南阳盆地土壤酸化风险防控分区研究

张鹏伟，田夏，费宇红,*，李亚松，刘雅慈，韩春建，张丽娟

1. 中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄 050061

2. 中国地质调查局/河北省地下水污染机理与修复重点实验室，石家庄 050061

3. 河南省资源环境调查五院，郑州 450000

土壤酸化是指土壤的盐基饱和度降低，交换性酸不断增加，导致土壤pH值降低的过程[1-2]。随着近几十年人类活动强度的增加，我国农田土壤酸化问题日益严重，土壤酸化降低土壤微生物数量，影响农作物根部生长发育，导致农作物产量降低甚至绝收，严重影响农业生产[3-5]；有研究表明，氮和硫的酸沉降会降低物种多样性，破坏自然生态环境[6-7]。因此，分类、分级地进行土壤酸化监管工作，构建土壤酸化风险防控评价体系，并针对不同分区提出对应的防控治理策略，对于因时、因地制宜治理土壤酸化问题具有重要意义[8]。

南阳盆地是国家重要的粮食主产区，我国商品粮、棉、油和烟的集中生产基地，素有“中州粮仓”之称。2018年土地质量地球化学调查显示，按照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)[9]土壤酸碱度分级评价标准，南阳盆地大面积表层土壤呈酸性-强酸性，酸性土壤面积占调查区面积的60.68%，强酸性占33.67%；中性-碱性土壤仅在城区少量分布。而据20世纪80、90年代我国农业部门开展的第二次土壤普查结果可知，研究区表层土壤大面积呈中性，部分区域分布酸性和碱性土壤，平均pH为7.0左右。近30年来，南阳盆地表层土壤酸化趋势明显，特别是农田区pH平均降低近2个单位(图1)。然而，目前针对南阳盆地土壤酸化的研究主要集中于土壤酸碱度特征及酸化趋势分析[10-11]，亟待提出行之有效的土壤酸化风险评估方法并建立土壤酸化预防控制技术体系[12-13]。

图1 第二次土壤普查(a)和2018年(b)研究区土壤酸碱度分布图

国内外有关土壤环境污染管控区划的方法众多，主要有线性回归和判别分析[14]、模糊聚类分析[15]、指数评价法[16]、空间统计法[17]和机器学习[18]等方法。这些成果丰富了土壤环境的区划和风险评估方法，但未见可用于评价区域尺度农田土壤酸化模型的相关报道[19]。本文选取南阳盆地作为研究对象，依托地理信息系统(GIS)建立土壤酸化风险评价体系，采用网格剖分及空间插值方法对研究区内各指标属性进行叠加分析，划分土壤酸化风险防控等级，并针对不同酸化等级提出防治策略。本研究结果能够为该地区表层土壤酸化防控治理以及农业生态环境保护提供科学依据，同时对于丰富土壤环境风险评估研究手段具有重要意义[20]。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 研究区概况

研究区地处河南省南阳盆地，群山拱卫，为中国腹心地带(图2)，东为桐柏山，西依秦岭，北为伏牛山，南部为大巴山余脉，研究区境内西、北、东三面为山地和丘陵，中南部为冲积平原，地势由北向南微倾。该地区属暖温带大陆性季风气候，具有由温带向亚热带过渡的特点，四季分明，季风进退与四季交替明显，是河南省内比较稳定的暖温区和湿润区。全区年平均气温14～15.8 ℃，年平均降水量为795 mm，集中降水期为6～9月，占年降水量的70%左右。南阳盆地是南水北调中线工程水源地和渠首所在地，境内河流众多，主要河流有唐河、白河、湍河、刁河和灌河等。

图2 研究区地理位置及采样点分布图

研究区浅层地下水含水层(组)由全新统、上更新统冲积层及中更新统冲洪积层组成，含水层厚度6～54 m，含水层东厚西薄、南厚北薄。含水层颗粒自西向中部和南部由粗变细，从河漫滩到二级阶地后缘由粗砂和砾石渐变为中细砂。垂直方向上，上部全新统和中部中更新统的冲洪积层，结构较密实，且含泥量多(一般为10%～30%)，颗粒级配较为均一。研究区内土壤类型以黄褐土、砂姜黑土和灰潮土为主，石灰性砂姜黑土有少量分布，粗骨土在研究区北部的山前地带零星分布，区内表层土壤pH总体偏低，平均值为5.34，最小值为4.02[21]。

1.2 数据来源

中国地质调查局2016—2018年在南阳盆地开展了土地质量地球化学调查，利用表层土壤地球化学测量手段，以农耕区为重点，对南阳盆地进行土地质量初步评价。样品采集严格按照《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)[22]网格化采集土壤样品，土地调查面积达12 400 km2，每单位面积(1 km2)用土铲采集1件表层样品(图2)，取样深度为0～0.2 m，样品质量约为1 kg，共收集表层样品12 692件，并按每4 km2对土壤样品均匀混合后进行测试分析，以减少土壤的不均匀性，土壤样品由河南省岩石矿物测试中心承担测试。

2013—2014年在南阳盆地完成了地下水污染调查评价，地下水样品按照瞬时采样法采集，并采用德国WTW Multi 340i便携式多参数水质测试箱现场测试包括pH在内的6种物理化学指标，共采集78组浅层地下水样品(图2)。

1.3 表层土壤酸化风险防控模型的建立

本文参考土壤侵蚀风险评估方法[23]和地下水污染预警指标体系[24]，采用综合指数评价方法，建立综合评估土壤酸化风险的防控指标体系。用指数R表示各个因素对土壤酸化的总体影响，R的具体表示如下：

(1)

式中：R为评价表层土壤酸化风险程度的综合指数；wi为第i个指标的相对权重；ri为第i个指标引起土壤酸化的风险度；n为指标因子的总数。

1.3.1 评价指标体系的确定

评价研究区表层土壤酸化风险的关键之一在于指标因子的选取，指标选取的是否合理直接影响区域划分结果和评价结论[25]。本文基于国内外土壤酸化评价的相关文献，选取出现频度较高的指标因子，结合南阳盆地土壤特征及水文地质条件[26]，从水土污染协同防控的角度出发，按自然地理条件、土壤条件和水文地质条件3个方面，将地貌类型(R1)、土地利用类型(R2)、土壤类型(R3)、土壤pH(R4)、包气带岩性(R5)、含水层富水性(R6)、地下水硝酸盐含量(R7)和年降水量(R8)8个指标作为研究区土壤酸化评价因子，构建成土壤酸化风险评价指标体系(表1)。

表1 土壤酸化风险评价指标体系

本文采用相关标准法[27]参考土地质量地球化学评价规范、含水层富水性等级标准和地表水环境质量标准分别对土壤pH、含水层富水性以及地下水硝酸盐含量进行量化分级。酸雨作为区域酸沉降的常见形式，是影响区域表层土壤酸化的重要因素，南阳地区近年来降水的平均酸性虽然在逐步减弱，但酸雨频率仍在20%～30%[28]，以下利用年降水量作为评估南阳盆地区域酸沉降强度的代表指标。

指标体系中各评价指标的评分范围为1～10分，对土壤酸化影响越大，敏感性越高的因子，指标评分越高，对于同一指标，评分高低只代表相对风险，不存在计算关系。评分标准取值需结合研究区野外实际调查情况，由专家集体根据经验进行打分。

1.3.2 利用层次分析法确定权重

层次分析法(analytical hierarchy process, AHP)是一种将定性问题定量化解决的决策评价方法[29]，该方法在解决内部由相互关联、相互制约的众多因子所组成的复杂结构问题中具有十分广泛的应用[30-31]。层次分析法基于专家意见，利用1～9标度方法，对同一层次内的指标两两比较，将各判断要素之间的差异数值化，从而获得各评价指标的权重，是一种系统、灵活和简洁的主观赋权法[32]。利用层次分析法确定评价指标权重的主要过程及结果如下。

根据专家打分构造判断矩阵，判断矩阵中aij代表ai相对于aj的重要性，判断结果如表2所示。

为确保各指标因子重要度之间的协调性，避免出现自相矛盾的情况，需对判断矩阵进行一致性检验。由判断矩阵计算可得最大特征值λmax为8.4905，根据一致性指标CI(consistency index)计算公式：

(2)

可得CI为0.0701，当CI等于0时，代表判断矩阵具有完全一致性，CI值越小，判断矩阵的一致性越高。由表2可知对于8阶矩阵，平均随机一致性指标RI为1.41，计算一致性比例CR=CI/RI=0.0497<0.1，认为判断矩阵具有满意的一致性，评价指标的权重分配合理。由满足条件的的判断矩阵得到的最大特征根所对应的特征向量即为各评价指标的权重(表3)。

表2 土壤酸化风险评价指标综合判断矩阵

表3 层次分析法(AHP)确定的权重表

2 结果(Results)

2.1 各评价因子分布特征

利用Arcgis10.8软件将调查数据整理与绘图(图3)。

研究区周围为呈半环状结构的台地和低山丘陵，区内地貌类型主要是规模较大的洪积平原及在其间沿河流分布的河谷平原(图3(a))，区内大小河流纵横交错，地表起伏形态复杂；区内土地利用主要为旱地及水浇地，分别占研究区面积45%和35%，林地及裸地分布在山前地带，城镇区域为建设用地(图3(b))。

灰潮土沿河流两岸呈带状分布(图3(c))，土壤密度为1.31 g·cm-3，土壤有机质、氮和磷含量较低，但钾较丰富，为20～25 g·kg-1，灰潮土普遍呈酸性，在研究区各土壤类型中pH平均值最低，为5.22。黄褐土和砂姜黑土为主要土壤类型，土壤密度均为1.33 g·cm-3，有机质和钾含量较低，氮和磷含量约为1 g·kg-1，pH平均值分别为5.28和5.47；各县(县级市、区)pH值相差不大，最低的为唐河县，pH平均值为5.05，镇平县pH平均值最高，为6.01(图3(d))。

图3 各评价指标分布特征

2.2 土壤酸化风险评价结果

根据1.3.2确定的权重计算各地土壤酸化风险防控指数R，并按照得分将南阳盆地划分为8个土壤酸化风险防控等级(表4)，其中，指数R得分越高，表明该地区土壤酸化越严重或者具有更高的酸化风险，在防控规划中更应该被重视。

南阳盆地表层土壤酸化风险防控分区结果如图4所示，高风险和中高风险区域共占研究区面积的48.1%，集中在邓州市、新野县、宛城区、唐河县、桐柏县和泌阳县，具有明显的沿河道分布的特点，这与评价指标中所占权重较高的土壤类型中灰潮土的分布特征具有相似性，灰潮土中有机碳含量相对较低，在经过排水、晒垡后，土壤中的硫化物可被氧化成硫酸，使土壤pH急剧下降，造成该区域酸化风险较高。中低风险和低风险区中多为人口较为集中的城区，由于建筑物、水泥、砖块和其他碱性混合物的释放，大量含碳酸钙和碳酸镁的灰尘沉降，对于土壤酸化具有抑制作用，风险防控等级较低。

图4 南阳盆地土壤酸化风险防控分区

3 讨论(Discussion)

3.1 南阳盆地土壤酸化成因分析

土壤理化性质与土壤酸化程度有密切关系，钙离子二价螯合作用可有效稳定土壤团粒结构，当土壤盐基离子出现淋失过程，即钙、镁离子被氢离子和铝离子置换出晶格和胶体表面后，致酸离子的积累会加剧土壤酸化过程；另一方面，土壤的粒度结构也会对土壤酸化产生影响，土壤平均粒径越小，比表面积越大，表面负电荷可以吸附更多盐基阳离子，延缓氢离子和铝离子的置换过程[33]。

农业生产中长期耕作、灌溉和施肥对于土壤酸碱度的变化影响明显。长期施用化肥，特别是氮肥，会通过增加铵态氮的硝化作用和植物吸收来释放质子，并通过增加硝酸盐淋溶伴随的钙镁等盐基离子淋失，导致石灰性土壤酸缓冲容量和酸中和容量下降，加剧土壤酸化[34]。水浇地水分含量较高，水分在运移过程中，交换能力较强的氢离子、铝离子结合到土壤胶体表面交换位点上，导致土壤致酸离子饱和度上升[35]，也会加剧土壤酸化。

南阳盆地夏季高温多雨，降水量大于蒸发量，土壤湿度较高。在水、热两因子共同作用下，土壤淋溶过程强烈，土壤溶液中盐基离子易随水渗滤向下移动，使土壤盐基饱和度下降、氢饱和度增加，引起土壤酸化；另一方面，酸性降水降低了土壤酸缓冲能力，酸雨中的氢离子促进土壤胶体表面上盐基离子的交换反应，从而加速阳离子的淋失和土壤酸化[36]。

3.2 南阳盆地土壤酸化防治建议

在确保防治措施合理有效的前提下，建议土壤酸化低风险区域维持现状。位于丹江口水库南水北调源头地区，发展休闲观光农业和生态旅游业，山前部分地区可划分为果林药材种植基地。

中低风险区需合理选择化肥并控制用量。通过合理选择施肥时间、确定化肥用量等措施提高化肥的使用效率。减少氮肥施用量，增施有机肥，一方面有机肥料能够补充由于农产品移除而引起的盐基离子损失，缓解土壤的酸化程度；另一方面，有机质经土壤微生物作用后转变为腐殖质，可有效稳定或提高土壤酸缓冲能力。

中高风险区可调整农业种植结构，将豆科作物与禾本科作物间作或者轮作，探索土壤酸化速率较低的轮作模式。同时，扩大秸秆还田面积，将富含盐基离子的秸秆归还农田以补充土壤中被消耗的盐基离子。作物秸秆等农业废弃物及其制备的生物质炭和有机肥等均含一定量的碱性物质，相比于石灰等无机改良剂，其碱含量较低，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机质和养分含量，改善土壤理化性质，提高土壤肥力。

高风险区必要时需进行土壤修复治理。合理施用生石灰等其他碱性物质中和土壤酸性，如钙镁磷肥、草木灰等；对于农村生活污水造成土壤酸化的地区，如果人口较为集中，应当采用集中处理的方式。而在人口分散地区，可以鼓励农户采用小型的低能耗分散式污水处理方式，或构建小型人工湿地。

综上所述，本研究结果表明：

南阳盆地表层土壤酸化问题日益严重，本文针对区域土壤酸化风险防控技术特点，建立了包含自然地理条件、土壤条件和水文地质条件3个方面共8项评价指标的指标体系：自然地理条件包括地貌类型、土地利用类型和年降水量3项指标；土壤条件包括土壤类型、土壤pH和包气带岩性3项指标；水文地质条件包括含水层富水性和地下水硝酸盐含量2项指标。通过专家打分方式利用AHP计算得出主控指标因子为土壤pH和土壤类型，累计权重占比为0.612。利用GIS空间插值与叠加分析功能计算研究区土壤酸化风险防控指数，评价结果显示，中高风险和高风险地区分别占总面积35.13%和12.97%。本研究所提出的针对表层土壤酸化风险防控分区方法具有便于操作、灵活性强的特点，从区域土壤污染风险管理角度来讲，该方法可以作为该地区土壤环境政策与法律法规制定的参考基础，并为酸化土壤的修复与管理提供服务。

在评价研究过程中发现，土壤酸化受气候、地形、母岩和植被等多方面影响，具有高度的空间异质性和复杂性，为了更好地从区域尺度对土壤酸化风险进行管控，需要通过场地尺度的研究深入解析土壤酸化过程的机理，研发酸性土壤的可持续利用技术。同时也要从土壤圈、岩石圈、水圈、大气圈和生物圈的圈层角度考虑，综合多学科知识进行研究，可能会更好地理解土壤酸化过程，有效控制土壤酸化趋势。