儀征市農(nóng)田土壤pH值時空變化特征分析

吳政 李文西 高暉

摘要 ? ?農(nóng)田土壤酸化造成土壤肥力下降，威脅著糧食安全。本研究以儀征市為例，選取1984年、1994年、2005年和2014年具有代表性的農(nóng)田土壤樣點pH值化驗數(shù)據(jù)，運用GIS的空間插值方法和重心偏移模型，分析30年間儀征市農(nóng)田土壤pH值的時空變化趨勢。結(jié)果表明，儀征市的農(nóng)田土壤pH值降低，呈現(xiàn)酸化趨勢;儀征市的農(nóng)田土壤pH值重心向西南方向偏移。研究結(jié)果可為控制農(nóng)田土壤酸化提供參考。

關(guān)鍵詞 ? ?農(nóng)田土壤;pH值;時空變化特征;江蘇儀征

中圖分類號 ? ?S153 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）20-0172-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

土壤酸化是世界范圍內(nèi)普遍存在的農(nóng)業(yè)問題，影響著世界40%耕地的作物生產(chǎn)[1]。中國的酸性土壤主要分布在長江以南的廣大熱帶和亞熱帶地區(qū)以及云貴川等地，面積約為 2.04億hm2，主要集中在湖南、江西、福建、浙江、廣東、廣西、海南等省，大部分土壤的pH值小于5.5，其中很大一部分小于5.0，甚至小于4.5，而且酸性土壤面積還在擴大，土壤酸度還在升高。近幾十年來，隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，酸性氣體大量排放，酸性沉降物對環(huán)境的影響不斷增加，造成我國南方地區(qū)酸沉降的頻率和強度增加[2]。目前，我國南方黃紅壤地區(qū)已成為世界上除北美和歐洲之外的第三大酸雨區(qū)。我國南方大部分酸性土壤的黏土礦物以高嶺土為主，陽離子交換量較低，對酸的緩沖能力較寒溫帶土壤小得多。此外，我國南方大部分酸性土壤鹽基飽和度較低，為25%左右，正處于土壤緩沖力較小的范圍，這些因素使得我國南方大面積紅、黃壤的酸緩沖力較弱，容易發(fā)生酸化，對這類土壤酸化的問題應引起高度重視。

儀征市水資源較豐富，具備農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，同時區(qū)域優(yōu)勢明顯，具備完善的水陸交通條件，工業(yè)、化工、現(xiàn)代服務業(yè)發(fā)展迅猛，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定造成了嚴重的威脅。本研究以儀征市為例，研究1984—2014年儀征市農(nóng)田土壤pH值的時空變化趨勢，以期為協(xié)調(diào)工業(yè)發(fā)展與糧食安全提供參考。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?研究區(qū)域概況

儀征市地處長江三角洲的頂端，江淮丘陵的尾閭，跨越長江和淮河兩大水系，由謝集三里至古井一線為分水嶺。西界南京市六合區(qū)，東臨揚州市邗江區(qū)，北接高郵湖西，西北與安徽天長市接壤，南臨長江，與江寧、句容、丹徒隔江相望，地理位置處于東經(jīng)119°02′～119°22′，北緯32°14′～32°36′之間，在行政區(qū)劃上隸屬于江蘇省揚州市。全市地域范圍約857 km2（不包括長江水域）。境內(nèi)主要地貌類型有丘陵、沙礫石崗地、黃土崗地、河谷平原、沿江平原。區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以水稻—小麥輪作為主，一年兩熟制，部分地區(qū)實行水稻—油菜輪作。

1.2 ? ?數(shù)據(jù)來源

本研究對比分析了1984年、1994年、2005年和2014年4個時期儀征市農(nóng)田土壤pH值變化趨勢。1984年土壤pH值數(shù)據(jù)來源于第二次土壤普查;1994年土壤pH值數(shù)據(jù)來源于土壤普查;2005年土壤pH值數(shù)據(jù)來源于農(nóng)業(yè)部測土配方施肥數(shù)據(jù);2014年土壤pH值數(shù)據(jù)來源于儀征市耕地地力評價數(shù)據(jù)庫。農(nóng)田土壤點位數(shù)據(jù)采用GPS定位技術(shù)定位，采用非網(wǎng)格隨機法取樣，在整個縣域范圍內(nèi)采集了耕層土壤（0～20 cm）的土樣，每個取樣點的土壤樣品由多個點混合經(jīng)四分法提取而成，取樣點分布于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，所采的土壤樣品類型包括了儀征市土壤的所有類型，代表性廣。采集的土壤樣品在實驗室風干后，采用雙電極法測定土壤樣品的pH值。

1.3 ? ?研究方法

本研究的分析方法主要有GIS空間插值方法和重心轉(zhuǎn)移模型。

1.3.1 ? ?GIS空間插值。在Arcgis10.2軟件中，利用IDW插值方法，得到覆蓋整個研究區(qū)域的不同時期的土壤pH值分布圖。IDW插值方式是一種加權(quán)平均的插值法，可進行確切或圓滑的方式插值，該方法適用于小范圍、局部性研究。pH值分級參照第二次土壤普查的分級標準與研究區(qū)域情況，將土壤pH值分為4級：4.5～5.5為1級，酸性;5.5～6.5為2級，弱酸性;6.5～7.5為3級，中性;7.5～8.5為4級，弱堿性。

1.3.2 ? ?重心偏移模型。該模型能揭示pH值在不同時期的空間變化方向[3]。通過計算土壤pH值各級別重心坐標，模擬儀征市土壤pH值的變化趨勢與方向，計算公式如下：

Xt=∑Ati·Xi /∑Ati（1）

Yt=∑Ati·Yi /∑Ati（2）

式中Xt、Yt分別表示t年土壤pH值中心的經(jīng)緯度坐標（單位：°）;Ati表示第i個pH級別農(nóng)田土壤圖斑的面積（單位：hm2）;Xti、Yti表示第i個pH級別農(nóng)田土壤圖斑的經(jīng)緯度坐標（單位：°）。

2 ? ?結(jié)果與分析

2.1 ? ?儀征市農(nóng)田土壤pH值時間變化

對比分析1984年、1994年、2005年、2014年4個時期農(nóng)田土壤樣點pH值數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，隨著時間推移，儀征市農(nóng)田土壤pH值在0.05水平上顯著降低，酸化趨勢明顯，其中1984年農(nóng)田土壤pH值為6.62±0.80;1994年農(nóng)田土壤pH值為6.43±0.71;2004年農(nóng)田土壤pH值為6.15±0.80;2014年農(nóng)田土壤pH值為6.08±0.67（圖1）。

2.2 ? ?儀征市農(nóng)田土壤pH值空間變化

空間插值是一種基于有限個已知點的數(shù)值，通過距離或空間關(guān)系，預測出其他位置近視值的方法，可基于點位數(shù)據(jù)實現(xiàn)區(qū)域數(shù)據(jù)預測。在Arcgis10.2中利用IDW插值方法，得到4個時期儀征市農(nóng)田土壤pH值分布圖（圖2）?？梢钥闯?，儀征市北部和東南部，農(nóng)田土壤pH值從3級降為2級，出現(xiàn)了較為明顯的農(nóng)田土壤酸化趨勢。根據(jù)第二次土壤普查中土壤pH值分級標準，得到不同時期不同pH值分級的面積比例，如表1所示?？梢钥闯?，30年間儀征市農(nóng)田土壤主要集中在5.5～6.5之間。對比1984年和2014年的不同pH值分級面積比例，pH值為2級的面積比例由1984年的60.10%上升到2014年的79.80%;pH值為3級的面積比例由1984年的23.60%降低到2014年的13.52%。

重心偏移模型的計算結(jié)果如圖3所示，整體來說，1984—2014年儀征市的農(nóng)田土壤pH值重心在儀征市的中部，馬集鎮(zhèn)的秦橋村和新民村。30年間，農(nóng)田土壤pH值重心有向西南方向偏移的趨勢，主要原因在于：1984年，儀征市的農(nóng)田土壤pH值空間分布情況為北部和東南部以中性pH值為主，中部地區(qū)為弱酸性，pH值重心處于儀征市中部偏東的方向;到2014年，由于30年間北部和西南部的農(nóng)田土壤pH值降低，整個區(qū)域以弱酸性為主，pH值重心處于儀征市中部。在Arcgis10.2中度量農(nóng)田土壤pH值重心偏移距離顯示：1984—1994年間，儀征市農(nóng)田土壤pH值重心向東北方向偏移約206 m;1994—2005年間，儀征市農(nóng)田土壤pH值重心向西南方向偏移約183 m;2005—2014年間，儀征市農(nóng)田土壤pH重心向西南方向偏移約104 m。

3 ? ?結(jié)論與討論

30年間，儀征市農(nóng)田土壤pH值降低，呈現(xiàn)酸化趨勢，這與王志剛等[1]對1980年和2003年江蘇省土壤pH值的時空變化研究結(jié)論一致，農(nóng)田土壤酸化是人類活動和自然因素共同作用的結(jié)果，人類活動主要包括不合理的施肥方式、土地利用方式轉(zhuǎn)變和農(nóng)田管理模式，自然因素主要為工業(yè)化和城鎮(zhèn)化過程中造成的酸雨。汪吉東等[2]的研究表明，不合理施用化肥會加速農(nóng)田土壤酸化，筆者對儀征市的農(nóng)戶施肥行為進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)20世紀80—90年代，儀征市農(nóng)戶有機肥投入較大，有機肥的來源主要包括豬糞和紫云英。但從20世紀90年代起，由于從事生豬養(yǎng)殖的農(nóng)戶越來越少，農(nóng)戶對農(nóng)田有機肥的投入開始減少。21世紀初，雖然江蘇省積極推廣測土配方施肥，但是農(nóng)戶普遍認為測土配方施肥推薦的施肥量和施肥類型成本大于習慣施肥方式，實際只有不到20%的農(nóng)戶采用測土配方施肥技術(shù)。肥料選擇上農(nóng)戶長期施用低含量復合肥主要成分為氯化鉀、氯化銨、過磷酸鈣，這些生理酸性肥料的長期大量施用，由于水解作用，或因其中銨、鉀離子交換出土壤膠粒吸附的氫、鋁離子，亦或NH4+的硝化作用產(chǎn)生H+而使農(nóng)田土壤變酸[2]。

有學者研究發(fā)現(xiàn)，酸雨是加速農(nóng)田土壤酸化的主要驅(qū)動因素[4]。還有學者研究表明，燃煤型和燃油型混合是造成儀征主城區(qū)2006—2010年屬于酸雨區(qū)的主要原因[7];儀征市環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，自1996—2010年，儀征市主城區(qū)的平均酸雨概率為29.48%，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，控制工業(yè)污染排放，有利于控制儀征市農(nóng)田土壤酸化[5-7]。

通過GIS分析儀征市不同時期農(nóng)田土壤pH值的時空變化，結(jié)果表明，30年間，儀征市農(nóng)田土壤pH值下降，呈現(xiàn)酸化趨勢，酸化區(qū)域主要集中在儀征市的北部和東南部;在Arcgis10.2平臺上運用空間插值和重心偏移方法，結(jié)果表明，30年間儀征市的農(nóng)田土壤pH值重心呈現(xiàn)向西南方向偏移的趨勢。

4 ? ?參考文獻

[1] 王志剛，趙永存，廖啟林，等.近20年來江蘇省土壤pH值時空變化及其驅(qū)動力[J].生態(tài)學報，2008（2）：720-727.

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[3] 李偉峰，葉英聰，朱安繁，等.近30a江西省農(nóng)田土壤pH時空變化及其與酸雨和施肥量間關(guān)系[J].自然資源學報，2017，32（11）：1942-1953.

[4] 周碧青，邱龍霞，張黎明，等.基于灰色關(guān)聯(lián)-結(jié)構(gòu)方程模型的土壤酸化驅(qū)動因子研究[J].土壤學報，2018，55（5）：1233-1242.

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