李 濤，于 蕾，萬廣華，李建偉，盧桂菊，董艷紅

（山東省土壤肥料總站，濟南 250100）

酸堿性是土壤的重要化學性質(zhì)，常以pH 表示。土壤酸堿性是土壤退化的主要指標之一，其動態(tài)變化影響著土壤微生物活性、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、元素遷移、植物生長等[1-2]。國內(nèi)外學者對土壤pH 變化做了諸多研究，自然狀態(tài)下，土壤pH 變化過程十分緩慢，變化一個單位需要漫長的時間[3-4]，但近年來，快速的城市化進程和不合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式導致土壤酸堿性發(fā)生了明顯改變。研究表明，近年來國外土壤pH 變化不一，1982—1988 年，英國有19%的耕地土壤pH 下降[5]；2000—2012 年，韓國土壤pH 增加了 0.3 個單位[6]。國內(nèi)土壤 pH 下降較明顯，1980—2000 年，中國農(nóng)田耕層土壤pH 下降了0.13～0.80 個單位，平均下降0.5 個單位[3]；北方鈣質(zhì)土壤pH 下降明顯[7]。1984 年以來，由于重化肥輕有機肥及酸雨影響，廣東省水稻土pH 下降了0.33 個單位[8]；1981—2001 年間，由于過量施肥和酸雨影響，江西省土壤pH 整體下降了0.6 個單位，興國縣農(nóng)田土壤pH 平均下降0.94 個單位[9-10]；1980—2013 年間，湖北省恩施州耕地土壤pH 下降0.9 個單位，其中，旱地土壤下降1.14 個單位，水田土壤下降0.87 個單位[11]。河南、吉林和遼寧等省部分耕地土壤也出現(xiàn)了酸化態(tài)勢[12-14]。酸沉降和氮、磷、鉀肥的不當施用均不同程度地降低土壤pH[15-18]。

山東省農(nóng)業(yè)歷史悠久，是全國糧食、棉花、花生、蔬菜、水果的主要產(chǎn)區(qū)之一，也是重要的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工和供給基地。但是，現(xiàn)代化工業(yè)和農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展使得區(qū)域生態(tài)環(huán)境受到強烈干擾，pH變化明顯。1981―2005 年間，煙臺市土壤呈現(xiàn)酸化趨勢[19]，其中招遠市棕壤耕層pH 變化較大，平均下降了1.6 個單位，有60%以上的農(nóng)田土壤pH 低于5.5[20]。煙臺蘋果產(chǎn)區(qū)土壤pH 為5.21，整體偏酸[21]。目前對于山東省pH 變化的研究，多集中在市域和田塊尺度[19-21]，缺少全省總體情況的研究。本文通過研究近30 年來山東省土壤pH 的時空變化，分析耕地土壤酸化總體狀況和動態(tài)變化，探討土壤酸化自然影響因素和人為驅(qū)動因子，為全省耕地土壤酸化治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山東省位于34°22.9′～38°24.01′N、114°47.5′～122°42.3′E 之間，土地面積1.579×107hm2，年平均降水量在550～950 mm 之間，多年平均降水量為679.5 mm，由東南向西北遞減[22]。境內(nèi)地貌復(fù)雜，大體可分為中山、低山、丘陵、臺地、盆地、山前平原、黃河沖積扇、黃河平原、黃河三角洲等9 類。境內(nèi)山脈集中分布于魯中南山地丘陵區(qū)和膠東丘陵區(qū)，平原集中分布于黃河沖積平原區(qū)。魯中南山地丘陵區(qū)土壤母質(zhì)主要由片麻巖、花崗片麻巖和石灰?guī)r組成；膠東丘陵區(qū)，主要由花崗巖組成；黃河沖積平原區(qū)為黃河沖積母質(zhì)。土壤類型主要有潮土、棕壤、褐土、砂姜黑土、水稻土（潮土型，下同）、粗骨土等15 個土類（圖1），其中潮土、褐土和棕壤耕地面積較大，分別占全省耕地總面積的48%、16%和15%[23]。

本次研究了棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土、水稻土和粗骨土等6 種主要耕地土壤類型（圖2）。棕壤主要分布于煙臺（60.7×104hm2）、青島（48.26×104hm2）、臨沂（39.66×104hm2）、威海（25.99×104hm2）、泰安（25.33×104hm2）和濰坊（23.62×104hm2）；褐土主要分布在濰坊（48.51×104hm2）、臨沂（33.17×104hm2）、濟南（27.88×104hm2）和濟寧（25.51×104hm2）；潮土主要分布在菏澤（114.41×104hm2）、德州（99.4×104hm2）、聊城（80.41×104hm2）和濱州（63.39×104hm2）；砂姜黑土主要分布在青島（23.44×104hm2）、濰坊（15.14×104hm2）和臨沂（13.61×104hm2）；水稻土主要分布在濟寧（5.95×104hm2）和臨沂（5.31×104hm2）；粗骨土主要分布在臨沂（46.61×104hm2）、煙臺（41.6×104hm2）和濰坊（22.52×104hm2）。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究的土壤pH 數(shù)據(jù)來源于山東省土壤肥料總站承擔的山東省第二次土壤普查省級匯總（1984年）和省級耕地地力評價（2015 年）。第二次土壤普查省級匯總，采樣時間1982—1984 年，獲得土壤pH 數(shù)據(jù)3 827 個，其中棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土、水稻土和粗骨土樣點3 222 個，采樣深度0～20 cm。省級耕地地力評價，采樣時間為2013—2015年，土壤pH 數(shù)據(jù)3.47 萬個，其中棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土、水稻土和粗骨土樣點3.37 萬個，采樣深度0～20 cm。土壤樣品采集與pH 測定：采用多點混合法采集0～20 cm 耕層土壤，經(jīng)風干過2 mm篩后采用水土比1∶1（第二次土壤普查省級匯總）、2.5∶1（省級耕地地力評價），用電極法測定土壤pH。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 不同水土比測定pH 比較 由于第二次土壤普查省級匯總數(shù)據(jù)和省級耕地地力評價pH 測定水土比不同，無法進行差值分析。在全省采集主要土壤類型土樣60 個，其中棕壤15 個，褐土15 個，潮土30 個，按照水土比1∶1 和2.5∶1，分別測定pH1和pH2.5。

試驗數(shù)據(jù)表明，pH1范圍從4.07～8.39，平均值為6.67，pH2.5范圍從4.27～8.76，平均值為6.93。經(jīng)回歸分析得到總轉(zhuǎn)換模型為pH2.5=1.019pH1+0.138 5（R2=0.997 2），國外也有學者建立和驗證了類似的轉(zhuǎn)換模型[24-25]。將通過模型計算的pH2.5與實測值進行t檢驗，發(fā)現(xiàn)二者不存在顯著性差異（P>0.05）。對統(tǒng)計模型計算的pH2.5與實測值，計算相對誤差率，相對誤差率均在1%以下，說明構(gòu)建的模型具有可靠性。

1.3.2 耕地土壤pH 分布圖制作 山東省第二次土壤普查土壤pH 分布圖，是以第二次土壤普查土壤pH 點位數(shù)值為基礎(chǔ)，以土種圖為評價單元，按相同等級勾繪連片形成pH 圖斑，經(jīng)逐級縮編而成；耕地pH 等級面積是將第二次土壤普查土壤pH 分布圖進行數(shù)字化與土地利用現(xiàn)狀圖進行疊加獲得。山東省耕地地力評價土壤pH 分布圖，是基于2015 年省級耕地地力評價的土壤pH 點位數(shù)據(jù)，采用反距離插值法獲得；耕地pH 等級面積是利用耕地地力評價土壤pH 分布圖與土地利用現(xiàn)狀圖進行疊加獲得。

1.3.3 分級標準 參考《山東耕地》[26]pH 等級劃分標準，根據(jù)山東土壤酸堿狀況，將全省土壤劃分為強酸性、中強酸性、酸性、弱酸性、中性、弱堿性和堿性7 個等級（表1）。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析 采用Excel 2013 和 SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析，采用獨立樣本t檢驗對土壤pH進行差異性檢驗。

2 結(jié) 果

2.1 山東省耕地土壤pH 的總體變化趨勢

通過兩個時期比較，近30 年來，全省耕地土壤pH 呈降低趨勢，并出現(xiàn)局部耕地酸化，pH 平均值由7.6 降至7.2，降低0.4 個單位。第二次土壤普查省級匯總數(shù)據(jù)顯示，全省弱酸性（5.58.5）耕地面積分別占當時耕地總面積的11.07%、30.36%、58.45%和0.12%。省級耕地地力評價數(shù)據(jù)顯示，全省中強酸性、酸性、弱酸性、中性、弱堿性和堿性耕地分別占耕地總面積的0.98%、6.06%、20.43%、26.66%、45.65%和0.22%（圖3）。

從全省土壤酸堿性分級看，弱堿性和中性耕地面積占比均出現(xiàn)下降，分別減少了12.8 和3.7 個百分點；弱酸性耕地面積占比由11.07%增加至20.43%，增加了9.36 個百分點；出現(xiàn)了酸性和中強酸性耕地，占比7.04 個百分點；堿性耕地面積占比略有增加，由0.12%增加至0.22%，增加了0.1 個百分點。

表1 山東省耕層土壤pH 分級標準Table 1 Grading of the topsoils of cultivated lands in Shandong Province by soil pH

2.2 山東省不同地區(qū)耕地土壤pH 的變化趨勢

調(diào)查數(shù)據(jù)（表2）顯示，山東省不同地市酸堿度變化差異較大，威海變化最大，降低了1.3 個單位；其次是泰安、日照、煙臺、青島和臨沂，分別降低了1.1、1.1、1.0、1.0 和0.8 個單位。濟南升高了0.1 個單位。其他無顯著變化。威海、煙臺、日照、青島、臨沂和棗莊6 市土壤出現(xiàn)了酸化（圖4），其中，中強酸性土壤占比分別為14.82%、3.67%、4.72%、1.22%、1.4%和 0.08%，酸化面積分別為13.32×104hm2、19.51×104hm2、6.14×104hm2、8.227×104hm2、6.207×104hm2和0.173×104hm2。

以上數(shù)據(jù)分析得出，從空間上看，山東省土壤酸堿度區(qū)域差異極大，并呈現(xiàn)從西向東降低趨勢。其中魯東地區(qū)兩時期平均pH 最低，分別為6.8 和5.9；魯西和魯北地區(qū)平均pH 最高，分別為8.1 和8.0。從時間上看，每個區(qū)域土壤pH 等級在兩個時期均出現(xiàn)了從堿性到酸性變化趨勢，但pH 降幅出現(xiàn)從東向西變小的趨勢。從土壤酸堿性分級上看，魯西和魯北地區(qū)、魯中地區(qū)土壤主要由集中弱堿性變化為弱堿性、中性。魯中南地區(qū)土壤主要由弱堿性、中性變化為弱堿性、中性、弱酸性。魯東地區(qū)、魯南地區(qū)土壤由弱堿性、中性、弱酸性變化為弱堿性、中性、弱酸性、酸性、中強酸性（圖4）。

2.3 山東省不同土壤類型pH 的變化趨勢

調(diào)查數(shù)據(jù)（表3）可以看出，山東省不同土壤類型（耕地）酸堿度差異較大，從山東省的東南棕壤區(qū)到西北潮土區(qū)，土壤pH 由低到高。

表2 山東省17 市土壤pH 平均值Table 2 Average soil pH of cultivated land relative to city in Shandong Province

第二次土壤普查省級匯總，全省主要土壤類型土壤pH 由大到小依次為：潮土、水稻土、褐土、砂姜黑土、粗骨土和棕壤。潮土pH 最高，為8.0；棕壤pH 最低，為6.8，其高值與低值相差1.2 個單位。省級耕地地力評價，全省主要類型土壤pH 由大到小依次為：潮土、褐土、砂姜黑土、水稻土、粗骨土和棕壤。潮土pH 最高，為7.8；棕壤pH 最低，為6.0，其高值與低值相差1.8 個單位。

二者對比看出，無論何種土壤類型土壤pH 均呈下降趨勢，由大到小依次為：水稻土、棕壤、粗骨土、砂姜黑土、褐土和潮土。其中水稻土、棕壤土類下降最為明顯，分別下降1.0 和0.8 個單位。

3 討 論

3.1 土壤類型對土壤pH 的影響

研究表明，土壤本身抵制酸堿變化的能力與土壤的物質(zhì)組成和地球化學性質(zhì)相關(guān)，不同土壤類型的酸堿緩沖性能有所不同[27]，安徽省潮土、砂姜黑土、水稻土依次降低[28]，浙江省鹽土、潮土、水稻土依次降低[29]，長春市黑鈣土、草甸土、黑土、白漿土和暗棕壤逐漸下降[30]，棕壤、水稻土酸堿緩沖性能較弱。本研究中（表3 和圖2），第二次土壤普查省級匯總時，棕壤和粗骨土的pH 平均值分別為6.8、7.0，省級耕地地力評價時，棕壤和粗骨土的pH 平均值分別為6.0、6.4，均為6 種土壤類型中最低；變化量分別為0.8 和0.6 個單位，相對較高。水稻土則變化量最大，為1 個單位。發(fā)生酸化的威海、煙臺、日照、臨沂和棗莊等市土壤多為棕壤和粗骨土土類（圖1），成土母質(zhì)以酸性為主。據(jù)統(tǒng)計，威海、煙臺和日照等市棕壤和粗骨土占比超過了70%，青島和臨沂市達到了50%，酸化土壤占比最少的棗莊市也有20%左右。因為棕壤主要由酸性巖等含鹽基很少的巖石風化物發(fā)育而成，形成過程產(chǎn)生的鈣、鎂、鉀、鈉等鹽基離子不斷受到滲透水的淋洗，土壤膠體表面一部分正離子吸附點被氫、鋁離子占據(jù)，產(chǎn)生了交換性酸；粗骨土的成土母質(zhì)與棕壤相同，成土過程陽離子交換量小，酸堿緩沖性能較弱[27]。

表3 山東省不同土壤類型土壤pH 平均值Table 3 Average soil pH relative to soil type in Shandong Province

3.2 不同作物收獲對土壤pH 的影響

研究表明，植物收獲對土壤pH 有所影響，不同植物對土壤中陽離子（K+、N、Ca2+、Mg2+等）和陰離子（等）養(yǎng)分元素的吸收并不平衡，當陽離子的吸收大于陰離子時，植物根系從土壤吸收陽離子的同時就分泌出H+以保持體系的電荷平衡[31]，當農(nóng)產(chǎn)品收獲并從土地上移走，其體內(nèi)積累的堿性物質(zhì)也隨之帶走，會導致土壤酸化[32]。朱齊超[33]量化研究了土壤酸化的影響因素，計算得到作物收獲在土壤酸化的驅(qū)動因素中可達到34.2%。參考2012 年《山東統(tǒng)計年鑒》[34]中山東省主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，根據(jù)作物收獲帶走鹽基離子濃度和含水量[35]，估算了2011 年山東省主要作物收獲從土壤中帶走的鹽基養(yǎng)分量（表4），馬鈴薯鹽基離子帶走量最大，為140.9 kmol·hm-2，其次是玉米和小麥，分別為97.2 和79.7 kmol·hm-2。對膠東地區(qū)不同種植體系的研究則表明，蔬菜、蘋果、小麥/玉米/花生體系農(nóng)田酸化速度明顯高于小麥/玉米體系[36]。

3.3 施肥對土壤pH 的影響

研究表明，長期的不合理施肥，特別是施用硫酸銨、氯化鉀、氯化銨等酸性肥料，是土壤酸化的原因之一[37]，土壤酸化的驅(qū)動因素中施肥貢獻了55.1%[33]。本研究中，山東省酸性土壤分布較多的煙臺、日照、棗莊和青島市化肥施用強度均較高（圖5）[38]，分別為650.6 kg·hm-2、542.7 kg·hm-2、488.4 kg·hm-2和433.2 kg·hm-2；煙臺、日照、棗莊和威海市氮肥施用強度較高，分別為242.4 kg·hm-2、195.6 kg·hm-2、186.0 kg·hm-2和174.8 kg·hm-2。有研究表明，山東膠東地區(qū)氮肥用量與土壤pH 呈負相關(guān)關(guān)系，氮肥施用量越大，土壤pH 越低。氮肥施用量小于240 kg·hm-2，土壤pH 降為5.35；氮肥施用量為240～750 kg·hm-2，土壤pH 降為5.28；氮肥施用量大于750 kg·hm-2，土壤pH 降為5.16[36]。因為長期連年施用化學肥料，作物吸收后剩下的酸根會與土壤中氫離子結(jié)合生成酸，導致土壤酸性增強。生理酸性肥料如氮肥中硫酸銨、氯化銨施入土壤后，被植物選擇吸收N等，剩余部分的酸根也會使土壤酸化。因此，長期不合理施用化肥是造成土壤酸化的重要原因之一。由于化肥的不合理施用，氮、磷、鉀比例失調(diào)，廣東省水田土壤pH 和江蘇省耕地土壤pH 呈現(xiàn)下降趨勢[8，27]。

表4 不同作物收獲帶走鹽基離子量Table 4 Amount of base ions removed with crop harvest relative to crop/（kmol·hm-2）

4 結(jié) 論

土壤pH 變化是一個相對較慢的過程，但由于現(xiàn)代化工業(yè)和農(nóng)業(yè)措施的影響，各地土壤 pH 有了一定變化。通過比較第二次土壤普查省級匯總（1984年）和省級耕地地力評價（2015 年）兩個時期山東省土壤pH 數(shù)據(jù)，30 年來，山東省土壤pH 平均值由7.6 降至7.2。威海變化最大，降低了1.3 個單位，其次是泰安、日照、煙臺和青島，分別降低了1.1、1.1、1.0 和1.0 個單位。不同類型土壤pH 變化由大到小依次為：水稻土、棕壤、粗骨土、砂姜黑土、褐土和潮土。目前，山東省酸性土壤主要分布在膠東半島和東南部沿海的威海、煙臺、青島、日照、臨沂和棗莊等6 個市，其中煙臺和威海市酸化面積較大。對山東省耕地土壤酸化主要影響因素分析發(fā)現(xiàn)，土壤類型、植物收獲以及化肥不適當施用有一定影響，但不同地區(qū)土壤酸堿性變化的影響因素、不同土壤類型的酸堿緩沖性能差異等仍需要進一步定量研究分析，以明確具體原因。