近30 年山东省耕地土壤pH 时空变化特征及影响因素*

李 涛，于 蕾，万广华，李建伟，卢桂菊，董艳红

（山东省土壤肥料总站，济南 250100）

酸碱性是土壤的重要化学性质，常以pH 表示。土壤酸碱性是土壤退化的主要指标之一，其动态变化影响着土壤微生物活性、养分转化、元素迁移、植物生长等[1-2]。国内外学者对土壤pH 变化做了诸多研究，自然状态下，土壤pH 变化过程十分缓慢，变化一个单位需要漫长的时间[3-4]，但近年来，快速的城市化进程和不合理的农业生产方式导致土壤酸碱性发生了明显改变。研究表明，近年来国外土壤pH 变化不一，1982—1988 年，英国有19%的耕地土壤pH 下降[5]；2000—2012 年，韩国土壤pH 增加了 0.3 个单位[6]。国内土壤 pH 下降较明显，1980—2000 年，中国农田耕层土壤pH 下降了0.13～0.80 个单位，平均下降0.5 个单位[3]；北方钙质土壤pH 下降明显[7]。1984 年以来，由于重化肥轻有机肥及酸雨影响，广东省水稻土pH 下降了0.33 个单位[8]；1981—2001 年间，由于过量施肥和酸雨影响，江西省土壤pH 整体下降了0.6 个单位，兴国县农田土壤pH 平均下降0.94 个单位[9-10]；1980—2013 年间，湖北省恩施州耕地土壤pH 下降0.9 个单位，其中，旱地土壤下降1.14 个单位，水田土壤下降0.87 个单位[11]。河南、吉林和辽宁等省部分耕地土壤也出现了酸化态势[12-14]。酸沉降和氮、磷、钾肥的不当施用均不同程度地降低土壤pH[15-18]。

山东省农业历史悠久，是全国粮食、棉花、花生、蔬菜、水果的主要产区之一，也是重要的农产品生产、加工和供给基地。但是，现代化工业和农业的迅猛发展使得区域生态环境受到强烈干扰，pH变化明显。1981―2005 年间，烟台市土壤呈现酸化趋势[19]，其中招远市棕壤耕层pH 变化较大，平均下降了1.6 个单位，有60%以上的农田土壤pH 低于5.5[20]。烟台苹果产区土壤pH 为5.21，整体偏酸[21]。目前对于山东省pH 变化的研究，多集中在市域和田块尺度[19-21]，缺少全省总体情况的研究。本文通过研究近30 年来山东省土壤pH 的时空变化，分析耕地土壤酸化总体状况和动态变化，探讨土壤酸化自然影响因素和人为驱动因子，为全省耕地土壤酸化治理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

山东省位于34°22.9′～38°24.01′N、114°47.5′～122°42.3′E 之间，土地面积1.579×107hm2，年平均降水量在550～950 mm 之间，多年平均降水量为679.5 mm，由东南向西北递减[22]。境内地貌复杂，大体可分为中山、低山、丘陵、台地、盆地、山前平原、黄河冲积扇、黄河平原、黄河三角洲等9 类。境内山脉集中分布于鲁中南山地丘陵区和胶东丘陵区，平原集中分布于黄河冲积平原区。鲁中南山地丘陵区土壤母质主要由片麻岩、花岗片麻岩和石灰岩组成；胶东丘陵区，主要由花岗岩组成；黄河冲积平原区为黄河冲积母质。土壤类型主要有潮土、棕壤、褐土、砂姜黑土、水稻土（潮土型，下同）、粗骨土等15 个土类（图1），其中潮土、褐土和棕壤耕地面积较大，分别占全省耕地总面积的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 种主要耕地土壤类型（图2）。棕壤主要分布于烟台（60.7×104hm2）、青岛（48.26×104hm2）、临沂（39.66×104hm2）、威海（25.99×104hm2）、泰安（25.33×104hm2）和潍坊（23.62×104hm2）；褐土主要分布在潍坊（48.51×104hm2）、临沂（33.17×104hm2）、济南（27.88×104hm2）和济宁（25.51×104hm2）；潮土主要分布在菏泽（114.41×104hm2）、德州（99.4×104hm2）、聊城（80.41×104hm2）和滨州（63.39×104hm2）；砂姜黑土主要分布在青岛（23.44×104hm2）、潍坊（15.14×104hm2）和临沂（13.61×104hm2）；水稻土主要分布在济宁（5.95×104hm2）和临沂（5.31×104hm2）；粗骨土主要分布在临沂（46.61×104hm2）、烟台（41.6×104hm2）和潍坊（22.52×104hm2）。

1.2 数据来源

本研究的土壤pH 数据来源于山东省土壤肥料总站承担的山东省第二次土壤普查省级汇总（1984年）和省级耕地地力评价（2015 年）。第二次土壤普查省级汇总，采样时间1982—1984 年，获得土壤pH 数据3 827 个，其中棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土、水稻土和粗骨土样点3 222 个，采样深度0～20 cm。省级耕地地力评价，采样时间为2013—2015年，土壤pH 数据3.47 万个，其中棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土、水稻土和粗骨土样点3.37 万个，采样深度0～20 cm。土壤样品采集与pH 测定：采用多点混合法采集0～20 cm 耕层土壤，经风干过2 mm筛后采用水土比1∶1（第二次土壤普查省级汇总）、2.5∶1（省级耕地地力评价），用电极法测定土壤pH。

1.3 数据处理

1.3.1 不同水土比测定pH 比较 由于第二次土壤普查省级汇总数据和省级耕地地力评价pH 测定水土比不同，无法进行差值分析。在全省采集主要土壤类型土样60 个，其中棕壤15 个，褐土15 个，潮土30 个，按照水土比1∶1 和2.5∶1，分别测定pH1和pH2.5。

试验数据表明，pH1范围从4.07～8.39，平均值为6.67，pH2.5范围从4.27～8.76，平均值为6.93。经回归分析得到总转换模型为pH2.5=1.019pH1+0.138 5（R2=0.997 2），国外也有学者建立和验证了类似的转换模型[24-25]。将通过模型计算的pH2.5与实测值进行t检验，发现二者不存在显著性差异（P>0.05）。对统计模型计算的pH2.5与实测值，计算相对误差率，相对误差率均在1%以下，说明构建的模型具有可靠性。

1.3.2 耕地土壤pH 分布图制作 山东省第二次土壤普查土壤pH 分布图，是以第二次土壤普查土壤pH 点位数值为基础，以土种图为评价单元，按相同等级勾绘连片形成pH 图斑，经逐级缩编而成；耕地pH 等级面积是将第二次土壤普查土壤pH 分布图进行数字化与土地利用现状图进行叠加获得。山东省耕地地力评价土壤pH 分布图，是基于2015 年省级耕地地力评价的土壤pH 点位数据，采用反距离插值法获得；耕地pH 等级面积是利用耕地地力评价土壤pH 分布图与土地利用现状图进行叠加获得。

1.3.3 分级标准 参考《山东耕地》[26]pH 等级划分标准，根据山东土壤酸碱状况，将全省土壤划分为强酸性、中强酸性、酸性、弱酸性、中性、弱碱性和碱性7 个等级（表1）。

1.3.4 数据分析 采用Excel 2013 和 SPSS 19.0软件进行统计分析，采用独立样本t检验对土壤pH进行差异性检验。

2 结 果

2.1 山东省耕地土壤pH 的总体变化趋势

通过两个时期比较，近30 年来，全省耕地土壤pH 呈降低趋势，并出现局部耕地酸化，pH 平均值由7.6 降至7.2，降低0.4 个单位。第二次土壤普查省级汇总数据显示，全省弱酸性（5.58.5）耕地面积分别占当时耕地总面积的11.07%、30.36%、58.45%和0.12%。省级耕地地力评价数据显示，全省中强酸性、酸性、弱酸性、中性、弱碱性和碱性耕地分别占耕地总面积的0.98%、6.06%、20.43%、26.66%、45.65%和0.22%（图3）。

从全省土壤酸碱性分级看，弱碱性和中性耕地面积占比均出现下降，分别减少了12.8 和3.7 个百分点；弱酸性耕地面积占比由11.07%增加至20.43%，增加了9.36 个百分点；出现了酸性和中强酸性耕地，占比7.04 个百分点；碱性耕地面积占比略有增加，由0.12%增加至0.22%，增加了0.1 个百分点。

表1 山东省耕层土壤pH 分级标准Table 1 Grading of the topsoils of cultivated lands in Shandong Province by soil pH

2.2 山东省不同地区耕地土壤pH 的变化趋势

调查数据（表2）显示，山东省不同地市酸碱度变化差异较大，威海变化最大，降低了1.3 个单位；其次是泰安、日照、烟台、青岛和临沂，分别降低了1.1、1.1、1.0、1.0 和0.8 个单位。济南升高了0.1 个单位。其他无显著变化。威海、烟台、日照、青岛、临沂和枣庄6 市土壤出现了酸化（图4），其中，中强酸性土壤占比分别为14.82%、3.67%、4.72%、1.22%、1.4%和 0.08%，酸化面积分别为13.32×104hm2、19.51×104hm2、6.14×104hm2、8.227×104hm2、6.207×104hm2和0.173×104hm2。

以上数据分析得出，从空间上看，山东省土壤酸碱度区域差异极大，并呈现从西向东降低趋势。其中鲁东地区两时期平均pH 最低，分别为6.8 和5.9；鲁西和鲁北地区平均pH 最高，分别为8.1 和8.0。从时间上看，每个区域土壤pH 等级在两个时期均出现了从碱性到酸性变化趋势，但pH 降幅出现从东向西变小的趋势。从土壤酸碱性分级上看，鲁西和鲁北地区、鲁中地区土壤主要由集中弱碱性变化为弱碱性、中性。鲁中南地区土壤主要由弱碱性、中性变化为弱碱性、中性、弱酸性。鲁东地区、鲁南地区土壤由弱碱性、中性、弱酸性变化为弱碱性、中性、弱酸性、酸性、中强酸性（图4）。

2.3 山东省不同土壤类型pH 的变化趋势

调查数据（表3）可以看出，山东省不同土壤类型（耕地）酸碱度差异较大，从山东省的东南棕壤区到西北潮土区，土壤pH 由低到高。

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

第二次土壤普查省级汇总，全省主要土壤类型土壤pH 由大到小依次为：潮土、水稻土、褐土、砂姜黑土、粗骨土和棕壤。潮土pH 最高，为8.0；棕壤pH 最低，为6.8，其高值与低值相差1.2 个单位。省级耕地地力评价，全省主要类型土壤pH 由大到小依次为：潮土、褐土、砂姜黑土、水稻土、粗骨土和棕壤。潮土pH 最高，为7.8；棕壤pH 最低，为6.0，其高值与低值相差1.8 个单位。

二者对比看出，无论何种土壤类型土壤pH 均呈下降趋势，由大到小依次为：水稻土、棕壤、粗骨土、砂姜黑土、褐土和潮土。其中水稻土、棕壤土类下降最为明显，分别下降1.0 和0.8 个单位。

3 讨 论

3.1 土壤类型对土壤pH 的影响

研究表明，土壤本身抵制酸碱变化的能力与土壤的物质组成和地球化学性质相关，不同土壤类型的酸碱缓冲性能有所不同[27]，安徽省潮土、砂姜黑土、水稻土依次降低[28]，浙江省盐土、潮土、水稻土依次降低[29]，长春市黑钙土、草甸土、黑土、白浆土和暗棕壤逐渐下降[30]，棕壤、水稻土酸碱缓冲性能较弱。本研究中（表3 和图2），第二次土壤普查省级汇总时，棕壤和粗骨土的pH 平均值分别为6.8、7.0，省级耕地地力评价时，棕壤和粗骨土的pH 平均值分别为6.0、6.4，均为6 种土壤类型中最低；变化量分别为0.8 和0.6 个单位，相对较高。水稻土则变化量最大，为1 个单位。发生酸化的威海、烟台、日照、临沂和枣庄等市土壤多为棕壤和粗骨土土类（图1），成土母质以酸性为主。据统计，威海、烟台和日照等市棕壤和粗骨土占比超过了70%，青岛和临沂市达到了50%，酸化土壤占比最少的枣庄市也有20%左右。因为棕壤主要由酸性岩等含盐基很少的岩石风化物发育而成，形成过程产生的钙、镁、钾、钠等盐基离子不断受到渗透水的淋洗，土壤胶体表面一部分正离子吸附点被氢、铝离子占据，产生了交换性酸；粗骨土的成土母质与棕壤相同，成土过程阳离子交换量小，酸碱缓冲性能较弱[27]。

表3 山东省不同土壤类型土壤pH 平均值Table 3 Average soil pH relative to soil type in Shandong Province

3.2 不同作物收获对土壤pH 的影响

研究表明，植物收获对土壤pH 有所影响，不同植物对土壤中阳离子（K+、N、Ca2+、Mg2+等）和阴离子（等）养分元素的吸收并不平衡，当阳离子的吸收大于阴离子时，植物根系从土壤吸收阳离子的同时就分泌出H+以保持体系的电荷平衡[31]，当农产品收获并从土地上移走，其体内积累的碱性物质也随之带走，会导致土壤酸化[32]。朱齐超[33]量化研究了土壤酸化的影响因素，计算得到作物收获在土壤酸化的驱动因素中可达到34.2%。参考2012 年《山东统计年鉴》[34]中山东省主要农产品产量，根据作物收获带走盐基离子浓度和含水量[35]，估算了2011 年山东省主要作物收获从土壤中带走的盐基养分量（表4），马铃薯盐基离子带走量最大，为140.9 kmol·hm-2，其次是玉米和小麦，分别为97.2 和79.7 kmol·hm-2。对胶东地区不同种植体系的研究则表明，蔬菜、苹果、小麦/玉米/花生体系农田酸化速度明显高于小麦/玉米体系[36]。

3.3 施肥对土壤pH 的影响

研究表明，长期的不合理施肥，特别是施用硫酸铵、氯化钾、氯化铵等酸性肥料，是土壤酸化的原因之一[37]，土壤酸化的驱动因素中施肥贡献了55.1%[33]。本研究中，山东省酸性土壤分布较多的烟台、日照、枣庄和青岛市化肥施用强度均较高（图5）[38]，分别为650.6 kg·hm-2、542.7 kg·hm-2、488.4 kg·hm-2和433.2 kg·hm-2；烟台、日照、枣庄和威海市氮肥施用强度较高，分别为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，山东胶东地区氮肥用量与土壤pH 呈负相关关系，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 降为5.35；氮肥施用量为240～750 kg·hm-2，土壤pH 降为5.28；氮肥施用量大于750 kg·hm-2，土壤pH 降为5.16[36]。因为长期连年施用化学肥料，作物吸收后剩下的酸根会与土壤中氢离子结合生成酸，导致土壤酸性增强。生理酸性肥料如氮肥中硫酸铵、氯化铵施入土壤后，被植物选择吸收N等，剩余部分的酸根也会使土壤酸化。因此，长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、钾比例失调，广东省水田土壤pH 和江苏省耕地土壤pH 呈现下降趋势[8，27]。

表4 不同作物收获带走盐基离子量Table 4 Amount of base ions removed with crop harvest relative to crop/（kmol·hm-2）

4 结 论

土壤pH 变化是一个相对较慢的过程，但由于现代化工业和农业措施的影响，各地土壤 pH 有了一定变化。通过比较第二次土壤普查省级汇总（1984年）和省级耕地地力评价（2015 年）两个时期山东省土壤pH 数据，30 年来，山东省土壤pH 平均值由7.6 降至7.2。威海变化最大，降低了1.3 个单位，其次是泰安、日照、烟台和青岛，分别降低了1.1、1.1、1.0 和1.0 个单位。不同类型土壤pH 变化由大到小依次为：水稻土、棕壤、粗骨土、砂姜黑土、褐土和潮土。目前，山东省酸性土壤主要分布在胶东半岛和东南部沿海的威海、烟台、青岛、日照、临沂和枣庄等6 个市，其中烟台和威海市酸化面积较大。对山东省耕地土壤酸化主要影响因素分析发现，土壤类型、植物收获以及化肥不适当施用有一定影响，但不同地区土壤酸碱性变化的影响因素、不同土壤类型的酸碱缓冲性能差异等仍需要进一步定量研究分析，以明确具体原因。