基于PLSPM模型的鄂西南部分區(qū)域耕地土壤pH影響因素研究①

孔德莉，張海濤*，何 迅，任文海，胡群中，肖斯予，武學(xué)妍

基于PLSPM模型的鄂西南部分區(qū)域耕地土壤pH影響因素研究①

孔德莉1，張海濤1*，何 迅2，任文海2，胡群中2，肖斯予1，武學(xué)妍1

(1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070；2 湖北省耕地質(zhì)量與肥料工作總站，武漢 430070)

選用鄂西南部分區(qū)域采集的土壤pH數(shù)據(jù)，進(jìn)行其影響因素研究。結(jié)果表明：研究區(qū)耕地土壤pH呈現(xiàn)東北向西南降低的趨勢(shì)，整體屬于酸性土壤；不同耕地類型土壤pH大小分別是：水澆地>旱地>水田；不同成土母質(zhì)發(fā)育的土壤pH有所差異，碳酸鹽巖發(fā)育的土壤pH較高，結(jié)晶巖和泥質(zhì)巖發(fā)育的土壤pH較低；耕地土壤pH多因素綜合模型顯示，人為活動(dòng)是該區(qū)耕地土壤pH的主要影響因素，其后依次是氣候、作物和地形；不同土壤酸堿性的耕地對(duì)影響因素的響應(yīng)程度存在差異，中性和弱堿性土壤對(duì)人為活動(dòng)表現(xiàn)為正向響應(yīng)，強(qiáng)酸性及弱酸性土壤對(duì)作物長(zhǎng)勢(shì)和地形同樣表現(xiàn)為正向響應(yīng)，極強(qiáng)酸性土壤對(duì)人為活動(dòng)的響應(yīng)程度最低，弱堿性土壤對(duì)氣候的響應(yīng)程度最強(qiáng)。

偏最小二乘路徑模型(PLSPM)；土壤pH；影響因素；耕地土壤；耕地表層

土壤pH作為土壤重要屬性之一，在土壤形成過程中受多種因子共同作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界耕地土壤約有 30% 呈現(xiàn)酸性[1]，其中，我國(guó)有近1/5的耕地土壤屬于酸性土壤。土壤酸化會(huì)改變土壤理化、生化性質(zhì)[2]。因此，揭示土壤pH空間特征及與影響因素的相關(guān)關(guān)系，精準(zhǔn)定量土壤pH的影響因素及影響程度，有助于掌握區(qū)域土壤質(zhì)量狀況，并為因地制宜地調(diào)控土壤pH、提升耕地質(zhì)量提供理論依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤pH變化及時(shí)空分異特征等方面有了較為深入的研究[3-7]，而對(duì)于土壤pH影響因素的研究主要聚焦于利用常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計(jì)法和回歸擬合法來探究各因子與土壤pH的關(guān)系[8-10]。這些方法使用簡(jiǎn)單，能夠較為快速地得到土壤pH與各因子的變化關(guān)系，但缺少對(duì)影響因素共線性、復(fù)雜性以及各因素與土壤屬性間交互作用等方面的深入討論，算法中忽略了區(qū)域內(nèi)土壤pH是受多因素綜合作用的結(jié)果，且不同因素對(duì)土壤pH的影響方式存在差異，這將導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確地融合多個(gè)輔助變量的解釋作用。就此問題，近些年部分學(xué)者探討性地將結(jié)構(gòu)方程模型引入其中，較好地挖掘出多個(gè)土壤屬性與多個(gè)影響因素的關(guān)系結(jié)構(gòu)及交互作用的程度[11-12]。目前，結(jié)構(gòu)方程模型(structural equation model，SEM)主要包括基于極大似然估計(jì)的結(jié)構(gòu)方程模型和基于偏最小二乘估計(jì)的結(jié)構(gòu)方程模型，后者代表模型為偏最小二乘路徑模型(partial least square path model，PLSPM)，重點(diǎn)在于挖掘樣本信息，對(duì)樣本的要求較低，更適合對(duì)新構(gòu)建的某一結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析[13]。鑒于此，本文以鄂西南部分區(qū)域采集到的1 757個(gè)耕地土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別分析不同耕地利用類型和成土母質(zhì)下土壤pH的差異，并選取PLSPM模型對(duì)土壤pH和相關(guān)影響因素進(jìn)行建模，測(cè)度土壤pH眾多影響因素的主次關(guān)系、交互作用和影響程度。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄂西南部分區(qū)域，即湖北省西南部(29°07′10″ ～ 31°24′13″ N、108°23′12″ ～ 110°38′08″ E)，東連荊楚，南接瀟湘，西臨渝黔，北靠神農(nóng)架，總面積為 2.4×104km2。全境群山層疊，高低參差，呈現(xiàn)北部、西北部和東南部高，逐漸向中、南傾斜而相對(duì)低下的狀態(tài)。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)和季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均降水量 1 600 mm；土壤類型多樣，主要為水稻土、紅壤、黃壤和黃棕壤，耕地面積為0.51萬(wàn)km2，熟制主要為一年一熟和一年兩熟。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)樣品主要采集于2017年0 ～ 20 cm耕地土壤，共1 757個(gè)。其中水田、旱地和水澆地3種耕地類型的樣點(diǎn)數(shù)分別為352、1 277和128；第四紀(jì)黏土、河湖沖(沉)積物、紅砂巖、結(jié)晶巖、泥質(zhì)巖、砂巖、碳酸鹽巖、紫色巖8種成土母質(zhì)的樣點(diǎn)數(shù)分別是340、75、40、68、293、162、580和199個(gè)。每個(gè)樣點(diǎn)均使用GPS定位，土壤 pH在水土質(zhì)量比 2.5∶1下用pH計(jì)測(cè)定[14]。使用3倍標(biāo)準(zhǔn)差法剔除異常值，經(jīng)檢驗(yàn)，本研究數(shù)據(jù)未存在異常值。

另外，從統(tǒng)計(jì)局、氣象站和NASA等網(wǎng)站收集研究所需其他數(shù)據(jù)，包括：①數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)庫(kù)；②研究區(qū)2017年歸一化植被指數(shù)和地表溫度數(shù)據(jù)庫(kù)；③氣象站2017年月均降雨、濕度和日照時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)；④各縣市2017年常用耕地面積、糧食總產(chǎn)量、氮肥數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.3 PLSPM模型

PLSPM模型由結(jié)構(gòu)模型和測(cè)量模型組成，是一種分析多變量間復(fù)雜因果關(guān)系的綜合分析模型，該模型不僅能夠解決指標(biāo)間存在的多重共線性問題，還可以計(jì)算不同變量對(duì)響應(yīng)變量的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)[15]。本研究選取了分別表征土壤酸堿度、作物因素、氣侯因素、地形因素、人為活動(dòng)的33個(gè)觀測(cè)變量構(gòu)建PLSPM模型，具體指標(biāo)體系如表1所示。

表1 指標(biāo)體系

2 結(jié)果與分析

2.1 鄂西南部分區(qū)域耕地土壤pH空間分布

根據(jù)研究區(qū)耕地土壤pH數(shù)據(jù)范圍，可將其分為5級(jí)，即極強(qiáng)酸性：pH≤4.5，強(qiáng)酸性：4.5

2.2 不同耕地利用類型和成土母質(zhì)下土壤pH的差異

由表2可以看出，3種耕地利用類型中，水田的pH平均值最小，為5.70，旱地次之，為5.73，水澆地pH平均值最大，為5.79。變異系數(shù)大小分別為：水澆地(16.58%)>水田(15.79%)>旱地(15.18%)。從酸堿性樣點(diǎn)占比統(tǒng)計(jì)看，水澆地、旱地和水田pH多位于4.5 ～ 6.5，其樣點(diǎn)占比分別為71.09%、75.33%、74.72%。

圖1 研究區(qū)耕地土壤pH空間分布

表2 不同耕地利用類型土壤pH描述

如表3所示，不同成土母質(zhì)pH平均值由高到低依次為碳酸鹽巖、紫色巖、河湖沖(沉)積物、紅砂巖、砂巖、第四紀(jì)黏土、結(jié)晶巖和泥質(zhì)巖。酸堿性樣點(diǎn)占比結(jié)果顯示，各母質(zhì)發(fā)育的土壤超過70% 的樣點(diǎn)為強(qiáng)酸性和弱酸性。從各類成土母質(zhì)發(fā)育的土壤pH的變異系數(shù)看，紅砂巖最高，砂巖最低，總體呈現(xiàn)成土母質(zhì)發(fā)育的土壤pH越低，其變異系數(shù)越大的趨勢(shì)。

表3 不同成土母質(zhì)土壤pH描述

2.3 耕地土壤pH多因素綜合模型分析

圖2顯示了各潛變量與其對(duì)應(yīng)顯變量的相關(guān)關(guān)系，其中顯變量由起始33個(gè)篩選至16個(gè)，包括地形因素中的地表粗糙度(R)、地表切割深度(D)、地形起伏度(RF)和坡度(Slope)；氣候因素中的春、夏、秋的濕度(humi_spri、humi_sum、humi_aut)以及春、秋、冬的降雨(pre_spri、pre_aut、pre_win)；人為活動(dòng)中的常用耕地面積(CCLA)、糧食總產(chǎn)量(TGO)及氮肥(NF)；作物因素中的春、冬歸一化植被指數(shù)(NDVI_spri，NDVI_win)；土壤酸堿度中的土壤pH(pH)。所有顯變量的負(fù)載因子絕對(duì)值都大于0.7，說明其50% 以上的變化都能被與之對(duì)應(yīng)的潛變量所捕捉，較好地描述了對(duì)應(yīng)潛變量的特征。

圖2 測(cè)量模型結(jié)果

PLSPM結(jié)果顯示(圖3)，氣候、地形和人為活動(dòng)對(duì)作物的直接影響均為正向，并通過影響作物進(jìn)一步負(fù)向影響土壤pH。氣候?qū)θ藶榛顒?dòng)有較為強(qiáng)烈的負(fù)向直接影響，并通過影響人為活動(dòng)間接影響土壤pH。氣候、作物和人為活動(dòng)對(duì)土壤pH均表示為負(fù)向直接影響。

圖3 結(jié)構(gòu)模型結(jié)果

通過分解潛變量之間的直接效應(yīng)、間接效應(yīng)和總效應(yīng)，對(duì)各潛變量之間的關(guān)系以及對(duì)土壤pH的主要影響程度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)人為活動(dòng)對(duì)土壤酸堿度作用最大，總效應(yīng)為–0.23，說明區(qū)域內(nèi)人為活動(dòng)較強(qiáng)的地方土壤pH相對(duì)較低。間接效應(yīng)(human→crop→ acidity-alkalinity)在總效應(yīng)中的占比約0.26%，表明人為活動(dòng)在增強(qiáng)對(duì)作物的作用后，會(huì)進(jìn)而導(dǎo)致土壤pH降低，但是這條路徑所起的作用相對(duì)于總效應(yīng)很微弱；氣候是影響土壤酸堿度的第二大因素，直接效應(yīng)為–0.27，間接效應(yīng)為0.19，總效應(yīng)為–0.08，即氣候作用較強(qiáng)時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致土壤pH有降低的趨勢(shì)，但由于存在多條間接路徑，使得這一趨勢(shì)有較大程度減緩，其中主要表現(xiàn)在氣候通過削弱人為活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)一步緩解土壤pH降低的趨勢(shì)；作物對(duì)土壤酸堿度的總效應(yīng)為–0.03，表明區(qū)域內(nèi)作物長(zhǎng)勢(shì)好的地方，土壤pH較低；土壤酸堿度受地形的影響最小，總效應(yīng)為–0.01，體現(xiàn)在間接路徑上(terrain→crop →acidity- alkalinity)，可知隨著地形變得陡峭，作物長(zhǎng)勢(shì)會(huì)更加茂盛，并進(jìn)一步影響土壤pH向酸性發(fā)展。

2.4 不同酸堿性耕地土壤的影響因素差異性

不同酸堿性耕地受到影響因素的強(qiáng)弱存在一定差異，即總體土壤pH存在異質(zhì)性。圖4為不同酸堿性土壤PLSPM結(jié)果，其中潛變量到顯變量的標(biāo)準(zhǔn)化因子負(fù)載系數(shù)估計(jì)值代表了前者對(duì)后者的解釋程度，數(shù)值的正負(fù)性則表明解釋的方向差異。而潛變量之間的標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)則代表影響程度，數(shù)值正負(fù)表明影響的方向差異。將土壤pH多群組的顯變量進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn)作物中NDVI_spri指標(biāo)在土壤為極強(qiáng)酸性時(shí)，負(fù)載值相對(duì)較小(0.47)，說明區(qū)域內(nèi)極強(qiáng)酸性土壤pH的空間變化主要受冬天作物長(zhǎng)勢(shì)的影響。

不同酸堿性的耕地土壤中，人為活動(dòng)對(duì)土壤pH展現(xiàn)了一定的異質(zhì)性特征。當(dāng)土壤為中性和弱堿性時(shí)，人為活動(dòng)對(duì)土壤pH的總效應(yīng)均是正值，分別為0.14和0.48，即對(duì)中性和弱堿性土壤，區(qū)域內(nèi)人為活動(dòng)干擾越強(qiáng)烈的地方，土壤pH相對(duì)越高；而對(duì)極強(qiáng)酸性、強(qiáng)酸性和弱酸性土壤，結(jié)果則相反，其中，極強(qiáng)酸性耕地土壤pH對(duì)人為活動(dòng)的響應(yīng)相對(duì)最弱，總效應(yīng)為–0.03。氣候?qū)ν寥纏H的影響在不同酸堿性土壤上表現(xiàn)出了更明顯的差異性。當(dāng)土壤為極強(qiáng)酸性時(shí)，氣候?qū)ν寥纏H的直接和間接影響強(qiáng)度有較大減弱，分別為–0.09和0.02；當(dāng)土壤為強(qiáng)酸性時(shí)，氣候?qū)ν寥纏H的直接和間接效應(yīng)分別為–0.32和0.26，即強(qiáng)酸性土壤pH變化對(duì)氣候的直接和間接響應(yīng)更加敏感；當(dāng)土壤為中性時(shí)，氣候?qū)ν寥纏H的直接和間接作用方向與總體土壤pH群組的作用方向相反，分別為0.13、–0.12，表明氣候?qū)χ行酝寥纏H有直接的正向作用，但同時(shí)由于氣候減弱了人為活動(dòng)的影響，并進(jìn)一步抑制了土壤pH升高的趨勢(shì)，使得最后的總效應(yīng)為0.01，即中性土壤pH對(duì)氣候的總響應(yīng)程度有所下降；當(dāng)土壤為弱堿性時(shí)，氣候?qū)ν寥纏H總效應(yīng)(–0.35)的絕對(duì)值最大，說明區(qū)域內(nèi)氣候作用強(qiáng)烈的地方，土壤pH相對(duì)較低，其中間接效應(yīng)在總效應(yīng)中的占比約87.23%，主要是由于人為活動(dòng)的影響在其中起到了重要的中介作用。不同酸堿性土壤，作物對(duì)土壤pH的作用有所區(qū)別，當(dāng)土壤為強(qiáng)酸性和弱酸性時(shí)，作物對(duì)土壤pH的總效應(yīng)均為正值，分別是0.07和0.04，即當(dāng)4.5

(圖A、B、C、D、E分別為極強(qiáng)酸性、強(qiáng)酸性、弱酸性、中性和弱堿性土壤樣點(diǎn)構(gòu)建的PLSPM模型)

3 討論

土壤pH是衡量耕地質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。研究區(qū)約80% 的耕地土壤呈酸性(pH<6.5)，土壤pH表現(xiàn)為從東北向西南逐漸降低的趨勢(shì)，耕地質(zhì)量整體情況較為嚴(yán)峻。研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH變化主要是受到多變量共同與交互作用的影響。

3.1 鄂西南部分區(qū)域耕地土壤pH的影響因素

耕地是人類對(duì)自然環(huán)境下土地改造的一種具體表現(xiàn)形式，其中水田的土壤酸性最強(qiáng)，這可能是由于該區(qū)水田土壤復(fù)種指數(shù)高、施肥方式多偏化肥而不重視有機(jī)肥[16]，導(dǎo)致水田的土壤pH趨于更低。

成土母質(zhì)是土壤形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，泥質(zhì)巖和結(jié)晶巖類風(fēng)化物中硅酸鹽含量較高，受強(qiáng)烈分解時(shí)，硅和鹽基不斷淋失，土壤溶液中H+濃度逐漸增加，因此，這兩種母質(zhì)發(fā)育的土壤pH相對(duì)較低。而具有抗酸性的母巖(碳酸鹽巖)發(fā)育的土壤pH相對(duì)較高。

人為活動(dòng)是影響鄂西南部分區(qū)域耕地土壤pH變化的重要方面，主要體現(xiàn)在直接作用上。區(qū)域內(nèi)常用耕地面積大，對(duì)土壤的擾動(dòng)會(huì)在一定程度上破壞土壤生態(tài)環(huán)境和土壤結(jié)構(gòu)，造成土壤pH降低。而糧食的高產(chǎn)量主要來源于作物根系對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收，大量鹽基離子被吸收從而導(dǎo)致土壤酸緩沖容量下降。同時(shí)，過量氮肥的施用，會(huì)在土壤中產(chǎn)生大量的酸，加劇土壤中H+的不平衡[17]。

研究區(qū)春夏秋的相對(duì)濕度和春冬的降雨主要表現(xiàn)為自北向南逐步增高的趨勢(shì)，降雨的淋溶作用會(huì)導(dǎo)致土壤中的堿性物質(zhì)淋失，降低土壤對(duì)酸的緩沖性，逐漸形成土壤交換性酸[18]。此外潮濕多雨的氣候?qū)χ参锏慕Y(jié)構(gòu)維持、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送等過程起著關(guān)鍵作用，利于作物的長(zhǎng)勢(shì)，并進(jìn)一步間接影響土壤pH變化，同時(shí)也會(huì)引起水土流失而導(dǎo)致大量黏粒淋失，并通過影響人為活動(dòng)而對(duì)土壤pH產(chǎn)生間接影響。秋天降雨較為強(qiáng)烈，表現(xiàn)為由東南向西北逐漸增多的趨勢(shì)，其對(duì)氣候的負(fù)載為–0.81，可能是由于研究區(qū)西北部，如利川市化肥施用量較高，秋季降雨量的增大會(huì)使得殘留在土壤中的氮肥流失一部分，以緩解其對(duì)土壤的酸化程度。大氣酸沉降也是影響土壤pH的一個(gè)因素。解淑艷等[19]研究發(fā)現(xiàn)，2018年湖北省的平均酸雨頻率不到5%。2017年研究區(qū)環(huán)境質(zhì)量狀況報(bào)告指出，該區(qū)酸雨的檢出率為0.6%，顯示研究區(qū)降雨中酸性物質(zhì)含量少，土壤pH變化受降雨的淋溶作用更大。

研究區(qū)春冬兩季的NDVI分別為0.19 ～ 0.79、0.06 ～ 0.71，相較于北部，南部地區(qū)作物長(zhǎng)勢(shì)普遍較好，其下的動(dòng)植物種類豐富且生長(zhǎng)較快，這些生物死亡后，殘?bào)w會(huì)分泌很多酸性物質(zhì)，打破土壤中的酸堿平衡[20]。另外，作物生長(zhǎng)也會(huì)從土壤中移除鹽基離子，降低土壤的酸緩沖性能，最終耕地土壤將呈現(xiàn)pH相對(duì)較低的趨勢(shì)。

地形能夠?qū)ξ镔|(zhì)和熱能進(jìn)行重新分配來調(diào)節(jié)耕地中作物的長(zhǎng)勢(shì)和分布[21]，并間接影響耕地土壤pH的變化。研究區(qū)耕地的地表粗糙度、地表切割深度、地形起伏度和坡度多處于其自身范圍的中低區(qū)間，有利于耕地的連續(xù)性，易于耕種。其中，這些要素值越低的地區(qū)，地勢(shì)越平坦，更容易受到人口、工業(yè)和交通等分布的影響，會(huì)對(duì)作物長(zhǎng)勢(shì)造成不良影響。反之，在這些要素值稍高的地區(qū)，作物受到的熱量、光照等條件會(huì)更加充足，長(zhǎng)勢(shì)更茂盛。因此，可以發(fā)現(xiàn)地形因子相互作用，共同影響著作物長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)而影響土壤pH變化。

3.2 不同酸堿性耕地土壤影響因素的異質(zhì)性

不同酸堿性耕地土壤對(duì)影響因子的響應(yīng)情況存在一定的異質(zhì)性。對(duì)于極強(qiáng)酸性土壤，人為活動(dòng)對(duì)土壤pH的直接效應(yīng)(0.01)為正值，這可能是由于2012 年和 2015 年，研究區(qū)政府先后下發(fā)了耕地土壤酸化治理的相關(guān)文件，包括多施有機(jī)肥、少施氮肥等[22]，這些人為干擾對(duì)于極強(qiáng)酸性土壤pH降低趨勢(shì)產(chǎn)生了較為明顯的緩解作用，同時(shí)這些措施的實(shí)踐使得作物長(zhǎng)勢(shì)茂盛進(jìn)而削弱了部分直接影響，使得總效應(yīng)(–0.03)為負(fù)值，但總體上人為活動(dòng)對(duì)極強(qiáng)酸性土壤pH降低的作用程度大幅度減小。極強(qiáng)酸性土壤氫飽和度較高且本身理化性狀不良，良好的水熱條件并沒有對(duì)植物的長(zhǎng)勢(shì)起到促進(jìn)作用，進(jìn)而減弱中介效應(yīng)，故氣候?qū)O強(qiáng)酸性土壤pH的直接和間接作用都有較大減弱。極強(qiáng)酸性土壤上的作物還易受鋁毒害，進(jìn)而影響其微域的微生態(tài)系統(tǒng)，加快動(dòng)植物的死亡，產(chǎn)生更多的酸性分泌物，因此土壤pH對(duì)極強(qiáng)酸性土壤上的作物響應(yīng)更加強(qiáng)烈。

強(qiáng)酸性和弱酸性土壤上作物對(duì)土壤pH的路徑系數(shù)為正值，可能是由于高作物覆蓋區(qū)根系的有效分布截留了部分可溶性礦物養(yǎng)分，有利于鹽基離子和有機(jī)質(zhì)的積累，進(jìn)而提高了酸緩沖容量，故作物長(zhǎng)勢(shì)好的區(qū)域土壤pH相對(duì)較高。由于地形是通過作物的中介效應(yīng)對(duì)土壤pH產(chǎn)生影響，故地形亦對(duì)強(qiáng)酸性和弱酸性土壤pH產(chǎn)生正向影響。

中性和弱堿性土壤主要處于碳酸鹽緩沖體系，土壤礦物中的碳酸鹽與酸物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)、溶解，產(chǎn)生的水溶性鹽通過淋洗向下移除土壤。有研究表明，理論上耕層土壤中若含有1% 的CaCO3，土壤酸緩沖容量可達(dá)1 000 ～ 1 500 keq/hm2，百余年才可消耗殆盡[23]，故此時(shí)土壤pH更為穩(wěn)定。人為活動(dòng)對(duì)中性及弱堿性土壤pH表現(xiàn)為正向影響，一是由于該土壤本身酸緩沖能力較大，二是由于相應(yīng)的治理措施起到了更顯著的效果。但值得注意的是，對(duì)于弱堿性土壤，由于對(duì)人為活動(dòng)的響應(yīng)更加強(qiáng)烈，因此需要防止土壤鹽堿化。氣候?qū)χ行院蛪A性土壤pH的直接作用表現(xiàn)為正向影響，可能是潮濕空氣中降雨帶來的鹽基離子沉降量可能大于其淋失量，提高了土壤酸緩沖容量，但由于中介效應(yīng)的負(fù)向影響，最終氣候?qū)χ行酝寥纏H的總效應(yīng)顯著降低，而由于弱堿性土壤pH的中間效應(yīng)較為強(qiáng)烈，故氣候?qū)θ鯄A性土壤pH的總效應(yīng)為負(fù)值，且絕對(duì)值最大。由于弱堿性土壤更加適宜土壤微生物群體的生存[24]，因此弱堿性土壤上作物長(zhǎng)勢(shì)越好，其下存活的動(dòng)植物就會(huì)越多，殘?bào)w分泌的酸性物質(zhì)也更容易富集，故弱堿性土壤pH對(duì)作物的響應(yīng)更加明顯。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和PLSPM構(gòu)建的耕地土壤pH多因素綜合模型，分析鄂西南耕地土壤pH現(xiàn)狀及影響因素，研究發(fā)現(xiàn)：鄂西南耕地土壤pH呈現(xiàn)東北高西南低的格局，整體酸化程度較為嚴(yán)峻；不同耕地利用類型中，水澆地pH最高，其后依次是旱地、水田；不同成土母質(zhì)中，結(jié)晶巖和泥質(zhì)巖發(fā)育的土壤pH較低，碳酸巖發(fā)育的土壤pH較高；影響鄂西南總體耕地土壤pH變化的因素絕對(duì)值大小為：人為活動(dòng)(–0.23)>氣候(–0.08)>作物(–0.03)>地形(–0.01)；不同酸堿性土壤下，因子的影響程度及主次關(guān)系有較為明顯的差異，強(qiáng)酸性土壤上作物>氣候>人為活動(dòng)>地形，酸性土壤上人為活動(dòng)>作物>氣候>地形，弱酸性土壤上人為活動(dòng)>作物>氣候>地形，中性土壤上人為活動(dòng)>氣候>地形>作物，弱堿性土壤上人為活動(dòng)>氣候>作物>地形。

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Influencing Factors of Farmland Soil pH in Southwest Hubei Based on PLSPM Model

KONG Deli1, ZHANG Haitao1*, HE Xun2, REN Wenhai2, HU Qunzhong2, XIAO Siyu1, WU Xueyan1

(1 College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; 2 Hubei Provincial General Station of Cultivated Land Quality and Fertilizer, Wuhan 430070, China)

In this paper the influencing factors of farmland soil pH in southwest Hubei Province were studied based on 1 757 samples of 0–20 cm soil layer collected and measured in 2017.The results showed that pH decreased from northeast to southwest in the study region, and farmland soils were generally acidic.pH values of different farmland types were in the order of irrigated farmland > dry farmland> paddy field.pH values were different in soils derived from different parent materials, it was higher in soil derived from carbonate rock while lower in soil derived from crystalline and argillaceous rocks.Multi-factor integrated model of farmland soil pH showed that human activities were the main influencing factors of soil pH, followed by climate, crops and terrain.Farmland soils with different acidity and alkalinity responded differently to influencing factors, neutral and weakly alkaline soils positively responded to anthropogenic activities, strongly acidic and weakly acidic soils positively responded to crop growth and topography, very strongly acidic soils responded minimally to human activities, and weakly alkaline soils responded maximally to climate.

PLSPM model; Soil pH; Influencing factors; Cultivated soil; Topsoil of cultivated land

S153

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.04.019

孔德莉, 張海濤, 何迅, 等.基于PLSPM模型的鄂西南部分區(qū)域耕地土壤pH影響因素研究.土壤, 2021, 53(4): 809–816.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371227)和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量專項(xiàng)(21190069)資助。

(zht@mail.hzau.edu.cn)

孔德莉(1995—)，女，陜西寶雞人，碩士研究生，主要從事土壤環(huán)境與生態(tài)模擬研究。E-mail:kongdeli923@163.com