廣西扶綏縣亞熱帶典型丘陵區耕地土壤pH的時空變異特征

明 雪，康振威，黃智剛

(廣西大學農學院，南寧 530004)

【研究意義】影響作物生產的因素主要有土壤理化性質、氣候和施肥等，其中土壤pH是影響土壤養分的關鍵指標而備受關注[1]。土壤酸化會降低農業生產力，改變土壤生物多樣性和植被群落結構，進而對生態系統造成不利影響[2]。農田土壤酸化可導致農作物大幅度減產甚至絕收，同時增加重金屬污染進而阻礙作物品質的提升[3]。廣西扶綏縣位于亞熱帶典型丘陵區，是廣西甘蔗核心種植區，甘蔗常年種植面積在8萬hm2以上，入廠原料蔗在600萬t以上，混合糖產量70萬t以上，蔗糖產業在扶綏縣工業總產值中占據重要位置[4-5]。廣西扶綏縣的耕層土壤有機質含量較低，土壤瘦瘠，且由第四紀紅土、石灰巖發育而來的土壤保水保肥性能差、水土容易流失，嚴重制約著高效農業的發展。因此，探究廣西扶綏縣亞熱帶典型丘陵區耕地土壤pH的動態變化及其主要驅動因素，對廣西扶綏縣乃至廣西全區農田土壤酸化進行預測和阻控及提升耕地質量和提高當地甘蔗產量至關重要?！厩叭搜芯窟M展】土壤pH是評價土壤肥力質量的關鍵指標之一，在植物生長、生物多樣性、養分循環及有效性中發揮重要作用[1]。淡俊豪等[6]、Fang等[7]研究表明，提高土壤pH對豐富土壤微生物多樣性具有較大促進作用。隨著我國工業的快速發展，大量酸性物質被排放，造成酸性土壤面積不斷擴大，土壤生產力持續惡化[8]。土壤pH變化對外源酸性物質輸入的響應主要取決于土壤緩沖能力，而土壤緩沖能力與其內在理化性質密切相關，受土壤類型和成土母質的影響[9]。在我國南方紅壤地區，由于土壤陽離子交換量低且酸緩沖力弱，土壤易發生酸化[10-11]。成土母質可通過影響土壤的物理性質(質地和團粒結構)和化學性質(pH、陽離子交換量、酸堿緩沖容量和有機質含量等)[12-14]，進而影響土壤的酸化進程[15-17]。長期不合理施肥等因素是造成土壤pH降低的主要原因之一。Zhao等[18]研究認為，未被利用的氨態氮肥在土壤中發生硝化作用，同時產生氫離子，降低土壤pH；未被利用的氮肥會提高土壤中氮化合物含量，是大氣酸沉降的重要來源。而與施用化肥相比，增施有機肥及推廣秸稈還田對土壤酸化具有較顯著的抑制作用[19]。Zhu等[20]研究表明，與單施化肥相比，長期配施有機肥和秸稈的田間土壤酸化速率顯著降低。有機物料中所含的堿性物質能有效中和酸性物質，從而提高土壤的抗酸能力[21]?！颈狙芯壳腥朦c】當前，有關土壤酸化的研究已有大量報道，但均局限于某個省份或某種土壤類型，而針對亞熱帶典型丘陵紅壤集約化農作物種植區土壤酸化問題的研究鮮見報道?！緮M解決的關鍵問題】以廣西扶綏縣耕地土壤為研究對象，對比其1980和2020年土壤pH的時空變化情況，探究土壤pH變化的重要影響因素，為提高我國耕地質量、提升作物產量和實現土地可持續利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區(圖1)位于廣西崇左市扶綏縣(東經107°31′～108°06′，北緯22°17′～22°57′)，地處北回歸線以南，地勢南北高、中間低，由西向東傾斜，南部和北部是高山土嶺，峰叢谷地，中部為低丘臺地，間有孤峰。境內主要成土母質或母巖為砂巖、頁巖、第四紀紅土、沖積物和石灰巖等，發育的土壤主要有赤紅壤、石灰土、紫色土、沖積土及水稻土等。亞熱帶季風濕潤氣候，年均氣溫22.8 ℃，年均降水量1121.3 mm，以耕地和林地為主。廣西扶綏縣東部地區包括龍頭鄉、新寧鎮、岜盆鄉和山圩鎮，西部地區包括渠舊鎮、渠黎鎮和東羅鎮，南部地區包括柳橋鎮和東門鎮，北部地區包括中東鎮和昌平鄉(圖1)。廣西扶綏縣是廣西著名的甘蔗生產基地，其第一大經濟支柱產業為甘蔗產業。

1.2 數據來源

由于缺少1980年的農田圖斑矢量文件，本研究以1980年廣西扶綏縣第二次土地資源調查的農田圖斑為底圖，在ArcGIS上將1980和2020年土壤pH添加到農田圖斑屬性，對比分析這2個時期的土壤pH時空變化情況。1980年的土壤數據選自廣西扶綏縣第二次土壤普查(1979—1985年)有關成果資料，共有采樣點124個；2020年的土壤數據選自廣西扶綏縣耕地土壤監測數據，共有采樣點4970個(圖2)。通過十字交叉法采集4個以上相鄰位置的土壤樣品并混合成1個樣品，采樣深度為0～20 cm，每個采樣點均采用GPS進行定位；土壤pH測定采用電位測定法(土水比1.0∶2.5)，有機質含量測定采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法。空間數據主要來源于廣西扶綏縣DEM、土地利用現狀和行政區劃圖等。所有空間數據的地理坐標系均為CGCS2000(China geodetic coordinate system 2000，2000國家大地坐標系)，并將投影坐標系統一為高斯—克呂格投影，中央經線為108°，三度帶劃分。

圖1 研究區地形及行政區劃Fig.1 Topography and administrative division of the study area

1.3 研究方法

基于ArcGIS的地統計學模塊、空間對比分析方法分析不同時期耕地土壤pH的分布特征，運用統計分析得出不同鄉(鎮)耕地土壤pH的分布特征，采用線性回歸分析研究不同驅動因素對耕地土壤pH的影響，利用相關分析、方差分析和回歸分析探究不同驅動因素對耕地土壤pH變化的影響及貢獻大小。

1.4 統計分析

試驗數據采用Excel 2019進行整理和制表，以SPSS 26.0進行正態分布檢驗，以GS+9.0進行半方差分析。基于半方差分析，在ArcGIS 10.4地統計學模塊中，1980年應用普通克里格(Ordinary kriging)的最優球狀模型進行空間插值，2020年應用普通克里格的最優指數模型進行空間插值。采用Origin 2020和ArcGIS 10.4制圖，并以SPSS 26.0進行線性回歸分析、相關分析和方差分析。

圖2 研究區采樣點的分布情況Fig.2 The distribution of sampling points

2 結果與分析

2.1 正態分布檢驗及半方差模型

克里格插值法可在有限區域內對區域化變量進行最優無偏內插，但要求區域化變量存在空間自相關性，因此對1980年采樣點數據進行正態分布檢驗(K-S)及半方差分析。1980和2020年采樣點的正態概率分布P-P圖(圖3)顯示，對應的土壤pH測試值均與正態概率線接近，基本成一條直線，表明二者均具有正態性分布趨勢。進一步在SPSS 26.0中使用K-S法進行正態性檢驗，其雙尾概率(P)分別為0.20與0.34，均大于顯著性水平(P<0.05)，表明均符合正態分布。

借助GS+9.0精確計算和比較各半方差函數模型，從而選出最適宜的模型用于插值分析。結果(表1)表明，廣西扶綏縣1980和2020年的耕層土壤pH塊金系數均低于25%，說明該地區空間相關性較強，結構性因素占主導；1980和2020年的耕層土壤pH最佳擬合模型分別為球狀模型與指數模型，二者的殘差均接近于0，擬合優度R2接近1.0，表明該函數擬合效果較好，并將半方差函數所擬合的理論變異函數模型的各項參數應用于ArcGIS中進行插值以得到土壤pH分布圖。

2.2 廣西扶綏縣不同時期耕地土壤pH的分布特征

廣西扶綏縣各鄉(鎮)1980和2020年的耕地土壤pH如圖4所示。其中，1980年耕地土壤pH均值為6.25，最大值為6.70，最小值為5.80，標準差0.28，變異系數4.49%；南部和東部地區的耕地土壤pH普遍較低，尤其東門鎮的土壤pH最低，為5.80；北部和西部地區的耕地土壤pH普遍較高，尤其昌平鄉的土壤pH最高，為6.70。在2020年，各鄉(鎮)耕地的土壤pH均值為5.86，最大值為6.30，最小值為5.50，標準差0.26，變異系數4.47%，在空間分布上表現為中間低、南北高，北部地區中東鎮和昌平鄉的pH平均值最高，均為6.30；西部地區渠黎鎮的耕地土壤pH最低，為5.50，東羅鎮其次。通過對比1980和2020年的數據可知，廣西扶綏縣耕地土壤pH整體呈酸化趨勢(圖5)。從全縣范圍來看，各鄉(鎮)的耕地土壤pH均有所下降，其中渠黎鎮和渠舊鎮下降最明顯，降幅在0.50～1.50；其他鄉(鎮)的耕地土壤pH降幅均為0～0.50。

根據全國第二次土壤普查的分級標準[22]，將土壤pH分為6級：小于4.50為強酸性，4.50～5.50

圖3 廣西扶綏縣的土壤性質概率分布P-P圖Fig.3 Normal P-P plots of soil properties in Fusui county，Guangxi

表1 廣西扶綏縣的耕層土壤pH最優半方差模型及相應參數

表2 廣西扶綏縣不同時期耕地土壤pH不同分級所占總面積百分比

為酸性，5.50～6.50為弱酸性，6.50～7.50為中性，7.50～8.50為弱堿性，大于8.50為堿性。分別計算和對比1980和2020年土壤pH不同分級所占面積的百分比發現，廣西扶綏縣的耕地土壤pH普遍下降(表2)。其中，酸性土壤大幅度增加，從1980年占全縣耕地面積的5.10%上升至2020年的24.26%，變幅為375.69%；弱堿性、中性和弱酸性土壤耕地面積均減少，其中弱堿性耕地面積從1.44%下降至0.18%，中性耕地面積從22.64%下降至8.71%，弱酸性耕地面積從70.66%下降至66.82%。

圖4 廣西扶綏縣各鄉(鎮)耕地土壤pH在不同時期的空間分布情況Fig.4 Spatial distribution of soil pH in different periods of cultivated land in Fusui county，Guangxi

圖5 廣西扶綏縣耕地土壤pH的總體變化分布情況Fig.5 Distribution of soil pH of cultivated land in Fusui county，Guangxi

綜上所述，廣西扶綏縣的耕地土壤已從1980年弱堿性和中性占絕大多數轉變為2020年酸性土壤占絕大多數，其中，渠黎鎮和渠舊鎮的耕地酸化最明顯。

2.3 廣西扶綏縣不同鄉(鎮)耕地土壤pH的分布特征

從整體上來看，2020年廣西扶綏縣大部分鄉(鎮)的耕地土壤pH均值均較1980年有所降低(圖6)。其中，渠黎鎮耕地的土壤pH變幅最大，降低1.10，從中性土壤變為酸性土壤；其次為渠舊鎮，其耕地的土壤pH降低0.70；東門鎮的耕地土壤pH變幅最小，維持在5.80不變?？偟膩碚f，廣西扶綏縣的耕地土壤pH均值除東門鎮外，其他鄉(鎮)均有所下降，以渠黎鎮和渠舊鎮的下降趨勢最明顯。

2.4 廣西扶綏縣不同土壤類型耕地土壤pH的變化特征

廣西扶綏縣耕地主要土壤類型分為沖積土、石灰土、水稻土、赤紅壤和紫色土五大類。如表3所示，與1980年相比，2020年除紫色土的pH上升外，其他各類耕地的土壤pH均有所下降。其中，水稻土的pH降幅最小，僅降低0.10；赤紅壤的pH降幅最大，降低0.60；沖積土和石灰土次之，均降低0.50?？偟膩碚f，不同類型耕地的土壤pH變化不同，其中赤紅壤的pH變幅最大，水稻土的pH變幅最小。說明廣西扶綏縣不同類型耕地的酸緩沖能力存在明顯差異，是影響耕地土壤pH變化的重要因素。

2.5 廣西扶綏縣不同成土母質耕地土壤pH的變化特征

廣西扶綏縣耕地主要成土母質分為第四紀紅土、紅色砂頁巖母質、河流沖積物、洪積物、紫色砂頁巖母質和紫色頁巖母質六大類。各類母質的土壤pH在40年間均有所下降(表4)。其中，第四紀紅土與河流沖積物發育的土壤pH降幅最大，均下降0.40；紅色砂頁巖母質和紫色頁巖母質發育的土壤pH降幅最小，僅下降0.10；洪積物和紫色砂頁巖母質發育的土壤pH降幅居中，均下降0.20。說明不同母質也是影響廣西扶綏縣耕地土壤pH變化的重要因素。

圖6 廣西扶綏縣各鄉(鎮)不同時期耕地土壤pH均值的變化情況Fig.6 The change of mean pH value of cultivated soil in different towns during two periods in Fusui county，Guangxi

2.6 不同驅動因素對廣西扶綏縣耕地土壤pH的影響

2.6.1 坡度對廣西扶綏縣耕地土壤pH的影響 廣西扶綏縣耕地坡度分布在0～25°之間，從表5可看出，不同坡度下的耕地土壤pH分級占比排序均為弱酸性>酸性>中性>弱堿性；隨著坡度的增加，耕地土壤整體上呈酸化趨勢，弱酸性和中性土壤占比減少，酸性土壤從坡度0°～5°的19.66%增至20°～25°的36.68%，增幅達77.06%。經線性回歸分析得到廣西扶綏縣耕地土壤pH與坡度的擬合線性方程為y=-0.0116x+5.9498(R2=0.0093，P<0.001)，說明耕地土壤pH與坡度呈極顯著負相關(P<0.01，下同)。

2.6.2 海拔對廣西扶綏縣耕地土壤pH的影響 如表6所示，廣西扶綏縣耕地的海拔分布在50～600 m，不同海拔下的耕地土壤pH分級占比排序均為弱酸性>酸性>中性>弱堿性；隨著海拔的升高，耕地土壤整體上呈酸化趨勢，弱酸性、中性和堿性土壤占比減少，酸性土壤從18.64%增至41.27%，增幅達121.41%。耕地土壤pH隨著海拔的升高呈下降趨勢；經線性回歸分析得到廣西扶綏縣土壤pH與海拔的擬合線性方程為y=-0.0018x+6.0932(R2=0.0242，P<0.001)，說明耕地土壤pH與海拔呈極顯著負相關。

表3 廣西扶綏縣不同類型耕地土壤pH的變化情況

表4 廣西扶綏縣不同成土母質土壤pH的變化情況

表5 廣西扶綏縣不同坡度下的耕地土壤pH分布特征

表6 廣西扶綏縣不同海拔下的耕地土壤pH分布特征

2.6.3 有機質含量對廣西扶綏縣耕地土壤pH的影響 對廣西扶綏縣耕地土壤pH與有機質含量進行線性回歸分析，結果(圖7)表明，土壤有機質含量在8.0～40.0 g/kg間分布較廣泛；隨著土壤有機質含量的增加，土壤pH呈上升趨勢。經線性回歸分析得到廣西扶綏縣土壤有機質含量與土壤pH的擬合線性方程為y=0.0101x+5.6582(R2=0.0140，P<0.001)，說明耕地土壤pH與其有機質含量呈極顯著正相關。

2.7 土壤pH與不同驅動因素的相關分析

通過方差分析和回歸分析能呈現廣西扶綏縣耕地土壤pH變化所受各影響因素綜合作用的貢獻。相關分析結果(表7)表明，海拔、坡度和有機質含量均與土壤pH呈極顯著相關，說明這些因素均是影響耕地土壤pH的主要因素。其中，土壤有機質含量與土壤pH呈極顯著正相關，海拔和坡度與土壤pH呈極顯著負相關。進一步進行回歸分析，結果(表8)表明，坡度能獨立解釋7.3%耕地土壤pH的空間變異，有機質含量能獨立解釋3.7%耕地土壤pH的空間變異，海拔能解釋21.5%耕地土壤pH的空間變異。可見，相對于耕地土壤坡度和有機質含量，海拔是影響廣西扶綏縣耕地土壤pH的主要因素。

3 討 論

本研究結果表明，1980—2020年的40年間，廣西扶綏縣耕地土壤pH存在較強的空間變異性，從弱堿性和中性土壤向酸性土壤轉變，主要受結構性因素如地形、土壤類型、成土母質和酸緩沖體系的影響。汪吉東等[8]研究報道，不同土壤類型的酸緩沖能力不同，對氣候、地形或耕作制度等外部因素響應的差異導致不同區域土壤pH隨著時間變化而變化的規律也存在明顯差異。本研究發現，廣西扶綏縣的耕地土壤pH隨著時間的變化呈酸化趨勢，與武紅亮等[23]的研究結果一致。這主要是由于廣西扶綏縣雨熱同季，淋溶作用強烈，鹽基離子易被氫離子取代成為鹽基不飽和土壤，最終導致土壤pH持續降低[24]。Guo等[25]研究表明，我國農田土壤pH在1990—2000年間下降了0.13～0.80，尤其是20世紀90年代有加速下降趨勢，本研究結果與其基本一致。

圖7 廣西扶綏縣耕地土壤pH與有機質含量的線性回歸分析結果Fig.7 Linear regression of soil pH and organic content in cultivated land in Fusui county，Guangxi

表7 廣西扶綏縣耕地土壤pH與不同影響因素的相關分析結果

表8 不同影響因素下耕地土壤pH的方差分析和回歸分析結果

不同母質土壤的理化性質存在明顯差異，可影響土壤酸化的進程。第四紀紅土在成土過程中，礦物化學風化、淋溶強烈，導致質地粗結構松，極易造成鹽基流失；河流沖積物為多種地表物質的混合沉積物，受水分作用影響[26]。這2種母質在降雨影響下土壤酸化較顯著，可能是本研究中第四紀紅土和河流沖積物發育而來的耕地土壤pH變幅較大的原因。此外，坡度可通過改變成土物質與水熱條件的再分配，從而引起土壤理化性質的時空變異[27]。本研究結果表明，廣西扶綏縣耕地的土壤pH與坡度呈極顯著負相關，與王洪等[27]、雷寶佳[28]的研究結果一致。

土壤有機質含量也是影響土壤pH變化的重要因素。有機質具有很高的陽離子交換量，能減緩土壤因施肥引起的氫離子增加而強烈改變土壤的pH，顯著提高土壤的緩沖性[29]。本研究結果表明，廣西扶綏縣的耕地土壤pH與有機質含量呈極顯著正相關，與曹丹等[17]的研究結果一致。與施用化肥相比，增施有機肥對抑制土壤酸化具有較顯著的作用[30]，主要因為施入的有機肥能與鋁離子形成配合物，減少土壤中的交換性鋁離子量，從而緩解土壤酸化趨勢[19]。因此，針對廣西扶綏縣耕地的酸化趨勢，可通過加大有機肥的投入以提高土壤有機質含量和改善土壤理化性質，進而提升土壤肥力。

海拔對耕地土壤理化性質也具有非常重要的影響，主要通過溫度、光、水、熱及母巖影響土壤發育[31]。在本研究中，廣西扶綏縣的耕地土壤pH與海拔呈極顯著負相關，與唐韻等[32]、王麗君等[34]的研究結果一致；回歸分析結果表明，海拔能解釋21.5%耕地土壤pH的空間變異?？梢?，廣西扶綏縣土壤酸化是多種因素共同作用的結果，其中海拔是影響廣西扶綏縣耕地土壤pH的主要因素。

4 結 論

與1980年相比，2020年廣西扶綏縣耕地的土壤pH總體上呈快速下降趨勢，其中，赤紅壤的pH降幅最大，第四紀紅土和河流沖積物土壤pH的空間變異最強；海拔是影響廣西扶綏縣耕地土壤pH變化的主要因素，須通過增施有機肥改善土壤性狀，進而有效調控土壤pH。