赣南地区土壤pH值分布的影响因素及其强度变化

刘雪松， 张智印， 魏建朋

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心， 河北 保定 071051)

土壤pH值是土壤重要的化学性质，是土壤酸性程度的量化表征，是土壤形成过程中多种因子综合作用的结果[1]，它深刻影响着土壤微生物活性和地表作物的生长[2-6]，也影响土壤物化性质和养分有效性[7-9]。现代土壤pH值是自然因素和人为因素综合作用的结果，自然因素指地质背景、土壤母质、水热条件等诸多非人力控制的因素，自然因素对土壤pH值的影响是个漫长的过程[10]。人类因素主要指人类对土地的利用与改造，包括农业活动、工业活动、城市化活动和生活活动等，人类活动对土壤影响主要体现在土地利用类型的改变，进而改变了土壤的物化性质。自然因素对土壤pH值影响研究方面：赵凯丽、王亚男、张元培等[11-13]在湖南祁阳县、毕节市和湖北土壤pH值影响因素研究中发现，成土母质和土壤类型对土壤pH值形成存在显著性影响，并对比研究了不同成土母质和类型土壤pH值的分配规律；魏辉等[14]研究发现，土壤CEC和黏土含量对缓冲酸雨影响方面具有重要的作用；谢天洋[15]研究发现不同类型的土壤pH值显著不同。人类活动对土壤pH值影响研究方面，周宏冀[16]认为人类施肥活动是土壤酸化的主要原因；朱小琴等[17]研究发现种植结构会影响土壤pH值的变化，此外工企业周围土壤pH值会明显降低，而在城镇周围及公路两侧土壤pH值则会明显较高；邵文静等[18]认为苏南地区间土地利用格局和利用方式的时空差异是造成土壤pH值时空变化区域差异的主要驱动力。以上研究说明现代土壤pH值的形成是自然因素和人为因素叠加影响、综合作用的结果。自然因素和人为因素对土壤pH值形成的影响程度，上述研究各有所表，缺乏横向的对比，尤其在人类因素和自然因素差异性研究方面，系统深入的研究还较欠缺。

为此，本文以江西赣州南康区土壤的pH值为分析对象，利用反距离权重插值法对其空间分布进行插值，通过描述性统计，对其分配规律及影响因素进行分析。采用列联分析方法，对土壤pH值的影响因素强度进行分析，为土壤酸碱度的控制和土壤生态的良性保持提供思路和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于江西省赣州市西部，地处赣江上游章江段。研究区总体地貌属于赣南丘陵区，中高山较少，平地、低丘分布较多。研究区中南部河流众多，属于河流冲洪积区域，地势低平，北部区域低山丘陵较多，地势起伏较大。土壤类型有山地黄壤、红壤、黄红壤、紫色土、水稻土等类型，以水稻土、红壤和黄红壤居多。根据土壤酸碱度分类标准[19]，该区强碱性、碱性、中性、酸性和强酸性土壤都有分布，其中酸性土壤面积占比为92%[20]。南康区经济较为发达，2019年GDP总量338.56亿元，位居赣州市县域经济总量第2位[21]。

1.2 样本数据及处理

样本数据来自赣州市南康区土地质量地球化学调查项目，采样时间为2018年5—10月。样品量8 167组，样品采集深度0—20 cm。样品以网格法布置，样品之间无空白网格，样品平均密度为7.6个/km2。采样单元以农用地为主，兼顾林草地、城区用地及工矿企业用地。土壤样品经干燥、去杂质和过1.7 mm孔径筛后，送国土资源部南昌矿产资源监督检测中心进行分析，分析方法采用玻璃电极电位法测定。土壤样品pH值数据正态性检验显示为右偏分布，不是标准正态分布类型。为使分析更具科学性，对异常数据进行剔除。剔除方法采用切比雪夫不等式法，剔除四倍的标准差，保证至少94%的数据在分析范围内[22]。异常数据剔除后，统计结果详见表1。异常数据全部来自强碱性土壤，剔除率为0.12%，保留了99.88%的数据。

表1 异常数据剔除后南康区土壤样本酸碱性分布统计

研究区样品采用网格化均匀布点法，采样点不聚集，满足反距离权重插值法应用条件；土壤pH值数据不服从标准正态分布，不满足克里金插值条件；综上采用反距离权重插值法绘制土壤pH值的空间分布图[23]。

2 土壤pH值分布特征及其影响因素

2.1 土壤pH值分布特征

剔除后数据总体统计特征详见表2。研究区土壤总体以酸性土壤为主，变异系数0.17，属于低变异状态，土壤pH值全距为5.33，变化幅度较大，数据为右偏尖峰分布。研究区95%以上区域的土壤为酸性土壤，其中强酸性土壤占到了83%以上(图1)。对比土壤pH值分布图、成土母质和地质背景以及地貌情况，可得碱性土壤主要分布在研究区中部河流冲积形成的低平区域。该区域也是人类活动频率最为密集的区域，成土母质以第四系松散沉积物为主。中性土壤主要分布在碱性土壤的外围和丘陵山区的小盆地区域，成土母质以第四系松散沉积物和砂岩等沉积岩为主，人类活动频率稍密集。酸性土壤主要分布在中性土壤的外围，分布面积较中性土壤有所扩大，分布区域较为一致，成土母质主要以砂岩等沉积岩类为主。强酸性土壤在研究区大面积分布，主要分布在研究区北部和南部丘陵山地区，成土母质以火成岩和变质岩为主，该区域山高林密，交通不便，人类活动稀疏。

图1 南康区土壤酸碱性分布图

综上所述，研究区土壤酸化程度比较严重，土壤pH值分布和成土母质、地质背景及地势存在一定的空间相关性。

2.2 土壤pH值影响因素分析

影响因素从地质背景、成土母质、用地类型、地形地貌、土壤质地5个方面进行分析(表2)。 ①研究区土壤地质背景横跨元古代、古生代、中生代和新生代。从pH值变异系数看，地质年代越老，变异系数越低，整体处于低变异状态。从均值上看，地质年代由新及老，土壤pH值有降低的趋势，数据分布都呈右偏分布，除白垩纪外，都呈尖峰分布。地质年代由新及老，土壤pH值全距变化幅度呈缩小趋势。综上说明地层年代愈古老，土壤pH值扰动愈小；地层越新，扰动性越大(白垩纪地层例外)。 ②研究区样本具有统计意义的成土母质岩类主要有砂岩、砾岩、砂砾岩、花岗岩、凝灰岩、板岩、变砂岩7类。为便于统计，按照岩石成因划为4类：第四纪松散沉积物、沉积岩(砂岩、砾岩、砂砾岩)、变质岩(板岩、变砂岩)和火成岩(花岗岩、凝灰岩)4类。4类成土母质岩性的土壤pH均值和变异系数变化趋势一致，即由火成岩—变质岩—第四纪松散沉积物—沉积岩顺序逐渐变大，且从松散沉积物到沉积岩，变幅较大。土壤pH值全距，由火成岩—变质岩—沉积岩—第四纪松散沉积物顺序逐渐变大。综上分析土壤pH值在不同成土母质中的分配规律和不同成土母质之间的关系，可得岩石形成演变时间越短，受地表自然风化和人类影响越小的成土母质形成的土壤pH值越低，变异程度越轻，全距变化幅度越小。③土地利用类型，按照用途特征划分为3类，草地和林地合称为林草地，水田、旱地、果园等为农用地，工业和城建用地为工矿城区地。土壤pH值均值由林草地—农用地—工矿城区地顺序逐渐变大；土壤pH值变异系数农用地变异程度最低，工矿城区地和林草地变异程度相当；土壤pH值全距农用地略高于工矿城区地和林草地。林草地土壤熟化程度低，人类影响程度小，土壤腐殖层厚，在南方多雨湿热多雨环境下盐基离子淋失严重，致酸离子(氢和铝离子)富集，因此其pH值表现最低；赣南地区农用地多为水田，经过耕种和中低产田改造，发育程度和熟化程度高，土壤酸化程度会受到一定的抑制[24-25]，因此农用地土壤pH值较原始林草地稍高一些，但是化肥的使用，从纵向时间轴上看农用地还是趋于一种酸化的趋势；工矿城区地，多位于人类聚居的丘陵河谷冲洪积区域，河流携带的盐基离子会使冲洪积土层中盐基离子增加，另外非农化土地不再耕地，土壤密实度升高，渗透淋滤变差，化肥不再施用等，都有助于减缓了酸化的程度。综上表明人类部分活动对南方土壤的自然酸化有一定的抑制作用。 ④依据研究区地形地貌分布特征，分为平地区域和丘陵山地区域两大类。丘陵山地区域土壤pH均值明显低于平地区域；变异系数、峰度、偏度和全距两者比较接近。平地区域是人类活动较为频繁的区域，土壤pH值地貌上的差异也证明人类活动是促使土壤pH值升高的一个因素。 ⑤土壤质地是土壤形成后的物理属性，主要体现土壤矿物颗粒的组合状况。从统计意义上看，壤土的pH均值略低于砂土，变异系数并无差异。

表2 南康区土壤pH值影响因素描述性统计结果

3 土壤pH值分布特征影响因素强度分析

便于土壤pH值分布特征影响因素强度分析，将影响因素中的地貌和高程进一步划分，地貌中的丘陵山地细分为丘陵坡地和丘陵谷地；高程按照150，330 m等高线分为3类，并做交叉频数统计(表3)。若土壤酸碱度按照强碱性、碱性、中性、酸性、强酸性5类进行分析，则在成土母质、地质背景和高程3个影响因素中，将有碱性和强碱性观测值为零的情况，在卡方检验会出现期望频数小于5的情况，为避免此种情况，将强碱性和碱性归并为碱性土壤，中性土壤仍然为中性，酸性和强酸性归并为酸性土壤，这样土壤酸碱度划分为3类。

表3 土壤pH值地貌高程影响因素交叉频数统计

此外地质背景将地质年龄大于等于古生代的归为一类，不再划分元古代。

影响因素和土壤酸碱度相关程度采用V相关系数进行判定，该系数不受行列数影响，适合本例行列数不一致的情形。判定结果详见表4。影响强度的关系为：成土母质>地质背景>高程>用地类型>地貌。其中成土母质、地质背景、高程、用地类型都属于弱相关类型，地貌属于基本不相关类型。

表4 土壤酸碱度影响因素卡方检验及强度测量统计结果

综上所述，成土母质、地质背景对土壤pH值分布的影响最为显著，其次是高程和用地类型，地貌对土壤pH值分布影响最弱。这与赵凯丽等在“我国南方不同母质土壤pH值剖面特征及酸化因素分析”中提到母质是影响土壤理化性质的主要因素结果一致。也和吴正祥、周勇等“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”中的结论“成土母质是研究区土壤pH值空间变异的主控因素，其次是海拔高度，较弱的是土地利用方式，坡度几乎没有独立解释能力…”相契合，说明成土母质和地质背景等自然因素是土壤pH值分布形成的基础，人类耕作和生活活动对土壤用途的改变对土壤pH值分布形成的影响是自然因素基础之上的叠加。

此外，从影响因素调整标准残差分析中可以看出土壤酸碱度更直观的分布规律。出于保守估计，多重比较选择调整标准残差绝对值的大小以3为分界点，调整标准残差绝对值大于3时，认为该数值的观测频数和期望频数之间的差异存在统计意义[22-24]。由表5可知，碱性土壤调整标准残差全部具有统计意义，酸性土壤调整标准残差的90%具有统计意义，中性土壤调整标准残差的55%具有统计意义。从自然影响因素来看，碱性土壤更趋向于分布于中生代沉积岩背景土壤中，酸性土壤较趋向于分配在古生代火成岩背景土壤中。

表5 土壤酸碱度影响因素调整标准残差分析

从人类影响因素来看，碱性土壤趋向分布于人类生活和工矿业类型土壤中，而酸性土壤最不可能出现在此类土壤中，反而农业用地中酸性土壤最容易分布；高程小于150 m，人类活动频率较高地方的土壤更趋向于碱性，高程大于150 m，人类活动频率较低地方的土壤则趋向于酸性。

5 结 论

(1) 影响赣南典型丘陵区土壤整体为酸性，且以强酸性土壤为主，对土壤pH值分布有显著影响的因素主要为成土母质、地质背景、高程、用地类型、地貌，土壤质地无显著影响。土壤pH值在上述几种影响因素中的数据分配都呈现为一种右偏的分布，且主要以尖峰为主，数据的变异程度整体较低。

(2) 赣南典型丘陵区土壤pH值分配主要受成土母质和地质背景等自然因素的影响，影响强度的关系为:成土母质>地质背景>高程>用地类型>地貌。人类耕作和生活活动是次要影响因素，是自然因素影响基础之上的叠加。说明赣南地区土壤pH值形成规律和中国南方地表土壤pH值总体形成规律一致，没有表现出特异性。

(3) 赣南典型丘陵区酸性土壤趋向于分配在古生代火成岩背景区和人类活动频率较低的较高丘陵区。碱性土壤趋向于分配在中生代沉积岩背景区和人类活动频率密集低海拔区域。该现象充分表明土壤pH值形成是自然因素和人类影响的叠加过程，自然过程中，岩石形成和演化过程对土壤pH值形成具有决定性作用；人类影响因素中，生活和工矿业活动对土壤是一种显著的pH值升高的促进作用，农业耕作主要表现出为匀化作用。

致谢：感谢中国地质调查局土地质量工程—海西西岸经济区土地质量地球化学调查项目提供的数据支持。