2020, Vol. 29
PDF
2. 中国地质调查局 黑土地演化与生态效应重点实验室, 辽宁 沈阳 110034
2. Key Laboratory of Black Land Evolution and Ecological Effects, CGS, Shenyang 110034, China
土壤酸碱度是影响土壤化学和生物学性质的一个重要因素[1], 也是影响土壤肥力的重要因素, 土壤中几乎所有的反应和过程都涉及到氢离子的传递和转换, 它对土壤的其他一系列性质以及整个生态环境都有着深刻的影响[2].自然状态下的土壤酸碱性主要受成土因子控制, 其酸化的过程十分缓慢[3], pH值每下降一个单位往往需要上百年甚至上千年的时间[4].然而随着人类活动的不断增强, 土壤酸碱化的进程被加速了, 产生了一系列地质环境问题.土壤酸化会打破土壤中原有的生态平衡, H+浓度升高会影响植物根系细胞膜渗透性, 影响植物根系对营养的吸收[5], 使土壤理化性质改变, 结构变差, 肥力降低; 对酸比较敏感的微生物数量减少进而影响有机质的分解和各种元素的有效循环.同时能活化土壤中的镉、铬、汞、铅等重金属离子, 不仅对植物根系造成直接损伤, 更会随着食物链富集从而影响粮食健康[6-7].而土壤盐碱化是导致土地荒漠化的主要原因之一, 降低土壤肥力, 限制土地生产力的发展[8].因此, 有针对性地减缓土壤pH值变化进程及提出合理、有效的防治措施成为亟待解决的科学问题.目前关于土壤pH值的空间变化的研究多集中于市、县[9-11], 时间变化虽有长期定点监测结果的报道[12-13], 但大数据量、大区域、宏观分析研究还不多见.
兴凯湖平原隶属于我国著名的三江平原商品粮基地, 作为全国重要的粮食产区, 在保障我国粮食输出与自给方面占有重要地位.目前该区地质工作程度较低, 关于该区土壤pH值的区域分布情况及变化特征迄今未见报道.基于20世纪80年代第二次土壤普查(下文用1980P表述)及2019年兴凯湖平原1 : 25万土地质量地球化学调查(下文用2019P表述)的数据, 分析兴凯湖平原土壤pH值空间分布与时间变化特征, 探讨土壤pH值变化及其影响因素, 为因地制宜地调控土壤酸碱度、提升耕地质量提供依据.
1 研究区概况兴凯湖平原位于黑龙江省东部, 与俄罗斯接壤(图 1).本区东起乌苏里江, 西到张广才岭, 北依完达山, 南濒兴凯湖, 总面积逾16 000 km2, 行政区跨越虎林市、密山市.工作区水系极为发育, 河网密布.主要河流从南向北有穆棱河、七虎林河、阿布沁河, 均为乌苏里江左翼支流.此外工作区湖泊、湿地也较为发育.区内拥有风景优美的中俄界湖-兴凯湖.
|
图 1 研究区交通位置图 Fig.1 Traffic location map of the study area 1-城市(city); 2-主要公路(highway); 3-主要铁路(railway); 4-研究区范围(study area) |
本区属中纬度寒温带湿润、半湿润大陆性季风气候, 冬季漫长, 严寒而干燥, 夏季短促, 温暖且湿润, 年平均温度2.9~3.1 ℃.区内雨量充沛, 多年平均降水量为526~710 mm, 6~9月占全年总量70%.蒸发量为降水量1.5~2倍, 5~9月占全年总量70%.
兴凯湖平原地形总体由西向东倾斜.工作区东部为冲洪积、湖积平原区, 地势低平, 微有起伏, 仅在虎林和虎头散布着被地堑切割残余的孤山.西部为低山丘陵区.平原区分布着广泛的第四系冲洪积、湖积地层, 其中第四系含水层自山前至平原区主要分为中、下更新统坡积、洪积层和上更新统、全新统冲积层.西部低山丘陵区受构造运动影响, 地层复杂, 主要分布有白垩系酸性、中酸性、中基性火山岩, 砾岩, 复成分砂岩, 凝灰砂岩, 泥岩夹煤层.此外还分布花岗斑岩、碱长花岗岩、正长花岗岩、二长花岗岩及花岗闪长岩等岩体.
工作区主要土地利用为耕地, 占工作区总面积的60%, 其中绝大多数为水田, 分布于工作区东部平原区, 旱田主要分布在西部的山间谷地及低山丘陵区向平原的过渡区.其次为林地, 占工作区总面积的21%, 分布于工作区西部的低山丘陵区及局部的残余孤山.第三为沼泽地, 占工作区总面积的11%, 分布于工作区东部平原区地势低洼地区.
工作区内土壤类型以白浆土为主, 区内占比为35.53%, 主要分布于工作区东部的冲洪积、湖积平原地区.其次为暗棕壤, 区内占比为23.14%, 主要分布在工作区西部的低山丘陵区.沼泽土及草甸土在工作区东部零星分布, 区内占比分别为19.36%和17.97%.
2 研究数据与方法 2.1 数据来源1980P土壤数据来自于第二次全国土壤普查土壤有效态微量元素调查, 数据来源于中国科学院南京土壤研究所提供的二普栅格数据.
2019P土壤数据来自于中国地质调查局二级项目-"兴凯湖平原及松辽平原西部土地质量地球化学调查"采集的土壤表层数据.样品按照1个点/1 km2的密度进行网格化样品采集, 在采样坑的侧壁以刻槽的方式采集0~20 cm连续土柱, 每个采样点在100 m范围内采集3个坑组合为一个样品, 每个采样点均采用GPS进行定位.样品加工时按照4 km2为一个单元进行组合, 即将4 km2范围内的4个样品组合成1个样品进行测试, 共组合测试样品4152个.测试单位为辽宁省地质矿产研究院有限责任公司, 采用玻璃电极法测定土壤pH值.
2.2 研究方法主要运用地统计学中的空间插值方法, 将点位数据内插生成一个连续的表面.常见的插值方法有样条插值、反距离插值和克里金插值等.在点位相对密集且均匀分布的情况下, 反距离加权法优于克里金插值及样条插值法, 且尤其适用于当某个现象呈现出局部变化的情况[14].因此本文采用反距离加权法, 通过插值得到2个时期的土壤pH值空间分布图(图 2、3).
|
图 2 兴凯湖平原1980P时期土壤pH值空间分布图 Fig.2 Spatial distribution map of soil pH in Xingkai Lake Plain, 1980P 1-pH < 5; 2一5.0≤pH < 6.5; 3一6.5≤pH < 7.5; 4一7.5≤pH < 8.5; 5一pH≥8.5. |
|
图 3 兴凯湖平原2019P时期土壤pH值空间分布图 Fig.3 Spatial distribution map of soil pH in Xingkai Lake Plain, 2019P 1-pH < 5; 2-5.0≤pH < 6.5; 3-6.5≤pH < 7.1 |
由于搜集的二普数据没有准确的采样点位和采样点数, 因此为了便于比较, 在ArcGIS10.2中采用"值提取至点"将二普栅格数据(1980P)提取到2019P的采样点后, 利用地统计分析模块, 采用反距离加权法分别对两个时期的样点进行插值, 得到2个时期的兴凯湖平原土壤pH值分布图.基于ArcGIS对2个时期土壤pH值数据进行减法运算, 得到兴凯湖平原土壤pH值变化分布图.在Excel中分别统计各土壤类型平均pH值及面积比例.
3 结果与分析 3.1 两期土壤pH值的统计特征1980P和2019P土壤pH值统计特征如表 1所示. 1980P全区土壤pH均值为6.22, 最大值8.8, 最小值为4.7, 标准差0.91, 变异系数0.14. 2019P全区土壤pH均值为5.47, 较1980P年下降了0.75个单位, 最大值和最小值分别为7.10和4.27, 标准差为0.34, 变异系数为0.06.从pH值变异系数来看, 两时期的pH值均为低等变异强度.从偏度看, 1980、2019年土壤pH值均呈右偏态分布.由峰度值可知1980、2019年的土壤pH值分布均呈陡峭状态.以上表明, 30年来, 兴凯湖平原土壤pH值整体上表现出降低的趋势.
|
表 1 1980年和2019年土壤采样点pH值统计 Table 1 Soil pH statistics of the sampling sites in 1980 and 2019 |
图 2所示, 1980P时期, 兴凯湖平原土壤整体以酸性为主.工作区pH < 6.5的酸性区域面积为12 580 km2, 占工作区面积的75.75%; 6.5 < pH < 7.5的中性地区面积2 884 km2, 占工作区面积的17.37%; pH>8.5的碱性地区面积1 144 km2, 仅占工作区面积的6.89%.强酸性主要分布在工作区西部的低山丘陵区.东部平原区以酸性为主, 仅在迎春镇、虎头镇以及承紫河乡附近呈现中性.碱性区域主要分布在穆棱河沿岸.
2019P时期, 兴凯湖平原土壤pH值同样表现为以酸性为主, 但与1980P不同的是, 无碱性地区出现, 中性地区也大幅度减少, 仅有极个别地块为中性.工作区pH < 6.5的酸性区域面积为16 504 km2, 占工作区面积的99.38%.酸性区域较1980P时期扩大了3 924 km2, 扩大了约1/3, 表明土壤酸性呈扩大趋势.
3.3 1980P~2019P土壤pH值的时空变异特征上述统计数据分析可知, 兴凯湖平原土壤酸化呈扩大趋势, 特别是肥沃的东部平原区土壤pH值呈降低趋势.基于此, 以2019P土壤pH值数据减去1980P土壤pH值数据, 得到兴凯湖平原土壤ΔpH值变化分布图(图 4).鉴于不同时期测试精度或者测量误差的存在, 本次研究将ΔpH值变幅在±0.5区间内作为pH值不变化区域.
|
图 4 兴凯湖平原土壤ΔpH值变化分布图 Fig.4 Distribution map of soil ΔpH in Xingkai Lake Plain 1--4.45~-4; 2--4~-3.5; 3--3.5~-3; 4--3~-2.5; 5--2.5~-2; 6--2~-1.5; 7- -1.5~-1; 8- -1~-0.5; 9- -0.5~0; 10- 0.5~1; 11-1~1.5; 12- 1.5~2; 13- 2~2.5 |
从全区来看, 兴凯湖平原东部平原区土壤pH值整体呈现下降趋势, 仅在迎春镇东部、兴凯湖乡及小兴凯湖附近存在pH值未变化区域, 大多数地区pH值变幅在-1~-0.5区间, 仅有个别地区, 如穆棱河沿岸下降较大, 可达-4.45.而西部低山丘陵区土壤pH值以不变为主, 局部pH值略有上升, 上升幅度也集中在0.5~1区间.故综合来看, 兴凯湖平原整体上土壤pH值上升和下降的幅度均不大, 变幅均集中在0.5~1区间.
从土地利用类型上来看, 兴凯湖平原耕地区土壤pH值仅有少量地区未发生变化, 其余地区均呈现下降趋势, 降幅集中在-1~-0.5及-1.5~-1区间, 以-1~-0.5为主.而西部的林地区pH值整体保持不变或者略有上升.
穆棱河沿岸土壤pH值变化较大的因素, 可能与二普时期测试的采样点数较少有关, 在进行栅格赋值时, 只能参考穆棱河沿岸少量的采样点的测试数据将穆棱河沿岸的pH赋值为同一数值所致.
表 2所示, 兴凯湖平原土壤pH值下降的总面积为10 132 km2, 占比为61.02%;土壤pH值不变的面积为5 024 km2, 占比为30.25%;土壤pH值上升总面积为1 452 km2, 占比为8.73%.
|
|
表 2 不同土壤pH级别面积变化情况 Table 2 Variation of area and percentage by soil pH values |
在土壤pH值变化区间中, 面积变化幅度最大的区间为-1.0~-0.5, 面积为4 660 km2, 占比为28.06%;其次区间为-1.5~-1.0, 面积为3 316 km2, 占比为19.97%.可见, 土壤pH值下降区间主要集中在-1.5~-0.5区间, 整体下降幅度不大.此外pH值升幅也不大, 普遍在0.5~1区间内.
3.4 不同土壤类型pH值变化图 5为兴凯湖平原4种主要土壤类型pH平均值及变化情况.除暗棕壤外, 其他3类土壤在近30年间土壤pH平均值均有所下降, 其中白浆土和草甸土的pH值降幅较大, 分别可达-1.04和-1.34, 降幅比例为16.07%和19.48%;沼泽土降幅为-0.58, 比例为9.68%.
|
图 5 不同土壤类型pH值变化 Fig.5 Variation of pH values by soil types in 1980P and 2019P 1-1980P; 2-2019P |
不同土壤类型pH均值的变化也反映了pH值空间的变化.暗棕壤pH均值未发生变化, 侧面反映了工作区西部低山丘陵区土壤pH值呈现不变为主的特征; 白浆土、草甸土及沼泽土pH值的降低, 反映了工作区东部土壤pH值呈现下降即酸化的特征.
4 影响pH值变化的因素分析以上分析表明, 兴凯湖平原土壤pH值呈酸化趋势.土壤酸碱性变化的影响因素主要有自然和人为因素.从土壤形成的历史过程看, pH值的长期时空变化主要取决于自然因素, 但较短时间内pH值的剧烈变化则主要受人为因素的干扰.因此, 本文从酸雨及化肥施用量2个方面定性探讨兴凯湖平原农田土壤酸化的驱动因子.
4.1 酸雨酸性降雨是引起土壤pH值下降的一个重要因素[15].根据李帅等[16]利用1991~2012年中国气象局酸雨观测站网黑龙江省16个酸雨观测站的资料, 得出了22年间黑龙江省酸雨的时空变化特征.兴凯湖平原在1991~2012年间, 降水pH均值为5.4~5.6, pH≤5.6的酸雨频率为50.1%~60.0%, pH≤5.0的酸雨频率为20.1%~30.0%.综合这些条件判定, 工作区属于轻度酸雨区.工作区属于半湿润地区, 多年平均降水量可达526~710 mm, 这些酸性降雨对兴凯湖平原土壤pH值下降起到一定的促进作用.
4.2 化肥使用工作区pH值大面积下降的区域主要分布在工作区东部平原区, 该区域多年来一直大面积种植水稻, 种植方式单一.农业生产过程中, 大量使用化肥也是引起土壤pH值下降的重要原因之一.研究表明, 氮肥施入农田后NH4+的硝化反应与NO3-的淋溶作用是施氮导致农田土壤酸化的主要机理[17], 而酸雨中的H+通过与土壤中的盐基性离子进行交换, 又与土壤矿物晶格表面的Al反应, 使土壤中H+、Al3+数量增加, 从而导致土壤酸化[18].以虎林市为例, 虎林市1989年化肥施用量0.71×104 t, 2008年化肥总量达3.99×104 t, 比1989年增加了3.28×104 t [19].据《虎林市2017年国民经济和社会发展统计公报》 [20], 2017年虎林市化肥用量可达1.35×104 t(折纯量).化肥主要成分硝铵、尿素、硫铵、氢铵、二铵和过磷酸钙, 这些生理酸性肥料的长期大量使用, 对兴凯湖平原土壤pH值下降起到一定的作用.
5 结论(1) 兴凯湖平原土壤pH值总体上呈下降趋势. pH值1980P和2019P均值分别为6.22和5.47, 其平均值下降0.75个单位. pH值下降的总面积为10 132 km2, 占比为61.02%.
(2) 兴凯湖平原整体上土壤pH值变幅不大, 主要集中在±0.5~±1区间.
(3) 兴凯湖平原4种主要土壤类型中, 除暗棕壤外, 其他3类土壤类型在近30年间土壤pH平均值均呈下降趋势.
(4) 从酸雨和化肥使用量角度定性探讨影响工作区土壤pH值变化的因素.
土壤pH值时空变化是一个十分复杂的问题, 不同地区导致土壤酸碱性变化的主导因素各不相同.根据调查的结果和相关的文献推测分析了导致工作区土壤pH值时空变化因素, 但导致这些变化具体明确的原因, 还需要对工作区土壤pH值变化的原因进行多因素、定量分析, 以进一步明确具体原因.
| [1] |
Brady N C, Weil R R.土壤学与生活(原书第十四版)[M].李保国, 徐建明, 译.北京: 科学出版社, 2019: 340.
|
| [2] |
熊毅, 李庆逵. 中国土壤[M]. 2版. 北京: 科学出版社, 1987: 433-463.
|
| [3] |
徐仁扣, Coventry D R. 某些农业措施对土壤酸化的影响[J]. 农业环境保护, 2002, 21(5): 385-388. |
| [4] |
王志刚, 赵永存, 廖启林, 等. 近20年来江苏省土壤pH值时空变化及其驱动力[J]. 生态学报, 2008, 28(2): 720-727. DOI:10.3321/j.issn:1000-0933.2008.02.033 |
| [5] |
徐仁扣. 酸化红壤的修复原理与技术[M]. 北京: 科学出版社, 2013.
|
| [6] |
Mok J S, Yoo H D, Kim P H, et al. Bioaccumulation of heavy metals in oysters from the southern coast of Korea:Assessment of potential risk to human health[J]. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2015, 94(6): 749-755. DOI:10.1007/s00128-015-1534-4 |
| [7] |
Zhu H H, Chen C, Xu C, et al. Effects of soil acidification and liming on the phytoavailability of cadmium in paddy soils of central subtropical China[J]. Environmental Pollution, 2016, 219: 99-106. DOI:10.1016/j.envpol.2016.10.043 |
| [8] |
杨劲松. 土壤盐渍化研究展望[J]. 土壤, 1995(1): 23-27. DOI:10.3321/j.issn:0564-3929.1995.01.008 |
| [9] |
胡敏, 向永生, 张智, 等. 恩施州耕地土壤pH近30年变化特征[J]. 应用生态学报, 2017, 28(4): 1289-1297. |
| [10] |
刘丽, 张玉龙, 虞娜, 等. 基于GIS的辽宁北部地区土壤酸化特征及其原因分析——以昌图县为例[J]. 沈阳农业大学学报, 2012, 43(2): 173-178. |
| [11] |
朱小琴, 孙维侠, 黄标, 等. 长江三角洲城乡交错区农业土壤pH特征及影响因素探讨——以江苏省无锡市为例[J]. 土壤学报, 2009, 46(4): 594-602. DOI:10.3321/j.issn:0564-3929.2009.04.005 |
| [12] |
郭治兴, 王静, 柴敏, 等. 近30年来广东省土壤pH值的时空变化[J]. 应用生态学报, 2011, 22(2): 425-430. |
| [13] |
佀国涵, 王瑞, 袁家富, 等. 鄂西南山区土壤酸化趋势研究——以恩施州宣恩县为例[J]. 中国农学通报, 2014, 30(12): 151-155. |
| [14] |
张驭航, 李玲, 王秀丽, 等. 河南省土壤pH值时空变化特征分析[J]. 土壤通报, 2019, 50(5): 1091-1100. |
| [15] |
Hicks W K, Kuylenstierna J C I, Owen A, et al. Soil sensitivity to acidification in Asia:Status and prospects[J]. AMBIO A Journal of the Human Environment, 2008, 37(4): 295-303. DOI:10.1579/0044-7447(2008)37[295:SSTAIA]2.0.CO;2 |
| [16] |
李帅, 刘丹, 于成龙, 等. 1991-2012年黑龙江省酸雨变化特征[J]. 气象与环境学报, 2015, 31(5): 105-111. |
| [17] |
Guo J H, Liu X J, Zhang Y, et al. Significant acidification in major Chinese croplands[J]. Science, 2010, 327(5968): 1008-1010. DOI:10.1126/science.1182570 |
| [18] |
Lilienfein J, Wilcke W, Vilela L, et al. Effect of no-tillage and conventional tillage systems on the chemical composition of soil solid phase and soil solution of Brazilian Savanna Oxisols[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2000, 163(4): 411-419. DOI:10.1002/1522-2624(200008)163:4<411::AID-JPLN411>3.0.CO;2-V |
| [19] |
邵明娜. 虎林市耕地地力调查与平衡施肥调研[J]. 农民致富之友, 2016(23): 124-125. |
| [20] |
虎林市统计局.虎林市2017年国民经济和社会发展统计公报[R].虎林: 虎林市统计局, 2018.
|