秦岭巴山区域耕地土壤pH分布特征及其影响因素.pdf

农学学报2023,13(8):32-36Journal ofAgriculture0 引言土壤酸碱度是土壤重要的化学性质之一，通常以土壤活性酸即pH来表示土壤酸碱度。土壤pH动态变化影响着着土壤微生物活性、养分转化、元素迁移、植物生长等1-4，也影响着土壤中钙、镁、锌等中微量阳离子和镉、铅等重金属元素的活性，因此是土壤质量评价的指标之一5-8。研究不同区域耕地土壤pH空间变异特征及影响因素，有针对性的提出改良措施，对该区域耕地质量保护与提升具有重要作用。区域土壤pH分布特征研究方法主要为统计学和地统计学，其中地统基金项目：陕西省2022年省级农业专项资金项目“耕地保护与质量提升项目”。第一作者简介：高鹏，男，1985年出生，陕西汉中人，高级农艺师，硕士，研究方向：耕地质量提升与化肥减量增效技术研究与推广。通信地址：723000陕西省汉中市汉台区东塔路356号 汉中市农业技术推广与培训中心，Tel：[phone]，E-mail：。通信作者：杨小敏，女，1989年出生，陕西咸阳人，农艺师，硕士，研究方向：土壤改良与耕地质量提升技术研究与推广。通信地址：723000 陕西省汉中市汉台区东塔路356号 汉中市农业技术推广与培训中心，Tel：[phone]，E-mail：。收稿日期：2022-09-22，修回日期：2022-11-25。秦岭巴山区域耕地土壤pH分布特征及其影响因素高 鹏，杨小敏，李丹妮，余正军，姚 远，司 华（汉中市农业技术推广与培训中心，陕西汉中 723000）摘 要：为探讨秦岭巴山耕地土壤pH分布特征，以陕西省汉中市为研究区域，结合地统计学和GIS方法，研究了该地区耕层土壤pH分布规律及其影响因素。结果表明：区域土壤pH 4.158.41，平均值为6.50，整体土壤为弱酸性到中性；空间分布上表现为中部低，东部和西部高的特征；地统计分析结果表明，研究区耕层土壤pH变异函数的最优理论模型为指数模型，块金效应值为0.366，说明区域化变量的空间异质性是由随机因素和结构因素共同作用的结果，其中土壤类型、耕作制度、成土母质和海拔为主要影响因素。该研究为合理利用耕地和农业可持续发展提供了坚实的理论基础。关键词：秦岭巴山；土壤pH；分布特征；影响因素中图分类号：S151.9文献标志码：A论文编号：cjas2022-0140Distribution Characteristics of Soil pH in Cultivated Land in Qinling-Bashan Area andIts Influencing FactorsGAO Peng,YANG Xiaomin,LI Danni,YU Zhengjun,YAO Yuan,SI Hua(Hanzhong Agricultural Technology Extension and Training Center,Hanzhong 723000,Shaanxi,China)Abstract:To explore the distribution characteristics of soil pH of cultivated land in Qinling-Bashan area,thisstudy took Hanzhong City in Shaanxi Province as the research area,and analyzed the distribution law of soil pHin cultivated layer and its influencing factors by geostatistical and GIS methods.The results showed that theregional soil pH was between 4.15 to 8.41,with an average value of 6.50,and the overall soil was weakly acidicto neutral.The spatial distribution of soil pH showed the characteristics of low in the middle and high in theeast and west.The distribution of soil pH in this area was affected by both structural factors and human factors.The results of geostatistical analysis showed that the optimal theoretical model of the soil pH variation was theexponential model,and the nugget effect value was 0.366,which indicated that the spatial heterogeneity ofregional variables was the result of the joint action of random factors and structural factors,among which thesoil type,farming system,soil parent material and altitude were the main influencing factors.This study couldprovide a theoretical basis for rational utilization of cultivated land and sustainable agricultural development.Keywords:Qinling-Bashan area;soil pH;distribution characteristics;influencing factors计学在探讨土壤pH空间变异特征的研究中发挥了重要作用，不仅可以直观反应研究区土壤酸碱度的空间分布格局，还能对引起这种空间分布特征的结构性和人为性影响因素进行解析。如长江中下游山地丘陵交错地带9、鄂西北山地农业区10、南方红壤区11-12、黄河三角洲区13、川中丘陵地区14-15、黄土沟壑区16、岳西太湖地区17、也有大区域尺度下18-21土壤pH时空变化研究，由于影响因素不同，农田土壤pH表现出明显不同的空间变异特征。秦岭巴山区由众多的小盆地和山间谷地相连接，南部的巴山山麓，群山毗连，丛峦叠嶂，河流源远流长；北部的秦岭余脉，山势和缓，谷宽坡平，溪水淙淙流淌。其间渠堰迂回，梯田环绕，不仅是主要产粮地，也是多种经营最有潜力的地方，地形的复杂和利用方式多样性使得该区域耕地土壤酸碱度受多种因素影响。总结该区域土壤pH空间分布规律和影响因素，能够为提升耕地质量和农业可持续发展提供参考依据。1 材料与方法1.1 研究区概况位于秦巴山区陕西西南部的汉中市，行政区包括汉台区、南郑区、城固县、洋县、西乡县、勉县、略阳县、镇巴县、宁强县、佛坪县、留坝县2区9县，土地面积2.72万km2。汉中市地貌类型复杂，地势南北高，中间低，形成了“两山夹一川”的地貌骨架，其中低山(18.2%)、中高山(57.0%)、丘陵(14.6%)、盆地(10.2%)。秦岭位于市域北部，境内部分南北宽5060 km，东西长220 km；山势自南而北呈阶梯状上升，一般海拔高15002000 m。大巴山位于汉中市南部，山势北陡南缓，中西段走向西东，一般海拔高15002000 m。汉中盆地东西狭长，西起勉县武侯镇，东到洋县龙亭铺大龙河口，东西长约126 km，南北宽约520 km，至汉中市附近宽达2530 km。盆地内汉江两岸分布有多级阶地，地面坡度在110之间。汉中市常用耕地面积为26.76万hm2，土地肥沃，气候温和，河流纵横，阡陌交错，是陕西南部的主要产粮区，粮食生产一年两熟，主产水稻、小麦、玉米、油菜等，其中水稻、油菜单产是全国最高产区之一；主要经济作物有茶叶、柑橘、中药材、蔬菜等。1.2 土壤样品采集及测定综合考虑行政区划、土壤类型、土地利用、管理水平、点位信息的完整性等因素，遵循代表性、均衡性和可达性等原则，科学布设调查点位，在20182019年秋收后施肥前进行土壤采集，采样深度为耕作层(020 cm)，同一田块内随机多点采样，共采集有代表性的土壤样品993个。土样经风干磨细过筛(1.0 mm)后，水土比为2.5:1，用pH计电位法测定土壤酸碱度。图1为行政区高程图，图2为采样点分布图。1.3 数据分析方法土壤pH数据采用Excel 2010软件进行计算处理，利用SPSS22.0对汉中市耕层土壤pH进行描述特征、正态分布检验，利用地统计学的变异函数分析土壤pH空间变异结构特征；在ArcGIS10.0中，采用普通克里格插值(ordinary Kriging)法绘制土壤pH空间分布图。陕西省土壤分级标准来自 陕西省第二次土壤普查数据集（表1）。2 结果与分析2.1 耕地土壤pH统计特征利用陕西省第二次土壤分级标准（表1）对全区土图1 汉中市高程分布图图2 汉中市土壤样品采集分布图表1 陕西省土壤分级标准酸碱性pH等级强酸性4.51酸性4.65.52弱酸性5.66.53中性6.67.54弱碱性7.68.55碱性8.696强碱性9.1733壤pH进行分级处理，由表2可以看出，土壤在pH4.5、4.65.5、5.66.5、6.67.5、7.68.5等5个级别的样本数分别为0.6%、11.3%、44.1%、26.5%、17.5%，弱酸性、酸性、强酸性之和占比为56%。从表3可以看出，全区耕地土壤pH的变幅为pH 4.158.41，平均值为pH 6.50，变异系数为13.5%，偏度为0.27，峰度为-0.707。研究区域整体土壤偏弱酸性，属于中等程度变异。从表4可以看出，研究区各行政县的土壤pH按从低到高为：6.00、6.14、6.15、6.20、6.35、6.39、6.42、6.53、6.79、7.23、7.26；对应行政县分别为城固县、汉台区、南郑区、勉县、留坝县、佛坪县、西乡县、宁强县、镇巴县、洋县、略阳。按照采样点均值计算，有63.6%的行政区土壤pH为弱酸性，36.4%的行政区土壤pH为中性。2.2 耕地土壤pH空间分布特征2.2.1 半方差分析 本研究以指数模型、球状模型、高斯模型、线性模型对研究区土壤pH的半方差函数进行拟合（表5）。拟合结果中，指数模型的决定系数最大而残差最小，可以用来反应研究区土壤pH的空间变异结构特征。由表5可知，指数模型块金系数为0.366，介于25%75%之间，具有中等程度的空间自相关，表明区域化变量的空间异质性是由随机因素和结构因素共同作用的结果。变程为11640 m，说明土壤pH在此空间范围内分布连续，存在空间自相关性。2.2.2 土壤pH空间分布 采用指数模型参数在ArcGIS软件中完成插值。从图3土壤pH空间分布图可以看出，研究区域土壤pH分布面积最大的区间为pH 5.66.5（弱酸性），其次为pH 6.67.5（中性）之间，符合样点统计结果。整个研究区域空间变异规律表现为中部大部分呈弱酸性，东部和西部则大部呈现中性的分布格局，与研究区域各行政县一般统计特征结果符合。2.3 耕地土壤pH影响因素半方差分析结果表明，研究区土壤pH空间异质性是由随机因素和结构因素共同作用的结果。本研究主要从土壤类型、耕作制度、成土母质和海拔4个因素进一步分析其对土壤pH空间变异的影响。2.3.1 土壤类型 研究区主要土壤类型为水稻土、黄褐土和黄棕壤，由表6可知，黄褐土pH均值最大，为pH6.92，总体表现为中性土，黄棕壤和水稻土均值分别为pH 6.39和pH 6.32，总体表现为弱酸性土壤。这主要是因为在研究区，黄褐土基本呈中性反应，水解酸含量少，代换酸甚微，几乎不含活性铝，盐基饱和；黄棕壤呈微酸至酸性反应，代换酸和水解性酸含量较多并有少量活性铝，盐基饱和度低。3个土壤类型变异程度均为中等程度变异，水稻土形成过程受人控水分和耕作施肥影响较多，因此其变异系数最高。表2 研究区耕地土壤pH分级统计级别强酸性酸性弱酸性中性弱碱性范围4.54.65.55.66.56.67.57.68.5样点数6112438263174比例/%0.611.344.126.517.5表3 耕地土壤pH描述性统计土壤属性pH最小值4.15最大值8.41均值6.50标准差0.879变异系数/%13.5偏度0.270峰度-0.707表4 研究区各县区耕地土壤pH统计县区城固县佛坪县汉台区留坝县略阳县勉县南郑区宁强县西乡县洋县镇巴县样本数872084186010811410417913980均值6.006.396.146.357.266.206.156.536.427.236.79变异系数/%8.6811.835.1818.1311.4313.5812.409.3514.589.249.08表5 土壤pH的理论半方差模型及参数模型指数球状高斯线性块金值(C0)0.011890.014400.015370.01848基台值(C0+C)0.032480.031100.030840.03453块金系数C0/(C0+C)0.3660.4630.4980.532变程/m116409330691113030决定系数(R2)0.9890.9650.9550.856残差(RSS)4.57410-61.41010-51.87310-55.74910-5高 鹏等：秦岭巴山区域耕地土壤pH分布特征及其影响因素342.3.2 耕作制度 本次采集的研究区土壤包含的耕作制度类型主要有水旱轮作、旱作、果园、茶园，从表7中可以看出，旱作土壤的pH平均值最大，为6.64；其次为水旱轮作，为 6.37（稻/麦或稻/油轮作）；茶园最小，为5.41。各耕作制度下，土壤pH变异系数均表现为中等程度变异。茶园和果园作为研究区主要经济作物，主要种植在黄棕壤偏酸性土壤上；旱作主要分布在丘陵、浅山地带，无人为灌溉条件，岩石矿物风化释放出的碱金属不能彻底迁移出土体，聚集在土壤中，导致土壤pH偏高；水旱轮作中，秸秆还田和根茬残留量大，秸秆在分解过程中向土壤释放有机酸，降低了表层土壤的pH。2.3.3 成土母质 研究区成土母质主要有冲积母质、黄土母质、破积母质、石灰岩母质四类，由表8中可以看出，由石灰岩母质发育的土壤 pH 均值最高，为 pH7.46；其次为黄土母质，为 pH 7.06；坡积母质为 pH6.54；三类母质发育的土壤均表现为中性土壤，冲积母质为pH 6.21，表现为弱酸性土壤。土壤pH对母质母岩有较大的继承性，母质岩性的差异，直接影响其形成土壤pH的差异。石灰岩母质通常钙含量高，其发育的土壤含有大量碳酸钙；黄土母质是汉中盆地和嘉陵江河谷盆地各级河流阶地上发育的大量厚层的黄土沉积物，富含碳酸盐22；坡积母质和冲积母质则是岩石风化碎屑物质在重力、风力、降雨作用下，冲刷、搬运到山坡中部或河流两岸沉积下来的产物，其成土过程中碳酸盐和碱土金属易淋溶，因此土壤酸性强。从变异系数来看，冲积母质、黄土母质、坡积母质为中等程度变异，石灰岩母质为弱变异。2.3.4 海拔 海拔高度的不同影响着气温、降雨量以及耕作制度，导致土壤中动植物活动存在差异，进而影响表层土壤各种化学元素变化，在一定程度上造成土壤酸碱度的变化。由表9可以看出，研究区土壤pH随着海拔高度增加呈现“先增加后降低”的趋势。这主要是因为600 m以下海拔分布着大量的盆地，主要以水旱轮作为主，耕作成熟度高，伴随着大量化肥的施用，导致土壤酸化；600800 m海拔主要以丘陵旱作为主；图3 研究区土壤pH空间分布图表6 不同土壤类型土壤pH统计特征土壤类型黄褐土黄棕壤水稻土样点数289110549最小值4.154.714.45最大值8.418.048.23平均值6.926.396.32标准差1.030.811.70变异系数/%14.912.726.9成土母质冲积母质黄土母质坡积母质石灰岩母质样点数4618736817最小值4.284.804.155.84最大值8.318.208.418.18平均值6.217.066.547.46标准差0.860.880.960.59变异系数/%13.812.514.77.9表7 不同耕作制度土壤pH统计特征耕作制度茶园果园水旱轮作旱作样点数2136616260最小值4.214.964.494.15最大值5.536.98.238.41平均值5.416.226.376.64标准差0.861.320.751.14变异系数/%15.921.211.817.2表8 不同成土母质土壤pH统计特征35800 m以上高海拔的地方，耕地周边植被覆盖率高，由于温度和湿度等环境条件比较适宜，耕地腐殖质较多致使土壤呈酸性10。3 结论研究区域汉中市土壤在pH 4.158.41范围内，平均值为pH 6.50，按照土壤酸碱度划分标准，整体土壤偏酸性，有63.6%的行政区土壤为弱酸性，36.4%的行政区土壤为中性；变异系数为13.5%，属于中等空间变异性。地统计学分析结果表明，指数模型可以用来反应研究区土壤pH的空间变异结构特征。空间特征分布图结果表明，研究区土壤pH大抵呈中部低，东西部高的空间分布格局，这与研究区成土母质和土壤类型的分布基本一致，研究区中部是汉中盆地主要区域，成土母质多为冲积母质，土壤类型以水稻土为主；东部和西部多为坡积母质和黄土母质，土壤类型以黄褐土和黄棕壤为主。研究区地貌类型复杂，影响土壤pH的主要因素包括土壤类型、耕作制度、成土母质和海拔。该结论为合理利用耕地和农业可持续发展提供了坚实的理论基础。参考文献1胡敏,向永生,张智,等.恩施州耕地土壤pH近30年变化特征J.应用生态学报,2017,28(4):1289-1297.2王亚男,徐梦洁,代圆凤,等.毕节市耕地土壤pH的空间变异特征与影响因素J.土壤,2018,50(2):385-390.3许自成,王林,肖汉乾.湖南烟区土壤pH分布特点及其与土壤养分的关系J.中国生态农业学报,2008,16(4):830-834.4毛伟,李文西,高晖,等.扬州市耕地土壤pH值30年演变及其驱动因子J.植物营养与肥料学报,2017,23(4):883-893.5苏有健,王烨军,张永利,等.不同植茶年限茶园土壤pH缓冲容量J.生态学报,2014,25(10):2914-2918.6魏孝荣,邵明安.黄土高原小流域土壤pH、阳离子交换量和有机质分布特征J.应用生态学报,2009,20(11):2710-2715.7李强,张芸萍,解燕,等.曲靖植烟土壤pH分布特征及其影响因素研究J.核农学报,2020,34(4):887-895.8肖凯琦,董好刚,郭军,等.湖南省汨罗市耕地土壤养分空间变异特征研究J.华南地质,2021(4):369-376.9木合塔尔 艾买提,肖鹏南,周勇,等.山地丘陵交错地带耕层土壤pH和养分空间变异特征及影响因素分析J.南方农业学报,2019,50(7):1432-1441.10吴正祥,周勇,木合塔尔 艾买提,等.鄂西北山区耕层土壤pH 值空间变异特征及其影响因素研究J.长江流域资源与环境,2020,29(2):488-498.11程先富,陈梦春,郝李霞,等.红壤丘陵区农田土壤酸化的时空变化研究J.中国农业生态学报,2008,16(6):1348-1351.12张芸萍,易克,谢春凤,等.云南富源红壤烟区酸碱度空间分布及其与主要养分关系研究J.扬州大学学报(农业与生命科学版),2020,41(5):113-118.13段梦琦,丁效东,李士美,等.黄河三角洲典型区土壤pH值时空变化特征J.灌溉排水学报,2020(S2):9-13.14张维,李启权,王昌全,等.川中丘陵县域土壤pH空间变异及影响因素分析-以四川仁寿县为例J.土壤学报,2015,24(7):1192-1199.15李珊,肖怡,李启权,等.近30年川中丘陵县域表层土壤pH值时空变化分析-以四川仁寿县为例J.四川农业大学学报,2015,33(4):377-384.16魏孝荣,邵明安.黄土沟壑区小流域土壤pH值的空间分布及条件模拟J.农业工程学报,2009,25(5):61-68.17李杨,李明辉.岳西-太湖地区土壤酸碱度分布特征及变化趋势J.资源环境与工程,2020(3):362-365.18张驭航,李玲,王秀丽,等.河南省土壤pH值时空变化分析J.土壤通报,2019,50(5):1091-1100.19李涛,于蕾,万广华,等.近30年山东省耕地土壤pH时空变化特征及影响因素J.土壤学报,2020,58(1):180-190.20王洪,曹婧,毋俊华,等.近40年来陕西省耕层土壤pH的时空变化特征J.中国生态农业学报:中英文,2021,29(6):1117-1126.21韩天富,柳开楼,黄晶,等.近30年中国主要农田土壤pH时空演变及其驱动因素J.植物营养与肥料学报,2020,26(12):1-13.22刘艳玲.汉江与嘉陵江上游黄土母质土壤特征及系统分类研究D.西安:陕西师范大学,1998:19-20.表9 不同海拔高度土壤pH统计特征海拔高度/m400500500600600700700800800100010001500样点数223382161947261最小值5.515.664.795.044.714.45最大值8.028.068.238.178.088.05平均值6.46.536.666.726.396.12标准差0.510.490.900.800.831.00变异系数/%7.977.5013.711.913.016.3高 鹏等：秦岭巴山区域耕地土壤pH分布特征及其影响因素36