烟台市典型县域土壤pH时空变化特征及影响因素

李煜婧, 夏紫祎, 申桐, 王斐, 郑磊, 周建利, 张强, 孙楠, 徐明岗

中国农学通报. 2023, 39(21): 103-108

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中国农学通报 ›› 2023, Vol. 39 ›› Issue (21) : 103-108. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-0672
资源·环境·生态·土壤

烟台市典型县域土壤pH时空变化特征及影响因素

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Spatiotemporal Characteristics of Soil pH in Typical Counties of Yantai City and Influencing Factors

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摘要

研究烟台市典型县域耕地土壤pH变化及其影响因素，为耕地质量提升提供科学依据。以栖霞市和蓬莱区为研究对象，2010年用网格法采集耕层土壤样品，分析土壤pH、交换性钙、交换性镁等基本性质，与第二次土壤普查（1984年）数据进行对比分析，采用地统计学法分析不同类型土壤pH的时空演变特征并比较不同级别土壤pH的变化情况。结果表明：1984—2010年25年来，烟台市土壤pH呈下降趋势，褐土和潮土pH下降幅度均约10%，棕壤约6%。随时间推移，烟台市土壤pH块金效应升高，空间自相关性减弱，受到随机因素影响的程度增大。烟台市北部及东部边缘等地土壤pH较高，酸化不明显；西南部地区土壤pH较低，酸化严重。与1984年相比，2010年pH≤6.00的耕地占比由5.8%增加至48.8%；pH>6.00的耕地占比则由94.2%下降至51.2%。栖霞市土壤交换性钙、镁含量随pH升高先上升后下降；蓬莱区土壤交换性钙、镁含量与pH呈显著正相关。烟台市耕地土壤呈现酸化的趋势，气候和施肥等是影响该区域耕地土壤酸化的主要因素。

Abstract

This paper explored the characteristics of soil pH change and its influencing factors in arable land of typical counties in Yantai City and provided a scientific basis for arable land quality improvement. The soil samples of cultivated layer were collected in 2010 by grid sampling method from Qixia City and Penglai District as the research objects. Soil properties, including soil pH, exchangeable calcium and exchangeable magnesium were analyzed and compared with data of the second land survey in 1984. The pH spatiotemporal characteristics of different soil types were analyzed by geostatistics, changes in pH at different soil levels were compared. The results indicated that the soil pH in Yantai City showed a downward trend during 25 years (1984 to 2010). The declining degrees of pH were about 10% for cinnamon and fluvo-aquic soils and 6% for brown soil, respectively. The nugget effect of soil pH increased over time and the spatial autocorrelation of soil pH gradually decreased, and soil pH was greatly affected by random factors. Soil pH values in the northern and eastern edge of Yantai were high, and the acidification was not obvious. In contrast, soil pH values were low in southwest of Yantai where had severe acidification. The proportion of arable land with pH≤6.00 increased significantly from 5.8% in 1984 to 48.8% in 2010, while the proportion of arable land with pH>6.00 decreased significantly from 94.2% in 1984 to 51.2% in 2010. Both exchangeable calcium and exchangeable magnesium in Qixia City increased first and then decreased with the increase of pH, while both exchangeable calcium and exchangeable magnesium in Penglai City were positively correlated with pH. The cultivated land soil presented acidizing trend in Yantai. Climate and fertilization are the main factors affecting arable soil acidification in this region.

关键词

烟台市 / 土壤酸化 / 土壤类型 / 地统计学 / 时空变化特征

Key words

Yantai City / soil acidification / soil type / geostatistics / spatiotemporal characteristics

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李煜婧 , 夏紫祎 , 申桐 , 王斐 , 郑磊 , 周建利 , 张强 , 孙楠 , 徐明岗. 烟台市典型县域土壤pH时空变化特征及影响因素. 中国农学通报. 2023, 39(21): 103-108 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-0672
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0 引言

土壤pH是表征土壤酸碱性的重要指标，其过低或过高均会影响植物对土壤养分的吸收，造成作物产量降低乃至绝产，使土壤失去耕种价值[1]。土壤过酸会造成土壤矿物质营养元素流失，加剧土壤退化[1⇓-3]。土壤过碱则会造成土壤通透性差，降低土壤生产力[4]。土壤pH的自然演变过程十分缓慢[5-6]，但随着人类活动的增加，土壤pH快速变化，尤其是土壤酸化明显加剧[7]，已成为当前农田土壤质量维持和提升的重要限制因素[8-9]。
中国农田土壤酸化具有面积大、分布广、酸化程度高和危害大等特点[10]。1980—2000年，中国约90%的农田土壤发生了不同程度的酸化，pH平均下降约0.50个单位，南方和东部农田的pH下降尤其严重[5]。胡敏等[11]对1983—2013年恩施州耕地土壤pH时空变化的研究发现，恩施州土壤受不合理施用化肥及高产作物收获带走盐基养分等人为因素的影响呈酸化趋势。王洪等[2]对陕西省耕地土壤pH研究表明，陕南地区土壤pH在自然因素和人为因素的共同影响下出现明显的酸化。李涛等[12]研究表明，山东省耕地土壤pH呈下降趋势，平均值由7.60降至7.20，其中烟台市土壤pH下降了1.00个单位，酸化十分严重。目前，关于土壤pH研究大多集中于大区域，对小区域的研究较少；或是小区域范围在点位上的研究较多，针对县域范围的研究较少，无法对农业生产提出针对性的指导意见。
栖霞市和蓬莱区分别位于烟台市的中心腹地和北部沿海区域，占烟台市约1/5的面积，土壤类型主要为棕壤、潮土和褐土，其水肥管理措施及所产生的环境效应均具有典型的区域代表性[13-14]。研究栖霞市和蓬莱区耕地土壤pH空间分布及动态变化，可为烟台市耕地土壤pH的调控提供技术指导。
本研究对比2010与1984年烟台市典型县域耕地土壤pH的时空分布特征、不同土壤类型下耕地土壤pH的动态变化及不同pH分级下耕地土壤交换性钙、镁与pH之间的关系，探讨烟台市耕地土壤酸化状态及原因，为烟台市乃至胶东地区酸化土壤的改良、耕地质量的提升提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

烟台地处山东半岛东北部，位于东经119°34′—121°57′，北纬36°16′—38°23′；地形为低山丘陵区，山丘起伏和缓，沟壑纵横交错[15]；气候为暖温带大陆性季风气候，气候温和，空气湿润，降雨充沛，生态条件优越，适合粮食作物和苹果的栽培种植[16]。

1.2 样品采集与分析

2010年利用网格法在栖霞市、蓬莱区采集耕层(0~20 cm)土壤样品，共采集样品3498个，其中栖霞市1469个，蓬莱区2029个；潮土、褐土、棕壤各710、118、2075个。土壤样品经风干过2 mm筛后进行理化性状分析，土壤pH用电极法测定、水土比2.5:1；土壤交换性钙、镁用1 mol/L乙酸铵浸提后用原子吸收分光光度法测定。1984年耕层土壤性质数据来源于第二次土壤普查报告，共收集数据52组，其中栖霞市33组，蓬莱区19组；潮土、褐土、棕壤各11、14、26组。

1.3 数据处理

土壤pH分级参考2019年《山东省耕地质量检测指标分级标准》分为高、较高、中、较低、低5个等级。本文主要运用地统计学方法对栖霞市和蓬莱区土壤pH的时空分布特征进行分析。数据的正态性检验、描述性统计分析和单因素方差分析在SPSS 26.0中实现。pH的最佳半方差拟合参数在GS+9.0中完成。pH空间分布图在ArcGIS 10.8中采用普通克里格插值法绘制完成。

2 结果与分析

2.1 土壤pH的时间变化特征

1984—2010年，栖霞市和蓬莱区土壤pH呈下降趋势，耕地土壤出现明显酸化（表1）。1984年两地土壤pH平均值为6.72，属第1等级（高）；2010年两地土壤pH平均值为5.99，属第2等级（较高），较1984年显著下降了10.45%。具体来说，栖霞市土壤1984年pH为 6.62，2010年pH为5.82，显著下降了0.80个单位；蓬莱区土壤1984年pH为6.85，2010年pH为6.11，显著下降了0.74个单位。
表1 1984年和2010年栖霞市和蓬莱区耕层土壤pH变化特征
地区 年份 样本数 极差 最小值 最大值 均值 标准差 变异系数/% 正态性
栖霞市 1984 33 1.90 5.90 7.80 6.62a 0.51 7.66 正态
2010 1469 4.00 4.20 8.20 5.82b 0.78 13.40 正态
蓬莱区 1984 19 2.80 5.20 8.00 6.85a 0.80 11.57 正态
2010 2029 4.10 4.10 8.20 6.11b 0.70 12.15 对数正态
合计 1984 52 2.80 5.20 8.00 6.72a 0.63 9.32 偏态
2010 3498 4.10 4.10 8.20 5.99b 0.77 12.89 偏态
注：不同小写字母表示同一地区土壤pH在不同年份间差异显著(P≤0.05)。下同。
1984和2010年两地土壤pH等级分布情况见图1，两时期50%以上土壤均处于高和较高等级。处于高、较高等级的土壤在1984年占比分别为48.1%、44.2%；在2010年分别为25.1%、26.0%，较1984年分别下降了23.0%、18.3%。
图1 1984、2010年烟台市典型县域的耕层土壤pH等级分布图

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2.2 不同土壤类型pH变化

1984—2010年，不同土壤类型的pH均呈下降趋势（表2）。潮土pH在1984年范围为6.00~7.50，均值为6.65；其在2010年范围为4.10~7.90，均值为5.99，较1984年显著下降了0.66个单位。棕壤pH在1984年范围为5.90~6.90，均值为6.37；其在2010年范围为4.10~8.20，均值为5.99，较1984年显著下降了0.38个单位。褐土pH在1984年范围为6.80~8.00，均值为7.51；其在2010年范围为4.90~8.20，均值为6.74，较1984年显著下降了0.77个单位。总体来说，3种类型土壤均存在不同程度的酸化，其中，褐土酸化最为严重，pH降低了10.25%，潮土pH降低了9.92%，棕壤pH降低了5.97%。
表2 1984、2010年烟台典型县域不同土壤类型pH变化特征
土壤类型 年份 样本数 极差 最小值 最大值 均值 标准差 变异系数/% 正态性
潮土 1984 11 1.50 6.00 7.50 6.65a 0.43 6.47 正态
2010 710 3.80 4.10 7.90 5.99b 0.75 12.45 偏态
棕壤 1984 26 1.00 5.90 6.90 6.37a 0.29 4.62 正态
2010 2075 4.10 4.10 8.20 5.99b 0.75 12.53 偏态
褐土 1984 14 1.20 6.80 8.00 7.51a 0.35 4.69 正态
2010 118 3.30 4.90 8.20 6.74b 0.69 10.24 偏态

2.3 土壤pH的空间变异

烟台市典型县域1984、2010年耕层土壤pH块基比分别为0.05%和9.05%，均低于25%，说明在1984年和2010年的pH空间相关性较强，结构性因素（自然因素）对pH的分布占主导作用（表3）。土壤pH在1984和2010年的最佳半方差函数模型分别为高斯函数模型与指数函数模型，二者的拟合度R2分别为0.535和0.805。从1984到2010年，土壤pH的块金效应逐渐增大，空间自相关性逐渐减弱，可能受到了随机因素（如施肥、耕作、灌溉等措施）的影响。土壤pH的时空分布见图2。1984年栖霞市大部分地区和蓬莱区的小部分西部边缘地区和村里集镇pH处于6.50~7.00（图2a），蓬莱区大部分地区及栖霞市庙后镇、臧家庄镇、桃村镇和开发区等东北边缘区域pH处于7.00~7.50。与1984年相比，2010年的土壤pH普遍降低（图2b）。2010年栖霞市东部和蓬莱区北部区域pH变化不大，栖霞市庙后镇、开发区、桃村镇及蓬莱区的南王街道、新港街道、刘家沟镇、潮水镇、大柳行镇等酸化不明显，但是栖霞市的臧家庄镇、寺口镇、西城镇、官道镇、蛇窝泊镇、亭口镇等及蓬莱区村里集镇和小门家镇均存在严重酸化，pH下降至5.00~5.50。
表3 1984年和2010年烟台市典型县域土壤pH半方差函数模型
年份 模型 块金值(C0) 基台值(C0+C) 块基比/% 变程/m RSS R2
1984 高斯函数 0.00001 0.02142 0.05 2130 0.000094 0.535
2010 指数函数 0.00148 0.01636 9.05 9930 0.000001 0.805
注：RSS为Residual Sum of Squares的缩写，代表残差平方和，R2为模型的决定系数。
图2 1984年(a)和2010年(b)烟台市典型县域土壤pH空间分布图

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2.4 耕地土壤不同级别pH分布变化

1984—2010年不同级别土壤pH的分布情况见图3。pH≤5.00的土壤在1984年占比为0%，在2010年占比为8.5%；pH处于5.00~5.50和5.50~6.00的土壤在1984年占比分别为1.9%和3.9%，在2010年分别为18.3%和22.0%，较1984年增加16.4%和18.1%；pH处于6.00~6.50、6.50~7.00、7.00~7.50的土壤在1984年占比分别为28.9%、36.5%和11.5%，在2010年分别为22.6%、17.4%和7.7%，较1984年下降了6.3%、19.1%和3.8%；pH处于7.50~8.00、8.00~8.50的耕地在1984年占比分别为15.4%和1.9%，在2010年分别下降至3.3%和0.2%。研究期内，pH≤6.00（酸性）的耕地占比增加，土壤pH>6.00（中性和碱性）的耕地占比下降，土壤呈明显酸化趋势。
图3 1984和2010年烟台市典型县域不同级别土壤pH分布情况

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2.5 土壤交换性钙镁含量与pH之间的关系

将土壤分为酸性(pH<6.50)、中性(pH 6.50~7.50)和碱性(pH>7.50)来研究其和交换性钙、镁之间的关系（表4）。栖霞市土壤处于酸性、中性和碱性时，交换性钙含量分别为18.08、24.37、17.55 cmol/kg，交换性镁含量分别为8.66、9.36、7.75 cmol/kg；交换性钙、镁含量随pH的增加均先上升后下降。蓬莱区土壤处于酸性、中性和碱性时，交换性钙含量分别为6.18、7.65、12.56 cmol/kg，交换性镁的含量分别为2.71、3.02、3.01 cmol/kg；交换性钙、镁含量随pH的增加显著增加。
表4 不同pH分级下烟台市典型县域土壤交换性钙镁含量的分布特征
区域 交换性钙镁 pH范围 样本数 极差/(cmol/kg) 最小值/(cmol/kg) 最大值/(cmol/kg) 均值/(cmol/kg) 标准差 变异系数/%
栖霞 交换性钙 <6.50 501 58.25 0.25 58.50 18.08b 6.72 37.16
6.50~7.50 118 102.75 4.75 107.50 24.37a 15.03 61.66
>7.50 15 40.75 5.75 46.50 17.55b 9.42 53.68
交换性镁 <6.50 501 32.50 1.25 33.75 8.66b 3.60 41.60
6.50~7.50 118 15.41 1.67 17.08 9.36a 3.49 37.26
>7.50 15 7.92 4.58 12.50 7.75b 2.78 35.87
蓬莱 交换性钙 <6.50 482 16.41 1.27 17.68 6.18c 2.26 36.60
6.50~7.50 211 19.52 3.28 22.80 7.65b 3.28 42.88
>7.50 18 22.92 4.39 27.31 12.56a 6.52 51.89
交换性镁 <6.50 482 5.84 0.53 6.37 2.71b 1.33 49.26
6.50~7.50 211 5.45 0.83 6.28 3.02a 1.38 45.65
>7.50 18 4.10 1.80 5.90 3.01a 1.17 38.99

3 结论

对比1984和2010年烟台市典型县域耕层土壤pH，得出以下结论：
（1） 栖霞市和蓬莱区耕层土壤pH整体呈下降趋势；不同土壤类型pH随时间均呈酸化趋势，其中褐土和潮土pH下降10%左右，棕壤下降了6%左右。
（2）烟台市典型县域的北部及东部边缘等地土壤pH较高，酸化不明显，而西南部地区pH均较低，酸化严重。
（3）栖霞市土壤交换性钙、镁含量随pH的增加先上升后下降；蓬莱市土壤交换性钙、镁含量与pH显著正相关。

4 讨论

4.1 自然因素对土壤pH的影响

降水是影响土壤酸化的自然因素之一。烟台市属于暖温带大陆性季风气候，降水较充沛，全市年平均降水量722.2 mm。在多雨的自然条件下，烟台市降水量大于蒸发量，易于造成土壤淋溶作用的发生。土壤化学元素在淋溶作用下随土壤水分由土壤表层向下层移动，造成水土流失，大量的盐基离子被带走，土壤缓冲能力降低，最终促使土壤pH降低，土壤酸化加剧[17]。土壤类型不同，土壤缓冲能力不同[18]。本研究中，褐土pH始终大于潮土和棕壤的pH。这一结果进一步支持了成土母质、气候等条件不同，土壤pH不同的结论[13,19]。烟台市土壤类型多为棕壤，成土母质以酸性为主。棕壤主要由酸性基岩等含盐基很少的岩石风化物发育而来[20]，形成过程中产生的钙、镁、钾、钠等盐基离子会不断受到渗透水的淋洗，土壤胶体表面正离子吸附点易被氢、铝离子占据，产生交换性酸，从而导致土壤pH下降[12]。而潮土多发育于富含碳酸盐的河流冲积物，是经过耕作熟化形成的半水成土壤，因此潮土常呈中性或微碱性[21-22]。

4.2 人为因素对土壤pH的影响

化学肥料的施用是引起山东省土壤酸化的重要原因之一[12-13]。常年过量施用化肥，会使PO43-、SO42-、NO3-等酸根离子在土壤中累积，阳离子可置换出H+积累于耕层土壤，从而造成土壤酸化[23]。氮肥的过度施用是加速土壤酸化的重要原因。施入土壤的铵离子，在硝化或水解过程中会产生H+，使得土壤pH逐渐下降[2]。有机肥和微量元素施用不足，也会造成土壤粘粒结构减少、功能削弱、有机质减少，进而造成土壤缓冲能力下降，导致土壤向酸化方向发展[24]。此外，不合理的灌溉方式、工业污染物的排放、大气酸沉降等也会导致大量酸性物质进入土壤[25⇓-27]。栖霞市和蓬莱区是山东省重要的农业种植区，常年人为施用化学肥料是保证农产品的质量和产量的重要手段，这可能是造成栖霞市和蓬莱区土壤pH随时间下降的重要原因之一。

4.3 酸化土壤预防和改良措施

烟台市耕层土壤pH受自然因素和人为因素的共同影响。因此，可采取以下措施进行预防和改良：（1）模仿自然生态系统，减少化学氮肥的投入，适当增加钾肥及一些微量元素的施用[28]；（2）使用石灰、土壤调理剂等，在调理土壤酸度的同时改良土壤的结构[29]；（3）大量施用有机肥，尤其是植物源有机肥，能有效地改善土壤的理化性质和生物特性，同时还能熟化土壤，增强土壤的保肥、供肥及缓冲能力；（4）种植绿肥及一些改良作物，例如大豆、白三叶草等绿肥可以促使土壤pH上升，改善土壤结构[26]；（5）采取合理灌溉、施肥等农业措施以减缓和预防土壤酸化[3,30]。

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\n China is experiencing increasing problems with acid rain, groundwater pollution, and nitrous oxide emissions. Rapid development of industry and transportation has accelerated nitrate (N) emissions to the atmosphere. Consequently, soil degradation, water shortage, and pollution, in addition to atmospheric quality decline are becoming major public concerns across China. Since the 1990s, China has become both the largest consumer of chemical N fertilizers and the highest cereal producer in the world, which has consequences for arable soil acidification.\n \n Guo\n et al.\n \n (p.\n 1008\n, published online 11 February) present a meta-analysis of a regional acidification phenomenon in Chinese arable soils that is largely associated with higher N fertilization and higher crop production. Such large-scale soil acidification is likely to threaten the sustainability of agriculture and affect the biogeochemical cycles of nutrients and also toxic elements in soils.\n
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Soil pH regulates soil biogeochemical processes and has cascading effects on terrestrial ecosystem structure and functions. Afforestation has been widely adopted to increase terrestrial carbon sequestration and enhance water and soil preservation. However, the effect of afforestation on soil pH is still poorly understood and inconclusive. Here we investigate the afforestation-caused soil pH changes with pairwise samplings from 549 afforested and 148 control plots in northern China. We find significant soil pH neutralization by afforestation-afforestation lowers pH in relatively alkaline soil but raises pH in relatively acid soil. The soil pH thresholds (T-pH), the point when afforestation changes from increasing to decreasing soil pH, are species-specific, ranging from 5.5 (Pinus koraiensis) to 7.3 (Populus spp.) with a mean of 6.3. These findings indicate that afforestation can modify soil pH if tree species and initial pH are properly matched, which may potentially improve soil fertility and promote ecosystem productivity.
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本文引用 [3] 摘要
自然资源空间管制是平衡生态保护和经济发展关系的基本工具,严守生态安全格局的底线思维对于重建系统完备、生态盈余的自然资源空间管制新格局具有重要指导意义。以胶东半岛典型山地丘陵区&#x02014;&#x02014;栖霞市为例,应用数据密集型知识挖掘,集成地理信息方法与模型,基于栅格从生态服务功能重要性和生态环境敏感性两方面精准识别生态源地,利用地形位指数修正基本阻力面,并运用最小累积阻力模型提取生态廊道,从而构建生态安全格局,实现自然资源分区管制。结果表明：栖霞市生态源地面积为627.80 km<sup>2</sup>,占全市总面积的31.14%,集中分布在中东、中南和西北部,且超过一半源地为林地;关键、优化生态廊道各237.19 km、83.90 km,大多由林地组成,主要分布在中东、西北和西南部,形成完整的生态网络;划定禁止建设区、限制建设区、条件建设区和优先建设区,为自然资源空间精准管制提供方法保障。
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基金

泰山产业领军人才工程项目“土壤酸化综合防治与地力提升关键技术产业化开发与应用”(LJNY201818)
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