代釬里,白銀萍,2 , 劉建亮, 黃 晶,王尹佳,廖達(dá)航, 劉國(guó)通, 楊 剛

(1.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,四川 綿陽(yáng) 621000;2.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,四川 綿陽(yáng) 621000;3.中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所山地生態(tài)恢復(fù)與生物資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610041;4.中國(guó)科學(xué)院四川若爾蓋濕地生態(tài)研究站,四川 紅原 624400)

【研究意義】pH作為耕層土壤重要的化學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),影響著作物養(yǎng)分吸收和有益微生物群落結(jié)構(gòu),同時(shí)也影響著耕層土壤中金屬元素存在狀態(tài)和電子轉(zhuǎn)移狀態(tài),在整個(gè)耕層土壤生態(tài)環(huán)境中扮演著重要角色[1-3]。耕層土壤pH一般與成土母質(zhì)pH相近,氣候環(huán)境、土壤地質(zhì)構(gòu)造、人為利用方式等是影響pH的重要因素[4]。自然條件下,土壤pH產(chǎn)生一個(gè)量級(jí)的變化是很漫長(zhǎng)的過(guò)程。但近年來(lái),我國(guó)土壤pH整體上呈現(xiàn)南酸北堿的格局,特別是在南方地區(qū)土壤酸化現(xiàn)象日益顯現(xiàn)[5-6]。四川省位于我國(guó)西南地區(qū),整體上呈耕層土壤酸化走勢(shì),四川常有的酸雨天氣進(jìn)一步加劇了耕層土壤酸化程度,特別是降雨量較大時(shí),淋溶和徑流增加,導(dǎo)致鈣離子流失,但相對(duì)穩(wěn)定的鋁離子卻能夠積累,使耕層土壤pH緩慢下降[7-8]。本研究以四川盆地1980年第二次土壤普查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合四川地區(qū)降雨量數(shù)據(jù),以四川盆地中典型的水稻土和紫色土作為研究對(duì)象,分析討論耕層土壤pH時(shí)空變化及其與區(qū)域降雨量之間的關(guān)系,在揭示大環(huán)境因子對(duì)土壤酸化的影響方面具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】耕層土壤pH在一個(gè)地域內(nèi)的分布具有一定整體規(guī)律性,四川盆地天然的“凹”字地形成為了典型的區(qū)域性[9]。耕層土壤pH變化作為一個(gè)量值會(huì)受到多重因素的影響,進(jìn)而在時(shí)間和空間上表現(xiàn)出特定的變化。通過(guò)對(duì)比研究近35年成都平原0～20 cm表層土壤pH變化,發(fā)現(xiàn)平均下降了1.20,并指出不同土壤類(lèi)型對(duì)pH空間變異影響較大[10]。以四川盆地仁壽縣耕層土壤為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)成土母質(zhì)可解釋76.2%的土壤pH空間變異,并強(qiáng)調(diào)隨著土壤分類(lèi)等級(jí)降低其解釋土壤pH空間變異性越高[11]。對(duì)四川盆地南部地區(qū)耕層土壤pH空間變化研究發(fā)現(xiàn),沙溪廟組紫色砂泥巖下發(fā)育的淹育型水稻土pH在空間尺度上下降較快[12]。對(duì)其它地區(qū)研究發(fā)現(xiàn),耕層土壤的坡向、海拔、土地利用格局及酸雨等因素在時(shí)空上對(duì)耕層土壤pH變化有相關(guān)影響[13-15]。有學(xué)者指出土壤pH最終會(huì)受環(huán)境強(qiáng)迫控制,并表明當(dāng)年平均降雨量超過(guò)年平均潛在蒸散量時(shí),土壤會(huì)呈現(xiàn)酸化現(xiàn)象[16]。對(duì)火山土壤研究發(fā)現(xiàn)降雨量與pH變化有相關(guān)性,當(dāng)年降雨量超過(guò)1400 mm時(shí),土壤中堿性陽(yáng)離子和Si損失殆盡,而Al3+僅損失60%,進(jìn)而使土壤pH快速下降[17]。對(duì)近30年中國(guó)農(nóng)田土壤pH時(shí)空演變的研究發(fā)現(xiàn),年均降雨量變化是造成pH差異的最主要因素[18]。此外,降雨量的增加往往加劇了氮沉降,進(jìn)而造成土壤酸化的負(fù)面影響。然而,耕層土壤在長(zhǎng)期降雨量所引起的淹水與排水條件下,其pH變化會(huì)有所不同[19],因此,在前人研究基礎(chǔ)之上,本研究認(rèn)為年降雨量的變化勢(shì)必對(duì)耕層土壤pH變化帶來(lái)影響?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前,四川盆地耕層土壤pH變化研究集中在土壤母質(zhì)、土壤利用模式、土壤施肥方式等空間變異影響,而該地區(qū)長(zhǎng)期降雨量對(duì)耕層土壤pH時(shí)空變化的研究相對(duì)較少。因此,以整個(gè)四川盆地為研究區(qū)域,在大范圍內(nèi)揭示四川耕層土壤pH時(shí)空變化特征至關(guān)重要?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究通過(guò)野外實(shí)地采樣和收集近年部分土樣數(shù)據(jù),為揭示40年四川盆地耕層土壤pH時(shí)空變化特征提供數(shù)據(jù)支撐。采用土壤學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的方法(PKB)和地統(tǒng)計(jì)方法對(duì)比分析,應(yīng)用常規(guī)統(tǒng)計(jì)、方差和回歸分析等方法,闡明40年四川盆地降雨量對(duì)耕層土壤pH變化帶來(lái)的影響差異和影響程度,為四川盆地土壤酸化治理提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

四川盆地是我國(guó)四大盆地之一,盆地自西向東分為成都平原、川中丘陵和川東平行嶺谷[20]。盆地內(nèi)地表巖石多為紫紅色砂巖和頁(yè)巖,風(fēng)化形成的紫色土被譽(yù)為“中國(guó)最肥沃的自然土”[21]。本研究區(qū)選定為四川省盆地區(qū)域,由于行政區(qū)域劃分,盆地區(qū)域不包含原四川省重慶市。地理坐標(biāo)為28°10′ ～32°25′ N和101°56′～108°32′ E,人口約7300萬(wàn),面積1.8×105km2,平均海拔400 m,地貌以平原和丘陵為主,年均溫度16～18 ℃,屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候。四川盆地年降雨量豐富,達(dá)1000～1300 mm,但分布不均勻,降雨量集中于6—10月,夜雨占雨量的60%～70%以上。盆地內(nèi)地勢(shì)低洼區(qū)域排水較差,部分山區(qū)泥土流失也較為嚴(yán)重,盆地內(nèi)有岷江、沱江、嘉陵江、涪江等長(zhǎng)江支流。耕層作物以水稻、油菜、玉米、紅苕為主,耕層類(lèi)型包括灌溉水田、旱地、水旱輪作地等。

1.2 樣品采集與處理

四川盆地耕層土壤以紫色土和水稻土為主,占總耕層土壤面積的77.75%,本研究選擇以紫色土和水稻土為研究對(duì)象。根據(jù)《四川土種志》[22]記錄所有的水稻土種與紫色土種的剖面位置信息,于2021年5—10月進(jìn)行實(shí)地采樣(圖1),計(jì)100份(0～20 cm)表層樣品,每個(gè)采樣點(diǎn)按蛇形采樣法采集5處,用四分法去除余土后裝袋,記錄經(jīng)緯度和樣點(diǎn)土地利用方式。

圖1 研究區(qū)域及采樣點(diǎn)分布

考慮到所采集樣品偏酸性較多,本研究采用水提pH(中性和堿性樣品)和鹽提pH(酸性樣品)方法,即稱(chēng)取過(guò)篩2 mm 的風(fēng)干土樣 10 g,加入25 mL去離子水或濃度為 1 mol/L的KCl溶液,攪拌1 min,靜置30 min后用玻璃電極法測(cè)定pH。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1980年耕層土壤pH引自《四川土種志》[22],共計(jì)100份(0～20 cm)pH數(shù)據(jù)。由于1980年第二次土壤普查的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)沒(méi)有經(jīng)緯度信息,難以利用地統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行插值,故本研究采用土壤學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的方法(PKB),即根據(jù)土類(lèi)的剖面信息,找到剖面的位置信息所對(duì)應(yīng)圖斑,賦上相應(yīng)的pH,得到1980年耕層土壤pH分布圖,剖面和圖斑信息來(lái)自《1∶100萬(wàn)中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)》[23]。2021年采集土壤數(shù)據(jù)采用GS+9.0軟件進(jìn)行半方差分析,確定半方差模型和優(yōu)化參數(shù),后用Arcgis 10.8軟件帶入上述模型和參數(shù)進(jìn)行普通克里金法插值,得到2021年耕層土壤pH分布圖。同上,將2個(gè)時(shí)期pH相減進(jìn)行插值,得到耕層土壤pH變化分布圖。

1980—2020年四川盆地降雨數(shù)據(jù)來(lái)自資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/Default.aspx),共99個(gè)氣象站點(diǎn)信息,按坐標(biāo)位置信息以地級(jí)市為單位進(jìn)行歸納統(tǒng)計(jì),用Arcgis 10.8軟件采用反距離權(quán)重法進(jìn)行插值,得到40年來(lái)四川盆地降雨量平均分布圖。

常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析、方差分析、回歸分析均在SPSS 25.0軟件中進(jìn)行。方差分析用于判斷降雨量對(duì)耕層土壤pH變化是否有顯著性差異,回歸分析的校正決定系數(shù)來(lái)判定降雨量對(duì)耕層土壤pH變化影響程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)段耕層土壤pH統(tǒng)計(jì)與時(shí)空變化分析

兩時(shí)段四川盆地耕層土壤酸堿性分布情況為盆地邊緣地區(qū)多為酸性耕層土壤,中部地區(qū)多為堿性耕層土壤,兩者過(guò)渡地區(qū)則多為中性耕層土壤。對(duì)比1980年和2021年pH分布圖,耕層土壤酸化趨勢(shì)是由盆地邊緣向中部地區(qū)逐步收斂,其中在過(guò)渡地區(qū)耕層土壤酸化較為明顯(圖2)。

圖2 各時(shí)段pH分布及pH差值

1980年耕層土壤pH變化范圍為4.5～8.6,小于5.0、5.0～5.5、5.5～6.0、6.0～6.5、6.5～7.0、7.0～7.5、大于8.0分別占樣本數(shù)的5.1%、9.0%、11.5%、6.5%、19.3%、12.8%、39.7%、15.4%,平均值為7.0,中位數(shù)為7.3,變異系數(shù)為15.4%,屬中等程度的空間變異(圖2-a)。從正態(tài)分布看:偏度為-0.6,峰度為-0.8,呈負(fù)偏態(tài)分布。2021年耕層土壤pH變化范圍為4.2～8.2,小于5.0、5.0～5.5、5.5～6.0、6.0～6.5、6.5～7.0、7.0～7.5、大于8.0分別占樣本數(shù)的6.1%、8.2%、10.2%、23.5%、16.3%、18.3%、10.2%、2.0%,平均值為6.4,中位數(shù)為6.5,變異系數(shù)為16.7%,屬中等程度的空間變異(圖2-b)。從正態(tài)分布看:偏度為-0.3,峰度為-0.7,呈負(fù)偏態(tài)分布。兩時(shí)段的耕層土壤pH分布都為盆地中部偏北地區(qū)較高,盆地邊緣地帶耕層土壤pH相對(duì)較低。對(duì)比兩時(shí)段pH數(shù)據(jù),四川盆地耕層土壤pH平均下降0.7,耕層土壤酸化趨勢(shì)在盆地東北部、東南部和成都平原地區(qū)較為明顯(圖2-c)。

對(duì)2021年耕層土壤pH進(jìn)行半方差分析(表1)得出,指數(shù)模型的決定系數(shù)最大且殘差較小的高斯模型是理想的普通克里金法插值模型。其中塊金值為0.66,表明存在著一定采樣和其它隨機(jī)性誤差。塊基比為58.1%(小于75%),說(shuō)明研究區(qū)耕層pH空間變異受到人為和自然環(huán)境雙重影響作用。變程為8.6 km,意味著耕層土壤pH空間自相關(guān)性較弱,外部環(huán)境隨機(jī)性因素影響較大。這一結(jié)果與成都平原測(cè)得0～20 cm土壤pH半方差分析結(jié)果較為一致[10]。

表1 2021年耕層土壤半方差模型及參數(shù)

2.2 四川盆地降雨量統(tǒng)計(jì)分析

40年來(lái),四川盆地除了1997年和2006年降雨量低于900 mm,其余年份基本維持在900～1300 mm,其中2020年達(dá)到40年來(lái)年降雨量峰值(1279 mm),并有繼續(xù)上升的走勢(shì)(圖3)。通過(guò)四川盆地40年平均降雨量分布圖看出,盆地各地區(qū)降雨量分布不均勻。降雨量較高的地區(qū)包括盆地東北部地區(qū)和盆地西南部地區(qū),如達(dá)州市40年來(lái)年平均降雨量達(dá)1234 mm(圖3)。降雨量較低地區(qū)在四川西北部,如綿陽(yáng)市40年來(lái)年平均降雨量?jī)H為942 mm。四川盆地中部地區(qū)降雨量也相對(duì)較少,如成都市、遂寧市、資陽(yáng)市北部地區(qū)。對(duì)比pH差值分布(圖2-a)和40年平均年降雨量分布(圖4),可以看出降雨量多的地區(qū)土壤酸化現(xiàn)象嚴(yán)重,如研究中達(dá)州市耕層土壤pH平均下降1.0,高于整個(gè)盆地耕層土壤pH下降平均值,而達(dá)州市降雨量為四川盆地中最高區(qū)域之一。相反,綿陽(yáng)市年降雨量較少,耕層土壤酸化現(xiàn)象不明顯。

圖4 40年來(lái)四川盆地平均年降雨分布

2.3 降雨量對(duì)耕層土壤影響分析

Slessarev等[16]指出盡管其它因素(如:土地利用、母質(zhì)地形、巖石化學(xué))也可能打破土壤pH平衡,但大范圍內(nèi)環(huán)境影響似乎是主導(dǎo)因素。本研究以四川盆地各地級(jí)市40年來(lái)降雨量來(lái)作為影響因素,將2個(gè)時(shí)段pH差值作為因變量,以此來(lái)探討四川盆地耕層土壤酸化的影響?？紤]到方差分析中組內(nèi)均無(wú)差異,本研究將40年年降雨量劃分為5個(gè)降雨量等級(jí),即1180 mm以上(Ⅰ)、1180～1100 mm(Ⅱ)、1100～1050 mm(Ⅲ)、1000～1050 mm(Ⅳ)、1000 mm以下(Ⅴ),樣點(diǎn)數(shù)較少的市域不計(jì)入統(tǒng)計(jì)內(nèi)(表2)。

表2 降雨量等級(jí)劃分

方差分析結(jié)果(表3)顯示,整體而言40年來(lái)年降雨量對(duì)四川盆地土壤pH酸化有顯著影響(P<0.05),但F值偏小,可能由于本次樣本數(shù)較少造成。盆地內(nèi)年降雨量較大的地區(qū),耕層土壤酸化更明顯,如達(dá)州市、雅安市。相反,年雨量較小的地區(qū),耕層土壤酸化不明顯,如綿陽(yáng)市。根據(jù)降雨量等級(jí),不同地區(qū)年降雨量相差達(dá)到100 mm以上時(shí),土壤酸化程度有所不同,如降雨量等級(jí)為Ⅰ區(qū)域和Ⅲ、Ⅴ區(qū)域有顯著差異(P<0.05),年降雨相差50 mm內(nèi)無(wú)顯著差異,如降雨量等級(jí)I區(qū)域和Ⅱ區(qū)域、Ⅲ區(qū)域和Ⅳ區(qū)域、Ⅳ和Ⅴ區(qū)域。但降雨量等級(jí)Ⅳ區(qū)域與其它區(qū)域無(wú)顯著差異,其中降雨量等級(jí)Ⅳ區(qū)域的成都市耕層土壤pH平均下降1.0,這與同Ⅳ區(qū)域廣元市相比較為特殊。本研究將降雨量等級(jí)Ⅳ區(qū)域的成都市做為特殊值剔除后,發(fā)現(xiàn)降雨量等級(jí)Ⅳ區(qū)域與Ⅰ、Ⅱ區(qū)域有顯著差異(表4,P<0.05)。降雨量等級(jí)為Ⅲ區(qū)域的南充市耕層土壤pH分別下降0.4,比該區(qū)域其它市耕層土壤pH下降幅度小,但是對(duì)比40年來(lái)四川盆地平均年降雨量分布(圖4),南充市的部分區(qū)域40年來(lái)年降雨量相差達(dá)到100 mm以上。以降雨量等級(jí)劃分來(lái)看,解釋了其降雨量等級(jí)為Ⅲ和Ⅴ區(qū)域無(wú)顯著差異。

表3 整體方差分析

表4 剔除特殊地區(qū)方差分析

對(duì)各地40年年均降雨量和pH時(shí)空差值進(jìn)行回歸分析結(jié)果(圖5-a)表明,40年來(lái)降雨量對(duì)pH變化有顯著影響(P<0.05),整體上隨降雨量增多耕層土壤酸化程度越明顯。但年降雨量對(duì)pH時(shí)空變化的解釋能力僅為41%,未達(dá)到理想的50%以上,這一結(jié)果也佐證了方差分析中出現(xiàn)的降雨量等級(jí)為Ⅳ區(qū)域。同理,將降雨量等級(jí)Ⅳ區(qū)域的成都市做為特殊值剔除后做回歸分析,其年降雨量對(duì)pH時(shí)空變化的解釋能力達(dá)到61%,且40年來(lái)降雨量對(duì)pH變化有極顯著影響(P<0.01)(圖5-b)。觀(guān)察40年四川盆地平均年降雨量分布(圖4),部分地級(jí)市內(nèi)降雨量相差100 mm以上,可以推測(cè)若以縣級(jí)區(qū)域劃分,其年降雨量對(duì)pH時(shí)空變化的解釋能力將進(jìn)一步提高。

a. 整體回歸分析;b. 剔除特殊地區(qū)回歸分析。

3 討 論

3.1 四川盆地耕層土壤pH變化

3.2 四川盆地降雨量對(duì)耕層土壤pH的影響

1980—2020年四川盆地平均年降雨量在900～1300 mm,高于全國(guó)大部分的省份。但40年來(lái)四川盆地內(nèi)降雨量分布區(qū)域不均勻,降雨量較多集中分布在盆地東北部和西南部的山地邊緣地帶,這可能與盆地邊緣山地相對(duì)的熱低壓與盆地內(nèi)相對(duì)的冷高壓所形成的環(huán)流有關(guān)[31]。40年來(lái)四川盆地降雨量分布與此前研究1961—2008年四川省逐日降雨量分布吻合[32]。其中達(dá)州市年降雨量達(dá)到1234 mm,綿陽(yáng)市年降雨量?jī)H950 mm。

回歸分析表明四川盆地隨降雨量的增多,耕層土壤酸化越明顯。但是校正決定系數(shù)為41%,對(duì)其影響pH時(shí)空變化解釋能力相對(duì)較低,分析認(rèn)為部分地級(jí)市區(qū)域的降雨量相差較大及特殊的市域影響較大,在剔除這部分影響后其pH時(shí)空變化解釋能力達(dá)到61%。本研究中,研究人員注意到四川盆地內(nèi)有部分城鎮(zhèn)周邊耕層土壤pH也呈上升趨勢(shì),城鎮(zhèn)化建設(shè)對(duì)原有土體的破壞可能是另一方面造成時(shí)空解釋能力不高的原因,比如工程中利用蓋挖逆作施工方法向周?chē)馏w注入大量的Ca物質(zhì)造成局部地區(qū)土壤pH上升。同時(shí),本研究未考慮到降雨蒸散量和耕層施氮量,正如過(guò)往研究中所發(fā)現(xiàn)當(dāng)年平均降雨量開(kāi)始超過(guò)年平均潛在蒸散量時(shí),土壤pH會(huì)突然從堿性過(guò)渡到酸性,降雨量與耕層施氮量之間的相互關(guān)系影響著耕層土壤pH變化[7, 16]。但從總體上看,四川盆地降雨量在時(shí)空尺度上對(duì)土壤酸化有著直接影響。

4 結(jié) 論

40年來(lái)四川盆地兩時(shí)期的耕層土壤pH變化范圍同屬中等程度空間變異,時(shí)空上四川盆地耕層土壤pH平均下降0.7。40年來(lái)降雨量數(shù)據(jù)得出降雨量對(duì)耕層土壤酸化有顯著影響,并隨降雨量的增大耕層土壤酸化加劇。當(dāng)不同市域年平均降雨量超過(guò)100 mm時(shí),市域間的耕層土壤酸化程度表現(xiàn)出明顯的差異性。盆地內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)降雨量對(duì)其影響不明顯,也側(cè)面印證耕層土壤pH在時(shí)空變化中降雨量不是唯一的影響因素,城鎮(zhèn)化建設(shè)帶來(lái)的負(fù)面影響可能是重要原因。但整體而言,四川盆地長(zhǎng)時(shí)間降雨量的變化影響著耕層土壤酸化時(shí)空進(jìn)程,或許這種時(shí)空進(jìn)程在不同地區(qū)、不同時(shí)間段有著不同表現(xiàn)。因此,應(yīng)該長(zhǎng)期關(guān)注降雨量變化,對(duì)土壤酸化治理是一種可參考的選項(xiàng)。當(dāng)然,本研究?jī)H覆蓋了四川盆地典型代表的紫色土種和水稻土種,對(duì)結(jié)果有一定誤差,但整體降雨量對(duì)耕層土壤pH影響趨勢(shì)是肯定的。接下來(lái),有必要繼續(xù)收集四川盆地縣級(jí)區(qū)域的其它土種數(shù)據(jù)和相關(guān)信息繼續(xù)完善耕層土壤pH時(shí)空變化的插值精度。