基于調(diào)查評價的湖北省耕地土壤酸堿度時空變化研究

劉艷改，姚 娜，程艷輝，衛(wèi) 杰

(湖北省電力勘測設計院有限公司，湖北 武漢430040)

1 引言

酸堿度是耕地土壤重要屬性之一，控制著土壤中許多重要的化學、物理及生物過程，影響了土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的協(xié)調(diào)性。對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響主要表現(xiàn)在：①影響土壤中養(yǎng)分的有效性[1～4]；②影響作物對養(yǎng)分的吸收[5～8]；③影響重金屬活性[9～12]；④影響土壤有機質(zhì)周轉(zhuǎn)[13～16]。土壤酸化本是一個較為緩慢的自然過程，但近幾十年來由于高強度人為活動的影響，通過酸沉降、地表水酸化、高強度的化肥施用，土壤酸化的進程大大加速[17]。我國的土壤酸化主要發(fā)生在長江以南地區(qū)，已成為限制該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要限制因子[18，19]。但因酸性土壤分布詳情不清，作物酸害閾值不明，土壤酸化預測的研究不足，酸化防治技術(shù)嚴重缺乏[20]。當前，通過長期定位監(jiān)測和試驗示范，湖北省已發(fā)現(xiàn)耕地土壤酸化趨勢，酸化速度正在加快。基于此，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2018年安排湖北省開展耕地土壤酸化改良任務。分析目前湖北省當前不同土地利用方式、利用水平下的耕地土壤p H值變化，深入探討了耕地土壤酸堿度分布及土壤酸化加速的因素，提出了治理酸性土壤的切實有效的途徑，為解決湖北省土壤酸化中存在的相關(guān)問題提供科學依據(jù)。

2 材料與方法

本研究數(shù)據(jù)主要來源于1980—1984年湖北省第二次土壤普查p H數(shù)據(jù)(共3186個樣點)和湖北省省級匯總評價數(shù)據(jù)(12400個樣點)。點位選擇采用土壤圖、土地利用現(xiàn)狀圖、行政區(qū)劃圖、水系圖等疊加產(chǎn)生評價單元，在評價單元內(nèi)布點，在野外選點后室內(nèi)修正，實現(xiàn)布點的均勻性和代表性。土壤采樣深度為表層0～20 cm土層。

土壤樣品采集與測定采用NY/T 1121.2－2006規(guī)定的方法：每個采樣點均通過GPS定位，采用多點混合法采集0～20 cm耕層土壤，經(jīng)風干磨細過篩后，用水土比2.5∶1的p H值計測定土壤p H值。

耕地土壤p H值分級：第二次土壤普查中，p H值劃分為6級(表1)。在省級耕地質(zhì)量匯總評價中p H值分級繼續(xù)參照這一標準。

表1 土壤p H值分級標準

采用ARCGIS空間差值的辦法，利用省級匯總評價數(shù)據(jù)，作出了全省酸堿度空間分布圖，對水田、旱地、不同耕地質(zhì)量等級、不同土壤類型的土壤酸堿度進行了分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 區(qū)間分布

在本輪地力調(diào)查中，p H值調(diào)查點數(shù)區(qū)間分布從1～6級占比分別為1.72%、18.44%、31.04%、29.31%、19.16%、0.33%(表2)。p H值在6.5～7.5的中性區(qū)間樣點占29.3%，p H＜6.5的酸性區(qū)間的土壤樣點合計占51.2%，p H＞7.5的堿性區(qū)間土壤樣點合計占19.5%。湖北省耕地土壤p H值總體偏酸性。

3.2 空間分布

利用本輪地力調(diào)查數(shù)據(jù)，對全省耕地土壤p H分布情況進行分析(圖1)。在全省空間分布上，酸堿度大小順序為：江漢平原、鄂西北山區(qū)、鄂中北丘陵崗地、鄂東南丘陵山區(qū)、鄂西南山區(qū)、鄂東丘陵山區(qū)，點位平均值分別為7.06、6.74、6.54、5.86、5.80、5.69。江漢平原區(qū)沖積土以灰潮土為主，土壤呈堿性，為我省主要糧食產(chǎn)區(qū)。其他五大分區(qū)土壤p H值均為堿性。

表2 湖北省耕地土壤p H區(qū)間分布

圖1 湖北省耕地p H分布

3.3 水旱分布

利用本輪地力調(diào)查數(shù)據(jù)，對不同水旱利用方式下耕地土壤p H值分布情況分析(圖2)。在總采樣點中，旱地占43.78%，水田占56.22%。旱地p H值點位平均值為6.53，水田p H值點位平均值為6.36，水田土壤較旱地偏酸。在p H＜4.5的強酸性區(qū)間和大于8.5的堿性區(qū)間中，旱地的樣點分布比例都顯著高于水田，其它p H值區(qū)間則水田高于旱地，說明水田土壤的p H值變化較旱地平緩，酸性和堿性的極端分布面積較少。

圖2 不同水旱利用方式下耕地土壤p H值分布情況

3.4 30年變化情況

統(tǒng)計第二次土壤普查與本輪耕地地力調(diào)查土壤酸堿度情況(圖3)。

由以上分析看出，相較第二次土壤普查，p H值過低、過高的面積占比都下降了，分布在中性和弱酸性土壤的耕地面積趨向集中。總體來看，本次評價大于p H7.5的耕地面積降低約20%以上，而小于p H5.5的面積分布減少不到5%，湖北省的耕地土壤p H值呈現(xiàn)酸化趨勢。從所有點位的多點平均值來看，湖北省多點p H平均值從1987年的6.88下降到到本輪調(diào)查的6.43，總體下降0.45。

圖3 兩次調(diào)查期間耕地土壤p H值分布情況

3.5 不同質(zhì)量等級耕地p H值分布

農(nóng)業(yè)部2014年《關(guān)于全國耕地質(zhì)量等級情況的公報》，將1－3等級耕地劃分為高等地，4－6等級耕地為中等地，7－10等地為低等地。統(tǒng)計高中低等地內(nèi)不同p H值范圍含量區(qū)間分布(表3)。

表3 湖北省高中低等耕地內(nèi)p H值區(qū)間分布%

高等耕地土壤p H值主要分布在6.5～7.5的中性區(qū)間，在此區(qū)間1、2、3等級耕地的分布比例都超過了40%。在p H7.5～8.5的弱堿性區(qū)間和p H5.5～6.5的弱酸性區(qū)間也各有22%和25%的面積分布。在低于4.5的極強酸性范圍內(nèi)，高等級耕地分布比例急劇減少甚至為零，只有三等耕地分布達到統(tǒng)計最低值0.01×103hm2。

p H5.5～6.5的弱酸性區(qū)間是中等級耕地的集中分布區(qū)間，此區(qū)間耕地面積達到了54%，4、5、6等級耕地在此區(qū)間分布都達到了50%左右。在4.5～5.5強酸性區(qū)間分布面積為6.60%，6.5～7.5中性區(qū)間分布面積為27.05%，中性區(qū)間的分布面積高于酸性。與中等級耕地比較，低等級耕地的p H值也主要分布在5.5～6.5區(qū)間，但是分布于4.5～5.5區(qū)間和6.5～7.5區(qū)間的比例都有上升，等級內(nèi)的分布比例相對穩(wěn)定，變化不大。

3.6 不同土類分布

統(tǒng)計兩次調(diào)查期間不同土類的p H值分布(表4)。在不同土壤類型上，本輪調(diào)查期間，紅壤最低，平均5.63；潮土最高，平均7.22。與“二普”數(shù)據(jù)比較，潮土、石灰土、黃褐土、紫色土、水稻土、黃棕壤耕地土壤p H均值出現(xiàn)下滑。但紅壤和黃壤多點平均值分別增加0.08、0.22。

表4 湖北省不同土類p H平均值變化

4 討論

根據(jù)張福鎖[21]的研究，從20世紀80年代到新世紀，全國農(nóng)田土壤的p H值平均下降了0.5個單位。這一論斷與湖北省所處中部位置、p H值變化情況相吻合。全省p H值分布不均勻，鄂東南丘陵山區(qū)、鄂西南山區(qū)、鄂東丘陵山區(qū)三大分區(qū)43個縣(市、區(qū))接近3000萬畝耕地p H均值在6.0以下，耕地土壤酸化明顯。如，地處西南山區(qū)的恩施州自第二次土壤普查以來的30年間，耕地土壤p H值平均下降0.9，高于全國平均水平[22]。研究耕地土壤酸化成因與變化對夯實農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件意義重大。

4.1 肥料施用結(jié)構(gòu)變化

化學肥料，特別是銨態(tài)氮肥通過硝化作用釋放質(zhì)子，加速土壤酸化[17]。連續(xù)施用化學氮肥10～20a，一些農(nóng)田的耕層土壤p H值下降幅度可超過1.0個單位，且隨施氮量的增加而明顯增加[23]。湖北省近30年來，氮、磷、鉀肥和復合肥用量快速增長(圖4)。30年間，全省化肥施用總量增加了54.69%，其中氮肥施用量增長32.09%。湖北省肥料施用高峰期出現(xiàn)在2012年，全年化肥施用總量為357.66萬t。在2012年以后，隨著國家化肥減量增效措施的實施，全省化肥用量在不斷減少，但目前仍然處于高位。

與此同時，全省有機肥施用量明顯不夠。據(jù)統(tǒng)計，1990～2012年，全省綠肥種植面積由556×103hm2下降到113×103hm2，綠肥對耕地培肥改良的支撐作用不斷弱化。據(jù)測算，2017年全省有機肥產(chǎn)量約200萬t，折算全省平均施用25 kg/畝。但有機肥生產(chǎn)均為大型養(yǎng)殖場集中生產(chǎn)，生產(chǎn)的產(chǎn)品大部分用在菜園、茶園、果園等附加值高的土地利用類型上，施用在大田作物上很少。20世紀，養(yǎng)殖業(yè)沒有集中，農(nóng)戶分散養(yǎng)殖后直接將畜禽糞便肥料化還大田的施用模式已發(fā)生了根本性改變。據(jù)《湖北省農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒》，全省2015年秸稈直接還田率43.5%，全省2016年秸稈資源量3411.5萬t(干重)。加大秸稈還田量，減少作物秸稈帶走土壤鹽基[24]，能有效提高耕地土壤p H值。

4.2 酸輸入明顯

酸沉降加劇是引起土壤p H值下降的一個重要因素[25]。據(jù)武漢區(qū)域氣候中心監(jiān)測數(shù)據(jù)[26]，2007～2017年間，湖北省年均降水p H值為4.68。全省降雨p H低值區(qū)主要位于三峽河谷地區(qū)及鄂西部分地區(qū)、鄂東南西部及南部，這與全省耕地土壤p H低值區(qū)相吻合。周富忠[27]對恩施州利川市11次降水采樣檢測結(jié)果也表明，p H值范圍在4.27～6.98，平均值為5.54，酸化(p H＜5.6)降水的頻率達到54.6%。此外，農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)問題也應得到重視。農(nóng)村生活污水、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖污水和工業(yè)廢水等流入河湖水庫、水塘，造成耕地土壤酸輸入，但此方面的研究報道較少，須加強論證。

圖4 湖北省1990～2016年肥料用量

圖5 湖北省1991～2013年綠肥種植面積

4.3 耕地立地條件差異

在耕地質(zhì)量等級越高的耕地上p H值越接近中性區(qū)間。優(yōu)化布局農(nóng)藝、工程、生物措施，加速高標準農(nóng)田建設是改善耕地土壤p H性狀的重要途徑。在土壤類型分布上，p H值越高的土壤降低幅度越大，這與土壤本身的淋洗程度有關(guān)。紅壤、黃壤等土壤類型淋溶強度大，鹽基離子少，受影響的程度低。通過不同區(qū)域的土壤類型與p H值的響應來看，土壤類型是影響該區(qū)域耕地p H值的重要因素。

5 結(jié)論

(1)30多年來，湖北省耕地土壤p H下降0.45個單位，整體呈酸性。在空間分布上，區(qū)域分布差異明顯。在土地利用方式上，水田土壤p H值高于旱地，且變異性低。立地條件是影響p H值分布和變化的一大因素。化肥施用量增加、有機肥施用量不夠、酸沉降等因素，是導致耕地土壤p H值下降的主要原因。

(2)須多途徑改善湖北省耕地p H值狀況。在快速治理上，通過使用適量的石灰、深耕深翻等，及時恢復滿足作物生長的p H值環(huán)境。在長期改良上，要加大有機肥投入量、平衡施用化肥、擴大秸稈還田、增加綠肥種植面積等形式，改良土壤。在研究和試驗示范上，還應加強對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的一些不當措施引起的土壤酸化問題的研究。如不同條件下的有機肥替代化肥比例適宜性問題。在工程措施上，要加快高標準農(nóng)田建設，提高耕地質(zhì)量等級，提升耕地土壤p H值緩沖性能。