福建省耕地土壤pH空間分布及影響因素分析

程 金 張思文 黃文卿 張世昌 黃建誠 吳良泉 張江周*

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院/國際鎂營養(yǎng)研究所，福州 350002;2.福建省農(nóng)田建設(shè)與土壤肥料技術(shù)總站，福州 350003；3.福建省閩侯縣土壤肥料技術(shù)站，福州 350100)

土壤pH是土壤重要的化學(xué)性質(zhì)之一，是土壤形成過程中多種因子綜合作用的結(jié)果[1]。其對于土壤養(yǎng)分有效性、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及作物生長有著重要影響[2]。研究表明過量施用氮肥、大氣酸沉降是導(dǎo)致土壤pH下降的主要原因[3-5]。周曉陽等[6]研究長期施肥下我國南方典型農(nóng)田土壤酸化特征發(fā)現(xiàn)，與不施肥對照相比，在平均施氮量為150 kg/hm2的條件下，土壤pH降低10.5%。Lungu等[7]研究表明，連續(xù)4年施用180 kg/hm2化學(xué)氮肥，土壤pH降低0.87。Cai等[8]研究指出，每公頃施用氮肥300 kg，8～12年后土壤pH下降1.4～1.6。同時土壤pH下降會導(dǎo)致土壤中K+、Ca2+、Mg2+等鹽基離子淋失，增加土壤交換性H+和Al3+含量，造成養(yǎng)分平衡失調(diào)，影響作物生長發(fā)育[9-11]。研究表明，每降低一個pH單位時，小麥生物量降低40.0%，玉米生物量降低25.7%[12]。有關(guān)香蕉酸化土壤調(diào)控試驗研究結(jié)果顯示，低pH使香蕉的產(chǎn)量降低8～33%[13]。因此，土壤pH下降嚴(yán)重威脅糧食安全、土壤健康及耕地可持續(xù)利用。

福建省常年高溫多雨，土壤淋溶強烈，脫硅富鐵鋁化作用明顯，土壤普遍呈酸性[14-15]。1982—2008年67.6%的耕地土壤出現(xiàn)不同程度的酸化[16]。此外，農(nóng)戶為追求作物產(chǎn)量，大量施用化學(xué)肥料。據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，福建省農(nóng)用化肥用量由2009年118.7萬t增加到2016年的123.8萬t?，F(xiàn)在國家大力倡導(dǎo)化肥零增長和有機肥替代化肥，福建省農(nóng)用化肥用量持續(xù)下降，2020年化肥用量為110.7萬t。近十年化肥用量變化對土壤pH有何影響值得進(jìn)一步研究。對龍巖煙草種植區(qū)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，植煙區(qū)平均土壤pH為5.23，適宜種植煙草(pH 5.0～5.5)的區(qū)域由2001年的62.3%增加到2011年87.9%[17]。福建省平和縣柚園土壤pH為5.0，強酸性果園土壤占67.7%[18]。對福建省安溪縣鐵觀音茶園調(diào)查發(fā)現(xiàn)，68.0%茶園土壤pH在4.5以下，不適宜茶樹生長[19]。然而，已有研究主要集中在縣域或者某一作物體系[17,19-20]，在全省尺度上的土壤pH研究報道較少。且福建省地勢高低起伏、土壤類型多樣，全省共劃分8個土類、14個亞類和29個土屬[21]，水稻、茶葉、煙草、蔬菜、水果等農(nóng)作物種類繁多[22]。同時，土壤pH變化受自然條件、土壤類型和作物體系等影響。王洪等[23]研究表明，不同土壤類型、海拔高度、坡度等會影響陜西省耕地土壤pH變化。周潔瑩等[ 24]研究認(rèn)為氮肥施用量、黏粒含量、年均降水量、有機質(zhì)含量等都是導(dǎo)致土壤酸化的潛在因子。目前，針對福建省耕地土壤pH的研究主要集中在縣、市等單一區(qū)域，在省域尺度和大樣本的基礎(chǔ)上對土壤pH空間分布研究鮮見報道[17,20-21]。因此，本研究擬以福建省為研究區(qū)域，分析福建省土壤pH空間分布特征，探究自然條件、土壤類型、作物類型等對土壤pH的影響，明確土壤pH的驅(qū)動因子，為福建省耕地土壤酸化改良、合理養(yǎng)分管理和耕地產(chǎn)能提升提供重要參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

福建省地處中國東南沿岸，介于北緯23°30′～28°20′，東經(jīng)115°50′～120°40′，境內(nèi)山多地少，山地、丘陵占全省總面積的80%以上，海拔在2～2 185 m，平均海拔420 m。福建省地處中南亞熱帶，屬典型亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，常年高溫多雨，全省70%的區(qū)域≥10 ℃的積溫在5 000～7 600 ℃，年平均氣溫17～21 ℃，平均降雨量1 400～2 000 mm。全省耕地面積1.34萬km2，主要集中在沿海平原、沿河流域、山間谷地與低丘陵梯田等地。全省作物體系繁多，主要種植作物有水稻、果樹、茶葉、蔬菜、烤煙和油料作物等。同時福建省有多種土壤類型，據(jù)第二次土壤普查，全省土壤劃分為8個土綱，14個亞類，代表性土壤類型是紅壤和黃壤，水稻土、赤紅壤、紫色土、潮土、濱海鹽土、風(fēng)沙土等也有分布，其中，紅壤占地面積最大、水稻土分布最廣[21]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來自福建省農(nóng)田建設(shè)與土壤肥料技術(shù)總站，土壤樣品采集于2016—2019年，采用五點取樣法，五個樣點混合成一個樣品，采樣深度為0～20 cm，共獲得土壤普查樣點數(shù)據(jù)4 261個(圖1)，樣品采集后室內(nèi)常溫自然風(fēng)干過2 mm篩后，用于測定土壤理化性質(zhì)。樣品采集時，詳細(xì)記錄了采樣點的海拔、降雨量、土壤質(zhì)地、土壤類型、作物體系等信息。土壤pH使用土壤pH計測定(V(水)∶V(土)=2.5∶1)。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法測定。土壤pH數(shù)據(jù)分別按照不同海拔、降雨量、土壤有機質(zhì)、土壤質(zhì)地、土壤類型及作物類型等進(jìn)行劃分，用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

圖1 福建省耕地土壤pH采樣點分布圖Fig.1 Distribution of soil pH sampling points in Fujian Province

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)第二次全國土壤普查，劃分土壤pH分級標(biāo)準(zhǔn)：堿性pH≥8.5、弱堿性7.5≤pH<8.5、中性6.5≤pH<7.5、弱酸性5.5≤pH<6.5、酸性4.5≤pH<5.5、強酸性pH<4.5[25]。試驗數(shù)據(jù)在分析前進(jìn)行正態(tài)分布檢驗和方差齊性檢驗。不同海拔、降雨量、土壤有機質(zhì)、土壤質(zhì)地、土壤類型及作物類型的pH差異及皮爾森相關(guān)分析采用IBM SPSS Statistics 26.0 進(jìn)行分析，用 Duncan法檢驗處理間差異(P<0.05)。利用隨機森林模型分析不同因素對土壤pH影響的重要性，隨機森林利用R中“randomForest”包，各因素的差異性檢驗采用“A3”包進(jìn)行。采用ArcGis 10.2軟件進(jìn)行地學(xué)統(tǒng)計分析，用普通克里金進(jìn)行空間插值分析后編制土壤pH分布圖，并添加指北針、比例尺、圖例等要素輸出。所有圖采用Origin 2021作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 福建省耕地土壤pH空間分布特征

福建省土壤pH空間分布特征見圖2?？梢姡焊＝ㄊ「赝寥纏H范圍為3.00～9.62，平均pH為5.35，屬于酸性土壤。對土壤pH值描述性特征進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見圖3?？芍簭娝嵝酝寥勒几＝ǜ乜偯娣e的12.5 %，酸性土壤占56.8 %，弱酸性土壤占21.9%，中性土壤和堿性土壤分別占耕地總面積的6.7%和2.1%。整體而言，福建省土壤pH呈現(xiàn)東部沿海高、西部和中部低的趨勢，其中強酸性耕地土壤主要集中在福建中部地區(qū)，酸性以及弱酸性耕地土壤主要集中于西部地區(qū)，中性以及弱堿性土壤主要分布在沿海地區(qū)。

圖2 福建省耕地土壤pH空間分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of soil pH in farmland of Fujian Province

圖3 福建省耕地土壤pH頻率圖Fig.3 Frequency of soil pH in the farmland of Fujian Province

2.2 福建省各區(qū)市耕地土壤pH描述統(tǒng)計

由表1可見：福建省各市耕地土壤平均pH從小到大依次為，南平市(5.09)<三明市(5.16)<龍巖市(5.21)<寧德市(5.22)<漳州市(5.42)<廈門市(5.58)<福州市(5.62)<泉州市(5.90)<莆田市(5.96)。福建省各市土壤pH分析結(jié)果見圖4。可知：南平市、三明市、龍巖市、寧德市以及漳州市耕地土壤pH主要集中在4.5～5.5，低于全省平均水平，土壤酸化嚴(yán)重；南平市、三明市、龍巖市、寧德市以及漳州市酸性及強酸性耕地土壤所占比例70%以上；廈門市、泉州市、福州市以及莆田市耕地土壤pH均值高于全省平均水平，土壤pH主要分布在5.5～6.5，處于酸性和強酸性耕地土壤所占比例為35%以上。

表1 福建各設(shè)區(qū)市耕地土壤pH描述統(tǒng)計Table 1 Descriptive statistics of soil pH in the cities of Fujian Province

圖4 福建省各市土壤pH分級圖Fig.4 Percentage of soil pH classification in cities of Fujian Province

2.3 土壤pH影響因素分析

2.3.1自然氣候因素對土壤pH的影響

海拔和降雨量對土壤pH的影響見表2。可見：海拔和降雨量顯著影響土壤pH。海拔≤300 m、300 m<海拔<500 m和≥500 m土壤pH分別為5.38、4.88和4.77，海拔≤300 m土壤pH顯著高于其他2個海拔。對于降雨量而言，降雨量≥1 800 mm的土壤pH為5.78，顯著低于降雨量≤1 600 mm 和1 600 mm<降雨量<1 800 mm的土壤pH，而降雨量≤1 600 mm和1 600 mm<降雨量<1 800 mm的土壤pH分別為6.25和6.19，兩者間差異不顯著。

表2 不同海拔和降雨量對土壤pH的影響Table 2 Effects of different altitudes and mean annual precipitation on soil pH

2.3.2土壤有機質(zhì)對pH的影響

土壤有機質(zhì)對pH的影響見表3，可見土壤有機質(zhì)顯著影響土壤pH。有機質(zhì)含量≤10 g/kg、10 g/kg<有機質(zhì)<30 g/kg和≥30 g/kg的土壤pH分別為5.93、5.24和5.12，有機質(zhì)含量≤10 g/kg的土壤pH顯著高于其他組別(表3)。

表3 不同有機質(zhì)含量對土壤pH的影響Table 3 Effects of different organic matter on soil pH

2.3.3土壤質(zhì)地和土壤類型對土壤pH的影響

土壤質(zhì)地和土壤類型對土壤pH的影響見表4?？芍和寥蕾|(zhì)地和土壤類型顯著影響土壤pH。砂土、壤土和粘土的土壤pH分別為5.38、5.20和5.14。砂土土壤pH顯著高于其他2個質(zhì)地，而粘土與壤土無顯著差異。全省主要土壤類型土壤pH由大到小依次是濱海鹽土(6.36)、潮土(5.48)、水稻土(5.29)、磚紅壤(5.17)、紫色土(5.12)、黃壤(4.99)、紅壤(4.89)，其中，濱海鹽土土壤pH顯著高于其他土壤類型；而黃壤和紅壤土壤pH顯著低于潮土和水稻土，后兩者土壤pH差異不顯著。

2.3.4作物類型對土壤pH的影響

不同作物類型對土壤pH的影響見表5。結(jié)果表明不同作物類型顯著影響土壤pH。全省主要作物類型土壤pH由小到大依次為茶園(4.67)<果樹(4.86)<烤煙(5.18)<水稻(5.25)<塊莖(5.68)<蔬菜(5.78)<油料作物(5.81)。其中：茶園土壤pH顯著低于其他作物類型，果樹、烤煙和水稻類作物土壤pH高于茶園土壤；塊莖、蔬菜和油料類作物土壤pH無顯著差異。

表4 不同土壤質(zhì)地和土壤類型對土壤pH的影響Table 4 Effects of different texture types and soil types on soil pH

表5 不同作物類型對土壤pH的影響Table 5 Effects of different crop types on soil pH

2.4 各因素與土壤pH的相關(guān)性及重要性分析

皮爾森相關(guān)分析顯示土壤pH與海拔、降雨量和有機質(zhì)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表6)。隨機森林模型分析顯示，土壤有機質(zhì)含量和海拔是驅(qū)動土壤pH變化的重要因素，相對重要性分別為18.6%和17.2%；其次是年均降雨量、作物類型和土壤質(zhì)地，相對重要性分別為10.6%、5.4%和1.1%(圖5)。

3 討論與結(jié)論

福建省耕地土壤pH自沿海至內(nèi)陸山地依次降低，呈現(xiàn)東部沿岸高，西部和中部低的空間格局分布特征，整體上屬于酸性土壤(圖2)。Chadwick等[26]認(rèn)為造成這一空間分布的因素主要與土壤類型和降雨量有關(guān)，自沿海至內(nèi)陸山地地區(qū)土壤類型呈現(xiàn)從濱海鹽土向紅壤變化的特點，濱海鹽土鹽基陽離子含量較高，酸緩沖能力較強；紅壤和黃壤在長期的成土過程中發(fā)生脫硅富鋁化作用，土壤中交換性H+和Al3+含量較高，土壤pH較低，且紅黃壤酸緩沖能力較弱。此外，徐福祥[21]研究表明，從沿海到內(nèi)陸山地，年均降雨量逐漸增大，如武夷山等地年降雨量達(dá)到2 000 mm以上，高降雨量加劇鉀、鈣、鎂等鹽基離子淋溶，使土壤酸化加重。其次，Malhi等[27]

表6 各因素與土壤pH的相關(guān)分析Table 6 Pearson correlation of the influencing factors and soil pH

***表示相關(guān)性極顯著(P<0.01)。*** indicates significant level at the P<0.01.圖5 各因素對土壤pH變化的相對重要性Fig.5 Relative importance of various factors on soil pH change

研究表明，酸雨可直接導(dǎo)致土壤pH降低，以及黃聚聰?shù)萚14]分析發(fā)現(xiàn)2016年福建省酸雨出現(xiàn)頻率超過50%。本研究結(jié)果也顯示降雨量的增加顯著降低土壤pH(表2)。同時，隨著海拔升高，耕地土壤pH顯著降低(表2)。一方面跟降雨有關(guān)，皮爾森相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，海拔與降雨量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(表6)，即海拔越高降雨量越大，降雨量造成鹽基離子淋失，使土壤緩沖能力下降；另一方面海拔高度也會受光照、溫度、熱量等因素的影響，造成土壤pH下降，這與Guo 等[28]研究結(jié)果一致。

土壤有機質(zhì)含量是表征土壤質(zhì)量重要的指標(biāo)之一，本研究發(fā)現(xiàn)福建省耕地土壤有機質(zhì)含量與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表6)，這與韓天富等[29]的研究結(jié)果一致。Liu等[30]在水稻土上的研究表明，土壤pH影響土壤性質(zhì)和過程，在決定碳循環(huán)過程中起關(guān)鍵作用。Evans等[31]和Liu等[32]的研究指出，在低pH條件下，土壤有機質(zhì)與鐵離子、鋁離子等金屬陽離子形成復(fù)合物，降低有機碳的溶解性。此外，Liu等[33]在中國南方酸性土壤上的研究結(jié)果顯示，土壤pH是驅(qū)動微生物群落結(jié)構(gòu)變化的重要因素；Sinsabaugh等[34]和Malik等[35]研究表明，低土壤pH通過影響土壤中酶的活性，影響有機質(zhì)礦化，改變碳周轉(zhuǎn)過程，減緩有機質(zhì)分解速率，從而造成有機碳累積，但土壤pH與有機質(zhì)轉(zhuǎn)化的機理需開展深入研究。

粘土的土壤pH顯著低于壤土和砂土(表4)，與魏鑫濤等[3]研究結(jié)果一致。粘土由硅酸鹽礦物風(fēng)化而成，通透性較低。劉優(yōu)平等[36]認(rèn)為，在酸性環(huán)境中，粘土滲透系數(shù)隨時間推移而增加，而土壤pH與滲透系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，即酸性環(huán)境中，粘質(zhì)土壤pH較低；粘土的土壤含水量相對較高且通氣性較差，氧氣往往供應(yīng)不足，土壤有機質(zhì)在嫌氣條件下分解速度減緩且不完全，易累積中間產(chǎn)物，如在長期或高度嫌氣條件下往往會產(chǎn)生乙酸、丁酸等一系列有機酸，造成土壤pH下降。砂質(zhì)土壤疏松，通氣性較好，雖然砂土陽離子交換性能相對較低，但其在土壤酸化后恢復(fù)力較強，而粘土的恢復(fù)力較弱[3]，這也可能是造成砂土土壤pH較高的原因之一。福建省砂土主要分布于沿海地區(qū)，多數(shù)為濱海風(fēng)砂土，土質(zhì)疏松，土壤pH相對較高。Chadwick等[26]研究指出，不同類型的土壤酸堿性與緩沖能力差異有關(guān)。仇榮亮等[37]通過對南方土壤酸沉降的研究認(rèn)為，鹽土、潮土對酸緩沖能力較強，此外，徐仁扣等[38]在分析我國農(nóng)田酸化土壤緩沖能力指出，紅壤、黃壤和磚紅壤對酸緩沖能力較弱，Guo等[39]在中國農(nóng)田酸化上的研究表明，水稻土受人為活動影響較大，過量氮肥投入加速了土壤酸化過程，造成土壤pH下降。本研究中，濱海鹽土pH最高，紅壤、黃壤及水稻土pH較低。

不同作物種植體系土壤pH差異主要跟施肥管理有關(guān)。李娟等[40-41]對福建省油料作物、蔬菜和塊莖類作物開展了大量的施肥指標(biāo)體系研究工作，極大的促進(jìn)了優(yōu)化施肥管理，同時這些作物有機肥投入量比較大，增加了土壤的緩沖能力，使土壤pH維持在比較適宜的范圍。但李清華等[42]和倪康等[43]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水稻、烤煙、果樹和茶園養(yǎng)分投入量，尤其是氮肥投入量是養(yǎng)分吸收量的幾倍甚至幾十倍，不合理施肥是導(dǎo)致土壤酸化的原因之一；另一方面朱齊超[44]定量了中國土壤酸化研究表明，作物收獲會從土壤帶走大量K+、Ca2+、Mg2+等的陽離子，如果不及時補充作物吸收帶走的陽離子，會造成土壤陰陽離子失衡，按照陰陽離子平衡理論和養(yǎng)分歸還學(xué)說，根系會向土壤中分泌質(zhì)子，從而進(jìn)一步加劇土壤酸化。眾多研究表明，土壤pH變化的驅(qū)動因素中不合理施用化肥貢獻(xiàn)占55%[44]。在所有作物體系中，茶園土壤pH最低，這與茶樹的生長特性有關(guān)，Sun等[45]研究茶樹根系生長發(fā)育時發(fā)現(xiàn)，茶樹適宜生長在酸性土壤上，酸性土壤上鋁的活性較高，而鋁是茶葉生長必不可以少的營養(yǎng)元素，保持較低的pH能維持土壤中交換性鋁的有效性，有助于茶葉的生長。在影響土壤pH的因素中，土壤有機質(zhì)和海拔是驅(qū)動pH變化的重要因子，其次是年均降雨量、作物類型、土壤質(zhì)地和土壤類型。但土壤pH是自然因素和人為因素共同影響的結(jié)果，單一因素對土壤pH的貢獻(xiàn)率需要進(jìn)一步深入研究。整體而言，不同地區(qū)自然條件(如氣候、海拔、降雨量、溫度)土壤類型、作物養(yǎng)分管理策略、耕作方式等存在較大差異大，導(dǎo)致土壤對酸堿的緩沖能力不一。因此在生產(chǎn)管理中需要根據(jù)自然條件和作物的生長特性優(yōu)化施肥管理、增施堿性有機物料及土壤改良劑等，使土壤pH維持在適宜范圍內(nèi)，并提高土壤酸緩沖能力，從而提升作物生產(chǎn)力。如Zhang等[46]在福建省典型酸化區(qū)域(蜜柚種植體系)研究發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化60%的氮肥，同時施用石灰，增施鎂肥可以顯著提高土壤pH(提升0.34～1.09個單位)，蜜柚產(chǎn)量提升26.8～34.2%[46]。此外，張思文等[47]在pH僅為3.9紅壤中通過單施石灰發(fā)現(xiàn)可以提升玉米生物量17.1～51.8%。

綜上，本研究主要結(jié)果如下：

1)福建省耕地土壤pH自東南沿海至內(nèi)陸山地地區(qū)呈逐漸降低趨勢，土壤酸化較為嚴(yán)重，酸性土壤占全省耕地面積的69.3%，強酸性耕地土壤主要集中在福建中部地區(qū)；

2)土壤有機質(zhì)含量、海拔高度、年均降雨量、作物類型和土壤質(zhì)地顯著影響土壤pH變化。土壤pH與海拔、降雨量和有機質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。砂土土壤pH顯著高于壤土和粘土；

3)土壤有機質(zhì)和海拔是驅(qū)動土壤pH變化的重要因子，其次是降雨量和作物類型。

因此，在福建耕地土壤管理中要增施石灰、土壤調(diào)理劑等堿性物料，同時加大秸稈還田率，采用測土配方施肥技術(shù)優(yōu)化養(yǎng)分投入，有效地防控土壤酸化，保證土壤可持續(xù)利用。