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）

0 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50～60 km，东西长220 km；山势自南而北呈阶梯状上升，一般海拔高1500～2000 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1500～2000 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5～20 km，至汉中市附近宽达25～30 km。盆地内汉江两岸分布有多级阶地，地面坡度在1°～10°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2018—2019 年秋收后施肥前进行土壤采集，采样深度为耕作层(0～20 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。

图1 汉中市高程分布图

图2 汉中市土壤样品采集分布图

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）。

表1 陕西省土壤分级标准

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）对全区土壤pH进行分级处理，由表2可以看出，土壤在pH≤4.5、4.6～5.5、5.6～6.5、6.6～7.5、7.6～8.5 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 4.15～8.41，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。

表2 研究区耕地土壤pH分级统计

表3 耕地土壤pH描述性统计

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。

表4 研究区各县区耕地土壤pH统计

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。

表5 土壤pH的理论半方差模型及参数

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 5.6～6.5（弱酸性），其次为pH 6.6～7.5（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。

图3 研究区土壤pH空间分布图

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pH 6.92，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6 不同土壤类型土壤pH统计特征

2.3.2 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。

表7 不同耕作制度土壤pH统计特征

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pH 6.54；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。

表8 不同成土母质土壤pH统计特征

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；600～800 m 海拔主要以丘陵旱作为主；800 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]。

表9 不同海拔高度土壤pH统计特征

3 结论

研究区域汉中市土壤在pH 4.15～8.41 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。