廣西扶綏縣亞熱帶典型丘陵區(qū)耕地土壤pH的時空變異特征

明 雪，康振威，黃智剛

(廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南寧 530004)

【研究意義】影響作物生產(chǎn)的因素主要有土壤理化性質(zhì)、氣候和施肥等，其中土壤pH是影響土壤養(yǎng)分的關(guān)鍵指標而備受關(guān)注[1]。土壤酸化會降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，改變土壤生物多樣性和植被群落結(jié)構(gòu)，進而對生態(tài)系統(tǒng)造成不利影響[2]。農(nóng)田土壤酸化可導(dǎo)致農(nóng)作物大幅度減產(chǎn)甚至絕收，同時增加重金屬污染進而阻礙作物品質(zhì)的提升[3]。廣西扶綏縣位于亞熱帶典型丘陵區(qū)，是廣西甘蔗核心種植區(qū)，甘蔗常年種植面積在8萬hm2以上，入廠原料蔗在600萬t以上，混合糖產(chǎn)量70萬t以上，蔗糖產(chǎn)業(yè)在扶綏縣工業(yè)總產(chǎn)值中占據(jù)重要位置[4-5]。廣西扶綏縣的耕層土壤有機質(zhì)含量較低，土壤瘦瘠，且由第四紀紅土、石灰?guī)r發(fā)育而來的土壤保水保肥性能差、水土容易流失，嚴重制約著高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此，探究廣西扶綏縣亞熱帶典型丘陵區(qū)耕地土壤pH的動態(tài)變化及其主要驅(qū)動因素，對廣西扶綏縣乃至廣西全區(qū)農(nóng)田土壤酸化進行預(yù)測和阻控及提升耕地質(zhì)量和提高當(dāng)?shù)馗收岙a(chǎn)量至關(guān)重要?！厩叭搜芯窟M展】土壤pH是評價土壤肥力質(zhì)量的關(guān)鍵指標之一，在植物生長、生物多樣性、養(yǎng)分循環(huán)及有效性中發(fā)揮重要作用[1]。淡俊豪等[6]、Fang等[7]研究表明，提高土壤pH對豐富土壤微生物多樣性具有較大促進作用。隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，大量酸性物質(zhì)被排放，造成酸性土壤面積不斷擴大，土壤生產(chǎn)力持續(xù)惡化[8]。土壤pH變化對外源酸性物質(zhì)輸入的響應(yīng)主要取決于土壤緩沖能力，而土壤緩沖能力與其內(nèi)在理化性質(zhì)密切相關(guān)，受土壤類型和成土母質(zhì)的影響[9]。在我國南方紅壤地區(qū)，由于土壤陽離子交換量低且酸緩沖力弱，土壤易發(fā)生酸化[10-11]。成土母質(zhì)可通過影響土壤的物理性質(zhì)(質(zhì)地和團粒結(jié)構(gòu))和化學(xué)性質(zhì)(pH、陽離子交換量、酸堿緩沖容量和有機質(zhì)含量等)[12-14]，進而影響土壤的酸化進程[15-17]。長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]研究認為，未被利用的氨態(tài)氮肥在土壤中發(fā)生硝化作用，同時產(chǎn)生氫離子，降低土壤pH；未被利用的氮肥會提高土壤中氮化合物含量，是大氣酸沉降的重要來源。而與施用化肥相比，增施有機肥及推廣秸稈還田對土壤酸化具有較顯著的抑制作用[19]。Zhu等[20]研究表明，與單施化肥相比，長期配施有機肥和秸稈的田間土壤酸化速率顯著降低。有機物料中所含的堿性物質(zhì)能有效中和酸性物質(zhì)，從而提高土壤的抗酸能力[21]?！颈狙芯壳腥朦c】當(dāng)前，有關(guān)土壤酸化的研究已有大量報道，但均局限于某個省份或某種土壤類型，而針對亞熱帶典型丘陵紅壤集約化農(nóng)作物種植區(qū)土壤酸化問題的研究鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以廣西扶綏縣耕地土壤為研究對象，對比其1980和2020年土壤pH的時空變化情況，探究土壤pH變化的重要影響因素，為提高我國耕地質(zhì)量、提升作物產(chǎn)量和實現(xiàn)土地可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)(圖1)位于廣西崇左市扶綏縣(東經(jīng)107°31′～108°06′，北緯22°17′～22°57′)，地處北回歸線以南，地勢南北高、中間低，由西向東傾斜，南部和北部是高山土嶺，峰叢谷地，中部為低丘臺地，間有孤峰。境內(nèi)主要成土母質(zhì)或母巖為砂巖、頁巖、第四紀紅土、沖積物和石灰?guī)r等，發(fā)育的土壤主要有赤紅壤、石灰土、紫色土、沖積土及水稻土等。亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年均氣溫22.8 ℃，年均降水量1121.3 mm，以耕地和林地為主。廣西扶綏縣東部地區(qū)包括龍頭鄉(xiāng)、新寧鎮(zhèn)、岜盆鄉(xiāng)和山圩鎮(zhèn)，西部地區(qū)包括渠舊鎮(zhèn)、渠黎鎮(zhèn)和東羅鎮(zhèn)，南部地區(qū)包括柳橋鎮(zhèn)和東門鎮(zhèn)，北部地區(qū)包括中東鎮(zhèn)和昌平鄉(xiāng)(圖1)。廣西扶綏縣是廣西著名的甘蔗生產(chǎn)基地，其第一大經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)為甘蔗產(chǎn)業(yè)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

由于缺少1980年的農(nóng)田圖斑矢量文件，本研究以1980年廣西扶綏縣第二次土地資源調(diào)查的農(nóng)田圖斑為底圖，在ArcGIS上將1980和2020年土壤pH添加到農(nóng)田圖斑屬性，對比分析這2個時期的土壤pH時空變化情況。1980年的土壤數(shù)據(jù)選自廣西扶綏縣第二次土壤普查(1979—1985年)有關(guān)成果資料，共有采樣點124個；2020年的土壤數(shù)據(jù)選自廣西扶綏縣耕地土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)，共有采樣點4970個(圖2)。通過十字交叉法采集4個以上相鄰位置的土壤樣品并混合成1個樣品，采樣深度為0～20 cm，每個采樣點均采用GPS進行定位；土壤pH測定采用電位測定法(土水比1.0∶2.5)，有機質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法?？臻g數(shù)據(jù)主要來源于廣西扶綏縣DEM、土地利用現(xiàn)狀和行政區(qū)劃圖等。所有空間數(shù)據(jù)的地理坐標系均為CGCS2000(China geodetic coordinate system 2000，2000國家大地坐標系)，并將投影坐標系統(tǒng)一為高斯—克呂格投影，中央經(jīng)線為108°，三度帶劃分。

圖1 研究區(qū)地形及行政區(qū)劃Fig.1 Topography and administrative division of the study area

1.3 研究方法

基于ArcGIS的地統(tǒng)計學(xué)模塊、空間對比分析方法分析不同時期耕地土壤pH的分布特征，運用統(tǒng)計分析得出不同鄉(xiāng)(鎮(zhèn))耕地土壤pH的分布特征，采用線性回歸分析研究不同驅(qū)動因素對耕地土壤pH的影響，利用相關(guān)分析、方差分析和回歸分析探究不同驅(qū)動因素對耕地土壤pH變化的影響及貢獻大小。

1.4 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2019進行整理和制表，以SPSS 26.0進行正態(tài)分布檢驗，以GS+9.0進行半方差分析。基于半方差分析，在ArcGIS 10.4地統(tǒng)計學(xué)模塊中，1980年應(yīng)用普通克里格(Ordinary kriging)的最優(yōu)球狀模型進行空間插值，2020年應(yīng)用普通克里格的最優(yōu)指數(shù)模型進行空間插值。采用Origin 2020和ArcGIS 10.4制圖，并以SPSS 26.0進行線性回歸分析、相關(guān)分析和方差分析。

圖2 研究區(qū)采樣點的分布情況Fig.2 The distribution of sampling points

2 結(jié)果與分析

2.1 正態(tài)分布檢驗及半方差模型

克里格插值法可在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進行最優(yōu)無偏內(nèi)插，但要求區(qū)域化變量存在空間自相關(guān)性，因此對1980年采樣點數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗(K-S)及半方差分析。1980和2020年采樣點的正態(tài)概率分布P-P圖(圖3)顯示，對應(yīng)的土壤pH測試值均與正態(tài)概率線接近，基本成一條直線，表明二者均具有正態(tài)性分布趨勢。進一步在SPSS 26.0中使用K-S法進行正態(tài)性檢驗，其雙尾概率(P)分別為0.20與0.34，均大于顯著性水平(P<0.05)，表明均符合正態(tài)分布。

借助GS+9.0精確計算和比較各半方差函數(shù)模型，從而選出最適宜的模型用于插值分析。結(jié)果(表1)表明，廣西扶綏縣1980和2020年的耕層土壤pH塊金系數(shù)均低于25%，說明該地區(qū)空間相關(guān)性較強，結(jié)構(gòu)性因素占主導(dǎo)；1980和2020年的耕層土壤pH最佳擬合模型分別為球狀模型與指數(shù)模型，二者的殘差均接近于0，擬合優(yōu)度R2接近1.0，表明該函數(shù)擬合效果較好，并將半方差函數(shù)所擬合的理論變異函數(shù)模型的各項參數(shù)應(yīng)用于ArcGIS中進行插值以得到土壤pH分布圖。

2.2 廣西扶綏縣不同時期耕地土壤pH的分布特征

廣西扶綏縣各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))1980和2020年的耕地土壤pH如圖4所示。其中，1980年耕地土壤pH均值為6.25，最大值為6.70，最小值為5.80，標準差0.28，變異系數(shù)4.49%；南部和東部地區(qū)的耕地土壤pH普遍較低，尤其東門鎮(zhèn)的土壤pH最低，為5.80；北部和西部地區(qū)的耕地土壤pH普遍較高，尤其昌平鄉(xiāng)的土壤pH最高，為6.70。在2020年，各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))耕地的土壤pH均值為5.86，最大值為6.30，最小值為5.50，標準差0.26，變異系數(shù)4.47%，在空間分布上表現(xiàn)為中間低、南北高，北部地區(qū)中東鎮(zhèn)和昌平鄉(xiāng)的pH平均值最高，均為6.30；西部地區(qū)渠黎鎮(zhèn)的耕地土壤pH最低，為5.50，東羅鎮(zhèn)其次。通過對比1980和2020年的數(shù)據(jù)可知，廣西扶綏縣耕地土壤pH整體呈酸化趨勢(圖5)。從全縣范圍來看，各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的耕地土壤pH均有所下降，其中渠黎鎮(zhèn)和渠舊鎮(zhèn)下降最明顯，降幅在0.50～1.50；其他鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的耕地土壤pH降幅均為0～0.50。

根據(jù)全國第二次土壤普查的分級標準[22]，將土壤pH分為6級：小于4.50為強酸性，4.50～5.50

圖3 廣西扶綏縣的土壤性質(zhì)概率分布P-P圖Fig.3 Normal P-P plots of soil properties in Fusui county，Guangxi

表1 廣西扶綏縣的耕層土壤pH最優(yōu)半方差模型及相應(yīng)參數(shù)

表2 廣西扶綏縣不同時期耕地土壤pH不同分級所占總面積百分比

為酸性，5.50～6.50為弱酸性，6.50～7.50為中性，7.50～8.50為弱堿性，大于8.50為堿性。分別計算和對比1980和2020年土壤pH不同分級所占面積的百分比發(fā)現(xiàn)，廣西扶綏縣的耕地土壤pH普遍下降(表2)。其中，酸性土壤大幅度增加，從1980年占全縣耕地面積的5.10%上升至2020年的24.26%，變幅為375.69%；弱堿性、中性和弱酸性土壤耕地面積均減少，其中弱堿性耕地面積從1.44%下降至0.18%，中性耕地面積從22.64%下降至8.71%，弱酸性耕地面積從70.66%下降至66.82%。

圖4 廣西扶綏縣各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))耕地土壤pH在不同時期的空間分布情況Fig.4 Spatial distribution of soil pH in different periods of cultivated land in Fusui county，Guangxi

圖5 廣西扶綏縣耕地土壤pH的總體變化分布情況Fig.5 Distribution of soil pH of cultivated land in Fusui county，Guangxi

綜上所述，廣西扶綏縣的耕地土壤已從1980年弱堿性和中性占絕大多數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)?020年酸性土壤占絕大多數(shù)，其中，渠黎鎮(zhèn)和渠舊鎮(zhèn)的耕地酸化最明顯。

2.3 廣西扶綏縣不同鄉(xiāng)(鎮(zhèn))耕地土壤pH的分布特征

從整體上來看，2020年廣西扶綏縣大部分鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的耕地土壤pH均值均較1980年有所降低(圖6)。其中，渠黎鎮(zhèn)耕地的土壤pH變幅最大，降低1.10，從中性土壤變?yōu)樗嵝酝寥?；其次為渠舊鎮(zhèn)，其耕地的土壤pH降低0.70；東門鎮(zhèn)的耕地土壤pH變幅最小，維持在5.80不變?？偟膩碚f，廣西扶綏縣的耕地土壤pH均值除東門鎮(zhèn)外，其他鄉(xiāng)(鎮(zhèn))均有所下降，以渠黎鎮(zhèn)和渠舊鎮(zhèn)的下降趨勢最明顯。

2.4 廣西扶綏縣不同土壤類型耕地土壤pH的變化特征

廣西扶綏縣耕地主要土壤類型分為沖積土、石灰土、水稻土、赤紅壤和紫色土五大類。如表3所示，與1980年相比，2020年除紫色土的pH上升外，其他各類耕地的土壤pH均有所下降。其中，水稻土的pH降幅最小，僅降低0.10；赤紅壤的pH降幅最大，降低0.60；沖積土和石灰土次之，均降低0.50?？偟膩碚f，不同類型耕地的土壤pH變化不同，其中赤紅壤的pH變幅最大，水稻土的pH變幅最小。說明廣西扶綏縣不同類型耕地的酸緩沖能力存在明顯差異，是影響耕地土壤pH變化的重要因素。

2.5 廣西扶綏縣不同成土母質(zhì)耕地土壤pH的變化特征

廣西扶綏縣耕地主要成土母質(zhì)分為第四紀紅土、紅色砂頁巖母質(zhì)、河流沖積物、洪積物、紫色砂頁巖母質(zhì)和紫色頁巖母質(zhì)六大類。各類母質(zhì)的土壤pH在40年間均有所下降(表4)。其中，第四紀紅土與河流沖積物發(fā)育的土壤pH降幅最大，均下降0.40；紅色砂頁巖母質(zhì)和紫色頁巖母質(zhì)發(fā)育的土壤pH降幅最小，僅下降0.10；洪積物和紫色砂頁巖母質(zhì)發(fā)育的土壤pH降幅居中，均下降0.20。說明不同母質(zhì)也是影響廣西扶綏縣耕地土壤pH變化的重要因素。

圖6 廣西扶綏縣各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))不同時期耕地土壤pH均值的變化情況Fig.6 The change of mean pH value of cultivated soil in different towns during two periods in Fusui county，Guangxi

2.6 不同驅(qū)動因素對廣西扶綏縣耕地土壤pH的影響

2.6.1 坡度對廣西扶綏縣耕地土壤pH的影響 廣西扶綏縣耕地坡度分布在0～25°之間，從表5可看出，不同坡度下的耕地土壤pH分級占比排序均為弱酸性>酸性>中性>弱堿性；隨著坡度的增加，耕地土壤整體上呈酸化趨勢，弱酸性和中性土壤占比減少，酸性土壤從坡度0°～5°的19.66%增至20°～25°的36.68%，增幅達77.06%。經(jīng)線性回歸分析得到廣西扶綏縣耕地土壤pH與坡度的擬合線性方程為y=-0.0116x+5.9498(R2=0.0093，P<0.001)，說明耕地土壤pH與坡度呈極顯著負相關(guān)(P<0.01，下同)。

2.6.2 海拔對廣西扶綏縣耕地土壤pH的影響 如表6所示，廣西扶綏縣耕地的海拔分布在50～600 m，不同海拔下的耕地土壤pH分級占比排序均為弱酸性>酸性>中性>弱堿性；隨著海拔的升高，耕地土壤整體上呈酸化趨勢，弱酸性、中性和堿性土壤占比減少，酸性土壤從18.64%增至41.27%，增幅達121.41%。耕地土壤pH隨著海拔的升高呈下降趨勢；經(jīng)線性回歸分析得到廣西扶綏縣土壤pH與海拔的擬合線性方程為y=-0.0018x+6.0932(R2=0.0242，P<0.001)，說明耕地土壤pH與海拔呈極顯著負相關(guān)。

表3 廣西扶綏縣不同類型耕地土壤pH的變化情況

表4 廣西扶綏縣不同成土母質(zhì)土壤pH的變化情況

表5 廣西扶綏縣不同坡度下的耕地土壤pH分布特征

表6 廣西扶綏縣不同海拔下的耕地土壤pH分布特征

2.6.3 有機質(zhì)含量對廣西扶綏縣耕地土壤pH的影響 對廣西扶綏縣耕地土壤pH與有機質(zhì)含量進行線性回歸分析，結(jié)果(圖7)表明，土壤有機質(zhì)含量在8.0～40.0 g/kg間分布較廣泛；隨著土壤有機質(zhì)含量的增加，土壤pH呈上升趨勢。經(jīng)線性回歸分析得到廣西扶綏縣土壤有機質(zhì)含量與土壤pH的擬合線性方程為y=0.0101x+5.6582(R2=0.0140，P<0.001)，說明耕地土壤pH與其有機質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)。

2.7 土壤pH與不同驅(qū)動因素的相關(guān)分析

通過方差分析和回歸分析能呈現(xiàn)廣西扶綏縣耕地土壤pH變化所受各影響因素綜合作用的貢獻。相關(guān)分析結(jié)果(表7)表明，海拔、坡度和有機質(zhì)含量均與土壤pH呈極顯著相關(guān)，說明這些因素均是影響耕地土壤pH的主要因素。其中，土壤有機質(zhì)含量與土壤pH呈極顯著正相關(guān)，海拔和坡度與土壤pH呈極顯著負相關(guān)。進一步進行回歸分析，結(jié)果(表8)表明，坡度能獨立解釋7.3%耕地土壤pH的空間變異，有機質(zhì)含量能獨立解釋3.7%耕地土壤pH的空間變異，海拔能解釋21.5%耕地土壤pH的空間變異?？梢?，相對于耕地土壤坡度和有機質(zhì)含量，海拔是影響廣西扶綏縣耕地土壤pH的主要因素。

3 討 論

本研究結(jié)果表明，1980—2020年的40年間，廣西扶綏縣耕地土壤pH存在較強的空間變異性，從弱堿性和中性土壤向酸性土壤轉(zhuǎn)變，主要受結(jié)構(gòu)性因素如地形、土壤類型、成土母質(zhì)和酸緩沖體系的影響。汪吉東等[8]研究報道，不同土壤類型的酸緩沖能力不同，對氣候、地形或耕作制度等外部因素響應(yīng)的差異導(dǎo)致不同區(qū)域土壤pH隨著時間變化而變化的規(guī)律也存在明顯差異。本研究發(fā)現(xiàn)，廣西扶綏縣的耕地土壤pH隨著時間的變化呈酸化趨勢，與武紅亮等[23]的研究結(jié)果一致。這主要是由于廣西扶綏縣雨熱同季，淋溶作用強烈，鹽基離子易被氫離子取代成為鹽基不飽和土壤，最終導(dǎo)致土壤pH持續(xù)降低[24]。Guo等[25]研究表明，我國農(nóng)田土壤pH在1990—2000年間下降了0.13～0.80，尤其是20世紀90年代有加速下降趨勢，本研究結(jié)果與其基本一致。

圖7 廣西扶綏縣耕地土壤pH與有機質(zhì)含量的線性回歸分析結(jié)果Fig.7 Linear regression of soil pH and organic content in cultivated land in Fusui county，Guangxi

表7 廣西扶綏縣耕地土壤pH與不同影響因素的相關(guān)分析結(jié)果

表8 不同影響因素下耕地土壤pH的方差分析和回歸分析結(jié)果

不同母質(zhì)土壤的理化性質(zhì)存在明顯差異，可影響土壤酸化的進程。第四紀紅土在成土過程中，礦物化學(xué)風(fēng)化、淋溶強烈，導(dǎo)致質(zhì)地粗結(jié)構(gòu)松，極易造成鹽基流失；河流沖積物為多種地表物質(zhì)的混合沉積物，受水分作用影響[26]。這2種母質(zhì)在降雨影響下土壤酸化較顯著，可能是本研究中第四紀紅土和河流沖積物發(fā)育而來的耕地土壤pH變幅較大的原因。此外，坡度可通過改變成土物質(zhì)與水熱條件的再分配，從而引起土壤理化性質(zhì)的時空變異[27]。本研究結(jié)果表明，廣西扶綏縣耕地的土壤pH與坡度呈極顯著負相關(guān)，與王洪等[27]、雷寶佳[28]的研究結(jié)果一致。

土壤有機質(zhì)含量也是影響土壤pH變化的重要因素。有機質(zhì)具有很高的陽離子交換量，能減緩?fù)寥酪蚴┓室鸬臍潆x子增加而強烈改變土壤的pH，顯著提高土壤的緩沖性[29]。本研究結(jié)果表明，廣西扶綏縣的耕地土壤pH與有機質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)，與曹丹等[17]的研究結(jié)果一致。與施用化肥相比，增施有機肥對抑制土壤酸化具有較顯著的作用[30]，主要因為施入的有機肥能與鋁離子形成配合物，減少土壤中的交換性鋁離子量，從而緩解土壤酸化趨勢[19]。因此，針對廣西扶綏縣耕地的酸化趨勢，可通過加大有機肥的投入以提高土壤有機質(zhì)含量和改善土壤理化性質(zhì)，進而提升土壤肥力。

海拔對耕地土壤理化性質(zhì)也具有非常重要的影響，主要通過溫度、光、水、熱及母巖影響土壤發(fā)育[31]。在本研究中，廣西扶綏縣的耕地土壤pH與海拔呈極顯著負相關(guān)，與唐韻等[32]、王麗君等[34]的研究結(jié)果一致；回歸分析結(jié)果表明，海拔能解釋21.5%耕地土壤pH的空間變異?？梢?，廣西扶綏縣土壤酸化是多種因素共同作用的結(jié)果，其中海拔是影響廣西扶綏縣耕地土壤pH的主要因素。

4 結(jié) 論

與1980年相比，2020年廣西扶綏縣耕地的土壤pH總體上呈快速下降趨勢，其中，赤紅壤的pH降幅最大，第四紀紅土和河流沖積物土壤pH的空間變異最強；海拔是影響廣西扶綏縣耕地土壤pH變化的主要因素，須通過增施有機肥改善土壤性狀，進而有效調(diào)控土壤pH。