点pH的总方差分为两部分，即子类型间均值方差和子类型内的残差方差，其中均值方差反映的是各子类型间的变异性，残差方差反映的是子类型内部土壤pH的变异性^[22]；最后，将全部采样点的土壤pH残差值作为新随机变量进行克里格空间插值，其变异函数γ_r(h)和待估点x_kj的预测如公式(2)和(3)所示：

$ {\gamma _r}\left( h \right) = \frac{1}{{2N\left( h \right)}}{\sum\limits_{i = 1}^{N\left( h \right)} {\left[ {r\left( {{x_{kj}}} \right) - r\left( {{x_{kj}} + h} \right)} \right]} ^2} $

(2)

$ {r^*}\left( {{x_{kj}}} \right) = \sum\limits_{j = 1}^m {\sum\limits_{k = 1}^{n\left( j \right)} {{\lambda _{kj}}z\left( {{x_{kj}}} \right)} } $

(3)

各待估点的土壤pH预测值z^*(x_kj)为pH残差估计值与子类型均值μ(t_k)之和，即：

$ Z^*\left(x_{k j}\right)=\mu\left(t_k\right)+r^*\left(x_{k j}\right) $

(4)

土壤pH空间插值的不确定性通过412个验证点预测值与实测值的均方根误差(RMSE)进行评价，RMSE越小，则预测精度越高，反之精度越低。

1.5 施肥适宜性等级划分

炭基有机肥适宜在酸性土壤和有机质含量低的区域施用，本研究基于土壤pH和有机质空间插值图的栅格叠加，并综合考虑土壤pH和有机质含量水平，通过栅格统计将毕节植烟区划分为不同的炭基有机肥宜施区域。首先将插值栅格的pH划分为极低(pH < 5.0)、偏低(5.0 < pH < 5.5)、适宜(5.5 < pH < 7.0)、偏高(7.0 < pH < 7.5)和极高(pH > 7.5)5个等级，将其宜施等级值分别赋值为5、4、3、2和1；其次将插值栅格的有机质含量亦划分为极低(SOM < 10g/kg)、偏低(10 < SOM < 15g/kg)、适宜(15 < SOM < 25g/kg)、偏高(25 < SOM < 35g/kg)和极高(SOM > 35g/kg)5个等级，同样将其宜施等级值分别赋值为5、4、3、2和1；最后通过两赋值的乘积作为炭基有机肥宜施等级的划分依据，将赋值乘积按照12 ~ 25、6 ~ 11、< 6共3个等级分别确定为炭基有机肥的适宜施用区、次适宜施用区和不适宜施用区。为更为精准地指导区域炭基有机肥的施用，本研究将宜施等级细化至乡镇水平，具体做法为：若该乡镇的适宜等级的面积占最大比例，则将该乡镇确定为重点施用乡镇；若次适宜面积比例最大，则将该乡镇确定为一般施用乡镇；若不适宜等级面积比例最大，则将该乡镇确定为不宜施用乡镇。

1.6 数据统计分析

毕节烟区土壤pH数据的描述性统计分析，以及通过方差分析(ANOVA)对比不同土壤类型(土类等级)、母岩类型、海拔等级、地形位置和坡地部位之间的土壤pH差异是否显著，进而查明不同因子对毕节烟区土壤pH空间变异的影响程度差异，均是通过SPSS 20.0完成。通过GS⁺9.0软件分析采样点pH数据的半方差函数，土壤pH插值图和炭基有机肥适宜施用性分布图由ArcGIS 10.0软件绘制。

2 结果与分析 2.1 土壤pH统计特征

毕节烟区全部土壤采样点(n=2 059) pH的统计结果(表 1)表明，烟区土壤pH均值为6.5，整体上呈弱酸性，变幅为3.8 ~ 8.7。全部样点pH的变异系数为0.2，为中等强度变异。从各县区看，大方、威宁和七星关三县区的pH相对较低，分别仅为6.2、6.3和6.3，显著低于其他县区(P < 0.05)；而织金、金沙和黔西三县的pH均值达到或超过了7.0，均显著高于其他县区(P < 0.05)；赫章和纳雍两县的pH居中，但两者之间的差异也达到显著水平(P < 0.05)。各县区pH分段统计表明，纳雍县土壤pH处于适宜等级的比例最大，为51.2%；其次为威宁、七星关、赫章和大方四县区，其比例分别为45.3%、44.8%、44.2%和42.2%；而金沙、黔西和织金三县区的比例较低，分别仅为30.6%、34.3%和34.6%。大方县pH处于偏低和极低两等级的比例之和为32.5%，而织金、金沙和黔西三县的相应比例均低于10%；相反地，金沙、织金和黔西三县土壤pH处于偏高和极高等级的比例均超过了50%，而大方县的相应等级比例仅为25.3%。

2.2 不同因子对土壤pH的影响

不同土壤类型、母岩类型、海拔等级、地形位置和坡地部位之间的土壤pH统计如表 2所示。从5种土壤类型间的pH对比结果看出，黄棕壤和黄壤的pH最低，分别仅为5.7和5.8，而石灰土的pH最大，达到了7.5，紫色土和粗骨土pH居中；除黄棕壤与黄壤之间的pH未达到显著性差异外，其他任意两种土壤类型的pH均差异显著(P < 0.05)。从不同母岩发育的土壤来看，砂岩土壤pH最低，仅为5.5，而碳酸盐岩发育土壤的pH最高，达到7.4，砂页岩和页岩发育土壤的pH分别为5.7和6.0，居于前两者之间；除砂岩和玄武岩之间pH未达到显著差异外，其他类型间均达到显著差异水平(P < 0.05)。各母岩类型采样点pH的分布等级统计表明，砂岩土壤采样点中有50.3%的比例处于偏低和极低等级；其次为砂页岩和页岩，相应的样点比例为36.6%和22.4%；而碳酸盐岩土壤的相应比例仅为0.2%。从海拔等级来看，低于1 200 m的区域土壤pH最高，达到7.0，而海拔超过2 100 m的地区，土壤pH最低，仅为6.0，海拔处于1 200 ~ 1 600 m和1 600 ~ 2 100 m两等级的土壤pH居中且较为接近，并与前两等级区域的pH之间均达到显著差异(P < 0.05)。从地形位置看，坝地与坡地位置上的土壤pH分别为6.4和6.5，两者之间未达到显著水平；坡地的坡顶、上坡、中坡、下坡和坡底5个部位的土壤pH均介于6.3 ~ 6.6，仅中坡和下坡土壤pH与其他部位达到显著性差异(P < 0.05)。

基于相同的采样点，土壤类型、成土母岩、海拔高度、地形部位和坡地位置5个因子的土壤pH方差分析(表 3)表明，不同因子对土壤pH变异的影响存在较大差异，土壤类型、母岩类型和海拔高度对pH的影响达到极显著水平(P < 0.01)，而地形位置和坡地部位的影响为显著水平(P < 0.05)。其中，各母岩类型间pH方差分析的F值为1 328.0，各土壤类型间pH方差分析的F值为795.3，而海拔、地形位置和坡地部位对应的F值分别为39.6、5.2和5.3。

2.3 土壤pH空间分布及施肥分区

方差分析表明母岩类型对土壤pH空间分布的影响大于其他因子(表 3)。故本研究将母岩类型作为土壤pH克里格插值的辅助信息，通过球状模型拟合了pH相关数据的半方差函数，得到了毕节烟区土壤pH空间分布特征图(图 2)，并基于412个验证样点得到了研究区土壤pH空间预测的均方根误差为0.81。从插值图中可以看出，毕节烟区土壤pH具有较强的空间变异性，全市东部地区pH较高，而中部和西南部地区pH偏低；从各县区pH分布看，黔西、金沙两县的中部和大方县的东部地区pH较高，而七星关区中西部、威宁县南部pH较低。而从各pH分级面积及占比的统计结果看，毕节烟区土壤pH以适宜等级(5.5 < pH < 7.0)的比例最高，达到44.1%；其次为偏高(7.0 < pH < 7.5)和偏低(5.0 < pH < 5.5)等级，两等级的面积占比分别为20.6%和16.8%；而极高(pH > 7.5)和极低(pH < 5.0)的面积占比分别为16.1%和2.4%。从整体上看，该烟区土壤pH超过适宜区间的比例较高，达到36.7%，而低于适宜区间的面积比例为19.1%。

乡镇水平的炭基有机肥宜施等级划分如图 3所示。可以看出，毕节植烟区炭基有机肥适宜施用区、次适宜施用区和不适宜施用3种类型区共存，其中次适宜施用区面积最大，达到60.2%，其次是适宜施用区，面积比例为25.1%，而不适宜施用区的面积比例仅为14.7%。炭基有机肥适宜施用区主要分布在毕节烟区的西部和中部的部分地区，以及东部的局部区域；不适宜施用主要分布在东部地区和中部的部分区域；而次适宜施用区主要分布在中东部地区。从行政区划上看，威宁县西部、七星关区的东南部和大方县的西北部是炭基有机肥的适宜施用区；而赫章县中北部、黔西县中南部、金沙县中北部和金沙县中东部是不适宜炭基有机肥施用的地区。

依据炭基有机肥适宜、次适宜和不适宜等级的面积比例，将毕节市全部乡镇划分为炭基有机肥重点施用、一般施用和不宜施用3种类型，其乡镇数量分别为47、170和41个。在重点施用的乡镇中，以威宁和七星关等县区的乡镇为主(图 4)，两县区的重点施用乡镇数量均为14个，占全区比重分别为40.0%和31.1%，相对较大。一般施用乡镇主要分布在织金、纳雍和金沙等县区，其面积比例均在70%以上。炭基有机肥不宜施用的乡镇在各县区中均有分布，但黔西、织金、大方县的不宜施用乡镇相对较多，其中黔西县的不宜施用乡镇占全县的比例最高，达到了51.6%，织金和大方县的相应比例分别为21.9%和18.9%。

3 讨论

毕节植烟区2 059个土壤采样点的pH数据统计表明，该烟区土壤pH均值为6.5。按照陈江华等^[1]学者关于pH处于5.5 ~ 6.5为最适宜烟草生长的观点，毕节植烟区土壤pH整体上应十分有利于烟草种植。但pH值分区统计表明，处于适宜(5.5 < pH < 7.0)等级的样点比例(43.0%)不足全部样点的一半，而pH低于和高于适宜等级的样点比例分别为21.6%和35.5%，这说明毕节烟区土壤pH具有较强的空间差异性，存在较大比例的低值和高值区域。符云鹏等^[4]基于2006年在毕节植烟区采样数据(n=348)得到毕节土壤pH均值为6.4，处于5.5 ~ 6.5之间的比例达到44.8%。与该研究结果相比，当前毕节烟区土壤pH虽然有所上升，但不适宜烟草生长的比例也大为增加，这必然对该地区烟草生产带来不利影响。各县区土壤pH及各等级对比结果表明，8个县区间土壤pH存在较大差异，较强的土壤pH空间变异性给毕节烟区制定科学的土壤和环境管理措施带来挑战。

土壤pH的空间变异受到多种因子的制约。首先，由于钾、钙、镁等碱性盐基离子的大量流失，加之化肥的不合理施用，导致黄棕壤和黄壤的酸化相对严重，而石灰土的钙、镁盐基离子含量较高，使其pH较高和极高等级的比例明显高于其他土壤类型。可见土壤类型对毕节烟区土壤pH具有重要影响，阙劲松等^[23]在云南红河州弥勒市的研究也证实了不同土壤类型间的pH可存在较大差异。其次，成土母岩对pH存在极大影响，砂岩发育土壤偏酸的比例最高，其次为砂页岩和页岩，而碳酸盐岩发育的土壤基本上不存在酸化状况，这主要是由于各母岩发育土壤盐基离子淋失差异造成盐基饱和度不同^[24]。再者，不同地形因子对土壤pH的影响有所差异。海拔对土壤pH的影响达到显著水平，高海拔地区植烟土壤的pH较低，酸化土壤分布较广。这主要是由于高海拔地区的降水略高，土壤盐基离子淋溶强度大于低海拔地区。这与唐韵等人^[25]在湖南省龙山县烟区的研究结果较为一致。周炼川等^[26]在云南省文山植烟区的研究也发现了随着海拔升高土壤pH呈降低趋势。坝地与坡地等地形位置之间的土壤pH差异未达到显著水平，尽管坡地的中、下坡与其他部位的土壤pH达到了显著差异(P < 0.05)，但各部位土壤pH整体差异不大。对比分析表明，母岩和土壤类型是影响毕节烟区土壤pH分布特征的主控因子。因此，在对土壤pH偏高和偏低的区域进行改良时，应充分考虑母岩和土壤类型的空间分布特征，进而采取有针对性的农业管理措施。

从空间分布格局看，毕节东部地区的pH略高于中西部地区，大致上呈现东部高西部低的整体格局。这与土壤pH主要影响因子的空间分布特征密切相关。西部地区的土壤多为基于砂岩、砂页岩等母岩类型发育而来，以黄棕壤和黄壤等土壤类型为主，而碳酸盐岩发育的土壤分布相对较少，这与遵义烟区相同母岩的土壤较为相似^[9]。由于该地区处于亚热带海拔较高地区，降雨频繁，有利于黄棕壤和黄壤的累积黏化过程，同时具有硅、铁淋溶的富铝化特征，土壤多呈酸性反应。同时，考虑到该地区气候较为湿冷，土壤水分蒸发弱而入渗作用强，土壤依然存在酸化趋势。因此，这些地区应成为今后酸化土壤调节和治理的重点区域。东部地区多为碳酸盐岩发育的石灰土比例较高，脱钙程度低，盐基含量丰富而维持较高的pH，甚至部分地区的pH已超过了7.5，这与刘杰等^[27]在铜仁烟区的研究结果以及蔡凯等^[28]在贵州全省植烟区的研究结果一致，较高的土壤pH将对烟草的生长发育及烟叶品质产生不利影响。分析表明，毕节植烟区土壤pH偏低和偏高均大面积存在，在制定土壤管理措施时应区别对待。近几年来，毕节植烟区开始试点炭基有机肥以改善土壤条件，由于炭基有机肥偏碱性，因此在进行以提升酸化土壤pH为目的而施用炭基有机肥时，并不适合在全部植烟区共同施用，而是要开展有针对性地科学施用。在土壤pH较低(pH < 5.5)和有机质含量也较低(SOM < 25 g/kg)的乡镇可大量施用炭基有机肥，作为炭基有机肥的重点施用区；对于土壤pH(5.5 < pH < 7.0)和有机质含量适中(25 < SOM < 35 g/kg)的乡镇，不宜大量施用炭基有机肥，建议酌情少量施用；而对于土壤pH偏高(pH > 7.0)及有机质含量也较高(SOM > 35 g/kg)的乡镇则不宜施用炭基有机肥，不建议施用，以免由于炭基有机肥施用造成pH和有机质含量进一步升高，对烟草生长造成不利影响。

4 结论

本研究基于毕节烟区2 059个土壤采样点，分析了该烟区土壤pH现状、空间分布格局及影响土壤pH空间变异的主要因子，并由此确定了炭基有机肥施用适宜性的空间分区。毕节烟区pH平均值为6.5，空间分异较大，pH偏高和偏低的烟区比较均较大。母岩对土壤pH的空间分布起到决定性影响，其次为土壤类型。土壤pH空间分布上大致呈现东部高西部低的整体格局，毕节植烟区的中部和西部的部分区域适宜施用炭基有机肥，而东部和中部的部分地区需慎重施用。炭基有机肥重点施用乡镇多集中在威宁、七星关和赫章等县区，不宜施用区主要分布在大方、黔西、金沙和织金等县区。