扬州市耕地土壤pH值30年演变及其驱动因子

毛伟，李文西，高晖，陈欣，姜义，杭天文，龚鑫鑫，陈明，张月平

（扬州市耕地质量保护站，江苏扬州225101）

扬州市耕地土壤pH值30年演变及其驱动因子

毛伟，李文西，高晖，陈欣，姜义，杭天文，龚鑫鑫，陈明，张月平

（扬州市耕地质量保护站，江苏扬州225101）

【目的】土壤pH值是衡量耕地质量的重要指标，开展江苏省扬州市30年来种植制度、耕作制度、施肥、降雨等对耕地土壤酸化影响的研究，为预测和控制土壤酸化提供科学依据。【方法】调查了1984年、1994年、2005年、2014年四个时期耕地土壤pH、成土母质、土壤类型、土壤有机质含量，以及各时期的耕作制度、种植制度、降雨量和施用化肥品种和数量。数据来源于1984年第二次土壤普查的农化样点(4107个)、1994年的土壤普查点(2862个)、2005年土壤养分调查点(4018个)、2014年土壤养分调查点(6009个)，共16996个。参照《中国土壤》对我国土壤酸碱度分级指标将扬州市耕地土壤pH分为5级，分别为Ⅰ级(> 7.5)、Ⅱ级(6.5～7.5)、Ⅲ级(5.5～6.5)、Ⅳ级(4.5～5.5)、Ⅴ级(<4.5)。应用地统计学中克里格法(Kriging)和相关的统计学方法，用ArcGIS10.1、SPSS19等软件进行了数据统计分析。【结果】扬州市1984年、1994年、2005年、2014年土壤pH平均分别为7.51(4107个)、7.07(2862个)、6.83(4018个)、6.74(6009个)；1984～2014年四个时期土壤pH空间分布格局基本不变，即里下河地区>沿江圩区>通南高沙土区>丘陵地区。1984、1994年和2005年，土壤pH以Ⅰ级、Ⅱ级为主，1984年占总面积的90%以上，1994年和2005年占总面积的75%以上；2014年土壤pH空间分布以Ⅱ级、Ⅲ级水平为主，占总面积的65.7%。30年间，土壤pH值下降0～1个单位的面积占总面积的47.2%，下降大于1个单位的面积占总面积的39.3%。前20年土壤pH值下降严重，下降了0～2个单位的面积占80%以上。30年间不同成土母质、土壤类型的整体土壤pH值呈下降趋势，分别下降0.9、0.8个单位；土壤有机质含量的变化与土壤pH变化呈负相关关系，30年间土壤有机质含量平均上升了6.01g/kg，是土壤pH整体呈下降趋势的原因之一；30年间扬州市降水pH值整体呈下降趋势，其中丘陵、沿江地区下降最快，与丘陵、沿江地区土壤pH下降较快是一致的；30年间化肥投入量与土壤pH变化呈高度的负相关，2005年化肥投入量约505300吨，比1984年化肥投入量增加了2.42倍；2005～2014年化肥投入量呈稳定趋势，与30年土壤pH变化趋势是一致的；种植大棚蔬菜的田块土壤pH平均值比周边种植稻麦田块下降1.5～2个单位,表明土地利用类型改变也会影响土壤pH值。【结论】扬州市耕地土壤pH值30年间持续下降，前20年下降幅度较大，后10年渐趋稳定。影响土壤pH值空间分布因子主要有成土母质、土壤类型、土壤有机质含量；影响土壤pH时间分布因子主要有酸雨、施肥及土地利用类型，其中酸雨、施肥是导致土壤酸化的主要驱动因子。

土壤pH；演变；酸雨；施肥；土地利用

土壤pH是土壤最重要的指标之一，其深刻地影响着土壤养分的有效性，也影响有害元素的活性，是大多数作物生长的一个主要环境因子[1]，因此它是土壤化学中最为综合和重要的特征，也是耕地质量评价体系中的重要因子[2–5]。目前，土壤酸化已成为全社会关注的热点，土壤酸化在我国南方已相当严重[6–11]。据相关资料显示，连续施用化学氮肥10～20年，部分耕层土壤pH下降幅度可超过1个单位，且随施氮量的增加而明显增加[12–20]。郭治兴等[7]研究显示广东省在20年多年时间内土壤整体表现为酸化，但空间分布格局基本不变。曾招兵等[8]利用广东省的长期定位试验监测数据，发现1984年以来水稻土整体呈明显的酸化趋势，水稻土pH下降了0.33单位，强酸和酸性土壤的分布频率呈明显的上升趋势。王志刚等[6]通过比较1980年和2003年江苏省土壤pH空间分布图，发现南酸北碱，但局部地区存在较大的变化，总体表现为酸化。邵学新等[9]通过调查和分析江苏省张家港市2004年和1980年的土壤pH，发现自第二次土壤普查以来土壤pH明显下降。扬州市是国家重要的商品粮基地，耕地土壤酸化对粮食安全生产至关重要。30年来种植制度、耕作制度、施肥、降雨等的变化，对耕地土壤酸化产生了什么影响？为此对扬州市耕地土壤30年pH值演变及驱动因子做了系统研究，旨在为预测和控制土壤酸化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

扬州市位于东经119°01′至119°54′、北纬31°56′至33°25′，地处江苏中部，南邻长江，北接淮安，东和盐城、泰州毗连，西与南京市、淮安市和安徽省天长市接壤。境内有长江岸线80.5km，沿江有仪征、邗江、江都三县(市、区)；京杭大运河纵穿腹地，境内全长143.3km，由北向南沟通白马湖、宝应湖、高邮湖、邵伯湖，汇入长江。属于亚热带湿润气候区，四季分明，东、西分别受海洋性气候和内陆性气候的交替影响，季风显著，盛行风向随季节有明显的变化，冬夏冷热悬殊较大；无霜期220多天；雨量充沛，雨热同季，光热水资源较好。可满足小麦、棉花、水稻、各种蔬菜生长，对农业发展极为有利，是国家重要商品粮基地。

扬州市境内地貌类型以平原为主，地势西高东低，地貌类型(图1左)分为里下河洼地、通南高沙土(沿江高沙土)、沿江圩区(滨江圩区)和丘陵(低丘缓岗)四个农业区。成土母质(图1中)分为湖相沉积物、黄泛冲积物、黄淮冲积物、黄土母质、基岩残积物、下蜀黄土、长江冲积物、长江淤积物。土壤类型分为水稻土、潮土、黄棕壤、沼泽土4个土类；根据主导形成过程不同的发育阶段或次要的形成过程细分成11个亚类(图1右)；依据成土母质类型、水文地势条件分成27个土属；依据一米深度的土体层次排列细分为101个土种。

1.2 数据来源与处理

自1984年第二次土壤普查以来，扬州市每5～10年统一组织土壤农化性状的普查，采样时尽可能与第二次土壤普查采样点一致，采样深度为0—20cm。为了达到本研究的目的，本文以1984年第二次土壤普查的农化样点(4107个)为基础，以10年作为一个时间周期来研究耕地主要土壤养分的变化趋势，共选取了1994年的土壤普查点(2862个)、2005年土壤养分调查点(4018个)、2014年土壤养分调查点(6009个)，包含各取样点位的地貌类型、成土母质、土壤类型、质地、施肥情况等土壤属性信息(图2)。

为了增加数据的可比性和可靠性，历次土壤普查的测定方法相同，均采用中国土壤学会编写的《土壤农业化学分析方法》的测定标准[21]。

应用地统计学中克里格法(Kriging)和相关的统计学方法，采用ArcGIS10.1、SPSS19等软件进行数据统计分析。参照《中国土壤》[22]对我国土壤酸碱度分级指标将扬州市耕地土壤pH值分为5级，分别为Ⅰ级(>7.5)、Ⅱ级(6.5～7.5)、Ⅲ级(5.5～6.5)、Ⅳ级(4.5～5.5)、Ⅴ级(<4.5)。

图1 扬州市地貌类型 (左)、成土母质 (中)、土壤 (亚类) 类型 (右)Fig. 1 Soil geomorphic type (left), parent material(middle) and eomorphic type (subgroup, right) in Yangzhou City

图2 历年扬州市土壤养分普查点分布图Fig. 2 Soil sampling sites in the soil surveys in Yangzhou City

2 结果与分析

2.1 不同年份土壤 pH 演变趋势

由表1可见，1984年、1994年、2005年、2014年土壤pH均值分别为7.51、7.07、6.83和6.74，30年间耕地土壤pH呈持续下降趋势，四个时期土壤pH的分布类型均表现为对数正态分布或正态分布，说明四个时期的数据都满足地统计学理论中有关特征假设。1984年至2014年pH平均从7.51减少为6.74，降低了0.77个单位，表明土壤呈酸化趋势。四个时期的土壤pH的变异系数差异不大，变异系数在9.3%～14.0%。

表1 不同年份耕层土壤 pH 值的统计特征值Table 1 Statistical characteristics of soil pH from 1984 to 2014

2.2 不同年份土壤 pH 值空间分布特征

应用Kriging(地理信息系统软件ArcGIS10.3)进行最优内插法，形成了不同年份的土壤pH值分布图(图3)和各级耕地分布面积统计表(表2)。

由图3、表2可知，与1984年相比，1994年土壤pH呈现大幅下降趋势。1994年Ⅰ级的面积为103500hm2，占总面积35.3%，所占比例仅为1984年的50.8%；Ⅱ级的面积为147190hm2，占总面积50.2%，所占比例约为1984年的2倍；Ⅲ级的面积为42727hm2，占总面积的14.6%，所占比例接近1984年的3倍。

2005年土壤pH与1994年相比继续下降。Ⅰ级的面积为92822hm2，占总面积的32.0%，所占比例为1994年90.6%；Ⅱ级的面积为137666hm2，占总面积的46.9%，所占比例为1994年的93.5%；Ⅲ级的面积为460363hm2，占总面积的20.6%，所占比例约为1994年1.5倍。

2014年土壤pH与2005年相比呈持续下降趋势，下降幅度有所减缓。Ⅰ级的面积为98436hm2，占总面积的33.5%，所占比例与2005年基本持平；Ⅱ级的面积为137666km2，占总面积的31.3%，所占比例为2005年66.6%；Ⅲ级的面积为460363hm2，占总面积的34.4%，所占比例超过2005年1.5倍。

2.3 不同农业区土壤 pH 演变趋势

表3统计数据表明，1984～2014年四个时期扬州市不同农业区土壤pH均呈持续下降趋势，而其空间分布格局基本不变，表现为里下河地区>沿江圩区>通南高沙土区>丘陵地区。

为进一步研究区域土壤pH变化趋势，本文对四个时期土壤pH分布图层间进行了图层空间差减提取比较分析(图4、表4)。结果表明，1984～2014年30年间，土壤pH整体呈下降趋势。如图4所示，2014年与1984年相比下降大于1个单位的面积占研究区面积的39.3%，下降0～1个单位占研究区面积的47.2%；研究区土壤pH整体呈下降趋势，其中丘陵地区、通南高沙土区、里下河北部下降较快，沿江圩区、里下河区南部相对稳定。1984～2005年间土壤pH值下降趋势最显著，下降0～2个单位的占研究区面积的80%以上；研究区整体下降明显，其中丘陵地区、通南高沙土区、里下河区下降较快，沿江圩区相对稳定，2005年以后的10年土壤pH呈稳定趋势。

3 讨论

3.1 成土母质对土壤 pH 的影响

土壤母质是形成土壤的物质基础，在生物、气候条件相同的情况下，土壤母质对土壤性质、土壤肥力特征、土壤类型分布起着决定性的作用。本研究区域共有8种成土母质，通过对1984年、1994年、2005年、2014年成土母质之间的比较(表5)可知，成土母质对土壤pH空间分布有很大的影响，碱性基岩母质上发育的土壤pH比酸性基岩形成的土壤高。随着时间的推移，8种成土母质土壤pH含量均呈下降的趋势但下降的速度有所不同，下降最快的是湖相沉积物，30年下降了0.9个单位；其次是下蜀黄土，下降了0.7个单位。长江淤积物、长江冲积物和黄淮冲积物相对变化较小。

3.2 土壤类型对土壤 pH 值影响

研究区土壤类型分为水稻土、潮土、黄棕壤、沼泽土4个土类，水稻土面积最大，占耕地面积的78.24%，共有11个土壤亚类。通过对1984年、1994年、2005年、2014年pH值的对比可知(表6)，不同土壤类型对土壤pH有显著影响，总体呈下降趋势。其中水稻土pH下降幅度最大，平均下降0.8个单位，可见水稻土pH整体下降对扬州市耕地土壤pH 30年整体下降起主导作用，这与王志刚等[6]的研究是一致的。

图3 1984～2014 年扬州市土壤 pH 值分布图Fig. 3 Variation of soil pH from 1984 to 2014 in Yangzhou

3.3 土壤有机质对土壤 pH 的影响

土壤有机质周转和累积是土壤–植物–气候系统中的生态平衡现象，其周转过程是在土壤微生物的参与下进行的，受到各种自然和人为因素的影响。土壤酸碱度是土壤的属性，对微生物数量、种类及其生物活性有重要影响[23–24]，因此土壤酸碱度会对土壤有机质变化产生影响[1,25–28]。研究区30年耕地土壤有机质平均含量(图5)由21.62g/kg上升到27.63g/kg，增幅达27.8%。土壤有机质含量增加促使土壤中的微生物对有机质进行分解，产生的CO2溶于水后形成碳酸使土壤整体酸化。这也是土壤pH30年整体下降的原因之一。30年来土壤有机质变化与土壤pH

变化呈负相关关系，这与朱小琴等[1]及戴万宏等[28]的研究是一致的。

表2 扬州市不同 pH 级别土壤面积在耕地总面积中的百分比Table 2 Percentage of soil area with different pH grades in the total arable land in Yangzhou

表3 扬州市主要农区不同年份土壤 pH 平均值Table 3 Averaged soil pH from 1984 to 2014 in main grain planting areas

图4 扬州市不同时期土壤 pH 变化状况Fig. 4 Variation of soil pH in different periods in Yangzhou

表4 扬州市不同时期土壤 pH 值Table 4 Soil pH in different periods in Yangzhou

表5 不同成土母质下土壤 pH 在 1984～2014 年间的变化Table 5 Variation of soil pH from 1984 to 2014 under different parent materials of soil

表6 土壤 pH 随土壤类型的变化状况 (1984～2014)Table 6 Variation of soil pH as affected by soil subgroups from 1984 to 2014

3.4 酸雨对土壤 pH 值影响

酸雨是引起土壤pH下降的一个重要因素[29]。酸性降雨的酸化作用，在短期内导致土壤潜在酸的增长，经常性的酸雨会导致土壤pH的下降。扬州市2000年开始设立酸雨监测站。通过对2000～2014年降水数据分析(图6)可知，扬州市降水pH值呈下降趋势。丘陵、沿江圩区下降最快，这主要是由于位于仪征境内的扬州化学工业园离丘陵、沿江地区距离较近，其大气污染物主要是氯气、氯化氢等，陆地空气污染对降水pH影响较大[30]，是研究区域中丘陵、沿江圩区土壤pH下降较快的主要因素之一。

3.5 施肥及土地利用类型对土壤 pH 的影响

从图7可以看出，1984年以后扬州市化肥用量持续大幅度增加，2005年化学肥料投入量约505300吨，比1984年化肥投入量增加了2.42倍；2005～2014年后10年化肥投入量呈稳定趋势，2006年化肥投入量达到最大值约521500吨，其中2014年化肥投入量约468900吨，较2005年下降了7.76%。化肥的种类主要为氯化钾、硫酸铵、过磷酸钙等生理酸性肥料，长期大量施用这些酸性肥料会造成土壤pH下降。扬州市30年化肥投入量与土壤pH变化呈高度的负相关，长期过量施用化肥是造成土壤pH全面下降的主要驱动因子。而丘陵地区土壤pH下降较快的主要原因是由于旱地土壤施入过多的化肥后得不到冲洗，致使土壤酸碱度缓冲性能下降，导致土壤酸化的加速，扬州丘陵地区从20世纪80年代开始推广使用低含量的复合肥，到2014年，扬州丘陵地区低含量复合肥的年使用量达到4万吨以上，年均用量超过1000kg/hm2。

扬州市是国家重要商品粮基地。土地利用主要以种植稻麦为主，但近年来全面实行种植业结构调整与优化，大力发展高效农业、特色农业，蔬菜种植面积不断扩大，复种指数也不断增加。据扬州市耕地质量保护的调查与统计，2014年蔬菜种植面积比2005年增加了20.5%，设施蔬菜复种指数高，化肥投入量偏多，据测定种植大棚蔬菜的田块土壤pH平均值比周边种植稻麦田块下降1.5～2个单位，这是导致部分地区土壤pH下降较快的主要因素，这与朱小琴等[1]的研究是一致的。

图5 1984～2014 年土壤有机质平均含量变化Fig. 5 Content variation of soil organic matter in Yangzhou from 1984 to 2014

图6 扬州市 2000～2014 年降雨的 pH 变化Fig. 6 pH of rainfall from 2000 to 2014 in Yangzhou

图7 扬州市 1984～2014 年化肥投入量Fig. 7 Chemical fertilizer input in Yangzhou from 1984 to 2014

4 结论

2014年土壤pH均值6.74，比1984年下降0.77个单位，30年间耕地土壤pH呈持续下降趋势，其中前20年下降较快，后10年呈稳定趋势。2014年土壤pH空间分布以Ⅱ级、Ⅲ级为主，占总面积的65.7%；1994年、2005年土壤pH空间分布都以Ⅰ级、Ⅱ级为主，占总面积的75%以上；1984年土壤pH空间分布都以Ⅰ级、Ⅱ级为主，占总面积的90%以上。30年间土壤pH下降0～1个单位的面积最大，占总面积的47.15%；下降大于1个单位的面积占总面积的39.33%。前20年土壤pH值下降严重，下降了0～2个单位的面积占80%以上，后10年呈稳定趋势。

总之，影响土壤pH时空演变的驱动因子主要有成土母质、土壤类型、土壤有机质、酸雨、施肥等。其中成土母质、土壤类型、土壤有机质含量主要影响土壤pH空间分布；酸雨、施肥及土地利用类型影响土壤pH时间分布，酸雨、施肥是导致土壤酸化的主要驱动因子。

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pH variation and the driving factors of farmlands in Yangzhou for 30 years

MAO Wei,LI Wen-xi,GAO Hui,CHEN Xin,JIANG Yi,HANG Tian-wen,GONG Xin-xin,CHEN Ming,ZHANG Yue-ping
(Station of Land Protection of Yangzhou City, Yangzhou, Jiangsu 225101, China)

【Objectives】Soil pH is an important index to measure quality of cultivated lands.The influence of cropping system,cultivation system,rainfall and fertilization practices on soil acidification over the last30years was investigated.【Methods】This study investigated soil pH,soil parent material,soil type,soil organic matter content in1984,1994,2005and2014,and the cultivation system,cropping system,rainfall,types of fertilizerapplication and their inputs in these years.The data came from16996sampling points in Yangzhou City, including4107agricultural chemical soil samples of the second general soil survey in1984,2862general soil survey points in1994,4018soil nutrients survey points in2005,and6009soil nutrients survey points in2014. Referencing to Chinese Soils,we classified the soil pH into five grades:Ⅰ(>7.5),Ⅱ(6.5–7.5),Ⅲ(5.5–6.5),Ⅳ(4.5–5.5),andⅤ(<4.5).The method of Kriging and relevant statistical methods in geostatistics were used in this study,and ArcGIS10.1and SPSS19were used as tools for analyzing data.【Results】The results showed that the average soil pH was7.51,7.07,6.83and6.74respectively in1984,1994,2005and2014.The spatial distribution of pH in the four periods was relatively constant,i.e.Lixiahe area>Yangtze River diked area>Sandy soil area in Tongnan>Hilly region.In1984,1994and2005，the soil pH mainly belonged to Grade Iand II,which accounted for more than90%of total area in1984and decreased to75%in1994and2005;in2004,the soil pH mainly belonged to GradeⅡandⅢ,which accounted for65.7%of total area.In30years,soil pH was significantly decreased,47.2%areas decreased by0–1unit and39.3%areas decreased by more than1unit.In the first20years,soil pH was obviously declined and over80%area soil pH declined by0–2units.The overall soil pH of different soil parent materials and soil varieties decreased by0.9unit and0.8unit,respectively. There was anegative correlation between changes of soil organic and pH.The average content of soil organic matter was increased by6.01g/kg,it was one of the reasons for the decrease of soil pH as awhole.The pH value of the rainfall in this city decreased,especially rapid for the hills and areas alongside the river.This was consistent with the view of rapid decline of soil pH in hills and areas alongside rivers.The input of chemical fertilizer was negatively correlated with the change of soil pH.In2005,the input of chemical fertilizer was about505300tons,increased by2.42times comparing with the input in1984.From2005to2014,the input of chemical fertilizer showed asteady trend,which was consistent with the trend of soil pH in these30years.The average soil pH in vegetable protected house was lower than that in the surrounding wheat field by1.5–2units, which indicated that the types of land use also affected soil pH.In general,the influencing factors were land use types and soil parent materials,and the factors of influencing temporal distribution of pH were fertilization and acid rain.Both acid rain and fertilization were the important driving factors of soil acidification.【Conclusions】The arable land soil pH in the study area showed an acidification tendency during1984–2014. The spatial distribution of soil pH in the study area was mainly influenced by the parent materials of soil,soil types,content of soil organic matter,and the temporal distribution of soil pH in the study area was influenced by acid rain,fertilization and land use type.Acid rain and fertilization were the main factors causing soil acidification.

soil pH;change;acid rain;fertilizer application;land use

2016–11–22接受日期：2017–03–21

国家重点研发计划（2016YFD0201303）；农业部测土配方施肥补贴项目（2005～2015年）；公益性行业（农业）科研专项项目（201403014-2）；江苏省科技支撑计划（农业）项目（BE2016344）资助。

毛伟（1983—），男，江苏兴化人，硕士研究生，农艺师，主要从事耕地质量保护技术研究与推广工作。

Tel：0514-87346579，E-mail：maowei918@163.com