土壤酸碱度是影响土壤化学和生物学性质的一个重要因素^[1]，也是影响土壤肥力的重要因素之一，氢离子的传递与转换基本上涉及到了土壤中全部的反应与过程，它对土壤的一系列其他的性质以及全部的生态环境都有着颇为重要的影响程度^[2]。土壤作为不断改善并维持自然资源长期、可持续发展的不可或缺的特殊因子，其会受到内部的物理化学循环、气候变化及人为压力等因素的较大影响，自身会受到巨大的功能调节与修复的压力^[3]。土壤 pH 的变化会加速土壤内部的化学反应，当土壤 pH 小于 5.0 时，农作物产量明显下降，当 pH 小于 4.5 时，产量下降的更为显著^[4]。每年农田生产由于土壤酸化造成的损失很大^[5]，并且还会造成土壤中有毒重金属的各种离子活跃度上升，土壤结构产生变化，最后影响作物的生长发育。综上，土壤酸化已是影响中国乃至全球粮食安全以及农田可持续发展的主要障碍因素之一。

研究农田土壤 pH 的变化趋势和分布特征对我国粮食产量和安全至关重要。国内外对土壤 pH 时空变异特征的研究较为广泛，目前不仅有涵盖全国、省级^[6]、市级^[7]、县级等行政单元的时空变异研究，而且还涉及不同地区、不同流域^[8]等地理单元尺度上的时空变化特征研究。在全国尺度上，韩天富等^[9]收集了全国主要农田区域的耕地质量监测点的数据，发现我国旱地和水田土壤 pH 从 1988—2000 年到 2001—2010 年呈快速下降趋势，以及东北地区的旱地土壤 pH 呈持续下降趋势。在省级尺度上，王洪等^[10]分析了陕西省农田耕地土壤 pH 的时空变异特征，发现了 40 年间陕西省陕南地区土壤发生了一定程度的酸化，陕北和关中地区土壤存在盐碱化问题。在县级尺度上，潘永敏等^[11]对宜兴地区 2004、2009 及 2015 年土壤 pH 进行了分布特征及时空变化分析，认为宜兴地区 10 多年来表层土壤呈一定的酸化趋势。1981—2001 年，由于过量氮肥以及酸雨的影响，江西省土壤 pH 整体下降了 0.6 个单位^[12]。辽宁^[13]、湖南^[14]、吉林^[15]和河南^[16]等省部分耕地土壤也出现了酸化趋势。我国的大多数研究结果均反映出 21 世纪以来农田土壤酸化程度加剧，中国农田耕层土壤 pH 下降了 0.13～0.80 个单位，平均下降 0.5 个单位^[17]；北方钙质土壤 pH 下降明显^[18]。而酸沉降、氮磷钾肥的不当施用及土壤氮盈余较高是土壤 pH 降低的主要原因^[19]。但是从 2005 年我国开始测土配方施肥项目后，肥料施用量增长率逐年下降，2015 年开始我国推行“双减”政策，2018 年我国肥料施用量出现负增长，氮肥偏生产力也由 2005 年的 19.9 kg/kg 提高到 2015 年的 24.6 kg/kg^[20]，有研究表明在氮盈余较高地区氮肥适当减施不仅有利于高产稳产，而且可以缓解土壤酸化现象^[21]。但目前的研究大多集中于田块尺度探究减氮对土壤 pH 的影响，而对于区域尺度的减氮效果研究相对较少，还不明确。

吉林省坐落在肥沃的东北平原，东北黑土被誉为“耕地中的大熊猫”，同时也是我国重要的粮食生产大省，农作物种植总面积大、总产量高，全国产粮大县前 10 名中有 7 个地处吉林省。吉林省种植业发达，玉米、水稻等作物在全国占有重要地位，研究土壤 pH 的时空变化对国家粮食安全具有重要意义。因此，明确吉林省耕地土壤 pH 随时间的变化和空间分布特征，可以更好地管理和利用吉林省土壤资源。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

吉林省地处我国东北地区中部，位于东经 122°— 131°、北纬 41°—46°，区域面积达到了 18.74 万 km²，占全国面积的 2%。吉林省属温带大陆性季风气候，地势东南高而西北低，平均降水量为 400～600 mm，无霜期一般为 100～160 d，年平均日照时数为 2260～3000 h。按照地形、气候等条件，可将吉林全省分为西部半干旱平原、中部半湿润平原和东部湿润山区这三大生态区。

1.2 数据来源及样品分析

本文所采用的数据包括来自于吉林省第二次土地调查公报、吉林省第二次土壤普查报告、测土配方施肥数据以及吉林省各县（市）耕地质量评价报告和课题组多年来对吉林省土壤采样和监测数据。本研究收集整理了 2005—2008 年和 2015—2018 年采集和收集的共 2935 份土壤样品 （表1），土壤样品采集与测定：每个采样点均通过 GPS 定位，多点混合的方法采集 0～20 cm 耕层土壤，经风干磨细过筛后，再采用电位法（水土比 2.5∶1）测定 pH。为了方便表达，1978 年第二次土壤普查数据，2005—2008 年和 2015— 2018 年的土壤 pH 以下简称 pH₁₉₇₈、pH₂₀₀₈ 和 pH₂₀₁₈。

1.3 分级标准

根据吉林省土壤酸碱状况，将全省土壤划分为 7 个等级（表2）。

注：延边朝鲜族自治州简称延边州，下同。

1.4 数据统计分析

为提高本研究内容数据准确度，采用拉依达法对大数据离群值进行验证。在剔除 4 个逸出值后，全省共剩余 2903 份有效数据，进而分析吉林省全省范围内的 8类主要农田土壤 pH 现状，包括白浆土（ 样本数 n=709）、暗棕壤（n=317）、黑土（n=535）、黑钙土（n=588）、草甸土（n=270）、水稻土（n=329）、风沙土（n=137）和盐碱土 （n=18）。通过查阅第二次土壤普查的数据，对近 40 年间农田土壤的 pH 变化情况进行了比较分析。运用地统计学中的空间插值方法，应用 ArcGIS 10.2“空间分析”模块将 2008 和 2018 年的采样点采用反距离加权法进行数据内插生成一个连续的表面，得到 2 个时期的吉林省耕地土壤 pH 分布图，并利用吉林省土地利用图、吉林省行政区划图和吉林省土壤图进行交叉分析，采用 Lambert 投影计算各斑块面积，得到两个年份吉林省耕地土壤 pH 各等级面积占比。运用 Excel 2010 和 SPSS 20.0 对数据进行分析，统计耕层土壤不同 pH 等级内的面积比例变化，采用 LSD 法比较作物间、地区间和土类间农田土壤 pH 在 0.05 水平上的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 吉林省农田土壤 pH 时间变化特征

2.1.1 近 40 年农田土壤 pH 变化特征

根据 2008 及 2018 年调查数据与 1978 年全国第二次土壤普查的数据结果对比分析发现吉林省内农田土壤的 pH 都有一定程度的下降。农田土壤平均 pH 从第二次土壤普查的 7.4 变化到 2008 年的 6.6，继而降至 2018 年的 6.4，从第二次土壤普查至今共下降了 1.0 个单位，平均 pH 从 pH₁₉₇₈-pH₂₀₀₈ 的每年下降 0.03 个单位变化至 pH₂₀₀₈-pH₂₀₁₈ 的每年下降 0.02 个单位。近 10 年间虽然农田土壤的平均 pH 仍有一定程度的下降趋势，但与 1978—2008 年的近 30 年间相比较，可以看出下降趋势有一定的减缓。在所有土壤类型中（图1A），将 pH₁₉₇₈ 和 pH₂₀₁₈ 进行对比，黑土的 pH 从 6.9 下降至 6.5。草甸土、水稻土的 pH 下降较大，各降低了 1.3 和 1.6 个单位。风沙土和黑钙土 pH 约下降了 0.9 和 0.7 个单位。而白浆土和暗棕壤的 pH 下降相对较小。但盐碱土的 pH 却从 7.2 变化为 8.7，盐碱土平均 pH 从 pH₁₉₇₈-pH₂₀₀₈ 的每年增长 0.01 个单位变化为 pH₂₀₀₈-pH₂₀₁₈ 的每年增长 0.12 个单位，盐碱土的盐碱化程度越来越严重。我国吉林省内不同地区的农田土壤的 pH 变化也各不相同（图1B）。吉林市农田土壤 pH 变化最大，下降了 1.1 个单位，松原市农田土壤从 7.8 下降为 7.2，辽源市农田土壤下降了约为 0.5 个单位。其余城市相对变化较小。吉林省主要农作物为玉米、水稻以及大豆，不同作物土壤 pH 也出现一定程度的变化（图1C）。将 pH₁₉₇₈ 和 pH₂₀₁₈ 数据进行对比，玉米作物土壤 pH 从 6.7 下降至 6.5，水稻作物土壤 pH 从 6.7 变化至 6.1。大豆作物土壤 pH 从 6.6 变化至 5.9。总体来说，水稻和大豆作物土壤 pH 变化较大。

注：延边朝鲜族自治州简称延边州，下同。

2.1.2 近 10 年不同生态区农田土壤 pH 变化特征

按照吉林省生态区分类，近 10 年间，西部半干旱平原区（松原市、白城市）的农田土壤 pH 显著高于其他生态区，平均 pH 由 2008 年的 7.1 变化到 2018 年的 7.5，上升了 0.4 个单位，处于轻度碱性的水平。松原市、白城市的土壤盐碱化程度分别提高了 5.9% 和 1.3%，松原市盐碱化趋势更显著。中部半湿润平原区（长春市、四平市、辽源市、吉林市）的平均 pH 由 2008 年的 6.4 下降至 2018 年的 6.3，变化了0.1 个单位，其中长春和四平两市大部分农田土壤处于中性水平，pH 基本分布在 5.5～7.5 之间。而辽源市、吉林市农田土壤 pH 相对较低，主要分布在 5.5～6.5 之间，大部分土壤处于偏酸性水平。东部湿润山区[通化市、白山市、延边朝鲜族自治州（简称延边州）]土壤主要为酸性或弱酸性，pH 平均值仍为 5.7，基本没有发生变化。综上所述，与 2008 年相比，2018 年全省中部和东部地区土壤仍有酸化趋势，但西部半干旱区土壤有盐碱化加重趋势，见表3、图2。

注：同行数据后字母不同表示差异显著；** 表示 P<0.01，* 表示 P<0.05。下同。

2.1.3 近 10 年不同土壤类型 pH 农田土壤变化特征

分析结果（表4，图3）表明，黑钙土大多数分布在 6.5～8.5 之间，占比为 91%，pH₂₀₁₈ 为 7.5 （5.2～8.8），与 pH₂₀₀₈ 相比下降了 0.1 个单位。草甸土和风沙土基本分布在 5.5～8.5 之间，占比为 86.9% 和 75.5%，比 pH₂₀₀₈ 分别提高了 0.3 个单位和降低了 0.1 个单位。黑土主要分布在 5.5～7.5 之间，占比为 82.5%，比 pH₂₀₀₈ 下降 0.1 个单位。水稻土、暗棕壤和白浆土主要分布在 5.0～6.5 之间，占比分别为 79.9%、74.7% 和 77.1%；与 pH₂₀₀₈ 相比略有下降。盐碱土基本分布在 6.5～8.5 之间，2018 和 2008 年占比分别为 53.8% 和 100%，2018 年碱性土壤占比达到 46.2%，平均 pH₂₀₁₈ 为 8.7（8.2～9.9），而 pH₂₀₀₈ 为 7.5（7.2～7.8），碱性变化趋势明显。

将 pH₂₀₁₈ 与 pH₂₀₀₈ 相比，黑土、黑钙土和草甸土逐渐趋于中性，有土壤 pH 改善迹象；白浆土、暗棕壤和风沙土呈现酸化趋势；而盐碱土 pH 上升了 1.2 个单位，盐碱性有明显增强趋势。

2.1.4 近 10 年不同作物农田土壤 pH 值变化特征

吉林省主要农作物为玉米、水稻和大豆，不同作物土壤的 pH 分布也有一定差异（表5、图4）。吉林省种植玉米的土壤平均 pH₂₀₁₈ 为 6.5（5.8～7.2），比 pH₂₀₀₈ 降低 0.1 个单位，主要分布在 5.5～7.5 之间，占比由原来的 69.2%（变异系数 14.5%）降到 68.1%（变异系数 14.4%）。种植水稻的土壤平均 pH₂₀₁₈ 为 6.1（5.7～6.6），比 pH₂₀₀₈ 降低了 0.2 个单位，主要分布在 5.5～7.5 之间，占比由原来的 70.7%（变异系数 11.6%）降低到 70.4%（变异系数 11.3%）。大豆的平均 pH₂₀₁₈ 为 5.9（5.5～7.3），比 pH₂₀₀₈5.8（5.4～7.3）提高 0.1 个单位，主要分布在 5.5～7.5 之间，比例由原来的 66.4%（变异系数 11.7%）提高到 67.5%（变异系数 10.8%）。可见，种植水稻的土壤有明显的酸化趋势，而种植大豆的土壤有修复土壤酸化的效果。

2.2 吉林省耕地土壤 pH 空间分布特征

综合地市尺度的土壤 pH状况可明显看出（图5），吉林省农田土壤 pH 整体上呈现自西向东逐渐降低的空间分布，通过对吉林省 2008 和 2018 年各市（州）、作物耕地土壤 pH 插值并进行不同等级面积统计分析 （图6），结果表明 2018 年吉林省酸性（pH ≤ 5.5）土壤占耕地总面积的 5.7%；弱酸性（5.5<pH ≤ 6.5）土壤占 36.9%，中性（6.5<pH ≤ 7.5）土壤占 32.4%，弱碱性（7.5<pH ≤ 8.5）土壤占 24.3%；碱性（pH>8.5） 土壤占 0.7%。与 2008 年各级土壤耕地总面积占比相比较，酸性土壤占比下降了 1.6 个百分点；弱酸性土壤占比上升了 2.9 个百分点，中性土壤占比上升了 2.5 个百分点，弱碱性土壤占比下降了 4.2 个百分点；碱性土壤占比上升了 0.4 个百分点。土壤酸性趋势已有所缓解，但碱性盐碱耕地有加重趋势。

2018 年各级土壤中，酸性土壤主要集中在延边州和吉林市，尤其是吉林市酸性土壤面积增加明显，增加了 1.4 个百分点。弱酸性土壤以长春市、吉林市和通化市分布较多，长春市占比上升了 1 个百分点，而吉林市与之变化相反，下降了近 2 个百分点。中性土壤主要分布在松原市、长春市和四平市，相比 2008 年长春市下降了 2.6 个百分点，而松原市上升了 0.8 个百分点，四平市上升了 0.5 个百分点。弱碱性土壤大多分布在松原市和白城市，白城市弱碱性土壤面积增加了 2.6 个百分点；碱性土壤也主要分布在白城市和松原市，与 2008 年相比松原市的碱性土壤占比提高了 0.06 个百分点，而白城市则降低了 0.55 个百分点。

从作物角度来看，吉林省主要是玉米种植区，占总耕地面积的 80% 以上。10 年间种植玉米的土壤中酸性土壤面积占比从 5.2% 上升至 6.7%，上升了 1.5 个百分点；碱性土壤面积占比由 0.73% 下降至 0.22%，变化了近 0.5 个百分点。水稻的酸性土壤面积占比上升了 0.11 个百分点，中性土壤面积占比下降了 0.88 个百分点，大豆各级土壤面积占比变化不足 0.1%。

3 讨论

3.1 自然因素对 pH 的影响

土壤 pH 作为区域化变量，受土壤类型^[22]、土地利用方式^[23]、地貌类型^[24] 和成土母质类型^[25]等多种自然和人为因素的影响，在不同地区存在差异。吉林省农田土壤的 pH 具有显著的区域性特征^[26]。西部半干旱平原区的松原市、白城市农田土壤弱碱性明显，这很可能由于西部降水量偏低，年潜在蒸发蒸腾量大于年降水量，水蒸发蒸腾后盐分留在土壤中，土壤类型以黑钙土和风沙土为主，土壤团粒结构较好，砂粒的不断积累也会导致土壤中的碳酸钙含量随之不断增高。中部半湿润平原区的长春市、四平市、辽源市、吉林市以黑土、棕壤、水稻土为主，雨热同季有利于微生物繁殖及降解，土壤呈中性且肥力较高。而东部湿润山区的通化市、白山市、延边州过去曾是森林覆盖区，基本以暗棕壤和白浆土为主，土体和黑土层较薄，属于强酸性至微酸性土壤。

从土壤形成的历史变化过程可以看出，pH 的长期时空变化特征主要取决于自然因素，在自然状态下，1 个单位土壤 pH 的变化需要至少百年以上的时间^[27]。比如我国现在南酸北碱的土壤格局就是受长期的自然因素影响所致。但人为影响也不应忽视，从 20 世纪 80 年代至 21 世纪，我国土壤 pH 值平均下降约 0.5 个单位^[17]，其主要是由于人为因素而导致的。而吉林省自第二次土壤普查工作以来的 30 年里，耕地土壤 pH 平均下降 0.8 个单位，明显高于全国整体平均的水平，说明影响到区域土壤 pH 下降的本质原因已并非单纯的自然成土阶段影响，而是人为因素的强烈影响，尤其是农业活动。

3.2 人为因素对 pH 的影响

pH 变化与耕地模式、种植管理的改变、施肥量等人为因素有密切关系。Zhao 等^[28]利用 114 篇公开发表文献中的 1059 对数据进行 Meta 分析，发现与常规耕作相比，免耕条件下土壤 pH 显著降低 1.33%。免耕会增加土壤 pH 降低的幅度，可能会加剧土壤酸化。近年来，吉林省种植结构发生了变化，玉米作物种植量增多，大豆种植减少，玉米等高产作物收获会从土壤中带走过量的盐基离子，从而导致土壤中碱性物质大量消耗^[29]，加速了土壤酸化。而 Lal 等^[30]研究发现，不当的农业措施如过量施用氮肥等所引起的土壤酸化程度比酸沉降影响还要大 20 倍以上。郭治兴等^[31]研究指出，化肥的过量施用会促进耕地土壤向酸性方向发展，使土壤酸化。因为长期连年过量施用化肥，作物吸收后剩下的酸根会与土壤中氢离子结合生成酸，导致土壤酸性增强。生理酸性肥料如氮肥中硫酸铵、氯化铵施入土壤后，被植物选择吸收 NH₄ ⁺ 等，剩余部分的酸根也会使土壤酸化。

采取测土配方施肥、化肥减施、平衡施肥、添加有机物料、增强水肥调控、减缓酸沉降等措施会减缓或改善土壤酸化趋势。吉林省的农业化肥用量从 1979 年 19.3 万 t 增加到 2015 年的 231.24 万 t，增长近 10 倍多，2005 年国家推广配方施肥至今已近 15 年，实施了均衡施肥并有针对性的添加微量元素，施肥配比趋于合理^[32]，产量和肥料利用率都得到了显著提高。2015 年国家提出“化肥农药”零增长计划起，农田开始降低化肥用量，同时也实现了粮食产量的稳定。过量氮肥的硝化是土壤产生 H⁺ 的重要机制，按需施肥使氮利用率提高，也使土壤酸化压力得到缓解^[33]。忽视镁、钙等碱性元素及微量元素的施用，偏施氮磷肥会导致土壤 pH 发生改变，因此氮磷钾均衡施肥有利于缓和土壤酸化^[34]。同时增施有机肥可以保持甚至还会提高土壤的酸碱缓冲性能，孟红旗等^[35]研究表明，选择碱度较高的有机肥（如高温堆肥或厩肥）可减缓土壤酸化趋势。Zhu 等^[36]、 Cai 等^[37]研究表明，与单施化肥相比，长期化肥配施有机肥会显著降低土壤酸化速率。

吉林省水稻种植区酸化可能是由于在农业生产过程中不合理的灌溉加剧土壤碱基离子的迁移和淋失现象的发生，进而更多的致酸离子累积在土壤的表层，加剧土壤酸化进程^[38]，不合理的大水漫灌措施还会导致次生盐碱化严重。在本文中，西部半干旱平原区盐碱化加重也可能与长期进行大水漫灌的水稻种植模式有关。仇振杰等^[39]研究结果表明在精量灌溉和水肥调控等方面，滴灌技术具有优势，它在减缓土壤酸化的进程方面具有一定的可行性。因此，在集合要素优势，节约生产成本的农业生产过程中，采用更为合理的灌溉方法和水肥管理调控措施，优化水肥运筹对防治或减轻土壤的酸化和盐碱化趋势具有重要的意义。

随着经济收入的增加，机动车数量不断增长，尾气排放和肥料过量施用等问题不仅影响大气环境，而且易形成酸雨。在酸雨影响下土壤中酸性物质沉降会降低土壤中酶活性，酸性物质不断沉降是造成旱地土壤 pH 较低的主要因素之一^[40]。随着我国新能源车和环保措施的不断完善及过量施氮现象的减少，未来酸物质沉降现象将会得到缓解，同时众多研究也表明秸秆还田可以改良土壤的酸碱度^[41]，这是因为秸秆收获时会从土壤中带走大量的碱性物质。一方面，秸秆还田可以直接缓解土壤的酸化程度，另一方面，秸秆还田甚至还可以通过增加土壤有机质的含量和土壤养分，进而提高土壤缓冲性能等。截至 2022 年初，据吉林省发改委部门和农业部门测算，全省全年秸秆可收集利用量约 4000 万 t。随着保护性耕作技术和综合利用方式的推广，吉林省秸秆综合利用量超过 2800 万 t。在土壤主体呈不断酸化趋势的吉林省可以通过秸秆还田来间接性的缓解土壤酸化的一系列问题。

3.3 pH 变化对未来的影响

土壤酸化对于土壤生产力及其他生态效应有着非常重要的影响^[42]。土壤酸化会破坏土壤系统中的生态平衡，H⁺ 浓度过高则会影响植物根系细胞膜渗透性，进一步影响其对营养的吸收；土壤生境改变，微生物群落失衡，对酸比较敏感的微生物数量减少，微生物活性也会降低，进而影响有机质的分解、各种元素和各种物质的有效循环。土壤酸化对温室气体排放也有一定的影响，一定程度的酸化累积会促进 CO₂ 气体的排放，随着酸化累计程度的逐渐加深，土壤系统中的碳元素、氮元素以及其他养分元素含量也会产生差异，CH₄ 和 NO₂ 的排放量也会增加^[43]。土壤酸化还会造成作物减产甚至绝收、土壤中有毒重金属元素的富集、环境的恶化等一系列影响人类生存环境的问题^[44]。

农田土壤 pH 在 2010 年以后呈现上升趋势也得到了较多研究专家和专业学者的认可^[45]，根据农业农村部耕地质量监测保护中心的统计结果表明^[46]，近 10 年来酸性土壤（pH<5.5）的占比均略有降低，这也与本文研究结果一致。吉林省农田耕层土壤按照时间阶段来看，1978—2008 年的 30 年时间内发生酸化的面积最大，2008—2018 年的 10 年阶段酸化现象明显出现缓和。这与 1984—2005 年化肥用量持续增长和 2005 年后大力推行秸秆还田和配方施肥的土壤管理转变相契合。由此可见，在保证粮食生产要求的前提下，严格的控制氮肥施用量，实行秸秆还田及有机无机肥料混施是缓解吉林省农田土壤酸化的重要途径^[26]。

4 结论

从 1980 年至今的近 40 年间，虽然农田土壤的平均 pH 仍有一定程度的下降，但酸化趋势有一定的减缓。而盐碱耕地出现严重盐碱化趋势。在农业上应该积极地控制化肥的过量施用并合理的添加有机物料如秸秆和有机肥，从而缓解土壤酸化和碱化的趋势，以实现吉林省土壤肥力的提高和养分平衡的稳定供应。

参考文献