贵州省土壤ｐＨ时空变化趋势分析

黄至颖 刘鸿雁 冉晓追 王雪雯 蒲利明

摘 要：土壤酸化是全球生态环境面临的重要问题。通过搜集CNKI等数据库文献，选择1980—2018年贵州省各地州市耕地、林地和草地土壤pH为研究对象，利用文献分析方法，分析土壤pH时空变化规律及其影响因素。结果表明：在时间变化上，2010年代土壤pH均值相较于1980年代显著下降0.31个单位（P<0.05），土壤整体呈现酸化趋势，pH<6.5的土壤面积呈增加趋势，pH>7.5的土壤面积减少;在空间变化上，从1980年代至2010年代，黔西南州、黔东南州和遵义市土壤pH均值显著下降，除贵阳市、六盘水市和铜仁市外，其他地州市也呈现下降趋势，但未达到差异显著水平。气温升高导致淋溶强度大和2010年以前的酸雨是土壤pH整体下降的可能原因，化肥的施用是耕地土壤酸化的重要影响因素。

关键词：贵州;土壤pH;时间分布;空间分布;文献分析

中图分类号：S153.4文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2020）04-0021-09 国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2020.04.003

Abstract：Soil acidification is a major problem of global ecological environment. Gathering papers from CNKI and other databases， this paper chose soil pH of arable land， forest land and grassland in Guizhou from 1980 to 2018 as a research object to discuss the spatial and temporal distribution of soil pH. Results： from the perspective of temporal change， the mean soil pH decreased by 0.31 in 2010s compared with that in 1980s （P<0.05），in showed soil acidification general. The area with soil pH under 6.5 increased while the area with soil pH over 7.5 decreased. From the perspective of spatial change， the mean soil pH in Qianxinan， Qiandongnan and Zunyi decreased significantly from 1980s to 2010s. Except Guiyang， Liupanshui， and Tongren， soil pH in other cities declined as well but not significantly. Its speculated that strongly leaching caused by temperature rising and acid rain before 2010 were the reasons for the overall soil pH decline. Applying chemical fertilizers was an important factor of soil acidification on arable land.

Keywords：Guizhou; Soil pH;temporal distribution;spatial distribution;documentary analysis

我國的酸性土壤主要分布在长江以南的热带、亚热带地区，面积约为2.04×108hm2[1]。自然条件下，土壤酸化是一个速度非常缓慢的过程，不同的植被条件和气候环境下，土壤酸化程度不同，在降水量大的地区、寒湿条件下的森林区域土壤酸化更加强烈[2]。但是，最近几十年来，由于人为活动的影响，土壤的酸化进程大大加快。中国土壤酸化问题普遍严重，相较于二十世纪80 年代，2000年代全国农田土壤的pH 平均下降了0.5个单位（P<0.001），其中，大田作物农田中70%的土壤酸化是过量施氮造成的[3];相较于全国第二次土壤普查的数据，25年的集约化农业使得胶东半岛土壤pH平均下降了1.6个单位[4];中国北方的草地土壤pH在1980年代至2000年代之间总体下降了0.63个单位[5];而酸沉降是导致我国森林和草地生态系统土壤酸化的主要原因[2]。土壤pH变化会对土壤养分[6]、微生物群落[7-8]、重金属的迁移富集[9-11]等产生影响。分析土壤酸化的程度及原因对于土壤可持续利用具有重要意义。

现有的贵州省土壤pH研究有针对水稻土的，如西南地区（云贵川渝四省）水稻土pH在过去20～25年下降了0.4个单位[12]，遵义县稻田土壤pH随海拔升高而降低[13];有针对不同地区的，如毕节市耕地表层土壤pH以斑块状或条带状分布为主，土壤母质及土壤类型对土壤pH有显著影响[14];龙里林场湿地松林土壤pH高于熟化程度较低的马尾松林土壤[15];还有针对不同施肥条件的，如长期施用有机肥会提高黄壤pH，而长期施用化肥会降低黄壤pH[16-17]，在植烟土壤上长期施用化肥或有机肥化肥混施均会降低土壤pH[18]。全省尺度土壤pH在时间和空间上的分布和变化规律未见报道。本文以贵州省作为研究区域，从大数据分析的角度揭示1980年代以来土壤pH的时空变化趋势，并解析土壤酸化成因。

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

贵州省位于N24°27′～29°13′，E103°36′～109°35′之间，属亚热带湿润季风气候，平均海拔1100m，年降水量1100～1400mm，≥10℃积温为4000～5500℃，日照1200～1500h，土壤分布呈现出地带性特点，各市（州）均有较大面积的石灰土分布，其中，中部、北部地区以黄壤为主;西北部地区有黄棕壤、紫色土分布;东部、南部地区以红壤为主;海拔2500m以上高原山地有棕壤分布[19-20]。作为全国唯一没有平原支撑的喀斯特山区省，贵州省土壤资源数量缺乏，质量不高。理解贵州省的土壤pH的变化特征可以为贵州省土壤环境改善及农业可持续发展提供决策依据。

1.2 研究数据库的建立

本文基于文献分析贵州省1980年至2018年土壤pH的变化情况，文献选择及数据库建立是完成分析的重要步骤，也是决定分析质量的关键因素。本研究主要选择同行评审学术期刊发表的研究文献，在中国知网资源总库的中文期刊和Wiley Online Library中分别完成中英文文献的检索与收集。

本文研究区域为贵州省。研究时间段从1980年到2018年，共38年。由于土壤pH是许多试验的基础数据，所以在文献检索时设置检索条件为：全文检索“贵州省”+“土壤pH”，检索时间段为1980年1月1日～2018年12月31日，检索完成时间为2019年6月（英文文献搜索条件为：anywhere “Guizhou” +“soil pH”，publication date range “January 1980 to December 2018”）。

检索完成共获得无重复的文献14359篇，其中，中文文献14034篇，英文文献325篇。根据土壤样本的采样地点、采样时间和试验条件进行筛选，排除盆栽试验、酸雨模拟试验后的数据以及矿山等特殊地区的测定值，最终筛选获得符合条件的文献504篇，所含表层土壤pH信息共2451条。将数据统一编号，并提取文献所载地点、纬度、经度、采样时间、种植类型、土壤类型、土壤pH值、試验处理等信息，录入Excel 2010形成基础数据库。

由于1980年代的文献较少（共125条），故将全国第二次土壤普查所采集的贵州省表层土壤pH值数据录入上述基础数据库中，所涉及的二普数据全部来自中国土壤数据库（http：//vdb3.soil.csdb.cn/），包含数据共105条。

1.3 数据分析方法

本文讨论了贵州省土壤pH时间和空间分布变化特征。根据不同的分析需要，上述数据库筛选后可以建立新的数据子集（1～3）：数据子集1包含不同类型土壤pH信息，数据子集2包含不同土地利用方式下的土壤pH信息，数据子集3包含不同地州市土壤pH信息。由于每篇文献所载采样点基本信息不完全一致，且部分文献未记载采样点的地理位置信息，所以3个子集的样本总量有差异（表1）。运用R 3.5.3分析并作图，空间插值时采用克里金法、指数模型完成。图1为各时间段土壤采样点分布。

2 结果与分析

2.1 土壤pH时间分布特征

红壤，土壤pH均值1980年代至1990年代显著上升0.65个单位（P<0.01），1990年代至2010年代呈下降趋势，其中1990年代至2000年代土壤pH均值下降0.32个单位，但并不显著（P=020），2000年代至2010年代土壤pH均值显著下降0.75个单位（P<0.01）。相较于1980年代，2010年代红壤pH均值显著下降0.42个单位（P=0.02）。

黄壤，土壤pH均值1980年代至1990年代上升了0.29个单位，但变化并不显著（P=0.06），pH均值从1990年代至2010年代呈下降趋势，其中1990年代至2000年代土壤pH均值下降不显著（P=0.28），2000年代至2010年代土壤pH均值显著下降0.24个单位（P<0.01）。相较于1980年代，2010年代黄壤pH均值下降0.09个单位，但变化并不显著（P=0.50）。

黄棕壤，土壤pH均值总体呈下降趋势，但总体没有显著变化（P=0.15）。

石灰土，土壤pH均值总体呈上升趋势，1980年代至1990年代土壤pH均值下降0.03个单位，但变化并不显著（P=0.52），1990年代至2000年代土壤pH均值显著上升0.21个单位（P<0.01），2000年代至2010年代土壤pH均值下降0.04个单位，但变化并不显著（P=0.16）。相较于1980年代，2010年代石灰土pH均值上升了0.14个单位，但变化并不显著（P=0.06）。

黄、红壤性水稻土pH均值呈上升趋势，1980年代至1990年代黄、红壤性水稻土pH均值上升0.32个单位（P=0.16），1990年代至2000年代土壤pH均值上升0.32个单位（P=0.40），2000年代至2010年代土壤pH均值上升0.12个单位（P=0.60）。相较于1980年代，2010年代黄、红壤性水稻土pH均值显著上升0.76个单位（P<0.01）。

石灰性水稻土pH均值呈下降趋势，1980年代至1990年代石灰性水稻土pH均值显著下降0.29个单位（P=0.04），1990年代至2000年代土壤pH均值下降0.28个单位（P=0.44），2000年代至2010年代土壤pH均值下降0.33个单位（P=013）。相较于1980年代，2010年代石灰性水稻土pH均值显著下降0.90个单位（P<0.01）。

分类讨论耕地、林地和草地3种土地利用方式下土壤pH均值并利用非参数检验可以得出（表3）。

耕地土壤pH均值总体呈下降趋势，从1980年代至1990年代、1990年代至2000年代，农田土壤pH均值分别下降0.01（P=0.83）、0.22（P=007）个单位，但变化并不显著;2000年代至2010年代，耕地土壤pH显著下降0.54个单位（P<001）。相较于1980年代，2010年代耕地土壤pH均值显著下降0.77个单位（P<0.01）。

林地土壤pH均值总体呈下降趋势，1980年代至1990年代，林地土壤pH均值显著下降0.37个单位（P=0.02）;1990年代至2000年代，林地土壤pH均值上升0.38个单位，但变化不显著（P=016）;2000年代至2010年代，林地土壤pH显著下降0.43个单位（P<0.01）。相较于1980年代，2010年代林地土壤pH均值显著下降0.42个单位（P<0.01）。

草地土壤pH均值总体呈上升趋势，1980年代至1990年代，草地土壤pH均值上升0.40个单位，但变化不显著（P=0.17）;1990年代至2000年代，草地土壤pH均值显著上升0.81个单位（P<001）;2000年代至2010年代，草地土壤pH显著下降0.46个单位（P<0.01）。相较于1980年代，草地土壤pH均值在2000年代显著上升1.21个单位（P<0.01），在2010年代显著上升0.75个单位（P<0.01）。

2.2 土壤pH空间分布特征

从不同地区土壤pH箱型图（图5）来看，黔东南州土壤pH最低，其次是遵义市，土壤pH最高的为安顺市。结合土壤pH数值来看（图6），全省土壤pH≤7.5的占主要部分，pH>7.5的土壤主要分布在安顺市和黔西南州。

进一步比较9个市（州）1980年代以来土壤pH均值的变化情况，结果见表4。由表可知：1980年代，各市（州）土壤pH均值变化范围是5.60～721，1990年代均值变化范围是5.54～6.73，2000年代均值变化范围是5.51～7.25，2010年代均值变化范围是4.85～6.71，比较pH均值的下限呈下降趋势。具体分析各市（州）的均值变化情况，毕节市、六盘水市以及铜仁市3个市土壤pH均值在四个时间段内没有显著差异（P=0.99;P=0.46;P=058）;相较于1980年代，贵阳市（P<0.01）、六盘水市、铜仁市3个市2010年代的土壤pH均值上升，其余6个市（州）的土壤pH均值均表现为下降趋势，其中黔东南州、黔西南州以及遵义市3个市（州）2010年代的土壤pH均值显著下降（P<005）。

利用空间插值法绘制各时间段的土壤pH图时结合表1和图1信息可知，1980年代、1990年代采样点较少，且分布不均匀，所以绘制不同时间段土壤pH分布图时，将1980年代及1990年代的数据合并绘制2000年以前土壤pH分布情况（图7）。

总体来看，近40年以来，贵州省土壤pH>7.5的分布区域呈减少的趋势（即图中深灰色区域），同时pH<6.5的土壤分布区域呈增加趋势（即图中灰色、浅灰色区域），贵州省土壤呈现酸化趋势，这与前文所得结论一致。分区域来看：

西南地区（主要对应黔西南州）在2000年代以前土壤pH较高，可能与采样点较少有关，所以着重比较2000年代及2010年代的数据，土壤pH分布由2000年代的深灰色（pH值在7～8之间）逐渐变为2010年代的灰色（pH值在5～6之间），与显著性分析结果一致;

中、东部地区（主要对应黔东南州）的数据分布点较为密集，随着时间推移，深灰色（pH值在6～7之间）区域面积减少，而浅灰色（pH值在4～5之间）区域面积增加，与显著性分析结果一致。

2.3 土壤pH时空变化原因解析

2.3.1 土壤酸化的自然进程

研究区域1980年以来在时空变化上呈现显著酸化的特点。一般来说，引起土壤酸化的原因有两方面：一是自然条件下土壤淋溶作用会导致交换性盐基阳离子淋失;二是人为活动使得大量外源H+进入土壤，例如酸沉降、地表水酸化、化肥施用以及土地利用方式等[23]。

绘制贵州省1980年以来平均气温和降水量逐年变化（图8）可以得出，1980年以来，贵州省年均气温呈上升趋势，降水量年际变化趋势不明显，多年平均降水量约为1184.7mm[24-25]。温度和降水

2.3.2 酸雨对土壤pH的影響

1998年，贵州省有6个市被划为酸雨控制区，至2010年代前，贵州省酸雨问题较为严重。通过绘制贵州省降水pH逐年变化（图9）可以得出，贵州省降水pH均值下限呈上升趋势，2012年以前贵州省降水pH均值下限在5.6以下[27]。由于酸雨将大量的SO2-4、NO-3和NH+4带入土体，使得土体中的盐基阳离子淋失，加速土壤酸化的过程[28]。

2.3.3 不同类型肥料对土壤pH的影响效应

大量的试验表明，施用肥料会导致土壤pH下降[3，8，29-31]，但施用化肥或有机肥的影响效应不同，有试验显示长期施用化肥会使土壤pH下降，而长期施用有机肥可以提高土壤pH[16-17]，也有试验表明长期施用化肥或者混合有机肥施用均会导致土壤pH下降[18]。

本文利用基础数据库中54条含有施肥试验的pH数据，通过对现有的贵州省施肥前后土壤pH进行再次统计分析，分别比较单施化肥（M）、单施有机肥（NPK）、有机肥化肥混施（NPKM）三类情况结合我省1980年以来化肥消耗量（图11）来看，相较于1980年我省化肥年消耗量增长约3倍（1980年20.8万吨，2018年89.59万吨），而农作物播种面积增长约1倍（1980年284.5万公顷，2018年547.716万公顷，以上数据均来自国家统计局网站http：//data.stats.gov.cn/）。化肥对土壤pH具有显著负效应，因此化肥消耗量的迅速增长可能是导致我省土壤酸化的原因，但由于缺少有机肥消耗量的相关数据，化肥施用对贵州省土壤酸化的影响大小还需要进一步的研究。

3 结论与讨论

本文以贵州省作为研究区域，利用文献分析的方法统计分析了近四十年来贵州省表层土壤pH的时空变化规律，并进行原因解析。但在研究中还存在一些问题和困难，限于收集的文献质量，部分试验研究数据有所缺失（如土样的土壤类型、采样点的地理位置信息和田间管理信息等），且样点分布不均匀，因此，本文所得出的结论有一定的局限性，不能准确反映出贵州省土壤pH的变化特征。

但总体来看，研究区域土壤从1980年代以来仍呈现出显著酸化的特点。基于收集到的文献数据，本文主要研究结论如下：

从时间变化来看，相较于1980年代，2010年代贵州省土壤pH均值显著下降0.31个单位（P<0.05），红壤和石灰性水稻土pH均值显著下降，黄、红壤性水稻土pH均值显著上升。

从空间变化来看，相较于1980年代，贵州省pH<6.5的土壤面积呈增加趋势，pH>7.5的土壤面积呈减少趋势，其中黔东南州、黔西南州和遵义市土壤pH均值显著下降。从土地利用方式来看，耕地和林地土壤pH均值均显著下降。

导致研究区域土壤酸化的原因包括三方面：一是气候变化，年均气温升高导致淋溶强度大，加速土壤酸化的自然进程;二是环境污染，贵州省2010年以前的酸雨是加剧土壤酸化的可能原因;三是施肥效应，单独施用化肥会导致土壤pH显著降低，在实际生产中可选择施用有机肥、或有机肥和化肥混施来防止土壤酸化。

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