近25年來典型紅壤區(qū)土壤pH變化特征
——以江西省余江縣為例*

張忠啟 茆 彭 于東升 徐 莉

（1 江蘇師范大學(xué)地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，江蘇徐州 221116）

（2 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008）

pH作為一種重要的土壤基本屬性，不僅是土壤形成過程中多種因子綜合作用的結(jié)果，而且是土壤許多理化性質(zhì)的綜合反映［1］。土壤pH的高低制約著土壤生物化學(xué)性質(zhì)及營養(yǎng)物質(zhì)的有效性、作物對營養(yǎng)元素的吸收、作物的生長發(fā)育等諸多方面，同時對區(qū)域生態(tài)環(huán)境有著深刻影響［2］。因此，研究土壤pH的時空變化特征對區(qū)域土壤資源的永續(xù)利用、高效管理及生產(chǎn)力提升具有重要意義。

自然狀態(tài)土壤的pH主要受成土因子控制，其酸化過程十分緩慢，pH每變化一個單位通常要上百年乃至上千年的時間［3］。當(dāng)前我國土壤“南酸北堿”的整體格局是在整體氣候格局的背景下通過漫長的地質(zhì)大循環(huán)和生物小循環(huán)作用后形成的［4］。從全國范圍來看，作為我國重要耕作區(qū)的南方紅壤區(qū)在自然和人為因子雙重作用下，已成為我國土壤酸性較高的區(qū)域，土壤酸化已成為該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要制約因素。同時，南方紅壤區(qū)水熱條件較好，是我國以稻米為主的重要糧食產(chǎn)區(qū)，維持該地區(qū)較好的土壤質(zhì)量，不僅對該區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大，而且可為保障全國糧食安全做出重要貢獻(xiàn)。因此，對南方紅壤區(qū)土壤pH開展相關(guān)研究十分必要。然而，近些年紅壤區(qū)的土壤學(xué)相關(guān)研究多集中在土壤碳氮循環(huán)、水土流失、重金屬污染、肥力提升及土壤顆粒吸附機理等相關(guān)問題上［5-9］，而對于土壤酸化這一長期存在的重要問題的關(guān)注度大幅下降，相關(guān)研究成果也相對較少。然而，趙其國等［10］指出紅壤區(qū)的酸化問題一直是南方地區(qū)面臨的主要農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境問題之一，而且存在進(jìn)一步惡化的可能，需要土壤學(xué)者給予關(guān)注。因此，查明南方紅壤區(qū)土壤酸化的時空格局和演變特征，進(jìn)而為該地區(qū)農(nóng)業(yè)管理部門制定合理的土壤治理措施提供參考，同時使更多學(xué)者關(guān)注紅壤區(qū)土壤酸化問題并持續(xù)開展研究，以更好地促進(jìn)該地區(qū)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)，這不但對我國，而且對世界亞熱帶和熱帶地區(qū)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有著重大的推動與指導(dǎo)意義。鑒于此，本文以南方紅壤區(qū)具有代表性的江西省余江縣為研究區(qū)，基于該地區(qū)1982年和2007年兩個采樣時期的土壤采樣數(shù)據(jù)，通過經(jīng)典統(tǒng)計、地統(tǒng)計和柵格運算等方法，分析了全縣的土壤pH的時空變異特征，并對比了不同時期各土壤類型、土地利用方式之間的土壤pH異同，進(jìn)而定量評價了自第二次全國土壤普查以來典型紅壤地區(qū)土壤pH的演變特征，結(jié)果可為南方紅壤區(qū)土壤酸化控制和耕地質(zhì)量提升提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

余江縣（116°41′～117°09′E，28°04′～28°37′N）處于江西省東北丘陵山區(qū)向鄱陽湖平原過渡區(qū)域，總面積約927 km2。該地區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，光熱充足，降水充沛，年均溫為17.6 ℃，多年平均降水量為1 758 mm。余江縣地形以低丘為主，南北多高丘，其中丘陵面積占78%，平原占22%［11］。成土母質(zhì)有紅砂巖、第四紀(jì)紅色黏土、頁巖和河流沖積物等；土壤類型以紅壤和水稻土為主，約占全縣總面積的90%以上，潮土亦有零星分布（江西省余江縣土壤普查辦公室，1986）。其土地利用以水田、旱地、林地為主，三種土地利用方式分別占總面積的39%、13%和38%（中國土地利用數(shù)據(jù)庫，2005）。該地區(qū)主要作物有水稻、油菜、花生、紅薯和芝麻等。

圖1 余江縣地理位置及土壤采樣點分布圖Fig. 1 Location of Yujiang County and soil sampling sites distribution maps in 1982 and 2007

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究共使用了1982年和2007年兩個時期的土壤采樣點pH數(shù)據(jù)。其中， 1982年各采樣點pH數(shù)據(jù)源自余江縣全國第二次土壤普查結(jié)果，由于此次土壤采樣點未記錄經(jīng)緯度信息，故本研究根據(jù)采樣時記錄的以重要地物為參照的位置信息及采樣點周圍的環(huán)境因子信息確定其空間位置，共選用可確定空間位置的土壤表層（0～20 cm）樣點154個（圖1）。其中水稻土、潮土和紅壤三種土壤類型的樣點數(shù)分別為109、4和41；水田、旱地和林地三種土地利用方式的樣點數(shù)量分別為100、26和28。2007年余江縣土壤調(diào)查是基于2 km×2 km網(wǎng)格進(jìn)行的系統(tǒng)采樣，采樣點位于各網(wǎng)格中心位置附近，共得到表層（0～20 cm）土壤樣品236個。其中水稻土、潮土和紅壤三種土壤類型的樣點數(shù)分別為143、5和88；水田、旱地和林地3種類型樣點數(shù)分別為153、40和43個。兩個時期的土壤采樣點均是在大約100 m2的范圍內(nèi)采集3～5個土壤樣品，經(jīng)混合均勻后用四分法取大約1 000 g土樣帶回實驗室進(jìn)行預(yù)處理，同時記錄采樣點周圍的相關(guān)環(huán)境信息。兩個采樣時期的土壤pH均采用電位法（水土比 2.5∶1）進(jìn)行測定［12］。

1.3 土壤pH的空間預(yù)測和時間演變

兩個采樣時期的余江縣土壤pH空間分布均采用Kriging內(nèi)插方法得到。該方法將土壤pH數(shù)據(jù)視為區(qū)域化變量，以半方差函數(shù)為基本工具，對未采樣區(qū)域的土壤pH進(jìn)行最優(yōu)無偏估計，其原理及相關(guān)公式見有關(guān)文獻(xiàn)［13］。兩個時期的土壤pH空間插值的不確定性采用預(yù)測RMSE值進(jìn)行評價，該值通過采樣點的交叉檢驗（Cross-validation）獲得。為表征1982—2007年期間土壤pH時間變異特征，本研究將兩個時期的土壤pH空間預(yù)測圖進(jìn)行柵格疊加運算，得到研究區(qū)兩時期土壤pH變化圖，進(jìn)而對pH變化情況進(jìn)行分段統(tǒng)計及對比。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

兩采樣時期的土壤pH數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析使用SPSS 19.0，半方差函數(shù)及理論模型擬合利用地統(tǒng)計學(xué)軟件GS+9.0，兩時期的土壤pH空間插值圖及柵格疊加運算是在ArcGIS 9.3下完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同采樣時期的土壤pH總體統(tǒng)計特征

1982年和2007年的土壤pH統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。1982年全縣土壤pH均值為5.66，最小和最大值分別為4.90和6.30，極差為1.4。而2007年pH均值僅為4.74，較1982年降低了0.92個pH單位，最小和最大值分別為3.93和6.28，極差為2.35，pH變化范圍較1982年出現(xiàn)大幅增加。從pH變異系數(shù)來看，兩時期的pH均為低等變異強度，但2007年的變異強度高于1982年，說明經(jīng)過近25年來演變，土壤pH數(shù)據(jù)的波動性呈增加趨勢。

表1 1982年和2007年土壤采樣點pH描述性統(tǒng)計Table 1 Descriptive statistics of soil pH data of soil sampling sites in 1982 and 2007

2.2 不同時期各種土壤類型和土地利用方式的土壤pH

從兩采樣時期各土壤類型和各土地利用方式的土壤pH來看，所有土壤類型和土地利用方式均出現(xiàn)不同程度的下降。從土壤類型來看（表2），1982年潮土pH最高，達(dá)到5.98，其次是水稻土（5.69）；而紅壤pH最低，僅為5.52。2007年潮土、水稻土和紅壤的pH分別為4.96、4.80和4.64，分別較1982年降低了1.02、0.89和0.90，降幅為17.1%、15.6%和15.9%。羅明［14］研究了紅壤區(qū)1982—2000年期間多種土壤屬性的變化，也指出紅壤區(qū)土壤pH整體呈下降趨勢，這與本研究的結(jié)果一致。從1982—2007年共25年期間各土壤類型pH數(shù)據(jù)分析可以得出，潮土的pH降幅略高于水稻土和紅壤，該結(jié)果與郭治興等［3］在廣東省的研究結(jié)果有所差異，其認(rèn)為由于潮土具有較強的酸緩沖性能，故潮土酸化程度低于其他土壤類型，這僅是從土壤本身的自然屬性加以理解，有學(xué)者指出土壤開發(fā)利用方式及其相應(yīng)人為管理措施的影響對土壤pH的影響更為重要［15］，同時所在區(qū)域的酸沉降強度也不容忽視［16］。此外，余江縣紅壤和水稻土的pH變幅較為接近，這表明作為全縣最主要的兩種土壤類型—水稻土和紅壤，盡管其土壤水分條件和酸堿緩沖能力存在差異，但近些年在土壤自然過程、人為管理措施及區(qū)域酸沉降等條件的共同作用下，兩者均出現(xiàn)快速酸化，且酸化速度整體上未出現(xiàn)較大差異。

表2 余江縣1982年和2007年各土壤類型pH統(tǒng)計Table 2 Statistics of soil pH data in 1982 and 2007 in Yujiang County relative to soil type

從水田、旱地和林地三種主要土地利用方式來看（表3），1982年水田的土壤pH最高，為5.74，其次是旱地，為5.55，而林地的pH最低，僅為5.47。2007年水田、旱地和林地土壤的pH分別降至4.82、4.72和4.54，較1982年分別降低了0.92、0.83和1.0，降幅分別為16.0%、15.0%和18.3%。從分析結(jié)果可以看出：一方面，林地的土壤pH在兩采樣時期均略低于水田和旱地土壤，姬鋼［17］也有相近的研究結(jié)果，這可能是由于林地較大的凋落量及根系生物量，提高了林地凋落物的分解速率［18］，從而分解產(chǎn)生更多酸性物質(zhì)并加速土壤酸化；同時林下土壤微生物量和碳源代謝能力更高，微生物較強的呼吸作用，也可促進(jìn)土壤酸化現(xiàn)象［19］。另一方面，從水田和旱地兩種主要耕作類型來看，水田長期處于還原狀態(tài)有利于酸堿緩沖調(diào)節(jié)，其土壤pH理應(yīng)高于旱地土壤，本研究區(qū)兩采樣時期的水田和旱地土壤均符合這一規(guī)律。但需要指出的是，在同等酸沉降條件下，由于水田是余江縣最重要的耕地類型和農(nóng)業(yè)收入來源，為保持水稻高產(chǎn)，長期保持較高的化肥施用量，特別是高強度的氮肥施用加快了水田土壤的酸化速度［20］，這可能是水田土壤pH大幅降低的重要原因，導(dǎo)致2007年的水田pH較1982年的下降速率均高于旱地紅壤?？梢?，改善包括施肥措施在內(nèi)的農(nóng)業(yè)管理模式已成為該地區(qū)緩解土壤酸化、保持農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的迫切需要。

表3 余江縣1982年和2007年各土地利用方式pH統(tǒng)計Table 3 Statistics of soil pH data of in 1982 and 2007 in Yujiang County relative to land-use pattern

2.3 不同時期的土壤pH空間分布特征

基于兩時期土壤采樣數(shù)據(jù)，通過Kriging方法得到的pH空間分布如圖2所示。從整體上看，兩時期余江縣北部山區(qū)和部分南部丘陵區(qū)的pH均較低，這與該地區(qū)林地較多和部分旱作坡耕地的存在有較大關(guān)系。中部低丘崗地區(qū)是該縣主要的農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，水田和旱地交錯分布，其中水田面積比例較大，由于水田長時間處于淹水狀態(tài)，土壤透氣性差，土壤中的Fe2+、Mn2+等離子氧化而釋放出H+速率較慢，故其土壤pH整體高于旱地和林地土壤［21］。該縣南部地區(qū)的土地利用方式從1982年到2007年經(jīng)歷了一定的波動，20世紀(jì)70～80年代為增加耕地，該地區(qū)部分丘陵山區(qū)的林地被開墾為耕地，到90年代中后期在國家政策調(diào)整的背景下，在保留部分條件相對較好的耕地外，其余坡耕地開始退耕還林，這些地區(qū)又恢復(fù)林地植被，利用方式的轉(zhuǎn)變帶來管理措施的不同，導(dǎo)致該地區(qū)土壤pH也隨之出現(xiàn)波動，這在圖2中余江縣南部地區(qū)土壤pH變化中得到反映。

圖2 余江縣1982年和2007年土壤pH空間分布圖Fig. 2 Spatial distributions of soil pH in 1982 and 2007 in Yujiang County

從土壤pH插值圖的面積分段統(tǒng)計結(jié)果（圖3）來看，兩采樣時期的土壤pH分布區(qū)間存在較大差異。其中，1982年土壤pH主要分布在5.50～5.75和5.75～6.00兩個區(qū)間，分別占全縣面積的65.72%和22.40%，僅有8.60%的面積pH低于5.5，按照我國土壤酸堿度分級標(biāo)準(zhǔn)［2］，該時期全縣近90%區(qū)域處于微酸性土壤等級。而2007年土壤pH主要分布在4.50～4.75和4.75～5.00兩個區(qū)間，其面積比例分別為48.74%和32.54%，此外pH低于4.50的面積比例也達(dá)到12.8%，這說明該區(qū)域土壤整體酸化程度較1982年大大提高，除了一部分地區(qū)已成為強酸性土壤外，其余的大部分地區(qū)土壤為酸性且已接近強酸性等級。

2.4 不同時期的土壤pH變化特征

通過對兩時期土壤pH空間預(yù)測圖的柵格疊加運算得到了全縣土壤pH變化圖（圖4）。由圖中可以看出，1982年至2007年全縣絕大部分地區(qū)pH呈現(xiàn)降低趨勢，其中余江縣中北部地區(qū)的土壤pH降低幅度相對較大，降幅達(dá)到了0.8～1.2個pH單位，這與該地區(qū)的林地分布廣、局部有一定數(shù)量的坡耕旱地分布有關(guān)。而西南部局部地區(qū)的pH值降幅為0.4～0.8個pH單位，這與該地坡耕旱地分布較為集中有一定關(guān)系。從1982年至2007年共25年的時間來看，全縣整體出現(xiàn)了較大幅度的降低，大部分地區(qū)的降低幅度在0.8～1.2個pH單位，其中在中北部和中東部的局部地區(qū)降低幅度超過1.2個pH單位。

基于柵格疊加運算的pH變化面積比例和平均變化值如表4所示。從變化結(jié)果來看，全縣土壤pH平均降低了0.97，其中降幅超過1.2個pH單位的面積占比為9.25%，而降幅為0.8～1.2個pH單位和0.4～0.8個pH單位兩區(qū)間的面積比例最高，分別為73.82%和15.46%，兩者之和為全縣面積的89.28%，數(shù)據(jù)表明全縣土壤pH整體大幅降低。雖然近些年在當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)管理部門的宣傳和指導(dǎo)下，農(nóng)戶采取了一定緩解土壤酸化的管理措施，但從結(jié)果來看，這些措施并未能明顯遏制土壤酸化趨勢。分析結(jié)果表明，南方紅壤區(qū)的各土壤類型和土類利用方式的pH均表現(xiàn)為快速下降，這對該地區(qū)今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的影響不可忽視，需要引起農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門的重視。

圖3 余江縣1982年和2007年不同時期土壤pH分段統(tǒng)計Fig. 3 Segmented statistics of soil pH in 1982 and 2007 in Yujiang County relative to time period

圖4 余江縣1982年—2007年土壤pH變化分布圖Fig. 4 Spatial variation distribution of soil pH with time period in 1982—2007 in Yujiang County

2.5 紅壤酸化原因及對區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的影響

土壤通常對酸堿有一定的緩沖能力，在自然條件下其酸化速度非常緩慢。已有研究表明，紅壤區(qū)近些年的土壤酸化主要與農(nóng)業(yè)管理與大氣酸沉降有較大關(guān)系［3］。其中土壤管理措施中的施肥影響較大，我國自20世紀(jì)80年代開始大量使用化肥，且施肥量逐年增加，其中氮肥施入量最多，氮肥的大量施用對土壤pH影響較大，成為紅壤區(qū)土壤酸化的重要原因，且隨著氮肥的用量和施用年限的增加，土壤酸化程度逐漸加劇。劉紹貴等［21］研究表明，余江縣每公頃農(nóng)田化肥總施用量由1982年的277.12 kg增加至2002年的607.00 kg，其中氮肥施用量自1982年的150.82 kg增加至2002年的234.47 kg，并呈逐年增加趨勢，在作物對氮素吸收過程中會釋放出較多的H+，進(jìn)而造成土壤酸化。另一方面，酸沉降加速了紅壤酸化進(jìn)程，目前我國南方紅壤丘陵區(qū)大部分處于酸雨控制區(qū)，江西省屬于世界三大酸雨嚴(yán)重區(qū)域［22］，其中余江所屬的鷹潭地區(qū)又是江西省酸雨較突出地區(qū)。何紀(jì)力等［23］對江西省1985年至1999年的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，江西省歷年酸雨pH平均值最小的地區(qū)為鷹潭市，pH低達(dá)4.17；葉永紅等［24］對鷹潭地區(qū)的多年酸雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，2007年鷹潭地區(qū)降水的pH僅為4.07，較2002年大幅降低，可見長時間的酸雨對余江縣土壤酸化的影響亦不容忽視。

余江縣土壤自第二次土壤普查以來快速酸化，對區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境造成較大威脅。首先，作物均存在較適宜其生長的pH范圍，當(dāng)pH超出其所能忍受的范圍時，作物的生長就會受到影響：一方面，作物對Ca、Mg、P、K等營養(yǎng)元素吸收的減少，造成其生長不良［25］；另一方面，土壤pH下降可使土壤中Al、Mn、Fe及Cu、Ni等元素的溶解度大幅度提高，進(jìn)而可導(dǎo)致作物對某些營養(yǎng)元素的過剩吸收而中毒［26］。其次，大多數(shù)土壤微生物均對酸較為敏感，對土壤pH有較高要求，酸性較強的土壤對微生物的活動很不利，將會導(dǎo)致土壤中微生物數(shù)量減少且活性受到抑制，進(jìn)而會影響到土壤有機質(zhì)的分解和土壤中碳、氮、磷、硫的循環(huán)，這顯然對于作物的生長十分不利。再者, 土壤酸化必然會造成區(qū)域水體酸化，酸化水體的恢復(fù)則需要一個漫長的過程，這不僅對有限淡水資源構(gòu)成威脅，也會造成水生生物乃至區(qū)域河流和湖泊生態(tài)系統(tǒng)的破壞［2,10］。可見，由于紅壤地區(qū)土壤的pH本來就偏酸性，酸化的進(jìn)一步發(fā)展不僅使土壤中養(yǎng)分的供應(yīng)嚴(yán)重失調(diào)，進(jìn)而造成作物的生長受阻，產(chǎn)量和品質(zhì)下降，而且對區(qū)域生態(tài)環(huán)境也構(gòu)成重要威脅。

3 結(jié) 論

通過1982年和2007年兩時期的土壤pH數(shù)據(jù)，分析了余江縣土壤酸度的變化特征。結(jié)果表明余江縣土壤整體呈快速酸化趨勢，1982年土壤pH為5.66，而2007年則降至4.74。從全縣三種主要的土壤類型的pH變化來看，潮土pH下降幅度最大，達(dá)到1.02，水稻土和紅壤下降幅度較為接近，分別為0.89和0.88。余江縣主要的土地利用方式中，林地下降幅度最大，其次是水田，而旱地的降幅相對較小。從全縣土壤pH變化的空間分布格局來看，兩時期均是北部地區(qū)和南部局部地區(qū)土壤pH較低，而中部地區(qū)pH相對較高；從土壤酸化趨勢來看，全縣大部分地區(qū)土壤pH均出現(xiàn)降低，其中余江中北部和西南部的部分地區(qū)下降幅度較大。從土壤pH變化的面積統(tǒng)計來看，相對于1982年， 2007年土壤pH降幅的主要分布區(qū)間為0.8～1.2，占全縣面積的73.82%，降幅高于1.2個pH單位的面積比例達(dá)到9.25%。按照我國土壤酸堿度分級標(biāo)準(zhǔn)來看，余江縣土壤已從1982年的微酸為主，變至 2007年的大部分地區(qū)接近強酸等級，且部分地區(qū)進(jìn)入強酸狀態(tài)。可見，南方紅壤區(qū)的土壤酸化形勢已十分嚴(yán)峻，將對該地區(qū)今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，亟需引起農(nóng)業(yè)管理部門的重視，積極采取措施緩解土壤酸化帶來的不利影響。

表4 余江縣1982年—2007年土壤pH變化區(qū)間占全縣面積比例Table 4 Statistics of the soil pH variations in area ratio from 1982 to 2007 in Yujiang County relative to time period