广西扶绥县亚热带典型丘陵区耕地土壤pH的时空变异特征

明 雪，康振威，黄智刚

(广西大学农学院，南宁 530004)

【研究意义】影响作物生产的因素主要有土壤理化性质、气候和施肥等，其中土壤pH是影响土壤养分的关键指标而备受关注[1]。土壤酸化会降低农业生产力，改变土壤生物多样性和植被群落结构，进而对生态系统造成不利影响[2]。农田土壤酸化可导致农作物大幅度减产甚至绝收，同时增加重金属污染进而阻碍作物品质的提升[3]。广西扶绥县位于亚热带典型丘陵区，是广西甘蔗核心种植区，甘蔗常年种植面积在8万hm2以上，入厂原料蔗在600万t以上，混合糖产量70万t以上，蔗糖产业在扶绥县工业总产值中占据重要位置[4-5]。广西扶绥县的耕层土壤有机质含量较低，土壤瘦瘠，且由第四纪红土、石灰岩发育而来的土壤保水保肥性能差、水土容易流失，严重制约着高效农业的发展。因此，探究广西扶绥县亚热带典型丘陵区耕地土壤pH的动态变化及其主要驱动因素，对广西扶绥县乃至广西全区农田土壤酸化进行预测和阻控及提升耕地质量和提高当地甘蔗产量至关重要。【前人研究进展】土壤pH是评价土壤肥力质量的关键指标之一，在植物生长、生物多样性、养分循环及有效性中发挥重要作用[1]。淡俊豪等[6]、Fang等[7]研究表明，提高土壤pH对丰富土壤微生物多样性具有较大促进作用。随着我国工业的快速发展，大量酸性物质被排放，造成酸性土壤面积不断扩大，土壤生产力持续恶化[8]。土壤pH变化对外源酸性物质输入的响应主要取决于土壤缓冲能力，而土壤缓冲能力与其内在理化性质密切相关，受土壤类型和成土母质的影响[9]。在我国南方红壤地区，由于土壤阳离子交换量低且酸缓冲力弱，土壤易发生酸化[10-11]。成土母质可通过影响土壤的物理性质(质地和团粒结构)和化学性质(pH、阳离子交换量、酸碱缓冲容量和有机质含量等)[12-14]，进而影响土壤的酸化进程[15-17]。长期不合理施肥等因素是造成土壤pH降低的主要原因之一。Zhao等[18]研究认为，未被利用的氨态氮肥在土壤中发生硝化作用，同时产生氢离子，降低土壤pH；未被利用的氮肥会提高土壤中氮化合物含量，是大气酸沉降的重要来源。而与施用化肥相比，增施有机肥及推广秸秆还田对土壤酸化具有较显著的抑制作用[19]。Zhu等[20]研究表明，与单施化肥相比，长期配施有机肥和秸秆的田间土壤酸化速率显著降低。有机物料中所含的碱性物质能有效中和酸性物质，从而提高土壤的抗酸能力[21]。【本研究切入点】当前，有关土壤酸化的研究已有大量报道，但均局限于某个省份或某种土壤类型，而针对亚热带典型丘陵红壤集约化农作物种植区土壤酸化问题的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以广西扶绥县耕地土壤为研究对象，对比其1980和2020年土壤pH的时空变化情况，探究土壤pH变化的重要影响因素，为提高我国耕地质量、提升作物产量和实现土地可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区(图1)位于广西崇左市扶绥县(东经107°31′～108°06′，北纬22°17′～22°57′)，地处北回归线以南，地势南北高、中间低，由西向东倾斜，南部和北部是高山土岭，峰丛谷地，中部为低丘台地，间有孤峰。境内主要成土母质或母岩为砂岩、页岩、第四纪红土、冲积物和石灰岩等，发育的土壤主要有赤红壤、石灰土、紫色土、冲积土及水稻土等。亚热带季风湿润气候，年均气温22.8 ℃，年均降水量1121.3 mm，以耕地和林地为主。广西扶绥县东部地区包括龙头乡、新宁镇、岜盆乡和山圩镇，西部地区包括渠旧镇、渠黎镇和东罗镇，南部地区包括柳桥镇和东门镇，北部地区包括中东镇和昌平乡(图1)。广西扶绥县是广西著名的甘蔗生产基地，其第一大经济支柱产业为甘蔗产业。

1.2 数据来源

由于缺少1980年的农田图斑矢量文件，本研究以1980年广西扶绥县第二次土地资源调查的农田图斑为底图，在ArcGIS上将1980和2020年土壤pH添加到农田图斑属性，对比分析这2个时期的土壤pH时空变化情况。1980年的土壤数据选自广西扶绥县第二次土壤普查(1979—1985年)有关成果资料，共有采样点124个；2020年的土壤数据选自广西扶绥县耕地土壤监测数据，共有采样点4970个(图2)。通过十字交叉法采集4个以上相邻位置的土壤样品并混合成1个样品，采样深度为0～20 cm，每个采样点均采用GPS进行定位；土壤pH测定采用电位测定法(土水比1.0∶2.5)，有机质含量测定采用重铬酸钾容量法—外加热法。空间数据主要来源于广西扶绥县DEM、土地利用现状和行政区划图等。所有空间数据的地理坐标系均为CGCS2000(China geodetic coordinate system 2000，2000国家大地坐标系)，并将投影坐标系统一为高斯—克吕格投影，中央经线为108°，三度带划分。

图1 研究区地形及行政区划Fig.1 Topography and administrative division of the study area

1.3 研究方法

基于ArcGIS的地统计学模块、空间对比分析方法分析不同时期耕地土壤pH的分布特征，运用统计分析得出不同乡(镇)耕地土壤pH的分布特征，采用线性回归分析研究不同驱动因素对耕地土壤pH的影响，利用相关分析、方差分析和回归分析探究不同驱动因素对耕地土壤pH变化的影响及贡献大小。

1.4 统计分析

试验数据采用Excel 2019进行整理和制表，以SPSS 26.0进行正态分布检验，以GS+9.0进行半方差分析。基于半方差分析，在ArcGIS 10.4地统计学模块中，1980年应用普通克里格(Ordinary kriging)的最优球状模型进行空间插值，2020年应用普通克里格的最优指数模型进行空间插值。采用Origin 2020和ArcGIS 10.4制图，并以SPSS 26.0进行线性回归分析、相关分析和方差分析。

图2 研究区采样点的分布情况Fig.2 The distribution of sampling points

2 结果与分析

2.1 正态分布检验及半方差模型

克里格插值法可在有限区域内对区域化变量进行最优无偏内插，但要求区域化变量存在空间自相关性，因此对1980年采样点数据进行正态分布检验(K-S)及半方差分析。1980和2020年采样点的正态概率分布P-P图(图3)显示，对应的土壤pH测试值均与正态概率线接近，基本成一条直线，表明二者均具有正态性分布趋势。进一步在SPSS 26.0中使用K-S法进行正态性检验，其双尾概率(P)分别为0.20与0.34，均大于显著性水平(P<0.05)，表明均符合正态分布。

借助GS+9.0精确计算和比较各半方差函数模型，从而选出最适宜的模型用于插值分析。结果(表1)表明，广西扶绥县1980和2020年的耕层土壤pH块金系数均低于25%，说明该地区空间相关性较强，结构性因素占主导；1980和2020年的耕层土壤pH最佳拟合模型分别为球状模型与指数模型，二者的残差均接近于0，拟合优度R2接近1.0，表明该函数拟合效果较好，并将半方差函数所拟合的理论变异函数模型的各项参数应用于ArcGIS中进行插值以得到土壤pH分布图。

2.2 广西扶绥县不同时期耕地土壤pH的分布特征

广西扶绥县各乡(镇)1980和2020年的耕地土壤pH如图4所示。其中，1980年耕地土壤pH均值为6.25，最大值为6.70，最小值为5.80，标准差0.28，变异系数4.49%；南部和东部地区的耕地土壤pH普遍较低，尤其东门镇的土壤pH最低，为5.80；北部和西部地区的耕地土壤pH普遍较高，尤其昌平乡的土壤pH最高，为6.70。在2020年，各乡(镇)耕地的土壤pH均值为5.86，最大值为6.30，最小值为5.50，标准差0.26，变异系数4.47%，在空间分布上表现为中间低、南北高，北部地区中东镇和昌平乡的pH平均值最高，均为6.30；西部地区渠黎镇的耕地土壤pH最低，为5.50，东罗镇其次。通过对比1980和2020年的数据可知，广西扶绥县耕地土壤pH整体呈酸化趋势(图5)。从全县范围来看，各乡(镇)的耕地土壤pH均有所下降，其中渠黎镇和渠旧镇下降最明显，降幅在0.50～1.50；其他乡(镇)的耕地土壤pH降幅均为0～0.50。

根据全国第二次土壤普查的分级标准[22]，将土壤pH分为6级：小于4.50为强酸性，4.50～5.50

图3 广西扶绥县的土壤性质概率分布P-P图Fig.3 Normal P-P plots of soil properties in Fusui county，Guangxi

表1 广西扶绥县的耕层土壤pH最优半方差模型及相应参数

表2 广西扶绥县不同时期耕地土壤pH不同分级所占总面积百分比

为酸性，5.50～6.50为弱酸性，6.50～7.50为中性，7.50～8.50为弱碱性，大于8.50为碱性。分别计算和对比1980和2020年土壤pH不同分级所占面积的百分比发现，广西扶绥县的耕地土壤pH普遍下降(表2)。其中，酸性土壤大幅度增加，从1980年占全县耕地面积的5.10%上升至2020年的24.26%，变幅为375.69%；弱碱性、中性和弱酸性土壤耕地面积均减少，其中弱碱性耕地面积从1.44%下降至0.18%，中性耕地面积从22.64%下降至8.71%，弱酸性耕地面积从70.66%下降至66.82%。

图4 广西扶绥县各乡(镇)耕地土壤pH在不同时期的空间分布情况Fig.4 Spatial distribution of soil pH in different periods of cultivated land in Fusui county，Guangxi

图5 广西扶绥县耕地土壤pH的总体变化分布情况Fig.5 Distribution of soil pH of cultivated land in Fusui county，Guangxi

综上所述，广西扶绥县的耕地土壤已从1980年弱碱性和中性占绝大多数转变为2020年酸性土壤占绝大多数，其中，渠黎镇和渠旧镇的耕地酸化最明显。

2.3 广西扶绥县不同乡(镇)耕地土壤pH的分布特征

从整体上来看，2020年广西扶绥县大部分乡(镇)的耕地土壤pH均值均较1980年有所降低(图6)。其中，渠黎镇耕地的土壤pH变幅最大，降低1.10，从中性土壤变为酸性土壤；其次为渠旧镇，其耕地的土壤pH降低0.70；东门镇的耕地土壤pH变幅最小，维持在5.80不变。总的来说，广西扶绥县的耕地土壤pH均值除东门镇外，其他乡(镇)均有所下降，以渠黎镇和渠旧镇的下降趋势最明显。

2.4 广西扶绥县不同土壤类型耕地土壤pH的变化特征

广西扶绥县耕地主要土壤类型分为冲积土、石灰土、水稻土、赤红壤和紫色土五大类。如表3所示，与1980年相比，2020年除紫色土的pH上升外，其他各类耕地的土壤pH均有所下降。其中，水稻土的pH降幅最小，仅降低0.10；赤红壤的pH降幅最大，降低0.60；冲积土和石灰土次之，均降低0.50。总的来说，不同类型耕地的土壤pH变化不同，其中赤红壤的pH变幅最大，水稻土的pH变幅最小。说明广西扶绥县不同类型耕地的酸缓冲能力存在明显差异，是影响耕地土壤pH变化的重要因素。

2.5 广西扶绥县不同成土母质耕地土壤pH的变化特征

广西扶绥县耕地主要成土母质分为第四纪红土、红色砂页岩母质、河流冲积物、洪积物、紫色砂页岩母质和紫色页岩母质六大类。各类母质的土壤pH在40年间均有所下降(表4)。其中，第四纪红土与河流冲积物发育的土壤pH降幅最大，均下降0.40；红色砂页岩母质和紫色页岩母质发育的土壤pH降幅最小，仅下降0.10；洪积物和紫色砂页岩母质发育的土壤pH降幅居中，均下降0.20。说明不同母质也是影响广西扶绥县耕地土壤pH变化的重要因素。

图6 广西扶绥县各乡(镇)不同时期耕地土壤pH均值的变化情况Fig.6 The change of mean pH value of cultivated soil in different towns during two periods in Fusui county，Guangxi

2.6 不同驱动因素对广西扶绥县耕地土壤pH的影响

2.6.1 坡度对广西扶绥县耕地土壤pH的影响 广西扶绥县耕地坡度分布在0～25°之间，从表5可看出，不同坡度下的耕地土壤pH分级占比排序均为弱酸性>酸性>中性>弱碱性；随着坡度的增加，耕地土壤整体上呈酸化趋势，弱酸性和中性土壤占比减少，酸性土壤从坡度0°～5°的19.66%增至20°～25°的36.68%，增幅达77.06%。经线性回归分析得到广西扶绥县耕地土壤pH与坡度的拟合线性方程为y=-0.0116x+5.9498(R2=0.0093，P<0.001)，说明耕地土壤pH与坡度呈极显著负相关(P<0.01，下同)。

2.6.2 海拔对广西扶绥县耕地土壤pH的影响 如表6所示，广西扶绥县耕地的海拔分布在50～600 m，不同海拔下的耕地土壤pH分级占比排序均为弱酸性>酸性>中性>弱碱性；随着海拔的升高，耕地土壤整体上呈酸化趋势，弱酸性、中性和碱性土壤占比减少，酸性土壤从18.64%增至41.27%，增幅达121.41%。耕地土壤pH随着海拔的升高呈下降趋势；经线性回归分析得到广西扶绥县土壤pH与海拔的拟合线性方程为y=-0.0018x+6.0932(R2=0.0242，P<0.001)，说明耕地土壤pH与海拔呈极显著负相关。

表3 广西扶绥县不同类型耕地土壤pH的变化情况

表4 广西扶绥县不同成土母质土壤pH的变化情况

表5 广西扶绥县不同坡度下的耕地土壤pH分布特征

表6 广西扶绥县不同海拔下的耕地土壤pH分布特征

2.6.3 有机质含量对广西扶绥县耕地土壤pH的影响 对广西扶绥县耕地土壤pH与有机质含量进行线性回归分析，结果(图7)表明，土壤有机质含量在8.0～40.0 g/kg间分布较广泛；随着土壤有机质含量的增加，土壤pH呈上升趋势。经线性回归分析得到广西扶绥县土壤有机质含量与土壤pH的拟合线性方程为y=0.0101x+5.6582(R2=0.0140，P<0.001)，说明耕地土壤pH与其有机质含量呈极显著正相关。

2.7 土壤pH与不同驱动因素的相关分析

通过方差分析和回归分析能呈现广西扶绥县耕地土壤pH变化所受各影响因素综合作用的贡献。相关分析结果(表7)表明，海拔、坡度和有机质含量均与土壤pH呈极显著相关，说明这些因素均是影响耕地土壤pH的主要因素。其中，土壤有机质含量与土壤pH呈极显著正相关，海拔和坡度与土壤pH呈极显著负相关。进一步进行回归分析，结果(表8)表明，坡度能独立解释7.3%耕地土壤pH的空间变异，有机质含量能独立解释3.7%耕地土壤pH的空间变异，海拔能解释21.5%耕地土壤pH的空间变异。可见，相对于耕地土壤坡度和有机质含量，海拔是影响广西扶绥县耕地土壤pH的主要因素。

3 讨 论

本研究结果表明，1980—2020年的40年间，广西扶绥县耕地土壤pH存在较强的空间变异性，从弱碱性和中性土壤向酸性土壤转变，主要受结构性因素如地形、土壤类型、成土母质和酸缓冲体系的影响。汪吉东等[8]研究报道，不同土壤类型的酸缓冲能力不同，对气候、地形或耕作制度等外部因素响应的差异导致不同区域土壤pH随着时间变化而变化的规律也存在明显差异。本研究发现，广西扶绥县的耕地土壤pH随着时间的变化呈酸化趋势，与武红亮等[23]的研究结果一致。这主要是由于广西扶绥县雨热同季，淋溶作用强烈，盐基离子易被氢离子取代成为盐基不饱和土壤，最终导致土壤pH持续降低[24]。Guo等[25]研究表明，我国农田土壤pH在1990—2000年间下降了0.13～0.80，尤其是20世纪90年代有加速下降趋势，本研究结果与其基本一致。

图7 广西扶绥县耕地土壤pH与有机质含量的线性回归分析结果Fig.7 Linear regression of soil pH and organic content in cultivated land in Fusui county，Guangxi

表7 广西扶绥县耕地土壤pH与不同影响因素的相关分析结果

表8 不同影响因素下耕地土壤pH的方差分析和回归分析结果

不同母质土壤的理化性质存在明显差异，可影响土壤酸化的进程。第四纪红土在成土过程中，矿物化学风化、淋溶强烈，导致质地粗结构松，极易造成盐基流失；河流冲积物为多种地表物质的混合沉积物，受水分作用影响[26]。这2种母质在降雨影响下土壤酸化较显著，可能是本研究中第四纪红土和河流冲积物发育而来的耕地土壤pH变幅较大的原因。此外，坡度可通过改变成土物质与水热条件的再分配，从而引起土壤理化性质的时空变异[27]。本研究结果表明，广西扶绥县耕地的土壤pH与坡度呈极显著负相关，与王洪等[27]、雷宝佳[28]的研究结果一致。

土壤有机质含量也是影响土壤pH变化的重要因素。有机质具有很高的阳离子交换量，能减缓土壤因施肥引起的氢离子增加而强烈改变土壤的pH，显著提高土壤的缓冲性[29]。本研究结果表明，广西扶绥县的耕地土壤pH与有机质含量呈极显著正相关，与曹丹等[17]的研究结果一致。与施用化肥相比，增施有机肥对抑制土壤酸化具有较显著的作用[30]，主要因为施入的有机肥能与铝离子形成配合物，减少土壤中的交换性铝离子量，从而缓解土壤酸化趋势[19]。因此，针对广西扶绥县耕地的酸化趋势，可通过加大有机肥的投入以提高土壤有机质含量和改善土壤理化性质，进而提升土壤肥力。

海拔对耕地土壤理化性质也具有非常重要的影响，主要通过温度、光、水、热及母岩影响土壤发育[31]。在本研究中，广西扶绥县的耕地土壤pH与海拔呈极显著负相关，与唐韵等[32]、王丽君等[34]的研究结果一致；回归分析结果表明，海拔能解释21.5%耕地土壤pH的空间变异。可见，广西扶绥县土壤酸化是多种因素共同作用的结果，其中海拔是影响广西扶绥县耕地土壤pH的主要因素。

4 结 论

与1980年相比，2020年广西扶绥县耕地的土壤pH总体上呈快速下降趋势，其中，赤红壤的pH降幅最大，第四纪红土和河流冲积物土壤pH的空间变异最强；海拔是影响广西扶绥县耕地土壤pH变化的主要因素，须通过增施有机肥改善土壤性状，进而有效调控土壤pH。