土壤 pH 是土壤最重要的指标之一，其深刻地影响着土壤养分的有效性，也影响有害元素的活性，是大多数作物生长的一个主要环境因子^[1]，因此它是土壤化学中最为综合和重要的特征，也是耕地质量评价体系中的重要因子^[2–5]。目前，土壤酸化已成为全社会关注的热点，土壤酸化在我国南方已相当严重^[6–11]。据相关资料显示，连续施用化学氮肥 10～20 年，部分耕层土壤 pH 下降幅度可超过 1 个单位，且随施氮量的增加而明显增加^[12–20]。郭治兴等^[7]研究显示广东省在 20 年多年时间内土壤整体表现为酸化，但空间分布格局基本不变。曾招兵等^[8]利用广东省的长期定位试验监测数据，发现 1984 年以来水稻土整体呈明显的酸化趋势，水稻土 pH 下降了 0.33 单位，强酸和酸性土壤的分布频率呈明显的上升趋势。王志刚等^[6]通过比较 1980 年和 2003 年江苏省土壤 pH 空间分布图，发现南酸北碱，但局部地区存在较大的变化，总体表现为酸化。邵学新等^[9]通过调查和分析江苏省张家港市 2004 年和 1980 年的土壤 pH，发现自第二次土壤普查以来土壤 pH 明显下降。扬州市是国家重要的商品粮基地，耕地土壤酸化对粮食安全生产至关重要。30 年来种植制度、耕作制度、施肥、降雨等的变化，对耕地土壤酸化产生了什么影响？为此对扬州市耕地土壤 30 年 pH 值演变及驱动因子做了系统研究，旨在为预测和控制土壤酸化提供科学依据。

扬州市位于东经 119°01′ 至 119°54′、北纬 31°56′ 至 33°25′，地处江苏中部，南邻长江，北接淮安，东和盐城、泰州毗连，西与南京市、淮安市和安徽省天长市接壤。境内有长江岸线 80.5 km，沿江有仪征、邗江、江都三县 (市、区)；京杭大运河纵穿腹地，境内全长 143.3 km，由北向南沟通白马湖、宝应湖、高邮湖、邵伯湖，汇入长江。属于亚热带湿润气候区，四季分明，东、西分别受海洋性气候和内陆性气候的交替影响，季风显著，盛行风向随季节有明显的变化，冬夏冷热悬殊较大；无霜期 220 多天；雨量充沛，雨热同季，光热水资源较好。可满足小麦、棉花、水稻、各种蔬菜生长，对农业发展极为有利，是国家重要商品粮基地。

扬州市境内地貌类型以平原为主，地势西高东低，地貌类型 (图 1 左) 分为里下河洼地、通南高沙土 (沿江高沙土)、沿江圩区 (滨江圩区) 和丘陵 (低丘缓岗) 四个农业区。成土母质 (图 1 中) 分为湖相沉积物、黄泛冲积物、黄淮冲积物、黄土母质、基岩残积物、下蜀黄土、长江冲积物、长江淤积物。土壤类型分为水稻土、潮土、黄棕壤、沼泽土 4 个土类；根据主导形成过程不同的发育阶段或次要的形成过程细分成 11 个亚类(图 1 右)；依据成土母质类型、水文地势条件分成 27 个土属；依据一米深度的土体层次排列细分为 101 个土种。

图1(Fig. 1)

图1 扬州市地貌类型 (左)、成土母质 (中)、土壤 (亚类) 类型 (右) Fig. 1 Soil geomorphic type (left), parent material(middle) and eomorphic type (subgroup, right) in Yangzhou City

自 1984 年第二次土壤普查以来，扬州市每 5～10 年统一组织土壤农化性状的普查，采样时尽可能与第二次土壤普查采样点一致，采样深度为 0—20 cm。为了达到本研究的目的，本文以 1984 年第二次土壤普查的农化样点 (4107 个) 为基础，以 10 年作为一个时间周期来研究耕地主要土壤养分的变化趋势，共选取了 1994 年的土壤普查点 (2862 个)、2005 年土壤养分调查点 (4018 个)、2014 年土壤养分调查点 (6009 个)，包含各取样点位的地貌类型、成土母质、土壤类型、质地、施肥情况等土壤属性信息 (图 2)。

图2(Fig. 2)

图2 历年扬州市土壤养分普查点分布图 Fig. 2 Soil sampling sites in the soil surveys in Yangzhou City

为了增加数据的可比性和可靠性，历次土壤普查的测定方法相同，均采用中国土壤学会编写的《土壤农业化学分析方法》的测定标准^[21]。

应用地统计学中克里格法 (Kriging) 和相关的统计学方法，采用 ArcGIS10.1、SPSS19 等软件进行数据统计分析。参照《中国土壤》^[22]对我国土壤酸碱度分级指标将扬州市耕地土壤 pH 值分为 5 级，分别为 Ⅰ 级 (> 7.5)、Ⅱ 级 (6.5～7.5)、Ⅲ 级 (5.5～6.5)、Ⅳ 级 (4.5～5.5)、Ⅴ 级 (< 4.5)。

由表 1 可见，1984 年、1994 年、2005 年、2014 年土壤 pH 均值分别为 7.51、7.07、6.83 和 6.74，30 年间耕地土壤 pH 呈持续下降趋势，四个时期土壤 pH 的分布类型均表现为对数正态分布或正态分布，说明四个时期的数据都满足地统计学理论中有关特征假设。1984 年至 2014 年 pH 平均从 7.51 减少为 6.74，降低了 0.77 个单位，表明土壤呈酸化趋势。四个时期的土壤 pH 的变异系数差异不大，变异系数在 9.3%～14.0%。

表1(Table 1)

表1 不同年份耕层土壤 pH 值的统计特征值 Table 1 Statistical characteristics of soil pH from 1984 to 2014

表1 不同年份耕层土壤 pH 值的统计特征值 Table 1 Statistical characteristics of soil pH from 1984 to 2014 年份 Year 分布类型 Distribution 最小值 Min. 最大值 Max. 均值 Mean 中位数 Median 标准差 SD 变异系数 CV(%) 样本数 Samples 1984 对数正态分布 Log-normal 4.40 9.50 7.51 7.70 0.70 9.32 4107 1994 对数正态分布 Log-normal 5.10 8.60 7.07 7.10 0.72 10.18 2862 2005 正态分布 Normal 4.60 8.50 6.83 6.80 0.82 12.01 4018 2014 正态分布 Normal 4.00 8.80 6.74 6.60 0.94 13.95 6009

应用 Kriging (地理信息系统软件 ArcGIS10.3) 进行最优内插法，形成了不同年份的土壤 pH 值分布图 (图 3) 和各级耕地分布面积统计表 (表 2)。

图3(Fig. 3)

图3 1984～2014 年扬州市土壤 pH 值分布图 Fig. 3 Variation of soil pH from 1984 to 2014 in Yangzhou

表2(Table 2)

表2 扬州市不同 pH 级别土壤面积在耕地总面积中的百分比 Table 2 Percentage of soil area with different pH grades in the total arable land in Yangzhou

表2 扬州市不同 pH 级别土壤面积在耕地总面积中的百分比 Table 2 Percentage of soil area with different pH grades in the total arable land in Yangzhou 分级 Grade pH 范围 pH range 所占百分比 Percentage in arable land (%) 1984 1994 2005 2014 Ⅰ ≥ 7.5 69.39 35.27 31.97 33.54 Ⅱ 6.5～7.5 25.41 50.15 46.91 31.26 Ⅲ 5.5～6.5 5.19 14.56 20.57 34.44 Ⅳ < 5.5 0.00 0.02 0.55 0.75

由图 3、表 2 可知，与 1984 年相比，1994 年土壤 pH 呈现大幅下降趋势。1994 年 Ⅰ 级的面积为 103500 hm²，占总面积 35.3%，所占比例仅为 1984 年的 50.8%；Ⅱ 级的面积为 147190 hm²，占总面积 50.2%，所占比例约为 1984 年的 2 倍；Ⅲ 级的面积为 42727 hm²，占总面积的 14.6%，所占比例接近 1984 年的 3 倍。

2005 年土壤 pH 与 1994 年相比继续下降。Ⅰ 级的面积为 92822 hm²，占总面积的 32.0%，所占比例为 1994 年 90.6%；Ⅱ 级的面积为 137666 hm²，占总面积的 46.9%，所占比例为 1994 年的 93.5%；Ⅲ 级的面积为 460363 hm²，占总面积的 20.6%，所占比例约为 1994 年 1.5 倍。

2014 年土壤 pH 与 2005 年相比呈持续下降趋势，下降幅度有所减缓。Ⅰ 级的面积为 98436 hm²，占总面积的 33.5%，所占比例与 2005 年基本持平；Ⅱ 级的面积为 137666 km²，占总面积的 31.3%，所占比例为 2005 年 66.6%；Ⅲ 级的面积为 460363 hm²，占总面积的 34.4%，所占比例超过 2005 年 1.5 倍。

表 3 统计数据表明，1984～2014 年四个时期扬州市不同农业区土壤 pH 均呈持续下降趋势，而其空间分布格局基本不变，表现为里下河地区 > 沿江圩区 > 通南高沙土区 > 丘陵地区。

表3(Table 3)

表3 扬州市主要农区不同年份土壤 pH 平均值 Table 3 Averaged soil pH from 1984 to 2014 in main grain planting areas

表3 扬州市主要农区不同年份土壤 pH 平均值 Table 3 Averaged soil pH from 1984 to 2014 in main grain planting areas 农业区 Grain planting area 1984 1994 2005 2014 里下河地区 Lixiahe region 7.85 7.40 7.38 7.08 沿江圩区 Along the Yangtze River region 7.40 7.36 7.21 6.97 通南高沙土区 High sand area 7.13 6.93 6.90 6.88 丘陵地区 Hilly region 6.60 6.17 6.07 5.87

为进一步研究区域土壤 pH 变化趋势，本文对四个时期土壤 pH 分布图层间进行了图层空间差减提取比较分析 (图 4、表 4)。结果表明，1984～2014 年 30 年间，土壤 pH 整体呈下降趋势。如图 4 所示，2014 年与 1984 年相比下降大于 1 个单位的面积占研究区面积的 39.3%，下降 0～1 个单位占研究区面积的 47.2%；研究区土壤 pH 整体呈下降趋势，其中丘陵地区、通南高沙土区、里下河北部下降较快，沿江圩区、里下河区南部相对稳定。1984～2005 年间土壤 pH 值下降趋势最显著，下降 0～2 个单位的占研究区面积的 80% 以上；研究区整体下降明显，其中丘陵地区、通南高沙土区、里下河区下降较快，沿江圩区相对稳定，2005 年以后的 10 年土壤 pH 呈稳定趋势。

图4(Fig. 4)

图4 扬州市不同时期土壤 pH 变化状况 Fig. 4 Variation of soil pH in different periods in Yangzhou

表4(Table 4)

表4 扬州市不同时期土壤 pH 值 Table 4 Soil pH in different periods in Yangzhou

表4 扬州市不同时期土壤 pH 值 Table 4 Soil pH in different periods in Yangzhou 时期 Period 项目 Item pH 变化范围 pH variation range < –2 –2～< –1 –1～< 0 0～< 1 ≥1 1984～1994 面积 Area (hm2) 44470 219265 29742 占比 Percentage (%) 15.15 74.71 10.13 1984～2005 面积 Area (hm2) 1259 89665 173345 28707 500 占比 Percentage (%) 0.43 30.55 59.07 9.78 0.17 1994～2005 面积 Area (hm2) 79 2045 240859 50305 189 占比 Percentage (%) 0.03 0.70 82.07 17.14 0.06 1984～2014 面积 Area (hm2) 6513 108923 138374 39667 占比 Percentage (%) 2.22 37.11 47.15 13.52 1994～2014 面积 Area (hm2) 7237 228880 57359 占比 Percentage (%) 2.47 77.99 19.54 2005～2014 面积 Area (hm2) 3690 164469 124504 814 占比 Percentage (%) 1.26 56.04 42.42 0.28

土壤母质是形成土壤的物质基础，在生物、气候条件相同的情况下，土壤母质对土壤性质、土壤肥力特征、土壤类型分布起着决定性的作用。本研究区域共有 8 种成土母质，通过对 1984 年、1994 年、2005 年、2014 年成土母质之间的比较 (表 5) 可知，成土母质对土壤 pH 空间分布有很大的影响，碱性基岩母质上发育的土壤 pH 比酸性基岩形成的土壤高。随着时间的推移，8 种成土母质土壤 pH 含量均呈下降的趋势但下降的速度有所不同，下降最快的是湖相沉积物，30 年下降了 0.9 个单位；其次是下蜀黄土，下降了 0.7 个单位。长江淤积物、长江冲积物和黄淮冲积物相对变化较小。

表5(Table 5)

表5 不同成土母质下土壤 pH 在 1984～2014 年间的变化 Table 5 Variation of soil pH from 1984 to 2014 under different parent materials of soil

表5 不同成土母质下土壤 pH 在 1984～2014 年间的变化 Table 5 Variation of soil pH from 1984 to 2014 under different parent materials of soil 成土母质 Parent materials of soil 1984 1994 2005 2014 湖相沉积物 Lacustrine deposit 7.8 ab 7.2 b 7.0 ab 6.9 bc 黄泛冲积物 Yellow pan alluvial deposit 8.1 a 7.6 a 7.4 a 7.3 ab 黄淮冲积物 Huanghuai alluvial deposit 7.9 a 7.7 a 7.5 a 7.7 a 黄土母质 Loess parent material 6.9 c 6.3 c 6.3 b 6.0 c 基岩残积物 Residual rock 6.1 e 6.0 c 5.8 c 5.8 c 下蜀黄土 Xiashu Loess 6.6 de 6.2 c 6.1 bc 5.9 c 长江冲积物 The Yangze River alluvial deposit 7.5 b 7.2 b 7.1 ab 7.1 b 长江淤积物 The Yangze River warp 7.8 ab 7.5 ab 7.0 ab 7.7 a 注（Note）：同列数值后不同字母表示成土母质间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column indicate significant difference among different parent materials of soil (P < 0.05).

研究区土壤类型分为水稻土、潮土、黄棕壤、沼泽土 4 个土类，水稻土面积最大，占耕地面积的 78.24%，共有 11 个土壤亚类。通过对 1984 年、1994 年、2005 年、2014 年 pH 值的对比可知 (表 6)，不同土壤类型对土壤 pH 有显著影响，总体呈下降趋势。其中水稻土 pH 下降幅度最大，平均下降 0.8 个单位，可见水稻土 pH 整体下降对扬州市耕地土壤 pH 30 年整体下降起主导作用，这与王志刚等^[6]的研究是一致的。

表6(Table 6)

表6 土壤 pH 随土壤类型的变化状况 (1984～2014) Table 6 Variation of soil pH as affected by soil subgroups from 1984 to 2014

表6 土壤 pH 随土壤类型的变化状况 (1984～2014) Table 6 Variation of soil pH as affected by soil subgroups from 1984 to 2014 土壤亚类 Soil subgroup 1984 1994 2005 2014 侧渗型水稻土 Side infiltrating paddy soil 6.8 b 6.2 d 6.1 d 5.9 d 渗育型水稻土 Percogenic paddy soil 7.4 ab 7.2 bc 7.1 b 6.8 b 脱潜型水稻土 Degleyed paddy soil 7.8 a 7.3 b 7.0 bc 6.7 bc 淹育型水稻土 Subrnergenic paddy soil 6.4 bc 6.1 d 6.0 d 5.9 d 潴育型水稻土 Hydromorphic paddy soil 7.4 ab 6.8 c 6.7 c 6.5 e 潜育型水稻土 Gleyed paddy soil 7.5 ab 6.8 c 6.7 c 6.5 c 黄潮土 Yellow fluvo-aquic 7.9 a 7.9 a 7.8 a 8.0 a 灰潮土 Grey fluvo-aquic 7.5 ab 7.3 b 7.2 b 7.3 b 粗骨黄棕壤 Rhogosol yellow-brown soil 6.2 c 6.0 d 5.9 d 5.8 d 粘盘黄棕壤 Claypan yellow-brown soil 6.2 c 6.1 d 5.9 d 5.8 d 腐泥沼泽土 Mucky bog soil 7.8 a 7.6 ab 7.3 b 7.3 b 注（Note）：同列数值后不同字母表示土壤类型间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column indicate significant difference among different soil subgroups (P < 0.05).

土壤有机质周转和累积是土壤–植物–气候系统中的生态平衡现象，其周转过程是在土壤微生物的参与下进行的，受到各种自然和人为因素的影响。土壤酸碱度是土壤的属性，对微生物数量、种类及其生物活性有重要影响^[23–24]，因此土壤酸碱度会对土壤有机质变化产生影响^{[1, 25–28]}。研究区 30 年耕地土壤有机质平均含量 (图 5) 由 21.62 g/kg 上升到 27.63 g/kg，增幅达 27.8%。土壤有机质含量增加促使土壤中的微生物对有机质进行分解，产生的 CO₂ 溶于水后形成碳酸使土壤整体酸化。这也是土壤 pH 30 年整体下降的原因之一。30 年来土壤有机质变化与土壤 pH 变化呈负相关关系，这与朱小琴等^[1]及戴万宏等^[28]的研究是一致的。

图5(Fig. 5)

图5 1984～2014 年土壤有机质平均含量变化 Fig. 5 Content variation of soil organic matter in Yangzhou from 1984 to 2014

酸雨是引起土壤 pH 下降的一个重要因素^[29]。酸性降雨的酸化作用，在短期内导致土壤潜在酸的增长，经常性的酸雨会导致土壤 pH 的下降。扬州市 2000 年开始设立酸雨监测站。通过对 2000～2014 年降水数据分析 (图 6) 可知，扬州市降水 pH 值呈下降趋势。丘陵、沿江圩区下降最快，这主要是由于位于仪征境内的扬州化学工业园离丘陵、沿江地区距离较近，其大气污染物主要是氯气、氯化氢等，陆地空气污染对降水 pH 影响较大^[30]，是研究区域中丘陵、沿江圩区土壤 pH 下降较快的主要因素之一。

图6(Fig. 6)

图6 扬州市 2000～2014 年降雨的 pH 变化 Fig. 6 pH of rainfall from 2000 to 2014 in Yangzhou

从图 7 可以看出，1984 年以后扬州市化肥用量持续大幅度增加，2005 年化学肥料投入量约 505300 吨，比 1984 年化肥投入量增加了 2.42 倍；2005～2014 年后 10 年化肥投入量呈稳定趋势，2006 年化肥投入量达到最大值约 521500 吨，其中 2014 年化肥投入量约 468900 吨，较 2005 年下降了 7.76%。化肥的种类主要为氯化钾、硫酸铵、过磷酸钙等生理酸性肥料，长期大量施用这些酸性肥料会造成土壤 pH 下降。扬州市 30 年化肥投入量与土壤 pH 变化呈高度的负相关，长期过量施用化肥是造成土壤 pH 全面下降的主要驱动因子。而丘陵地区土壤 pH 下降较快的主要原因是由于旱地土壤施入过多的化肥后得不到冲洗，致使土壤酸碱度缓冲性能下降，导致土壤酸化的加速，扬州丘陵地区从 20 世纪 80 年代开始推广使用低含量的复合肥，到 2014 年，扬州丘陵地区低含量复合肥的年使用量达到 4 万吨以上，年均用量超过 1000 kg/hm²。

图7(Fig. 7)

图7 扬州市 1984～2014 年化肥投入量 Fig. 7 Chemical fertilizer input in Yangzhou from 1984 to 2014

扬州市是国家重要商品粮基地。土地利用主要以种植稻麦为主，但近年来全面实行种植业结构调整与优化，大力发展高效农业、特色农业，蔬菜种植面积不断扩大，复种指数也不断增加。据扬州市耕地质量保护的调查与统计，2014 年蔬菜种植面积比 2005 年增加了 20.5%，设施蔬菜复种指数高，化肥投入量偏多，据测定种植大棚蔬菜的田块土壤 pH 平均值比周边种植稻麦田块下降 1.5～2 个单位，这是导致部分地区土壤 pH 下降较快的主要因素，这与朱小琴等^[1]的研究是一致的。

2014 年土壤 pH 均值 6.74，比 1984 年下降 0.77 个单位，30 年间耕地土壤 pH 呈持续下降趋势，其中前 20 年下降较快，后 10 年呈稳定趋势。2014 年土壤 pH 空间分布以 Ⅱ 级、Ⅲ 级为主，占总面积的 65.7%；1994 年、2005 年土壤 pH 空间分布都以 Ⅰ 级、Ⅱ 级为主，占总面积的 75% 以上；1984 年土壤 pH 空间分布都以 Ⅰ 级、Ⅱ 级为主，占总面积的 90% 以上。30 年间土壤 pH 下降 0～1 个单位的面积最大，占总面积的 47.15%；下降大于 1 个单位的面积占总面积的 39.33%。前 20 年土壤 pH 值下降严重，下降了 0～2 个单位的面积占 80% 以上，后 10 年呈稳定趋势。

总之，影响土壤 pH 时空演变的驱动因子主要有成土母质、土壤类型、土壤有机质、酸雨、施肥等。其中成土母质、土壤类型、土壤有机质含量主要影响土壤 pH 空间分布；酸雨、施肥及土地利用类型影响土壤 pH 时间分布，酸雨、施肥是导致土壤酸化的主要驱动因子。