1984—2014年仪征市农田土壤酸化驱动因素分析

吴政 张富春 刘绍贵 高晖 陈明 范如娟 颜怡 王长松

摘要 以仪征市为例，基于1984、1994、2005、2014年仪征市代表性的土壤样品点pH，1984和2014年遥感影像数据，1995—2017年酸雨频率数据，1980—2006年农户施肥数据，分析1984—2014年仪征市农田土壤pH时空变化趋势，并从土地利用方式、酸雨频率和农户施肥行为等3方面解析了农田土壤酸化的驱动因素。结果表明：1984—2014年，仪征市农田土壤pH显著降低，呈现酸化趋势，酸化区域主要集中在仪征市北部和南部;建设用地扩张占用耕地和道路网络建设、酸雨频率变化、有机肥的施用量减少和化肥施用量的增多是造成仪征市农田土壤酸化的主要驱动因素。

关键词 农田土壤;酸化;驱动因素;仪征市

中图分类号 S153文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）20-0068-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.20.018

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Driving Factors Analysis of Cropland Acidification of Yizheng City from 1984 to 2014

WU Zheng，ZHANG Fu chun，LIU Shao gui et al （Yangzhou Station of Farmland Quality Protection，Yangzhou，Jiangsu 225101）

Abstract Taking Yizheng City as an example，based on the representative soil sample point pH values in 1984，1994，2005 and 2014，remote sensing image data in 1984 and 2014，acid rain frequency data in 1995-2017，and fertilization data of farmers in 1980-2006，we analyzed the temporal and spatial variation trend of soil pH in Yizheng City from 1984 to 2014，and analyzed the driving factors of cropland soil acidification from three aspects，such as the land use pattern，acid rain frequency，fertilization behavior of farmers and so on.The results showed that from 1984 to 2014，the soil pH of cropland in Yizheng City decreased significantly，showing an acidification trend.The acidification areas mainly concentrated in the north and south parts of Yizheng City.The main driving factors of soil acidification in Yizheng City were the expansion of construction land，the construction of road network，the change of acid rain frequency，the decrease of organic fertilizer application and the increase of chemical fertilizer application.

Key words Cropland;Soil acidification;Driving factors;Yizheng City

土壤酸化是土壤退化的一個重要方面，农田土壤是农业生产的载体，是保障粮食生产安全的重要基础。近年来，工业化和城镇化的发展，加剧了人类活动与资源环境之间的矛盾，农田土壤受到人类活动的影响，呈现酸化的趋势。农田土壤酸化会造成大量营养元素的淋失和土壤肥力下降，进而严重影响粮食作物生长[1-2]。我国的农田酸性土壤主要分布在长江以南的广大热带、亚热带地区和云贵川等地，酸化已经成为制约该区域农田生产力提升的主要障碍因素[3]。自20世纪80年代第二次土壤普查以来，我国开展了县域耕地地力评价、全国测土配方施肥、土壤墒情监测和全国农业污染源普查等行动，积累了巨量的土壤时空数据[4]。借助GIS技术，可实现长时间尺度上对农田土壤理化性质的连续监测与空间变化分析，如李伟峰等[5]对比分析了江西省1980—2010年土壤数据，结果表明江西省农田土壤总体呈现酸化趋势;王志刚等[6]的研究表明，江苏省pH总体空间分布各部位南酸北碱。驱动因素分析有助于回答人类活动对农田土壤pH的影响[7]，并对控制农田土壤酸化提供有针对性的措施与建议。

仪征市是长江下游依江而建的县级市，优越的地理优势形成了仪征市完善的交通运输网络体系，为工业化和城镇化的发展提供了基础，同时长江也为仪征市农业发展提供了水热条件。该研究对比分析1984—2014年仪征市农田土壤pH的时空变化趋势，通过收集仪征市的遥感影像、交通规划、环境监测和农民施肥数据，探讨影响仪征市农田土壤变化的驱动因素，为县级尺度农田土壤酸化防控提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

仪征市地处长江三角洲的顶端，江淮丘陵的尾闾，跨越长江和淮河两大水系，由谢集三里至古井一线为分水岭，西界南京市六合区，东临扬州市邗江区，北接高邮湖西，西北与安徽天长市接壤，南临长江，与江宁、句容、丹徒隔江相望，地理坐标为119°02′～119°22′E、32°14′～32°36′N，在行政區划上隶属于江苏省扬州市，下辖9个镇。全市地域范围约857 km2（不包括长江水域）。境内主要地貌类型有丘陵、沙砾石岗地、黄土岗地、河谷平原、沿江平原。区内农业生产以水稻-小麦轮作为主，一年两熟制，部分地区实行水稻-油菜轮作。

1.2 数据处理与研究方法

1.2.1 数据来源。该研究中的数据类型主要包括不同时期的农田土壤样品pH数据，不同时期的遥感影像解译、酸雨监测数据、测土配方施肥数据等，具体情况如下：

（1）土壤样品pH数据。1984年土壤pH数据来源于第二次土壤普查;1994年土壤pH数据来源与土壤普查;2005年土壤pH数据来源于农业部测土配方施肥数据;2014年土壤pH数据来源于仪征市耕地地力评价数据库。pH分级参照第二次土壤普查的分级标准与研究区域情况，分为3级：5.5～6.5为1级，弱酸性;6.5～7.5为2级，中性;7.5～8.5为3级，弱碱性。

（2）遥感影像数据。1984年遥感影像数据来源于Landsat 4 TM数据，采集日期为1984年10月30日，由条带号120，行编号38，云量0.08;条带号120，行编号37，云量0.02拼接而成。2014年遥感影像数据来源于Landsat 8 OLI数据，采集日期为2014年11月18日，由条带号120，行编号38，云量0.69;条带号120，行编号37，云量19.5拼接而成。遥感影像数据来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）。

（3）酸雨监测数据。来源于仪征市环境保护局，包括1995—2017年的酸雨频率数据。

（4）农户施肥数据。来源于扬州市耕地质量保护站和仪征市土壤肥力站收集的1980—2006年农户肥料投入情况数据和扬州市耕地地力长期监测点位数据。

1.2.2 研究方法。该研究主要采用的方法为GIS空间插值分析和遥感影像解译方法，运用的软件平台为ArcGIS 10.2，Envi 5.3和Sigmaplot 14.0。

（1）GIS空间插值分析。在ArcGIS 10.2中采用Kring插值方法，根据1984、1994、2005、2014年具有代表性的农田土壤样点pH，插值得到仪征市4个不同时期的pH空间分布情况。

（2）遥感影像解译。从地理空间数据云下载的卫星遥感影像数据已进行了校正，在ENVI 5.3 软件中，采用监督分类方法，将仪征市的土地利用现状分为耕地、林地、草地、建设用地、水域、未利用地6大类，结合百度地图（https：//map.baidu.com/）和谷歌地图（http：//www.google.cn/maps）对遥感影像解译结果进行校正。

2 结果与分析

2.1 仪征市农田土壤pH时空变化趋势

对比分析4个不同时期仪征市农田土壤样品的pH化验结果，1984—2014年仪征市农田土壤pH显著降低（P<0.05），呈现酸化趋势。

Kring插值的结果如图1所示，4个不同的时期仪征市农田土壤pH主要集中在5.0～6.5，为弱酸性。1984—1994年，仪征市北部的大仪镇和东南部的朴席镇，有部分区域pH从6.5～7.5降低到5.0～6.5之间;1994—2005年仪征市北部的大仪镇农田土壤继续保持了酸化趋势，整个大仪征镇农田土壤pH都降至5.0～6.5;2005—2014年农田土壤pH变化主要集中在仪征市南部的真州镇、新城镇和朴席镇，3个乡镇都出现了部分农田土壤酸化的现象。总体来说，1984—2014年，仪征市农田土壤酸化区域出现在北部和南部，分别为大仪镇、真州镇、新城镇和朴席镇。

2.2 土地利用对农田土壤酸化的影响

土地利用方式体现了人类活动对土地资源的开发利用过程，遥感影像解译的结果如图2所示。总体来说，1984—2014年仪征市主要的土地利用变化情况表现为：①建设用地扩张是建立在占用耕地的基础上进行的;②对比1984年，仪征市在2014年已建立了较为完整的南北方向和东西方向的交通网络体系。

1984—2014年，不同土地利用类型之间的转化面积如表2所示。从表2可以看出，2014年建设用地面积为16 791.73 hm2，其中10 569.05 hm2来自1984年的耕地，占比为62.94%。建设用地主要包括城镇用地、农民村民点、工矿用地和交通设施用地等，这些土地利用方式都会对农田土壤带来污染，如工业“三废”（废渣、废气、废水）排放，生活污水排放、汽车尾气排放中大量的硫化物和氮化物等[8]。

在ArcGIS 10.2中对比分析30年间仪征市建设用地情况、建设用地扩张占用耕地情况、交通基础设施情况、农田土壤pH等级变化情况，如图3所示。图3（a）反映了1984—2014年，仪征市建设用地总规模和建设用地占用耕地情况，北部的大仪镇、南部的马集镇和真州镇是建设用地总面积大且建设用地占用耕地面积大的乡镇;图3（b）表明，2014年仪征市已建立起完整的陆路运输网络，从东西和南北方向贯穿整个仪征市，交通网络类型包括高速公路、国道、省道和铁路，同时仪征市南部的长江，也为仪征市提供了水路运输条件，其中北部的大仪镇、南部的马集镇和真州镇是重要的陆路运输枢纽;图3（c）结果表明，1984—2014年，农田土壤pH降低级别表示农田土壤酸化情况，酸化情况主要出现在北部的大仪镇、南部的真州镇、新城镇。综合分析图 建设用地扩张与农田土壤酸化具有较高的空间分布吻合度。

2.3 酸雨对农田土壤酸化的影响

酸雨是会加速农田土壤酸化，且造成产量损失[9]。仪征市环保局的酸雨频率监测数据显示（图4），1996—2005年，仪征市酸雨频率呈现上升趋势，2006—2016年，酸雨频率呈现下降趋势。仪征市酸雨频率上升主要原因在于工业、化工、化石燃料燃烧引起[9]，但随着政府节能减排工作的力度加大，二氧化硫排放量逐年下降，仪征市酸雨频率在“十二五”期间逐渐下降[10]。图1仪征市农田土壤pH变化的空间分布也显示，1994—2005年，仪征市农田土壤呈现酸化趋势;但2005—2014年，农田土壤酸化趋势有所缓和，趋于稳定。

2.4 化肥施用对农田土壤酸化的影响

对仪征市农户进行调查结果显示，1984—2014年仪征市农民施肥的特点如下：一方面是有机肥施用量逐年减少，另一方面是化肥过量施用。

2.4.1 有机肥施用。从扬州市耕地质量保护站和仪征市土肥站收集的1980—2006年农户施肥调查数据（表3）表明：整体来说，1980—2006年仪征市农户有机肥施用呈现减少趋势。主要原因在于：一方面，20世纪90年代以来，仪征市農户生猪养殖规模的减少，畜禽粪便来源减少;另一方面，秸秆

还田和化肥（复合肥）配施已逐渐取代单纯的使用畜禽粪肥和绿肥，成为农户主要的施肥方式。

2.4.2 化肥施用量。氨态氮肥中的氨离子在土壤中发生硝化反应并产生H+是加速农田土壤酸化的主要机制[11]。孟红旗等[12]研究结果表明，施用氮肥（N处理）和氮磷钾配施（NPK处理）对比不施肥处理，土壤酸化速率分别为4.6倍和3.2倍。1988—2014年仪征市耕地地力长期监测点的数据（表4）显示，在长期施用化肥的过程中，4个耕地地力监测点位，农田土壤都呈现酸化，pH降低。

3 结论与讨论

3.1 结论

该研究分析1984—2014年仪征市农田土壤pH的空间变化及驱动因素，结果表明：

（1）30年间，仪征市农田土壤pH显著降低，呈现酸化趋势;仪征市北部大仪镇，南部的真州镇，新城镇和朴席镇是主要的酸化区域。

（2）土地利用方式变化、酸雨和农户施肥是影响仪征市农田土壤酸化的主要驱动因素。土地利用方式方面主要体现在建设用地扩张占用耕地和道路网络建设;酸雨方面影响体现在酸雨频率;农户施肥方面主要体现在有机肥的施用量减少和化肥施用量的增多。

3.2 讨论

农田土壤酸化是人为和自然因素综合作用的结果[5]，农田土壤酸化的驱动因素研究可为土壤酸化阻控措施制定提供借鉴意义。农田土壤酸化的阻控措施不仅仅包括合理调节土地利用方式、严控工业酸性废气排放形成酸雨、科学指导农户施肥，还包括各种酸化改良剂。例如：于天一等[13]研究指出进一步研制并推广环境危害小的中性（碱性）肥料是减少过量施用生理酸性肥料致酸的重要方式。鲁艳红等[14]研究表明，长期施用化肥条件下配施石灰，可有效缓解稻田土壤酸化。

参考文献

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