近30年珠江北江上游土壤表层pH时空变化研究——以翁源县为例

张正栋, 杨春红

(1.华南师范大学地理科学学院，广州 501631；2.惠阳中山中学，惠州 516211)

土壤是农作物种植发展的基础，随着人口迅速增长、工业化和城市化的步伐加快，区域人口-资源-环境之间的矛盾越显突出[1]，土壤资源的数量逐渐减少[2]，促使土地质量的保持及提高更显重要.土壤质量是土壤的物理、化学和生物学性质，以及形成这些性质的一些重要过程的综合体[3].随着环境问题增多，土壤酸化问题的研究也越来越受重视[4].土壤pH是反映土壤活性酸的重要指标，对土壤有效养分有重要的影响；土壤pH不同，其供肥和植物的生长发育状况存在差异[5].土壤酸化不仅使土壤中营养元素流失， 而且使土壤中各种金属和重金属化合物的溶解度增加，加大重金属元素对环境的危害，致使土地质量持续恶化[6]，研究土壤pH时空特征，了解区域土壤酸度结构及其酸化状况有助于土壤质量及结构的保持和优化，为区域农业可持续发展提供参考.基于县域的农业土壤表层pH的研究更是丰富了土壤研究等相关领域的案例.

地处珠江流域北江上游粤北山区的翁源县，是广东省的农业大县，长期的农业活动改变了土壤的质量状况.本文基于1982—1984年翁源县第2次土壤普查数据、2007—2008年的翁源县农业测土配方施肥土壤采样数据及2011年研究组实地采样调查数据，借助excel 2010、spss 18.0统计及arcgis 9.3等相关软件，探讨近30年来翁源县土壤表层(深度为0～20 cm)pH的时空变化特征及其影响因素，以期为翁源县工农业可持续发展提供决策参考.

1 研究区域概况

北江是珠江三大支流之一，主流浈水发源于江西省信丰县，西南流，在广东韶关与发源于湖南省的武水交汇后称北江.源于广东省翁源县的滃江是北江主要支流(图1).翁源县位于韶关市东南部，东与连平县相连，南与新丰县交界，西与英德市、曲江区接壤，北与始兴县、江西省毗邻，东经113°39′2″至114°18′5″，北纬24°07′30″至24°37′15″.辖7镇1场156村委会，总面积2.22×105hm2，其中耕地面积1.9×104hm2，有林地面积1.63×105hm2.属中亚热带季风气候，以山地和盆地为主，山地面积约占全县总面积80%，地层发育较为完整，自老到新地质年代有前泥盆系、泥盆系、石炭系、上三叠系、下侏罗系、上白垩系、第三系和第四系.由于自然环境复杂，成土母质多样，土壤类型也丰富.除水稻土等人为土壤外，主要土壤类型包括黄壤、红壤、赤红壤、红色石灰土、黑色石灰土、紫色土等(来源于翁源县志).

近年来翁源县加快发展速度，扩大工业总量，已引进水泥、金属等多种项目；注重培育第三产业，积极发展九曲水生态旅游度假村等生态旅游；继续加快农业发展步伐，打造三华李、九仙桃等农业特色品牌；加大城镇建设投入，完善道路交通状况改善城乡面貌.2011年，翁源县全年地区生产总值50.1亿元，比上年增长15.1%，其中农业总产值24.89亿元，产值占总产值的近一半(来源于翁源县国民经济和社会发展报告).

图1 翁源县区位图

2 数据来源和研究方法

2.1 基础图件和数据

基础图件包括广东省1∶5万土壤类型图、翁源县行政区图等在arcgis 9.3中生成翁源县的土壤类型(图2).

图2 翁源县土壤类型图

研究数据主要来自：(1)翁源县第2次土壤普查成果——《广东省翁源县土壤普查报告书》(1982—1984年，下称“1982年”)中的 84 个典型土壤剖面数据，包括土壤剖面表层的pH、各土种面积、样点位置等数据.(2)翁源县农业部门为测土配方施肥项目土壤采样数据(2007—2008年，采样深度为 0～20 cm).(3)2011年研究组针对典型农业区的土壤进行实地土壤采样及其检测数据和农户访问资料.本研究从测土配方数据中选取与第2次土壤普查数据样点相近的样点土壤pH等属性数据，部分特殊点采用2011年采样检测数据(数据年份以2011年简称)(图3).

图3 翁源县采样点分布

2.2 数据处理与研究方法

首先，利用spss 18.0对1982年和2011年土壤表层pH数据进行简单的统计分析，分析其平均值、极值、变异系数等属性.其次，在arcgis 9.3中进一步对数据进行统计分析，实现普通克里格插值，将数据落实到空间上.第三，根据土壤类型，通过该土种占土属的面积比例为权重求出相应土属的表层pH，以此类推，计算出土壤亚类、土壤类型及全县土壤表层pH平均值.同理，根据第2次土壤普查土地利用分类，计算出山地、旱地和水田不同土地利用结构pH的平均值.

pH分级采用第2次土壤普查中的分级方法，将土壤分为6级：强酸性(<4.5)、酸性(4.5～5.5)、微酸性(5.5～6.5)、中性(6.5～7.5)、微碱性(7.5～8.5)和碱性(>8.5)[2, 7].

3 结果与分析

3.1 土壤酸度结构及其变化

1982年和2011年土壤酸度结构如图4所示.1982年，pH<4.5的样点仅2.4%，比例最小；pH4.5～5.5的样点占35.3%，pH5.5～6.5的样点占36.5%，两者合计达72%的比例；pH6.5～7.5的样点所占比例为14.1%，pH7.5～8.5的样点所占比例为10.6%，pH>8.5的样点仅占1.2%.2011年，全部样点pH均在4.5～8.5，pH4.5～5.5的样点占44.7%，pH5.5～6.5的样点占44.7%，两者合计达90%；pH6.5～7.5的样点所占比例为7.1%，pH7.5～8.5的样点所占比例为3.6%. 2011年研究区土壤表层pH比1982年更加集中于酸性和微酸性2个级别，强酸性和碱性2个级别的比例较小且减小到0，说明30年来研究区土壤酸度结构有所改善.其次，酸性和微酸性比例上升，中性和微碱性比例下降，从数据结构上反应了研究区土壤有酸化的趋势.

图4 土壤酸度结构

在spss 18.0中对土壤表层pH进行常规统计分析(表1).1982年pH变化范围为3.7～9.0，平均值为5.99；2011年pH变化范围为4.9～8.2，平均值为5.66；从平均值的角度比较，30年来的土壤pH有所下降，即有轻微的酸化.从变异系数比较，1982年和2011年pH变异强度均较大，说明研究区内pH分布不均匀，且空间分布差异增大.

3.2 时空分布特征

在arcgis 9.3中进行普通克里格插值，结果如图5、6所示.1982年翁源县pH总体东高西低，以龙仙镇为最高中心区并以官渡镇为次一级高值中心；到2011年，则呈现南高北低的形势，以官渡镇南部为最高级中心并以龙仙镇为次一级中心.由此可见30年来官渡镇和周陂镇土壤表层酸化现象有所改善，而龙仙镇则有酸化的趋势.研究区大部分范围土壤表层为酸性和微酸性，且这2个酸度级别所占面积明显增加.尤其是翁城镇和新江镇南部的部分地区，从微酸性变为酸性，酸化现象明显.从空间上反应出研究区酸化的范围有扩大的趋势.

表1 翁源县表层土壤pH统计特征Table 1 Statistical characteristics of soil pH in Wengyuan County

图5 1982年翁源县表层土壤pH

图6 2011年翁源县表层土壤pH

3.3 不同类型土壤及土地利用的土壤表层pH及其变化

以各样点土壤类型面积占总面积的比重为权重，计算出1982年和2011年翁源县土壤类型表层土壤的pH平均值及其变化量(表2).1982年各土壤类型中pH最高为红色石灰土(pH 7.03)，其次是菜园地和潮砂泥土；最低的是赤红壤(pH 4.47)，其次是黄壤.2011年各土壤类型中pH最高为紫色土(pH 5.96)，其次是黑色石灰土和菜园地；最低的是赤红壤和黄壤. 30年来水稻土、菜园地、潮砂泥土有酸化的趋势，而黄壤、红壤、赤红壤、紫色土pH有所上升.其中变化量较大的是红色石灰土(-1.43)，水稻土次之(-0.48).

表2 翁源县不同类型土壤pHTable 2 pH value of different kinds of soil in Wengyuan

以各土地利用类型面积占总面积的比重为权重，计算1982年和2011年翁源县山地、旱地和水田土壤表层的pH平均值及其变化量.30年来山地pH由4.82到5.06升高了0.24，酸化现象有所改善.旱地和水田pH由6.12到5.7和6.07到5.6分别下降了0.42和0.47，均有明显的酸化趋势.

4 翁源县土壤表层pH时空变化的影响因素

土壤在一定的成土因素作用下都具有一定的酸碱度范围，随着成土因素的改变，土壤的pH也发生相应的变化.自然因子对土壤的影响是长期复杂的过程，是影响pH的基础性因素，也是大范围土壤pH分布规律形成的主导因素；人为因子对土壤pH的影响是相对短期、快速的，而且对土壤pH的影响一般是局部的[8].总之，自然因素是决定区域土壤pH空间分布的主要因子，而人为活动则是一定时期内影响区域pH变化的主要因子.在特定的农业区，自然因子和人为因子长期对土壤产生综合的影响，而在一定时期，某些因子往往会成为影响土壤pH的主导因素[8].自然因子包括土壤类型(成土母质)、地形、气候和植被等因素，其中土壤类型是与土壤pH密切相关的.人为因子方面，目前多数研究主要探讨农业施肥措施、土地利用方式、工业化及城市化等因素.另外，也有不少研究涉及到土壤元素[3]和酸雨[8]对土壤酸化的影响.本文结合研究区的特殊情况分别从土壤类型、土地利用方式、农业施肥措施等方面探讨30年来影响翁源县土壤表层pH时空变化的主要因素.

4.1 土壤类型多样

由于自然环境复杂，成土母质多样，翁源县土壤类型丰富，主要有黄壤、红壤、赤红壤、红色石灰土、黑色石灰土、紫色土及水稻土等.黄壤分布于海拔700 m以上的中山中上部和低山上部，湿度大，盐基饱和低，富铝化作用较弱，酸性较强.红壤分布于北部红壤区海拔700 m以下和南部赤红壤区海拔400～700 m的山区，多含铁、铝成分，酸性强.赤土壤土层深厚，有机质层中等疏松，速效磷钾缺乏，酸性.红色石灰土有机质厚度中等，疏松，质地为中壤，碱性.黑色石灰土由石灰岩风化发育而成，中性.紫色土由紫色土砂页岩风化发育而成，分为酸性和碱性两类.水稻土有机质、氮、磷含量较高，但耕层浅薄，缺钾，偏酸.本研究计算的1982和2011年翁源县各土壤类型土壤表层酸碱度显示，水稻土呈微酸，黄壤、红壤、赤红壤均为酸性，红色石灰土为中性，黑色石灰土和紫色土为微酸性.计算结果所评价的土壤酸碱度级别基本上与各类型土壤酸碱度相符合，在一定程度上反映了土壤类型对土壤酸碱度级别的决定性作用，翁源县土壤类型对其土壤表层pH起着基础性的作用.

4.2 农业施肥措施增加

土壤长期使用大量的化肥，对土壤pH影响较大[9-10].化肥尤其是氮肥的广泛施用及使用量的连年增加是导致土壤pH大范围下降的主要原因[11].

根据《广东省翁源县土壤普查报告书》，1982年翁源县农业施肥主要为牛猪等粪便有机肥料，化肥施用量较少.《广东省翁源县国民经济统计资料》(1991年、2001—2009年)记录1991年以来翁源县化肥施用量(图7).30年来翁源县农业施肥化肥用量从上世纪80年代开始少量施用，随后施用量连年增加，尤其是上世纪90年代出现大幅度增加的情况，1991—2001年10年间化肥使用量增加了近2 500 t.相比之下2001—2009年化肥施用量则逐年稳定增加，增加量不大.2011年的土壤采样及农户调查资料显示，翁源县化肥主要是氮肥、钾肥、磷肥及复合肥等品种.化肥尤其是氮肥进入土壤后，被作物选择性吸收，并残留大量H+，当H+富集到突破土壤自身的缓冲能力时，土壤pH就表现为降低[11].农业种植活动主要作用于土壤表层，即耕作层，因此，农业施用的化肥也主要是土壤耕作层.翁源县化肥的使用范围逐渐扩大及使用量连年增加是导致土壤表层酸化和土壤酸性和微酸性级别范围扩大的原因之一.

图7 1991—2009年翁源县农业化肥施用量

Figure 7 Agricultural fertilizer of Wengyuan County from 1991 to 2009

4.3 土地利用方式

除了农业活动对土壤pH有影响外，大量的研究表明工业化和城市化及农业内部活动的改变等原因导致的土地利用和土地覆盖变化对土壤pH也有一定的影响.工厂排放酸性废弃物可以导致土壤pH下降，城市建筑水泥、石灰残渣等建筑充填物、煤灰等碱性垃圾物质进入土壤也可能导致土壤pH升高，长期的农业活动可能导致pH下降[12].也有相关研究报道，茶园土壤酸化比较突出[13],自然生草不同生长阶段对土壤pH有不同的影响[14].翁源县主体功能区划报告显示，翁源县第一产业主要集中北部和中部江尾镇、北部的新江镇和坝子镇，江尾镇农业产值最大，坝仔镇有较大规模的茶园种植、加工厂.翁源县第二产业分布主要以翁城为中心，在翁源西部形成了新兴工业发展中心，已有化工厂、水泥厂、危险品处理中心等工业项目.另外，相关研究报道翁源县北部在新江镇上坝村等地方受大宝山酸性矿水的污染比较突出[15-16].而本研究的关于土壤pH空间分布图显示，翁源县土壤pH总体呈现东高西低，南高北低的趋势，且30年来本部地区酸化现象比较突出，与翁源县工农业布局及其变化趋势相符合.在北部尤其是茶园地区的东北部和工业园区迅速发展的西北部地区土壤pH较低且酸化现象明显.在粤北工业重镇官渡镇，随着开发区的建设，城市化发展迅速，建筑废弃水泥、砖块等和其他碱性物质进入周围土壤后释放其所含的Ca，经过一系列反应后最终可能导致土壤pH升高[2]，这是导致翁源县西南部翁城镇土壤pH升高的原因之一.

此外，也有不少研究探讨酸雨与土壤酸化的关系[17-18]，认为酸雨是导致土壤酸化的主要原因之一.而据翁源县环境质量报告显示，2005年以来翁源县降水pH虽然持续下降，从2005年的6.55下降到6.05，均在6.05以上，不属于酸雨定义范围，而且酸雨的频率保持在2.3%左右，即酸雨现象暂不明显.所以本文暂不探讨酸雨与土壤酸化问题.

5 结论

土壤酸化是土壤退化的表现之一，影响土壤肥力状况，也影响作物正常生长.研究土壤pH时空变化特征，及时掌握农业土壤酸度，可为农业可持续发展提供参考.本文结合数据分析和地理信息系统空间分析手段，分别从土壤表层酸碱度级别、土壤类型、土地利用类型等多个角度来分析研究区土壤pH的时空分布特征规律，再从土壤类型、土地利用方式、农业施肥措施等多方面分析影响土壤pH的因素.翁源县土壤表层pH总体南高北低、东高西低，总体有酸化的趋势.30年来水稻土、菜园地、潮砂泥土有酸化的趋势，而黄壤、红壤、赤红壤、紫色土pH有所上升，旱地和水田均有酸化的趋势.关于土壤酸化对工农业可能造成的影响极其影响情况是接下来可以进行探讨的问题.

参考文献：

[1] 蒋勇军，袁道先，章程，等. 典型岩溶农业区土地利用变化对土壤性质的影响——以云南小江流域为例[J]. 地理学报,2005, 60(5): 751-760.

Jiang Y J, Yuan D X, Zhang C, et al. Impact of land use change on soil properties in a typical Karst Agricultural Region:A case study of Xiaojiang Watershed,Yunnan[J]. Acta Geographica Sinica, 2005, 60(5): 751-760.

[2] 郭治兴，王静，柴敏，等. 近30年来广东省土壤pH值的时空变化[J]. 应用生态学报, 2011, 22(2): 425-430.

Guo Z X,Wang J,Chai J,et al.Spationtemporal variation of soil pH in Guangdong Province of China in past 30 years[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2011,22(2): 425-430.

[3] 余涛，杨忠芳，唐金荣，等. 湖南洞庭湖区土壤酸化及其对土壤质量的影响[J]. 地学前缘, 2006, 13(1): 98-104.

Yu T,Yang Z F,Tang J R,et al.Impact of acidification on soil quality in the Dongting Lake region in Hunan Province[J]. Earth Science Frontiers, 2006,13(1):98-104.

[4] 刘付程，史学正，于东升. 近20年来太湖流域典型地区土壤酸度的时空变异特征[J]. 长江流域资源与环境, 2006, 15(6): 740-744.

Liu F C,Shi X Z,Yu D S.Spatial and temporal variability of soil acidity in typical areas of Taihu lack region in the last 20 years[J].Resources and Environment in the Tangtze Basin, 2006, 15(6): 740-744.

[5] 师刚强，赵艺，施泽明，等. 土壤pH值与土壤有效养分关系探讨[J]. 现代农业科学,2009，16(5): 93-94.

Shi G Q,Zhao Y,Shi Z M,et al.Soil pH value and to explore the relationship between soil nutrient[J].Modem Agricultural Sciences,2009,16(5): 93-94.

[6] 杨艳，王昌全，李冰，等. 土壤酸化与土地资源可持续利用研究[J]. 安徽农业科学, 2006, 34(16): 4047-4048;4050.

Yang Y, Wang C Q, Li B, et al. Soil acidity and sustainable utilization of land resource[J].Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2006, 34(16): 4047-4048;4050.

[7] 刘丽，张玉龙，虞娜，等. 基于Gis的辽宁北部地区土壤酸化特征及其原因分析——以昌图县为例[J]. 沈阳农业大学学报,2012,43(2): 173-178.

Liu L,Zhang Y L,Yu N,et al.Soil acidification characterics and causes analysis in Changtu Region in Liaoning Province[J].Journal of Shenyang Agricultural University,2012,43(2):173-178.

[8] 王磊，傅桦，杨伶俐. 北京城区土壤pH分布研究[J]. 土壤通报,2006, 37(2): 398-400.

Wang L,Fu Y,Yang L L.Distribution of soil pH in Beijng Urban area[J].Chinese Journal of Soil Science,2006, 37(2): 398-400.

[9] 王长松，陈莉萍，孔祥英，等. 仪征市30多年来土壤pH值时空变化趋势及原因分析[J]. 江苏农业科学, 2007(3): 223-224.

Wang C S, Chen L P, Kong X Y, et al.Spatial and temporal distribution of pH value in soil over the last 30 years of Yizheng, Jiangsu Province[J]. Jiangsu Agricultural Sciences,2007(3): 223-224.

[10] 肖辉，潘洁，程文娟，等. 不同有机肥对设施土壤全盐累积与pH值变化的影响[J]. 中国农学通报,2014,30(2):248-252.

Xiao H, Pan J, Cheng W J, et al. Effect of organic fertilizer on soil salt accumulation and pH changes in greenhouse[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2014,30(2):248-252.

[11] 刘付程，史学正，于东升. 近20年来太湖流域典型地区土壤酸度的时空变异特征[J]. 长江流域资源与环境, 2006, 15(6): 740-744.

Liu F C,Shi X Z,Yu D S.Spatial and temporal variability of soil acidity in typical areas of Taihu lack region in the last 20 years[J].Resources and Environment in the Tangtze Basin, 2006, 15(6): 740-744.

[12] 朱小琴，孙维侠，黄标，等. 长江三角洲城乡交错区农业土壤pH特征及影响因素探讨——以江苏省无锡市为例[J]. 土壤学报, 2009,46(4): 594-602.

Zhu X Q,Sun W X,Huang B,et al.pH characters of agricultural soil in peri-urban areas of the Yangtze River delta region and their affecting factors:A case study of Wuxi City,China[J].Acta Pedologica Sinica,2009,46(4): 594-602.

[13] 张倩，宗良纲，曹丹，等. 江苏省典型茶园土壤酸化趋势及其制约因素研究[J]. 土壤, 2011, 43(5): 751-757.

Zhang Q,Zong L G,Cao D,et al.Study on soil acidification and its restrictive factors of typical tea garden in Jiangsu Province[J].Soils, 2011, 43(5): 751-757.

[14] 梁博文，刘成连，王永章，等. 黄河三角洲梨园自然生草对土壤pH的影响[J]. 中国农学通报, 2014, 30(1): 143-148.

Liang B W,Liu C L,Wang Y Z,et al.Effects of natural cover grass in Pear Orchard on soil pH in Yellow River Delta[J].Chinese Agricultural Science Bulletin，2014,30(1): 143-148.

[15] 周建民，党志，司徒粤，等. 大宝山矿区周围土壤重金属污染分布特征研究[J]. 农业环境科学学报, 2004, 23(6): 1172-1176.

Zhou J M, Dang Z, Situ Y, et al. Distribution and characteristics of heavy metals contaminations in soils from Dabaoshan Mine area[J]. Journal of Agro-Environment Science,2004, 23(6): 1172-1176.

[16] 邹晓锦，仇荣亮，周小勇，等. 蔬菜重金属暴露接触对大宝山矿区及周边居民的健康风险[J]. 地理研究,2008, 27(4): 855-862.

Zhou X M,Qiu R L,Zhou X Y,et al.Health risk of heavy metals to inhabitants around mine contaminated areas via consumption of vegetables[J].Geographical Reasearch,2008, 27(4): 855-862.

[17] 凌大炯，章家恩，欧阳颖. 酸雨对土壤生态系统影响的研究进展[J]. 土壤, 2007,39 (4): 514-521.

Ling D J, Zhang J E, Ouyang Y. Advancements in research on impact of acid rain on soil ecosystem: A review[J]. Soils,2007,39(4): 514-521.

[18] 杨林. 基于Gis技术的亚热带不同区域耕地土壤酸化及其差异研究[D]. 福建农林大学硕士学位论文, 2012.

Yang L. Studies on the acidification level and difference of farmland soil in different subtropical area based on GIS technology[D]. A Master’s Degree Thesis of Fujian Agriculture and Forestry University,2012.