吉林市城鄉(xiāng)交錯帶耕地土壤pH與有機質(zhì)時空動態(tài)變化分析

郭聃　車曉翠　黃健　張惠琳　朱健菲

【摘 要】對吉林市城鄉(xiāng)交錯帶1982年至2012年近30年來耕地土壤pH、有機質(zhì)時空變化特征進行分析，并探討了城市化進程對耕地質(zhì)量演變的作用規(guī)律。結(jié)果表明：30年間，土壤pH平均值由6.19降低到5.69，酸化趨勢明顯。有機質(zhì)含量由26.14g/kg提高到28.45g/kg，有小幅提升；耕地土壤pH和有機質(zhì)空間分布格局變化具有明顯的城鄉(xiāng)梯度特征，土壤酸化速率沿城鄉(xiāng)梯度遞減，有機質(zhì)呈現(xiàn)近郊增加遠郊降低的變化趨勢；城市化進程影響了吉林市近郊耕地土壤有機質(zhì)變化趨勢，加速了土壤酸化過程。城市化對吉林市耕地質(zhì)量變化的作用強度隨距中心城區(qū)距離遞減，作用半徑在12km左右。

【關(guān)鍵詞】有機質(zhì)；pH；城鄉(xiāng)交錯帶；耕地；地理信息系統(tǒng)

城鄉(xiāng)交錯帶是位于城市建成區(qū)與周邊農(nóng)村之間，由城鄉(xiāng)要素相互滲透耦合而構(gòu)成的過渡地帶，其耕地數(shù)量和質(zhì)量是保障城市農(nóng)產(chǎn)品有效供給和生態(tài)安全的基本條件。城市經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展導(dǎo)致交錯帶內(nèi)農(nóng)業(yè)用地特別是耕地不斷被非農(nóng)業(yè)用地侵占[1]，使得城鄉(xiāng)交錯帶成為土地利用問題最多、人地矛盾最尖銳的地區(qū)[2]。研究這一特殊區(qū)域的耕地利用問題，對合理高效利用有限的耕地資源、促進城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展、協(xié)調(diào)人地關(guān)系具有重要意義。

吉林市是吉林省第二大城市、長吉圖開發(fā)開放先導(dǎo)區(qū)的直接腹地和重要節(jié)點，同時也是國家重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和商品糧基地，城鄉(xiāng)交錯帶內(nèi)城市發(fā)展與耕地保護之間矛盾尤為突出。本文以吉林市城鄉(xiāng)交錯帶為研究對象，利用“3S”技術(shù)對衡量耕地質(zhì)量的重要指標(biāo)——pH和有機質(zhì)近30年間的時空變化特征進行分析，并在此基礎(chǔ)上對城市化對耕地質(zhì)量演變的影響進行了初步探討，以期豐富和促進城鄉(xiāng)交錯帶耕地利用研究的理論和方法，為該區(qū)域耕地資源的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

吉林市位于吉林省中部偏東，全市土地面積27120km2，其中耕地面積3959km2。本文以吉林市郊區(qū)緊鄰城市建成區(qū)的8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）范圍為研究區(qū)域，該區(qū)內(nèi)耕地土壤類型主要以水稻土、白漿土、暗棕壤、新積土為主，共占耕地土壤面積的95%。土壤分布自南向北呈規(guī)律性變化：南、東南部以暗棕壤為主；西部分布白漿土；北部分布水稻土；沿江兩岸新積土。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

主要數(shù)據(jù)包括：吉林市1982年Landsat MSS和2012年landsat7 ETM遙感影像；第二次土壤普查（1982年）及耕地地力調(diào)查評價（2012年）土壤采樣點數(shù)據(jù)。對研究區(qū)兩期遙感影像進行處理分類得到土地利用類型圖，劃定兩個年代的城市建成區(qū)與城鄉(xiāng)交錯帶空間范圍。對兩期土壤采樣點進行克里金插值得到pH值和有機質(zhì)空間分布圖。兩期空間分布圖相減得到1982～2012年時空變化圖。根據(jù)研究區(qū)特點劃分有機質(zhì)、pH及其變化級別，其中pH變化在-0.3～0之間為基本不變（自然波動和測量誤差引起）[3]，超出這個范圍則表示土壤pH已經(jīng)發(fā)生實質(zhì)性變化。以2012年城市建成區(qū)為中心，每1km為增量半徑向外拓展生成等距梯度帶，對各梯度帶所包含耕地的pH和有機質(zhì)平均值與距中心城區(qū)距離進行回歸分析，進而分析由城市建成區(qū)向遠郊鄉(xiāng)村方向上耕地土壤pH和有機質(zhì)空間分布格局及演變的梯度變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地土壤pH時空變化

1982年吉林市城鄉(xiāng)交錯帶內(nèi)耕層土壤pH值平均值為6.19。土壤pH值為弱酸性的耕地面積最大，所占比例為88.27 %。2012年土壤pH值平均值為5.69。土壤pH值為中酸性的耕地面積最大，所占比例為79.79 %。近30年來耕地土壤pH平均值降低0.5個單位，83.81%的耕地pH值降低（圖1-b），城鄉(xiāng)交錯帶內(nèi)耕地土壤酸化趨勢明顯。pH降低幅度較大的區(qū)域主要集中在城市建成區(qū)周圍，降幅都超過了0.6個pH單位。遠郊除西北部有部分耕地pH降幅較大，其它地方變化較?。▓D1-a）?？傮w來看，表現(xiàn)出明顯的近城區(qū)pH降幅大，遠城區(qū)pH降幅小的城鄉(xiāng)過渡特征，城市建成區(qū)周圍耕地土壤酸化嚴重。自然狀態(tài)下土壤pH每下降一個單位需要上百年甚至更長的時間[4]。根據(jù)吉林省耕地地力評價結(jié)果，30年來吉林省暗棕壤、白漿土pH平均值降低0.2個單位，水稻土pH上升0.1個單位。吉林市城鄉(xiāng)交錯帶耕地土壤酸化速率遠高于自然及全省平均水平，且變化的空間格局具有明顯城鄉(xiāng)過渡特征，說明城市化進程加速了耕地土壤酸化過程。

現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展、不合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式及酸雨是導(dǎo)致土壤酸化的主要原因。吉林市大氣降水pH基本呈中性且年際變化小[5]，降水不是吉林市郊區(qū)土壤酸化加速的主要原因。30年間吉林市城市規(guī)劃發(fā)展方向為工業(yè)用地主要向北發(fā)展、新建城區(qū)主要向南部擴張。以化工業(yè)為主的哈達灣與龍?zhí)豆I(yè)區(qū)均位于城市北部，工業(yè)企業(yè)分布較集中，多年來工業(yè)“三廢”污染嚴重，造成城市北部近郊耕地持續(xù)酸化。吉林市盛行風(fēng)向為西南風(fēng)，由于大氣的漂移和擴散作用，北部工業(yè)大氣污染對交錯帶其他方向亦有不同程度影響。新建城區(qū)向南部擴張造成南部人口膨脹，對蔬菜等農(nóng)副產(chǎn)品需求量增加，在城市近郊許多農(nóng)田改為蔬菜地或大棚保護地后由于不合理施用酸性肥料、土地復(fù)種指數(shù)增加導(dǎo)致南部近郊土壤酸化嚴重。針對耕地現(xiàn)狀，今后應(yīng)加大力度對北部工業(yè)“三廢”排放進行管理與控制，同時針對酸化嚴重區(qū)域通過使用石灰、鉀硅肥等土壤調(diào)酸劑改善土壤酸化情況。

3.2 耕地土壤有機質(zhì)時空變化

1982年吉林市城鄉(xiāng)交錯帶內(nèi)耕層土壤有機質(zhì)平均值為26.14 g/kg。土壤有機質(zhì)為缺少（10～20 g/kg）的耕地面積最大，所占比例為48.17%，耕地土壤有機質(zhì)含量較低。2012年土壤有機質(zhì)平均值為28.45g/kg。土壤有機質(zhì)為適量（20～30g/kg）的耕地所占比例最大，為67.29%。近30年來耕地土壤有機質(zhì)平均值增加2.31g/kg，有小幅提升，75.12%的耕地有機質(zhì)含量升高（圖2-b）。有機質(zhì)降幅較大的區(qū)域主要集中在郊區(qū)西南部，靠近城市建成區(qū)的耕地有機質(zhì)含量皆升高，東南部增幅最大（圖2-a）?？傮w上看，有機質(zhì)變化呈現(xiàn)明顯的的城市近郊升高遠郊降低的城鄉(xiāng)過渡特征。根據(jù)吉林省耕地地力評價結(jié)果，30年來吉林省土壤有機質(zhì)平均值降低2.07g/kg，吉林市城鄉(xiāng)交錯帶耕地土壤有機質(zhì)變化與全省趨勢相反，且具有較明顯的城鄉(xiāng)過渡特征，說明城市化進程影響了吉林市近郊耕地土壤有機質(zhì)變化趨勢。

交錯帶內(nèi)土壤有機質(zhì)原低值區(qū)有機質(zhì)含量升高，主要由于第二次土壤普查以來秸稈還田數(shù)量增加提高了有機物質(zhì)在土壤中的積累。城市南北發(fā)展定位的差異導(dǎo)致南部近郊大面積農(nóng)田改為菜地，投入有機肥較多，因而南部增幅較大。但農(nóng)戶在積極提高原低值區(qū)土壤肥力的同時忽視了原高值區(qū)土壤肥力的保持，導(dǎo)致遠郊西南部有機質(zhì)含量大幅下降。今后應(yīng)重點針對北部有機質(zhì)缺乏地區(qū)大力實行秸稈還田、增施有機肥、測土配方施肥等措施提升有機質(zhì)含量，同時要注意加強西南部有機質(zhì)豐富地區(qū)的施肥和耕作管理使得其高土壤肥力得以保持或有所提高。

3.3 耕地土壤pH與有機質(zhì)變化的城鄉(xiāng)梯度分析

為進一步研究不同城鄉(xiāng)梯度上的耕地質(zhì)量演變特征，分別統(tǒng)計各梯度帶的pH及有機質(zhì)平均值進行定量分析。吉林市城市化在上世紀60～70年代處于停滯期，從80年代開始進入迅速增長期，因此可把1982第二次土壤普查時的調(diào)查值看作快速城市化前的環(huán)境本底值。從圖3可看出，吉林市城鄉(xiāng)交錯帶耕地土壤pH值、有機質(zhì)本底值在城鄉(xiāng)梯度上呈波浪形變化趨勢，與距中心城區(qū)遠近無明顯相關(guān)，基本不受城市位置影響，主要受母質(zhì)及城市化前土地利用與管理措施影響。2012年耕地地力評價時，耕地土壤pH 和有機質(zhì)空間分布與距中心城區(qū)距離相關(guān)性增加，特別是pH與距中心城區(qū)距離的相關(guān)性有大幅上升，呈現(xiàn)較明顯的城鄉(xiāng)梯度特征。隨城市化發(fā)展城市位置對耕地質(zhì)量空間分布格局的影響增強，城鄉(xiāng)梯度特征發(fā)生變化。

30年間交錯帶內(nèi)土壤pH與有機質(zhì)的變化趨勢不同，但兩者變化率均與距中心城區(qū)距離有一定關(guān)系。土壤pH變化速率與距離呈相關(guān)性較高，沿城鄉(xiāng)梯度呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢，近郊土壤酸化速率高，遠郊速率相對較低，在距中心城區(qū)12km時變化速率趨于平穩(wěn)。受城市南北發(fā)展定位差異和高肥力土壤保護不當(dāng)?shù)挠绊?，有機質(zhì)變化速率與距離的相關(guān)性不高，但在距中心城區(qū)12 km以內(nèi)其增加速率沿城鄉(xiāng)梯度遞減，總體上也呈現(xiàn)近郊增加遠郊降低的城鄉(xiāng)梯度特征。城市化對吉林市城鄉(xiāng)交錯帶耕地質(zhì)量變化的作用強度隨距中心城區(qū)距離遞減，對土壤pH和有機質(zhì)的作用半徑在12 km左右。

由于國情差異世界各國城市化發(fā)展模式迥然不同，此處僅把分析結(jié)果與國內(nèi)以往研究對比。我國學(xué)者在上海、南京等城市開展的研究顯示從遠郊到城市中心土壤有機質(zhì)含量增加、有堿化趨勢[6-7]。隨城市化發(fā)展，吉林市城鄉(xiāng)交錯帶有機質(zhì)變化呈現(xiàn)近郊增加遠郊降低的趨勢，這與其他城市調(diào)查結(jié)果相似。但吉林市土壤pH的城鄉(xiāng)梯度特征與其他城市有所不同。城鄉(xiāng)交錯帶是兼具城市和鄉(xiāng)村土地利用性質(zhì)的特殊生態(tài)區(qū)，其土壤屬性受多種自然和社會因素作用。與吉林市相比，這些城市大多位于城市化水平高、發(fā)展速度快的區(qū)域，較早完成工業(yè)企業(yè)退城外遷，工業(yè)企業(yè)主要位于郊區(qū)且布局分散；多位于我國酸雨重災(zāi)區(qū)且酸雨對郊區(qū)影響大于市區(qū)[8-10]。吉林市化工企業(yè)集中分布在城市北部，30年間隨城市擴展由老工業(yè)區(qū)演變?yōu)槌鞘兄行模?010年才開始啟動工業(yè)區(qū)搬遷改造工程，降水主要呈中性。環(huán)境條件、土壤母質(zhì)、土地利用管理方式和城市化進程的不同導(dǎo)致地處東北的吉林市與其他城市在城鄉(xiāng)交錯帶土壤屬性方面出現(xiàn)區(qū)域性差異。另外，以往研究主要是對同一時期城市、郊區(qū)、鄉(xiāng)村三地樣本進行比較分析，得出的城鄉(xiāng)差異也沒有去除土壤環(huán)境本底值的影響。本研究利用30年間變化值來分析城鄉(xiāng)梯度特征，更能有效體現(xiàn)城市化對城鄉(xiāng)交錯帶耕地質(zhì)量的影響。

4 結(jié)論

（1）30年間吉林市城鄉(xiāng)交錯帶內(nèi)土壤pH平均值由6.19降低到5.69，酸化趨勢明顯；有機質(zhì)含量由26.14g /kg提高到28.45g/kg，大部分耕地有機質(zhì)含量升高。

（2）30年間吉林市城鄉(xiāng)交錯帶內(nèi)土壤pH下降0.5個單位，土壤酸化速率遠高于自然及全省平均水平。耕地土壤有機質(zhì)升高2.31g/kg，變化與全省趨勢相反。城市化進程影響了吉林市近郊耕地土壤有機質(zhì)變化趨勢，加速了土壤酸化過程。

（3）耕地土壤pH和有機質(zhì)空間格局變化具有明顯的城鄉(xiāng)梯度特征，土壤酸化速率沿城鄉(xiāng)梯度遞減，有機質(zhì)呈現(xiàn)近郊增加遠郊降低的變化趨勢；隨城市化發(fā)展城市位置對耕地質(zhì)量空間分布格局的影響增強，城鄉(xiāng)梯度特征發(fā)生變化；城市化對吉林市城鄉(xiāng)交錯帶耕地質(zhì)量變化的作用強度隨距中心城區(qū)距離遞減，對土壤pH和有機質(zhì)的作用半徑在12km左右。

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[責(zé)任編輯：張濤]