儀征市農(nóng)田土壤pH值時(shí)空變化特征分析

吳政 李文西 高暉

摘要 ? ?農(nóng)田土壤酸化造成土壤肥力下降，威脅著糧食安全。本研究以儀征市為例，選取1984年、1994年、2005年和2014年具有代表性的農(nóng)田土壤樣點(diǎn)pH值化驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS的空間插值方法和重心偏移模型，分析30年間儀征市農(nóng)田土壤pH值的時(shí)空變化趨勢。結(jié)果表明，儀征市的農(nóng)田土壤pH值降低，呈現(xiàn)酸化趨勢;儀征市的農(nóng)田土壤pH值重心向西南方向偏移。研究結(jié)果可為控制農(nóng)田土壤酸化提供參考。

關(guān)鍵詞 ? ?農(nóng)田土壤;pH值;時(shí)空變化特征;江蘇儀征

中圖分類號(hào) ? ?S153 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2019）20-0172-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

土壤酸化是世界范圍內(nèi)普遍存在的農(nóng)業(yè)問題，影響著世界40%耕地的作物生產(chǎn)[1]。中國的酸性土壤主要分布在長江以南的廣大熱帶和亞熱帶地區(qū)以及云貴川等地，面積約為 2.04億hm2，主要集中在湖南、江西、福建、浙江、廣東、廣西、海南等省，大部分土壤的pH值小于5.5，其中很大一部分小于5.0，甚至小于4.5，而且酸性土壤面積還在擴(kuò)大，土壤酸度還在升高。近幾十年來，隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，酸性氣體大量排放，酸性沉降物對環(huán)境的影響不斷增加，造成我國南方地區(qū)酸沉降的頻率和強(qiáng)度增加[2]。目前，我國南方黃紅壤地區(qū)已成為世界上除北美和歐洲之外的第三大酸雨區(qū)。我國南方大部分酸性土壤的黏土礦物以高嶺土為主，陽離子交換量較低，對酸的緩沖能力較寒溫帶土壤小得多。此外，我國南方大部分酸性土壤鹽基飽和度較低，為25%左右，正處于土壤緩沖力較小的范圍，這些因素使得我國南方大面積紅、黃壤的酸緩沖力較弱，容易發(fā)生酸化，對這類土壤酸化的問題應(yīng)引起高度重視。

儀征市水資源較豐富，具備農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，同時(shí)區(qū)域優(yōu)勢明顯，具備完善的水陸交通條件，工業(yè)、化工、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)發(fā)展迅猛，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定造成了嚴(yán)重的威脅。本研究以儀征市為例，研究1984—2014年儀征市農(nóng)田土壤pH值的時(shí)空變化趨勢，以期為協(xié)調(diào)工業(yè)發(fā)展與糧食安全提供參考。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?研究區(qū)域概況

儀征市地處長江三角洲的頂端，江淮丘陵的尾閭，跨越長江和淮河兩大水系，由謝集三里至古井一線為分水嶺。西界南京市六合區(qū)，東臨揚(yáng)州市邗江區(qū)，北接高郵湖西，西北與安徽天長市接壤，南臨長江，與江寧、句容、丹徒隔江相望，地理位置處于東經(jīng)119°02′～119°22′，北緯32°14′～32°36′之間，在行政區(qū)劃上隸屬于江蘇省揚(yáng)州市。全市地域范圍約857 km2（不包括長江水域）。境內(nèi)主要地貌類型有丘陵、沙礫石崗地、黃土崗地、河谷平原、沿江平原。區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以水稻—小麥輪作為主，一年兩熟制，部分地區(qū)實(shí)行水稻—油菜輪作。

1.2 ? ?數(shù)據(jù)來源

本研究對比分析了1984年、1994年、2005年和2014年4個(gè)時(shí)期儀征市農(nóng)田土壤pH值變化趨勢。1984年土壤pH值數(shù)據(jù)來源于第二次土壤普查;1994年土壤pH值數(shù)據(jù)來源于土壤普查;2005年土壤pH值數(shù)據(jù)來源于農(nóng)業(yè)部測土配方施肥數(shù)據(jù);2014年土壤pH值數(shù)據(jù)來源于儀征市耕地地力評價(jià)數(shù)據(jù)庫。農(nóng)田土壤點(diǎn)位數(shù)據(jù)采用GPS定位技術(shù)定位，采用非網(wǎng)格隨機(jī)法取樣，在整個(gè)縣域范圍內(nèi)采集了耕層土壤（0～20 cm）的土樣，每個(gè)取樣點(diǎn)的土壤樣品由多個(gè)點(diǎn)混合經(jīng)四分法提取而成，取樣點(diǎn)分布于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，所采的土壤樣品類型包括了儀征市土壤的所有類型，代表性廣。采集的土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后，采用雙電極法測定土壤樣品的pH值。

1.3 ? ?研究方法

本研究的分析方法主要有GIS空間插值方法和重心轉(zhuǎn)移模型。

1.3.1 ? ?GIS空間插值。在Arcgis10.2軟件中，利用IDW插值方法，得到覆蓋整個(gè)研究區(qū)域的不同時(shí)期的土壤pH值分布圖。IDW插值方式是一種加權(quán)平均的插值法，可進(jìn)行確切或圓滑的方式插值，該方法適用于小范圍、局部性研究。pH值分級參照第二次土壤普查的分級標(biāo)準(zhǔn)與研究區(qū)域情況，將土壤pH值分為4級：4.5～5.5為1級，酸性;5.5～6.5為2級，弱酸性;6.5～7.5為3級，中性;7.5～8.5為4級，弱堿性。

1.3.2 ? ?重心偏移模型。該模型能揭示pH值在不同時(shí)期的空間變化方向[3]。通過計(jì)算土壤pH值各級別重心坐標(biāo)，模擬儀征市土壤pH值的變化趨勢與方向，計(jì)算公式如下：

Xt=∑Ati·Xi /∑Ati（1）

Yt=∑Ati·Yi /∑Ati（2）

式中Xt、Yt分別表示t年土壤pH值中心的經(jīng)緯度坐標(biāo)（單位：°）;Ati表示第i個(gè)pH級別農(nóng)田土壤圖斑的面積（單位：hm2）;Xti、Yti表示第i個(gè)pH級別農(nóng)田土壤圖斑的經(jīng)緯度坐標(biāo)（單位：°）。

2 ? ?結(jié)果與分析

2.1 ? ?儀征市農(nóng)田土壤pH值時(shí)間變化

對比分析1984年、1994年、2005年、2014年4個(gè)時(shí)期農(nóng)田土壤樣點(diǎn)pH值數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，隨著時(shí)間推移，儀征市農(nóng)田土壤pH值在0.05水平上顯著降低，酸化趨勢明顯，其中1984年農(nóng)田土壤pH值為6.62±0.80;1994年農(nóng)田土壤pH值為6.43±0.71;2004年農(nóng)田土壤pH值為6.15±0.80;2014年農(nóng)田土壤pH值為6.08±0.67（圖1）。

2.2 ? ?儀征市農(nóng)田土壤pH值空間變化

空間插值是一種基于有限個(gè)已知點(diǎn)的數(shù)值，通過距離或空間關(guān)系，預(yù)測出其他位置近視值的方法，可基于點(diǎn)位數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)區(qū)域數(shù)據(jù)預(yù)測。在Arcgis10.2中利用IDW插值方法，得到4個(gè)時(shí)期儀征市農(nóng)田土壤pH值分布圖（圖2）?？梢钥闯觯瑑x征市北部和東南部，農(nóng)田土壤pH值從3級降為2級，出現(xiàn)了較為明顯的農(nóng)田土壤酸化趨勢。根據(jù)第二次土壤普查中土壤pH值分級標(biāo)準(zhǔn)，得到不同時(shí)期不同pH值分級的面積比例，如表1所示。可以看出，30年間儀征市農(nóng)田土壤主要集中在5.5～6.5之間。對比1984年和2014年的不同pH值分級面積比例，pH值為2級的面積比例由1984年的60.10%上升到2014年的79.80%;pH值為3級的面積比例由1984年的23.60%降低到2014年的13.52%。

重心偏移模型的計(jì)算結(jié)果如圖3所示，整體來說，1984—2014年儀征市的農(nóng)田土壤pH值重心在儀征市的中部，馬集鎮(zhèn)的秦橋村和新民村。30年間，農(nóng)田土壤pH值重心有向西南方向偏移的趨勢，主要原因在于：1984年，儀征市的農(nóng)田土壤pH值空間分布情況為北部和東南部以中性pH值為主，中部地區(qū)為弱酸性，pH值重心處于儀征市中部偏東的方向;到2014年，由于30年間北部和西南部的農(nóng)田土壤pH值降低，整個(gè)區(qū)域以弱酸性為主，pH值重心處于儀征市中部。在Arcgis10.2中度量農(nóng)田土壤pH值重心偏移距離顯示：1984—1994年間，儀征市農(nóng)田土壤pH值重心向東北方向偏移約206 m;1994—2005年間，儀征市農(nóng)田土壤pH值重心向西南方向偏移約183 m;2005—2014年間，儀征市農(nóng)田土壤pH重心向西南方向偏移約104 m。

3 ? ?結(jié)論與討論

30年間，儀征市農(nóng)田土壤pH值降低，呈現(xiàn)酸化趨勢，這與王志剛等[1]對1980年和2003年江蘇省土壤pH值的時(shí)空變化研究結(jié)論一致，農(nóng)田土壤酸化是人類活動(dòng)和自然因素共同作用的結(jié)果，人類活動(dòng)主要包括不合理的施肥方式、土地利用方式轉(zhuǎn)變和農(nóng)田管理模式，自然因素主要為工業(yè)化和城鎮(zhèn)化過程中造成的酸雨。汪吉東等[2]的研究表明，不合理施用化肥會(huì)加速農(nóng)田土壤酸化，筆者對儀征市的農(nóng)戶施肥行為進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)80—90年代，儀征市農(nóng)戶有機(jī)肥投入較大，有機(jī)肥的來源主要包括豬糞和紫云英。但從20世紀(jì)90年代起，由于從事生豬養(yǎng)殖的農(nóng)戶越來越少，農(nóng)戶對農(nóng)田有機(jī)肥的投入開始減少。21世紀(jì)初，雖然江蘇省積極推廣測土配方施肥，但是農(nóng)戶普遍認(rèn)為測土配方施肥推薦的施肥量和施肥類型成本大于習(xí)慣施肥方式，實(shí)際只有不到20%的農(nóng)戶采用測土配方施肥技術(shù)。肥料選擇上農(nóng)戶長期施用低含量復(fù)合肥主要成分為氯化鉀、氯化銨、過磷酸鈣，這些生理酸性肥料的長期大量施用，由于水解作用，或因其中銨、鉀離子交換出土壤膠粒吸附的氫、鋁離子，亦或NH4+的硝化作用產(chǎn)生H+而使農(nóng)田土壤變酸[2]。

有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，酸雨是加速農(nóng)田土壤酸化的主要驅(qū)動(dòng)因素[4]。還有學(xué)者研究表明，燃煤型和燃油型混合是造成儀征主城區(qū)2006—2010年屬于酸雨區(qū)的主要原因[7];儀征市環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，自1996—2010年，儀征市主城區(qū)的平均酸雨概率為29.48%，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，控制工業(yè)污染排放，有利于控制儀征市農(nóng)田土壤酸化[5-7]。

通過GIS分析儀征市不同時(shí)期農(nóng)田土壤pH值的時(shí)空變化，結(jié)果表明，30年間，儀征市農(nóng)田土壤pH值下降，呈現(xiàn)酸化趨勢，酸化區(qū)域主要集中在儀征市的北部和東南部;在Arcgis10.2平臺(tái)上運(yùn)用空間插值和重心偏移方法，結(jié)果表明，30年間儀征市的農(nóng)田土壤pH值重心呈現(xiàn)向西南方向偏移的趨勢。

4 ? ?參考文獻(xiàn)

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