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近30 a江西省农田土壤pH时空变化及其与酸雨和施肥量间关系

花匠小妙招
2025-09-17 17:52

1. 江西农业大学鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室, 南昌 330045

2. 江西省土壤肥料技术推广站,南昌 330046

第一作者简介：李伟峰（1990- ）,男,江西鄱阳人,硕士研究生,研究方向为GIS与土地利用。E-mail:961478034@qq.com

*通信作者简介：郭熙（1974- ）,男,副教授,博士,研究方向为土地遥感与信息技术及土地资源利用。E-mail:xig435@163.com

收稿日期:2016-10-11网络出版日期:2017-11-20

基金:

国家自然科学基金项目（41361049）

;

江西省自然科学基金项目（20122BAB204012）

;

江西省赣鄱英才“555”领军人才项目（201295）

Spatio-temporal Variation of pH in Cropland of Jiangxi Province in the Past 30 Years and Its Relationship with Acid Rain and Fertilizer Application

1. Key Laboratory of Poyang Lake Basin Agricultural Resources and Ecology of Jiangxi Province, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China

2. Jiangxi Soil and Fertilizer Technology Extension Station, Nanchang 330046, China

Fund:National Natural Science Foundation of China, No.41361049; Natural Science Foundation of Jiangxi Province, No.20122BAB204012; Ganpo “555” Talent Research Funds of Jiangxi Province, No.201295

Keyword:soil;cropland pH;nitrogen application rate;acid rain;Jiangxi Province

土壤酸化作为土壤退化的主要问题之一, 一直是国内外的研究热点[1]。现代农业发展伴随的耕地土壤酸化已成为全球耕地最为普遍的问题[2]。大面积耕地土壤酸化已经对生态环境和粮食安全构成严重危害[3, 4]。近年来, 国内外学者针对土壤酸化问题做出了大量研究, 赵其国等研究表明酸雨对土壤酸化造成影响[5], 俞元春等通过实验模拟加以证实[6]; 张永春、孟红旗、周晓阳等通过长期农田施肥监测, 定量分析了肥料的不合理施用是造成农田土壤严重酸化的原因之一, 而长期过量的施用氮肥是造成土壤酸化的主要原因[7, 8, 9]; 除此之外, 植物生长置换出的阳离子（H+）[10], 种植制度差异下的碳、氮循环, 土壤呼吸作用导致的碳酸盐淋溶, 不合理的施用秸秆和畜禽粪便也是易被忽视的土壤致酸成因[11]。另外, 在时空角度, 既有小区域农田长期定点监测研究[12, 13], 也有不同尺度的区域性土壤酸化总体趋势的研究[10, 14]。时空结合的土壤酸化研究比较集中于市、县尺度[15, 16, 17], 省域尺度下的土壤酸化研究较少, 而在省域尺度开展的土壤酸化时空差异结合省级尺度数据印证土壤酸化原因的研究相对较少。

江西省是我国中部地区的农业大省, 农田面积2.2× 106hm2, 农田质量关系到粮食产量, 土壤pH是评定农田质量的重要因素, 掌握其空间变化特征是有效应对土壤酸化问题的重要依据。本研究通过对比1979— 1986年（以下简称1980S）江西省第二次土壤普查时期和2005— 2012年（以下简称2010S）江西省测土配方施肥阶段这两个时期的pH数据, 研究农田土壤pH的时空变化; 通过搜集全省相关文献中的酸雨数据及省级统计年鉴里各市县的施肥量数据, 结合国内外学者对土壤酸化的研究, 探讨江西省农田土壤pH变化及其与酸雨和施肥量之间的关系, 为江西省制定土壤酸化防控措施提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

江西省位于中国中部地区, 地处24° 29′ ~30° 40′ N、113° 34′ ~118° 28′ E之间, 处在长江中下游交接处的南岸。全省总面积为16.69× 104km2, 其南北跨度约为620 km, 东西跨度约490 km。境内北面是鄱阳湖, 东西南部三面环山, 总体地形特点为周高中低, 向北开口, 宛如盆地（图1）。区内气候温暖, 年平均气温16.4~19.4 ℃, 南北相差3 ℃左右; 气候温和, 雨量充沛, 无霜期长, 属亚热带湿润气候。年均降水量1 300~2 000 mm, 在时空上分布不均, 从地区分布上看, 以赣东北最多, 九江地区北部最少。江西省主要粮食作物为水稻, 其次是甘薯、小麦, 还盛产油菜、油茶、茶叶等。全省主要土壤类型有红壤、水稻土、黄壤和山地黄棕壤, 其中水稻土主要有潜育型、潴育型和淹育型3个亚类, 潴育型水稻土在全省分布最广, 水稻土成土母质主要有河湖沉积物及第四纪红色粘土, 以及丘陵地区的酸性结晶类风化物等[18]。

1.2 数据来源

本研究两时期数据分别来源于1980S第二次土壤普查绘制的江西全省土壤pH有关成果资料和2010S江西全省测土配方施肥田间调查土壤采样点pH测试结果。

由于1980S时期缺少农田图斑矢量文件, 因此本研究以第二次土地资源调查的农田图斑为底图, 通过ArcGIS赋值将两个时期土壤pH添加到农田图斑, 对比分析两时期的pH时空变化。1980S时期土壤pH引自《中国土种志》[18]、《江西土壤》[19]记载的共172个典型剖面表层pH及江西省99个县土壤志记录的共982个土壤农化样点pH结果。2010S采样点10 155个, 通过十字交叉法采集4个以上相邻位置样品并混合成一个样品, 土壤采样深度为0~20 cm, 每个采样点均用GPS定位, 土壤pH测定采用的方法是电位测定法（土水比为1:2.5）; 本研究中各地区施肥数据来源于1985— 2015年《江西省统计年鉴》中的各市、县数据; 酸雨数据来源于文献[20, 21]中20世纪90年代30个县、区监测站点的酸雨监测值。

1.3 研究方法

空间数据分析主要在ArcGIS中完成, 数据统计主要使用SPSS软件。本研究针对两个时期pH数据进行分级处理, pH分级按照第二次土壤普查中的分级标准, 将土壤pH分为6级：小于4.5为强酸性（6级）, 4.5~5.5为酸性（5级）, 5.5~6.5为弱酸性（4级）, 6.5~7.5为中性（3级）, 7.5~8.5为弱碱性（2级）, 大于8.5为碱性（1级）[22]。

1）基于ArcGIS的空间对比分析方法。由于第二次土壤普查的采样点位置没有经纬度信息, 且将1 154个土壤样点进行插值并不能满足省域尺度农田土壤pH代表精度, 因此本研究采用相对最为精确的基于土壤学专业知识的方法（Pedological Knowledge Based method, PKB）[23], 根据土壤成土母质、土种类型、土壤剖面点信息结合部分带村小组信息的农化样点信息, 依据样点属性相同或相近的原则, 基于ArcGIS参考行政区（到行政村级）把采样点土壤pH与各县1:10 000数字化土壤图链接, 得到1980S时期土壤pH空间分布图。在ArcGIS中, 运用地统计分析进行空间插值, 将2010S时期样点pH转换成面域pH信息。通过空间叠加分析获得两时期pH级别转移矩阵, 通过各级别之间的转移数据, 计算两时期pH转移系数, 计算公式为：

T=∑SijST×j-iGmax-Gmin(i, j=1, 2, 3, 4, 5, 6)（1）

式中：T为pH转移系数; i为1980S级别; j为2010S级别; Sij为i级转移为j级的面积; ST为总面积; Gmax为最大级别, Gmin为最小级别。当T为正时, 转移方向为酸化, 反之, 转移方向为碱化, T越大, 转移程度越大。

2）重心迁移能够直观反映同一研究范围不同时期某种属性的空间变化[24, 25], 本研究通过计算农田土壤酸碱度各级别重心迁移方向及面积变化大小, 模拟表达江西省土壤酸化的趋势及方向。重心计算公式如下：

Xt¯=∑i=1n(Si×Ki×xi)∑i=1n(Si×Ki); Yt¯=∑i=1n(Si×Ki×yi)∑i=1n(Si×Ki)（2）

式中： Xt¯、 Υt¯为t年的农田土壤酸碱度重心坐标; xi、yi为t年每个图斑重心坐标; Si为对应图斑的面积; Ki为对应图斑的pH级别。

3）回归分析法。分别将各地区的施肥数据、酸雨数据与基于以上方法分析得出的两个时期各地区农田土壤pH转移系数进行相关性分析, 定量分析江西省农田土壤酸化与施肥、酸雨之间的关系。

2 结果与分析

2.1 江西省农田pH时空变化

2.1.1 江西省30 a前后农田土壤pH分布特征

两个时期样点数据（表1）显示, 2010S时期样点pH均值较1980S下降了0.53, 对比各级别样点占比, 1980S时期, 样点主要集中在4级, 全省农田土壤以弱酸性为主, 其次是酸性; 2010S时期2、3、4级样点占比明显较1980S下降, 5、6级样点占比增加, 尤其5级, 占比增加38.9%, 农田土壤以酸性为主。

表1 江西省30 a前后农田采样点pH对比 Table 1 pH comparison at cropland sampling points in Jiangxi Province in the past 30 years

1980S农田pH水平分布情况显示 [图2(a)], 江西省土壤pH总体呈酸性, 弱酸性、酸性土壤均匀分布于全省各地; 强酸性土较少, 主要零散分布在赣南及赣西; 中性土壤分布于鄱阳湖周边地区; 碱性土壤面积较少, 主要分布于赣西北地区。

2010S农田pH水平分布情况显示 [图2(b)], 全省农田pH以酸性土壤最多, 大面积分布于各地; 弱酸性农田大幅减少, 零星分布于赣南、赣北两块, 总体上呈现周边多中间少的趋势; 强酸性农田较少, 主要在江西中部地区和南部地区呈零星分布; 中性农田主要在赣西赣北呈零星分布; 碱性农田极少。

2.1.2 江西省农田pH时空变化

1）全省范围农田土壤pH变化分析全省各级别农田土壤转移矩阵（表2）显示, 全省共1.31× 106hm2（57.74%）农田有不同程度酸化, 其中酸化一个等级pH的农田比较普遍, 占农田总面积的50.3%, 呈片状分布于全省各市; 酸化两个pH等级的农田占农田总面积的7.1%, 主要分布在鄱阳湖周边, 以南昌市较为集中, 其余零星分布于赣南、赣西等市; 酸化3个等级pH的农田占农田总面积的0.4%, 主要分布在赣南。全省共8.95× 105hm2农田pH未发生变化, 全省各地无明显空间分布特征。另外, 全省有6.39× 104hm2（2.8%）农田碱化, 主要零星状分布在赣东北、赣中部地区。全省农田pH变化分布如图3 所示。

表2 江西省农田土壤pH转移矩阵 Table 2 Transfer matrix of cropland pH in Jiangxi Province (hm2)

2）各地级市农田土壤pH变化分析对比各地级市两个时期pH级别所占比例（图4）得出, 较30 a前, pH级别在2~4级（5.5~7.5）水平所占比例明显减少, pH级别在5级（4.5~5.5）水平所占比例均有不同程度的增加; 2010S时期, 各地级市pH平均级别均不同程度地高于1980S时期, 这表明各地级市农田pH级别均在向酸性方向发展。

对比两时期各地级市农田土壤pH变化（表3）, 转移系数表明江西省各地级市农田土壤pH均为酸化方向, 各地级市农田土壤均有不同程度的酸化。全省农田pH平均级别从4.24变为4.87, pH级别平均值酸化0.63。各地级市级别变化最大的为赣州市, 转移系数为0.248≈ 0.25, 酸化接近1个级别; 其次是南昌市和鹰潭市, 转移系数均≥ 0.2; 赣西北地区酸化程度普遍低于全省平均水平, 其中酸化程度最小的地区为宜春市, 转移系数小于0.1。

表3 江西省各地级市农田土壤pH转移系数 Table 3 pH transfer coefficient of cropland soil in each city of Jiangxi Province in the past 30 years

2.1.3 江西省农田土壤pH重心变化

通过计算得出两个时期农田土壤酸碱度重心, 以农田图斑重心C作为参照, 在空间上对比两时期农田土壤pH重心。1980S时期, 农田土壤酸碱度重心坐标为G1980S（115.858 863° E, 27.981 985° N）, 2010S时期, 农田土壤酸碱度重心坐标为G2010S（115.846 82° E, 27.916 72° N）。两时期重心可视化后显示, 农田土壤酸碱度重心向西南方向移动。江西省“ 丘陵-湖泊” 地形格局决定了江西省农田重心在滨湖平原区, 重心迁移方向及距离受区域pH变化程度、变化面积大小以及距离参照重心远近的共同影响。两时期的重心迁移规律表明, 赣西南地区总体酸化程度更大, 结合各地级市pH转移系数及耕地面积, 赣州市pH酸化程度、距离参照重心面积为全省最大, 酸化面积仅次于上饶市及宜春市, 南昌市、鹰潭市酸化程度较大, 但酸化面积相对较小, 且相对照重心C距离小, 因此对重心迁移方向及距离表现得并不明显, 其他地区综合影响相对适中, 因而全省pH重心迁移整体表现为趋向赣州市。

2.2 江西省农田土壤酸化驱动因子分析

以上分析证明赣南及鄱阳湖周边南昌、鹰潭酸化问题更突出, 针对这种空间分布特征, 本研究从酸雨及氮肥施用量两个方面探讨江西省农田土壤酸化的驱动因子。

2.2.1 江西省酸雨及施肥研究

1）江西省酸雨分布何纪力等[20]通过对江西省1985— 1999年气象数据的长期监测, 得出20世纪90年代江西省酸雨时空分布规律（图6）。历年酸雨pH平均值最小的地区为鹰潭市, pH低达4.17, 其次是南昌市, 平均值最大的为新余市, 赣州市酸雨降频最高, 达到98.9%, 其次是鹰潭市和吉安市, 分别为97.0%和96.7%, 综合酸雨pH值和酸雨降频得出江西严重酸雨带呈现“ r” 型分布：南昌、吉安、赣州连成一竖线; 吉安、永丰、抚州、鹰潭、上饶连成一斜线。无酸雨区包括新余市、宜春市的奉新、丰城、宜丰和萍乡市莲花县等地[20]。

2）江西省氮肥施用量情况时空分布从江西省历年统计年鉴提取出近30 a对各县区历年单位面积耕地氮肥施用折纯量数据, 计算各县区单位面积耕地平均氮肥折纯量（图7）。根据陈婧的研究, 我国南方稻田最高产量施氮量为126~236 kg/hm2, 经济适宜施氮量为104~192 kg/hm2, 生态适宜施氮量为69~115 kg/hm2, 我国“ 高氮高产” 种植观念决定了高氮施用水平[26]。因此本研究以经济适宜施氮量作为标准衡量各地区氮施用水平。结果显示, 江西省氮肥施用量最高的地区分布在赣州市及南昌市, 其次是鹰潭市、抚州市及上饶部分地区, 氮施用水平最低的地区分布在吉安市、赣东北景德镇部分地区, 新余市、奉新及九江部分地区, 氮施用量处于相对较低水平。

2.2.2 农田pH下降幅度与酸雨、氮肥施肥量关系分析

通过ArcGIS进行数据处理, 以县为单位, 计算各县农田土壤pH转移系数, 统计得到各县酸雨pH平均值, 结合统计年鉴各县30 a间平均施氮水平, 分别对酸雨及施氮量同农田土壤pH转移系数进行相关性分析（图8）, 最优拟合结果显示, 氮施用量与农田土壤pH转移系数呈正相关, 酸雨pH值与农田土壤pH转移系数呈负相关, 氮施用量拟合线性方程表明, 30 a间氮肥每增加50 kg/hm2, 农田土壤pH转移系数增大0.065, pH约下降0.26个单位, R2显示该拟合方程解释了69.2%的样本, 相关性显著（P< 0.01）; 酸雨拟合方程为幂函数形式, 酸雨对农田土壤酸化的影响大小随着酸雨pH值下降而变大, 并且随着酸雨pH值的降低, 农田土壤酸化速率越快, R2显示该拟合方程解释了50.3%的样本, 相关性显著（P< 0.01）。两因素R2对比显示, 氮施用量拟合效果优于酸雨, 氮施用量对农田土壤酸化影响作用强于酸雨。

Figure Option

图8 氮肥施用量、酸雨pH同农田土壤pH转移系数线性关系Fig. 8 Linear relationship of nitrogen application rate and acid rain with pH transfer coefficient in cropland soil

3 讨论

依据权威研究, 我国各类谷物耕作农田土壤pH在1980S至2000S期间下降了0.13~0.76个单位, 下降速率为0.006~0.038/a, 尤其在20世纪90年代后, 农田土壤酸化有加速的趋势, 部分地区酸化速率达到0.06/a[27]。近30 a来江西省农田pH下降0.53个单位, 下降速率为0.018/a, 酸化速率处于全国农田酸化速率区间内。由于江西省属于典型的红壤区, 农田土壤成土母质以酸性为主, 这是江西省农田土壤普遍呈酸性的本质。研究表明, 氮肥施入农田后 NH4+的硝化反应与 NO3-的淋溶作用是施氮导致农田土壤酸化的主要机理[28], 而酸雨中的H+通过与土壤中的盐基性离子进行交换, 又与土壤矿物晶格表面的Al反应, 使土壤中H+、Al3+数量增加, 从而导致土壤酸化[29]。近年来红壤地区农田长期施肥实验结果证明, 分别施用N=300 kg/hm2、N:P=300:120（kg/hm2）、N:P:K=300:120:120（kg/hm2）持续18 a后, pH分别下降了1.5、1.3、1.2个单位[13], 分析江西省历年施氮总量, 1980年以来, 氮肥施用量逐年增加, 到1997年达到最高, 平均氮施用量为262.0 kg/hm2, 江西省部分地区, 如赣州市章贡区、赣县、南昌市、上饶部分地区历年施氮量平均值超过300 kg/hm2, 这些区域农田土壤酸化程度较大, 农田土壤pH级别转移系数为0.31, 酸化超过1个级别, 九江市、宜春市及吉安市部分地区平均施氮量低于200 kg/hm2, 相对酸化程度较低, pH转移系数最低仅0.04。另一方面, 国内外关于酸雨对土壤酸化影响的研究表明, 酸雨中除含H+离子外, 还会带入Ca2+、Mg2+等碱基离子[27], 酸雨对红壤地区农田土壤酸化影响作用小于施氮造成的土壤酸化[9], 这与本研究相关性分析得到的结果基本一致, 但本研究中酸雨对农田酸化的影响未表现出可忽略的程度, 酸雨与农田土壤酸化在空间上仍存在一定的吻合性。也有研究表明, 酸雨pH越低, 土壤酸化越严重, 且土壤酸性越强, 酸雨对土壤酸化影响越大[6], 这可能是江西省酸雨分布表现出同农田土壤pH酸化在空间上吻合的原因, 同时也可能是造成江西省农田土壤pH较低地区“ 酸上加酸” 从而引起酸化加剧的原因。

农田土壤酸化是受“ 自然+人为” 因素综合影响的复杂过程[27, 28, 29], 酸雨加剧和过量施用氮肥仅仅是土壤酸化驱动因子的一部分, 不同土壤类型对外界因素的缓冲能力及地形地貌的差异、不同作物生长过程中阳离子交换置换H+量等也是引起土壤酸化空间差异的原因, 这也是本次对土壤酸化原因建模分析的不足点。另外, 上饶市玉山县、萍乡市莲花县等地农田土壤pH提升的原因, 本研究未给予深入的调研查证。在今后的研究中, 一方面, 要充分运用各县耕地地力评价结果, 借助即将在全省全面开展的耕地质量监测工作的良好契机, 结合当地环境监测数据、种植特点、地形地貌, 依据地方特点, 具体到市、县定性、定量地研究农田土壤酸化的成因; 另一方面, 就江西省耕地已经酸化的事实, 针对其酸化成因, 运用科学有效的手段扼制土壤进一步酸化, 合理搭配氮磷钾肥料比例, 并通过合理搭配施用有机肥、生石灰、草木灰等措施, 改良酸性土壤[30, 31], 以便有针对性地扼制土壤进一步酸化。

4 结论

江西省农田pH时空变化情况为：时间上, 30 a间农田土壤pH平均值下降了0.53个单位, 酸化较明显; 空间上, 各地级市整体都表现出酸化趋势, 其中最严重的地区为赣南地区的赣州市, 较严重的地区分布在南昌市及鹰潭市, 整体酸化呈现向西南方向移动的趋势; 通过回归分析验证了农田土壤酸化程度和氮施用量、酸雨强度的差异在空间上存在一定的相关性, 其中过量施用氮肥是江西省农田土壤酸化的主要原因, 氮肥施用量越多的地区, 土壤酸化程度越大, 酸雨pH值越小, 农田土壤酸化速率越快。

The authors have declared that no competing interests exist.

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