南陽盆地土壤酸化風(fēng)險防控分區(qū)研究

張鵬偉，田夏，費宇紅,*，李亞松，劉雅慈，韓春建，張麗娟

1. 中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊 050061

2. 中國地質(zhì)調(diào)查局/河北省地下水污染機理與修復(fù)重點實驗室，石家莊 050061

3. 河南省資源環(huán)境調(diào)查五院，鄭州 450000

土壤酸化是指土壤的鹽基飽和度降低，交換性酸不斷增加，導(dǎo)致土壤pH值降低的過程[1-2]。隨著近幾十年人類活動強度的增加，我國農(nóng)田土壤酸化問題日益嚴重，土壤酸化降低土壤微生物數(shù)量，影響農(nóng)作物根部生長發(fā)育，導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量降低甚至絕收，嚴重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[3-5]；有研究表明，氮和硫的酸沉降會降低物種多樣性，破壞自然生態(tài)環(huán)境[6-7]。因此，分類、分級地進行土壤酸化監(jiān)管工作，構(gòu)建土壤酸化風(fēng)險防控評價體系，并針對不同分區(qū)提出對應(yīng)的防控治理策略，對于因時、因地制宜治理土壤酸化問題具有重要意義[8]。

南陽盆地是國家重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，我國商品糧、棉、油和煙的集中生產(chǎn)基地，素有“中州糧倉”之稱。2018年土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查顯示，按照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)[9]土壤酸堿度分級評價標準，南陽盆地大面積表層土壤呈酸性-強酸性，酸性土壤面積占調(diào)查區(qū)面積的60.68%，強酸性占33.67%；中性-堿性土壤僅在城區(qū)少量分布。而據(jù)20世紀80、90年代我國農(nóng)業(yè)部門開展的第二次土壤普查結(jié)果可知，研究區(qū)表層土壤大面積呈中性，部分區(qū)域分布酸性和堿性土壤，平均pH為7.0左右。近30年來，南陽盆地表層土壤酸化趨勢明顯，特別是農(nóng)田區(qū)pH平均降低近2個單位(圖1)。然而，目前針對南陽盆地土壤酸化的研究主要集中于土壤酸堿度特征及酸化趨勢分析[10-11]，亟待提出行之有效的土壤酸化風(fēng)險評估方法并建立土壤酸化預(yù)防控制技術(shù)體系[12-13]。

圖1 第二次土壤普查(a)和2018年(b)研究區(qū)土壤酸堿度分布圖

國內(nèi)外有關(guān)土壤環(huán)境污染管控區(qū)劃的方法眾多，主要有線性回歸和判別分析[14]、模糊聚類分析[15]、指數(shù)評價法[16]、空間統(tǒng)計法[17]和機器學(xué)習(xí)[18]等方法。這些成果豐富了土壤環(huán)境的區(qū)劃和風(fēng)險評估方法，但未見可用于評價區(qū)域尺度農(nóng)田土壤酸化模型的相關(guān)報道[19]。本文選取南陽盆地作為研究對象，依托地理信息系統(tǒng)(GIS)建立土壤酸化風(fēng)險評價體系，采用網(wǎng)格剖分及空間插值方法對研究區(qū)內(nèi)各指標屬性進行疊加分析，劃分土壤酸化風(fēng)險防控等級，并針對不同酸化等級提出防治策略。本研究結(jié)果能夠為該地區(qū)表層土壤酸化防控治理以及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù)，同時對于豐富土壤環(huán)境風(fēng)險評估研究手段具有重要意義[20]。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處河南省南陽盆地，群山拱衛(wèi)，為中國腹心地帶(圖2)，東為桐柏山，西依秦嶺，北為伏牛山，南部為大巴山余脈，研究區(qū)境內(nèi)西、北、東三面為山地和丘陵，中南部為沖積平原，地勢由北向南微傾。該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有由溫帶向亞熱帶過渡的特點，四季分明，季風(fēng)進退與四季交替明顯，是河南省內(nèi)比較穩(wěn)定的暖溫區(qū)和濕潤區(qū)。全區(qū)年平均氣溫14～15.8 ℃，年平均降水量為795 mm，集中降水期為6～9月，占年降水量的70%左右。南陽盆地是南水北調(diào)中線工程水源地和渠首所在地，境內(nèi)河流眾多，主要河流有唐河、白河、湍河、刁河和灌河等。

圖2 研究區(qū)地理位置及采樣點分布圖

研究區(qū)淺層地下水含水層(組)由全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)沖積層及中更新統(tǒng)沖洪積層組成，含水層厚度6～54 m，含水層?xùn)|厚西薄、南厚北薄。含水層顆粒自西向中部和南部由粗變細，從河漫灘到二級階地后緣由粗砂和礫石漸變?yōu)橹屑毶?。垂直方向上，上部全新統(tǒng)和中部中更新統(tǒng)的沖洪積層，結(jié)構(gòu)較密實，且含泥量多(一般為10%～30%)，顆粒級配較為均一。研究區(qū)內(nèi)土壤類型以黃褐土、砂姜黑土和灰潮土為主，石灰性砂姜黑土有少量分布，粗骨土在研究區(qū)北部的山前地帶零星分布，區(qū)內(nèi)表層土壤pH總體偏低，平均值為5.34，最小值為4.02[21]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

中國地質(zhì)調(diào)查局2016—2018年在南陽盆地開展了土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查，利用表層土壤地球化學(xué)測量手段，以農(nóng)耕區(qū)為重點，對南陽盆地進行土地質(zhì)量初步評價。樣品采集嚴格按照《多目標區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)[22]網(wǎng)格化采集土壤樣品，土地調(diào)查面積達12 400 km2，每單位面積(1 km2)用土鏟采集1件表層樣品(圖2)，取樣深度為0～0.2 m，樣品質(zhì)量約為1 kg，共收集表層樣品12 692件，并按每4 km2對土壤樣品均勻混合后進行測試分析，以減少土壤的不均勻性，土壤樣品由河南省巖石礦物測試中心承擔測試。

2013—2014年在南陽盆地完成了地下水污染調(diào)查評價，地下水樣品按照瞬時采樣法采集，并采用德國WTW Multi 340i便攜式多參數(shù)水質(zhì)測試箱現(xiàn)場測試包括pH在內(nèi)的6種物理化學(xué)指標，共采集78組淺層地下水樣品(圖2)。

1.3 表層土壤酸化風(fēng)險防控模型的建立

本文參考土壤侵蝕風(fēng)險評估方法[23]和地下水污染預(yù)警指標體系[24]，采用綜合指數(shù)評價方法，建立綜合評估土壤酸化風(fēng)險的防控指標體系。用指數(shù)R表示各個因素對土壤酸化的總體影響，R的具體表示如下：

(1)

式中：R為評價表層土壤酸化風(fēng)險程度的綜合指數(shù)；wi為第i個指標的相對權(quán)重；ri為第i個指標引起土壤酸化的風(fēng)險度；n為指標因子的總數(shù)。

1.3.1 評價指標體系的確定

評價研究區(qū)表層土壤酸化風(fēng)險的關(guān)鍵之一在于指標因子的選取，指標選取的是否合理直接影響區(qū)域劃分結(jié)果和評價結(jié)論[25]。本文基于國內(nèi)外土壤酸化評價的相關(guān)文獻，選取出現(xiàn)頻度較高的指標因子，結(jié)合南陽盆地土壤特征及水文地質(zhì)條件[26]，從水土污染協(xié)同防控的角度出發(fā)，按自然地理條件、土壤條件和水文地質(zhì)條件3個方面，將地貌類型(R1)、土地利用類型(R2)、土壤類型(R3)、土壤pH(R4)、包氣帶巖性(R5)、含水層富水性(R6)、地下水硝酸鹽含量(R7)和年降水量(R8)8個指標作為研究區(qū)土壤酸化評價因子，構(gòu)建成土壤酸化風(fēng)險評價指標體系(表1)。

表1 土壤酸化風(fēng)險評價指標體系

本文采用相關(guān)標準法[27]參考土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范、含水層富水性等級標準和地表水環(huán)境質(zhì)量標準分別對土壤pH、含水層富水性以及地下水硝酸鹽含量進行量化分級。酸雨作為區(qū)域酸沉降的常見形式，是影響區(qū)域表層土壤酸化的重要因素，南陽地區(qū)近年來降水的平均酸性雖然在逐步減弱，但酸雨頻率仍在20%～30%[28]，以下利用年降水量作為評估南陽盆地區(qū)域酸沉降強度的代表指標。

指標體系中各評價指標的評分范圍為1～10分，對土壤酸化影響越大，敏感性越高的因子，指標評分越高，對于同一指標，評分高低只代表相對風(fēng)險，不存在計算關(guān)系。評分標準取值需結(jié)合研究區(qū)野外實際調(diào)查情況，由專家集體根據(jù)經(jīng)驗進行打分。

1.3.2 利用層次分析法確定權(quán)重

層次分析法(analytical hierarchy process, AHP)是一種將定性問題定量化解決的決策評價方法[29]，該方法在解決內(nèi)部由相互關(guān)聯(lián)、相互制約的眾多因子所組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題中具有十分廣泛的應(yīng)用[30-31]。層次分析法基于專家意見，利用1～9標度方法，對同一層次內(nèi)的指標兩兩比較，將各判斷要素之間的差異數(shù)值化，從而獲得各評價指標的權(quán)重，是一種系統(tǒng)、靈活和簡潔的主觀賦權(quán)法[32]。利用層次分析法確定評價指標權(quán)重的主要過程及結(jié)果如下。

根據(jù)專家打分構(gòu)造判斷矩陣，判斷矩陣中aij代表ai相對于aj的重要性，判斷結(jié)果如表2所示。

為確保各指標因子重要度之間的協(xié)調(diào)性，避免出現(xiàn)自相矛盾的情況，需對判斷矩陣進行一致性檢驗。由判斷矩陣計算可得最大特征值λmax為8.4905，根據(jù)一致性指標CI(consistency index)計算公式：

(2)

可得CI為0.0701，當CI等于0時，代表判斷矩陣具有完全一致性，CI值越小，判斷矩陣的一致性越高。由表2可知對于8階矩陣，平均隨機一致性指標RI為1.41，計算一致性比例CR=CI/RI=0.0497<0.1，認為判斷矩陣具有滿意的一致性，評價指標的權(quán)重分配合理。由滿足條件的的判斷矩陣得到的最大特征根所對應(yīng)的特征向量即為各評價指標的權(quán)重(表3)。

表2 土壤酸化風(fēng)險評價指標綜合判斷矩陣

表3 層次分析法(AHP)確定的權(quán)重表

2 結(jié)果(Results)

2.1 各評價因子分布特征

利用Arcgis10.8軟件將調(diào)查數(shù)據(jù)整理與繪圖(圖3)。

研究區(qū)周圍為呈半環(huán)狀結(jié)構(gòu)的臺地和低山丘陵，區(qū)內(nèi)地貌類型主要是規(guī)模較大的洪積平原及在其間沿河流分布的河谷平原(圖3(a))，區(qū)內(nèi)大小河流縱橫交錯，地表起伏形態(tài)復(fù)雜；區(qū)內(nèi)土地利用主要為旱地及水澆地，分別占研究區(qū)面積45%和35%，林地及裸地分布在山前地帶，城鎮(zhèn)區(qū)域為建設(shè)用地(圖3(b))。

灰潮土沿河流兩岸呈帶狀分布(圖3(c))，土壤密度為1.31 g·cm-3，土壤有機質(zhì)、氮和磷含量較低，但鉀較豐富，為20～25 g·kg-1，灰潮土普遍呈酸性，在研究區(qū)各土壤類型中pH平均值最低，為5.22。黃褐土和砂姜黑土為主要土壤類型，土壤密度均為1.33 g·cm-3，有機質(zhì)和鉀含量較低，氮和磷含量約為1 g·kg-1，pH平均值分別為5.28和5.47；各縣(縣級市、區(qū))pH值相差不大，最低的為唐河縣，pH平均值為5.05，鎮(zhèn)平縣pH平均值最高，為6.01(圖3(d))。

圖3 各評價指標分布特征

2.2 土壤酸化風(fēng)險評價結(jié)果

根據(jù)1.3.2確定的權(quán)重計算各地土壤酸化風(fēng)險防控指數(shù)R，并按照得分將南陽盆地劃分為8個土壤酸化風(fēng)險防控等級(表4)，其中，指數(shù)R得分越高，表明該地區(qū)土壤酸化越嚴重或者具有更高的酸化風(fēng)險，在防控規(guī)劃中更應(yīng)該被重視。

南陽盆地表層土壤酸化風(fēng)險防控分區(qū)結(jié)果如圖4所示，高風(fēng)險和中高風(fēng)險區(qū)域共占研究區(qū)面積的48.1%，集中在鄧州市、新野縣、宛城區(qū)、唐河縣、桐柏縣和泌陽縣，具有明顯的沿河道分布的特點，這與評價指標中所占權(quán)重較高的土壤類型中灰潮土的分布特征具有相似性，灰潮土中有機碳含量相對較低，在經(jīng)過排水、曬垡后，土壤中的硫化物可被氧化成硫酸，使土壤pH急劇下降，造成該區(qū)域酸化風(fēng)險較高。中低風(fēng)險和低風(fēng)險區(qū)中多為人口較為集中的城區(qū)，由于建筑物、水泥、磚塊和其他堿性混合物的釋放，大量含碳酸鈣和碳酸鎂的灰塵沉降，對于土壤酸化具有抑制作用，風(fēng)險防控等級較低。

圖4 南陽盆地土壤酸化風(fēng)險防控分區(qū)

3 討論(Discussion)

3.1 南陽盆地土壤酸化成因分析

土壤理化性質(zhì)與土壤酸化程度有密切關(guān)系，鈣離子二價螯合作用可有效穩(wěn)定土壤團粒結(jié)構(gòu)，當土壤鹽基離子出現(xiàn)淋失過程，即鈣、鎂離子被氫離子和鋁離子置換出晶格和膠體表面后，致酸離子的積累會加劇土壤酸化過程；另一方面，土壤的粒度結(jié)構(gòu)也會對土壤酸化產(chǎn)生影響，土壤平均粒徑越小，比表面積越大，表面負電荷可以吸附更多鹽基陽離子，延緩氫離子和鋁離子的置換過程[33]。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長期耕作、灌溉和施肥對于土壤酸堿度的變化影響明顯。長期施用化肥，特別是氮肥，會通過增加銨態(tài)氮的硝化作用和植物吸收來釋放質(zhì)子，并通過增加硝酸鹽淋溶伴隨的鈣鎂等鹽基離子淋失，導(dǎo)致石灰性土壤酸緩沖容量和酸中和容量下降，加劇土壤酸化[34]。水澆地水分含量較高，水分在運移過程中，交換能力較強的氫離子、鋁離子結(jié)合到土壤膠體表面交換位點上，導(dǎo)致土壤致酸離子飽和度上升[35]，也會加劇土壤酸化。

南陽盆地夏季高溫多雨，降水量大于蒸發(fā)量，土壤濕度較高。在水、熱兩因子共同作用下，土壤淋溶過程強烈，土壤溶液中鹽基離子易隨水滲濾向下移動，使土壤鹽基飽和度下降、氫飽和度增加，引起土壤酸化；另一方面，酸性降水降低了土壤酸緩沖能力，酸雨中的氫離子促進土壤膠體表面上鹽基離子的交換反應(yīng)，從而加速陽離子的淋失和土壤酸化[36]。

3.2 南陽盆地土壤酸化防治建議

在確保防治措施合理有效的前提下，建議土壤酸化低風(fēng)險區(qū)域維持現(xiàn)狀。位于丹江口水庫南水北調(diào)源頭地區(qū)，發(fā)展休閑觀光農(nóng)業(yè)和生態(tài)旅游業(yè)，山前部分地區(qū)可劃分為果林藥材種植基地。

中低風(fēng)險區(qū)需合理選擇化肥并控制用量。通過合理選擇施肥時間、確定化肥用量等措施提高化肥的使用效率。減少氮肥施用量，增施有機肥，一方面有機肥料能夠補充由于農(nóng)產(chǎn)品移除而引起的鹽基離子損失，緩解土壤的酸化程度；另一方面，有機質(zhì)經(jīng)土壤微生物作用后轉(zhuǎn)變?yōu)楦迟|(zhì)，可有效穩(wěn)定或提高土壤酸緩沖能力。

中高風(fēng)險區(qū)可調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，將豆科作物與禾本科作物間作或者輪作，探索土壤酸化速率較低的輪作模式。同時，擴大秸稈還田面積，將富含鹽基離子的秸稈歸還農(nóng)田以補充土壤中被消耗的鹽基離子。作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物及其制備的生物質(zhì)炭和有機肥等均含一定量的堿性物質(zhì)，相比于石灰等無機改良劑，其堿含量較低，可用于中等酸化程度的酸性土壤改良，并且可以提高土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量，改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤肥力。

高風(fēng)險區(qū)必要時需進行土壤修復(fù)治理。合理施用生石灰等其他堿性物質(zhì)中和土壤酸性，如鈣鎂磷肥、草木灰等；對于農(nóng)村生活污水造成土壤酸化的地區(qū)，如果人口較為集中，應(yīng)當采用集中處理的方式。而在人口分散地區(qū)，可以鼓勵農(nóng)戶采用小型的低能耗分散式污水處理方式，或構(gòu)建小型人工濕地。

綜上所述，本研究結(jié)果表明：

南陽盆地表層土壤酸化問題日益嚴重，本文針對區(qū)域土壤酸化風(fēng)險防控技術(shù)特點，建立了包含自然地理條件、土壤條件和水文地質(zhì)條件3個方面共8項評價指標的指標體系：自然地理條件包括地貌類型、土地利用類型和年降水量3項指標；土壤條件包括土壤類型、土壤pH和包氣帶巖性3項指標；水文地質(zhì)條件包括含水層富水性和地下水硝酸鹽含量2項指標。通過專家打分方式利用AHP計算得出主控指標因子為土壤pH和土壤類型，累計權(quán)重占比為0.612。利用GIS空間插值與疊加分析功能計算研究區(qū)土壤酸化風(fēng)險防控指數(shù)，評價結(jié)果顯示，中高風(fēng)險和高風(fēng)險地區(qū)分別占總面積35.13%和12.97%。本研究所提出的針對表層土壤酸化風(fēng)險防控分區(qū)方法具有便于操作、靈活性強的特點，從區(qū)域土壤污染風(fēng)險管理角度來講，該方法可以作為該地區(qū)土壤環(huán)境政策與法律法規(guī)制定的參考基礎(chǔ)，并為酸化土壤的修復(fù)與管理提供服務(wù)。

在評價研究過程中發(fā)現(xiàn)，土壤酸化受氣候、地形、母巖和植被等多方面影響，具有高度的空間異質(zhì)性和復(fù)雜性，為了更好地從區(qū)域尺度對土壤酸化風(fēng)險進行管控，需要通過場地尺度的研究深入解析土壤酸化過程的機理，研發(fā)酸性土壤的可持續(xù)利用技術(shù)。同時也要從土壤圈、巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈的圈層角度考慮，綜合多學(xué)科知識進行研究，可能會更好地理解土壤酸化過程，有效控制土壤酸化趨勢。