近30 年山東省耕地土壤pH 時(shí)空變化特征及影響因素*

李 濤，于 蕾，萬(wàn)廣華，李建偉，盧桂菊，董艷紅

（山東省土壤肥料總站，濟(jì)南 250100）

酸堿性是土壤的重要化學(xué)性質(zhì)，常以pH 表示。土壤酸堿性是土壤退化的主要指標(biāo)之一，其動(dòng)態(tài)變化影響著土壤微生物活性、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、元素遷移、植物生長(zhǎng)等[1-2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤pH 變化做了諸多研究，自然狀態(tài)下，土壤pH 變化過(guò)程十分緩慢，變化一個(gè)單位需要漫長(zhǎng)的時(shí)間[3-4]，但近年來(lái)，快速的城市化進(jìn)程和不合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式導(dǎo)致土壤酸堿性發(fā)生了明顯改變。研究表明，近年來(lái)國(guó)外土壤pH 變化不一，1982—1988 年，英國(guó)有19%的耕地土壤pH 下降[5]；2000—2012 年，韓國(guó)土壤pH 增加了 0.3 個(gè)單位[6]。國(guó)內(nèi)土壤 pH 下降較明顯，1980—2000 年，中國(guó)農(nóng)田耕層土壤pH 下降了0.13～0.80 個(gè)單位，平均下降0.5 個(gè)單位[3]；北方鈣質(zhì)土壤pH 下降明顯[7]。1984 年以來(lái)，由于重化肥輕有機(jī)肥及酸雨影響，廣東省水稻土pH 下降了0.33 個(gè)單位[8]；1981—2001 年間，由于過(guò)量施肥和酸雨影響，江西省土壤pH 整體下降了0.6 個(gè)單位，興國(guó)縣農(nóng)田土壤pH 平均下降0.94 個(gè)單位[9-10]；1980—2013 年間，湖北省恩施州耕地土壤pH 下降0.9 個(gè)單位，其中，旱地土壤下降1.14 個(gè)單位，水田土壤下降0.87 個(gè)單位[11]。河南、吉林和遼寧等省部分耕地土壤也出現(xiàn)了酸化態(tài)勢(shì)[12-14]。酸沉降和氮、磷、鉀肥的不當(dāng)施用均不同程度地降低土壤pH[15-18]。

山東省農(nóng)業(yè)歷史悠久，是全國(guó)糧食、棉花、花生、蔬菜、水果的主要產(chǎn)區(qū)之一，也是重要的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工和供給基地。但是，現(xiàn)代化工業(yè)和農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展使得區(qū)域生態(tài)環(huán)境受到強(qiáng)烈干擾，pH變化明顯。1981―2005 年間，煙臺(tái)市土壤呈現(xiàn)酸化趨勢(shì)[19]，其中招遠(yuǎn)市棕壤耕層pH 變化較大，平均下降了1.6 個(gè)單位，有60%以上的農(nóng)田土壤pH 低于5.5[20]。煙臺(tái)蘋果產(chǎn)區(qū)土壤pH 為5.21，整體偏酸[21]。目前對(duì)于山東省pH 變化的研究，多集中在市域和田塊尺度[19-21]，缺少全省總體情況的研究。本文通過(guò)研究近30 年來(lái)山東省土壤pH 的時(shí)空變化，分析耕地土壤酸化總體狀況和動(dòng)態(tài)變化，探討土壤酸化自然影響因素和人為驅(qū)動(dòng)因子，為全省耕地土壤酸化治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山東省位于34°22.9′～38°24.01′N、114°47.5′～122°42.3′E 之間，土地面積1.579×107hm2，年平均降水量在550～950 mm 之間，多年平均降水量為679.5 mm，由東南向西北遞減[22]。境內(nèi)地貌復(fù)雜，大體可分為中山、低山、丘陵、臺(tái)地、盆地、山前平原、黃河沖積扇、黃河平原、黃河三角洲等9 類。境內(nèi)山脈集中分布于魯中南山地丘陵區(qū)和膠東丘陵區(qū)，平原集中分布于黃河沖積平原區(qū)。魯中南山地丘陵區(qū)土壤母質(zhì)主要由片麻巖、花崗片麻巖和石灰?guī)r組成；膠東丘陵區(qū)，主要由花崗巖組成；黃河沖積平原區(qū)為黃河沖積母質(zhì)。土壤類型主要有潮土、棕壤、褐土、砂姜黑土、水稻土（潮土型，下同）、粗骨土等15 個(gè)土類（圖1），其中潮土、褐土和棕壤耕地面積較大，分別占全省耕地總面積的48%、16%和15%[23]。

本次研究了棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土、水稻土和粗骨土等6 種主要耕地土壤類型（圖2）。棕壤主要分布于煙臺(tái)（60.7×104hm2）、青島（48.26×104hm2）、臨沂（39.66×104hm2）、威海（25.99×104hm2）、泰安（25.33×104hm2）和濰坊（23.62×104hm2）；褐土主要分布在濰坊（48.51×104hm2）、臨沂（33.17×104hm2）、濟(jì)南（27.88×104hm2）和濟(jì)寧（25.51×104hm2）；潮土主要分布在菏澤（114.41×104hm2）、德州（99.4×104hm2）、聊城（80.41×104hm2）和濱州（63.39×104hm2）；砂姜黑土主要分布在青島（23.44×104hm2）、濰坊（15.14×104hm2）和臨沂（13.61×104hm2）；水稻土主要分布在濟(jì)寧（5.95×104hm2）和臨沂（5.31×104hm2）；粗骨土主要分布在臨沂（46.61×104hm2）、煙臺(tái)（41.6×104hm2）和濰坊（22.52×104hm2）。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究的土壤pH 數(shù)據(jù)來(lái)源于山東省土壤肥料總站承擔(dān)的山東省第二次土壤普查省級(jí)匯總（1984年）和省級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)（2015 年）。第二次土壤普查省級(jí)匯總，采樣時(shí)間1982—1984 年，獲得土壤pH 數(shù)據(jù)3 827 個(gè)，其中棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土、水稻土和粗骨土樣點(diǎn)3 222 個(gè)，采樣深度0～20 cm。省級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)，采樣時(shí)間為2013—2015年，土壤pH 數(shù)據(jù)3.47 萬(wàn)個(gè)，其中棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土、水稻土和粗骨土樣點(diǎn)3.37 萬(wàn)個(gè)，采樣深度0～20 cm。土壤樣品采集與pH 測(cè)定：采用多點(diǎn)混合法采集0～20 cm 耕層土壤，經(jīng)風(fēng)干過(guò)2 mm篩后采用水土比1∶1（第二次土壤普查省級(jí)匯總）、2.5∶1（省級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)），用電極法測(cè)定土壤pH。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 不同水土比測(cè)定pH 比較 由于第二次土壤普查省級(jí)匯總數(shù)據(jù)和省級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)pH 測(cè)定水土比不同，無(wú)法進(jìn)行差值分析。在全省采集主要土壤類型土樣60 個(gè)，其中棕壤15 個(gè)，褐土15 個(gè)，潮土30 個(gè)，按照水土比1∶1 和2.5∶1，分別測(cè)定pH1和pH2.5。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，pH1范圍從4.07～8.39，平均值為6.67，pH2.5范圍從4.27～8.76，平均值為6.93。經(jīng)回歸分析得到總轉(zhuǎn)換模型為pH2.5=1.019pH1+0.138 5（R2=0.997 2），國(guó)外也有學(xué)者建立和驗(yàn)證了類似的轉(zhuǎn)換模型[24-25]。將通過(guò)模型計(jì)算的pH2.5與實(shí)測(cè)值進(jìn)行t檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)二者不存在顯著性差異（P>0.05）。對(duì)統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算的pH2.5與實(shí)測(cè)值，計(jì)算相對(duì)誤差率，相對(duì)誤差率均在1%以下，說(shuō)明構(gòu)建的模型具有可靠性。

1.3.2 耕地土壤pH 分布圖制作 山東省第二次土壤普查土壤pH 分布圖，是以第二次土壤普查土壤pH 點(diǎn)位數(shù)值為基礎(chǔ)，以土種圖為評(píng)價(jià)單元，按相同等級(jí)勾繪連片形成pH 圖斑，經(jīng)逐級(jí)縮編而成；耕地pH 等級(jí)面積是將第二次土壤普查土壤pH 分布圖進(jìn)行數(shù)字化與土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行疊加獲得。山東省耕地地力評(píng)價(jià)土壤pH 分布圖，是基于2015 年省級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)的土壤pH 點(diǎn)位數(shù)據(jù)，采用反距離插值法獲得；耕地pH 等級(jí)面積是利用耕地地力評(píng)價(jià)土壤pH 分布圖與土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行疊加獲得。

1.3.3 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 參考《山東耕地》[26]pH 等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)山東土壤酸堿狀況，將全省土壤劃分為強(qiáng)酸性、中強(qiáng)酸性、酸性、弱酸性、中性、弱堿性和堿性7 個(gè)等級(jí)（表1）。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析 采用Excel 2013 和 SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對(duì)土壤pH進(jìn)行差異性檢驗(yàn)。

2 結(jié) 果

2.1 山東省耕地土壤pH 的總體變化趨勢(shì)

通過(guò)兩個(gè)時(shí)期比較，近30 年來(lái)，全省耕地土壤pH 呈降低趨勢(shì)，并出現(xiàn)局部耕地酸化，pH 平均值由7.6 降至7.2，降低0.4 個(gè)單位。第二次土壤普查省級(jí)匯總數(shù)據(jù)顯示，全省弱酸性（5.58.5）耕地面積分別占當(dāng)時(shí)耕地總面積的11.07%、30.36%、58.45%和0.12%。省級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)顯示，全省中強(qiáng)酸性、酸性、弱酸性、中性、弱堿性和堿性耕地分別占耕地總面積的0.98%、6.06%、20.43%、26.66%、45.65%和0.22%（圖3）。

從全省土壤酸堿性分級(jí)看，弱堿性和中性耕地面積占比均出現(xiàn)下降，分別減少了12.8 和3.7 個(gè)百分點(diǎn)；弱酸性耕地面積占比由11.07%增加至20.43%，增加了9.36 個(gè)百分點(diǎn)；出現(xiàn)了酸性和中強(qiáng)酸性耕地，占比7.04 個(gè)百分點(diǎn)；堿性耕地面積占比略有增加，由0.12%增加至0.22%，增加了0.1 個(gè)百分點(diǎn)。

表1 山東省耕層土壤pH 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Grading of the topsoils of cultivated lands in Shandong Province by soil pH

2.2 山東省不同地區(qū)耕地土壤pH 的變化趨勢(shì)

調(diào)查數(shù)據(jù)（表2）顯示，山東省不同地市酸堿度變化差異較大，威海變化最大，降低了1.3 個(gè)單位；其次是泰安、日照、煙臺(tái)、青島和臨沂，分別降低了1.1、1.1、1.0、1.0 和0.8 個(gè)單位。濟(jì)南升高了0.1 個(gè)單位。其他無(wú)顯著變化。威海、煙臺(tái)、日照、青島、臨沂和棗莊6 市土壤出現(xiàn)了酸化（圖4），其中，中強(qiáng)酸性土壤占比分別為14.82%、3.67%、4.72%、1.22%、1.4%和 0.08%，酸化面積分別為13.32×104hm2、19.51×104hm2、6.14×104hm2、8.227×104hm2、6.207×104hm2和0.173×104hm2。

以上數(shù)據(jù)分析得出，從空間上看，山東省土壤酸堿度區(qū)域差異極大，并呈現(xiàn)從西向東降低趨勢(shì)。其中魯東地區(qū)兩時(shí)期平均pH 最低，分別為6.8 和5.9；魯西和魯北地區(qū)平均pH 最高，分別為8.1 和8.0。從時(shí)間上看，每個(gè)區(qū)域土壤pH 等級(jí)在兩個(gè)時(shí)期均出現(xiàn)了從堿性到酸性變化趨勢(shì)，但pH 降幅出現(xiàn)從東向西變小的趨勢(shì)。從土壤酸堿性分級(jí)上看，魯西和魯北地區(qū)、魯中地區(qū)土壤主要由集中弱堿性變化為弱堿性、中性。魯中南地區(qū)土壤主要由弱堿性、中性變化為弱堿性、中性、弱酸性。魯東地區(qū)、魯南地區(qū)土壤由弱堿性、中性、弱酸性變化為弱堿性、中性、弱酸性、酸性、中強(qiáng)酸性（圖4）。

2.3 山東省不同土壤類型pH 的變化趨勢(shì)

調(diào)查數(shù)據(jù)（表3）可以看出，山東省不同土壤類型（耕地）酸堿度差異較大，從山東省的東南棕壤區(qū)到西北潮土區(qū)，土壤pH 由低到高。

表2 山東省17 市土壤pH 平均值Table 2 Average soil pH of cultivated land relative to city in Shandong Province

第二次土壤普查省級(jí)匯總，全省主要土壤類型土壤pH 由大到小依次為：潮土、水稻土、褐土、砂姜黑土、粗骨土和棕壤。潮土pH 最高，為8.0；棕壤pH 最低，為6.8，其高值與低值相差1.2 個(gè)單位。省級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)，全省主要類型土壤pH 由大到小依次為：潮土、褐土、砂姜黑土、水稻土、粗骨土和棕壤。潮土pH 最高，為7.8；棕壤pH 最低，為6.0，其高值與低值相差1.8 個(gè)單位。

二者對(duì)比看出，無(wú)論何種土壤類型土壤pH 均呈下降趨勢(shì)，由大到小依次為：水稻土、棕壤、粗骨土、砂姜黑土、褐土和潮土。其中水稻土、棕壤土類下降最為明顯，分別下降1.0 和0.8 個(gè)單位。

3 討 論

3.1 土壤類型對(duì)土壤pH 的影響

研究表明，土壤本身抵制酸堿變化的能力與土壤的物質(zhì)組成和地球化學(xué)性質(zhì)相關(guān)，不同土壤類型的酸堿緩沖性能有所不同[27]，安徽省潮土、砂姜黑土、水稻土依次降低[28]，浙江省鹽土、潮土、水稻土依次降低[29]，長(zhǎng)春市黑鈣土、草甸土、黑土、白漿土和暗棕壤逐漸下降[30]，棕壤、水稻土酸堿緩沖性能較弱。本研究中（表3 和圖2），第二次土壤普查省級(jí)匯總時(shí)，棕壤和粗骨土的pH 平均值分別為6.8、7.0，省級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)時(shí)，棕壤和粗骨土的pH 平均值分別為6.0、6.4，均為6 種土壤類型中最低；變化量分別為0.8 和0.6 個(gè)單位，相對(duì)較高。水稻土則變化量最大，為1 個(gè)單位。發(fā)生酸化的威海、煙臺(tái)、日照、臨沂和棗莊等市土壤多為棕壤和粗骨土土類（圖1），成土母質(zhì)以酸性為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)，威海、煙臺(tái)和日照等市棕壤和粗骨土占比超過(guò)了70%，青島和臨沂市達(dá)到了50%，酸化土壤占比最少的棗莊市也有20%左右。因?yàn)樽厝乐饕伤嵝詭r等含鹽基很少的巖石風(fēng)化物發(fā)育而成，形成過(guò)程產(chǎn)生的鈣、鎂、鉀、鈉等鹽基離子不斷受到滲透水的淋洗，土壤膠體表面一部分正離子吸附點(diǎn)被氫、鋁離子占據(jù)，產(chǎn)生了交換性酸；粗骨土的成土母質(zhì)與棕壤相同，成土過(guò)程陽(yáng)離子交換量小，酸堿緩沖性能較弱[27]。

表3 山東省不同土壤類型土壤pH 平均值Table 3 Average soil pH relative to soil type in Shandong Province

3.2 不同作物收獲對(duì)土壤pH 的影響

研究表明，植物收獲對(duì)土壤pH 有所影響，不同植物對(duì)土壤中陽(yáng)離子（K+、N、Ca2+、Mg2+等）和陰離子（等）養(yǎng)分元素的吸收并不平衡，當(dāng)陽(yáng)離子的吸收大于陰離子時(shí)，植物根系從土壤吸收陽(yáng)離子的同時(shí)就分泌出H+以保持體系的電荷平衡[31]，當(dāng)農(nóng)產(chǎn)品收獲并從土地上移走，其體內(nèi)積累的堿性物質(zhì)也隨之帶走，會(huì)導(dǎo)致土壤酸化[32]。朱齊超[33]量化研究了土壤酸化的影響因素，計(jì)算得到作物收獲在土壤酸化的驅(qū)動(dòng)因素中可達(dá)到34.2%。參考2012 年《山東統(tǒng)計(jì)年鑒》[34]中山東省主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，根據(jù)作物收獲帶走鹽基離子濃度和含水量[35]，估算了2011 年山東省主要作物收獲從土壤中帶走的鹽基養(yǎng)分量（表4），馬鈴薯鹽基離子帶走量最大，為140.9 kmol·hm-2，其次是玉米和小麥，分別為97.2 和79.7 kmol·hm-2。對(duì)膠東地區(qū)不同種植體系的研究則表明，蔬菜、蘋果、小麥/玉米/花生體系農(nóng)田酸化速度明顯高于小麥/玉米體系[36]。

3.3 施肥對(duì)土壤pH 的影響

研究表明，長(zhǎng)期的不合理施肥，特別是施用硫酸銨、氯化鉀、氯化銨等酸性肥料，是土壤酸化的原因之一[37]，土壤酸化的驅(qū)動(dòng)因素中施肥貢獻(xiàn)了55.1%[33]。本研究中，山東省酸性土壤分布較多的煙臺(tái)、日照、棗莊和青島市化肥施用強(qiáng)度均較高（圖5）[38]，分別為650.6 kg·hm-2、542.7 kg·hm-2、488.4 kg·hm-2和433.2 kg·hm-2；煙臺(tái)、日照、棗莊和威海市氮肥施用強(qiáng)度較高，分別為242.4 kg·hm-2、195.6 kg·hm-2、186.0 kg·hm-2和174.8 kg·hm-2。有研究表明，山東膠東地區(qū)氮肥用量與土壤pH 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，氮肥施用量越大，土壤pH 越低。氮肥施用量小于240 kg·hm-2，土壤pH 降為5.35；氮肥施用量為240～750 kg·hm-2，土壤pH 降為5.28；氮肥施用量大于750 kg·hm-2，土壤pH 降為5.16[36]。因?yàn)殚L(zhǎng)期連年施用化學(xué)肥料，作物吸收后剩下的酸根會(huì)與土壤中氫離子結(jié)合生成酸，導(dǎo)致土壤酸性增強(qiáng)。生理酸性肥料如氮肥中硫酸銨、氯化銨施入土壤后，被植物選擇吸收N等，剩余部分的酸根也會(huì)使土壤酸化。因此，長(zhǎng)期不合理施用化肥是造成土壤酸化的重要原因之一。由于化肥的不合理施用，氮、磷、鉀比例失調(diào)，廣東省水田土壤pH 和江蘇省耕地土壤pH 呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[8，27]。

表4 不同作物收獲帶走鹽基離子量Table 4 Amount of base ions removed with crop harvest relative to crop/（kmol·hm-2）

4 結(jié) 論

土壤pH 變化是一個(gè)相對(duì)較慢的過(guò)程，但由于現(xiàn)代化工業(yè)和農(nóng)業(yè)措施的影響，各地土壤 pH 有了一定變化。通過(guò)比較第二次土壤普查省級(jí)匯總（1984年）和省級(jí)耕地地力評(píng)價(jià)（2015 年）兩個(gè)時(shí)期山東省土壤pH 數(shù)據(jù)，30 年來(lái)，山東省土壤pH 平均值由7.6 降至7.2。威海變化最大，降低了1.3 個(gè)單位，其次是泰安、日照、煙臺(tái)和青島，分別降低了1.1、1.1、1.0 和1.0 個(gè)單位。不同類型土壤pH 變化由大到小依次為：水稻土、棕壤、粗骨土、砂姜黑土、褐土和潮土。目前，山東省酸性土壤主要分布在膠東半島和東南部沿海的威海、煙臺(tái)、青島、日照、臨沂和棗莊等6 個(gè)市，其中煙臺(tái)和威海市酸化面積較大。對(duì)山東省耕地土壤酸化主要影響因素分析發(fā)現(xiàn)，土壤類型、植物收獲以及化肥不適當(dāng)施用有一定影響，但不同地區(qū)土壤酸堿性變化的影響因素、不同土壤類型的酸堿緩沖性能差異等仍需要進(jìn)一步定量研究分析，以明確具體原因。