近30年来苏南耕地土壤pH时空变化特征及影响因素分析

邵文静，宋垠先，王 成，李 伟，季峻峰.表生地球化学教育部重点实验室，南京大学地球科学与工程学院，南京003.河海大学环境学院，南京0098



近30年来苏南耕地土壤pH时空变化特征及影响因素分析

邵文静1，宋垠先2，王 成1，李 伟1，季峻峰1
1.表生地球化学教育部重点实验室，南京大学地球科学与工程学院，南京210023
2.河海大学环境学院，南京210098

摘要：苏南地区是我国重要的粮食产区之一，其耕地土壤的酸碱度特征直接影响着土地品质和粮食质量。本文通过调查2010年以来苏南农耕土壤pH空间分布特征，发现苏南土壤pH呈现西酸东碱格局，这与自然条件和人为改造行为密切相关。近30年来苏南土壤pH时空变化在2003年前后呈现两种模式：总体上，1980年至2003年期间，土壤发生酸化和碱化的地区与1980年至2010年来的总变化特征基本一致，而2003年至2010年近10年来部分地区土壤酸碱变化趋势出现逆转，以镇江句容地区的先碱化后酸化和苏州无锡地区的先酸化后碱化最为典型。本文分析认为，地区间土地利用格局和利用方式的时空差异所导致的缓冲物质的增减更替，是造成苏南土壤pH时空变化区域差异的主要驱动力。

关键词：苏南地区；土壤pH；时空变化

First author:SHAO Wenjing，Master Degree Candidate；E-mail：super_shao@163.com

苏南是江苏省长江以南地区的简称，包括南京、镇江、常州、无锡、苏州五市，地处长江三角洲腹地，农业历史悠久，是全国主要粮食产区之一。研究该区耕地土壤质量，对促进农业发展和保障粮食安全都具有深远意义。在评估土壤质量的诸多理化指标中，土壤pH值作为基本化学特征之一，对其他一系列理化性质都具有深刻的影响，是研究土壤特征的基础和关键。土壤pH的变化对土地水土保持、重金属污染防治以及粮食安全都有着重要影响（戎秋涛等，1996；欧阳志云等，2000；杨忠芳等，2006；陈怀满等，2010；成杭新等，2012）。

改革开放至今30多年来，现代化工农业和城市建设的高速发展使得土壤环境发生很大变化，江苏地调院于2003年对江苏省国土区域进行的生态地球化学调查结果显示，苏南地区土壤pH分布格局与1980年全国第二次土壤普查结果相比已经出现了明显区别（邵学新等，2006；王志刚等，2008）。本文在前人两次土地调查的基础上，对苏南农耕区2010年以来土壤pH空间变化进行了研究，对比分析了该区土壤pH自1980年至今30年期间的时空变化，探讨了其自然影响因素和人为驱动因子，对研究和治理苏南及类似地区农耕土壤酸化问题，以及农业和城市化发展具有重要的指示意义。

1 研究区域概况

苏南地区位于长江三角洲腹地，北纬30°44′～32°16′，东经118°29′～121°19′。属于北亚热带季风气候，四季分明，雨水充沛，年平均气温为16.1℃，年降水量1112 mm。全区地势西高东低，西部以宁镇山脉和溧阳、宜兴一带的丘陵岗地为主，发育有黄棕壤和红壤；东部则是以太湖为中心的广阔的水网平原和湖荡平原分布，主要土壤类型系水稻土。沿江地区则以灰潮土为主要土壤类型。苏南水稻多采取双季种植，自古盛产稻米和鱼虾，粮、棉、水产均在全国占重要地位，素称“鱼米之乡”。该区包括了省会南京和苏锡常经济带，改革开放以来经济发展迅猛，一直处于全省现代化工农业生产和城市化建设的龙头位置。

2 材料与方法

2.1 样品采集

本文于2010～2014年间采集江苏省长江以南地区农耕土壤样品共997件（图1），合称为2010年以来（2010s）的土壤样品。

采样点的分布综合考虑了全区土地利用情况，在每5×5 km2范围内选取具有代表性的农田，按十字采样法采集4处土壤，混合后作为一个混合样品装袋记录。采样时均用GPS记录每个样点的经纬度，并详细记录样点的地理位置、周边环境、土里利用状况、植被、土壤类型和现有及潜在污染源等信息。

2.2 实验分析

图1 苏南地区土壤采样点位置（N=997）Fig.1 Locations of soil sampling sies in the Southern Jiangsu Province（N=997）

土壤pH测量方法有水提法和盐提法两种，不同文献中选用的测量方法、提取溶液和样品水土比例有所不同（李强等，2007；成杰民等，2001；朱小琴等，2009）。据资料，1980年和2003年土壤pH值系采用水提法测得，即称取小于2 mm的风干土样10 g，加入25 mL去除CO2的水，搅拌1 min，静置30 min后用玻璃电极法测定（王志刚等，2008）。考虑到研究地区位于长江南部，与江苏省土壤整体特征相比偏酸性，本文在处理2010年以来苏南土壤时采用盐提法测量土壤pH，即称取小于2 mm的风干土样10 g，加入50 mL浓度为1 mol/L的KCl溶液，搅拌1 min，静置30 min后用玻璃电极法测定（ISO 10390：2005）。

为了对比用两种测试方法测得不同年份的结果，本文在采用盐提法测得pH数据的所有土壤样品中，依数值梯度随机选取78件，分别按照水提法和盐提法测量其pH值，对比结果发现两者存在很好的线性相关关系（图2，R2=0.953）。为了对比前人研究（水提法）和本文实验结果（盐提法），本文将根据两者的拟合关系换算盐提法测得的土壤pH数据，统一以水提法结果进行分析。

2.3 数据来源与处理

图2 两种方法测量得到的土壤pH值（N=78）Fig.2 pH values in soils measured by two test methods（N=78）

本文讨论中涉及的1980和2003年土壤pH数据（图3a，b）引自王志刚等人2008年文章中的栅格图像（王志刚等，2008）。2010年以来土壤pH空间数据处理和分析过程借助GIS系列软件完成：Arcgis9.3、Arcview9.3等进行栅格数字化、TIN三角网建立和Kriging空间插值拓展。土壤pH空间分布系将997个pH值样点建立三角网，通过插值实现点面空间拓展。土壤pH时空变化则通过求算各年代土壤pH空间分布的两两差值得以实现。

研究区土壤pH基本在5.0～8.5之间（江苏省土壤普查办公室，1995），为了明显表示三个时期土壤pH的空间分布特征，本文将土壤pH值分为四个级别：酸性，pH≤5.5；弱酸性pH 5.5～6.5；中性，pH 6.5～7.5；碱性，pH≥7.5。将土壤pH变化（如ΔpH1980-2003=pH200-pH1980，以此类推）分为五个级别：ΔpH≤-1.0为明显酸化，ΔpH在-1～-0.3间为酸化，ΔpH在-0.3～0.3间为基本不变（自然波动和测量误差范围）（Conyers et al.，1995），ΔpH 在-0.3～1间为碱化，ΔpH≥1.0为明显碱化（王志刚等，2008）。

3 结果与讨论

3.1 苏南地区土壤pH时空变化

3.1.1 土壤pH空间分布格局

2010年以来苏南耕地土壤pH空间分布如图3c所示。全区pH值以太湖为界呈现西低东高，即西酸东碱的分布格局。西部宁镇山脉周围以弱酸性-酸性土壤为主，其中句容、溧水、高淳等地土壤最酸（pH≤5.5），而太湖东部的苏州、昆山、太仓等地和无锡市区周边大面积集中分布有弱碱性土壤（pH＞7.5）。北部沿江带则以中性-偏碱性土壤为主。

这一格局与1980年苏南土壤pH空间分布情况（图3a）有所不同，后者东西部土壤均以酸性-中性为主要特征，弱碱性（pH＞7.5）土壤仅在沿江一带集中出现。主要区别在于，西部句容、溧水、高淳和南部溧阳、宜兴地区的酸性土壤分布在1980年更加广泛，而东部苏州、昆山、常熟地区的中性-弱碱性土壤在1980年呈现酸性特征（pH≤5.5）。

图3 苏南耕地土壤pH分布图Fig.3 Maps of soil pH distribution in1980（a）、2003（b）and 2013（c）

2010年以来苏南土壤pH在空间上的差异与土壤自然分布和人为改造影响密切相关。一方面，土壤pH空间差异由气候、地形和不同的成土母质等自然因素造成。研究区西部宁镇山区地势较高，土壤主要由坡积母质发育而来，一般呈酸性；东部太湖平原地势较低，泻湖相母质发育成土，呈中性；北部沿江地区土壤则主要由三角洲相母质发育形成，一般呈碱性（江苏省土壤普查办公室，1995）。显然，土壤母质西酸东碱的分布特征与2010年以来苏南土壤pH分布特征相一致。另一方面，土壤pH空间分布也受到人为改造土壤和城市发展建设的地域性差异的影响。人类活动对土壤进行的长期大规模集中性改造，使土壤的理化性质在遵循自然因素分布之外，又呈现出与人类活动相关的空间分布特征：东部苏锡常三市的农耕历史和城市建设较西部镇江、溧水、高淳等地都更加成熟，尤其在城市道路建设方面，苏州等地由于毗邻上海而在近年间飞速发展（苏州市统计局，2013）。城市经济地理的东西差异与2010年以来土壤pH分布格局具有较好的一致性。

而苏南地区1980年土壤pH分布格局相比2010以来，酸性土壤分布更加广泛。这主要与不同时期土地利用方式的差异有关。30年前苏南地区尚处在农业发达工业落后时期，耕种品种、规模和耕作方式的地域性差异成为的土壤pH分布格局的主要导向。有资料显示，在1970年到1980年间，苏州地区水稻耕种采用高强度的“稻-稻-麦双三制”制度，不断提高复种指数，粮食明显增产（朱兆良等，1978）。该项举措使该区土壤受到人为强力的改造，由原本泻湖相发育的中性特征转变为酸性。而以酸性母质分布为主的西部宁镇地区的农业生产不及东部发达，受到农业改造带来的酸化影响较弱，因此1980年苏南地区东西部土壤均呈现酸性分布。

3.1.2 土壤pH时空变化特征

自1978年改革开放以来，苏南地区城市发展日新月异，人类活动对土壤性质的影响也不断加剧。为了研究近30年来土壤pH时空变化情况，本文将2010年以来的土壤pH空间分布情况分别与1980年全国第二次土壤普查和2003年江苏省国土区域调查的结果进行比较（表1）。

本文将2010s、2003和1980年三个阶段苏南土壤pH空间分布做差得到土壤pH时空变化（图4）。自1980年到2010年以来，苏南土壤pH空间格局发生了明显改变。其中土壤严重酸化区域主要分布在南京以南的溧水地区，中部的丹阳、金坛、江阴、张家港地区和宜兴北部地区；镇江句容地区、宜兴南部和太湖东部的苏州、昆山、常熟等地的土壤则发生了明显的碱化（图4a）。分析显示，近30年来苏南地区约2700 km2土壤发生显著酸化（ΔpH≤-1.0），占全区陆地面积13.8%，约3900 km2土壤发生显著碱化（ΔpH＞1.0），占全区陆地面积20.0%。

进一步研究发现，30年来苏南地区土壤酸化或碱化的模式并非保持不变，在以2003年区域调查为节点的前后两个阶段里，不同区域呈现出不同的阶段性酸碱变化（图4b，c）。

表1 苏南各市土壤pH值Table 1 Soil pH values of different cities in the Southern Jiangsu Province

自1980年起，溧水、丹阳、金坛、江阴、张家港和宜兴北部等地土壤发生酸化，镇江句容和常熟、昆山等地发生碱化。至2003年国土区域生态地球化学调查时，苏南土壤酸碱变化的格局已经形成，前人对这20年间的土壤理化性质变化进行了大量研究，在此不做进一步说明（俞海等，2003；朱静等，2006；蒋安定和成杰民，2007）。

尽管1980～2003年土壤酸碱变化与1980～2010年以来的总趋势基本一致，但是在2003年至今的10年间苏南土壤pH变化趋势并没有延续前20年的特征，而是趋于缓和甚至在部分地区出现逆转（图3）。一方面，镇江、句容等地不再保持前20年显著碱化的特征，而呈现出变化不显著（-1.0＜ΔpH≤1.0）甚至零星地区的酸化现象；另一方面，苏州、昆山、太仓以及无锡、江阴、张家港等地则由前20年的酸化特征转变为碱化。

综上，近30年苏南土壤pH时空变化在2003年前后呈现两期模式，前20年土壤发生酸化和碱化的区域特征与30年总体变化基本一致，而后10年来部分地区土壤pH酸碱变化趋势出现逆转，这种差异以镇江句容的先碱化后酸化和苏州无锡部分地区的先酸化后碱化最为典型。

3.2 影响苏南农耕土壤pH时空变化的驱动力分析

3.2.1 土壤pH随时间变化的多元因素

湿润气候条件下自然土壤普遍发生酸化，但这个过程十分缓慢，因此自然因素造成土壤pH的变化可以忽略不计（陈怀满等，2010）。人类活动是造成苏南农耕土壤pH值30年来发生巨大变化的主要原因。

土壤pH变化与土壤中缓冲物质的流失和补充密切相关。当土壤中缓冲物质被淋溶消耗时，土壤缓冲酸的能力减弱，当内部产生或外来酸性物质进入时，容易造成土壤酸化（潘根兴，1990；Lawrence et al.，1999）。而在土壤中缓冲物质充足或有外来补给的情况下，外来酸性物质的侵入会受到较强的缓冲，土壤酸化得以缓解，甚至出现碱化的趋势（Ulrich，1986）。

一方面，工业废水废气的排放和某些农业生产措施都会造成土壤缓冲物损失，从而导致土壤酸化。工业生产中存在众多强酸处理工序，其残留液作为一种腐蚀介质在未经严格处理情况下直接排于周边沟渠、农田，大量酸性废水的灌溉破坏了土壤的缓冲能力，导致土壤酸化（徐莉等，2009；朱海堂等，2010）。改革开放以来我国经济快速发展的同时，大气污染日益加重，目前已成为世界第三大酸雨区（张新民等，2010），酸雨中的SO、NO、有机离子也会加速盐基淋溶损失，从而降低土壤pH（王代长等，2002）。除了工业致酸以外，农业上氮肥的施用也是土壤致酸的重要原因之一。土壤中的有机氮矿化和铵态氮硝化以及NO的淋溶过程都伴随着H+的产生（徐仁扣和Goventry，2002；张永春等，2010）。有研究指出，我国土壤参与氮循环每年每公顷释放约20～221 kmol H+，是导致耕地土壤酸化的最主要因素（Guo et al.，2010）。另外，植物在生长过程中吸收阳离子，不断积累碱性物质和缓冲物质，最终伴随农产品的收割而离开土壤（徐仁扣和Goventry，2002；Guo et al.，2010），这也是导致土壤缓冲物质减少、pH降低的因素之一。

另一方面，造成土壤缓冲物质增加，土壤pH升高的因素也有很多。自然源区的天然补给和人类活动造成的直接输入与间接开发都是土壤缓冲物质增多的主要原因。长江上游岩石风化以及河底泥沙随江水在河口三角洲沉积，其水化学阳离子组分中Ca2+含量占阳离子当量浓度的60%以上（李晶莹和张经，2003；马振东等，2005），这为沿江土壤带来新鲜的Ca补充。除了天然补给以外，人为开山采石带来新鲜石灰岩的暴露风化，成为自然Ca的又一输入途径。而城市化建设也可能成为土壤缓冲物质补给的外源，其中排放的大量建筑废弃物、水泥、砖块和其他碱性混合物等进入周围土壤，混凝土风化或者含有碳酸盐的灰尘和沉降进入土壤，都是向土壤中释放Ca的过程，导致城市周边的土壤碱化（卢瑛等，2001）。

3.2.2 典型地区土壤pH时空变化差异的驱动力分析

前文已经说明，人类活动造成土壤中缓冲物质的增减是土壤pH发生变化的根本原因。苏南部分土壤随时间变化出现先碱后酸或先酸后碱的情况与区域土地利用方式的演变有关（张健等，2007；史志华等，2001）。当农耕用地作为土地利用的主要方式时，农业发展伴随大量化肥的施用，导致土壤普遍酸化；当土地利用转型为城市建设时，土壤中缓冲物质得以补充，酸化趋势因此缓解甚至发生逆转。因此，土地利用格局和利用方式的时空差异所导致的土壤中缓冲物质的增减更替，是影响研究区近30年来土壤pH空间分布和时间变化特征的最主要因素。

改革开放30年来，苏南各地随着地区生产总值的增长，城市建设面积明显增加，耕地面积明显减少（图5）（镇江市统计局，2011，2012，2013；苏州市统计局，2002，2013）。由于不同地区依照各自地理要素和经济环境的差异而先后采取了不同的土地利用方式（任奎等，2008），土壤pH时空变化呈现多元特征。本文将分别以土壤pH两期变化特征最典型的苏州—吴江—昆山三角区和镇江句容地区为例，分析导致土壤pH时空变化差异的主要驱动力。

苏州—吴江—昆山三角区土壤pH值30年来呈现先酸化后碱化的变化特征（图3，4）。该区地势低洼，水网密布，80年代初土地联产承包时期大力发展“拦河泥”运动，造成弱碱性底泥的人为输入，使土壤呈弱碱性。1980年至2003年间，该区粮食播种面积减少了一倍（表2），同时底泥加入减少，化肥使用量增加，工业发展开始起步，20年间工业总产值翻了近千倍（表2，图5），大量外来酸性物质的涌入使得土壤pH显著下降。自2003年至2010年以来，苏州市城市化建设迅速发展，城市建设用地和公路总里程分别从86.5 km2和1 925 km迅速扩展到678.67 km2和13 089.5 km（表2）。遥感分析表明，苏锡常地区2000年至2008年间建设用地扩张占用耕地面积高达736.28 km2，是1988年至2000年间总扩展面积的3.41倍（刘文超和董金玮，2009；肖思思等，2012）。城市建设和道路施工给土壤带来新鲜的Ca补充，土壤pH又恢复到弱碱性状态。

图5 近30年来典型地区耕地面积、城建面积和生产总值Fig.5 Cultivated area，construction area and gross domestic product in typical cities

表2 典型地区主要年份国民经济指标Table 2 Major national economy indicators of important years in typical cities

镇江句容地区土壤pH则呈现先碱化后酸化的特征（图3，4）。该区为丘陵地貌，工农业发展相比苏州地区都较为落后（表2，图5）。1980年以前由于人类行为对土壤改造较少，土壤呈现坡积母质发育而来的偏酸性特征（江苏省土壤普查办公室，1995）。1980年以后，该区采石业和水泥业飞速发展，石灰岩中的CaCO3直接进入土壤，使土壤pH明显升高（图4）。而1980年至2003年期间，镇江市粮食播种面积没有明显减少（表2，图5），甚至在2003年以后，农业技术水平的提高带动该区设施农业的大力发展，全区大部分农耕土壤均处于设施农业环境中。有研究表明，由于受到“高温高湿、高复种指数、高施肥量、无降水淋洗”等特殊条件影响下，设施农业环境下的土壤结构和理化性质更易发生变化，随着设施栽培年限的不断增长，土壤中有机质和全氮含量明显增加，pH呈下降趋势（赵凤艳等，2000；邓玉龙和张乃明，2006）。同时，镇江的城市建设和道路总里程仍处于较低水平（表2，图5），无法带来足够的缓冲物补充，土壤pH又降低到弱酸性范围（图3）。

4 结论

2010年以来苏南土壤pH分布呈现西酸东碱的格局，这种空间特征与1980年有所不同。30来研究区土壤pH发生明显变化，酸化区域主要分布在宁镇山脉南部的溧水、丹阳、金坛地区，太湖西部的宜兴地区，和太湖北部的江阴、张家港地区；碱化区域则分布在宁镇山脉以北的句容、镇江一带和太湖东部的苏州、昆山、常熟地区。在以2003年江苏省国土区域调查为节点的前后两个阶段里，不同区域呈现出不同的阶段性酸碱变化，分别以镇江地区先碱后酸模式和苏州地区先酸后碱模式最为典型。

土壤pH的空间分布与成土母质分布和城市发展的区域差异有关，其变化取决于土壤缓冲物质的增减。各地土地利用格局和利用方式的时空差异所导致的缓冲物质增减更替，是苏南耕地土壤pH时空变化特征区域差异的主要驱动力。当土地利用以发展农业为主时，土壤缓冲物质流失，土壤pH下降；当土地利用以城市建设为主时，土壤缓冲物质得到补充，土壤pH升高。

当然，不同地区成土母质不同，土壤缓冲能力不同，而土地利用方式和人为活动引起的外界致酸致碱的主导因素也各不相同。因此pH时空变化的机理是一个十分复杂的课题。本文根据调查结果并结合相关文献对典型地区的pH变化模式进行了粗略的推测解释。至于导致苏南耕地土壤pH时空变化类型差异的具体原因，还有待进一步地展开调查和研究。

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文献标识码：A

文章编号：1006-7493（2016）02-0264-10

DOI:10.16108/j.issn1006-7493.2015065

收稿日期：2015-04-06；修回日期：2015-11-06

基金项目：江苏省重点研发计划项目（江苏耕地污染防治科技示范工程，BE20157018）；中国地质调查局资助项目（1212011220054）

作者简介：邵文静，女，1990年生，硕士研究生，环境地球化学专业；E-mail：super_shao@163.com

Spatial-Temporal Variation and Associated Driving Factors of pH Values in Soils in the Past 30 Years in the Southern Jiangsu Province

SHAO Wenjing1，SONG Yinxian2，WANG Cheng1，LI Wei1，JI Junfeng1
1.Key Laboratory of Surficial Geochemistry Ministry Education，School of Earth Sciences and Engeering，Nanjing University，Nanjing 210023，China
2.College of Environment，Hohai University，Nanjing 210098，China

Abstract:The Southern Jiangsu Province is one of the major Chinese grain-producing areas，where the quality of cultivated soil and farm produce are significantly affected by the changes of soil pH values.Through the investigation of pH values of cultivated soils in the Southern Jiangsu Province in 2010s，and comparing with two spatial distribution maps of soil pH in 1980 and 2003 from previous studies，the spatial-temporal variation of pH values and associated factors have been discussed in this paper.The results showed that the spatial distribution pattern of soil pH in 2010s was significantly different from that in 1980，with lower soil pH values in the west part of the study areas than those in the east in 2010s，which is associated with natural conditions and social behaviors.Two phases of pH change have been observed in the context of complex changes in soil chemical properties during the past 30 years.The variation trends of pH values in different regions from 1980 to 2003 were similar to the major trends from 1980 to 2010s，while transformations have emerged in the last decade since 2003，especially presented in Jurong city where soil acidification has occurred in the later 10 years after alkalization in previous 20 years，and Suzhou-Wuxi Countries where it displayed the opposite trend.The decrease of pH values in soils can be explained by both heavy application of chemical fertilizers and industrial acid deposition.In addition，urbanization and cement production also played an important role in the pH increase.It is concluded that the different variations of pH values are caused by the waxing and wining of buffer substances in soil，which are mainly forced by the changes in land utilization in different regions.

Key words:the Southern Jiangsu Province；soil pH；spatial-temporal variation