四川盆地近40年降雨量對耕層土壤pH時空變化的影響

代釬里,白銀萍,2 , 劉建亮, 黃 晶,王尹佳,廖達航, 劉國通, 楊 剛

(1.西南科技大學生命科學與工程學院,四川 綿陽 621000;2.西南科技大學環(huán)境與資源學院,四川 綿陽 621000;3.中國科學院成都生物研究所山地生態(tài)恢復與生物資源利用重點實驗室,成都 610041;4.中國科學院四川若爾蓋濕地生態(tài)研究站,四川 紅原 624400)

【研究意義】pH作為耕層土壤重要的化學質量評價指標,影響著作物養(yǎng)分吸收和有益微生物群落結構,同時也影響著耕層土壤中金屬元素存在狀態(tài)和電子轉移狀態(tài),在整個耕層土壤生態(tài)環(huán)境中扮演著重要角色[1-3]。耕層土壤pH一般與成土母質pH相近,氣候環(huán)境、土壤地質構造、人為利用方式等是影響pH的重要因素[4]。自然條件下,土壤pH產生一個量級的變化是很漫長的過程。但近年來,我國土壤pH整體上呈現南酸北堿的格局,特別是在南方地區(qū)土壤酸化現象日益顯現[5-6]。四川省位于我國西南地區(qū),整體上呈耕層土壤酸化走勢,四川常有的酸雨天氣進一步加劇了耕層土壤酸化程度,特別是降雨量較大時,淋溶和徑流增加,導致鈣離子流失,但相對穩(wěn)定的鋁離子卻能夠積累,使耕層土壤pH緩慢下降[7-8]。本研究以四川盆地1980年第二次土壤普查數據為基礎,結合四川地區(qū)降雨量數據,以四川盆地中典型的水稻土和紫色土作為研究對象,分析討論耕層土壤pH時空變化及其與區(qū)域降雨量之間的關系,在揭示大環(huán)境因子對土壤酸化的影響方面具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】耕層土壤pH在一個地域內的分布具有一定整體規(guī)律性,四川盆地天然的“凹”字地形成為了典型的區(qū)域性[9]。耕層土壤pH變化作為一個量值會受到多重因素的影響,進而在時間和空間上表現出特定的變化。通過對比研究近35年成都平原0～20 cm表層土壤pH變化,發(fā)現平均下降了1.20,并指出不同土壤類型對pH空間變異影響較大[10]。以四川盆地仁壽縣耕層土壤為研究對象,發(fā)現成土母質可解釋76.2%的土壤pH空間變異,并強調隨著土壤分類等級降低其解釋土壤pH空間變異性越高[11]。對四川盆地南部地區(qū)耕層土壤pH空間變化研究發(fā)現,沙溪廟組紫色砂泥巖下發(fā)育的淹育型水稻土pH在空間尺度上下降較快[12]。對其它地區(qū)研究發(fā)現,耕層土壤的坡向、海拔、土地利用格局及酸雨等因素在時空上對耕層土壤pH變化有相關影響[13-15]。有學者指出土壤pH最終會受環(huán)境強迫控制,并表明當年平均降雨量超過年平均潛在蒸散量時,土壤會呈現酸化現象[16]。對火山土壤研究發(fā)現降雨量與pH變化有相關性,當年降雨量超過1400 mm時,土壤中堿性陽離子和Si損失殆盡,而Al3+僅損失60%,進而使土壤pH快速下降[17]。對近30年中國農田土壤pH時空演變的研究發(fā)現,年均降雨量變化是造成pH差異的最主要因素[18]。此外,降雨量的增加往往加劇了氮沉降,進而造成土壤酸化的負面影響。然而,耕層土壤在長期降雨量所引起的淹水與排水條件下,其pH變化會有所不同[19],因此,在前人研究基礎之上,本研究認為年降雨量的變化勢必對耕層土壤pH變化帶來影響。【本研究切入點】目前,四川盆地耕層土壤pH變化研究集中在土壤母質、土壤利用模式、土壤施肥方式等空間變異影響,而該地區(qū)長期降雨量對耕層土壤pH時空變化的研究相對較少。因此,以整個四川盆地為研究區(qū)域,在大范圍內揭示四川耕層土壤pH時空變化特征至關重要?！緮M解決的關鍵問題】本研究通過野外實地采樣和收集近年部分土樣數據,為揭示40年四川盆地耕層土壤pH時空變化特征提供數據支撐。采用土壤學專業(yè)知識的方法(PKB)和地統(tǒng)計方法對比分析,應用常規(guī)統(tǒng)計、方差和回歸分析等方法,闡明40年四川盆地降雨量對耕層土壤pH變化帶來的影響差異和影響程度,為四川盆地土壤酸化治理提供科學理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

四川盆地是我國四大盆地之一,盆地自西向東分為成都平原、川中丘陵和川東平行嶺谷[20]。盆地內地表巖石多為紫紅色砂巖和頁巖,風化形成的紫色土被譽為“中國最肥沃的自然土”[21]。本研究區(qū)選定為四川省盆地區(qū)域,由于行政區(qū)域劃分,盆地區(qū)域不包含原四川省重慶市。地理坐標為28°10′ ～32°25′ N和101°56′～108°32′ E,人口約7300萬,面積1.8×105km2,平均海拔400 m,地貌以平原和丘陵為主,年均溫度16～18 ℃,屬亞熱帶季風性濕潤氣候。四川盆地年降雨量豐富,達1000～1300 mm,但分布不均勻,降雨量集中于6—10月,夜雨占雨量的60%～70%以上。盆地內地勢低洼區(qū)域排水較差,部分山區(qū)泥土流失也較為嚴重,盆地內有岷江、沱江、嘉陵江、涪江等長江支流。耕層作物以水稻、油菜、玉米、紅苕為主,耕層類型包括灌溉水田、旱地、水旱輪作地等。

1.2 樣品采集與處理

四川盆地耕層土壤以紫色土和水稻土為主,占總耕層土壤面積的77.75%,本研究選擇以紫色土和水稻土為研究對象。根據《四川土種志》[22]記錄所有的水稻土種與紫色土種的剖面位置信息,于2021年5—10月進行實地采樣(圖1),計100份(0～20 cm)表層樣品,每個采樣點按蛇形采樣法采集5處,用四分法去除余土后裝袋,記錄經緯度和樣點土地利用方式。

圖1 研究區(qū)域及采樣點分布

考慮到所采集樣品偏酸性較多,本研究采用水提pH(中性和堿性樣品)和鹽提pH(酸性樣品)方法,即稱取過篩2 mm 的風干土樣 10 g,加入25 mL去離子水或濃度為 1 mol/L的KCl溶液,攪拌1 min,靜置30 min后用玻璃電極法測定pH。

1.3 數據來源與處理

1980年耕層土壤pH引自《四川土種志》[22],共計100份(0～20 cm)pH數據。由于1980年第二次土壤普查的樣點數據沒有經緯度信息,難以利用地統(tǒng)計方法進行插值,故本研究采用土壤學專業(yè)知識的方法(PKB),即根據土類的剖面信息,找到剖面的位置信息所對應圖斑,賦上相應的pH,得到1980年耕層土壤pH分布圖,剖面和圖斑信息來自《1∶100萬中國土壤數據庫》[23]。2021年采集土壤數據采用GS+9.0軟件進行半方差分析,確定半方差模型和優(yōu)化參數,后用Arcgis 10.8軟件帶入上述模型和參數進行普通克里金法插值,得到2021年耕層土壤pH分布圖。同上,將2個時期pH相減進行插值,得到耕層土壤pH變化分布圖。

1980—2020年四川盆地降雨數據來自資源環(huán)境科學與數據中心(https://www.resdc.cn/Default.aspx),共99個氣象站點信息,按坐標位置信息以地級市為單位進行歸納統(tǒng)計,用Arcgis 10.8軟件采用反距離權重法進行插值,得到40年來四川盆地降雨量平均分布圖。

常規(guī)統(tǒng)計分析、方差分析、回歸分析均在SPSS 25.0軟件中進行。方差分析用于判斷降雨量對耕層土壤pH變化是否有顯著性差異,回歸分析的校正決定系數來判定降雨量對耕層土壤pH變化影響程度。

2 結果與分析

2.1 不同時段耕層土壤pH統(tǒng)計與時空變化分析

兩時段四川盆地耕層土壤酸堿性分布情況為盆地邊緣地區(qū)多為酸性耕層土壤,中部地區(qū)多為堿性耕層土壤,兩者過渡地區(qū)則多為中性耕層土壤。對比1980年和2021年pH分布圖,耕層土壤酸化趨勢是由盆地邊緣向中部地區(qū)逐步收斂,其中在過渡地區(qū)耕層土壤酸化較為明顯(圖2)。

圖2 各時段pH分布及pH差值

1980年耕層土壤pH變化范圍為4.5～8.6,小于5.0、5.0～5.5、5.5～6.0、6.0～6.5、6.5～7.0、7.0～7.5、大于8.0分別占樣本數的5.1%、9.0%、11.5%、6.5%、19.3%、12.8%、39.7%、15.4%,平均值為7.0,中位數為7.3,變異系數為15.4%,屬中等程度的空間變異(圖2-a)。從正態(tài)分布看:偏度為-0.6,峰度為-0.8,呈負偏態(tài)分布。2021年耕層土壤pH變化范圍為4.2～8.2,小于5.0、5.0～5.5、5.5～6.0、6.0～6.5、6.5～7.0、7.0～7.5、大于8.0分別占樣本數的6.1%、8.2%、10.2%、23.5%、16.3%、18.3%、10.2%、2.0%,平均值為6.4,中位數為6.5,變異系數為16.7%,屬中等程度的空間變異(圖2-b)。從正態(tài)分布看:偏度為-0.3,峰度為-0.7,呈負偏態(tài)分布。兩時段的耕層土壤pH分布都為盆地中部偏北地區(qū)較高,盆地邊緣地帶耕層土壤pH相對較低。對比兩時段pH數據,四川盆地耕層土壤pH平均下降0.7,耕層土壤酸化趨勢在盆地東北部、東南部和成都平原地區(qū)較為明顯(圖2-c)。

對2021年耕層土壤pH進行半方差分析(表1)得出,指數模型的決定系數最大且殘差較小的高斯模型是理想的普通克里金法插值模型。其中塊金值為0.66,表明存在著一定采樣和其它隨機性誤差。塊基比為58.1%(小于75%),說明研究區(qū)耕層pH空間變異受到人為和自然環(huán)境雙重影響作用。變程為8.6 km,意味著耕層土壤pH空間自相關性較弱,外部環(huán)境隨機性因素影響較大。這一結果與成都平原測得0～20 cm土壤pH半方差分析結果較為一致[10]。

表1 2021年耕層土壤半方差模型及參數

2.2 四川盆地降雨量統(tǒng)計分析

40年來,四川盆地除了1997年和2006年降雨量低于900 mm,其余年份基本維持在900～1300 mm,其中2020年達到40年來年降雨量峰值(1279 mm),并有繼續(xù)上升的走勢(圖3)。通過四川盆地40年平均降雨量分布圖看出,盆地各地區(qū)降雨量分布不均勻。降雨量較高的地區(qū)包括盆地東北部地區(qū)和盆地西南部地區(qū),如達州市40年來年平均降雨量達1234 mm(圖3)。降雨量較低地區(qū)在四川西北部,如綿陽市40年來年平均降雨量僅為942 mm。四川盆地中部地區(qū)降雨量也相對較少,如成都市、遂寧市、資陽市北部地區(qū)。對比pH差值分布(圖2-a)和40年平均年降雨量分布(圖4),可以看出降雨量多的地區(qū)土壤酸化現象嚴重,如研究中達州市耕層土壤pH平均下降1.0,高于整個盆地耕層土壤pH下降平均值,而達州市降雨量為四川盆地中最高區(qū)域之一。相反,綿陽市年降雨量較少,耕層土壤酸化現象不明顯。

圖4 40年來四川盆地平均年降雨分布

2.3 降雨量對耕層土壤影響分析

Slessarev等[16]指出盡管其它因素(如:土地利用、母質地形、巖石化學)也可能打破土壤pH平衡,但大范圍內環(huán)境影響似乎是主導因素。本研究以四川盆地各地級市40年來降雨量來作為影響因素,將2個時段pH差值作為因變量,以此來探討四川盆地耕層土壤酸化的影響?？紤]到方差分析中組內均無差異,本研究將40年年降雨量劃分為5個降雨量等級,即1180 mm以上(Ⅰ)、1180～1100 mm(Ⅱ)、1100～1050 mm(Ⅲ)、1000～1050 mm(Ⅳ)、1000 mm以下(Ⅴ),樣點數較少的市域不計入統(tǒng)計內(表2)。

表2 降雨量等級劃分

方差分析結果(表3)顯示,整體而言40年來年降雨量對四川盆地土壤pH酸化有顯著影響(P<0.05),但F值偏小,可能由于本次樣本數較少造成。盆地內年降雨量較大的地區(qū),耕層土壤酸化更明顯,如達州市、雅安市。相反,年雨量較小的地區(qū),耕層土壤酸化不明顯,如綿陽市。根據降雨量等級,不同地區(qū)年降雨量相差達到100 mm以上時,土壤酸化程度有所不同,如降雨量等級為Ⅰ區(qū)域和Ⅲ、Ⅴ區(qū)域有顯著差異(P<0.05),年降雨相差50 mm內無顯著差異,如降雨量等級I區(qū)域和Ⅱ區(qū)域、Ⅲ區(qū)域和Ⅳ區(qū)域、Ⅳ和Ⅴ區(qū)域。但降雨量等級Ⅳ區(qū)域與其它區(qū)域無顯著差異,其中降雨量等級Ⅳ區(qū)域的成都市耕層土壤pH平均下降1.0,這與同Ⅳ區(qū)域廣元市相比較為特殊。本研究將降雨量等級Ⅳ區(qū)域的成都市做為特殊值剔除后,發(fā)現降雨量等級Ⅳ區(qū)域與Ⅰ、Ⅱ區(qū)域有顯著差異(表4,P<0.05)。降雨量等級為Ⅲ區(qū)域的南充市耕層土壤pH分別下降0.4,比該區(qū)域其它市耕層土壤pH下降幅度小,但是對比40年來四川盆地平均年降雨量分布(圖4),南充市的部分區(qū)域40年來年降雨量相差達到100 mm以上。以降雨量等級劃分來看,解釋了其降雨量等級為Ⅲ和Ⅴ區(qū)域無顯著差異。

表3 整體方差分析

表4 剔除特殊地區(qū)方差分析

對各地40年年均降雨量和pH時空差值進行回歸分析結果(圖5-a)表明,40年來降雨量對pH變化有顯著影響(P<0.05),整體上隨降雨量增多耕層土壤酸化程度越明顯。但年降雨量對pH時空變化的解釋能力僅為41%,未達到理想的50%以上,這一結果也佐證了方差分析中出現的降雨量等級為Ⅳ區(qū)域。同理,將降雨量等級Ⅳ區(qū)域的成都市做為特殊值剔除后做回歸分析,其年降雨量對pH時空變化的解釋能力達到61%,且40年來降雨量對pH變化有極顯著影響(P<0.01)(圖5-b)。觀察40年四川盆地平均年降雨量分布(圖4),部分地級市內降雨量相差100 mm以上,可以推測若以縣級區(qū)域劃分,其年降雨量對pH時空變化的解釋能力將進一步提高。

a. 整體回歸分析;b. 剔除特殊地區(qū)回歸分析。

3 討 論

3.1 四川盆地耕層土壤pH變化

3.2 四川盆地降雨量對耕層土壤pH的影響

1980—2020年四川盆地平均年降雨量在900～1300 mm,高于全國大部分的省份。但40年來四川盆地內降雨量分布區(qū)域不均勻,降雨量較多集中分布在盆地東北部和西南部的山地邊緣地帶,這可能與盆地邊緣山地相對的熱低壓與盆地內相對的冷高壓所形成的環(huán)流有關[31]。40年來四川盆地降雨量分布與此前研究1961—2008年四川省逐日降雨量分布吻合[32]。其中達州市年降雨量達到1234 mm,綿陽市年降雨量僅950 mm。

回歸分析表明四川盆地隨降雨量的增多,耕層土壤酸化越明顯。但是校正決定系數為41%,對其影響pH時空變化解釋能力相對較低,分析認為部分地級市區(qū)域的降雨量相差較大及特殊的市域影響較大,在剔除這部分影響后其pH時空變化解釋能力達到61%。本研究中,研究人員注意到四川盆地內有部分城鎮(zhèn)周邊耕層土壤pH也呈上升趨勢,城鎮(zhèn)化建設對原有土體的破壞可能是另一方面造成時空解釋能力不高的原因,比如工程中利用蓋挖逆作施工方法向周圍土體注入大量的Ca物質造成局部地區(qū)土壤pH上升。同時,本研究未考慮到降雨蒸散量和耕層施氮量,正如過往研究中所發(fā)現當年平均降雨量開始超過年平均潛在蒸散量時,土壤pH會突然從堿性過渡到酸性,降雨量與耕層施氮量之間的相互關系影響著耕層土壤pH變化[7, 16]。但從總體上看,四川盆地降雨量在時空尺度上對土壤酸化有著直接影響。

4 結 論

40年來四川盆地兩時期的耕層土壤pH變化范圍同屬中等程度空間變異,時空上四川盆地耕層土壤pH平均下降0.7。40年來降雨量數據得出降雨量對耕層土壤酸化有顯著影響,并隨降雨量的增大耕層土壤酸化加劇。當不同市域年平均降雨量超過100 mm時,市域間的耕層土壤酸化程度表現出明顯的差異性。盆地內經濟發(fā)達地區(qū)降雨量對其影響不明顯,也側面印證耕層土壤pH在時空變化中降雨量不是唯一的影響因素,城鎮(zhèn)化建設帶來的負面影響可能是重要原因。但整體而言,四川盆地長時間降雨量的變化影響著耕層土壤酸化時空進程,或許這種時空進程在不同地區(qū)、不同時間段有著不同表現。因此,應該長期關注降雨量變化,對土壤酸化治理是一種可參考的選項。當然,本研究僅覆蓋了四川盆地典型代表的紫色土種和水稻土種,對結果有一定誤差,但整體降雨量對耕層土壤pH影響趨勢是肯定的。接下來,有必要繼續(xù)收集四川盆地縣級區(qū)域的其它土種數據和相關信息繼續(xù)完善耕層土壤pH時空變化的插值精度。