江西省位于中国中部地区, 地处24° 29′ ~30° 40′ N、113° 34′ ~118° 28′ E之间, 处在长江中下游交接处的南岸。全省总面积为16.69× 10⁴km², 其南北跨度约为620 km, 东西跨度约490 km。境内北面是鄱阳湖, 东西南部三面环山, 总体地形特点为周高中低, 向北开口, 宛如盆地（图1）。区内气候温暖, 年平均气温16.4~19.4 ℃, 南北相差3 ℃左右; 气候温和, 雨量充沛, 无霜期长, 属亚热带湿润气候。年均降水量1 300~2 000 mm, 在时空上分布不均, 从地区分布上看, 以赣东北最多, 九江地区北部最少。江西省主要粮食作物为水稻, 其次是甘薯、小麦, 还盛产油菜、油茶、茶叶等。全省主要土壤类型有红壤、水稻土、黄壤和山地黄棕壤, 其中水稻土主要有潜育型、潴育型和淹育型3个亚类, 潴育型水稻土在全省分布最广, 水稻土成土母质主要有河湖沉积物及第四纪红色粘土, 以及丘陵地区的酸性结晶类风化物等^[18]。

图1

Fig. 1

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	图1 江西省地形Fig. 1 Topographic map of Jiangxi Province

本研究两时期数据分别来源于1980S第二次土壤普查绘制的江西全省土壤pH有关成果资料和2010S江西全省测土配方施肥田间调查土壤采样点pH测试结果。

由于1980S时期缺少农田图斑矢量文件, 因此本研究以第二次土地资源调查的农田图斑为底图, 通过ArcGIS赋值将两个时期土壤pH添加到农田图斑, 对比分析两时期的pH时空变化。1980S时期土壤pH引自《中国土种志》^[18]、《江西土壤》^[19]记载的共172个典型剖面表层pH及江西省99个县土壤志记录的共982个土壤农化样点pH结果。2010S采样点10 155个, 通过十字交叉法采集4个以上相邻位置样品并混合成一个样品, 土壤采样深度为0~20 cm, 每个采样点均用GPS定位, 土壤pH测定采用的方法是电位测定法（土水比为1:2.5）; 本研究中各地区施肥数据来源于1985— 2015年《江西省统计年鉴》中的各市、县数据; 酸雨数据来源于文献^{[20, 21]}中20世纪90年代30个县、区监测站点的酸雨监测值。

空间数据分析主要在ArcGIS中完成, 数据统计主要使用SPSS软件。本研究针对两个时期pH数据进行分级处理, pH分级按照第二次土壤普查中的分级标准, 将土壤pH分为6级：小于4.5为强酸性（6级）, 4.5~5.5为酸性（5级）, 5.5~6.5为弱酸性（4级）, 6.5~7.5为中性（3级）, 7.5~8.5为弱碱性（2级）, 大于8.5为碱性（1级）^[22]。

1）基于ArcGIS的空间对比分析方法。由于第二次土壤普查的采样点位置没有经纬度信息, 且将1 154个土壤样点进行插值并不能满足省域尺度农田土壤pH代表精度, 因此本研究采用相对最为精确的基于土壤学专业知识的方法（Pedological Knowledge Based method, PKB）^[23], 根据土壤成土母质、土种类型、土壤剖面点信息结合部分带村小组信息的农化样点信息, 依据样点属性相同或相近的原则, 基于ArcGIS参考行政区（到行政村级）把采样点土壤pH与各县1:10 000数字化土壤图链接, 得到1980S时期土壤pH空间分布图。在ArcGIS中, 运用地统计分析进行空间插值, 将2010S时期样点pH转换成面域pH信息。通过空间叠加分析获得两时期pH级别转移矩阵, 通过各级别之间的转移数据, 计算两时期pH转移系数, 计算公式为：

T=∑SijST×j-iGmax-Gmin(i, j=1, 2, 3, 4, 5, 6)（1）

式中：T为pH转移系数; i为1980S级别; j为2010S级别; S_ij为i级转移为j级的面积; S_T为总面积; G_max为最大级别, G_min为最小级别。当T为正时, 转移方向为酸化, 反之, 转移方向为碱化, T越大, 转移程度越大。

2）重心迁移能够直观反映同一研究范围不同时期某种属性的空间变化^{[24, 25]}, 本研究通过计算农田土壤酸碱度各级别重心迁移方向及面积变化大小, 模拟表达江西省土壤酸化的趋势及方向。重心计算公式如下：

Xt¯=∑i=1n(Si×Ki×xi)∑i=1n(Si×Ki); Yt¯=∑i=1n(Si×Ki×yi)∑i=1n(Si×Ki)（2）

式中： Xt¯、 Υt¯为t年的农田土壤酸碱度重心坐标; x_i、y_i为t年每个图斑重心坐标; S_i为对应图斑的面积; K_i为对应图斑的pH级别。

3）回归分析法。分别将各地区的施肥数据、酸雨数据与基于以上方法分析得出的两个时期各地区农田土壤pH转移系数进行相关性分析, 定量分析江西省农田土壤酸化与施肥、酸雨之间的关系。

2.1.1 江西省30 a前后农田土壤pH分布特征

两个时期样点数据（表1）显示, 2010S时期样点pH均值较1980S下降了0.53, 对比各级别样点占比, 1980S时期, 样点主要集中在4级, 全省农田土壤以弱酸性为主, 其次是酸性; 2010S时期2、3、4级样点占比明显较1980S下降, 5、6级样点占比增加, 尤其5级, 占比增加38.9%, 农田土壤以酸性为主。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 江西省30 a前后农田采样点pH对比 Table 1 pH comparison at cropland sampling points in Jiangxi Province in the past 30 years 时期 样点数 (比例) pH 均值 总数 2级 3级 4级 5级 6级 1980S 1 154 17 110 621 401 5 5.77 (100%) (1.5%) (5.5%) (54%) (35%) (4%) 2010S 10 155 69 283 1 795 7 508 500 5.24 (100%) (0.7%) (2.8%) (17.7%) (73.9%) （4.9%）

表1 江西省30 a前后农田采样点pH对比 Table 1 pH comparison at cropland sampling points in Jiangxi Province in the past 30 years

1980S农田pH水平分布情况显示 [图2(a)], 江西省土壤pH总体呈酸性, 弱酸性、酸性土壤均匀分布于全省各地; 强酸性土较少, 主要零散分布在赣南及赣西; 中性土壤分布于鄱阳湖周边地区; 碱性土壤面积较少, 主要分布于赣西北地区。

图2

Fig. 2

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	图2 江西省30 a前后农田土壤pH级别分布对比Fig. 2 pH level distribution of cropland in Jiangxi Province before and after 30 years

2010S农田pH水平分布情况显示 [图2(b)], 全省农田pH以酸性土壤最多, 大面积分布于各地; 弱酸性农田大幅减少, 零星分布于赣南、赣北两块, 总体上呈现周边多中间少的趋势; 强酸性农田较少, 主要在江西中部地区和南部地区呈零星分布; 中性农田主要在赣西赣北呈零星分布; 碱性农田极少。

2.1.2 江西省农田pH时空变化

1）全省范围农田土壤pH变化分析 全省各级别农田土壤转移矩阵（表2）显示, 全省共1.31× 10⁶hm²（57.74%）农田有不同程度酸化, 其中酸化一个等级pH的农田比较普遍, 占农田总面积的50.3%, 呈片状分布于全省各市; 酸化两个pH等级的农田占农田总面积的7.1%, 主要分布在鄱阳湖周边, 以南昌市较为集中, 其余零星分布于赣南、赣西等市; 酸化3个等级pH的农田占农田总面积的0.4%, 主要分布在赣南。全省共8.95× 10⁵hm²农田pH未发生变化, 全省各地无明显空间分布特征。另外, 全省有6.39× 10⁴hm²（2.8%）农田碱化, 主要零星状分布在赣东北、赣中部地区。全省农田pH变化分布如图3 所示。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 江西省农田土壤pH转移矩阵 Table 2 Transfer matrix of cropland pH in Jiangxi Province (hm2) 1980S 2010S 总计 2 3 4 5 6 2 194 9 348 14 955 9 130 33 627 3 106 8 464 58 551 138 822 16 205 959 4 10 304 143 300 1 066 266 6 696 1 226 565 5 113 44 329 743 462 7 126 795 031 6 9 087 9 087 总计 300 28 229 261 136 1 966 766 13 838 2 270 269

表2 江西省农田土壤pH转移矩阵 Table 2 Transfer matrix of cropland pH in Jiangxi Province (hm2)

图3

Fig. 3

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	图3 农田pH级别变化分布Fig. 3 Distribution of pH change in cropland

2）各地级市农田土壤pH变化分析 对比各地级市两个时期pH级别所占比例（图4）得出, 较30 a前, pH级别在2~4级（5.5~7.5）水平所占比例明显减少, pH级别在5级（4.5~5.5）水平所占比例均有不同程度的增加; 2010S时期, 各地级市pH平均级别均不同程度地高于1980S时期, 这表明各地级市农田pH级别均在向酸性方向发展。

图4

Fig. 4

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	图4 各市两个时期pH各级别占比对比Fig. 4 The proportion of each pH level in different cities at two stages

对比两时期各地级市农田土壤pH变化（表3）, 转移系数表明江西省各地级市农田土壤pH均为酸化方向, 各地级市农田土壤均有不同程度的酸化。全省农田pH平均级别从4.24变为4.87, pH级别平均值酸化0.63。各地级市级别变化最大的为赣州市, 转移系数为0.248≈ 0.25, 酸化接近1个级别; 其次是南昌市和鹰潭市, 转移系数均≥ 0.2; 赣西北地区酸化程度普遍低于全省平均水平, 其中酸化程度最小的地区为宜春市, 转移系数小于0.1。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 江西省各地级市农田土壤pH转移系数 Table 3 pH transfer coefficient of cropland soil in each city of Jiangxi Province in the past 30 years 区域 级别变化面积/hm2 转移系数 -2 -1 0 +1 +2 +3 赣州市 72 7 310 56 245 190 481 58 355 4 880 0.248 南昌市 0 1 690 63 071 124 657 46 034 0 0.227 鹰潭市 0 2 766 6 745 53 938 862 0 0.200 上饶市 22 13 877 109 909 216 610 1 133 0 0.152 吉安市 19 1 261 143 578 142 589 7 993 3 484 0.143 抚州市 0 4 510 89 481 111 678 2 152 0 0.134 萍乡市 0 4 544 18 075 7 948 7 206 97 0.121 九江市 0 19 947 131 779 123 038 18 521 287 0.120 景德镇市 0 1 187 47 254 33 533 3 223 0 0.113 新余市 0 3 616 28 107 18 622 4 772 0 0.108 宜春市 0 3 117 201 177 118 197 10 221 397 0.098 全省 113 63 826 895 420 1 141 291 160 473 9 146 0.132 注：” -” 级别表示碱化, ” +” 级别表示酸化, 以pH整体酸化1个级别的转移系数0.25作为参考。

表3 江西省各地级市农田土壤pH转移系数 Table 3 pH transfer coefficient of cropland soil in each city of Jiangxi Province in the past 30 years

2.1.3 江西省农田土壤pH重心变化

通过计算得出两个时期农田土壤酸碱度重心, 以农田图斑重心C作为参照, 在空间上对比两时期农田土壤pH重心。1980S时期, 农田土壤酸碱度重心坐标为G1980S（115.858 863° E, 27.981 985° N）, 2010S时期, 农田土壤酸碱度重心坐标为G2010S（115.846 82° E, 27.916 72° N）。两时期重心可视化后显示, 农田土壤酸碱度重心向西南方向移动。江西省“ 丘陵-湖泊” 地形格局决定了江西省农田重心在滨湖平原区, 重心迁移方向及距离受区域pH变化程度、变化面积大小以及距离参照重心远近的共同影响。两时期的重心迁移规律表明, 赣西南地区总体酸化程度更大, 结合各地级市pH转移系数及耕地面积, 赣州市pH酸化程度、距离参照重心面积为全省最大, 酸化面积仅次于上饶市及宜春市, 南昌市、鹰潭市酸化程度较大, 但酸化面积相对较小, 且相对照重心C距离小, 因此对重心迁移方向及距离表现得并不明显, 其他地区综合影响相对适中, 因而全省pH重心迁移整体表现为趋向赣州市。

图5

Fig. 5

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	图5 江西省30 a前后农田土壤酸碱度重心迁移示意图Fig. 5 The migration of pH gravity center in Jiangxi Province

以上分析证明赣南及鄱阳湖周边南昌、鹰潭酸化问题更突出, 针对这种空间分布特征, 本研究从酸雨及氮肥施用量两个方面探讨江西省农田土壤酸化的驱动因子。

2.2.1 江西省酸雨及施肥研究

1）江西省酸雨分布 何纪力等^[20]通过对江西省1985— 1999年气象数据的长期监测, 得出20世纪90年代江西省酸雨时空分布规律（图6）。历年酸雨pH平均值最小的地区为鹰潭市, pH低达4.17, 其次是南昌市, 平均值最大的为新余市, 赣州市酸雨降频最高, 达到98.9%, 其次是鹰潭市和吉安市, 分别为97.0%和96.7%, 综合酸雨pH值和酸雨降频得出江西严重酸雨带呈现“ r” 型分布：南昌、吉安、赣州连成一竖线; 吉安、永丰、抚州、鹰潭、上饶连成一斜线。无酸雨区包括新余市、宜春市的奉新、丰城、宜丰和萍乡市莲花县等地^[20]。

图6

Fig. 6

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	图6 江西省酸雨pH分布Fig. 6 Distribution of acid rain levels

2）江西省氮肥施用量情况时空分布 从江西省历年统计年鉴提取出近30 a对各县区历年单位面积耕地氮肥施用折纯量数据, 计算各县区单位面积耕地平均氮肥折纯量（图7）。根据陈婧的研究, 我国南方稻田最高产量施氮量为126~236 kg/hm², 经济适宜施氮量为104~192 kg/hm², 生态适宜施氮量为69~115 kg/hm², 我国“ 高氮高产” 种植观念决定了高氮施用水平^[26]。因此本研究以经济适宜施氮量作为标准衡量各地区氮施用水平。结果显示, 江西省氮肥施用量最高的地区分布在赣州市及南昌市, 其次是鹰潭市、抚州市及上饶部分地区, 氮施用水平最低的地区分布在吉安市、赣东北景德镇部分地区, 新余市、奉新及九江部分地区, 氮施用量处于相对较低 水平。

图7

Fig. 7

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	图7 各地单位面积氮肥施用量平均水平分布Fig. 7 Distribution of nitrogen application rate per hectare

2.2.2 农田pH下降幅度与酸雨、氮肥施肥量关系分析

通过ArcGIS进行数据处理, 以县为单位, 计算各县农田土壤pH转移系数, 统计得到各县酸雨pH平均值, 结合统计年鉴各县30 a间平均施氮水平, 分别对酸雨及施氮量同农田土壤pH转移系数进行相关性分析（图8）, 最优拟合结果显示, 氮施用量与农田土壤pH转移系数呈正相关, 酸雨pH值与农田土壤pH转移系数呈负相关, 氮施用量拟合线性方程表明, 30 a间氮肥每增加50 kg/hm², 农田土壤pH转移系数增大0.065, pH约下降0.26个单位, R²显示该拟合方程解释了69.2%的样本, 相关性显著（P< 0.01）; 酸雨拟合方程为幂函数形式, 酸雨对农田土壤酸化的影响大小随着酸雨pH值下降而变大, 并且随着酸雨pH值的降低, 农田土壤酸化速率越快, R²显示该拟合方程解释了50.3%的样本, 相关性显著（P< 0.01）。两因素R²对比显示, 氮施用量拟合效果优于酸雨, 氮施用量对农田土壤酸化影响作用强于酸雨。

图8

Fig. 8

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	图8 氮肥施用量、酸雨pH同农田土壤pH转移系数线性关系Fig. 8 Linear relationship of nitrogen application rate and acid rain with pH transfer coefficient in cropland soil