福建省是我国三大优质产烟区之一，其烟叶以其独特的清甜香风格受到市场的青睐，是我国清香型烟叶的主产区^[1]。镁是叶绿体的重要组分，作为叶绿素分子的中心原子并决定其结构和功能^[2]，参与植物的光合作用、糖酵解、三羧酸循环等过程^[3]，是烤烟生长的必需营养元素。同时，镁可以提高烟草的产量和品质，施用适量镁可改善其植物学性状，增加叶绿体色素的含量，提高植株光合强度和蒸腾强度，促进烟草的生长发育^[4-5]。

土壤的供镁能力与土壤交换性镁含量水平密切相关，交换性镁是衡量土壤中镁丰缺程度的重要指标^[6]。我国南方土壤矿物易风化淋失，供镁能力较弱，植烟土壤缺镁现象较为普遍，对烤烟产量和品质会造成一定影响。自第二次土壤普查以来，前人已对福建烟区土壤肥力状况做过相关研究，明确了福建烟区土壤的缺镁现象^[7]，并推荐补施镁肥。近年来，烟农对施镁愈发重视，福建烟区土壤交换性镁含量逐渐提升，缺镁现象有所缓解，然而生产中仍存在缺镁的现象，制约着烟叶生产的高质量发展。

同时，南方土壤偏酸性，长期不合理施肥易使土壤酸化现象加剧，中国农田酸化趋势明显^[8]。近年来，我国烟区土壤都出现了不同程度的酸化问题，酸化会影响氮、磷、钾等养分的供应能力以及微生物群落结构和数量，不利于土壤养分的循环^[9]，进而导致烟草根茎性病害的发生^[10]，对烤烟根系生长发育和优质烟叶生产带来不同程度的负面影响^[11-12]。另一方面，酸化有降低土壤有效镁含量的风险^[13]，李丹萍等^[14]在进行土壤淋洗模拟实验中发现，酸化的土壤中镁的形态活跃，更容易淋失，穆聪等^[15]研究表明土壤酸碱性是影响土壤镁有效性和空间分布的重要因素，这无疑限制了植物对土壤镁的利用^[16]。

本文通过福建省烟区土壤普查，在大样本基础上综合采用 Moran’s I 指数、冷热点分析和 Kriging 插值法，从不同角度分析福建省烟区土壤交换性镁含量和 pH 的空间分布情况，明确福建省烟区土壤交换性镁的分布特征和土壤酸化现状，以期为烟区镁肥合理施用和养分综合管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2018 年在福建省三明市、龙岩市、南平市烤烟主产区，采集有代表性的耕作层（0～20 cm） 土壤样品 1199 个，其中南平市 350 个，龙岩市 350 个，三明市 499 个（图1）。在晚稻采收后，翻地施肥前采集土壤样品。在同一采样单元，用梅花点或“S”形取样法取 5～8 个小样点土壤，制成一个混合样，并用 GPS 对取样点定位。采回的土壤通过四分法分至适合土量，经阴凉风干后，研磨过 0.85 mm 筛备用。

1.2 测定方法

土壤 pH 采用电位法测定，水土比 2.5∶1；土壤交换性镁含量采用 1 mol/L 中性醋酸铵溶液浸提，通过 OES-MS 测定^[17]。植烟土壤变换性镁和 pH 分级标准^[18]见表1。

1.3 研究方法

1.3.1 全局 Moran’s I 指数

地理属性在空间上的整体分布聚集情况采用全局 Moran’s I 指数来指征^[19]。全局 Moran’s I 指数是在定量的基础上，基于统计学相关系数的共变量，从全局尺度对地理空间要素是否存在聚集特征进行描述的一种统计量，共变量的大小程度即代表两组数的相关性大小，其取值范围通常在[−1，1]之间，取值为正表示地理属性在空间上呈聚集分布，反之则为离散（分散）分布，且 Moran’s I 指数的绝对值越大表明空间的相关程度越高，越趋向于 0 则越偏向于随机分布^[20]。在进行全局 Moran’s I 指数分析时通常将 I 标准化为 Z，以判断相关性显著程度，当 |Z|>1.96，则为显著的空间自相关，反之则不相关。

式中，X_i 和 X_j 分别是位置i和 j 处的实测值（g·kg^-1）；$\stackrel{-}{X}$是平均值（g·kg^-1）；W_ij 是空间权重矩阵；n 是样本数（个）。

1.3.2 冷热点分析

冷热点分析（Getis-Ord G^*_i）能分析变量的空间分布聚集程度，在全局空间相关分析的基础上，进一步采用 G_i^*（d）值来表征局部区域内地理属性的高值簇区（热点）和低值簇区（冷点），并将其在空间上展现出来，识别热点区域与冷点区域的空间分布状态，反映某区域与邻近区域的空间关联程度和地理属性在空间上的异质性^[21]。

G^*_i （d）检验的标准化统计量为：

式中，X_j 为某一坐标点的土壤属性值；W_ij为区域内 i点和 j 点之间的权重；EG^*_i 和 VAR（G^*_i）分别表示 G^*_i （d）的数学期望和变异系数。若 Z（G^*_i）为显著正值，则表明 i 地区是该土壤属性的高值聚集区，属于热点区域，反之则为冷点区。

1.4 数据处理与统计分析

数据处理和常规统计分析用 SPSS 19.0 完成，普通 Kriging 插值和绘图用 ArcGIS 10.7、GeoDa、GS+ 9.0 和 Origin 2019 完成。

2 结果与分析

2.1 福建省烟区土壤交换性镁和 pH 的描述性统计特征

在福建省烟区采集的 1199 个土壤样品中，去除异常值后，交换性镁的浓度变幅在 18.35～171.36 mg/kg 之间，平均值为 70.10 mg/kg，处于较缺镁状态，变异系数为 38.41%，属于中等变异（10%～90%）^[22]，其中，土壤交换性镁含量极低（<48 mg/kg）的土壤占 20.70%，较低（48～96 mg/kg）的土壤占 63.96%，适宜及以上（>96 mg/kg） 的土壤占 15.34%（表2）；土壤 pH 变幅在 4.24～7.79 之间，平均值为 5.19，处于偏酸状态，变异系数为 7.46%，属于低等变异（<10%），土壤 pH 极低 （<5.0）的土壤占 32.61%，较低（5.0～5.5）的土壤占 50.63%，适宜及以上（>5.5）的土壤占 16.76%（表2）。

2.2 福建省烟区土壤交换性镁和 pH 全局空间自相关分析和局部冷热点聚类分析

对福建省烟区土壤交换性镁和 pH 进行全局自相关分析发现（图2），福建省烟区土壤交换性镁的全局 Moran’s I 指数为 0.236，Z 值为 13.49 （>1.96），P 值为 0.001；土壤 pH 的全局 Moran’s I 指数为 0.230，Z 值为 14.17（>1.96），P 值为 0.001 [通过随机化 999 次置换（蒙特卡罗）检验，两期 P 值为 0.001（<0.05），Moran’s I 指数有效 ]。这表明土壤交换性镁含量和 pH 在空间分布上存在显著的空间正相关（Moran’s I 指数>0，接近 1），呈聚集分布，即某一小区域土壤的交换性镁和 pH 的高低会分别受其周围区域土壤交换性镁和 pH 大小的正影响。两期点位大多分布在第一和第三象限，说明空间上以高-高集聚和低-低集聚为主。

进一步采用局部冷热点聚类分析（图3），总体上，福建省烟区土壤交换性镁含量呈南低北高的状态，pH 则呈南高北低的状态。其中，烟区土壤交换性镁含量高值（热点）主要集中在福建省烟区北部（南平市），低值区（冷点）主要集中在福建烟区中西部一带（三明市西南部、龙岩市西北部），而南部地区和部分中部地区则表现出不显著的空间分布格局；烟区土壤 pH 含量高值主要集中在福建省烟区南部烟区（龙岩市烟区），低值主要集中在中部（三明市中部、北部）和北部（南平市），部分中部地区（三明市南部）的空间聚类分析表现为不显著。

2.3 福建省烟区土壤交换性镁空间分布特征与土壤 pH 的空间结构分析

去除异常值后，对福建省烟区土壤交换性镁和 pH 进行 log 函数转换，经 Arcgis 10.7 中 Geostatiscal Analyst 工具的 Histogram 和 Normal QQ plot 检验，符合正态分布。对土壤交换性镁含量和 pH 进行半方差模型拟合，参照选取标准（决定系数接近于 1、残差趋向于 0），发现线性模型拟合系数较高、残差较小。

块金值（Co）是最小抽样尺度以下变量的变异性及测量误差，基台值（C+Co）表示变量在整个研究范围内的变异强度，块金比[Co/（C+Co）]表示随机部分引起空间异质性所占系统总变异的比例，表明系统变量的空间相关性的程度^[23]。在农业上，结构性因素主要包括地形、气候、母质、土壤类型等自然因素，随机因素则主要包括施肥、耕作、种植模式等受人为影响较大的因素^[24]。福建省主要烟区土壤交换性镁和土壤 pH 线性模型块金比分别为 82.362% 和 80.120%，均 >75%，表现出较弱的空间自相关性，表明其空间异质性主要受随机部分的影响，即植烟土壤的空间变异性主要受施肥管理、种植制度等人为因素的影响。

2.4 福建省烟区土壤交换性镁空间分布特征与土壤酸化现状

由表4 可知，在植烟区内，南平市烟区土壤交换性镁含量最高，达 81.06 mg/kg，且变异系数最小，为 35.66%，其交换性镁含量的适宜土壤比例达 25.57%，远高于三明市与龙岩市。三明市烟区土壤 pH 最低，为 5.08；龙岩市烟区土壤 pH 达 5.42，为 3 个烟区最高，其适宜及以上 pH 土壤占龙岩市总烟区面积的 31.89%。

通过 log 函数转换后，样本值符合正态分布。采用 Kriging 插值法得到福建省主要烟区表层土壤交换性镁和 pH 的空间分布（图4）。福建省烟区土壤交换性镁含量仍较低，平均含量 70.10 mg/kg， 84.66% 的土壤处于交换性镁缺乏或极缺状态，交换性镁含量适宜的土壤仅占 15.34%。交换性镁在空间上的分布主要呈现连片和斑块状镶嵌并存的格局，交换性镁含量较高的土壤主要分布在北部烟区。

注：各项目数据后字母不同表示地区间差异显著（P<0.05）。

福建省烟区土壤以酸性土为主（pH<6.5）， 83.24% 的烟区土壤 pH 处于低或极低的水平（pH<5.5），仅有 16.51% 的土壤 pH 处于适宜水平。在空间上，pH 的分布较为集中，连片现象明显，中部地区土壤酸化较为突出。

3 讨论

目前全球酸性土壤约占陆地面积的 30%，我国酸化土壤面积达 2.18×10⁸ hm²，占国土总面积的 22.7%^[25]。近年来随着农资的不合理投入等人为因素影响的加剧，中国农田生态系统土壤酸化加速^[8，26]。2018 年在福建主要烟区采集的 1199 个表层土壤 pH 平均值为 5.19，土壤 pH 极低与较低 （<5.5）的土壤占烟区土壤总面积的 83.24%，土壤 pH 变异系数为 7.46%，说明研究区土壤 pH 较为接近，最大值只是属于个别现象，绝大多数采样点植烟土壤都呈酸性，酸化现象较严重，不利于烤烟生长。

土壤 pH 的区域性变化是多种自然因素与人为因素共同作用的结果。福建省位于亚热带气候区，年均气温 15.8～21.7℃，年均降水量 1015～1923mm^[27]，高温多雨气候条件下，土壤矿物分解和有机质矿化作用强烈，盐基物质易不断淋失，土壤胶体负电荷位点被 H⁺ 占据，土壤阳离子变换量和盐基饱和度降低，氢饱和度上升，土壤酸化现象普遍^[28]；另一方面，稻-烟水旱轮作模式下，植烟土壤有较长的排水期，期间土壤中亚铁离子被氧化，质子释放过程中可能会加剧土壤酸化进程^[29]；同时，长期不合理施肥，特别是酸性肥料或氮肥的不合理施用，也会造成土壤酸化^[30]。空间分布上，土壤 pH 呈块状聚集分布明显，且正向空间自相关性较强，这与陈清霞等^[19]的研究类似，高值区和低值区分布界线明显，其中以三明市土壤酸化现象最为严重，第二次土壤普查显示，酸性土壤耕地面积为三明市 >南平市 >龙岩市^[31]，与 2018 年烟区土壤普查结果一致。

镁对烟草的产量和品质起着至关重要的作用。生产上，烟农更注意氮磷钾等大量元素的补充，容易忽略钙镁等中微量元素的补充^[32]，导致植烟土壤缺镁现象突出；另一方面，福建等南方地区红壤本身矿质养分含量低，且多雨季节时土壤淋溶作用较强烈，Mg²⁺ 外包有很厚的水化层，负电荷对它的吸引力减弱，导致易随雨水淋洗流失^[33]；同时，由于钾镁拮抗作用，过量钾肥施用易加剧土壤镁的流失，加剧烟草缺镁现象的发生；此外，稻-烟轮作下的干湿交替加强了镁的固定，降低了土壤镁的有效性^[34]。

土壤酸化会进一步降低镁的有效性。酸性条件下，氢离子易进入层间与镁离子发生交换使之释放，镁更易淋失，土壤交换性镁含量较低。pH 降低，土壤中交换性 Al³⁺ 等阳离子释放，一方面作为陪补离子会抑制镁的有效性，另一方面镁与铝沉淀形成无定形镁-铝凝胶，镁被吸持固定^[35]；酸性土壤 pH 升高，土壤中可能形成无定形的轻基铝聚合物或新的沉淀，其表面负电荷增加，对镁吸附性增强^[34]。此外，对作物而言，酸性土壤中过量的 H⁺ 还会与镁、钙等元素竞争作物吸收，破坏作物对其他养分的运输和吸收^[36]。

福建烟区土壤交换性镁和土壤 pH 线性模型块金比均 >75%，属于弱空间自相关性，即系统随机部分是引起空间异质性的主要部分。本文热点聚类分析土壤镁含量水平与 pH 规律不明显，这可能与烤烟生产上施用的镁肥种类有关，硫酸镁的大量施用虽然增加了土壤交换性镁含量，但也可能导致土壤 pH 下降。因此，针对福建土壤偏酸的情况，烤烟生产上应注意镁肥种类的选择，可选择钙镁磷肥、氧化镁和氢氧化镁等镁肥，有利于在提供烟株镁营养的同时避免加剧土壤酸化。

4 结论

福建省烟区土壤交换性镁含量仍较低，平均含量为 70.10 mg/kg，84.66% 的土壤处于缺乏或极缺状态，交换性镁含量适宜的土壤仅占 15.34%。土壤交换性镁含量空间分布上呈由南平市-龙岩市-三明市递减的趋势。

福建省烟区土壤酸化现象严重，83.24% 的土壤 pH 处于低或极低水平（pH<5.5），仅 16.51% 的土壤 pH 处于适宜水平，pH 的变异系数为 7.46%，变异较小，连片现象明显。

土壤交换性镁和 pH 在空间分布上存在显著的空间正相关，呈聚集分布，即某一小区域土壤的交换性镁含量和 pH 的高低会分别受其周围区域土壤交换性镁含量和 pH 大小的正影响。

参考文献