秦嶺巴山區(qū)域耕地土壤pH分布特征及其影響因素

高 鵬，楊小敏，李丹妮，余正軍，姚 遠(yuǎn)，司 華

（漢中市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與培訓(xùn)中心，陜西漢中 723000）

0 引言

土壤酸堿度是土壤重要的化學(xué)性質(zhì)之一，通常以土壤活性酸即pH來表示土壤酸堿度。土壤pH動(dòng)態(tài)變化影響著著土壤微生物活性、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、元素遷移、植物生長(zhǎng)等[1-4]，也影響著土壤中鈣、鎂、鋅等中微量陽(yáng)離子和鎘、鉛等重金屬元素的活性，因此是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)之一[5-8]。研究不同區(qū)域耕地土壤pH 空間變異特征及影響因素，有針對(duì)性的提出改良措施，對(duì)該區(qū)域耕地質(zhì)量保護(hù)與提升具有重要作用。區(qū)域土壤pH 分布特征研究方法主要為統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)，其中地統(tǒng)計(jì)學(xué)在探討土壤pH空間變異特征的研究中發(fā)揮了重要作用，不僅可以直觀反應(yīng)研究區(qū)土壤酸堿度的空間分布格局，還能對(duì)引起這種空間分布特征的結(jié)構(gòu)性和人為性影響因素進(jìn)行解析。如長(zhǎng)江中下游山地丘陵交錯(cuò)地帶[9]、鄂西北山地農(nóng)業(yè)區(qū)[10]、南方紅壤區(qū)[11-12]、黃河三角洲區(qū)[13]、川中丘陵地區(qū)[14-15]、黃土溝壑區(qū)[16]、岳西—太湖地區(qū)[17]、也有大區(qū)域尺度下[18-21]土壤pH 時(shí)空變化研究，由于影響因素不同，農(nóng)田土壤pH表現(xiàn)出明顯不同的空間變異特征。

秦嶺巴山區(qū)由眾多的小盆地和山間谷地相連接，南部的巴山山麓，群山毗連，叢巒疊嶂，河流源遠(yuǎn)流長(zhǎng)；北部的秦嶺余脈，山勢(shì)和緩，谷寬坡平，溪水淙淙流淌。其間渠堰迂回，梯田環(huán)繞，不僅是主要產(chǎn)糧地，也是多種經(jīng)營(yíng)最有潛力的地方，地形的復(fù)雜和利用方式多樣性使得該區(qū)域耕地土壤酸堿度受多種因素影響。總結(jié)該區(qū)域土壤pH空間分布規(guī)律和影響因素，能夠?yàn)樘嵘刭|(zhì)量和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

位于秦巴山區(qū)陜西西南部的漢中市，行政區(qū)包括漢臺(tái)區(qū)、南鄭區(qū)、城固縣、洋縣、西鄉(xiāng)縣、勉縣、略陽(yáng)縣、鎮(zhèn)巴縣、寧強(qiáng)縣、佛坪縣、留壩縣2 區(qū)9 縣，土地面積2.72萬km2。漢中市地貌類型復(fù)雜，地勢(shì)南北高，中間低，形成了“兩山夾一川”的地貌骨架，其中低山(18.2%)、中高山(57.0%)、丘陵(14.6%)、盆地(10.2%)。秦嶺位于市域北部，境內(nèi)部分南北寬50～60 km，東西長(zhǎng)220 km；山勢(shì)自南而北呈階梯狀上升，一般海拔高1500～2000 m。大巴山位于漢中市南部，山勢(shì)北陡南緩，中西段走向西東，一般海拔高1500～2000 m。漢中盆地東西狹長(zhǎng)，西起勉縣武侯鎮(zhèn)，東到洋縣龍亭鋪大龍河口，東西長(zhǎng)約126 km，南北寬約5～20 km，至漢中市附近寬達(dá)25～30 km。盆地內(nèi)漢江兩岸分布有多級(jí)階地，地面坡度在1°～10°之間。漢中市常用耕地面積為26.76 萬hm2，土地肥沃，氣候溫和，河流縱橫，阡陌交錯(cuò)，是陜西南部的主要產(chǎn)糧區(qū)，糧食生產(chǎn)一年兩熟，主產(chǎn)水稻、小麥、玉米、油菜等，其中水稻、油菜單產(chǎn)是全國(guó)最高產(chǎn)區(qū)之一；主要經(jīng)濟(jì)作物有茶葉、柑橘、中藥材、蔬菜等。

1.2 土壤樣品采集及測(cè)定

綜合考慮行政區(qū)劃、土壤類型、土地利用、管理水平、點(diǎn)位信息的完整性等因素，遵循代表性、均衡性和可達(dá)性等原則，科學(xué)布設(shè)調(diào)查點(diǎn)位，在2018—2019 年秋收后施肥前進(jìn)行土壤采集，采樣深度為耕作層(0～20 cm)，同一田塊內(nèi)隨機(jī)多點(diǎn)采樣，共采集有代表性的土壤樣品993個(gè)。土樣經(jīng)風(fēng)干磨細(xì)過篩(1.0 mm)后，水土比為2.5:1，用pH 計(jì)電位法測(cè)定土壤酸堿度。圖1為行政區(qū)高程圖，圖2為采樣點(diǎn)分布圖。

圖1 漢中市高程分布圖

圖2 漢中市土壤樣品采集分布圖

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

土壤pH數(shù)據(jù)采用Excel 2010軟件進(jìn)行計(jì)算處理，利用SPSS22.0 對(duì)漢中市耕層土壤pH 進(jìn)行描述特征、正態(tài)分布檢驗(yàn)，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的變異函數(shù)分析土壤pH空間變異結(jié)構(gòu)特征；在ArcGIS10.0 中，采用普通克里格插值(ordinary Kriging)法繪制土壤pH 空間分布圖。陜西省土壤分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來自《陜西省第二次土壤普查數(shù)據(jù)集》（表1）。

表1 陜西省土壤分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地土壤pH統(tǒng)計(jì)特征

利用陜西省第二次土壤分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表1）對(duì)全區(qū)土壤pH進(jìn)行分級(jí)處理，由表2可以看出，土壤在pH≤4.5、4.6～5.5、5.6～6.5、6.6～7.5、7.6～8.5 等5 個(gè)級(jí)別的樣本數(shù)分別為0.6%、11.3%、44.1%、26.5%、17.5%，弱酸性、酸性、強(qiáng)酸性之和占比為56%。從表3可以看出，全區(qū)耕地土壤pH 的變幅為pH 4.15～8.41，平均值為pH 6.50，變異系數(shù)為13.5%，偏度為0.27，峰度為-0.707。研究區(qū)域整體土壤偏弱酸性，屬于中等程度變異。

表2 研究區(qū)耕地土壤pH分級(jí)統(tǒng)計(jì)

表3 耕地土壤pH描述性統(tǒng)計(jì)

從表4 可以看出，研究區(qū)各行政縣的土壤pH 按從低到高為：6.00、6.14、6.15、6.20、6.35、6.39、6.42、6.53、6.79、7.23、7.26；對(duì)應(yīng)行政縣分別為城固縣、漢臺(tái)區(qū)、南鄭區(qū)、勉縣、留壩縣、佛坪縣、西鄉(xiāng)縣、寧強(qiáng)縣、鎮(zhèn)巴縣、洋縣、略陽(yáng)。按照采樣點(diǎn)均值計(jì)算，有63.6%的行政區(qū)土壤pH 為弱酸性，36.4%的行政區(qū)土壤pH 為中性。

表4 研究區(qū)各縣區(qū)耕地土壤pH統(tǒng)計(jì)

2.2 耕地土壤pH空間分布特征

2.2.1 半方差分析 本研究以指數(shù)模型、球狀模型、高斯模型、線性模型對(duì)研究區(qū)土壤pH的半方差函數(shù)進(jìn)行擬合（表5）。擬合結(jié)果中，指數(shù)模型的決定系數(shù)最大而殘差最小，可以用來反應(yīng)研究區(qū)土壤pH的空間變異結(jié)構(gòu)特征。由表5 可知，指數(shù)模型塊金系數(shù)為0.366，介于25%～75%之間，具有中等程度的空間自相關(guān)，表明區(qū)域化變量的空間異質(zhì)性是由隨機(jī)因素和結(jié)構(gòu)因素共同作用的結(jié)果。變程為11640 m，說明土壤pH在此空間范圍內(nèi)分布連續(xù)，存在空間自相關(guān)性。

表5 土壤pH的理論半方差模型及參數(shù)

2.2.2 土壤pH空間分布 采用指數(shù)模型參數(shù)在ArcGIS軟件中完成插值。從圖3 土壤pH 空間分布圖可以看出，研究區(qū)域土壤pH 分布面積最大的區(qū)間為pH 5.6～6.5（弱酸性），其次為pH 6.6～7.5（中性）之間，符合樣點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。整個(gè)研究區(qū)域空間變異規(guī)律表現(xiàn)為中部大部分呈弱酸性，東部和西部則大部呈現(xiàn)中性的分布格局，與研究區(qū)域各行政縣一般統(tǒng)計(jì)特征結(jié)果符合。

圖3 研究區(qū)土壤pH空間分布圖

2.3 耕地土壤pH影響因素

半方差分析結(jié)果表明，研究區(qū)土壤pH空間異質(zhì)性是由隨機(jī)因素和結(jié)構(gòu)因素共同作用的結(jié)果。本研究主要從土壤類型、耕作制度、成土母質(zhì)和海拔4個(gè)因素進(jìn)一步分析其對(duì)土壤pH空間變異的影響。

2.3.1 土壤類型 研究區(qū)主要土壤類型為水稻土、黃褐土和黃棕壤，由表6 可知，黃褐土pH 均值最大，為pH 6.92，總體表現(xiàn)為中性土，黃棕壤和水稻土均值分別為pH 6.39 和pH 6.32，總體表現(xiàn)為弱酸性土壤。這主要是因?yàn)樵谘芯繀^(qū)，黃褐土基本呈中性反應(yīng)，水解酸含量少，代換酸甚微，幾乎不含活性鋁，鹽基飽和；黃棕壤呈微酸至酸性反應(yīng)，代換酸和水解性酸含量較多并有少量活性鋁，鹽基飽和度低。3 個(gè)土壤類型變異程度均為中等程度變異，水稻土形成過程受人控水分和耕作施肥影響較多，因此其變異系數(shù)最高。

表6 不同土壤類型土壤pH統(tǒng)計(jì)特征

2.3.2 耕作制度 本次采集的研究區(qū)土壤包含的耕作制度類型主要有水旱輪作、旱作、果園、茶園，從表7中可以看出，旱作土壤的pH平均值最大，為6.64；其次為水旱輪作，為6.37（稻/麥或稻/油輪作）；茶園最小，為5.41。各耕作制度下，土壤pH變異系數(shù)均表現(xiàn)為中等程度變異。茶園和果園作為研究區(qū)主要經(jīng)濟(jì)作物，主要種植在黃棕壤偏酸性土壤上；旱作主要分布在丘陵、淺山地帶，無人為灌溉條件，巖石礦物風(fēng)化釋放出的堿金屬不能徹底遷移出土體，聚集在土壤中，導(dǎo)致土壤pH偏高；水旱輪作中，秸稈還田和根茬殘留量大，秸稈在分解過程中向土壤釋放有機(jī)酸，降低了表層土壤的pH。

表7 不同耕作制度土壤pH統(tǒng)計(jì)特征

2.3.3 成土母質(zhì) 研究區(qū)成土母質(zhì)主要有沖積母質(zhì)、黃土母質(zhì)、破積母質(zhì)、石灰?guī)r母質(zhì)四類，由表8 中可以看出，由石灰?guī)r母質(zhì)發(fā)育的土壤pH 均值最高，為pH7.46；其次為黃土母質(zhì)，為pH 7.06；坡積母質(zhì)為pH 6.54；三類母質(zhì)發(fā)育的土壤均表現(xiàn)為中性土壤，沖積母質(zhì)為pH 6.21，表現(xiàn)為弱酸性土壤。土壤pH 對(duì)母質(zhì)母巖有較大的繼承性，母質(zhì)巖性的差異，直接影響其形成土壤pH的差異。石灰?guī)r母質(zhì)通常鈣含量高，其發(fā)育的土壤含有大量碳酸鈣；黃土母質(zhì)是漢中盆地和嘉陵江河谷盆地各級(jí)河流階地上發(fā)育的大量厚層的黃土沉積物，富含碳酸鹽[22]；坡積母質(zhì)和沖積母質(zhì)則是巖石風(fēng)化碎屑物質(zhì)在重力、風(fēng)力、降雨作用下，沖刷、搬運(yùn)到山坡中部或河流兩岸沉積下來的產(chǎn)物，其成土過程中碳酸鹽和堿土金屬易淋溶，因此土壤酸性強(qiáng)。從變異系數(shù)來看，沖積母質(zhì)、黃土母質(zhì)、坡積母質(zhì)為中等程度變異，石灰?guī)r母質(zhì)為弱變異。

表8 不同成土母質(zhì)土壤pH統(tǒng)計(jì)特征

2.3.4 海拔 海拔高度的不同影響著氣溫、降雨量以及耕作制度，導(dǎo)致土壤中動(dòng)植物活動(dòng)存在差異，進(jìn)而影響表層土壤各種化學(xué)元素變化，在一定程度上造成土壤酸堿度的變化。由表9可以看出，研究區(qū)土壤pH隨著海拔高度增加呈現(xiàn)“先增加后降低”的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)?00 m 以下海拔分布著大量的盆地，主要以水旱輪作為主，耕作成熟度高，伴隨著大量化肥的施用，導(dǎo)致土壤酸化；600～800 m 海拔主要以丘陵旱作為主；800 m以上高海拔的地方，耕地周邊植被覆蓋率高，由于溫度和濕度等環(huán)境條件比較適宜，耕地腐殖質(zhì)較多致使土壤呈酸性[10]。

表9 不同海拔高度土壤pH統(tǒng)計(jì)特征

3 結(jié)論

研究區(qū)域漢中市土壤在pH 4.15～8.41 范圍內(nèi)，平均值為pH 6.50，按照土壤酸堿度劃分標(biāo)準(zhǔn)，整體土壤偏酸性，有63.6%的行政區(qū)土壤為弱酸性，36.4%的行政區(qū)土壤為中性；變異系數(shù)為13.5%，屬于中等空間變異性。地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果表明，指數(shù)模型可以用來反應(yīng)研究區(qū)土壤pH 的空間變異結(jié)構(gòu)特征?？臻g特征分布圖結(jié)果表明，研究區(qū)土壤pH大抵呈中部低，東西部高的空間分布格局，這與研究區(qū)成土母質(zhì)和土壤類型的分布基本一致，研究區(qū)中部是漢中盆地主要區(qū)域，成土母質(zhì)多為沖積母質(zhì)，土壤類型以水稻土為主；東部和西部多為坡積母質(zhì)和黃土母質(zhì)，土壤類型以黃褐土和黃棕壤為主。研究區(qū)地貌類型復(fù)雜，影響土壤pH的主要因素包括土壤類型、耕作制度、成土母質(zhì)和海拔。該結(jié)論為合理利用耕地和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。