1984—2014年儀征市農(nóng)田土壤酸化驅(qū)動(dòng)因素分析

吳政 張富春 劉紹貴 高暉 陳明 范如娟 顏怡 王長(zhǎng)松

摘要?以儀征市為例，基于1984、1994、2005、2014年儀征市代表性的土壤樣品點(diǎn)pH，1984和2014年遙感影像數(shù)據(jù)，1995—2017年酸雨頻率數(shù)據(jù)，1980—2006年農(nóng)戶施肥數(shù)據(jù)，分析1984—2014年儀征市農(nóng)田土壤pH時(shí)空變化趨勢(shì)，并從土地利用方式、酸雨頻率和農(nóng)戶施肥行為等3方面解析了農(nóng)田土壤酸化的驅(qū)動(dòng)因素。結(jié)果表明：1984—2014年，儀征市農(nóng)田土壤pH顯著降低，呈現(xiàn)酸化趨勢(shì)，酸化區(qū)域主要集中在儀征市北部和南部;建設(shè)用地?cái)U(kuò)張占用耕地和道路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、酸雨頻率變化、有機(jī)肥的施用量減少和化肥施用量的增多是造成儀征市農(nóng)田土壤酸化的主要驅(qū)動(dòng)因素。

關(guān)鍵詞?農(nóng)田土壤;酸化;驅(qū)動(dòng)因素;儀征市

中圖分類號(hào)?S153文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A

文章編號(hào)?0517-6611（2019）20-0068-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.20.018

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Driving Factors Analysis of Cropland Acidification of Yizheng City from 1984 to 2014

WU Zheng，ZHANG Fu?chun，LIU Shao?gui et al?（Yangzhou Station of Farmland Quality Protection，Yangzhou，Jiangsu 225101）

Abstract?Taking Yizheng City as an example，based on the representative soil sample point pH values in 1984，1994，2005 and 2014，remote sensing image data in 1984 and 2014，acid rain frequency data in 1995-2017，and fertilization data of farmers in 1980-2006，we analyzed the temporal and spatial variation trend of soil pH in Yizheng City from 1984 to 2014，and analyzed the driving factors of cropland soil acidification from three aspects，such as the land use pattern，acid rain frequency，fertilization behavior of farmers and so on.The results showed that from 1984 to 2014，the soil pH of cropland in Yizheng City decreased significantly，showing an acidification trend.The acidification areas mainly concentrated in the north and south parts of Yizheng City.The main driving factors of soil acidification in Yizheng City were the expansion of construction land，the construction of road network，the change of acid rain frequency，the decrease of organic fertilizer application and the increase of chemical fertilizer application.

Key words?Cropland;Soil acidification;Driving factors;Yizheng City

土壤酸化是土壤退化的一個(gè)重要方面，農(nóng)田土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的載體，是保障糧食生產(chǎn)安全的重要基礎(chǔ)。近年來(lái)，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展，加劇了人類活動(dòng)與資源環(huán)境之間的矛盾，農(nóng)田土壤受到人類活動(dòng)的影響，呈現(xiàn)酸化的趨勢(shì)。農(nóng)田土壤酸化會(huì)造成大量營(yíng)養(yǎng)元素的淋失和土壤肥力下降，進(jìn)而嚴(yán)重影響糧食作物生長(zhǎng)[1-2]。我國(guó)的農(nóng)田酸性土壤主要分布在長(zhǎng)江以南的廣大熱帶、亞熱帶地區(qū)和云貴川等地，酸化已經(jīng)成為制約該區(qū)域農(nóng)田生產(chǎn)力提升的主要障礙因素[3]。自20世紀(jì)80年代第二次土壤普查以來(lái)，我國(guó)開展了縣域耕地地力評(píng)價(jià)、全國(guó)測(cè)土配方施肥、土壤墑情監(jiān)測(cè)和全國(guó)農(nóng)業(yè)污染源普查等行動(dòng)，積累了巨量的土壤時(shí)空數(shù)據(jù)[4]。借助GIS技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間尺度上對(duì)農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的連續(xù)監(jiān)測(cè)與空間變化分析，如李偉峰等[5]對(duì)比分析了江西省1980—2010年土壤數(shù)據(jù)，結(jié)果表明江西省農(nóng)田土壤總體呈現(xiàn)酸化趨勢(shì);王志剛等[6]的研究表明，江蘇省pH總體空間分布各部位南酸北堿。驅(qū)動(dòng)因素分析有助于回答人類活動(dòng)對(duì)農(nóng)田土壤pH的影響[7]，并對(duì)控制農(nóng)田土壤酸化提供有針對(duì)性的措施與建議。

儀征市是長(zhǎng)江下游依江而建的縣級(jí)市，優(yōu)越的地理優(yōu)勢(shì)形成了儀征市完善的交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)體系，為工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展提供了基礎(chǔ)，同時(shí)長(zhǎng)江也為儀征市農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了水熱條件。該研究對(duì)比分析1984—2014年儀征市農(nóng)田土壤pH的時(shí)空變化趨勢(shì)，通過(guò)收集儀征市的遙感影像、交通規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測(cè)和農(nóng)民施肥數(shù)據(jù)，探討影響儀征市農(nóng)田土壤變化的驅(qū)動(dòng)因素，為縣級(jí)尺度農(nóng)田土壤酸化防控提供借鑒。

1?材料與方法

1.1?研究區(qū)概況

儀征市地處長(zhǎng)江三角洲的頂端，江淮丘陵的尾閭，跨越長(zhǎng)江和淮河兩大水系，由謝集三里至古井一線為分水嶺，西界南京市六合區(qū)，東臨揚(yáng)州市邗江區(qū)，北接高郵湖西，西北與安徽天長(zhǎng)市接壤，南臨長(zhǎng)江，與江寧、句容、丹徒隔江相望，地理坐標(biāo)為119°02′～119°22′E、32°14′～32°36′N，在行政區(qū)劃上隸屬于江蘇省揚(yáng)州市，下轄9個(gè)鎮(zhèn)。全市地域范圍約857 km2（不包括長(zhǎng)江水域）。境內(nèi)主要地貌類型有丘陵、沙礫石崗地、黃土崗地、河谷平原、沿江平原。區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以水稻-小麥輪作為主，一年兩熟制，部分地區(qū)實(shí)行水稻-油菜輪作。

1.2?數(shù)據(jù)處理與研究方法

1.2.1?數(shù)據(jù)來(lái)源。該研究中的數(shù)據(jù)類型主要包括不同時(shí)期的農(nóng)田土壤樣品pH數(shù)據(jù)，不同時(shí)期的遙感影像解譯、酸雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、測(cè)土配方施肥數(shù)據(jù)等，具體情況如下：

（1）土壤樣品pH數(shù)據(jù)。1984年土壤pH數(shù)據(jù)來(lái)源于第二次土壤普查;1994年土壤pH數(shù)據(jù)來(lái)源與土壤普查;2005年土壤pH數(shù)據(jù)來(lái)源于農(nóng)業(yè)部測(cè)土配方施肥數(shù)據(jù);2014年土壤pH數(shù)據(jù)來(lái)源于儀征市耕地地力評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)。pH分級(jí)參照第二次土壤普查的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與研究區(qū)域情況，分為3級(jí)：5.5～6.5為1級(jí)，弱酸性;6.5～7.5為2級(jí)，中性;7.5～8.5為3級(jí)，弱堿性。

（2）遙感影像數(shù)據(jù)。1984年遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源于Landsat 4 TM數(shù)據(jù)，采集日期為1984年10月30日，由條帶號(hào)120，行編號(hào)38，云量0.08;條帶號(hào)120，行編號(hào)37，云量0.02拼接而成。2014年遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源于Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)，采集日期為2014年11月18日，由條帶號(hào)120，行編號(hào)38，云量0.69;條帶號(hào)120，行編號(hào)37，云量19.5拼接而成。遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）。

（3）酸雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。來(lái)源于儀征市環(huán)境保護(hù)局，包括1995—2017年的酸雨頻率數(shù)據(jù)。

（4）農(nóng)戶施肥數(shù)據(jù)。來(lái)源于揚(yáng)州市耕地質(zhì)量保護(hù)站和儀征市土壤肥力站收集的1980—2006年農(nóng)戶肥料投入情況數(shù)據(jù)和揚(yáng)州市耕地地力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)。

1.2.2?研究方法。該研究主要采用的方法為GIS空間插值分析和遙感影像解譯方法，運(yùn)用的軟件平臺(tái)為ArcGIS 10.2，Envi 5.3和Sigmaplot 14.0。

（1）GIS空間插值分析。在ArcGIS 10.2中采用Kring插值方法，根據(jù)1984、1994、2005、2014年具有代表性的農(nóng)田土壤樣點(diǎn)pH，插值得到儀征市4個(gè)不同時(shí)期的pH空間分布情況。

（2）遙感影像解譯。從地理空間數(shù)據(jù)云下載的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)已進(jìn)行了校正，在ENVI 5.3 軟件中，采用監(jiān)督分類方法，將儀征市的土地利用現(xiàn)狀分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域、未利用地6大類，結(jié)合百度地圖（https：//map.baidu.com/）和谷歌地圖（http：//www.google.cn/maps）對(duì)遙感影像解譯結(jié)果進(jìn)行校正。

2?結(jié)果與分析

2.1?儀征市農(nóng)田土壤pH時(shí)空變化趨勢(shì)

對(duì)比分析4個(gè)不同時(shí)期儀征市農(nóng)田土壤樣品的pH化驗(yàn)結(jié)果，1984—2014年儀征市農(nóng)田土壤pH顯著降低（P<0.05），呈現(xiàn)酸化趨勢(shì)。

Kring插值的結(jié)果如圖1所示，4個(gè)不同的時(shí)期儀征市農(nóng)田土壤pH主要集中在5.0～6.5，為弱酸性。1984—1994年，儀征市北部的大儀鎮(zhèn)和東南部的樸席鎮(zhèn)，有部分區(qū)域pH從6.5～7.5降低到5.0～6.5之間;1994—2005年儀征市北部的大儀鎮(zhèn)農(nóng)田土壤繼續(xù)保持了酸化趨勢(shì)，整個(gè)大儀征鎮(zhèn)農(nóng)田土壤pH都降至5.0～6.5;2005—2014年農(nóng)田土壤pH變化主要集中在儀征市南部的真州鎮(zhèn)、新城鎮(zhèn)和樸席鎮(zhèn)，3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)都出現(xiàn)了部分農(nóng)田土壤酸化的現(xiàn)象。總體來(lái)說(shuō)，1984—2014年，儀征市農(nóng)田土壤酸化區(qū)域出現(xiàn)在北部和南部，分別為大儀鎮(zhèn)、真州鎮(zhèn)、新城鎮(zhèn)和樸席鎮(zhèn)。

2.2?土地利用對(duì)農(nóng)田土壤酸化的影響

土地利用方式體現(xiàn)了人類活動(dòng)對(duì)土地資源的開發(fā)利用過(guò)程，遙感影像解譯的結(jié)果如圖2所示?？傮w來(lái)說(shuō)，1984—2014年儀征市主要的土地利用變化情況表現(xiàn)為：①建設(shè)用地?cái)U(kuò)張是建立在占用耕地的基礎(chǔ)上進(jìn)行的;②對(duì)比1984年，儀征市在2014年已建立了較為完整的南北方向和東西方向的交通網(wǎng)絡(luò)體系。

1984—2014年，不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化面積如表2所示。從表2可以看出，2014年建設(shè)用地面積為16 791.73 hm2，其中10 569.05 hm2來(lái)自1984年的耕地，占比為62.94%。建設(shè)用地主要包括城鎮(zhèn)用地、農(nóng)民村民點(diǎn)、工礦用地和交通設(shè)施用地等，這些土地利用方式都會(huì)對(duì)農(nóng)田土壤帶來(lái)污染，如工業(yè)“三廢”（廢渣、廢氣、廢水）排放，生活污水排放、汽車尾氣排放中大量的硫化物和氮化物等[8]。

在ArcGIS 10.2中對(duì)比分析30年間儀征市建設(shè)用地情況、建設(shè)用地?cái)U(kuò)張占用耕地情況、交通基礎(chǔ)設(shè)施情況、農(nóng)田土壤pH等級(jí)變化情況，如圖3所示。圖3（a）反映了1984—2014年，儀征市建設(shè)用地總規(guī)模和建設(shè)用地占用耕地情況，北部的大儀鎮(zhèn)、南部的馬集鎮(zhèn)和真州鎮(zhèn)是建設(shè)用地總面積大且建設(shè)用地占用耕地面積大的鄉(xiāng)鎮(zhèn);圖3（b）表明，2014年儀征市已建立起完整的陸路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，從東西和南北方向貫穿整個(gè)儀征市，交通網(wǎng)絡(luò)類型包括高速公路、國(guó)道、省道和鐵路，同時(shí)儀征市南部的長(zhǎng)江，也為儀征市提供了水路運(yùn)輸條件，其中北部的大儀鎮(zhèn)、南部的馬集鎮(zhèn)和真州鎮(zhèn)是重要的陸路運(yùn)輸樞紐;圖3（c）結(jié)果表明，1984—2014年，農(nóng)田土壤pH降低級(jí)別表示農(nóng)田土壤酸化情況，酸化情況主要出現(xiàn)在北部的大儀鎮(zhèn)、南部的真州鎮(zhèn)、新城鎮(zhèn)。綜合分析圖 建設(shè)用地?cái)U(kuò)張與農(nóng)田土壤酸化具有較高的空間分布吻合度。

2.3?酸雨對(duì)農(nóng)田土壤酸化的影響

酸雨是會(huì)加速農(nóng)田土壤酸化，且造成產(chǎn)量損失[9]。儀征市環(huán)保局的酸雨頻率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示（圖4），1996—2005年，儀征市酸雨頻率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，2006—2016年，酸雨頻率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。儀征市酸雨頻率上升主要原因在于工業(yè)、化工、化石燃料燃燒引起[9]，但隨著政府節(jié)能減排工作的力度加大，二氧化硫排放量逐年下降，儀征市酸雨頻率在“十二五”期間逐漸下降[10]。圖1儀征市農(nóng)田土壤pH變化的空間分布也顯示，1994—2005年，儀征市農(nóng)田土壤呈現(xiàn)酸化趨勢(shì);但2005—2014年，農(nóng)田土壤酸化趨勢(shì)有所緩和，趨于穩(wěn)定。

2.4?化肥施用對(duì)農(nóng)田土壤酸化的影響

對(duì)儀征市農(nóng)戶進(jìn)行調(diào)查結(jié)果顯示，1984—2014年儀征市農(nóng)民施肥的特點(diǎn)如下：一方面是有機(jī)肥施用量逐年減少，另一方面是化肥過(guò)量施用。

2.4.1?有機(jī)肥施用。從揚(yáng)州市耕地質(zhì)量保護(hù)站和儀征市土肥站收集的1980—2006年農(nóng)戶施肥調(diào)查數(shù)據(jù)（表3）表明：整體來(lái)說(shuō)，1980—2006年儀征市農(nóng)戶有機(jī)肥施用呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。主要原因在于：一方面，20世紀(jì)90年代以來(lái)，儀征市農(nóng)戶生豬養(yǎng)殖規(guī)模的減少，畜禽糞便來(lái)源減少;另一方面，秸稈

還田和化肥（復(fù)合肥）配施已逐漸取代單純的使用畜禽糞肥和綠肥，成為農(nóng)戶主要的施肥方式。

2.4.2?化肥施用量。氨態(tài)氮肥中的氨離子在土壤中發(fā)生硝化反應(yīng)并產(chǎn)生H+是加速農(nóng)田土壤酸化的主要機(jī)制[11]。孟紅旗等[12]研究結(jié)果表明，施用氮肥（N處理）和氮磷鉀配施（NPK處理）對(duì)比不施肥處理，土壤酸化速率分別為4.6倍和3.2倍。1988—2014年儀征市耕地地力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)（表4）顯示，在長(zhǎng)期施用化肥的過(guò)程中，4個(gè)耕地地力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，農(nóng)田土壤都呈現(xiàn)酸化，pH降低。

3?結(jié)論與討論

3.1?結(jié)論

該研究分析1984—2014年儀征市農(nóng)田土壤pH的空間變化及驅(qū)動(dòng)因素，結(jié)果表明：

（1）30年間，儀征市農(nóng)田土壤pH顯著降低，呈現(xiàn)酸化趨勢(shì);儀征市北部大儀鎮(zhèn)，南部的真州鎮(zhèn)，新城鎮(zhèn)和樸席鎮(zhèn)是主要的酸化區(qū)域。

（2）土地利用方式變化、酸雨和農(nóng)戶施肥是影響儀征市農(nóng)田土壤酸化的主要驅(qū)動(dòng)因素。土地利用方式方面主要體現(xiàn)在建設(shè)用地?cái)U(kuò)張占用耕地和道路網(wǎng)絡(luò)建設(shè);酸雨方面影響體現(xiàn)在酸雨頻率;農(nóng)戶施肥方面主要體現(xiàn)在有機(jī)肥的施用量減少和化肥施用量的增多。

3.2?討論

農(nóng)田土壤酸化是人為和自然因素綜合作用的結(jié)果[5]，農(nóng)田土壤酸化的驅(qū)動(dòng)因素研究可為土壤酸化阻控措施制定提供借鑒意義。農(nóng)田土壤酸化的阻控措施不僅僅包括合理調(diào)節(jié)土地利用方式、嚴(yán)控工業(yè)酸性廢氣排放形成酸雨、科學(xué)指導(dǎo)農(nóng)戶施肥，還包括各種酸化改良劑。例如：于天一等[13]研究指出進(jìn)一步研制并推廣環(huán)境危害小的中性（堿性）肥料是減少過(guò)量施用生理酸性肥料致酸的重要方式。魯艷紅等[14]研究表明，長(zhǎng)期施用化肥條件下配施石灰，可有效緩解稻田土壤酸化。

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