福建省耕地土壤pH空間分布及影響因素分析

程 金 張思文 黃文卿 張世昌 黃建誠 吳良泉 張江周*

(1.福建農林大學 資源與環境學院/國際鎂營養研究所，福州 350002;2.福建省農田建設與土壤肥料技術總站，福州 350003；3.福建省閩侯縣土壤肥料技術站，福州 350100)

土壤pH是土壤重要的化學性質之一，是土壤形成過程中多種因子綜合作用的結果[1]。其對于土壤養分有效性、土壤微生物群落結構及作物生長有著重要影響[2]。研究表明過量施用氮肥、大氣酸沉降是導致土壤pH下降的主要原因[3-5]。周曉陽等[6]研究長期施肥下我國南方典型農田土壤酸化特征發現，與不施肥對照相比，在平均施氮量為150 kg/hm2的條件下，土壤pH降低10.5%。Lungu等[7]研究表明，連續4年施用180 kg/hm2化學氮肥，土壤pH降低0.87。Cai等[8]研究指出，每公頃施用氮肥300 kg，8～12年后土壤pH下降1.4～1.6。同時土壤pH下降會導致土壤中K+、Ca2+、Mg2+等鹽基離子淋失，增加土壤交換性H+和Al3+含量，造成養分平衡失調，影響作物生長發育[9-11]。研究表明，每降低一個pH單位時，小麥生物量降低40.0%，玉米生物量降低25.7%[12]。有關香蕉酸化土壤調控試驗研究結果顯示，低pH使香蕉的產量降低8～33%[13]。因此，土壤pH下降嚴重威脅糧食安全、土壤健康及耕地可持續利用。

福建省常年高溫多雨，土壤淋溶強烈，脫硅富鐵鋁化作用明顯，土壤普遍呈酸性[14-15]。1982—2008年67.6%的耕地土壤出現不同程度的酸化[16]。此外，農戶為追求作物產量，大量施用化學肥料。據國家統計局數據顯示，福建省農用化肥用量由2009年118.7萬t增加到2016年的123.8萬t。現在國家大力倡導化肥零增長和有機肥替代化肥，福建省農用化肥用量持續下降，2020年化肥用量為110.7萬t。近十年化肥用量變化對土壤pH有何影響值得進一步研究。對龍巖煙草種植區的調研發現，植煙區平均土壤pH為5.23，適宜種植煙草(pH 5.0～5.5)的區域由2001年的62.3%增加到2011年87.9%[17]。福建省平和縣柚園土壤pH為5.0，強酸性果園土壤占67.7%[18]。對福建省安溪縣鐵觀音茶園調查發現，68.0%茶園土壤pH在4.5以下，不適宜茶樹生長[19]。然而，已有研究主要集中在縣域或者某一作物體系[17,19-20]，在全省尺度上的土壤pH研究報道較少。且福建省地勢高低起伏、土壤類型多樣，全省共劃分8個土類、14個亞類和29個土屬[21]，水稻、茶葉、煙草、蔬菜、水果等農作物種類繁多[22]。同時，土壤pH變化受自然條件、土壤類型和作物體系等影響。王洪等[23]研究表明，不同土壤類型、海拔高度、坡度等會影響陜西省耕地土壤pH變化。周潔瑩等[ 24]研究認為氮肥施用量、黏粒含量、年均降水量、有機質含量等都是導致土壤酸化的潛在因子。目前，針對福建省耕地土壤pH的研究主要集中在縣、市等單一區域，在省域尺度和大樣本的基礎上對土壤pH空間分布研究鮮見報道[17,20-21]。因此，本研究擬以福建省為研究區域，分析福建省土壤pH空間分布特征，探究自然條件、土壤類型、作物類型等對土壤pH的影響，明確土壤pH的驅動因子，為福建省耕地土壤酸化改良、合理養分管理和耕地產能提升提供重要參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

福建省地處中國東南沿岸，介于北緯23°30′～28°20′，東經115°50′～120°40′，境內山多地少，山地、丘陵占全省總面積的80%以上，海拔在2～2 185 m，平均海拔420 m。福建省地處中南亞熱帶，屬典型亞熱帶海洋性季風氣候，常年高溫多雨，全省70%的區域≥10 ℃的積溫在5 000～7 600 ℃，年平均氣溫17～21 ℃，平均降雨量1 400～2 000 mm。全省耕地面積1.34萬km2，主要集中在沿海平原、沿河流域、山間谷地與低丘陵梯田等地。全省作物體系繁多，主要種植作物有水稻、果樹、茶葉、蔬菜、烤煙和油料作物等。同時福建省有多種土壤類型，據第二次土壤普查，全省土壤劃分為8個土綱，14個亞類，代表性土壤類型是紅壤和黃壤，水稻土、赤紅壤、紫色土、潮土、濱海鹽土、風沙土等也有分布，其中，紅壤占地面積最大、水稻土分布最廣[21]。

1.2 數據來源

本研究數據來自福建省農田建設與土壤肥料技術總站，土壤樣品采集于2016—2019年，采用五點取樣法，五個樣點混合成一個樣品，采樣深度為0～20 cm，共獲得土壤普查樣點數據4 261個(圖1)，樣品采集后室內常溫自然風干過2 mm篩后，用于測定土壤理化性質。樣品采集時，詳細記錄了采樣點的海拔、降雨量、土壤質地、土壤類型、作物體系等信息。土壤pH使用土壤pH計測定(V(水)∶V(土)=2.5∶1)。土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化法測定。土壤pH數據分別按照不同海拔、降雨量、土壤有機質、土壤質地、土壤類型及作物類型等進行劃分，用于數據統計分析。

圖1 福建省耕地土壤pH采樣點分布圖Fig.1 Distribution of soil pH sampling points in Fujian Province

1.3 數據處理與分析

根據第二次全國土壤普查，劃分土壤pH分級標準：堿性pH≥8.5、弱堿性7.5≤pH<8.5、中性6.5≤pH<7.5、弱酸性5.5≤pH<6.5、酸性4.5≤pH<5.5、強酸性pH<4.5[25]。試驗數據在分析前進行正態分布檢驗和方差齊性檢驗。不同海拔、降雨量、土壤有機質、土壤質地、土壤類型及作物類型的pH差異及皮爾森相關分析采用IBM SPSS Statistics 26.0 進行分析，用 Duncan法檢驗處理間差異(P<0.05)。利用隨機森林模型分析不同因素對土壤pH影響的重要性，隨機森林利用R中“randomForest”包，各因素的差異性檢驗采用“A3”包進行。采用ArcGis 10.2軟件進行地學統計分析，用普通克里金進行空間插值分析后編制土壤pH分布圖，并添加指北針、比例尺、圖例等要素輸出。所有圖采用Origin 2021作圖。

2 結果與分析

2.1 福建省耕地土壤pH空間分布特征

福建省土壤pH空間分布特征見圖2。可見：福建省耕地土壤pH范圍為3.00～9.62，平均pH為5.35，屬于酸性土壤。對土壤pH值描述性特征進行統計，結果見圖3。可知：強酸性土壤占福建耕地總面積的12.5 %，酸性土壤占56.8 %，弱酸性土壤占21.9%，中性土壤和堿性土壤分別占耕地總面積的6.7%和2.1%。整體而言，福建省土壤pH呈現東部沿海高、西部和中部低的趨勢，其中強酸性耕地土壤主要集中在福建中部地區，酸性以及弱酸性耕地土壤主要集中于西部地區，中性以及弱堿性土壤主要分布在沿海地區。

圖2 福建省耕地土壤pH空間分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of soil pH in farmland of Fujian Province

圖3 福建省耕地土壤pH頻率圖Fig.3 Frequency of soil pH in the farmland of Fujian Province

2.2 福建省各區市耕地土壤pH描述統計

由表1可見：福建省各市耕地土壤平均pH從小到大依次為，南平市(5.09)<三明市(5.16)<龍巖市(5.21)<寧德市(5.22)<漳州市(5.42)<廈門市(5.58)<福州市(5.62)<泉州市(5.90)<莆田市(5.96)。福建省各市土壤pH分析結果見圖4。可知：南平市、三明市、龍巖市、寧德市以及漳州市耕地土壤pH主要集中在4.5～5.5，低于全省平均水平，土壤酸化嚴重；南平市、三明市、龍巖市、寧德市以及漳州市酸性及強酸性耕地土壤所占比例70%以上；廈門市、泉州市、福州市以及莆田市耕地土壤pH均值高于全省平均水平，土壤pH主要分布在5.5～6.5，處于酸性和強酸性耕地土壤所占比例為35%以上。

表1 福建各設區市耕地土壤pH描述統計Table 1 Descriptive statistics of soil pH in the cities of Fujian Province

圖4 福建省各市土壤pH分級圖Fig.4 Percentage of soil pH classification in cities of Fujian Province

2.3 土壤pH影響因素分析

2.3.1自然氣候因素對土壤pH的影響

海拔和降雨量對土壤pH的影響見表2。可見：海拔和降雨量顯著影響土壤pH。海拔≤300 m、300 m<海拔<500 m和≥500 m土壤pH分別為5.38、4.88和4.77，海拔≤300 m土壤pH顯著高于其他2個海拔。對于降雨量而言，降雨量≥1 800 mm的土壤pH為5.78，顯著低于降雨量≤1 600 mm 和1 600 mm<降雨量<1 800 mm的土壤pH，而降雨量≤1 600 mm和1 600 mm<降雨量<1 800 mm的土壤pH分別為6.25和6.19，兩者間差異不顯著。

表2 不同海拔和降雨量對土壤pH的影響Table 2 Effects of different altitudes and mean annual precipitation on soil pH

2.3.2土壤有機質對pH的影響

土壤有機質對pH的影響見表3，可見土壤有機質顯著影響土壤pH。有機質含量≤10 g/kg、10 g/kg<有機質<30 g/kg和≥30 g/kg的土壤pH分別為5.93、5.24和5.12，有機質含量≤10 g/kg的土壤pH顯著高于其他組別(表3)。

表3 不同有機質含量對土壤pH的影響Table 3 Effects of different organic matter on soil pH

2.3.3土壤質地和土壤類型對土壤pH的影響

土壤質地和土壤類型對土壤pH的影響見表4。可知：土壤質地和土壤類型顯著影響土壤pH。砂土、壤土和粘土的土壤pH分別為5.38、5.20和5.14。砂土土壤pH顯著高于其他2個質地，而粘土與壤土無顯著差異。全省主要土壤類型土壤pH由大到小依次是濱海鹽土(6.36)、潮土(5.48)、水稻土(5.29)、磚紅壤(5.17)、紫色土(5.12)、黃壤(4.99)、紅壤(4.89)，其中，濱海鹽土土壤pH顯著高于其他土壤類型；而黃壤和紅壤土壤pH顯著低于潮土和水稻土，后兩者土壤pH差異不顯著。

2.3.4作物類型對土壤pH的影響

不同作物類型對土壤pH的影響見表5。結果表明不同作物類型顯著影響土壤pH。全省主要作物類型土壤pH由小到大依次為茶園(4.67)<果樹(4.86)<烤煙(5.18)<水稻(5.25)<塊莖(5.68)<蔬菜(5.78)<油料作物(5.81)。其中：茶園土壤pH顯著低于其他作物類型，果樹、烤煙和水稻類作物土壤pH高于茶園土壤；塊莖、蔬菜和油料類作物土壤pH無顯著差異。

表4 不同土壤質地和土壤類型對土壤pH的影響Table 4 Effects of different texture types and soil types on soil pH

表5 不同作物類型對土壤pH的影響Table 5 Effects of different crop types on soil pH

2.4 各因素與土壤pH的相關性及重要性分析

皮爾森相關分析顯示土壤pH與海拔、降雨量和有機質含量呈極顯著負相關關系(表6)。隨機森林模型分析顯示，土壤有機質含量和海拔是驅動土壤pH變化的重要因素，相對重要性分別為18.6%和17.2%；其次是年均降雨量、作物類型和土壤質地，相對重要性分別為10.6%、5.4%和1.1%(圖5)。

3 討論與結論

福建省耕地土壤pH自沿海至內陸山地依次降低，呈現東部沿岸高，西部和中部低的空間格局分布特征，整體上屬于酸性土壤(圖2)。Chadwick等[26]認為造成這一空間分布的因素主要與土壤類型和降雨量有關，自沿海至內陸山地地區土壤類型呈現從濱海鹽土向紅壤變化的特點，濱海鹽土鹽基陽離子含量較高，酸緩沖能力較強；紅壤和黃壤在長期的成土過程中發生脫硅富鋁化作用，土壤中交換性H+和Al3+含量較高，土壤pH較低，且紅黃壤酸緩沖能力較弱。此外，徐福祥[21]研究表明，從沿海到內陸山地，年均降雨量逐漸增大，如武夷山等地年降雨量達到2 000 mm以上，高降雨量加劇鉀、鈣、鎂等鹽基離子淋溶，使土壤酸化加重。其次，Malhi等[27]

表6 各因素與土壤pH的相關分析Table 6 Pearson correlation of the influencing factors and soil pH

***表示相關性極顯著(P<0.01)。*** indicates significant level at the P<0.01.圖5 各因素對土壤pH變化的相對重要性Fig.5 Relative importance of various factors on soil pH change

研究表明，酸雨可直接導致土壤pH降低，以及黃聚聰等[14]分析發現2016年福建省酸雨出現頻率超過50%。本研究結果也顯示降雨量的增加顯著降低土壤pH(表2)。同時，隨著海拔升高，耕地土壤pH顯著降低(表2)。一方面跟降雨有關，皮爾森相關分析發現，海拔與降雨量呈極顯著正相關關系(表6)，即海拔越高降雨量越大，降雨量造成鹽基離子淋失，使土壤緩沖能力下降；另一方面海拔高度也會受光照、溫度、熱量等因素的影響，造成土壤pH下降，這與Guo 等[28]研究結果一致。

土壤有機質含量是表征土壤質量重要的指標之一，本研究發現福建省耕地土壤有機質含量與pH呈極顯著負相關關系(表6)，這與韓天富等[29]的研究結果一致。Liu等[30]在水稻土上的研究表明，土壤pH影響土壤性質和過程，在決定碳循環過程中起關鍵作用。Evans等[31]和Liu等[32]的研究指出，在低pH條件下，土壤有機質與鐵離子、鋁離子等金屬陽離子形成復合物，降低有機碳的溶解性。此外，Liu等[33]在中國南方酸性土壤上的研究結果顯示，土壤pH是驅動微生物群落結構變化的重要因素；Sinsabaugh等[34]和Malik等[35]研究表明，低土壤pH通過影響土壤中酶的活性，影響有機質礦化，改變碳周轉過程，減緩有機質分解速率，從而造成有機碳累積，但土壤pH與有機質轉化的機理需開展深入研究。

粘土的土壤pH顯著低于壤土和砂土(表4)，與魏鑫濤等[3]研究結果一致。粘土由硅酸鹽礦物風化而成，通透性較低。劉優平等[36]認為，在酸性環境中，粘土滲透系數隨時間推移而增加，而土壤pH與滲透系數呈負相關，即酸性環境中，粘質土壤pH較低；粘土的土壤含水量相對較高且通氣性較差，氧氣往往供應不足，土壤有機質在嫌氣條件下分解速度減緩且不完全，易累積中間產物，如在長期或高度嫌氣條件下往往會產生乙酸、丁酸等一系列有機酸，造成土壤pH下降。砂質土壤疏松，通氣性較好，雖然砂土陽離子交換性能相對較低，但其在土壤酸化后恢復力較強，而粘土的恢復力較弱[3]，這也可能是造成砂土土壤pH較高的原因之一。福建省砂土主要分布于沿海地區，多數為濱海風砂土，土質疏松，土壤pH相對較高。Chadwick等[26]研究指出，不同類型的土壤酸堿性與緩沖能力差異有關。仇榮亮等[37]通過對南方土壤酸沉降的研究認為，鹽土、潮土對酸緩沖能力較強，此外，徐仁扣等[38]在分析我國農田酸化土壤緩沖能力指出，紅壤、黃壤和磚紅壤對酸緩沖能力較弱，Guo等[39]在中國農田酸化上的研究表明，水稻土受人為活動影響較大，過量氮肥投入加速了土壤酸化過程，造成土壤pH下降。本研究中，濱海鹽土pH最高，紅壤、黃壤及水稻土pH較低。

不同作物種植體系土壤pH差異主要跟施肥管理有關。李娟等[40-41]對福建省油料作物、蔬菜和塊莖類作物開展了大量的施肥指標體系研究工作，極大的促進了優化施肥管理，同時這些作物有機肥投入量比較大，增加了土壤的緩沖能力，使土壤pH維持在比較適宜的范圍。但李清華等[42]和倪康等[43]調查發現，水稻、烤煙、果樹和茶園養分投入量，尤其是氮肥投入量是養分吸收量的幾倍甚至幾十倍，不合理施肥是導致土壤酸化的原因之一；另一方面朱齊超[44]定量了中國土壤酸化研究表明，作物收獲會從土壤帶走大量K+、Ca2+、Mg2+等的陽離子，如果不及時補充作物吸收帶走的陽離子，會造成土壤陰陽離子失衡，按照陰陽離子平衡理論和養分歸還學說，根系會向土壤中分泌質子，從而進一步加劇土壤酸化。眾多研究表明，土壤pH變化的驅動因素中不合理施用化肥貢獻占55%[44]。在所有作物體系中，茶園土壤pH最低，這與茶樹的生長特性有關，Sun等[45]研究茶樹根系生長發育時發現，茶樹適宜生長在酸性土壤上，酸性土壤上鋁的活性較高，而鋁是茶葉生長必不可以少的營養元素，保持較低的pH能維持土壤中交換性鋁的有效性，有助于茶葉的生長。在影響土壤pH的因素中，土壤有機質和海拔是驅動pH變化的重要因子，其次是年均降雨量、作物類型、土壤質地和土壤類型。但土壤pH是自然因素和人為因素共同影響的結果，單一因素對土壤pH的貢獻率需要進一步深入研究。整體而言，不同地區自然條件(如氣候、海拔、降雨量、溫度)土壤類型、作物養分管理策略、耕作方式等存在較大差異大，導致土壤對酸堿的緩沖能力不一。因此在生產管理中需要根據自然條件和作物的生長特性優化施肥管理、增施堿性有機物料及土壤改良劑等，使土壤pH維持在適宜范圍內，并提高土壤酸緩沖能力，從而提升作物生產力。如Zhang等[46]在福建省典型酸化區域(蜜柚種植體系)研究發現，通過優化60%的氮肥，同時施用石灰，增施鎂肥可以顯著提高土壤pH(提升0.34～1.09個單位)，蜜柚產量提升26.8～34.2%[46]。此外，張思文等[47]在pH僅為3.9紅壤中通過單施石灰發現可以提升玉米生物量17.1～51.8%。

綜上，本研究主要結果如下：

1)福建省耕地土壤pH自東南沿海至內陸山地地區呈逐漸降低趨勢，土壤酸化較為嚴重，酸性土壤占全省耕地面積的69.3%，強酸性耕地土壤主要集中在福建中部地區；

2)土壤有機質含量、海拔高度、年均降雨量、作物類型和土壤質地顯著影響土壤pH變化。土壤pH與海拔、降雨量和有機質呈顯著負相關關系。砂土土壤pH顯著高于壤土和粘土；

3)土壤有機質和海拔是驅動土壤pH變化的重要因子，其次是降雨量和作物類型。

因此，在福建耕地土壤管理中要增施石灰、土壤調理劑等堿性物料，同時加大秸稈還田率，采用測土配方施肥技術優化養分投入，有效地防控土壤酸化，保證土壤可持續利用。