我国人均耕地面积不足0.093 hm², 不但耕地面积少, 而且地力低下^[1]。随着经济的快速发展, 我国耕地质量下降的问题日益凸显, 呈现南酸化北盐碱。土壤pH是影响土壤质量的一个重要化学指标, 不仅影响植物对土壤养分的吸收^[2], 还影响土壤中Cu、Zn、Fe、Mn等金属元素的价态、迁移与转化^[3]。研究发现土壤pH为6.5~7.5有利于作物对各种营养元素的吸收利用与生长发育^[4]。pH过低或过高都不利于养分吸收, 易造成肥料浪费, 使土壤失去耕种价值, 例如过酸会引起土壤板结、土壤微生物数量减少、不利于有机物分解等问题。

原农业部测土配方施肥数据显示, 与30年前相比, 南方14省(区、市)土壤pH小于6.5的比例由52%扩大至65%, 土壤pH小于5.5的比例由20%扩大至40%, 土壤pH小于4.5的比例由1%扩大至4%^[5]。我国盐渍化面积约3460万hm², 其中盐碱耕地面积760万hm², 近20%耕地发生盐碱化^[6], 尤其是西北地区, 碱化面积17.033万hm², 盐渍化面积占全国耕地盐碱化面积的27.19%。近年来, 随着现代化农业的快速发展, 3S技术在农业中的应用也越来越广泛^[7-8], 基于地统计学和ArcGIS的土壤pH的时空变异性逐渐成为研究的热点。如胡敏等^[9]以第2次土壤普查和耕地质量评价两个不同时期湖北省恩施州土壤pH数据为基础, 对恩施州耕地土壤pH近30年时空变化的研究表明, 1983—2013年恩施州土壤受肥料结构、配比变化及高产作物收获带走大量盐基养分等人为因素影响呈酸化趋势; 张维等^[10]应用地统计学方法, 分析了四川省仁寿县表层土壤pH的空间变异特征, 研究发现土地利用方式、成土母质和土壤类型是显著影响该区域土壤pH空间变异的因素; 刘付程等^[11]运用地统计学方法研究了1980s—2000年太湖流域典型区域土壤pH的时空变异特征, 在化学肥料大量施用和工业污染物排放的影响下导致该区域土壤总体呈酸化趋势; 李婷等^[12]利用1982年和2002年两个时期数据分析成都平原土壤pH的时空变异特征, 研究表明受成土母质、土地利用方式、施肥措施和工业发展的影响, 成都平原土壤pH呈整体下降趋势。

陕西省作为我国古老农业的发祥地之一, 也是重要的粮食生产基地。第2次土壤普查后陕西省耕层土壤pH空间分布的研究多局限于县域尺度, 全省尺度的研究鲜有报道。此外, 与前人研究^[10-12]相比, 本研究采用了GS+与ArcGIS相结合的地统计方法获取精准的空间分布特征, 且进行了空间尺度上和时间尺度上变化特征的双重研究, 使得该研究更为全面科学。随着化学肥料的大量施用, 在全国耕层土壤南酸化北盐碱的大背景下, 南北跨度大、地形地貌复杂的陕西省耕层土壤pH时空如何变化? 其变化主控因素是什么? 这些问题都不清楚。为此, 本文以陕西省为研究对象, 探讨该区域耕地土壤pH的时空变异特征及其影响因素, 旨在厘清全省土壤酸化碱化状况, 为调节土壤酸碱度、合理利用土地资源提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

陕西省位于我国西北部内陆腹地(105°29′~ 111°15′E, 31°42′~39°35′N), 南北长约880 km, 东西宽约160~490 km, 土地总面积占全国总面积的2.14%。陕西省自北向南划分为陕北黄土高原、关中平原和陕南秦巴山区。陕北黄土高原海拔900~1900 m, 约占全省面积的45%; 关中平原海拔460~850 m, 约占全省面积的19%; 秦岭以南为秦巴山区, 海拔多在1000~3000 m, 约占全省面积的36%^[13]。由于南北跨度大, 全省气候差异明显, 长城沿线以北为温带干旱半干旱气候, 陕北其余地区和关中平原为暖温带半干旱或半湿润气候, 陕南盆地为亚热带湿润气候, 山地多为暖温带湿润气候。全省年平均气温7~16 ℃, 其中陕北7~11 ℃, 关中11~13 ℃, 陕南多在14~15 ℃。陕西省是全国水资源最紧缺的省份之一, 外流河流域面积占全省面积的97.7%。全省平均降水量653 mm, 陕北水资源严重缺乏, 关中水资源短缺, 陕南水资源丰富。陕西省土地利用类型包括耕地、园地、草地、林地及建设用地等, 全省常用耕地面积为3010.52×10³ hm², 其中水田138.23×10³ hm², 水浇地971.35×10³ hm²。全省共有22个土类, 49个亚类, 134个土属, 403个土种。其中, 风沙土、黄绵土、土、水稻土、潮土、新积土、沼泽土、盐碱土等是陕西省的主要地域性土壤。

1.2 样品采集及测定

样品采集时间为2016年10月到2017年3月(秋收后播种前), 利用GPS记录研究区域内采样点的经纬度, 同时记录样点土壤类型和海拔高度, 每10 km设置一个面积为10 m×10 m的采样单元, 采用五点布局法取0~20 cm耕层土壤样品混匀, 并取2 kg混合土壤样品装入干净的塑封袋保存, 于4 ℃条件下带回实验室保存作后续分析。共计采样705份, 其中陕北地区258份, 关中地区211份, 陕南地区236份。土壤采样点分布如图 1所示。土壤样品经风干、研磨、去杂、过筛后, 采用2.5∶1水土比为浸提-pH计法测定pH^[13]。

1.3 数据分析

数据来源: 坡度、海拔、坡向等地形因子数据借助ArcGIS 10.2从DEM图提取(DEM数据来源于地理空间数据云网站http://www.gscloud.cn/), 陕西省1980s土壤pH占比比例、分级标准、土壤类型均来自《陕西土壤》^[14](表 1), 陕西省肥料施用量数据来自《陕西省统计年鉴》(http://tjj.shaanxi.gov.cn/tjsj/) 表 2)。

采用Excel 2016和SPSS 22.0软件对数据进行常规统计分析和正态检验, 单因素方差分析(ANOVA)和皮尔森(Pearson)相关性分析均在SPSS 22.0中实现, 采用GS+9.0得出陕西省分区耕层土壤pH的最佳拟合理论模型, 采用ArcGIS 10.2全局墨兰指数(Moran’s I指数)进行空间自相关分析, 普通克里格(Ordinary Kriging)方法进行空间插值分析与制图。

2 结果与分析 2.1 陕西省耕层土壤pH描述统计

陕北耕层土壤pH范围为7.68~8.72, 延安市耕层土壤pH显著高于榆林市(P < 0.05)。关中耕层土壤pH范围为6.85~8.81, 铜川、渭南、咸阳之间的耕层土壤pH不存在显著性差异, 但均显著高于宝鸡市耕层土壤pH (P < 0.05)。陕南耕层土壤pH范围为4.3~7.79, 各市耕层土壤pH排列顺序为商洛 > 安康 > 汉中, 且均差异显著(P < 0.05)。除汉中市耕层土壤pH呈中等程度变异外, 陕西省其余各市变异系数均低于10%, 都表现为弱变异。依据陕西省土壤pH分级标准, 陕北和关中地区各市耕层土壤pH均对应等级5级, 土壤呈弱碱性; 陕南地区的安康市和汉中市耕层土壤pH对应等级3级, 土壤呈弱酸性, 商洛市耕层土壤pH对应等级4级, 呈中性(表 3)。

2.2 陕西省耕层土壤pH分级时间变化特征

2017年陕北和关中地区各市的耕层土壤中弱碱性土面积占比最大, 陕南地区汉中市耕层土壤的弱酸性土面积占比最大, 这一分级面积占比结果与1980s时期第2次土壤普查规律一致; 2017年陕南地区安康市和商洛市的耕层土壤中面积占比最大的均为中性土, 但1980s时期安康市弱酸性土面积占比最大, 商洛市弱碱性土面积占比最大(图 2)。1980s—2017年陕西省各市耕层土壤pH分级占比均存在不同程度的变幅。与1980s相比, 2017年榆林市弱碱性土和碱性土比例分别下降1.6%和2.5%, 中性土增加4.1%, 耕层土壤pH整体上变幅不大, 呈现碱性减弱的趋势。延安市碱性土比例上涨16.7%, 而弱碱性土与中性土占比均下降, 耕层土壤pH整体上变幅较大, 呈现碱性增强的趋势。铜川市和咸阳市中性土比例分别下降5.3%和1.5%, 弱碱性土比例分别上升5.3%和1.8%。渭南市弱酸性土面积占比下降6.2%, 而中性土、弱碱性土和碱性土占比涨幅依次为4.5%、0.9%和0.8%。西安市弱酸性土占比下降8.5%, 宝鸡市弱酸性土占比下降23.4%。关中各市耕层土壤都呈碱性增强的趋势, 此外, 除宝鸡市外, 其余各市的耕层土壤pH变幅都较小。商洛市中性土占比涨幅为48.1%, 弱碱性土占比下降39.6%; 安康市弱酸性土占比涨幅为23.4%, 中性土和弱碱性土占比分别下降8.2%、12.2%。汉中市酸性土占比涨幅为22.2%, 弱碱性土占比下降13.1%。陕南各市耕层土壤均呈酸性增强的趋势, 且变幅都较大。

2.3 陕西省耕层土壤pH空间分布特征

变量具有空间自相关性是地统计插值的前提条件, 陕北、关中和陕南地区耕层土壤pH的Z得分分别为3.437、7.817和14.257, 对应概率P均小于0.01, 说明陕北、关中及陕南地区耕层土壤pH都具有极强的空间聚集性。此外, 三者对应的莫兰指数均为正数, 说明3个地区耕层土壤pH均具有空间正相关性(表 4)。

借助GS+软件精确计算和比较各个半变异函数模型, 从而选出最适宜的模型用于插值分析。结果表明, 陕北和陕南耕层土壤pH的最佳拟合模型为线性模型, 关中为高斯模型, 三者残差均接近于0, 拟合优度R²接近1, 表明该函数拟合效果较好。关中和陕南地区耕层土壤pH块金系数为25%~75%, 表现为中等强度的空间相关性, 说明关中和陕南耕层土壤pH同时受结构性因素和随机因素的双重影响, 陕北地区耕层土壤pH块金系数低于25%, 说明该地区空间相关性较强, 结构性因素占主导(表 5)。

陕北地区耕层土壤pH整体呈零星斑状分布, 榆林市南部耕层土壤pH整体低于北部, 其中榆阳区东北部、神木县及府谷县耕层土壤pH偏高, 而米脂县、佳县、子洲县及定边县耕层土壤pH相比其他县域较低。延安市耕层土壤pH整体偏高, 子长县、安塞县、黄陵县、延川县、延长县及宝塔区耕层土壤pH最高, 而洛川县、黄龙县、甘泉县及富县东部区域耕层土壤pH偏低(图 3a)。陕北地区各市下属所有区县耕层土壤pH均值都在7.5~8.5范围内, 呈弱碱性。关中地区耕层土壤pH整体呈西部低于东部的特点, 西安市南部耕层土壤pH整体低于北部, 蓝田县、长安区、户县及周至县土壤pH较低。宝鸡市麟游县、岐山县及凤翔县局部耕层土壤pH较高, 铜川耕层土壤整体偏高, 咸阳市旬邑县及武功县土壤pH较低, 渭南市蒲城县、韩城、华阴、潼关等区域耕层土壤pH较低(图 3b)。关中地区各市下属大多区县耕层土壤都呈弱碱性, 仅渭南市(潼关县)、西安市(周至县、蓝田县)、宝鸡市(眉县、太白县、凤县、陈仓区和陇县)县域土壤呈中性。陕南地区耕层土壤pH整体上东部高于西部, 商洛市东北部(洛南县、商州区、丹凤县)耕层土壤pH较西南区域偏低, 安康市西部土壤pH低于东部, 汉中市耕层土壤pH自西向东先减后增(图 3c)。陕南地区各市下属大多区县耕层土壤pH均值都在5.5~6.5范围内, 呈弱酸性, 其中安康市(平利县、旬阳县)、汉中市(佛坪县)、商洛市(商南县、山阳县、镇安县)县域土壤呈中性, 汉中市(勉县)土壤呈酸性。

2.4 陕西省耕层土壤pH的影响因素

坡度可以通过改变成土物质与水热条件的再分配, 从而引起土壤理化性质的时空变异。陕西省Ⅴ级坡度(> 25°)耕地面积最大, 各级坡度土壤pH变异系数均大于10%, 属于中等变异。Ⅰ级坡度耕地土壤呈弱碱性, 其余均呈中性。安康市平均坡度最大, 渭南市平均坡度最小(表 6)。方差分析结果表明, Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级坡度土壤pH差异不显著, 其余均有显著性差异(P < 0.05)。Pearson相关分析表明(表 7), 耕层土壤pH与坡度显著负相关, 随着坡度的增加, pH减小, 与前人研究结论一致^[15]。

海拔高度对耕地土壤理化性质也有着非常重要的影响, 主要通过温度、光、水、热以及母岩影响土壤的发育^[16]。陕西省各地貌类型中, 秦岭山地区平均海拔最高, 关中地区平均海拔最低, 陕北地区介于二者之间。Pearson相关分析表明(表 7), 耕层土壤pH与海拔显著正相关, 随着海拔高度的升高, 土壤pH呈上升趋势, 与王艳艳等^[17]结论一致。陕西省平均海拔1127 m, 全省平均海拔最高为宝鸡市, 约为1351 m, 平均海拔最低的是渭南市, 约为675 m。海拔800 m以下土壤pH呈中性, 800 m以上都呈弱碱性。海拔1000 m以下呈中等变异, 1000 m以上变异系数低于10%, 呈弱变异(表 8)。方差分析结果表明, 在1000~1200 m与 > 1200 m海拔梯度的土壤pH显著高于其余海拔梯度(P < 0.05)。

不同的土壤类型对酸化的缓冲能力不同, 如氧化铁含量低的黄棕壤对酸的抑制能力较弱。陕西土壤种类众多, 共有17种典型土壤类型, 不同土壤类型pH值存在差异(表 9), 这主要取决于其成土母质。pH由大到小排列顺序为: 风沙土 > 黄绵土 > 黑垆土 > 土 > 新积土 > 潮土 > 珊瑚砂土 > 石质土 > 粗骨土 > 褐土 > 棕壤 > 水稻土 > 紫色土 > 黄褐土 > 黄棕壤 > 沼泽土。其中风沙土、风沙土、黄绵土、黑垆土、土、新积土、潮土、珊瑚砂土pH均值分布为7.5~8.5, 呈弱碱性; 粗骨土、褐土、棕壤、水稻土pH均值分布为6.5~7.5, 呈中性; 紫色土、黄褐土、黄棕壤、沼泽土pH均值分布为5.5~6.5, 呈弱酸性。从变异程度来看, 沼泽土、粗骨土、石质土、珊瑚砂土、黄棕壤和褐土表现为中等程度的空间变异性, 而其余土壤类型pH变异系数在10%~100%范围内, 为弱变异性。

3 讨论

本研究结果表明陕西省耕层土壤pH整体呈北部高于南部的空间分布特征, 这一特征与中国土壤“南酸北碱, 沿海偏酸, 内陆偏碱”的长期形成与发育规律一致。土壤pH的变化通常受自然因素和人为因素的双重影响^[18-19]。陕北地区耕层土壤pH主要受结构性因素, 如成土母质、土壤类型、地形因子等的影响较大, 该区域以石灰性土壤为主, 缓冲容量较强的碳酸盐是主要的pH的缓冲体系, pH本底值较高。榆林市北部位于风沙区, 土壤类型主要为风沙土, 土质疏松, 土壤风化侵蚀严重, 肥力低下, 导致榆林市耕层土壤pH北部高于南部。陕南和关中地区耕层土壤pH受结构性因素和随机因素的双重影响, 土和褐土是关中主要的农业土壤, 土耕种历史最久、有机肥施用最多, 经过长期耕种, 缓冲能力变大, 一定程度上可以有效抑制土壤酸化。黄褐土、黄棕壤为陕南主要土壤类型, pH本底值较低, 氧化铁含量低的黄棕壤对酸的抑制能力较弱^[20], 该区域土壤易酸化。另外, 陕西省降水量由南向北递减, 陕南为多雨地区, 陕北降雨最少, 当降雨量大于蒸发量时, 土壤淋溶作用增强, 土壤溶液中的交换性盐基阳离子极易下渗, 盐基饱和度下降, H⁺取而代之, 酸碱平衡会遭到破坏, 如常年降雨量较大的陕南地区土壤pH较低^[21-22]; 当降雨量小于蒸发量时, 盐基阳离子富集于土壤表面, 易造成土壤盐碱化^[23], 如降雨量较小的陕北地区耕层土壤pH较高。

近40年来陕西省耕层土壤整体上呈酸化趋势, 陕南耕层土壤呈酸化趋势。pH每变化1个单位往往需要非常漫长的时间, 所以较短时间内pH的剧烈变化主要受人为因素的干扰。Guo等^[24]研究表明, 中国农田土壤pH在1990—2000年期间下降了0.13~0.80个单位, 尤其是20世纪90年代有加速下降的趋势, 与本研究陕西省耕层土壤整体酸化这一结果吻合。1987—2017年陕西省氮磷钾肥施用量呈逐年增加趋势, 2017年陕西省化肥施用量是1987年的5.32倍(表 2), 化学肥料的施用是引起土壤酸化的重要原因之一^[24]。氮磷钾肥投入比例严重失调, 偏施氮磷肥, 忽视钙、镁等碱性元素及微量元素的施用也会导致土壤pH发生改变; 盲目施肥, 长期施用硫基和氯基复合肥料, 导致土壤pH降低, 引起土壤酸化; 大量使用化学肥料, 忽视了有机肥的施用, 造成土壤有机质减少, 缓冲能力降低, 导致耕地土壤向酸性方向发展^[25]。其中铵态氮肥的施用是加速土壤酸化的重要原因, 施入土壤中的铵离子会通过硝化反应释放出大量氢离子^[21]。另外, 本研究发现陕北和关中耕层土壤呈碱化趋势, 据农业农村部耕地质量检测保护中心统计结果表明, 近10年酸性土壤的占比均有所下降, 这一结论与本研究结果吻合^[26]。众多研究表明秸秆还田可以改良土壤酸度^[27-30], 因为秸秆收获时带走大量的碱性物质。秸秆还田不仅可以直接缓解土壤酸化程度, 还可以增加土壤养分和有机质含量、提高土壤缓冲性能, 进而间接缓解土壤酸化。此前, 为了解决耕地生产力低与人口不断增加的供需矛盾, 陕西省通过增加复种指数及大量推广高产品种增加粮食产量, 导致土壤中钾、钙、镁等矿质离子过度消耗^[31]。近年来, 陕西省多数地区开始推广秸秆还田, 同时全面实施测土配方技术, 积极响应化肥零增长方案, 施肥虽然仍以氮磷钾肥为主, 但有机肥比例也大幅增加, 矿质离子得到有效的补充, 土壤养分均衡, 土壤酸化程度得到明显改善。

4 结论

陕北耕层土壤pH呈零星斑状空间分布, 主要为弱碱性土, 与1980s相比, 土壤呈碱化趋势; 关中耕层土壤pH空间分布特征为东部高于西部, 主要为弱碱性土, 与1980s相比, 土壤呈碱化趋势; 陕南耕层土壤pH空间分布特征为东部高于西部, 中性土和弱酸性土占比最大, 与1980s相比, 土壤呈酸化趋势; 陕西省耕层土壤pH整体呈北部高于南部的空间分布特征, 弱碱性土占比最大, 与1980s相比, 土壤呈酸化趋势。建议陕北和关中地区应当有效防治土壤盐碱化, 陕南地区应当积极应对土壤酸化问题。

陕西省土壤pH的时空变化受到地形因子、土壤类型、气候、施肥等自然因素和人为因素的共同影响。土壤呈酸化趋势的陕南地区可以通过增加有机肥施用量、秸秆还田、选择合适的氮肥品种(尿素和硝酸铵)、施用碱性改良剂、多种植豆科类植物等系列措施缓解土壤酸化的进程。土壤呈碱化趋势的陕北和关中地区可以通过选择合适的灌溉方式、种植耐盐耐碱作物、植树造林、施用化学改良剂(石膏和亚硫酸钙)等措施改善土壤碱化现状。