吉林市城鄉交錯帶耕地土壤pH與有機質時空動態變化分析

郭聃　車曉翠　黃健　張惠琳　朱健菲

【摘 要】對吉林市城鄉交錯帶1982年至2012年近30年來耕地土壤pH、有機質時空變化特征進行分析，并探討了城市化進程對耕地質量演變的作用規律。結果表明：30年間，土壤pH平均值由6.19降低到5.69，酸化趨勢明顯。有機質含量由26.14g/kg提高到28.45g/kg，有小幅提升；耕地土壤pH和有機質空間分布格局變化具有明顯的城鄉梯度特征，土壤酸化速率沿城鄉梯度遞減，有機質呈現近郊增加遠郊降低的變化趨勢；城市化進程影響了吉林市近郊耕地土壤有機質變化趨勢，加速了土壤酸化過程。城市化對吉林市耕地質量變化的作用強度隨距中心城區距離遞減，作用半徑在12km左右。

【關鍵詞】有機質；pH；城鄉交錯帶；耕地；地理信息系統

城鄉交錯帶是位于城市建成區與周邊農村之間，由城鄉要素相互滲透耦合而構成的過渡地帶，其耕地數量和質量是保障城市農產品有效供給和生態安全的基本條件。城市經濟建設的發展導致交錯帶內農業用地特別是耕地不斷被非農業用地侵占[1]，使得城鄉交錯帶成為土地利用問題最多、人地矛盾最尖銳的地區[2]。研究這一特殊區域的耕地利用問題，對合理高效利用有限的耕地資源、促進城鄉統籌發展、協調人地關系具有重要意義。

吉林市是吉林省第二大城市、長吉圖開發開放先導區的直接腹地和重要節點，同時也是國家重要的糧食主產區和商品糧基地，城鄉交錯帶內城市發展與耕地保護之間矛盾尤為突出。本文以吉林市城鄉交錯帶為研究對象，利用“3S”技術對衡量耕地質量的重要指標——pH和有機質近30年間的時空變化特征進行分析，并在此基礎上對城市化對耕地質量演變的影響進行了初步探討，以期豐富和促進城鄉交錯帶耕地利用研究的理論和方法，為該區域耕地資源的合理利用提供科學依據。

1 研究區概況

吉林市位于吉林省中部偏東，全市土地面積27120km2，其中耕地面積3959km2。本文以吉林市郊區緊鄰城市建成區的8個鄉鎮（街道）范圍為研究區域，該區內耕地土壤類型主要以水稻土、白漿土、暗棕壤、新積土為主，共占耕地土壤面積的95%。土壤分布自南向北呈規律性變化：南、東南部以暗棕壤為主；西部分布白漿土；北部分布水稻土；沿江兩岸新積土。

2 數據來源與方法

主要數據包括：吉林市1982年Landsat MSS和2012年landsat7 ETM遙感影像；第二次土壤普查（1982年）及耕地地力調查評價（2012年）土壤采樣點數據。對研究區兩期遙感影像進行處理分類得到土地利用類型圖，劃定兩個年代的城市建成區與城鄉交錯帶空間范圍。對兩期土壤采樣點進行克里金插值得到pH值和有機質空間分布圖。兩期空間分布圖相減得到1982～2012年時空變化圖。根據研究區特點劃分有機質、pH及其變化級別，其中pH變化在-0.3～0之間為基本不變（自然波動和測量誤差引起）[3]，超出這個范圍則表示土壤pH已經發生實質性變化。以2012年城市建成區為中心，每1km為增量半徑向外拓展生成等距梯度帶，對各梯度帶所包含耕地的pH和有機質平均值與距中心城區距離進行回歸分析，進而分析由城市建成區向遠郊鄉村方向上耕地土壤pH和有機質空間分布格局及演變的梯度變化特征。

3 結果與分析

3.1 耕地土壤pH時空變化

1982年吉林市城鄉交錯帶內耕層土壤pH值平均值為6.19。土壤pH值為弱酸性的耕地面積最大，所占比例為88.27 %。2012年土壤pH值平均值為5.69。土壤pH值為中酸性的耕地面積最大，所占比例為79.79 %。近30年來耕地土壤pH平均值降低0.5個單位，83.81%的耕地pH值降低（圖1-b），城鄉交錯帶內耕地土壤酸化趨勢明顯。pH降低幅度較大的區域主要集中在城市建成區周圍，降幅都超過了0.6個pH單位。遠郊除西北部有部分耕地pH降幅較大，其它地方變化較小（圖1-a）。總體來看，表現出明顯的近城區pH降幅大，遠城區pH降幅小的城鄉過渡特征，城市建成區周圍耕地土壤酸化嚴重。自然狀態下土壤pH每下降一個單位需要上百年甚至更長的時間[4]。根據吉林省耕地地力評價結果，30年來吉林省暗棕壤、白漿土pH平均值降低0.2個單位，水稻土pH上升0.1個單位。吉林市城鄉交錯帶耕地土壤酸化速率遠高于自然及全省平均水平，且變化的空間格局具有明顯城鄉過渡特征，說明城市化進程加速了耕地土壤酸化過程。

現代工業的迅猛發展、不合理的農業生產方式及酸雨是導致土壤酸化的主要原因。吉林市大氣降水pH基本呈中性且年際變化小[5]，降水不是吉林市郊區土壤酸化加速的主要原因。30年間吉林市城市規劃發展方向為工業用地主要向北發展、新建城區主要向南部擴張。以化工業為主的哈達灣與龍潭工業區均位于城市北部，工業企業分布較集中，多年來工業“三廢”污染嚴重，造成城市北部近郊耕地持續酸化。吉林市盛行風向為西南風，由于大氣的漂移和擴散作用，北部工業大氣污染對交錯帶其他方向亦有不同程度影響。新建城區向南部擴張造成南部人口膨脹，對蔬菜等農副產品需求量增加，在城市近郊許多農田改為蔬菜地或大棚保護地后由于不合理施用酸性肥料、土地復種指數增加導致南部近郊土壤酸化嚴重。針對耕地現狀，今后應加大力度對北部工業“三廢”排放進行管理與控制，同時針對酸化嚴重區域通過使用石灰、鉀硅肥等土壤調酸劑改善土壤酸化情況。

3.2 耕地土壤有機質時空變化

1982年吉林市城鄉交錯帶內耕層土壤有機質平均值為26.14 g/kg。土壤有機質為缺少（10～20 g/kg）的耕地面積最大，所占比例為48.17%，耕地土壤有機質含量較低。2012年土壤有機質平均值為28.45g/kg。土壤有機質為適量（20～30g/kg）的耕地所占比例最大，為67.29%。近30年來耕地土壤有機質平均值增加2.31g/kg，有小幅提升，75.12%的耕地有機質含量升高（圖2-b）。有機質降幅較大的區域主要集中在郊區西南部，靠近城市建成區的耕地有機質含量皆升高，東南部增幅最大（圖2-a）。總體上看，有機質變化呈現明顯的的城市近郊升高遠郊降低的城鄉過渡特征。根據吉林省耕地地力評價結果，30年來吉林省土壤有機質平均值降低2.07g/kg，吉林市城鄉交錯帶耕地土壤有機質變化與全省趨勢相反，且具有較明顯的城鄉過渡特征，說明城市化進程影響了吉林市近郊耕地土壤有機質變化趨勢。

交錯帶內土壤有機質原低值區有機質含量升高，主要由于第二次土壤普查以來秸稈還田數量增加提高了有機物質在土壤中的積累。城市南北發展定位的差異導致南部近郊大面積農田改為菜地，投入有機肥較多，因而南部增幅較大。但農戶在積極提高原低值區土壤肥力的同時忽視了原高值區土壤肥力的保持，導致遠郊西南部有機質含量大幅下降。今后應重點針對北部有機質缺乏地區大力實行秸稈還田、增施有機肥、測土配方施肥等措施提升有機質含量，同時要注意加強西南部有機質豐富地區的施肥和耕作管理使得其高土壤肥力得以保持或有所提高。

3.3 耕地土壤pH與有機質變化的城鄉梯度分析

為進一步研究不同城鄉梯度上的耕地質量演變特征，分別統計各梯度帶的pH及有機質平均值進行定量分析。吉林市城市化在上世紀60～70年代處于停滯期，從80年代開始進入迅速增長期，因此可把1982第二次土壤普查時的調查值看作快速城市化前的環境本底值。從圖3可看出，吉林市城鄉交錯帶耕地土壤pH值、有機質本底值在城鄉梯度上呈波浪形變化趨勢，與距中心城區遠近無明顯相關，基本不受城市位置影響，主要受母質及城市化前土地利用與管理措施影響。2012年耕地地力評價時，耕地土壤pH 和有機質空間分布與距中心城區距離相關性增加，特別是pH與距中心城區距離的相關性有大幅上升，呈現較明顯的城鄉梯度特征。隨城市化發展城市位置對耕地質量空間分布格局的影響增強，城鄉梯度特征發生變化。

30年間交錯帶內土壤pH與有機質的變化趨勢不同，但兩者變化率均與距中心城區距離有一定關系。土壤pH變化速率與距離呈相關性較高，沿城鄉梯度呈現明顯的遞減趨勢，近郊土壤酸化速率高，遠郊速率相對較低，在距中心城區12km時變化速率趨于平穩。受城市南北發展定位差異和高肥力土壤保護不當的影響，有機質變化速率與距離的相關性不高，但在距中心城區12 km以內其增加速率沿城鄉梯度遞減，總體上也呈現近郊增加遠郊降低的城鄉梯度特征。城市化對吉林市城鄉交錯帶耕地質量變化的作用強度隨距中心城區距離遞減，對土壤pH和有機質的作用半徑在12 km左右。

由于國情差異世界各國城市化發展模式迥然不同，此處僅把分析結果與國內以往研究對比。我國學者在上海、南京等城市開展的研究顯示從遠郊到城市中心土壤有機質含量增加、有堿化趨勢[6-7]。隨城市化發展，吉林市城鄉交錯帶有機質變化呈現近郊增加遠郊降低的趨勢，這與其他城市調查結果相似。但吉林市土壤pH的城鄉梯度特征與其他城市有所不同。城鄉交錯帶是兼具城市和鄉村土地利用性質的特殊生態區，其土壤屬性受多種自然和社會因素作用。與吉林市相比，這些城市大多位于城市化水平高、發展速度快的區域，較早完成工業企業退城外遷，工業企業主要位于郊區且布局分散；多位于我國酸雨重災區且酸雨對郊區影響大于市區[8-10]。吉林市化工企業集中分布在城市北部，30年間隨城市擴展由老工業區演變為城市中心，2010年才開始啟動工業區搬遷改造工程，降水主要呈中性。環境條件、土壤母質、土地利用管理方式和城市化進程的不同導致地處東北的吉林市與其他城市在城鄉交錯帶土壤屬性方面出現區域性差異。另外，以往研究主要是對同一時期城市、郊區、鄉村三地樣本進行比較分析，得出的城鄉差異也沒有去除土壤環境本底值的影響。本研究利用30年間變化值來分析城鄉梯度特征，更能有效體現城市化對城鄉交錯帶耕地質量的影響。

4 結論

（1）30年間吉林市城鄉交錯帶內土壤pH平均值由6.19降低到5.69，酸化趨勢明顯；有機質含量由26.14g /kg提高到28.45g/kg，大部分耕地有機質含量升高。

（2）30年間吉林市城鄉交錯帶內土壤pH下降0.5個單位，土壤酸化速率遠高于自然及全省平均水平。耕地土壤有機質升高2.31g/kg，變化與全省趨勢相反。城市化進程影響了吉林市近郊耕地土壤有機質變化趨勢，加速了土壤酸化過程。

（3）耕地土壤pH和有機質空間格局變化具有明顯的城鄉梯度特征，土壤酸化速率沿城鄉梯度遞減，有機質呈現近郊增加遠郊降低的變化趨勢；隨城市化發展城市位置對耕地質量空間分布格局的影響增強，城鄉梯度特征發生變化；城市化對吉林市城鄉交錯帶耕地質量變化的作用強度隨距中心城區距離遞減，對土壤pH和有機質的作用半徑在12km左右。

【參考文獻】

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[責任編輯：張濤]