仪征市农田土壤pH值时空变化特征分析

吴政 李文西 高晖

摘要    农田土壤酸化造成土壤肥力下降，威胁着粮食安全。本研究以仪征市为例，选取1984年、1994年、2005年和2014年具有代表性的农田土壤样点pH值化验数据，运用GIS的空间插值方法和重心偏移模型，分析30年间仪征市农田土壤pH值的时空变化趋势。结果表明，仪征市的农田土壤pH值降低，呈现酸化趋势;仪征市的农田土壤pH值重心向西南方向偏移。研究结果可为控制农田土壤酸化提供参考。

关键词    农田土壤;pH值;时空变化特征;江苏仪征

中图分类号    S153        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）20-0172-02                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

土壤酸化是世界范围内普遍存在的农业问题，影响着世界40%耕地的作物生产[1]。中国的酸性土壤主要分布在长江以南的广大热带和亚热带地区以及云贵川等地，面积约为 2.04亿hm2，主要集中在湖南、江西、福建、浙江、广东、广西、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，而且酸性土壤面積还在扩大，土壤酸度还在升高。近几十年来，随着我国工业的快速发展，酸性气体大量排放，酸性沉降物对环境的影响不断增加，造成我国南方地区酸沉降的频率和强度增加[2]。目前，我国南方黄红壤地区已成为世界上除北美和欧洲之外的第三大酸雨区。我国南方大部分酸性土壤的黏土矿物以高岭土为主，阳离子交换量较低，对酸的缓冲能力较寒温带土壤小得多。此外，我国南方大部分酸性土壤盐基饱和度较低，为25%左右，正处于土壤缓冲力较小的范围，这些因素使得我国南方大面积红、黄壤的酸缓冲力较弱，容易发生酸化，对这类土壤酸化的问题应引起高度重视。

仪征市水资源较丰富，具备农业生产条件，同时区域优势明显，具备完善的水陆交通条件，工业、化工、现代服务业发展迅猛，对农田生态系统的稳定造成了严重的威胁。本研究以仪征市为例，研究1984—2014年仪征市农田土壤pH值的时空变化趋势，以期为协调工业发展与粮食安全提供参考。

1    材料与方法

1.1    研究区域概况

仪征市地处长江三角洲的顶端，江淮丘陵的尾闾，跨越长江和淮河两大水系，由谢集三里至古井一线为分水岭。西界南京市六合区，东临扬州市邗江区，北接高邮湖西，西北与安徽天长市接壤，南临长江，与江宁、句容、丹徒隔江相望，地理位置处于东经119°02′～119°22′，北纬32°14′～32°36′之间，在行政区划上隶属于江苏省扬州市。全市地域范围约857 km2（不包括长江水域）。境内主要地貌类型有丘陵、沙砾石岗地、黄土岗地、河谷平原、沿江平原。区内农业生产以水稻—小麦轮作为主，一年两熟制，部分地区实行水稻—油菜轮作。

1.2    数据来源

本研究对比分析了1984年、1994年、2005年和2014年4个时期仪征市农田土壤pH值变化趋势。1984年土壤pH值数据来源于第二次土壤普查;1994年土壤pH值数据来源于土壤普查;2005年土壤pH值数据来源于农业部测土配方施肥数据;2014年土壤pH值数据来源于仪征市耕地地力评价数据库。农田土壤点位数据采用GPS定位技术定位，采用非网格随机法取样，在整个县域范围内采集了耕层土壤（0～20 cm）的土样，每个取样点的土壤样品由多个点混合经四分法提取而成，取样点分布于各乡镇，所采的土壤样品类型包括了仪征市土壤的所有类型，代表性广。采集的土壤样品在实验室风干后，采用双电极法测定土壤样品的pH值。

1.3    研究方法

本研究的分析方法主要有GIS空间插值方法和重心转移模型。

1.3.1    GIS空间插值。在Arcgis10.2软件中，利用IDW插值方法，得到覆盖整个研究区域的不同时期的土壤pH值分布图。IDW插值方式是一种加权平均的插值法，可进行确切或圆滑的方式插值，该方法适用于小范围、局部性研究。pH值分级参照第二次土壤普查的分级标准与研究区域情况，将土壤pH值分为4级：4.5～5.5为1级，酸性;5.5～6.5为2级，弱酸性;6.5～7.5为3级，中性;7.5～8.5为4级，弱碱性。

1.3.2    重心偏移模型。该模型能揭示pH值在不同时期的空间变化方向[3]。通过计算土壤pH值各级别重心坐标，模拟仪征市土壤pH值的变化趋势与方向，计算公式如下：

Xt=∑Ati·Xi /∑Ati（1）

Yt=∑Ati·Yi /∑Ati（2）

式中Xt、Yt分别表示t年土壤pH值中心的经纬度坐标（单位：°）;Ati表示第i个pH级别农田土壤图斑的面积（单位：hm2）;Xti、Yti表示第i个pH级别农田土壤图斑的经纬度坐标（单位：°）。

2    结果与分析

2.1    仪征市农田土壤pH值时间变化

对比分析1984年、1994年、2005年、2014年4个时期农田土壤样点pH值数据，结果表明，随着时间推移，仪征市农田土壤pH值在0.05水平上显著降低，酸化趋势明显，其中1984年农田土壤pH值为6.62±0.80;1994年农田土壤pH值为6.43±0.71;2004年农田土壤pH值为6.15±0.80;2014年农田土壤pH值为6.08±0.67（图1）。

2.2    仪征市农田土壤pH值空间变化

空间插值是一种基于有限个已知点的数值，通过距离或空间关系，预测出其他位置近视值的方法，可基于点位数据实现区域数据预测。在Arcgis10.2中利用IDW插值方法，得到4个时期仪征市农田土壤pH值分布图（图2）。可以看出，仪征市北部和东南部，农田土壤pH值从3级降为2级，出现了较为明显的农田土壤酸化趋势。根据第二次土壤普查中土壤pH值分级标准，得到不同时期不同pH值分级的面积比例，如表1所示。可以看出，30年间仪征市农田土壤主要集中在5.5～6.5之间。对比1984年和2014年的不同pH值分级面积比例，pH值为2级的面积比例由1984年的60.10%上升到2014年的79.80%;pH值为3级的面积比例由1984年的23.60%降低到2014年的13.52%。

重心偏移模型的计算结果如图3所示，整体来说，1984—2014年仪征市的农田土壤pH值重心在仪征市的中部，马集镇的秦桥村和新民村。30年间，农田土壤pH值重心有向西南方向偏移的趋势，主要原因在于：1984年，仪征市的农田土壤pH值空间分布情况为北部和东南部以中性pH值为主，中部地区为弱酸性，pH值重心处于仪征市中部偏东的方向;到2014年，由于30年間北部和西南部的农田土壤pH值降低，整个区域以弱酸性为主，pH值重心处于仪征市中部。在Arcgis10.2中度量农田土壤pH值重心偏移距离显示：1984—1994年间，仪征市农田土壤pH值重心向东北方向偏移约206 m;1994—2005年间，仪征市农田土壤pH值重心向西南方向偏移约183 m;2005—2014年间，仪征市农田土壤pH重心向西南方向偏移约104 m。

3    结论与讨论

30年间，仪征市农田土壤pH值降低，呈现酸化趋势，这与王志刚等[1]对1980年和2003年江苏省土壤pH值的时空变化研究结论一致，农田土壤酸化是人类活动和自然因素共同作用的结果，人类活动主要包括不合理的施肥方式、土地利用方式转变和农田管理模式，自然因素主要为工业化和城镇化过程中造成的酸雨。汪吉东等[2]的研究表明，不合理施用化肥会加速农田土壤酸化，笔者对仪征市的农户施肥行为进行调研，发现20世纪80—90年代，仪征市农户有机肥投入较大，有机肥的来源主要包括猪粪和紫云英。但从20世纪90年代起，由于从事生猪养殖的农户越来越少，农户对农田有机肥的投入开始减少。21世纪初，虽然江苏省积极推广测土配方施肥，但是农户普遍认为测土配方施肥推荐的施肥量和施肥类型成本大于习惯施肥方式，实际只有不到20%的农户采用测土配方施肥技术。肥料选择上农户长期施用低含量复合肥主要成分为氯化钾、氯化铵、过磷酸钙，这些生理酸性肥料的长期大量施用，由于水解作用，或因其中铵、钾离子交换出土壤胶粒吸附的氢、铝离子，亦或NH4+的硝化作用产生H+而使农田土壤变酸[2]。

有学者研究发现，酸雨是加速农田土壤酸化的主要驱动因素[4]。还有学者研究表明，燃煤型和燃油型混合是造成仪征主城区2006—2010年属于酸雨区的主要原因[7];仪征市环保监测数据显示，自1996—2010年，仪征市主城区的平均酸雨概率为29.48%，调整产业结构，控制工业污染排放，有利于控制仪征市农田土壤酸化[5-7]。

通过GIS分析仪征市不同时期农田土壤pH值的时空变化，结果表明，30年间，仪征市农田土壤pH值下降，呈现酸化趋势，酸化区域主要集中在仪征市的北部和东南部;在Arcgis10.2平台上运用空间插值和重心偏移方法，结果表明，30年间仪征市的农田土壤pH值重心呈现向西南方向偏移的趋势。

4    参考文献

[1] 王志刚，赵永存，廖启林，等.近20年来江苏省土壤pH值时空变化及其驱动力[J].生态学报，2008（2）：720-727.

[2] 汪吉东，许仙菊，宁运旺，等.土壤加速酸化的主要农业驱动因素研究进展[J].土壤，2015，47（4）：627-633.

[3] 李伟峰，叶英聪，朱安繁，等.近30a江西省农田土壤pH时空变化及其与酸雨和施肥量间关系[J].自然资源学报，2017，32（11）：1942-1953.

[4] 周碧青，邱龙霞，张黎明，等.基于灰色关联-结构方程模型的土壤酸化驱动因子研究[J].土壤学报，2018，55（5）：1233-1242.

[5] 惠学香.扬州地区酸雨现状及成因分析[J].环境监控与预警，2013，5（1）：43-46.

[6] 许新辉，郜洪文.中国南方酸雨的分布特征及其成因分析[J].四川环境，2011，30（4）：135-139.

[7] 吴洪颜，罗梦森，王伟丽，等.江苏省酸性降水的时空分布特征[J].环境科学与技术，2013，36（1）：187-191.