劉雪松， 張智印， 魏建朋

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心， 河北 保定 071051)

土壤pH值是土壤重要的化學(xué)性質(zhì)，是土壤酸性程度的量化表征，是土壤形成過(guò)程中多種因子綜合作用的結(jié)果[1]，它深刻影響著土壤微生物活性和地表作物的生長(zhǎng)[2-6]，也影響土壤物化性質(zhì)和養(yǎng)分有效性[7-9]?，F(xiàn)代土壤pH值是自然因素和人為因素綜合作用的結(jié)果，自然因素指地質(zhì)背景、土壤母質(zhì)、水熱條件等諸多非人力控制的因素，自然因素對(duì)土壤pH值的影響是個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程[10]。人類因素主要指人類對(duì)土地的利用與改造，包括農(nóng)業(yè)活動(dòng)、工業(yè)活動(dòng)、城市化活動(dòng)和生活活動(dòng)等，人類活動(dòng)對(duì)土壤影響主要體現(xiàn)在土地利用類型的改變，進(jìn)而改變了土壤的物化性質(zhì)。自然因素對(duì)土壤pH值影響研究方面：趙凱麗、王亞男、張?jiān)嗟萚11-13]在湖南祁陽(yáng)縣、畢節(jié)市和湖北土壤pH值影響因素研究中發(fā)現(xiàn)，成土母質(zhì)和土壤類型對(duì)土壤pH值形成存在顯著性影響，并對(duì)比研究了不同成土母質(zhì)和類型土壤pH值的分配規(guī)律；魏輝等[14]研究發(fā)現(xiàn)，土壤CEC和黏土含量對(duì)緩沖酸雨影響方面具有重要的作用；謝天洋[15]研究發(fā)現(xiàn)不同類型的土壤pH值顯著不同。人類活動(dòng)對(duì)土壤pH值影響研究方面，周宏冀[16]認(rèn)為人類施肥活動(dòng)是土壤酸化的主要原因；朱小琴等[17]研究發(fā)現(xiàn)種植結(jié)構(gòu)會(huì)影響土壤pH值的變化，此外工企業(yè)周圍土壤pH值會(huì)明顯降低，而在城鎮(zhèn)周圍及公路兩側(cè)土壤pH值則會(huì)明顯較高；邵文靜等[18]認(rèn)為蘇南地區(qū)間土地利用格局和利用方式的時(shí)空差異是造成土壤pH值時(shí)空變化區(qū)域差異的主要驅(qū)動(dòng)力。以上研究說(shuō)明現(xiàn)代土壤pH值的形成是自然因素和人為因素疊加影響、綜合作用的結(jié)果。自然因素和人為因素對(duì)土壤pH值形成的影響程度，上述研究各有所表，缺乏橫向的對(duì)比，尤其在人類因素和自然因素差異性研究方面，系統(tǒng)深入的研究還較欠缺。

為此，本文以江西贛州南康區(qū)土壤的pH值為分析對(duì)象，利用反距離權(quán)重插值法對(duì)其空間分布進(jìn)行插值，通過(guò)描述性統(tǒng)計(jì)，對(duì)其分配規(guī)律及影響因素進(jìn)行分析。采用列聯(lián)分析方法，對(duì)土壤pH值的影響因素強(qiáng)度進(jìn)行分析，為土壤酸堿度的控制和土壤生態(tài)的良性保持提供思路和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省贛州市西部，地處贛江上游章江段。研究區(qū)總體地貌屬于贛南丘陵區(qū)，中高山較少，平地、低丘分布較多。研究區(qū)中南部河流眾多，屬于河流沖洪積區(qū)域，地勢(shì)低平，北部區(qū)域低山丘陵較多，地勢(shì)起伏較大。土壤類型有山地黃壤、紅壤、黃紅壤、紫色土、水稻土等類型，以水稻土、紅壤和黃紅壤居多。根據(jù)土壤酸堿度分類標(biāo)準(zhǔn)[19]，該區(qū)強(qiáng)堿性、堿性、中性、酸性和強(qiáng)酸性土壤都有分布，其中酸性土壤面積占比為92%[20]。南康區(qū)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，2019年GDP總量338.56億元，位居贛州市縣域經(jīng)濟(jì)總量第2位[21]。

1.2 樣本數(shù)據(jù)及處理

樣本數(shù)據(jù)來(lái)自贛州市南康區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查項(xiàng)目，采樣時(shí)間為2018年5—10月。樣品量8 167組，樣品采集深度0—20 cm。樣品以網(wǎng)格法布置，樣品之間無(wú)空白網(wǎng)格，樣品平均密度為7.6個(gè)/km2。采樣單元以農(nóng)用地為主，兼顧林草地、城區(qū)用地及工礦企業(yè)用地。土壤樣品經(jīng)干燥、去雜質(zhì)和過(guò)1.7 mm孔徑篩后，送國(guó)土資源部南昌礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心進(jìn)行分析，分析方法采用玻璃電極電位法測(cè)定。土壤樣品pH值數(shù)據(jù)正態(tài)性檢驗(yàn)顯示為右偏分布，不是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布類型。為使分析更具科學(xué)性，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。剔除方法采用切比雪夫不等式法，剔除四倍的標(biāo)準(zhǔn)差，保證至少94%的數(shù)據(jù)在分析范圍內(nèi)[22]。異常數(shù)據(jù)剔除后，統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見(jiàn)表1。異常數(shù)據(jù)全部來(lái)自強(qiáng)堿性土壤，剔除率為0.12%，保留了99.88%的數(shù)據(jù)。

表1 異常數(shù)據(jù)剔除后南康區(qū)土壤樣本酸堿性分布統(tǒng)計(jì)

研究區(qū)樣品采用網(wǎng)格化均勻布點(diǎn)法，采樣點(diǎn)不聚集，滿足反距離權(quán)重插值法應(yīng)用條件；土壤pH值數(shù)據(jù)不服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，不滿足克里金插值條件；綜上采用反距離權(quán)重插值法繪制土壤pH值的空間分布圖[23]。

2 土壤pH值分布特征及其影響因素

2.1 土壤pH值分布特征

剔除后數(shù)據(jù)總體統(tǒng)計(jì)特征詳見(jiàn)表2。研究區(qū)土壤總體以酸性土壤為主，變異系數(shù)0.17，屬于低變異狀態(tài)，土壤pH值全距為5.33，變化幅度較大，數(shù)據(jù)為右偏尖峰分布。研究區(qū)95%以上區(qū)域的土壤為酸性土壤，其中強(qiáng)酸性土壤占到了83%以上(圖1)。對(duì)比土壤pH值分布圖、成土母質(zhì)和地質(zhì)背景以及地貌情況，可得堿性土壤主要分布在研究區(qū)中部河流沖積形成的低平區(qū)域。該區(qū)域也是人類活動(dòng)頻率最為密集的區(qū)域，成土母質(zhì)以第四系松散沉積物為主。中性土壤主要分布在堿性土壤的外圍和丘陵山區(qū)的小盆地區(qū)域，成土母質(zhì)以第四系松散沉積物和砂巖等沉積巖為主，人類活動(dòng)頻率稍密集。酸性土壤主要分布在中性土壤的外圍，分布面積較中性土壤有所擴(kuò)大，分布區(qū)域較為一致，成土母質(zhì)主要以砂巖等沉積巖類為主。強(qiáng)酸性土壤在研究區(qū)大面積分布，主要分布在研究區(qū)北部和南部丘陵山地區(qū)，成土母質(zhì)以火成巖和變質(zhì)巖為主，該區(qū)域山高林密，交通不便，人類活動(dòng)稀疏。

圖1 南康區(qū)土壤酸堿性分布圖

綜上所述，研究區(qū)土壤酸化程度比較嚴(yán)重，土壤pH值分布和成土母質(zhì)、地質(zhì)背景及地勢(shì)存在一定的空間相關(guān)性。

2.2 土壤pH值影響因素分析

影響因素從地質(zhì)背景、成土母質(zhì)、用地類型、地形地貌、土壤質(zhì)地5個(gè)方面進(jìn)行分析(表2)。 ①研究區(qū)土壤地質(zhì)背景橫跨元古代、古生代、中生代和新生代。從pH值變異系數(shù)看，地質(zhì)年代越老，變異系數(shù)越低，整體處于低變異狀態(tài)。從均值上看，地質(zhì)年代由新及老，土壤pH值有降低的趨勢(shì)，數(shù)據(jù)分布都呈右偏分布，除白堊紀(jì)外，都呈尖峰分布。地質(zhì)年代由新及老，土壤pH值全距變化幅度呈縮小趨勢(shì)。綜上說(shuō)明地層年代愈古老，土壤pH值擾動(dòng)愈??；地層越新，擾動(dòng)性越大(白堊紀(jì)地層例外)。 ②研究區(qū)樣本具有統(tǒng)計(jì)意義的成土母質(zhì)巖類主要有砂巖、礫巖、砂礫巖、花崗巖、凝灰?guī)r、板巖、變砂巖7類。為便于統(tǒng)計(jì)，按照巖石成因劃為4類：第四紀(jì)松散沉積物、沉積巖(砂巖、礫巖、砂礫巖)、變質(zhì)巖(板巖、變砂巖)和火成巖(花崗巖、凝灰?guī)r)4類。4類成土母質(zhì)巖性的土壤pH均值和變異系數(shù)變化趨勢(shì)一致，即由火成巖—變質(zhì)巖—第四紀(jì)松散沉積物—沉積巖順序逐漸變大，且從松散沉積物到沉積巖，變幅較大。土壤pH值全距，由火成巖—變質(zhì)巖—沉積巖—第四紀(jì)松散沉積物順序逐漸變大。綜上分析土壤pH值在不同成土母質(zhì)中的分配規(guī)律和不同成土母質(zhì)之間的關(guān)系，可得巖石形成演變時(shí)間越短，受地表自然風(fēng)化和人類影響越小的成土母質(zhì)形成的土壤pH值越低，變異程度越輕，全距變化幅度越小。③土地利用類型，按照用途特征劃分為3類，草地和林地合稱為林草地，水田、旱地、果園等為農(nóng)用地，工業(yè)和城建用地為工礦城區(qū)地。土壤pH值均值由林草地—農(nóng)用地—工礦城區(qū)地順序逐漸變大；土壤pH值變異系數(shù)農(nóng)用地變異程度最低，工礦城區(qū)地和林草地變異程度相當(dāng)；土壤pH值全距農(nóng)用地略高于工礦城區(qū)地和林草地。林草地土壤熟化程度低，人類影響程度小，土壤腐殖層厚，在南方多雨濕熱多雨環(huán)境下鹽基離子淋失嚴(yán)重，致酸離子(氫和鋁離子)富集，因此其pH值表現(xiàn)最低；贛南地區(qū)農(nóng)用地多為水田，經(jīng)過(guò)耕種和中低產(chǎn)田改造，發(fā)育程度和熟化程度高，土壤酸化程度會(huì)受到一定的抑制[24-25]，因此農(nóng)用地土壤pH值較原始林草地稍高一些，但是化肥的使用，從縱向時(shí)間軸上看農(nóng)用地還是趨于一種酸化的趨勢(shì)；工礦城區(qū)地，多位于人類聚居的丘陵河谷沖洪積區(qū)域，河流攜帶的鹽基離子會(huì)使沖洪積土層中鹽基離子增加，另外非農(nóng)化土地不再耕地，土壤密實(shí)度升高，滲透淋濾變差，化肥不再施用等，都有助于減緩了酸化的程度。綜上表明人類部分活動(dòng)對(duì)南方土壤的自然酸化有一定的抑制作用。 ④依據(jù)研究區(qū)地形地貌分布特征，分為平地區(qū)域和丘陵山地區(qū)域兩大類。丘陵山地區(qū)域土壤pH均值明顯低于平地區(qū)域；變異系數(shù)、峰度、偏度和全距兩者比較接近。平地區(qū)域是人類活動(dòng)較為頻繁的區(qū)域，土壤pH值地貌上的差異也證明人類活動(dòng)是促使土壤pH值升高的一個(gè)因素。 ⑤土壤質(zhì)地是土壤形成后的物理屬性，主要體現(xiàn)土壤礦物顆粒的組合狀況。從統(tǒng)計(jì)意義上看，壤土的pH均值略低于砂土，變異系數(shù)并無(wú)差異。

表2 南康區(qū)土壤pH值影響因素描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 土壤pH值分布特征影響因素強(qiáng)度分析

便于土壤pH值分布特征影響因素強(qiáng)度分析，將影響因素中的地貌和高程進(jìn)一步劃分，地貌中的丘陵山地細(xì)分為丘陵坡地和丘陵谷地；高程按照150，330 m等高線分為3類，并做交叉頻數(shù)統(tǒng)計(jì)(表3)。若土壤酸堿度按照強(qiáng)堿性、堿性、中性、酸性、強(qiáng)酸性5類進(jìn)行分析，則在成土母質(zhì)、地質(zhì)背景和高程3個(gè)影響因素中，將有堿性和強(qiáng)堿性觀測(cè)值為零的情況，在卡方檢驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)期望頻數(shù)小于5的情況，為避免此種情況，將強(qiáng)堿性和堿性歸并為堿性土壤，中性土壤仍然為中性，酸性和強(qiáng)酸性歸并為酸性土壤，這樣土壤酸堿度劃分為3類。

表3 土壤pH值地貌高程影響因素交叉頻數(shù)統(tǒng)計(jì)

此外地質(zhì)背景將地質(zhì)年齡大于等于古生代的歸為一類，不再劃分元古代。

影響因素和土壤酸堿度相關(guān)程度采用V相關(guān)系數(shù)進(jìn)行判定，該系數(shù)不受行列數(shù)影響，適合本例行列數(shù)不一致的情形。判定結(jié)果詳見(jiàn)表4。影響強(qiáng)度的關(guān)系為：成土母質(zhì)>地質(zhì)背景>高程>用地類型>地貌。其中成土母質(zhì)、地質(zhì)背景、高程、用地類型都屬于弱相關(guān)類型，地貌屬于基本不相關(guān)類型。

表4 土壤酸堿度影響因素卡方檢驗(yàn)及強(qiáng)度測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

綜上所述，成土母質(zhì)、地質(zhì)背景對(duì)土壤pH值分布的影響最為顯著，其次是高程和用地類型，地貌對(duì)土壤pH值分布影響最弱。這與趙凱麗等在“我國(guó)南方不同母質(zhì)土壤pH值剖面特征及酸化因素分析”中提到母質(zhì)是影響土壤理化性質(zhì)的主要因素結(jié)果一致。也和吳正祥、周勇等“鄂西北山區(qū)耕層土壤pH值空間變異特征及其影響因素研究”中的結(jié)論“成土母質(zhì)是研究區(qū)土壤pH值空間變異的主控因素，其次是海拔高度，較弱的是土地利用方式，坡度幾乎沒(méi)有獨(dú)立解釋能力…”相契合，說(shuō)明成土母質(zhì)和地質(zhì)背景等自然因素是土壤pH值分布形成的基礎(chǔ)，人類耕作和生活活動(dòng)對(duì)土壤用途的改變對(duì)土壤pH值分布形成的影響是自然因素基礎(chǔ)之上的疊加。

此外，從影響因素調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)殘差分析中可以看出土壤酸堿度更直觀的分布規(guī)律。出于保守估計(jì)，多重比較選擇調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)殘差絕對(duì)值的大小以3為分界點(diǎn)，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)殘差絕對(duì)值大于3時(shí)，認(rèn)為該數(shù)值的觀測(cè)頻數(shù)和期望頻數(shù)之間的差異存在統(tǒng)計(jì)意義[22-24]。由表5可知，堿性土壤調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)殘差全部具有統(tǒng)計(jì)意義，酸性土壤調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)殘差的90%具有統(tǒng)計(jì)意義，中性土壤調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)殘差的55%具有統(tǒng)計(jì)意義。從自然影響因素來(lái)看，堿性土壤更趨向于分布于中生代沉積巖背景土壤中，酸性土壤較趨向于分配在古生代火成巖背景土壤中。

表5 土壤酸堿度影響因素調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)殘差分析

從人類影響因素來(lái)看，堿性土壤趨向分布于人類生活和工礦業(yè)類型土壤中，而酸性土壤最不可能出現(xiàn)在此類土壤中，反而農(nóng)業(yè)用地中酸性土壤最容易分布；高程小于150 m，人類活動(dòng)頻率較高地方的土壤更趨向于堿性，高程大于150 m，人類活動(dòng)頻率較低地方的土壤則趨向于酸性。

5 結(jié) 論

(1) 影響贛南典型丘陵區(qū)土壤整體為酸性，且以強(qiáng)酸性土壤為主，對(duì)土壤pH值分布有顯著影響的因素主要為成土母質(zhì)、地質(zhì)背景、高程、用地類型、地貌，土壤質(zhì)地?zé)o顯著影響。土壤pH值在上述幾種影響因素中的數(shù)據(jù)分配都呈現(xiàn)為一種右偏的分布，且主要以尖峰為主，數(shù)據(jù)的變異程度整體較低。

(2) 贛南典型丘陵區(qū)土壤pH值分配主要受成土母質(zhì)和地質(zhì)背景等自然因素的影響，影響強(qiáng)度的關(guān)系為:成土母質(zhì)>地質(zhì)背景>高程>用地類型>地貌。人類耕作和生活活動(dòng)是次要影響因素，是自然因素影響基礎(chǔ)之上的疊加。說(shuō)明贛南地區(qū)土壤pH值形成規(guī)律和中國(guó)南方地表土壤pH值總體形成規(guī)律一致，沒(méi)有表現(xiàn)出特異性。

(3) 贛南典型丘陵區(qū)酸性土壤趨向于分配在古生代火成巖背景區(qū)和人類活動(dòng)頻率較低的較高丘陵區(qū)。堿性土壤趨向于分配在中生代沉積巖背景區(qū)和人類活動(dòng)頻率密集低海拔區(qū)域。該現(xiàn)象充分表明土壤pH值形成是自然因素和人類影響的疊加過(guò)程，自然過(guò)程中，巖石形成和演化過(guò)程對(duì)土壤pH值形成具有決定性作用；人類影響因素中，生活和工礦業(yè)活動(dòng)對(duì)土壤是一種顯著的pH值升高的促進(jìn)作用，農(nóng)業(yè)耕作主要表現(xiàn)出為勻化作用。

致謝：感謝中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局土地質(zhì)量工程—海西西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查項(xiàng)目提供的數(shù)據(jù)支持。