2017, Vol. 25
表1(Table 1)
2. 土壤环境健康与调控福建省重点实验室 福州 350002;
3. 中国科学院烟台海岸带研究所 烟台 264000
, ZHANG Liming1,2, LONG Jun1,2, CHEN Hanyue1,2, FAN Xieyu1,2, XING Shihe1,2
, XU Fuxiang3
2. Key Lab of Soil Ecosystem Health and Regulation of Fujian Province, Fuzhou 350002, China;
3. Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264000, China
在高投入高产出的农业生产中, pH持续下降所表现出来的土壤酸化是全球农业生产的主要障碍因素之一。土壤酸度的提高不仅会造成大量营养元素的流失和土壤肥力下降, 还会严重影响土壤微生物区系和活性以及作物的正常生长[1-3]。据统计, 20世纪末我国的土壤酸化面积已达到2.04×108hm2, 约占全国土壤总面积的22.7%[4]。因此, 准确揭示区域耕地土壤酸化程度及其原因、科学防治和减缓土壤酸化进程是实现区域农业可持续发展亟待解决的重要问题。国内外学者对不同区域土壤pH变化及影响因素进行了较多研究。Yang等[5]运用GIS空间分析技术研究1980—2000年期间中国北方草原土壤pH的变化, 结果表明20年间中国北部草原土壤pH平均下降了0.63个单位, 其中95%的土壤pH下降0.54~0.73个单位; Guo等[6]利用1980年和2000年中国35个地区154块农田土壤pH分析数据统计表明, 大量施用氮肥是研究期间土壤pH平均降低0.5个单位的主因。在区域尺度上, 李婷等[7]研究表明1982—2002年间成都平原土壤pH平均值由6.95降低到6.70, 平均降低3.60%;刘付程等[8]研究发现第2次土壤普查以来, 太湖地区绝大多数土壤pH发生不同程度下降, 平均降幅达0.56个单位。省域尺度上, 王志刚等[9]通过比较江苏省第2次土壤普查和2003年采集的土壤表层样品pH, 发现近20年间全省土壤基本维持南酸北碱的格局, 但局部地区明显酸化; 曾招兵等[10]分析了广东省耕地地力调查样点数据表明, 1984年以来重化肥轻有机肥加速了广东省水田土壤的酸化。县域尺度上, 刘丽等[11]借助GIS技术对辽宁省昌图县1982年和2011年两个时期土壤pH的空间变异情况进行比较, 结果表明昌图县土壤pH均值由1982年的6.85下降到2011年的6.07, 年均下降0.027个单位; 佀国涵等[12]利用湖北省宣恩县2010—2012年测土配方施肥项目的样点与第2次土壤普查的样点分析数据进行对比表明, 棕壤、砾质岩山地黄棕壤和石英质山地黄棕壤pH下降幅度明显高于石灰岩山地黄棕壤。可见, 国内外现有的相关研究主要聚焦于区域土壤pH的变化及其空间差异, 并针对土壤pH变化的影响因素进行研究。然而目前多采用的简单的线性相关分析, 无法揭示不同因素对土壤pH变化影响的程度高低。我国南方亚热带地区高温多雨, 盐基离子淋失量大, 土壤自然酸化作用明显, 加上多熟制栽培致使耕地土壤化肥施用量大, 可能加速土壤酸化, 耕地土壤酸化已成为制约我国亚热带地区耕地质量提升的主要限制因素之一。为此, 本研究以地处亚热带地区的福建省为研究区, 以2008年福建省耕地利用现状图为底图, 利用该区域1982年第2次土壤普查36 777个和2008年耕地测土配方施肥236 445个表层样点分析数据建立的两期1:25万耕地利用-土壤类型数据库, 借助GIS与灰色斜率关联分析模型集成技术, 研究该区域26年间耕地不同土壤类型和利用方式下酸化程度的差异及其影响因素, 研究结果可为我国亚热带地区的耕地土壤酸化阻控和改良利用提供科学依据。
1 研究区概况与研究方法 1.1 研究区概况福建省地处我国东南沿海, 位于23°30′~28°22′N, 115°50′~120°40′E, 年均气温15.8~21.7 ℃, 最热月均温为28 ℃, 年均降水量1 015~1 923 mm, 年日照时数为1 700~2 300 h, 年均太阳辐射量为427×103~532×103J∙cm-2, ≥10 ℃积温高达5 000~7 800 ℃, 属于亚热带海洋性季风气候。地形以山地丘陵为主, 地势总体上呈东南低, 西北高。成土母质主要为残坡积物、冲积物、洪积物、海积物、风积物以及局部出现的牛轭湖相沉积物。2008年末全省耕地土壤总面积134.17万hm2, 以水稻土占优势, 占耕地总面积的93.05%;其次分别为赤红壤和红壤, 分别占耕地总面积的4.32%和1.21%, 其他类型土壤 (潮土、黄壤、滨海盐土和紫色土) 面积较小[13]。
1.2 基础资料收集根据研究需要从福建省农业厅收集: (1)1982年福建省1:25万土壤类型分布图; (2)1982年各县 (市、区)36 777个耕地土壤表层调查样点分布图及其相关属性数据资料; (3)2008年各县 (市、区) 测土配方施肥 (含地力调查)236 445个耕层调查样点GPS定位坐标及其相关属性数据资料。从福建省国土资源厅收集2008年1:25万福建省耕地利用现状和DEM数据库。从省统计局和国家气象局分别收集1982—2008年福建省农村统计年鉴和66个气象站点地理坐标及其相关气象观测数据资料。由于福建省较全面的酸雨监测普查工作始于2000年, 为了揭示酸雨对土壤酸化的影响, 从省环境保护厅收集2000—2008年48个酸雨监测点地理坐标及年均降水pH观测数据资料。
1.3 耕地利用-土壤类型及评价单元空间数据库的建立借助ARC/GIS软件, 从2008年福建省1:25万土地利用现状图数据库提取耕地利用类型 (旱地、水田和水浇地) 图层, 将矢量化的1982年1:25万土壤类型数据库图层与耕地利用类型图层进行叠加分析, 并根据野外调查结果对产生变化的土壤类型进行修正, 建立福建省1:25万耕地利用-土壤类型空间数据库。以耕地土壤类型 (亚类) 作为评价单元, 全省耕地土壤共划分为34 593个评价单元。
1.4 耕地土壤调查样点和气象站点空间数据库的建立利用第2次土壤普查调查样点分布图, 根据调查样点所处的图斑单元及其周边地物特征, 借助ARC/GIS以人机对话方式软件将1982年36 777个调查样点逐一转绘到耕地利用-土壤类型空间数据图层, 生成第2次土壤普查调查样点空间数据图层; 利用2008年耕地测土配方施肥 (含地力调查)236 445个调查样点的GPS定位坐标数据 (其中pH、有机质属性样点236 445个, CEC、砂粒、粉粒和黏粒等属性样点29 945个), 借助ARC/GIS的“Add XY Data”工具与耕地利用-土壤类型空间数据图层自动链接, 生成2008年耕地测土配方施肥调查样点空间数据图层, 然后分别与数据库格式的1982年和2008年调查样点相关土壤属性数据进行链接, 分别建立1982年36 777个和2008年236 445个耕地土壤调查样点空间及属性数据库。分别利用66个气象站点和48个酸雨监测点地理坐标数据, 借助ARC/GIS的“Add XY Data”工具与耕地利用-土壤类型空间数据图层自动链接, 分别生成气象站点和酸雨监测点空间数据图层, 然后与数据库格式的各气象站点相关气候观测数据和酸雨监测点年均降水pH监测数据进行链接, 分别建立福建省66个气象站点和48个酸雨监测点空间及相关气候属性数据库。
1.5 相关属性空间数据库建立本研究中涉及的相关属性包括土壤属性 (CEC、pH、有机质、砂粒、粉粒和黏粒等)、气候属性 (年均温和年降水量等)、酸雨属性 (年均降水pH值) 和施肥属性 (氮、磷肥年施用量等), 借助ARC/GIS软件, 采用普通克里格插值法[14]进行土壤pH、有机质、CEC、砂粒、粉粒、黏粒和年均降水pH空间属性数据的点面推算, 年均温和年均降水量均采用三维趋势面分析结合反距离权重插值残差订正法[15]进行空间属性数据的点面推算, 分别生成福建省1982年和2008年相关属性栅格空间数据库。利用福建省耕地利用-土壤类型空间数据图层分别掩膜上述属性栅格空间数据图层, 以耕地土壤亚类图斑为单元, 然后采用面积加权平均法计算并建立福建省耕地土壤亚类单元CEC、pH、有机质、砂粒、粉粒、黏粒、年均温、年降水量和年均降水pH值空间属性数据库, 进而将土壤普查和耕地测土配方施肥 (含地力调查) 土壤属性数据与土壤图单元对应起来。利用福建省耕地利用-土壤类型空间数据图层, 以县行政区为单元, 采用人机对话赋值法建立福建省耕地单元氮肥、磷肥年施用量空间属性数据库。
1.6 耕地土壤酸化程度空间数据库建立借助ARC/GIS软件, 将2008年和1982年的耕地土壤pH空间分布图层进行减法运算, 得出各评价单元pH变化幅度 (ΔpH) 图层, 将2008年土壤pH < 6.5且ΔpH < 0的耕地土壤归为酸化土壤, 其他归为未酸化土壤。借助DPS软件的动态聚类分析工具将研究区酸化耕地土壤的酸化程度划分为弱度酸化 (-0.50 < ΔpH < 0)、中度酸化 (-1.50 < ΔpH≤-0.50) 和强度酸化 (ΔpH≤-1.50)3个等级。
1.7 耕地土壤酸化程度影响因素分析从酸化土壤pH变化幅度图层提取出各酸化土壤单元的ΔpH值, 建立各耕地单元酸化程度的因变量序列, 从相应单元的其他属性图层提取出影响耕地土壤酸化程度的相关因素 (CEC、有机质、砂粒、粉粒、黏粒、年均温、年降水量、年均降水pH、年氮肥施用量、年磷肥施用量) 属性值, 建立相应单元的影响因素自变量序列。借助DPS统计软件, 采用灰色斜率关联度分析模型, 计算酸化土壤pH变化幅度与相关影响因子的关联度[16], 分析相关因子对土壤酸化程度的影响及其差异。
1.8 图件编制利用ARC/GIS软件编制福建省耕地土壤酸化程度分区图, 并添加图例、比例尺、指北针等要素后输出。
2 结果与分析 2.1 耕地土壤酸化及其程度分析研究结果表明 (表 1), 就酸碱性面积变化而言, 1982年福建省处于酸性和微酸性的耕地土壤分别占全省耕地总面积的73.18%和22.90%, 处于强酸性、中性和微碱性的耕地土壤仅分别占0.23%、3.48%和0.21%; 2008年全省处于酸性和微酸性的耕地土壤分别占75.18%和17.64%, 而强酸性、中性和微碱性耕地土壤则分别占4.49%、2.00%和0.24%。可见, 26年间全省强酸性、酸性耕地土壤分别增加了4.26%和2.00%, 微碱性耕地土壤增加了0.03%, 而微酸性和中性耕地土壤分别减少了5.26%和1.48%。从酸性等级变化来看, 26年间全省有75.30%的中性耕地土壤转化为微酸性、酸性和强酸性, 55.72%的微酸性耕地土壤转化为酸性和强酸性。从土壤pH变化来看, 26年间全省有33.05%的耕地土壤pH降低了0~0.3个单位, 31.52%的耕地土壤pH降低了0.3~1个单位, 5.43%的耕地土壤pH降低了1个单位以上。
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表1 1982—2008年福建省耕地土壤酸碱性变化的转移矩阵 Table 1 Acidic or alkaline transfer matrix of cropland soil in Fujian Province from 1982 to 2008 |
从土壤酸化程度分析 (表 2), 26年间福建省67.60%的耕地土壤发生不同程度地酸化, 其中, 弱度、中度和强度酸化的耕地土壤面积分别占全省耕地总面积的48.52%、18.26%和0.83%。弱度酸化耕地土壤分布较广, 但主要分布于南平、三明和宁德市, 分别占全省弱度酸化耕地土壤总面积的20.71%、17.66%和15.73%;其次分布于漳州和福州市, 分别占全省弱度酸化耕地土壤总面积的12.06%和11.79%。中度酸化耕地土壤主要分布于南平市、龙岩市和泉州市, 分别占全省中度酸化耕地土壤总面积的29.88%、18.10%、16.94%;其次分布于漳州市、福州市, 分别占全省中度酸化耕地土壤总面积的10.58%和9.33%。强度酸化耕地土壤分布相对较为集中, 主要分布于龙岩市, 占全省强度酸化耕地土壤总面积的86.88%;其次分布于泉州市, 占全省强度酸化耕地土壤总面积的8.39%, 南平、莆田和三明市则未见强度酸化耕地土壤。从土壤酸化程度整体分布而言, 强度和中度酸化的耕地土壤主要分布在福建省北部的南平、西南部的龙岩和东南部沿海的泉州等地区, 弱度酸化的耕地土壤主要分布在福建省北部的南平和宁德、西部的三明及东部福州、漳州等地区。
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表2 1982—2008年福建省各设区市耕地土壤酸化程度面积 Table 2 Areas of farmland with different acidification degrees in different municipalities of Fujian Province from 1982 to 2008 |
从耕地土壤亚类酸性类型面积变化分析 (表 3), 1982—2008年的26年间全省强酸性耕地土壤面积增加较多的亚类主要有渗育水稻土、潜育水稻土和潴育水稻土等, 以渗育水稻土亚类的强酸性面积增加最多, 增加了6.11%, 其中66.21%和36.00%新增强酸性渗育水稻土分别由原酸性和微酸性渗育水稻土转化而来; 全省酸性耕地土壤面积增加较多的亚类主要有酸性紫色土、盐渍水稻土和赤红壤等, 以酸性紫色土亚类增加面积最大, 增加了39.23%, 全部由原微酸性紫色土转化而来; 全省微酸性耕地土壤面积总体上呈减少趋势, 但面积增加最多的亚类为滨海风砂土, 增加了32.17%, 全部由原中性滨海风砂土转化而来。
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表3 1982年和2008年福建省耕地不同亚类土壤酸碱性面积比例 Table 3 Area proportions of acidic or alkaline soil in different subgroups of cropland soil in Fujian Province in 1982 and 2008 |
从酸化程度来看 (表 4), 26年间福建省耕地土壤除滨海盐土和咸酸水稻土亚类外, 其余耕地土壤亚类均发生不同程度酸化现象, 其中发生强度酸化面积最大的亚类主要为渗育水稻土和潴育水稻土, 合计面积占全省强度酸化耕地土壤总面积的98.94%;发生中度酸化面积最大的亚类为渗育水稻土, 占全省中度酸化耕地土壤总面积的71.91%, 其次是潴育水稻土、赤红壤和潜育水稻土亚类, 合计占全省中度酸化耕地土壤总面积的25.69%;发生弱度酸化面积最大的耕地土壤亚类也是渗育水稻土, 占全省弱度酸化耕地土壤总面积的74.77%, 其次也是潴育水稻土、赤红壤和潜育水稻土亚类, 合计占全省弱度酸化耕地土壤总面积的21.71%。可见, 26年间福建省耕地土壤以渗育水稻土、潴育水稻土两个亚类的酸化程度相对较为严重。
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表4 1982—2008年福建省耕地不同亚类土壤不同酸化程度面积 Table 4 Areas of different acidification degrees soils in different subgroups of cropland soil in Fujian Province from 1982 to 2008 |
研究结果表明 (表 5), 26年间福建省水田、旱地和水浇地的酸碱性变化差异较大。与1982年相比, 水田利用类型中的微酸性土壤面积减少7.24%, 而酸性和强酸性土壤面积则分别增加2.34%和5.38%, 其中分别有59.76%、10.20%、2.12%和0.10%的微酸性水田土壤转化为酸性、强酸性、中性和微碱性。水浇地利用类型中的强酸性土壤面积净增0.30%, 系由原来的酸性和微酸性土壤转化而来; 酸性土壤面积净增3.29%, 其中15.26%由微酸性土壤转化而来; 中性土壤面积净减15.63%, 其中有85.55%的中性土壤变为微酸性, 其余的变为酸性和强酸性。旱地利用类型中强酸性、微酸性土壤面积分别增加1.57%和3.17%, 而酸性、中性和微碱性土壤面积则分别降低0.54%、4.13%和0.06%;有68.57%的强酸性土壤变为酸性; 22.25%的酸性土壤转化为强酸性、微酸性和中性; 分别有17.12%和12.69%的微酸性土壤变为酸性和中性; 78.22%的中性土壤变为酸性、微酸性和微碱性。
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表5 1982年和2008年福建省耕地不同利用类型土壤酸碱性面积比例 Table 5 Area proportions of acidic or alkaline soil of different cropland use types in Fujian Province in 1982 and 2008 |
从酸化程度来看 (表 6), 1982—2008年26年间全省有788.55×103 hm2的水田利用类型发生不同程度酸化, 占全省水田总面积的70.35%, 其中强度、中度和弱度酸化面积分别占水田总面积的0.90%、18.54%和50.91%。水浇地利用类型的酸化面积为29.37×103 hm2, 占全省水浇地总面积的60.78%, 其中强度、中度和弱度酸化面积分别占水浇地总面积0.11%、24.01%和36.66%。相对而言, 全省旱地利用类型的酸化面积较小, 占全省旱地总面积的51.69%, 其中强度、中度和弱度酸化面积分别占旱地总面积的0.59%、14.80%和36.30%。可见, 自1982年以来, 福建省耕地以水田利用类型酸化最为严重, 水浇地次之, 旱地酸化面积相对较小, 其中水田和旱地以弱度酸化为主, 水浇地发生中度和弱度酸化的面积相当。
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表6 1982—2008年福建省耕地不同利用类型酸化程度面积 Table 6 Areas of different cropland acidification degrees in different land use types in Fujian Province from 1982 to 2008 |
表 7结果可见, CEC、黏粒、降水年均pH、有机质和粉粒与耕地土壤酸化程度呈正相关, 表明这些影响因素的数值越高, 耕地土壤酸化程度越弱 (即ΔpH值越大); 而年均降水量、砂粒、年均温及磷肥和氮磷肥施用量则与耕地土壤酸化程度呈负相关, 说明这些影响因素数值越高, 耕地土壤酸化程度越强 (即ΔpH值越小)。
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表7 福建省耕地土壤酸化与影响因子的灰色关联分析 Table 7 Grey correlation analysis between cropland soil acidification and impact factors in Fujian Province |
福建省耕地土壤pH变化幅度与影响因子关联系数绝对值|R|的大小顺序为: CEC > 黏粒 > 降水年均pH值 > 年均降水量 > 有机质 > 砂粒 > 年平均温度 > 磷肥施用量 > 氮肥施用量 > 粉粒, 说明土壤CEC、黏粒、降水年均pH、年均降水量和有机质对福建省耕地土壤酸化程度影响最为显著, 关联系数绝对值|R|大于0.850;砂粒、年平均温度、磷肥及氮肥施用量对福建省耕地土壤酸化程度的影响程度居中, 关联系数绝对值|R|介于0.800~0.850;而粉粒的影响则较小, 关联系数绝对值|R|小于0.790。说明降水年均pH、年均降水量、年均温度、年磷肥和氮肥施用量是导致福建省耕地土壤酸化的主要外在因素, 而CEC、黏粒、有机质和砂粒含量是减缓或加速福建省耕地土壤酸化的主要内在因素。
3 讨论 3.1 降水和温度对耕地土壤酸化的影响自然和人为因素共同影响土壤酸碱性的形成。从土壤发育形成的过程来看, 自然因素的持续影响决定土壤pH的长期时空变化[17], 如我国土壤形成南酸北碱的格局, 正是由于温度和降水等自然因素长期作用所致。福建省地处亚热带气候区, 年均气温15.8~21.7 ℃, 最热月均温为28 ℃, 年均降水量1 015~1 923 mm, ≥10 ℃积温高达5 000~7 800 ℃[13]。高温多雨的气候条件, 致使土壤中矿物分解和有机质矿化作用强烈, 盐基物质大量淋失, 土壤CEC和盐基饱和度降低, 氢饱和度上升, 导致土壤持续酸化。本研究结果表明, 全省耕地土壤pH变化幅度与年均降水量和年均气温关系密切, 关联系数绝对值|R|分别高达0.898和0.844, 故高温和多雨的气候条件是导致1982—2008年福建省67.60%的耕地土壤发生不同程度酸化的主要自然因素。其中降水量较大的北部地区 (三明和南平市) 发生酸化的耕地面积较大, 合计占全省酸化耕地总面积的37.45%, 而气温较高、降水量稍低的东南沿海地区 (莆田、泉州、厦门和漳州市) 发生酸化的耕地面积也占全省酸化耕地总面积的27.28%。
3.2 施肥和酸雨对耕地土壤酸化的影响短期内土壤pH的剧烈变化则主要受人为因素的干扰[17]。长期不合理施肥, 特别是长期大量施用酸性或生理酸性化肥是引起土壤酸化的重要原因[18-19]。这是因为酸性 (如过磷酸钙) 或生理酸性 (如硫酸铵) 肥料施入土壤, 直接向土壤输入酸性物质磷酸导致土壤酸化[20], 或因植物喜好吸收NH4+而使SO42-在土壤中残留并与作物代换吸收释放出来的H+(或离解出来的H+) 结合成硫酸导致土壤酸化[2], 或NH4+在土壤中发生硝化反应释放H+, 会加速土壤酸化[21]。据统计资料, 近30年来福建省化肥施用量持续增长, 2008年化肥施用量高达1.19×106 t, 是1985年的2.42倍, 其中以氮磷肥占优势, 分别占年化肥施用量的39.90%~60.77%和13.51%~17.25%。据福建省农村统计年鉴资料, 26年间耕地土壤酸化较为严重的南平、泉州、龙岩和漳州等设区市年均化肥施用量介于508~1 980 kg·hm-2, 是全省年均化肥施用量 (434 kg·hm-2) 的1.17~4.56倍, 且施用的化肥以氮、磷肥为主, 施用的磷肥则以酸性过磷酸钙占优势[22]。本研究结果表明, 全省耕地土壤pH变化幅度与年磷肥和氮肥施用量关系密切, 关联系数绝对值|R|分别高达0.831和0.807。因此, 长期持续大量施用尿素、氯化铵、硫酸铵和过磷酸钙等酸性或生理酸性肥料也是造成福建省耕地土壤大面积酸化的重要外因。
酸雨降落到地面, 酸雨中的硫酸根离子和硝酸根离子均会直接加快土壤的酸化[23]。福建省属于全国的酸雨敏感区, 酸雨较严重的区域位于福建省的北部、西部和南部, 其中龙岩、泉州等城市的酸雨频率 > 50%[24]。本研究结果表明, 全省耕地土壤pH变化幅度与降水年均pH值关系极为密切, 关联系数高达0.907, 明显高于年均降水量、年均温度、年氮肥和磷肥施用量等外在致酸因素。因此, 酸雨是导致福建省近1982—2008年耕地土壤普遍酸化的最主要外因。据全省酸雨监测点资料统计, 南平、泉州和漳州等设区市的年均降雨pH分别为5.2、5.1和4.6, 较全省年均降水pH的均值 (6.0) 低0.9~1.4个单位, 酸雨较为严重, 致使南平、龙岩、泉州和漳州等市耕地土壤发生强度和中度酸化的耕地面积也较大, 合计占全省强度和中度酸化耕地总面积的95.27%和75.49%。
3.3 利用方式对耕地土壤酸化的影响福建省地处亚热带气候区, 丰富的光温水条件决定了全省耕地适合多熟制栽培, 主要耕作制度为烟-稻、稻-薯、稻-菜、马铃薯-双季晚稻、马铃薯-中稻-甘薯、春大豆-双季晚稻等[25], 因此福建省水田的利用方式以水旱轮作为主。与其他耕作模式相比, 水旱轮作模式下, 土壤pH平均下降速率是持续种稻模式的10倍[26], 水旱轮作更易造成土壤酸化。这是因为一方面水旱轮作模式下土壤由于相对较长的时间处于好气条件, 易于NH4+的硝化作用, 致使土壤酸化; 另一方面水旱轮作模式下土壤有较长时间的排水期, 在此期间耕层土壤中大量的亚铁被氧化, 氧化过程中质子的释放进一步导致土壤酸化[27], 且在水旱轮作模式下, 增施酸性或生理酸性肥料可加速土壤酸化[28], 故1982—2008年福建省耕地以水田利用类型和水稻土类型的酸化最为严重, 70.35%的水田和水稻土均发生不同程度酸化。水浇地灌溉活动也较为频繁, 淋溶作用较水田弱, 较旱地强, 且灌水后一部分水分总是向上运动以补充地表蒸发和植物根系吸收, 这会使致酸离子在土壤表层积累[29], 与旱地相比水浇地也更易酸化, 故1982—2008年福建省耕地的水浇地利用类型酸化也较旱地严重, 60.78%的水浇地发生不同程度酸化。旱地由于主要靠天然降水供给作物需水, 灌溉活动较少, 所以酸化程度相对较弱, 1982—2008年全省有51.69%的旱地发生不同程度酸化。
3.4 土壤内在属性对耕地土壤酸化的影响短期内土壤pH变化还取决于土壤自身抵制酸碱变化的能力[17]。土壤抵制酸碱变化的能力以土壤物质组成和地球化学性质为基础, 土壤酸缓冲性能因土壤类型而异, 故不同类型土壤酸化程度也有所不同。黏粒是土壤CEC的主要来源物, 有机质是土壤CEC的主要贡献因子[30], 故有机质、黏粒含量和CEC高的耕地土壤, 其酸缓冲能力强, 土壤越不易酸化, 而砂粒含量高、黏粒、有机质含量和CEC低的耕地土壤, 对酸的缓冲能力弱, 越易发生酸化。本研究结果表明, 全省耕地土壤pH变化幅度与CEC、黏粒、有机质和砂粒含量关系密切, 关联系数分别高达0.927、0.921、0.851和0.848, 表明不同耕地土壤类型的CEC、黏粒、有机质和砂粒含量等内在因素差异, 对福建省耕地土壤酸化也具有不同程度地影响。全省紫色土和风砂土等土壤类型酸化较为严重, 这是因为紫色土母质多为紫色砂砾岩和紫色凝灰熔岩, 砂粒含量较高, 有机质贫乏[19]; 风砂土砂粒含量高达85%以上, 而黏粒和粉粒含量甚少, 故黏粒和粉粒对有机质的保护能力弱, 致使有机质矿化作用强烈[31], 导致福建省紫色土和风砂土的CEC低, 土壤酸缓冲能力弱, 此外, 砂粒含量高的耕地土壤具有较大的孔隙, 透水性好, 导致土壤盐基物质易于淋失, 致使26年间全省紫色土和风砂土也发生较普遍酸化, 酸化面积比例仅次于水稻土。全省潮土发生酸化的面积较小, 仅占潮土总面积的38.43%, 主要是由于潮土多分布于江河中下游的冲积平原区, 其区位、交通和灌溉条件均十分优越, 多已辟为菜地, 长期的精耕细作和重视有机肥施用, 致使潮土的黏粒、有机质含量和CEC均较高, 对酸的缓冲能力较强而不易发生酸化。虽然滨海盐土黏粒含量较低, 但由于其原始pH高, 土壤中含有较多的中碱性盐, 使其缓冲容量仅次于石灰土, 且滨海盐土质子缓冲主要是通过土壤中的中碱性盐的中和反应, 很快可达到平衡[32], 所以福建省的滨海盐土成为全省土壤酸化的唯一例外。
4 结论1982—2008年间, 地处亚热带的福建省67.60%的耕地土壤发生了不同程度酸化, 其中强度和中度酸化耕地主要分布在龙岩和泉州市。全省耕地土壤以渗育和潴育水稻土亚类发生强度、中度和弱度酸化的面积最大, 合计分别占全省相应酸化程度耕地土壤总面积的98.94%、84.51%和87.36%, 表明渗育和潴育水稻土亚类的酸化程度相对较为严重。全省耕地土壤以水田利用类型酸化最为严重, 酸化面积占水田总面积的70.35%;旱地利用类型酸化面积相对较小, 占旱地总面积的51.69%。全省耕地土壤酸化程度与可能影响因子灰色关联系数绝对值大小顺序为: CEC > 黏粒 > 降水年均pH值 > 年均降水量 > 有机质 > 砂粒 > 年平均温度 > 磷肥施用量 > 氮肥施用量 > 粉粒, 其中CEC、黏粒、降水年均pH、有机质和粉粒与酸化程度呈正相关; 年均降水量、砂粒、年均温及磷肥和氮磷肥施用量与酸化程度呈负相关。可见, 福建省耕地土壤酸化是自然和人为多种因素交互作用所致, 酸雨、高温多雨的气候和大量施用酸性或生理酸性肥料是加速福建省耕地土壤酸化的主要外因。
尽管本研究利用两期大样本数据对亚热带地区福建省的耕地土壤酸化程度进行了分析, 但土壤酸性调控不仅要了解土壤活性酸, 还需明确耕地土壤的潜性酸量, 以便准确计算酸化改良剂 (如生石灰、生物炭等) 的最佳施用量。因此, 今后的研究应进一步揭示土壤活性酸与潜性酸之间的关系, 建立科学的土壤潜性酸量估算模型, 进而准确估算耕地土壤潜性酸量, 为酸化耕地土壤合理改良提供科学依据。
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