吉林市城乡交错带耕地土壤pH与有机质时空动态变化分析

郭聃　车晓翠　黄健　张惠琳　朱健菲

【摘 要】对吉林市城乡交错带1982年至2012年近30年来耕地土壤pH、有机质时空变化特征进行分析，并探讨了城市化进程对耕地质量演变的作用规律。结果表明：30年间，土壤pH平均值由6.19降低到5.69，酸化趋势明显。有机质含量由26.14g/kg提高到28.45g/kg，有小幅提升；耕地土壤pH和有机质空间分布格局变化具有明显的城乡梯度特征，土壤酸化速率沿城乡梯度递减，有机质呈现近郊增加远郊降低的变化趋势；城市化进程影响了吉林市近郊耕地土壤有机质变化趋势，加速了土壤酸化过程。城市化对吉林市耕地质量变化的作用强度随距中心城区距离递减，作用半径在12km左右。

【关键词】有机质；pH；城乡交错带；耕地；地理信息系统

城乡交错带是位于城市建成区与周边农村之间，由城乡要素相互渗透耦合而构成的过渡地带，其耕地数量和质量是保障城市农产品有效供给和生态安全的基本条件。城市经济建设的发展导致交错带内农业用地特别是耕地不断被非农业用地侵占[1]，使得城乡交错带成为土地利用问题最多、人地矛盾最尖锐的地区[2]。研究这一特殊区域的耕地利用问题，对合理高效利用有限的耕地资源、促进城乡统筹发展、协调人地关系具有重要意义。

吉林市是吉林省第二大城市、长吉图开发开放先导区的直接腹地和重要节点，同时也是国家重要的粮食主产区和商品粮基地，城乡交错带内城市发展与耕地保护之间矛盾尤为突出。本文以吉林市城乡交错带为研究对象，利用“3S”技术对衡量耕地质量的重要指标——pH和有机质近30年间的时空变化特征进行分析，并在此基础上对城市化对耕地质量演变的影响進行了初步探讨，以期丰富和促进城乡交错带耕地利用研究的理论和方法，为该区域耕地资源的合理利用提供科学依据。

1 研究区概况

吉林市位于吉林省中部偏东，全市土地面积27120km2，其中耕地面积3959km2。本文以吉林市郊区紧邻城市建成区的8个乡镇（街道）范围为研究区域，该区内耕地土壤类型主要以水稻土、白浆土、暗棕壤、新积土为主，共占耕地土壤面积的95%。土壤分布自南向北呈规律性变化：南、东南部以暗棕壤为主；西部分布白浆土；北部分布水稻土；沿江两岸新积土。

2 数据来源与方法

主要数据包括：吉林市1982年Landsat MSS和2012年landsat7 ETM遥感影像；第二次土壤普查（1982年）及耕地地力调查评价（2012年）土壤采样点数据。对研究区两期遥感影像进行处理分类得到土地利用类型图，划定两个年代的城市建成区与城乡交错带空间范围。对两期土壤采样点进行克里金插值得到pH值和有机质空间分布图。两期空间分布图相减得到1982～2012年时空变化图。根据研究区特点划分有机质、pH及其变化级别，其中pH变化在-0.3～0之间为基本不变（自然波动和测量误差引起）[3]，超出这个范围则表示土壤pH已经发生实质性变化。以2012年城市建成区为中心，每1km为增量半径向外拓展生成等距梯度带，对各梯度带所包含耕地的pH和有机质平均值与距中心城区距离进行回归分析，进而分析由城市建成区向远郊乡村方向上耕地土壤pH和有机质空间分布格局及演变的梯度变化特征。

3 结果与分析

3.1 耕地土壤pH时空变化

1982年吉林市城乡交错带内耕层土壤pH值平均值为6.19。土壤pH值为弱酸性的耕地面积最大，所占比例为88.27 %。2012年土壤pH值平均值为5.69。土壤pH值为中酸性的耕地面积最大，所占比例为79.79 %。近30年来耕地土壤pH平均值降低0.5个单位，83.81%的耕地pH值降低（图1-b），城乡交错带内耕地土壤酸化趋势明显。pH降低幅度较大的区域主要集中在城市建成区周围，降幅都超过了0.6个pH单位。远郊除西北部有部分耕地pH降幅较大，其它地方变化较小（图1-a）。总体来看，表现出明显的近城区pH降幅大，远城区pH降幅小的城乡过渡特征，城市建成区周围耕地土壤酸化严重。自然状态下土壤pH每下降一个单位需要上百年甚至更长的时间[4]。根据吉林省耕地地力评价结果，30年来吉林省暗棕壤、白浆土pH平均值降低0.2个单位，水稻土pH上升0.1个单位。吉林市城乡交错带耕地土壤酸化速率远高于自然及全省平均水平，且变化的空间格局具有明显城乡过渡特征，说明城市化进程加速了耕地土壤酸化过程。

现代工业的迅猛发展、不合理的农业生产方式及酸雨是导致土壤酸化的主要原因。吉林市大气降水pH基本呈中性且年际变化小[5]，降水不是吉林市郊区土壤酸化加速的主要原因。30年间吉林市城市规划发展方向为工业用地主要向北发展、新建城区主要向南部扩张。以化工业为主的哈达湾与龙潭工业区均位于城市北部，工业企业分布较集中，多年来工业“三废”污染严重，造成城市北部近郊耕地持续酸化。吉林市盛行风向为西南风，由于大气的漂移和扩散作用，北部工业大气污染对交错带其他方向亦有不同程度影响。新建城区向南部扩张造成南部人口膨胀，对蔬菜等农副产品需求量增加，在城市近郊许多农田改为蔬菜地或大棚保护地后由于不合理施用酸性肥料、土地复种指数增加导致南部近郊土壤酸化严重。针对耕地现状，今后应加大力度对北部工业“三废”排放进行管理与控制，同时针对酸化严重区域通过使用石灰、钾硅肥等土壤调酸剂改善土壤酸化情况。

3.2 耕地土壤有机质时空变化

1982年吉林市城乡交错带内耕层土壤有机质平均值为26.14 g/kg。土壤有机质为缺少（10～20 g/kg）的耕地面积最大，所占比例为48.17%，耕地土壤有机质含量较低。2012年土壤有机质平均值为28.45g/kg。土壤有机质为适量（20～30g/kg）的耕地所占比例最大，为67.29%。近30年来耕地土壤有机质平均值增加2.31g/kg，有小幅提升，75.12%的耕地有机质含量升高（图2-b）。有机质降幅较大的区域主要集中在郊区西南部，靠近城市建成区的耕地有机质含量皆升高，东南部增幅最大（图2-a）。总体上看，有机质变化呈现明显的的城市近郊升高远郊降低的城乡过渡特征。根据吉林省耕地地力评价结果，30年来吉林省土壤有机质平均值降低2.07g/kg，吉林市城乡交错带耕地土壤有机质变化与全省趋势相反，且具有较明显的城乡过渡特征，说明城市化进程影响了吉林市近郊耕地土壤有机质变化趋势。

交错带内土壤有机质原低值区有机质含量升高，主要由于第二次土壤普查以来秸秆还田数量增加提高了有机物质在土壤中的积累。城市南北发展定位的差异导致南部近郊大面积农田改为菜地，投入有机肥较多，因而南部增幅较大。但农户在积极提高原低值区土壤肥力的同时忽视了原高值区土壤肥力的保持，导致远郊西南部有机质含量大幅下降。今后应重点针对北部有机质缺乏地区大力实行秸秆还田、增施有机肥、测土配方施肥等措施提升有机质含量，同时要注意加强西南部有机质丰富地区的施肥和耕作管理使得其高土壤肥力得以保持或有所提高。

3.3 耕地土壤pH与有机质变化的城乡梯度分析

为进一步研究不同城乡梯度上的耕地质量演变特征，分别统计各梯度带的pH及有机质平均值进行定量分析。吉林市城市化在上世纪60～70年代处于停滞期，从80年代开始进入迅速增长期，因此可把1982第二次土壤普查时的调查值看作快速城市化前的环境本底值。从图3可看出，吉林市城乡交错带耕地土壤pH值、有机质本底值在城乡梯度上呈波浪形变化趋势，与距中心城区远近无明显相关，基本不受城市位置影响，主要受母质及城市化前土地利用与管理措施影响。2012年耕地地力评价时，耕地土壤pH 和有机质空间分布与距中心城区距离相关性增加，特别是pH与距中心城区距离的相关性有大幅上升，呈现较明显的城乡梯度特征。随城市化发展城市位置对耕地质量空间分布格局的影响增强，城乡梯度特征发生变化。

30年间交错带内土壤pH与有机质的变化趋势不同，但两者变化率均与距中心城区距离有一定关系。土壤pH变化速率与距离呈相关性较高，沿城乡梯度呈现明显的递减趋势，近郊土壤酸化速率高，远郊速率相对较低，在距中心城区12km时变化速率趋于平稳。受城市南北发展定位差异和高肥力土壤保护不当的影响，有机质变化速率与距离的相关性不高，但在距中心城区12 km以内其增加速率沿城乡梯度递减，总体上也呈现近郊增加远郊降低的城乡梯度特征。城市化对吉林市城乡交错带耕地质量变化的作用强度随距中心城区距离递减，对土壤pH和有机质的作用半径在12 km左右。

由于国情差异世界各国城市化发展模式迥然不同，此处仅把分析结果与国内以往研究对比。我国学者在上海、南京等城市开展的研究显示从远郊到城市中心土壤有机质含量增加、有碱化趋势[6-7]。随城市化发展，吉林市城乡交错带有机质变化呈现近郊增加远郊降低的趋势，这与其他城市调查结果相似。但吉林市土壤pH的城乡梯度特征与其他城市有所不同。城乡交错带是兼具城市和乡村土地利用性质的特殊生态区，其土壤属性受多种自然和社会因素作用。与吉林市相比，这些城市大多位于城市化水平高、發展速度快的区域，较早完成工业企业退城外迁，工业企业主要位于郊区且布局分散；多位于我国酸雨重灾区且酸雨对郊区影响大于市区[8-10]。吉林市化工企业集中分布在城市北部，30年间随城市扩展由老工业区演变为城市中心，2010年才开始启动工业区搬迁改造工程，降水主要呈中性。环境条件、土壤母质、土地利用管理方式和城市化进程的不同导致地处东北的吉林市与其他城市在城乡交错带土壤属性方面出现区域性差异。另外，以往研究主要是对同一时期城市、郊区、乡村三地样本进行比较分析，得出的城乡差异也没有去除土壤环境本底值的影响。本研究利用30年间变化值来分析城乡梯度特征，更能有效体现城市化对城乡交错带耕地质量的影响。

4 结论

（1）30年间吉林市城乡交错带内土壤pH平均值由6.19降低到5.69，酸化趋势明显；有机质含量由26.14g /kg提高到28.45g/kg，大部分耕地有机质含量升高。

（2）30年间吉林市城乡交错带内土壤pH下降0.5个单位，土壤酸化速率远高于自然及全省平均水平。耕地土壤有机质升高2.31g/kg，变化与全省趋势相反。城市化进程影响了吉林市近郊耕地土壤有机质变化趋势，加速了土壤酸化过程。

（3）耕地土壤pH和有机质空间格局变化具有明显的城乡梯度特征，土壤酸化速率沿城乡梯度递减，有机质呈现近郊增加远郊降低的变化趋势；随城市化发展城市位置对耕地质量空间分布格局的影响增强，城乡梯度特征发生变化；城市化对吉林市城乡交错带耕地质量变化的作用强度随距中心城区距离递减，对土壤pH和有机质的作用半径在12km左右。

【参考文献】

[1]蔡玉梅，萧林，苏东袭.北京市城乡交错带土地利用调控对策[J].资源开发与市场，2004，20（3）：208-210.

[2]陈佑启.试论城乡交错带土地利用的形成演变机制[J].中国农业资源与区划，2000，21（5）：22～25.

[3]Conyers M K， Uren N C， Helyar K R.Causes of changes in pH in acidic mineral soils[J]. Soil Biology & Biochemistry，1995，27（11）：1383-1392.

[4]Xu R， Coventry D R. Soil acidification as influenced by some agricultural practices[J]. Agro-environmental Protection， 2002， 21（5）：385-388.

[5]翟金良，邓伟. 吉林省城市大气降水pH值时空分异及成因[J]. 城市环境与城市生态，1999，12（5）：50-53.

[6]刘婵.上海城郊土壤肥力质量时空变化特征研究[D].上海：上海师范大学，2014.

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[8]梁骏.南京酸雨对土壤和作物产量品质形成的影响研究[D].南京：南京信息工程大学，2008.

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[10]曾刚.上海市工业布局调整初探[J].地理研究，2001，20（3）：330-337.

[责任编辑：张涛]