貴州省土壤ｐＨ時空變化趨勢分析

黃至穎 劉鴻雁 冉曉追 王雪雯 蒲利明

摘 要：土壤酸化是全球生態(tài)環(huán)境面臨的重要問題。通過搜集CNKI等數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)，選擇1980—2018年貴州省各地州市耕地、林地和草地土壤pH為研究對象，利用文獻(xiàn)分析方法，分析土壤pH時空變化規(guī)律及其影響因素。結(jié)果表明：在時間變化上，2010年代土壤pH均值相較于1980年代顯著下降0.31個單位（P<0.05），土壤整體呈現(xiàn)酸化趨勢，pH<6.5的土壤面積呈增加趨勢，pH>7.5的土壤面積減少;在空間變化上，從1980年代至2010年代，黔西南州、黔東南州和遵義市土壤pH均值顯著下降，除貴陽市、六盤水市和銅仁市外，其他地州市也呈現(xiàn)下降趨勢，但未達(dá)到差異顯著水平。氣溫升高導(dǎo)致淋溶強(qiáng)度大和2010年以前的酸雨是土壤pH整體下降的可能原因，化肥的施用是耕地土壤酸化的重要影響因素。

關(guān)鍵詞：貴州;土壤pH;時間分布;空間分布;文獻(xiàn)分析

中圖分類號：S153.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0457（2020）04-0021-09 國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2020.04.003

Abstract：Soil acidification is a major problem of global ecological environment. Gathering papers from CNKI and other databases， this paper chose soil pH of arable land， forest land and grassland in Guizhou from 1980 to 2018 as a research object to discuss the spatial and temporal distribution of soil pH. Results： from the perspective of temporal change， the mean soil pH decreased by 0.31 in 2010s compared with that in 1980s （P<0.05），in showed soil acidification general. The area with soil pH under 6.5 increased while the area with soil pH over 7.5 decreased. From the perspective of spatial change， the mean soil pH in Qianxinan， Qiandongnan and Zunyi decreased significantly from 1980s to 2010s. Except Guiyang， Liupanshui， and Tongren， soil pH in other cities declined as well but not significantly. Its speculated that strongly leaching caused by temperature rising and acid rain before 2010 were the reasons for the overall soil pH decline. Applying chemical fertilizers was an important factor of soil acidification on arable land.

Keywords：Guizhou; Soil pH;temporal distribution;spatial distribution;documentary analysis

我國的酸性土壤主要分布在長江以南的熱帶、亞熱帶地區(qū)，面積約為2.04×108hm2[1]。自然條件下，土壤酸化是一個速度非常緩慢的過程，不同的植被條件和氣候環(huán)境下，土壤酸化程度不同，在降水量大的地區(qū)、寒濕條件下的森林區(qū)域土壤酸化更加強(qiáng)烈[2]。但是，最近幾十年來，由于人為活動的影響，土壤的酸化進(jìn)程大大加快。中國土壤酸化問題普遍嚴(yán)重，相較于二十世紀(jì)80 年代，2000年代全國農(nóng)田土壤的pH 平均下降了0.5個單位（P<0.001），其中，大田作物農(nóng)田中70%的土壤酸化是過量施氮造成的[3];相較于全國第二次土壤普查的數(shù)據(jù)，25年的集約化農(nóng)業(yè)使得膠東半島土壤pH平均下降了1.6個單位[4];中國北方的草地土壤pH在1980年代至2000年代之間總體下降了0.63個單位[5];而酸沉降是導(dǎo)致我國森林和草地生態(tài)系統(tǒng)土壤酸化的主要原因[2]。土壤pH變化會對土壤養(yǎng)分[6]、微生物群落[7-8]、重金屬的遷移富集[9-11]等產(chǎn)生影響。分析土壤酸化的程度及原因?qū)τ谕寥揽沙掷m(xù)利用具有重要意義。

現(xiàn)有的貴州省土壤pH研究有針對水稻土的，如西南地區(qū)（云貴川渝四省）水稻土pH在過去20～25年下降了0.4個單位[12]，遵義縣稻田土壤pH隨海拔升高而降低[13];有針對不同地區(qū)的，如畢節(jié)市耕地表層土壤pH以斑塊狀或條帶狀分布為主，土壤母質(zhì)及土壤類型對土壤pH有顯著影響[14];龍里林場濕地松林土壤pH高于熟化程度較低的馬尾松林土壤[15];還有針對不同施肥條件的，如長期施用有機(jī)肥會提高黃壤pH，而長期施用化肥會降低黃壤pH[16-17]，在植煙土壤上長期施用化肥或有機(jī)肥化肥混施均會降低土壤pH[18]。全省尺度土壤pH在時間和空間上的分布和變化規(guī)律未見報道。本文以貴州省作為研究區(qū)域，從大數(shù)據(jù)分析的角度揭示1980年代以來土壤pH的時空變化趨勢，并解析土壤酸化成因。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

貴州省位于N24°27′～29°13′，E103°36′～109°35′之間，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，平均海拔1100m，年降水量1100～1400mm，≥10℃積溫為4000～5500℃，日照1200～1500h，土壤分布呈現(xiàn)出地帶性特點，各市（州）均有較大面積的石灰土分布，其中，中部、北部地區(qū)以黃壤為主;西北部地區(qū)有黃棕壤、紫色土分布;東部、南部地區(qū)以紅壤為主;海拔2500m以上高原山地有棕壤分布[19-20]。作為全國唯一沒有平原支撐的喀斯特山區(qū)省，貴州省土壤資源數(shù)量缺乏，質(zhì)量不高。理解貴州省的土壤pH的變化特征可以為貴州省土壤環(huán)境改善及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

1.2 研究數(shù)據(jù)庫的建立

本文基于文獻(xiàn)分析貴州省1980年至2018年土壤pH的變化情況，文獻(xiàn)選擇及數(shù)據(jù)庫建立是完成分析的重要步驟，也是決定分析質(zhì)量的關(guān)鍵因素。本研究主要選擇同行評審學(xué)術(shù)期刊發(fā)表的研究文獻(xiàn)，在中國知網(wǎng)資源總庫的中文期刊和Wiley Online Library中分別完成中英文文獻(xiàn)的檢索與收集。

本文研究區(qū)域為貴州省。研究時間段從1980年到2018年，共38年。由于土壤pH是許多試驗的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所以在文獻(xiàn)檢索時設(shè)置檢索條件為：全文檢索“貴州省”+“土壤pH”，檢索時間段為1980年1月1日～2018年12月31日，檢索完成時間為2019年6月（英文文獻(xiàn)搜索條件為：anywhere “Guizhou” +“soil pH”，publication date range “January 1980 to December 2018”）。

檢索完成共獲得無重復(fù)的文獻(xiàn)14359篇，其中，中文文獻(xiàn)14034篇，英文文獻(xiàn)325篇。根據(jù)土壤樣本的采樣地點、采樣時間和試驗條件進(jìn)行篩選，排除盆栽試驗、酸雨模擬試驗后的數(shù)據(jù)以及礦山等特殊地區(qū)的測定值，最終篩選獲得符合條件的文獻(xiàn)504篇，所含表層土壤pH信息共2451條。將數(shù)據(jù)統(tǒng)一編號，并提取文獻(xiàn)所載地點、緯度、經(jīng)度、采樣時間、種植類型、土壤類型、土壤pH值、試驗處理等信息，錄入Excel 2010形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

由于1980年代的文獻(xiàn)較少（共125條），故將全國第二次土壤普查所采集的貴州省表層土壤pH值數(shù)據(jù)錄入上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中，所涉及的二普數(shù)據(jù)全部來自中國土壤數(shù)據(jù)庫（http：//vdb3.soil.csdb.cn/），包含數(shù)據(jù)共105條。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

本文討論了貴州省土壤pH時間和空間分布變化特征。根據(jù)不同的分析需要，上述數(shù)據(jù)庫篩選后可以建立新的數(shù)據(jù)子集（1～3）：數(shù)據(jù)子集1包含不同類型土壤pH信息，數(shù)據(jù)子集2包含不同土地利用方式下的土壤pH信息，數(shù)據(jù)子集3包含不同地州市土壤pH信息。由于每篇文獻(xiàn)所載采樣點基本信息不完全一致，且部分文獻(xiàn)未記載采樣點的地理位置信息，所以3個子集的樣本總量有差異（表1）。運(yùn)用R 3.5.3分析并作圖，空間插值時采用克里金法、指數(shù)模型完成。圖1為各時間段土壤采樣點分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH時間分布特征

紅壤，土壤pH均值1980年代至1990年代顯著上升0.65個單位（P<0.01），1990年代至2010年代呈下降趨勢，其中1990年代至2000年代土壤pH均值下降0.32個單位，但并不顯著（P=020），2000年代至2010年代土壤pH均值顯著下降0.75個單位（P<0.01）。相較于1980年代，2010年代紅壤pH均值顯著下降0.42個單位（P=0.02）。

黃壤，土壤pH均值1980年代至1990年代上升了0.29個單位，但變化并不顯著（P=0.06），pH均值從1990年代至2010年代呈下降趨勢，其中1990年代至2000年代土壤pH均值下降不顯著（P=0.28），2000年代至2010年代土壤pH均值顯著下降0.24個單位（P<0.01）。相較于1980年代，2010年代黃壤pH均值下降0.09個單位，但變化并不顯著（P=0.50）。

黃棕壤，土壤pH均值總體呈下降趨勢，但總體沒有顯著變化（P=0.15）。

石灰土，土壤pH均值總體呈上升趨勢，1980年代至1990年代土壤pH均值下降0.03個單位，但變化并不顯著（P=0.52），1990年代至2000年代土壤pH均值顯著上升0.21個單位（P<0.01），2000年代至2010年代土壤pH均值下降0.04個單位，但變化并不顯著（P=0.16）。相較于1980年代，2010年代石灰土pH均值上升了0.14個單位，但變化并不顯著（P=0.06）。

黃、紅壤性水稻土pH均值呈上升趨勢，1980年代至1990年代黃、紅壤性水稻土pH均值上升0.32個單位（P=0.16），1990年代至2000年代土壤pH均值上升0.32個單位（P=0.40），2000年代至2010年代土壤pH均值上升0.12個單位（P=0.60）。相較于1980年代，2010年代黃、紅壤性水稻土pH均值顯著上升0.76個單位（P<0.01）。

石灰性水稻土pH均值呈下降趨勢，1980年代至1990年代石灰性水稻土pH均值顯著下降0.29個單位（P=0.04），1990年代至2000年代土壤pH均值下降0.28個單位（P=0.44），2000年代至2010年代土壤pH均值下降0.33個單位（P=013）。相較于1980年代，2010年代石灰性水稻土pH均值顯著下降0.90個單位（P<0.01）。

分類討論耕地、林地和草地3種土地利用方式下土壤pH均值并利用非參數(shù)檢驗可以得出（表3）。

耕地土壤pH均值總體呈下降趨勢，從1980年代至1990年代、1990年代至2000年代，農(nóng)田土壤pH均值分別下降0.01（P=0.83）、0.22（P=007）個單位，但變化并不顯著;2000年代至2010年代，耕地土壤pH顯著下降0.54個單位（P<001）。相較于1980年代，2010年代耕地土壤pH均值顯著下降0.77個單位（P<0.01）。

林地土壤pH均值總體呈下降趨勢，1980年代至1990年代，林地土壤pH均值顯著下降0.37個單位（P=0.02）;1990年代至2000年代，林地土壤pH均值上升0.38個單位，但變化不顯著（P=016）;2000年代至2010年代，林地土壤pH顯著下降0.43個單位（P<0.01）。相較于1980年代，2010年代林地土壤pH均值顯著下降0.42個單位（P<0.01）。

草地土壤pH均值總體呈上升趨勢，1980年代至1990年代，草地土壤pH均值上升0.40個單位，但變化不顯著（P=0.17）;1990年代至2000年代，草地土壤pH均值顯著上升0.81個單位（P<001）;2000年代至2010年代，草地土壤pH顯著下降0.46個單位（P<0.01）。相較于1980年代，草地土壤pH均值在2000年代顯著上升1.21個單位（P<0.01），在2010年代顯著上升0.75個單位（P<0.01）。

2.2 土壤pH空間分布特征

從不同地區(qū)土壤pH箱型圖（圖5）來看，黔東南州土壤pH最低，其次是遵義市，土壤pH最高的為安順市。結(jié)合土壤pH數(shù)值來看（圖6），全省土壤pH≤7.5的占主要部分，pH>7.5的土壤主要分布在安順市和黔西南州。

進(jìn)一步比較9個市（州）1980年代以來土壤pH均值的變化情況，結(jié)果見表4。由表可知：1980年代，各市（州）土壤pH均值變化范圍是5.60～721，1990年代均值變化范圍是5.54～6.73，2000年代均值變化范圍是5.51～7.25，2010年代均值變化范圍是4.85～6.71，比較pH均值的下限呈下降趨勢。具體分析各市（州）的均值變化情況，畢節(jié)市、六盤水市以及銅仁市3個市土壤pH均值在四個時間段內(nèi)沒有顯著差異（P=0.99;P=0.46;P=058）;相較于1980年代，貴陽市（P<0.01）、六盤水市、銅仁市3個市2010年代的土壤pH均值上升，其余6個市（州）的土壤pH均值均表現(xiàn)為下降趨勢，其中黔東南州、黔西南州以及遵義市3個市（州）2010年代的土壤pH均值顯著下降（P<005）。

利用空間插值法繪制各時間段的土壤pH圖時結(jié)合表1和圖1信息可知，1980年代、1990年代采樣點較少，且分布不均勻，所以繪制不同時間段土壤pH分布圖時，將1980年代及1990年代的數(shù)據(jù)合并繪制2000年以前土壤pH分布情況（圖7）。

總體來看，近40年以來，貴州省土壤pH>7.5的分布區(qū)域呈減少的趨勢（即圖中深灰色區(qū)域），同時pH<6.5的土壤分布區(qū)域呈增加趨勢（即圖中灰色、淺灰色區(qū)域），貴州省土壤呈現(xiàn)酸化趨勢，這與前文所得結(jié)論一致。分區(qū)域來看：

西南地區(qū)（主要對應(yīng)黔西南州）在2000年代以前土壤pH較高，可能與采樣點較少有關(guān)，所以著重比較2000年代及2010年代的數(shù)據(jù)，土壤pH分布由2000年代的深灰色（pH值在7～8之間）逐漸變?yōu)?010年代的灰色（pH值在5～6之間），與顯著性分析結(jié)果一致;

中、東部地區(qū)（主要對應(yīng)黔東南州）的數(shù)據(jù)分布點較為密集，隨著時間推移，深灰色（pH值在6～7之間）區(qū)域面積減少，而淺灰色（pH值在4～5之間）區(qū)域面積增加，與顯著性分析結(jié)果一致。

2.3 土壤pH時空變化原因解析

2.3.1 土壤酸化的自然進(jìn)程

研究區(qū)域1980年以來在時空變化上呈現(xiàn)顯著酸化的特點。一般來說，引起土壤酸化的原因有兩方面：一是自然條件下土壤淋溶作用會導(dǎo)致交換性鹽基陽離子淋失;二是人為活動使得大量外源H+進(jìn)入土壤，例如酸沉降、地表水酸化、化肥施用以及土地利用方式等[23]。

繪制貴州省1980年以來平均氣溫和降水量逐年變化（圖8）可以得出，1980年以來，貴州省年均氣溫呈上升趨勢，降水量年際變化趨勢不明顯，多年平均降水量約為1184.7mm[24-25]。溫度和降水

2.3.2 酸雨對土壤pH的影響

1998年，貴州省有6個市被劃為酸雨控制區(qū)，至2010年代前，貴州省酸雨問題較為嚴(yán)重。通過繪制貴州省降水pH逐年變化（圖9）可以得出，貴州省降水pH均值下限呈上升趨勢，2012年以前貴州省降水pH均值下限在5.6以下[27]。由于酸雨將大量的SO2-4、NO-3和NH+4帶入土體，使得土體中的鹽基陽離子淋失，加速土壤酸化的過程[28]。

2.3.3 不同類型肥料對土壤pH的影響效應(yīng)

大量的試驗表明，施用肥料會導(dǎo)致土壤pH下降[3，8，29-31]，但施用化肥或有機(jī)肥的影響效應(yīng)不同，有試驗顯示長期施用化肥會使土壤pH下降，而長期施用有機(jī)肥可以提高土壤pH[16-17]，也有試驗表明長期施用化肥或者混合有機(jī)肥施用均會導(dǎo)致土壤pH下降[18]。

本文利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中54條含有施肥試驗的pH數(shù)據(jù)，通過對現(xiàn)有的貴州省施肥前后土壤pH進(jìn)行再次統(tǒng)計分析，分別比較單施化肥（M）、單施有機(jī)肥（NPK）、有機(jī)肥化肥混施（NPKM）三類情況結(jié)合我省1980年以來化肥消耗量（圖11）來看，相較于1980年我省化肥年消耗量增長約3倍（1980年20.8萬噸，2018年89.59萬噸），而農(nóng)作物播種面積增長約1倍（1980年284.5萬公頃，2018年547.716萬公頃，以上數(shù)據(jù)均來自國家統(tǒng)計局網(wǎng)站http：//data.stats.gov.cn/）?；蕦ν寥纏H具有顯著負(fù)效應(yīng)，因此化肥消耗量的迅速增長可能是導(dǎo)致我省土壤酸化的原因，但由于缺少有機(jī)肥消耗量的相關(guān)數(shù)據(jù)，化肥施用對貴州省土壤酸化的影響大小還需要進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)論與討論

本文以貴州省作為研究區(qū)域，利用文獻(xiàn)分析的方法統(tǒng)計分析了近四十年來貴州省表層土壤pH的時空變化規(guī)律，并進(jìn)行原因解析。但在研究中還存在一些問題和困難，限于收集的文獻(xiàn)質(zhì)量，部分試驗研究數(shù)據(jù)有所缺失（如土樣的土壤類型、采樣點的地理位置信息和田間管理信息等），且樣點分布不均勻，因此，本文所得出的結(jié)論有一定的局限性，不能準(zhǔn)確反映出貴州省土壤pH的變化特征。

但總體來看，研究區(qū)域土壤從1980年代以來仍呈現(xiàn)出顯著酸化的特點。基于收集到的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，本文主要研究結(jié)論如下：

從時間變化來看，相較于1980年代，2010年代貴州省土壤pH均值顯著下降0.31個單位（P<0.05），紅壤和石灰性水稻土pH均值顯著下降，黃、紅壤性水稻土pH均值顯著上升。

從空間變化來看，相較于1980年代，貴州省pH<6.5的土壤面積呈增加趨勢，pH>7.5的土壤面積呈減少趨勢，其中黔東南州、黔西南州和遵義市土壤pH均值顯著下降。從土地利用方式來看，耕地和林地土壤pH均值均顯著下降。

導(dǎo)致研究區(qū)域土壤酸化的原因包括三方面：一是氣候變化，年均氣溫升高導(dǎo)致淋溶強(qiáng)度大，加速土壤酸化的自然進(jìn)程;二是環(huán)境污染，貴州省2010年以前的酸雨是加劇土壤酸化的可能原因;三是施肥效應(yīng)，單獨施用化肥會導(dǎo)致土壤pH顯著降低，在實際生產(chǎn)中可選擇施用有機(jī)肥、或有機(jī)肥和化肥混施來防止土壤酸化。

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