張正棟, 楊春紅

(1.華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣州 501631；2.惠陽中山中學(xué)，惠州 516211)

土壤是農(nóng)作物種植發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著人口迅速增長、工業(yè)化和城市化的步伐加快，區(qū)域人口-資源-環(huán)境之間的矛盾越顯突出[1]，土壤資源的數(shù)量逐漸減少[2]，促使土地質(zhì)量的保持及提高更顯重要.土壤質(zhì)量是土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，以及形成這些性質(zhì)的一些重要過程的綜合體[3].隨著環(huán)境問題增多，土壤酸化問題的研究也越來越受重視[4].土壤pH是反映土壤活性酸的重要指標(biāo)，對土壤有效養(yǎng)分有重要的影響；土壤pH不同，其供肥和植物的生長發(fā)育狀況存在差異[5].土壤酸化不僅使土壤中營養(yǎng)元素流失， 而且使土壤中各種金屬和重金屬化合物的溶解度增加，加大重金屬元素對環(huán)境的危害，致使土地質(zhì)量持續(xù)惡化[6]，研究土壤pH時空特征，了解區(qū)域土壤酸度結(jié)構(gòu)及其酸化狀況有助于土壤質(zhì)量及結(jié)構(gòu)的保持和優(yōu)化，為區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考.基于縣域的農(nóng)業(yè)土壤表層pH的研究更是豐富了土壤研究等相關(guān)領(lǐng)域的案例.

地處珠江流域北江上游粵北山區(qū)的翁源縣，是廣東省的農(nóng)業(yè)大縣，長期的農(nóng)業(yè)活動改變了土壤的質(zhì)量狀況.本文基于1982—1984年翁源縣第2次土壤普查數(shù)據(jù)、2007—2008年的翁源縣農(nóng)業(yè)測土配方施肥土壤采樣數(shù)據(jù)及2011年研究組實地采樣調(diào)查數(shù)據(jù)，借助excel 2010、spss 18.0統(tǒng)計及arcgis 9.3等相關(guān)軟件，探討近30年來翁源縣土壤表層(深度為0～20 cm)pH的時空變化特征及其影響因素，以期為翁源縣工農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供決策參考.

1 研究區(qū)域概況

北江是珠江三大支流之一，主流湞水發(fā)源于江西省信豐縣，西南流，在廣東韶關(guān)與發(fā)源于湖南省的武水交匯后稱北江.源于廣東省翁源縣的滃江是北江主要支流(圖1).翁源縣位于韶關(guān)市東南部，東與連平縣相連，南與新豐縣交界，西與英德市、曲江區(qū)接壤，北與始興縣、江西省毗鄰，東經(jīng)113°39′2″至114°18′5″，北緯24°07′30″至24°37′15″.轄7鎮(zhèn)1場156村委會，總面積2.22×105hm2，其中耕地面積1.9×104hm2，有林地面積1.63×105hm2.屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，以山地和盆地為主，山地面積約占全縣總面積80%，地層發(fā)育較為完整，自老到新地質(zhì)年代有前泥盆系、泥盆系、石炭系、上三疊系、下侏羅系、上白堊系、第三系和第四系.由于自然環(huán)境復(fù)雜，成土母質(zhì)多樣，土壤類型也豐富.除水稻土等人為土壤外，主要土壤類型包括黃壤、紅壤、赤紅壤、紅色石灰土、黑色石灰土、紫色土等(來源于翁源縣志).

近年來翁源縣加快發(fā)展速度，擴大工業(yè)總量，已引進水泥、金屬等多種項目；注重培育第三產(chǎn)業(yè)，積極發(fā)展九曲水生態(tài)旅游度假村等生態(tài)旅游；繼續(xù)加快農(nóng)業(yè)發(fā)展步伐，打造三華李、九仙桃等農(nóng)業(yè)特色品牌；加大城鎮(zhèn)建設(shè)投入，完善道路交通狀況改善城鄉(xiāng)面貌.2011年，翁源縣全年地區(qū)生產(chǎn)總值50.1億元，比上年增長15.1%，其中農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值24.89億元，產(chǎn)值占總產(chǎn)值的近一半(來源于翁源縣國民經(jīng)濟和社會發(fā)展報告).

圖1 翁源縣區(qū)位圖

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 基礎(chǔ)圖件和數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)圖件包括廣東省1∶5萬土壤類型圖、翁源縣行政區(qū)圖等在arcgis 9.3中生成翁源縣的土壤類型(圖2).

圖2 翁源縣土壤類型圖

研究數(shù)據(jù)主要來自：(1)翁源縣第2次土壤普查成果——《廣東省翁源縣土壤普查報告書》(1982—1984年，下稱“1982年”)中的 84 個典型土壤剖面數(shù)據(jù)，包括土壤剖面表層的pH、各土種面積、樣點位置等數(shù)據(jù).(2)翁源縣農(nóng)業(yè)部門為測土配方施肥項目土壤采樣數(shù)據(jù)(2007—2008年，采樣深度為 0～20 cm).(3)2011年研究組針對典型農(nóng)業(yè)區(qū)的土壤進行實地土壤采樣及其檢測數(shù)據(jù)和農(nóng)戶訪問資料.本研究從測土配方數(shù)據(jù)中選取與第2次土壤普查數(shù)據(jù)樣點相近的樣點土壤pH等屬性數(shù)據(jù)，部分特殊點采用2011年采樣檢測數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)年份以2011年簡稱)(圖3).

圖3 翁源縣采樣點分布

2.2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

首先，利用spss 18.0對1982年和2011年土壤表層pH數(shù)據(jù)進行簡單的統(tǒng)計分析，分析其平均值、極值、變異系數(shù)等屬性.其次，在arcgis 9.3中進一步對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，實現(xiàn)普通克里格插值，將數(shù)據(jù)落實到空間上.第三，根據(jù)土壤類型，通過該土種占土屬的面積比例為權(quán)重求出相應(yīng)土屬的表層pH，以此類推，計算出土壤亞類、土壤類型及全縣土壤表層pH平均值.同理，根據(jù)第2次土壤普查土地利用分類，計算出山地、旱地和水田不同土地利用結(jié)構(gòu)pH的平均值.

pH分級采用第2次土壤普查中的分級方法，將土壤分為6級：強酸性(<4.5)、酸性(4.5～5.5)、微酸性(5.5～6.5)、中性(6.5～7.5)、微堿性(7.5～8.5)和堿性(>8.5)[2, 7].

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤酸度結(jié)構(gòu)及其變化

1982年和2011年土壤酸度結(jié)構(gòu)如圖4所示.1982年，pH<4.5的樣點僅2.4%，比例最??；pH4.5～5.5的樣點占35.3%，pH5.5～6.5的樣點占36.5%，兩者合計達72%的比例；pH6.5～7.5的樣點所占比例為14.1%，pH7.5～8.5的樣點所占比例為10.6%，pH>8.5的樣點僅占1.2%.2011年，全部樣點pH均在4.5～8.5，pH4.5～5.5的樣點占44.7%，pH5.5～6.5的樣點占44.7%，兩者合計達90%；pH6.5～7.5的樣點所占比例為7.1%，pH7.5～8.5的樣點所占比例為3.6%. 2011年研究區(qū)土壤表層pH比1982年更加集中于酸性和微酸性2個級別，強酸性和堿性2個級別的比例較小且減小到0，說明30年來研究區(qū)土壤酸度結(jié)構(gòu)有所改善.其次，酸性和微酸性比例上升，中性和微堿性比例下降，從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上反應(yīng)了研究區(qū)土壤有酸化的趨勢.

圖4 土壤酸度結(jié)構(gòu)

在spss 18.0中對土壤表層pH進行常規(guī)統(tǒng)計分析(表1).1982年pH變化范圍為3.7～9.0，平均值為5.99；2011年pH變化范圍為4.9～8.2，平均值為5.66；從平均值的角度比較，30年來的土壤pH有所下降，即有輕微的酸化.從變異系數(shù)比較，1982年和2011年pH變異強度均較大，說明研究區(qū)內(nèi)pH分布不均勻，且空間分布差異增大.

3.2 時空分布特征

在arcgis 9.3中進行普通克里格插值，結(jié)果如圖5、6所示.1982年翁源縣pH總體東高西低，以龍仙鎮(zhèn)為最高中心區(qū)并以官渡鎮(zhèn)為次一級高值中心；到2011年，則呈現(xiàn)南高北低的形勢，以官渡鎮(zhèn)南部為最高級中心并以龍仙鎮(zhèn)為次一級中心.由此可見30年來官渡鎮(zhèn)和周陂鎮(zhèn)土壤表層酸化現(xiàn)象有所改善，而龍仙鎮(zhèn)則有酸化的趨勢.研究區(qū)大部分范圍土壤表層為酸性和微酸性，且這2個酸度級別所占面積明顯增加.尤其是翁城鎮(zhèn)和新江鎮(zhèn)南部的部分地區(qū)，從微酸性變?yōu)樗嵝裕峄F(xiàn)象明顯.從空間上反應(yīng)出研究區(qū)酸化的范圍有擴大的趨勢.

表1 翁源縣表層土壤pH統(tǒng)計特征Table 1 Statistical characteristics of soil pH in Wengyuan County

圖5 1982年翁源縣表層土壤pH

圖6 2011年翁源縣表層土壤pH

3.3 不同類型土壤及土地利用的土壤表層pH及其變化

以各樣點土壤類型面積占總面積的比重為權(quán)重，計算出1982年和2011年翁源縣土壤類型表層土壤的pH平均值及其變化量(表2).1982年各土壤類型中pH最高為紅色石灰土(pH 7.03)，其次是菜園地和潮砂泥土；最低的是赤紅壤(pH 4.47)，其次是黃壤.2011年各土壤類型中pH最高為紫色土(pH 5.96)，其次是黑色石灰土和菜園地；最低的是赤紅壤和黃壤. 30年來水稻土、菜園地、潮砂泥土有酸化的趨勢，而黃壤、紅壤、赤紅壤、紫色土pH有所上升.其中變化量較大的是紅色石灰土(-1.43)，水稻土次之(-0.48).

表2 翁源縣不同類型土壤pHTable 2 pH value of different kinds of soil in Wengyuan

以各土地利用類型面積占總面積的比重為權(quán)重，計算1982年和2011年翁源縣山地、旱地和水田土壤表層的pH平均值及其變化量.30年來山地pH由4.82到5.06升高了0.24，酸化現(xiàn)象有所改善.旱地和水田pH由6.12到5.7和6.07到5.6分別下降了0.42和0.47，均有明顯的酸化趨勢.

4 翁源縣土壤表層pH時空變化的影響因素

土壤在一定的成土因素作用下都具有一定的酸堿度范圍，隨著成土因素的改變，土壤的pH也發(fā)生相應(yīng)的變化.自然因子對土壤的影響是長期復(fù)雜的過程，是影響pH的基礎(chǔ)性因素，也是大范圍土壤pH分布規(guī)律形成的主導(dǎo)因素；人為因子對土壤pH的影響是相對短期、快速的，而且對土壤pH的影響一般是局部的[8].總之，自然因素是決定區(qū)域土壤pH空間分布的主要因子，而人為活動則是一定時期內(nèi)影響區(qū)域pH變化的主要因子.在特定的農(nóng)業(yè)區(qū)，自然因子和人為因子長期對土壤產(chǎn)生綜合的影響，而在一定時期，某些因子往往會成為影響土壤pH的主導(dǎo)因素[8].自然因子包括土壤類型(成土母質(zhì))、地形、氣候和植被等因素，其中土壤類型是與土壤pH密切相關(guān)的.人為因子方面，目前多數(shù)研究主要探討農(nóng)業(yè)施肥措施、土地利用方式、工業(yè)化及城市化等因素.另外，也有不少研究涉及到土壤元素[3]和酸雨[8]對土壤酸化的影響.本文結(jié)合研究區(qū)的特殊情況分別從土壤類型、土地利用方式、農(nóng)業(yè)施肥措施等方面探討30年來影響翁源縣土壤表層pH時空變化的主要因素.

4.1 土壤類型多樣

由于自然環(huán)境復(fù)雜，成土母質(zhì)多樣，翁源縣土壤類型豐富，主要有黃壤、紅壤、赤紅壤、紅色石灰土、黑色石灰土、紫色土及水稻土等.黃壤分布于海拔700 m以上的中山中上部和低山上部，濕度大，鹽基飽和低，富鋁化作用較弱，酸性較強.紅壤分布于北部紅壤區(qū)海拔700 m以下和南部赤紅壤區(qū)海拔400～700 m的山區(qū)，多含鐵、鋁成分，酸性強.赤土壤土層深厚，有機質(zhì)層中等疏松，速效磷鉀缺乏，酸性.紅色石灰土有機質(zhì)厚度中等，疏松，質(zhì)地為中壤，堿性.黑色石灰土由石灰?guī)r風(fēng)化發(fā)育而成，中性.紫色土由紫色土砂頁巖風(fēng)化發(fā)育而成，分為酸性和堿性兩類.水稻土有機質(zhì)、氮、磷含量較高，但耕層淺薄，缺鉀，偏酸.本研究計算的1982和2011年翁源縣各土壤類型土壤表層酸堿度顯示，水稻土呈微酸，黃壤、紅壤、赤紅壤均為酸性，紅色石灰土為中性，黑色石灰土和紫色土為微酸性.計算結(jié)果所評價的土壤酸堿度級別基本上與各類型土壤酸堿度相符合，在一定程度上反映了土壤類型對土壤酸堿度級別的決定性作用，翁源縣土壤類型對其土壤表層pH起著基礎(chǔ)性的作用.

4.2 農(nóng)業(yè)施肥措施增加

土壤長期使用大量的化肥，對土壤pH影響較大[9-10].化肥尤其是氮肥的廣泛施用及使用量的連年增加是導(dǎo)致土壤pH大范圍下降的主要原因[11].

根據(jù)《廣東省翁源縣土壤普查報告書》，1982年翁源縣農(nóng)業(yè)施肥主要為牛豬等糞便有機肥料，化肥施用量較少.《廣東省翁源縣國民經(jīng)濟統(tǒng)計資料》(1991年、2001—2009年)記錄1991年以來翁源縣化肥施用量(圖7).30年來翁源縣農(nóng)業(yè)施肥化肥用量從上世紀(jì)80年代開始少量施用，隨后施用量連年增加，尤其是上世紀(jì)90年代出現(xiàn)大幅度增加的情況，1991—2001年10年間化肥使用量增加了近2 500 t.相比之下2001—2009年化肥施用量則逐年穩(wěn)定增加，增加量不大.2011年的土壤采樣及農(nóng)戶調(diào)查資料顯示，翁源縣化肥主要是氮肥、鉀肥、磷肥及復(fù)合肥等品種.化肥尤其是氮肥進入土壤后，被作物選擇性吸收，并殘留大量H+，當(dāng)H+富集到突破土壤自身的緩沖能力時，土壤pH就表現(xiàn)為降低[11].農(nóng)業(yè)種植活動主要作用于土壤表層，即耕作層，因此，農(nóng)業(yè)施用的化肥也主要是土壤耕作層.翁源縣化肥的使用范圍逐漸擴大及使用量連年增加是導(dǎo)致土壤表層酸化和土壤酸性和微酸性級別范圍擴大的原因之一.

圖7 1991—2009年翁源縣農(nóng)業(yè)化肥施用量

Figure 7 Agricultural fertilizer of Wengyuan County from 1991 to 2009

4.3 土地利用方式

除了農(nóng)業(yè)活動對土壤pH有影響外，大量的研究表明工業(yè)化和城市化及農(nóng)業(yè)內(nèi)部活動的改變等原因?qū)е碌耐恋乩煤屯恋馗采w變化對土壤pH也有一定的影響.工廠排放酸性廢棄物可以導(dǎo)致土壤pH下降，城市建筑水泥、石灰殘渣等建筑充填物、煤灰等堿性垃圾物質(zhì)進入土壤也可能導(dǎo)致土壤pH升高，長期的農(nóng)業(yè)活動可能導(dǎo)致pH下降[12].也有相關(guān)研究報道，茶園土壤酸化比較突出[13],自然生草不同生長階段對土壤pH有不同的影響[14].翁源縣主體功能區(qū)劃報告顯示，翁源縣第一產(chǎn)業(yè)主要集中北部和中部江尾鎮(zhèn)、北部的新江鎮(zhèn)和壩子鎮(zhèn)，江尾鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)值最大，壩仔鎮(zhèn)有較大規(guī)模的茶園種植、加工廠.翁源縣第二產(chǎn)業(yè)分布主要以翁城為中心，在翁源西部形成了新興工業(yè)發(fā)展中心，已有化工廠、水泥廠、危險品處理中心等工業(yè)項目.另外，相關(guān)研究報道翁源縣北部在新江鎮(zhèn)上壩村等地方受大寶山酸性礦水的污染比較突出[15-16].而本研究的關(guān)于土壤pH空間分布圖顯示，翁源縣土壤pH總體呈現(xiàn)東高西低，南高北低的趨勢，且30年來本部地區(qū)酸化現(xiàn)象比較突出，與翁源縣工農(nóng)業(yè)布局及其變化趨勢相符合.在北部尤其是茶園地區(qū)的東北部和工業(yè)園區(qū)迅速發(fā)展的西北部地區(qū)土壤pH較低且酸化現(xiàn)象明顯.在粵北工業(yè)重鎮(zhèn)官渡鎮(zhèn)，隨著開發(fā)區(qū)的建設(shè)，城市化發(fā)展迅速，建筑廢棄水泥、磚塊等和其他堿性物質(zhì)進入周圍土壤后釋放其所含的Ca，經(jīng)過一系列反應(yīng)后最終可能導(dǎo)致土壤pH升高[2]，這是導(dǎo)致翁源縣西南部翁城鎮(zhèn)土壤pH升高的原因之一.

此外，也有不少研究探討酸雨與土壤酸化的關(guān)系[17-18]，認(rèn)為酸雨是導(dǎo)致土壤酸化的主要原因之一.而據(jù)翁源縣環(huán)境質(zhì)量報告顯示，2005年以來翁源縣降水pH雖然持續(xù)下降，從2005年的6.55下降到6.05，均在6.05以上，不屬于酸雨定義范圍，而且酸雨的頻率保持在2.3%左右，即酸雨現(xiàn)象暫不明顯.所以本文暫不探討酸雨與土壤酸化問題.

5 結(jié)論

土壤酸化是土壤退化的表現(xiàn)之一，影響土壤肥力狀況，也影響作物正常生長.研究土壤pH時空變化特征，及時掌握農(nóng)業(yè)土壤酸度，可為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考.本文結(jié)合數(shù)據(jù)分析和地理信息系統(tǒng)空間分析手段，分別從土壤表層酸堿度級別、土壤類型、土地利用類型等多個角度來分析研究區(qū)土壤pH的時空分布特征規(guī)律，再從土壤類型、土地利用方式、農(nóng)業(yè)施肥措施等多方面分析影響土壤pH的因素.翁源縣土壤表層pH總體南高北低、東高西低，總體有酸化的趨勢.30年來水稻土、菜園地、潮砂泥土有酸化的趨勢，而黃壤、紅壤、赤紅壤、紫色土pH有所上升，旱地和水田均有酸化的趨勢.關(guān)于土壤酸化對工農(nóng)業(yè)可能造成的影響極其影響情況是接下來可以進行探討的問題.

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