亞熱帶耕地土壤酸化程度差異及影響因素*

張 秀, 張黎明, 龍 軍, 陳翰閱, 范協(xié)裕, 邢世和**, 徐福祥

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亞熱帶耕地土壤酸化程度差異及影響因素*

張 秀1,2, 張黎明1,2, 龍 軍1,2, 陳翰閱1,2, 范協(xié)裕1,2, 邢世和1,2**, 徐福祥3

(1.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 福州 350002; 2. 土壤環(huán)境健康與調(diào)控福建省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福州 350002; 3. 中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所 煙臺(tái) 264000)

準(zhǔn)確揭示區(qū)域耕地土壤酸化程度及其原因?qū)τ诟刭|(zhì)量提升和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本研究利用地處亞熱帶的福建省1982年36 777個(gè)和2008年236 445個(gè)耕地表層土壤調(diào)查樣點(diǎn)屬性建立的1∶25萬耕地土壤數(shù)據(jù)庫, 借助GIS技術(shù)與灰色斜率關(guān)聯(lián)分析模型探討了26年間全省耕地土壤酸化程度及其原因, 為省域耕地土壤酸性調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明: 1982—2008年間福建省67.60%的耕地土壤發(fā)生不同程度酸化, 其中強(qiáng)度、中度和弱度酸化面積分別占全省耕地總面積的0.83%、18.26%和48.52%。就行政區(qū)域差異而言, 強(qiáng)度酸化耕地主要分布在龍巖市, 占全省強(qiáng)度酸化耕地總面積的86.88%, 其次為泉州市, 占比為8.39%; 中度酸化耕地主要分布在南平市、龍巖市和泉州市, 分別占全省中度酸化耕地總面積的29.88%、18.10%和16.94%, 弱度酸化耕地則遍布全省各縣市區(qū)。從土壤類型差異來看, 潛育水稻土、滲育水稻土和酸性紫色土亞類的酸化面積比例較大, 分別占相應(yīng)亞類總面積的82.87%、72.37%和69.20%; 但滲育和潴育水稻土亞類的酸化程度較為嚴(yán)重, 強(qiáng)度、中度和弱度酸化的滲育和潴育水稻土面積分別占全省耕地相應(yīng)酸化程度總面積的98.94%、84.51%和87.36%。從土地利用類型差異分析, 水田和水澆地的酸化面積比例較高, 分別占相應(yīng)利用類型總面積的70.35%和60.78%?；疑甭赎P(guān)聯(lián)分析模型分析表明, 1982—2008年間酸雨、高溫多雨氣候及化肥大量施用是引起福建省耕地土壤酸化的主要外因, 故嚴(yán)控工業(yè)含硫等酸性廢氣排放進(jìn)而控制酸雨和合理調(diào)整施肥結(jié)構(gòu)是減緩全省耕地土壤酸化的必要途徑。

福建; 耕地; 土壤酸化; 土壤類型; 土地利用類型; 灰色斜率關(guān)聯(lián)分析

在高投入高產(chǎn)出的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中, pH持續(xù)下降所表現(xiàn)出來的土壤酸化是全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要障礙因素之一。土壤酸度的提高不僅會(huì)造成大量營(yíng)養(yǎng)元素的流失和土壤肥力下降, 還會(huì)嚴(yán)重影響土壤微生物區(qū)系和活性以及作物的正常生長(zhǎng)[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì), 20世紀(jì)末我國(guó)的土壤酸化面積已達(dá)到2.04×108hm2, 約占全國(guó)土壤總面積的22.7%[4]。因此, 準(zhǔn)確揭示區(qū)域耕地土壤酸化程度及其原因、科學(xué)防治和減緩?fù)寥浪峄M(jìn)程是實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的重要問題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同區(qū)域土壤pH變化及影響因素進(jìn)行了較多研究。Yang等[5]運(yùn)用GIS空間分析技術(shù)研究1980—2000年期間中國(guó)北方草原土壤pH的變化, 結(jié)果表明20年間中國(guó)北部草原土壤pH平均下降了0.63個(gè)單位, 其中95%的土壤pH下降0.54~ 0.73個(gè)單位; Guo等[6]利用1980年和2000年中國(guó)35個(gè)地區(qū)154塊農(nóng)田土壤pH分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明, 大量施用氮肥是研究期間土壤pH平均降低0.5個(gè)單位的主因。在區(qū)域尺度上, 李婷等[7]研究表明1982—2002年間成都平原土壤pH平均值由6.95降低到6.70, 平均降低3.60%; 劉付程等[8]研究發(fā)現(xiàn)第2次土壤普查以來, 太湖地區(qū)絕大多數(shù)土壤pH發(fā)生不同程度下降, 平均降幅達(dá)0.56個(gè)單位。省域尺度上, 王志剛等[9]通過比較江蘇省第2次土壤普查和2003年采集的土壤表層樣品pH, 發(fā)現(xiàn)近20年間全省土壤基本維持南酸北堿的格局, 但局部地區(qū)明顯酸化; 曾招兵等[10]分析了廣東省耕地地力調(diào)查樣點(diǎn)數(shù)據(jù)表明, 1984年以來重化肥輕有機(jī)肥加速了廣東省水田土壤的酸化?？h域尺度上, 劉麗等[11]借助GIS技術(shù)對(duì)遼寧省昌圖縣1982年和2011年兩個(gè)時(shí)期土壤pH的空間變異情況進(jìn)行比較, 結(jié)果表明昌圖縣土壤pH均值由1982年的6.85下降到2011年的6.07, 年均下降0.027個(gè)單位; 佀國(guó)涵等[12]利用湖北省宣恩縣2010—2012年測(cè)土配方施肥項(xiàng)目的樣點(diǎn)與第2次土壤普查的樣點(diǎn)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比表明, 棕壤、礫質(zhì)巖山地黃棕壤和石英質(zhì)山地黃棕壤pH下降幅度明顯高于石灰?guī)r山地黃棕壤。可見, 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的相關(guān)研究主要聚焦于區(qū)域土壤pH的變化及其空間差異, 并針對(duì)土壤pH變化的影響因素進(jìn)行研究。然而目前多采用的簡(jiǎn)單的線性相關(guān)分析, 無法揭示不同因素對(duì)土壤pH變化影響的程度高低。我國(guó)南方亞熱帶地區(qū)高溫多雨, 鹽基離子淋失量大, 土壤自然酸化作用明顯, 加上多熟制栽培致使耕地土壤化肥施用量大, 可能加速土壤酸化, 耕地土壤酸化已成為制約我國(guó)亞熱帶地區(qū)耕地質(zhì)量提升的主要限制因素之一。為此, 本研究以地處亞熱帶地區(qū)的福建省為研究區(qū), 以2008年福建省耕地利用現(xiàn)狀圖為底圖, 利用該區(qū)域1982年第2次土壤普查36 777個(gè)和2008年耕地測(cè)土配方施肥236 445個(gè)表層樣點(diǎn)分析數(shù)據(jù)建立的兩期1︰25萬耕地利用-土壤類型數(shù)據(jù)庫, 借助GIS與灰色斜率關(guān)聯(lián)分析模型集成技術(shù), 研究該區(qū)域26年間耕地不同土壤類型和利用方式下酸化程度的差異及其影響因素, 研究結(jié)果可為我國(guó)亞熱帶地區(qū)的耕地土壤酸化阻控和改良利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

福建省地處我國(guó)東南沿海, 位于23°30′~28°22′N, 115°50′~120°40′E, 年均氣溫15.8~21.7 ℃, 最熱月均溫為28 ℃, 年均降水量1 015~1 923 mm, 年日照時(shí)數(shù)為1 700~2 300 h, 年均太陽輻射量為427×103~ 532×103J?cm-2, ≥10 ℃積溫高達(dá)5 000~7 800 ℃, 屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。地形以山地丘陵為主, 地勢(shì)總體上呈東南低, 西北高。成土母質(zhì)主要為殘坡積物、沖積物、洪積物、海積物、風(fēng)積物以及局部出現(xiàn)的牛軛湖相沉積物。2008年末全省耕地土壤總面積134.17萬hm2, 以水稻土占優(yōu)勢(shì), 占耕地總面積的93.05%; 其次分別為赤紅壤和紅壤, 分別占耕地總面積的4.32%和1.21%, 其他類型土壤(潮土、黃壤、濱海鹽土和紫色土)面積較小[13]。

1.2 基礎(chǔ)資料收集

根據(jù)研究需要從福建省農(nóng)業(yè)廳收集: (1)1982年福建省1︰25萬土壤類型分布圖; (2)1982年各縣(市、區(qū))36 777個(gè)耕地土壤表層調(diào)查樣點(diǎn)分布圖及其相關(guān)屬性數(shù)據(jù)資料; (3)2008年各縣(市、區(qū))測(cè)土配方施肥(含地力調(diào)查)236 445個(gè)耕層調(diào)查樣點(diǎn)GPS定位坐標(biāo)及其相關(guān)屬性數(shù)據(jù)資料。從福建省國(guó)土資源廳收集2008年1︰25萬福建省耕地利用現(xiàn)狀和DEM數(shù)據(jù)庫。從省統(tǒng)計(jì)局和國(guó)家氣象局分別收集1982—2008年福建省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒和66個(gè)氣象站點(diǎn)地理坐標(biāo)及其相關(guān)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)資料。由于福建省較全面的酸雨監(jiān)測(cè)普查工作始于2000年, 為了揭示酸雨對(duì)土壤酸化的影響, 從省環(huán)境保護(hù)廳收集2000—2008年48個(gè)酸雨監(jiān)測(cè)點(diǎn)地理坐標(biāo)及年均降水pH觀測(cè)數(shù)據(jù)資料。

1.3 耕地利用-土壤類型及評(píng)價(jià)單元空間數(shù)據(jù)庫的建立

借助ARC/GIS軟件, 從2008年福建省1︰25萬土地利用現(xiàn)狀圖數(shù)據(jù)庫提取耕地利用類型(旱地、水田和水澆地)圖層, 將矢量化的1982年1︰25萬土壤類型數(shù)據(jù)庫圖層與耕地利用類型圖層進(jìn)行疊加分析, 并根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果對(duì)產(chǎn)生變化的土壤類型進(jìn)行修正, 建立福建省1︰25萬耕地利用-土壤類型空間數(shù)據(jù)庫。以耕地土壤類型(亞類)作為評(píng)價(jià)單元, 全省耕地土壤共劃分為34 593個(gè)評(píng)價(jià)單元。

1.4 耕地土壤調(diào)查樣點(diǎn)和氣象站點(diǎn)空間數(shù)據(jù)庫的建立

利用第2次土壤普查調(diào)查樣點(diǎn)分布圖, 根據(jù)調(diào)查樣點(diǎn)所處的圖斑單元及其周邊地物特征, 借助ARC/GIS以人機(jī)對(duì)話方式軟件將1982年36 777個(gè)調(diào)查樣點(diǎn)逐一轉(zhuǎn)繪到耕地利用-土壤類型空間數(shù)據(jù)圖層, 生成第2次土壤普查調(diào)查樣點(diǎn)空間數(shù)據(jù)圖層; 利用2008年耕地測(cè)土配方施肥(含地力調(diào)查)236 445個(gè)調(diào)查樣點(diǎn)的GPS定位坐標(biāo)數(shù)據(jù)(其中pH、有機(jī)質(zhì)屬性樣點(diǎn)236 445個(gè), CEC、砂粒、粉粒和黏粒等屬性樣點(diǎn)29 945個(gè)), 借助ARC/GIS的“Add XY Data”工具與耕地利用-土壤類型空間數(shù)據(jù)圖層自動(dòng)鏈接, 生成2008年耕地測(cè)土配方施肥調(diào)查樣點(diǎn)空間數(shù)據(jù)圖層, 然后分別與數(shù)據(jù)庫格式的1982年和2008年調(diào)查樣點(diǎn)相關(guān)土壤屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行鏈接, 分別建立1982年36 777個(gè)和2008年236 445個(gè)耕地土壤調(diào)查樣點(diǎn)空間及屬性數(shù)據(jù)庫。分別利用66個(gè)氣象站點(diǎn)和48個(gè)酸雨監(jiān)測(cè)點(diǎn)地理坐標(biāo)數(shù)據(jù), 借助ARC/GIS的“Add XY Data”工具與耕地利用-土壤類型空間數(shù)據(jù)圖層自動(dòng)鏈接, 分別生成氣象站點(diǎn)和酸雨監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間數(shù)據(jù)圖層, 然后與數(shù)據(jù)庫格式的各氣象站點(diǎn)相關(guān)氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)和酸雨監(jiān)測(cè)點(diǎn)年均降水pH監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行鏈接, 分別建立福建省66個(gè)氣象站點(diǎn)和48個(gè)酸雨監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間及相關(guān)氣候?qū)傩詳?shù)據(jù)庫。

1.5 相關(guān)屬性空間數(shù)據(jù)庫建立

本研究中涉及的相關(guān)屬性包括土壤屬性(CEC、pH、有機(jī)質(zhì)、砂粒、粉粒和黏粒等)、氣候?qū)傩?年均溫和年降水量等)、酸雨屬性(年均降水pH值)和施肥屬性(氮、磷肥年施用量等), 借助ARC/GIS軟件, 采用普通克里格插值法[14]進(jìn)行土壤pH、有機(jī)質(zhì)、CEC、砂粒、粉粒、黏粒和年均降水pH空間屬性數(shù)據(jù)的點(diǎn)面推算, 年均溫和年均降水量均采用三維趨勢(shì)面分析結(jié)合反距離權(quán)重插值殘差訂正法[15]進(jìn)行空間屬性數(shù)據(jù)的點(diǎn)面推算, 分別生成福建省1982年和2008年相關(guān)屬性柵格空間數(shù)據(jù)庫。利用福建省耕地利用-土壤類型空間數(shù)據(jù)圖層分別掩膜上述屬性柵格空間數(shù)據(jù)圖層, 以耕地土壤亞類圖斑為單元, 然后采用面積加權(quán)平均法計(jì)算并建立福建省耕地土壤亞類單元CEC、pH、有機(jī)質(zhì)、砂粒、粉粒、黏粒、年均溫、年降水量和年均降水pH值空間屬性數(shù)據(jù)庫, 進(jìn)而將土壤普查和耕地測(cè)土配方施肥(含地力調(diào)查)土壤屬性數(shù)據(jù)與土壤圖單元對(duì)應(yīng)起來。利用福建省耕地利用-土壤類型空間數(shù)據(jù)圖層, 以縣行政區(qū)為單元, 采用人機(jī)對(duì)話賦值法建立福建省耕地單元氮肥、磷肥年施用量空間屬性數(shù)據(jù)庫。

1.6 耕地土壤酸化程度空間數(shù)據(jù)庫建立

借助ARC/GIS軟件, 將2008年和1982年的耕地土壤pH空間分布圖層進(jìn)行減法運(yùn)算, 得出各評(píng)價(jià)單元pH變化幅度(ΔpH)圖層, 將2008年土壤pH< 6.5且ΔpH<0的耕地土壤歸為酸化土壤, 其他歸為未酸化土壤。借助DPS軟件的動(dòng)態(tài)聚類分析工具將研究區(qū)酸化耕地土壤的酸化程度劃分為弱度酸化(-0.50<ΔpH<0)、中度酸化(-1.50<ΔpH≤-0.50)和強(qiáng)度酸化(ΔpH≤-1.50)3個(gè)等級(jí)。

1.7 耕地土壤酸化程度影響因素分析

從酸化土壤pH變化幅度圖層提取出各酸化土壤單元的ΔpH值, 建立各耕地單元酸化程度的因變量序列, 從相應(yīng)單元的其他屬性圖層提取出影響耕地土壤酸化程度的相關(guān)因素(CEC、有機(jī)質(zhì)、砂粒、粉粒、黏粒、年均溫、年降水量、年均降水pH、年氮肥施用量、年磷肥施用量)屬性值, 建立相應(yīng)單元的影響因素自變量序列。借助DPS統(tǒng)計(jì)軟件, 采用灰色斜率關(guān)聯(lián)度分析模型, 計(jì)算酸化土壤pH變化幅度與相關(guān)影響因子的關(guān)聯(lián)度[16], 分析相關(guān)因子對(duì)土壤酸化程度的影響及其差異。

1.8 圖件編制

利用ARC/GIS軟件編制福建省耕地土壤酸化程度分區(qū)圖, 并添加圖例、比例尺、指北針等要素后輸出。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地土壤酸化及其程度分析

研究結(jié)果表明(表1), 就酸堿性面積變化而言, 1982年福建省處于酸性和微酸性的耕地土壤分別占全省耕地總面積的73.18%和22.90%, 處于強(qiáng)酸性、中性和微堿性的耕地土壤僅分別占0.23%、3.48%和0.21%; 2008年全省處于酸性和微酸性的耕地土壤分別占75.18%和17.64%, 而強(qiáng)酸性、中性和微堿性耕地土壤則分別占4.49%、2.00%和0.24%?？梢? 26年間全省強(qiáng)酸性、酸性耕地土壤分別增加了4.26%和2.00%, 微堿性耕地土壤增加了0.03%, 而微酸性和中性耕地土壤分別減少了5.26%和1.48%。從酸性等級(jí)變化來看, 26年間全省有75.30%的中性耕地土壤轉(zhuǎn)化為微酸性、酸性和強(qiáng)酸性, 55.72%的微酸性耕地土壤轉(zhuǎn)化為酸性和強(qiáng)酸性。從土壤pH變化來看, 26年間全省有33.05%的耕地土壤pH降低了0~0.3個(gè)單位, 31.52%的耕地土壤pH降低了0.3~1個(gè)單位, 5.43%的耕地土壤pH降低了1個(gè)單位以上。

表1 1982—2008年福建省耕地土壤酸堿性變化的轉(zhuǎn)移矩陣

從土壤酸化程度分析(表2), 26年間福建省67.60%的耕地土壤發(fā)生不同程度地酸化, 其中, 弱度、中度和強(qiáng)度酸化的耕地土壤面積分別占全省耕地總面積的48.52%、18.26%和0.83%。弱度酸化耕地土壤分布較廣, 但主要分布于南平、三明和寧德市, 分別占全省弱度酸化耕地土壤總面積的20.71%、17.66%和15.73%; 其次分布于漳州和福州市, 分別占全省弱度酸化耕地土壤總面積的12.06%和11.79%。中度酸化耕地土壤主要分布于南平市、龍巖市和泉州市, 分別占全省中度酸化耕地土壤總面積的29.88%、18.10%、16.94%; 其次分布于漳州市、福州市, 分別占全省中度酸化耕地土壤總面積的10.58%和9.33%。強(qiáng)度酸化耕地土壤分布相對(duì)較為集中, 主要分布于龍巖市, 占全省強(qiáng)度酸化耕地土壤總面積的86.88%; 其次分布于泉州市, 占全省強(qiáng)度酸化耕地土壤總面積的8.39%, 南平、莆田和三明市則未見強(qiáng)度酸化耕地土壤。從土壤酸化程度整體分布而言, 強(qiáng)度和中度酸化的耕地土壤主要分布在福建省北部的南平、西南部的龍巖和東南部沿海的泉州等地區(qū), 弱度酸化的耕地土壤主要分布在福建省北部的南平和寧德、西部的三明及東部福州、漳州等地區(qū)。

表2 1982—2008年福建省各設(shè)區(qū)市耕地土壤酸化程度面積

2.2 耕地不同土壤類型酸化程度分析

從耕地土壤亞類酸性類型面積變化分析(表3), 1982—2008年的26年間全省強(qiáng)酸性耕地土壤面積增加較多的亞類主要有滲育水稻土、潛育水稻土和潴育水稻土等, 以滲育水稻土亞類的強(qiáng)酸性面積增加最多, 增加了6.11%, 其中66.21%和36.00%新增強(qiáng)酸性滲育水稻土分別由原酸性和微酸性滲育水稻土轉(zhuǎn)化而來; 全省酸性耕地土壤面積增加較多的亞類主要有酸性紫色土、鹽漬水稻土和赤紅壤等, 以酸性紫色土亞類增加面積最大, 增加了39.23%, 全部由原微酸性紫色土轉(zhuǎn)化而來; 全省微酸性耕地土壤面積總體上呈減少趨勢(shì), 但面積增加最多的亞類為濱海風(fēng)砂土, 增加了32.17%, 全部由原中性濱海風(fēng)砂土轉(zhuǎn)化而來。

表3 1982年和2008年福建省耕地不同亞類土壤酸堿性面積比例

從酸化程度來看(表4), 26年間福建省耕地土壤除濱海鹽土和咸酸水稻土亞類外, 其余耕地土壤亞類均發(fā)生不同程度酸化現(xiàn)象, 其中發(fā)生強(qiáng)度酸化面積最大的亞類主要為滲育水稻土和潴育水稻土, 合計(jì)面積占全省強(qiáng)度酸化耕地土壤總面積的98.94%; 發(fā)生中度酸化面積最大的亞類為滲育水稻土, 占全省中度酸化耕地土壤總面積的71.91%, 其次是潴育水稻土、赤紅壤和潛育水稻土亞類, 合計(jì)占全省中度酸化耕地土壤總面積的25.69%; 發(fā)生弱度酸化面積最大的耕地土壤亞類也是滲育水稻土, 占全省弱度酸化耕地土壤總面積的74.77%, 其次也是潴育水稻土、赤紅壤和潛育水稻土亞類, 合計(jì)占全省弱度酸化耕地土壤總面積的21.71%。可見, 26年間福建省耕地土壤以滲育水稻土、潴育水稻土兩個(gè)亞類的酸化程度相對(duì)較為嚴(yán)重。

表4 1982—2008年福建省耕地不同亞類土壤不同酸化程度面積

2.3 不同利用類型耕地土壤酸化程度分析

研究結(jié)果表明(表5), 26年間福建省水田、旱地和水澆地的酸堿性變化差異較大。與1982年相比, 水田利用類型中的微酸性土壤面積減少7.24%, 而酸性和強(qiáng)酸性土壤面積則分別增加2.34%和5.38%, 其中分別有59.76%、10.20%、2.12%和0.10%的微酸性水田土壤轉(zhuǎn)化為酸性、強(qiáng)酸性、中性和微堿性。水澆地利用類型中的強(qiáng)酸性土壤面積凈增0.30%, 系由原來的酸性和微酸性土壤轉(zhuǎn)化而來; 酸性土壤面積凈增3.29%, 其中15.26%由微酸性土壤轉(zhuǎn)化而來; 中性土壤面積凈減15.63%, 其中有85.55%的中性土壤變?yōu)槲⑺嵝? 其余的變?yōu)樗嵝院蛷?qiáng)酸性。旱地利用類型中強(qiáng)酸性、微酸性土壤面積分別增加1.57%和3.17%, 而酸性、中性和微堿性土壤面積則分別降低0.54%、4.13%和0.06%; 有68.57%的強(qiáng)酸性土壤變?yōu)樗嵝? 22.25%的酸性土壤轉(zhuǎn)化為強(qiáng)酸性、微酸性和中性; 分別有17.12%和12.69%的微酸性土壤變?yōu)樗嵝院椭行? 78.22%的中性土壤變?yōu)樗嵝?、微酸性和微堿性。

從酸化程度來看(表6), 1982—2008年26年間全省有788.55×103hm2的水田利用類型發(fā)生不同程度酸化, 占全省水田總面積的70.35%, 其中強(qiáng)度、中度和弱度酸化面積分別占水田總面積的0.90%、18.54%和50.91%。水澆地利用類型的酸化面積為29.37×103hm2, 占全省水澆地總面積的60.78%, 其中強(qiáng)度、中度和弱度酸化面積分別占水澆地總面積0.11%、24.01%和36.66%。相對(duì)而言, 全省旱地利用類型的酸化面積較小, 占全省旱地總面積的51.69%, 其中強(qiáng)度、中度和弱度酸化面積分別占旱地總面積的0.59%、14.80%和36.30%?？梢? 自1982年以來, 福建省耕地以水田利用類型酸化最為嚴(yán)重, 水澆地次之, 旱地酸化面積相對(duì)較小, 其中水田和旱地以弱度酸化為主, 水澆地發(fā)生中度和弱度酸化的面積相當(dāng)。

表5 1982年和2008年福建省耕地不同利用類型土壤酸堿性面積比例

表6 1982—2008年福建省耕地不同利用類型酸化程度面積

2.4 耕地土壤酸化的影響因素分析

表7結(jié)果可見, CEC、黏粒、降水年均pH、有機(jī)質(zhì)和粉粒與耕地土壤酸化程度呈正相關(guān), 表明這些影響因素的數(shù)值越高, 耕地土壤酸化程度越弱(即ΔpH值越大); 而年均降水量、砂粒、年均溫及磷肥和氮磷肥施用量則與耕地土壤酸化程度呈負(fù)相關(guān), 說明這些影響因素?cái)?shù)值越高, 耕地土壤酸化程度越強(qiáng)(即ΔpH值越小)。

福建省耕地土壤pH變化幅度與影響因子關(guān)聯(lián)系數(shù)絕對(duì)值||的大小順序?yàn)? CEC>黏粒>降水年均pH值>年均降水量>有機(jī)質(zhì)>砂粒>年平均溫度>磷肥施用量>氮肥施用量>粉粒, 說明土壤CEC、黏粒、降水年均pH、年均降水量和有機(jī)質(zhì)對(duì)福建省耕地土壤酸化程度影響最為顯著, 關(guān)聯(lián)系數(shù)絕對(duì)值||大于0.850;砂粒、年平均溫度、磷肥及氮肥施用量對(duì)福建省耕地土壤酸化程度的影響程度居中, 關(guān)聯(lián)系數(shù)絕對(duì)值||介于0.800~0.850; 而粉粒的影響則較小, 關(guān)聯(lián)系數(shù)絕對(duì)值||小于0.790。說明降水年均pH、年均降水量、年均溫度、年磷肥和氮肥施用量是導(dǎo)致福建省耕地土壤酸化的主要外在因素, 而CEC、黏粒、有機(jī)質(zhì)和砂粒含量是減緩或加速福建省耕地土壤酸化的主要內(nèi)在因素。

表7 福建省耕地土壤酸化與影響因子的灰色關(guān)聯(lián)分析

3 討論

3.1 降水和溫度對(duì)耕地土壤酸化的影響

自然和人為因素共同影響土壤酸堿性的形成。從土壤發(fā)育形成的過程來看, 自然因素的持續(xù)影響決定土壤pH的長(zhǎng)期時(shí)空變化[17], 如我國(guó)土壤形成南酸北堿的格局, 正是由于溫度和降水等自然因素長(zhǎng)期作用所致。福建省地處亞熱帶氣候區(qū), 年均氣溫15.8~21.7 ℃, 最熱月均溫為28 ℃, 年均降水量1 015~ 1 923 mm, ≥10 ℃積溫高達(dá)5 000~7 800 ℃[13]。高溫多雨的氣候條件, 致使土壤中礦物分解和有機(jī)質(zhì)礦化作用強(qiáng)烈, 鹽基物質(zhì)大量淋失, 土壤CEC和鹽基飽和度降低, 氫飽和度上升, 導(dǎo)致土壤持續(xù)酸化。本研究結(jié)果表明, 全省耕地土壤pH變化幅度與年均降水量和年均氣溫關(guān)系密切, 關(guān)聯(lián)系數(shù)絕對(duì)值||分別高達(dá)0.898和0.844, 故高溫和多雨的氣候條件是導(dǎo)致1982—2008年福建省67.60%的耕地土壤發(fā)生不同程度酸化的主要自然因素。其中降水量較大的北部地區(qū)(三明和南平市)發(fā)生酸化的耕地面積較大, 合計(jì)占全省酸化耕地總面積的37.45%, 而氣溫較高、降水量稍低的東南沿海地區(qū)(莆田、泉州、廈門和漳州市)發(fā)生酸化的耕地面積也占全省酸化耕地總面積的27.28%。

3.2 施肥和酸雨對(duì)耕地土壤酸化的影響

短期內(nèi)土壤pH的劇烈變化則主要受人為因素的干擾[17]。長(zhǎng)期不合理施肥, 特別是長(zhǎng)期大量施用酸性或生理酸性化肥是引起土壤酸化的重要原因[18-19]。這是因?yàn)樗嵝?如過磷酸鈣)或生理酸性(如硫酸銨)肥料施入土壤, 直接向土壤輸入酸性物質(zhì)磷酸導(dǎo)致土壤酸化[20], 或因植物喜好吸收NH4+而使SO42-在土壤中殘留并與作物代換吸收釋放出來的H+(或離解出來的H+)結(jié)合成硫酸導(dǎo)致土壤酸化[2], 或NH4+在土壤中發(fā)生硝化反應(yīng)釋放H+, 會(huì)加速土壤酸化[21]。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料, 近30年來福建省化肥施用量持續(xù)增長(zhǎng), 2008年化肥施用量高達(dá)1.19×106t, 是1985年的2.42倍, 其中以氮磷肥占優(yōu)勢(shì), 分別占年化肥施用量的39.90%~60.77%和13.51%~17.25%。據(jù)福建省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒資料, 26年間耕地土壤酸化較為嚴(yán)重的南平、泉州、龍巖和漳州等設(shè)區(qū)市年均化肥施用量介于508~1 980 kg×hm-2, 是全省年均化肥施用量(434 kg×hm-2)的1.17~4.56倍, 且施用的化肥以氮、磷肥為主, 施用的磷肥則以酸性過磷酸鈣占優(yōu)勢(shì)[22]。本研究結(jié)果表明, 全省耕地土壤pH變化幅度與年磷肥和氮肥施用量關(guān)系密切, 關(guān)聯(lián)系數(shù)絕對(duì)值|R|分別高達(dá)0.831和0.807。因此, 長(zhǎng)期持續(xù)大量施用尿素、氯化銨、硫酸銨和過磷酸鈣等酸性或生理酸性肥料也是造成福建省耕地土壤大面積酸化的重要外因。

酸雨降落到地面, 酸雨中的硫酸根離子和硝酸根離子均會(huì)直接加快土壤的酸化[23]。福建省屬于全國(guó)的酸雨敏感區(qū), 酸雨較嚴(yán)重的區(qū)域位于福建省的北部、西部和南部, 其中龍巖、泉州等城市的酸雨頻率>50%[24]。本研究結(jié)果表明, 全省耕地土壤pH變化幅度與降水年均pH值關(guān)系極為密切, 關(guān)聯(lián)系數(shù)高達(dá)0.907, 明顯高于年均降水量、年均溫度、年氮肥和磷肥施用量等外在致酸因素。因此, 酸雨是導(dǎo)致福建省近1982—2008年耕地土壤普遍酸化的最主要外因。據(jù)全省酸雨監(jiān)測(cè)點(diǎn)資料統(tǒng)計(jì), 南平、泉州和漳州等設(shè)區(qū)市的年均降雨pH分別為5.2、5.1和4.6, 較全省年均降水pH的均值(6.0)低0.9~1.4個(gè)單位, 酸雨較為嚴(yán)重, 致使南平、龍巖、泉州和漳州等市耕地土壤發(fā)生強(qiáng)度和中度酸化的耕地面積也較大, 合計(jì)占全省強(qiáng)度和中度酸化耕地總面積的95.27%和75.49%。

3.3 利用方式對(duì)耕地土壤酸化的影響

福建省地處亞熱帶氣候區(qū), 豐富的光溫水條件決定了全省耕地適合多熟制栽培, 主要耕作制度為煙-稻、稻-薯、稻-菜、馬鈴薯-雙季晚稻、馬鈴薯-中稻-甘薯、春大豆-雙季晚稻等[25], 因此福建省水田的利用方式以水旱輪作為主。與其他耕作模式相比, 水旱輪作模式下, 土壤pH平均下降速率是持續(xù)種稻模式的10倍[26], 水旱輪作更易造成土壤酸化。這是因?yàn)橐环矫嫠递喿髂Ｊ较峦寥烙捎谙鄬?duì)較長(zhǎng)的時(shí)間處于好氣條件, 易于NH4+的硝化作用, 致使土壤酸化; 另一方面水旱輪作模式下土壤有較長(zhǎng)時(shí)間的排水期, 在此期間耕層土壤中大量的亞鐵被氧化, 氧化過程中質(zhì)子的釋放進(jìn)一步導(dǎo)致土壤酸化[27], 且在水旱輪作模式下, 增施酸性或生理酸性肥料可加速土壤酸化[28], 故1982—2008年福建省耕地以水田利用類型和水稻土類型的酸化最為嚴(yán)重, 70.35%的水田和水稻土均發(fā)生不同程度酸化。水澆地灌溉活動(dòng)也較為頻繁, 淋溶作用較水田弱, 較旱地強(qiáng), 且灌水后一部分水分總是向上運(yùn)動(dòng)以補(bǔ)充地表蒸發(fā)和植物根系吸收, 這會(huì)使致酸離子在土壤表層積累[29], 與旱地相比水澆地也更易酸化, 故1982—2008年福建省耕地的水澆地利用類型酸化也較旱地嚴(yán)重, 60.78%的水澆地發(fā)生不同程度酸化。旱地由于主要靠天然降水供給作物需水, 灌溉活動(dòng)較少, 所以酸化程度相對(duì)較弱, 1982—2008年全省有51.69%的旱地發(fā)生不同程度酸化。

3.4 土壤內(nèi)在屬性對(duì)耕地土壤酸化的影響

短期內(nèi)土壤pH變化還取決于土壤自身抵制酸堿變化的能力[17]。土壤抵制酸堿變化的能力以土壤物質(zhì)組成和地球化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ), 土壤酸緩沖性能因土壤類型而異, 故不同類型土壤酸化程度也有所不同。黏粒是土壤CEC的主要來源物, 有機(jī)質(zhì)是土壤CEC的主要貢獻(xiàn)因子[30], 故有機(jī)質(zhì)、黏粒含量和CEC高的耕地土壤, 其酸緩沖能力強(qiáng), 土壤越不易酸化, 而砂粒含量高、黏粒、有機(jī)質(zhì)含量和CEC低的耕地土壤, 對(duì)酸的緩沖能力弱, 越易發(fā)生酸化。本研究結(jié)果表明, 全省耕地土壤pH變化幅度與CEC、黏粒、有機(jī)質(zhì)和砂粒含量關(guān)系密切, 關(guān)聯(lián)系數(shù)分別高達(dá)0.927、0.921、0.851和0.848, 表明不同耕地土壤類型的CEC、黏粒、有機(jī)質(zhì)和砂粒含量等內(nèi)在因素差異, 對(duì)福建省耕地土壤酸化也具有不同程度地影響。全省紫色土和風(fēng)砂土等土壤類型酸化較為嚴(yán)重, 這是因?yàn)樽仙聊纲|(zhì)多為紫色砂礫巖和紫色凝灰熔巖, 砂粒含量較高, 有機(jī)質(zhì)貧乏[19]; 風(fēng)砂土砂粒含量高達(dá)85%以上, 而黏粒和粉粒含量甚少, 故黏粒和粉粒對(duì)有機(jī)質(zhì)的保護(hù)能力弱, 致使有機(jī)質(zhì)礦化作用強(qiáng)烈[31], 導(dǎo)致福建省紫色土和風(fēng)砂土的CEC低, 土壤酸緩沖能力弱, 此外, 砂粒含量高的耕地土壤具有較大的孔隙, 透水性好, 導(dǎo)致土壤鹽基物質(zhì)易于淋失, 致使26年間全省紫色土和風(fēng)砂土也發(fā)生較普遍酸化, 酸化面積比例僅次于水稻土。全省潮土發(fā)生酸化的面積較小, 僅占潮土總面積的38.43%, 主要是由于潮土多分布于江河中下游的沖積平原區(qū), 其區(qū)位、交通和灌溉條件均十分優(yōu)越, 多已辟為菜地, 長(zhǎng)期的精耕細(xì)作和重視有機(jī)肥施用, 致使潮土的黏粒、有機(jī)質(zhì)含量和CEC均較高, 對(duì)酸的緩沖能力較強(qiáng)而不易發(fā)生酸化。雖然濱海鹽土黏粒含量較低, 但由于其原始pH高, 土壤中含有較多的中堿性鹽, 使其緩沖容量?jī)H次于石灰土, 且濱海鹽土質(zhì)子緩沖主要是通過土壤中的中堿性鹽的中和反應(yīng), 很快可達(dá)到平衡[32], 所以福建省的濱海鹽土成為全省土壤酸化的唯一例外。

4 結(jié)論

1982—2008年間, 地處亞熱帶的福建省67.60%的耕地土壤發(fā)生了不同程度酸化, 其中強(qiáng)度和中度酸化耕地主要分布在龍巖和泉州市。全省耕地土壤以滲育和潴育水稻土亞類發(fā)生強(qiáng)度、中度和弱度酸化的面積最大, 合計(jì)分別占全省相應(yīng)酸化程度耕地土壤總面積的98.94%、84.51%和87.36%, 表明滲育和潴育水稻土亞類的酸化程度相對(duì)較為嚴(yán)重。全省耕地土壤以水田利用類型酸化最為嚴(yán)重, 酸化面積占水田總面積的70.35%; 旱地利用類型酸化面積相對(duì)較小, 占旱地總面積的51.69%。全省耕地土壤酸化程度與可能影響因子灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)絕對(duì)值大小順序?yàn)? CEC>黏粒>降水年均pH值>年均降水量>有機(jī)質(zhì)>砂粒>年平均溫度>磷肥施用量>氮肥施用量>粉粒, 其中CEC、黏粒、降水年均pH、有機(jī)質(zhì)和粉粒與酸化程度呈正相關(guān); 年均降水量、砂粒、年均溫及磷肥和氮磷肥施用量與酸化程度呈負(fù)相關(guān)?？梢? 福建省耕地土壤酸化是自然和人為多種因素交互作用所致, 酸雨、高溫多雨的氣候和大量施用酸性或生理酸性肥料是加速福建省耕地土壤酸化的主要外因。

盡管本研究利用兩期大樣本數(shù)據(jù)對(duì)亞熱帶地區(qū)福建省的耕地土壤酸化程度進(jìn)行了分析, 但土壤酸性調(diào)控不僅要了解土壤活性酸, 還需明確耕地土壤的潛性酸量, 以便準(zhǔn)確計(jì)算酸化改良劑(如生石灰、生物炭等)的最佳施用量。因此, 今后的研究應(yīng)進(jìn)一步揭示土壤活性酸與潛性酸之間的關(guān)系, 建立科學(xué)的土壤潛性酸量估算模型, 進(jìn)而準(zhǔn)確估算耕地土壤潛性酸量, 為酸化耕地土壤合理改良提供科學(xué)依據(jù)。

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Soil acidification degree difference and impact factors of subtropical cropland*

ZHANG Xiu1,2,ZHANG Liming1,2,LONG Jun1,2, CHEN Hanyue1,2, FAN Xieyu1,2,XING Shihe1,2**, XU Fuxiang3

(1. College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China; 2. Key Lab of Soil Ecosystem Health and Regulation of Fujian Province, Fuzhou 350002, China; 3. Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264000, China)

Soil pH is an important indicator of cropland soilfertility and quality. Decline in soil pH is a vital problem in soils of intensive agricultural systems in China, which heavily obstructed crop growth and improvement of ecological environments.Thus accurate knowledge on the degree of acidification and its causes of regional cropland soils is crucial for the enhancement of the quality of cropland soils and sustainable development of agriculture. In this study,data on topsoil attributes collected from 36 777 sampling sites in the second soil survey in 1982, 236 445 sampling sites of soil fertility investigation for fertilization in 2008, average annual temperature and precipitation for 1980-2008 in Fujian Province were used to establish a 1︰250 000 map of relevant cropland soil attributes database in ArcGIS software. This database,containing a total of 34 593 patches,was used to study the extent of acidification, and combined with the Grey slope correlation analysis model to explore the causes of cropland soils acidification in the province. The aim of the study was to lay the scientific basis necessary for understanding soil acidification regulation.The results showed that the area of acidification during the studied period accounted for 67.60% of the total area of croplands in the province. Also the areas with strong, moderate and low acidifications accounted for 0.83%, 18.26% and 48.52% of total croplands in the province, respectively.Analysis on prefectural city scale showed that strongly acidified croplands were mainly distributed across Longyan City and Quanzhou City,accounting respectively for 86.88% and 8.39% of total strongly acidified croplands in the province.Moderately acidified farmlands were mainly distributed across Nanping City, Longyan City and Quanzhou City,accounting respectively for 29.88%, 18.10% and 16.94% of total moderately acidified cropland in the province. The weakly acidified croplands were widely distributed across Fujian Province. On the whole, strongly and moderately acidified farmlands were mainly distributed across the north, southwest and southeast littoral regions of Fujian Province. In terms of soil type,gley paddy soils,percogenic paddy soils and acid purplish soils had significantly acidized in 1980 to 2008, with acidified areas accounting respectively for 82.87%, 72.37% and 69.20% of total gley paddy soils, percogenic paddy soils and acid purplish soils in the province. However, the acidification degrees of percogenic and hydromorphic paddy soils were relatively severe, with the total area of strong, moderate and low acidifications accounting respectively for 98.94%, 84.51% and 87.36% of total acidified cropland area in the province. In terms of land use type, paddy and irrigated fields were significantly acidified, accounting for a high proportion of the study area. Acidified areas accounted respectively for 70.35% and 60.78% of total paddy and irrigated fields in the study area. Grey slope correlation analysis suggested that increasing severity of acid rain, high temperature, high precipitation and high fertilizer input were the main factors contributing to the acidification of croplands in Fujian Province. An effective control approach of cropland acidification in Fujian Province was by strict control the emissions of industrial acidic exhaust gases containing sulfur. It was also necessary to optimize fertilizer management programs by increasing organic fertilizers application and reducing chemical nitrogen and phosphate fertilizers application.

Fujian Province; Farmland; Soilacidification; Soil subgroup; Land use type; Grey slope correlation analysis

10.13930/j.cnki.cjea.160723

S15

A

1671-3990(2017)03-0441-10

2016-08-18 接受日期: 2016-12-12

* 福建省高校杰出青年科研人才計(jì)劃基金(JA13093)資助

* This work was supported by the Distinguished Young Scholars Foundation of the Higher Education Institutions in Fujian Province, China (JA13093).

** Corresponding author, E-mail: fafuxsh@126.com

**通訊作者:邢世和, 主要從事土地(壤)資源持續(xù)利用與評(píng)價(jià)研究。E-mail: fafuxsh@126.com

張秀, 主要從事農(nóng)業(yè)資源與GIS應(yīng)用研究。E-mail: zx150501@126.com

Aug. 18, 2016; accepted Dec. 12, 2016