宜兴市是江苏省为数不多有山、有水、有平原,工业化、农业化、城镇化水平都较高的县级市,也是江苏省生态地球化学调查工作最详细的地区之一。调查表明,该地区土壤pH值分布差异性较大。而pH值是土壤理化性质最重要的指标之一^[1],土壤酸碱度同特定的气候、地形、成土母质、植被以及成土过程的长短均有密切关系^[2],土壤pH值不仅影响土壤养分的有效性及土壤肥力,而且影响土壤中Cu、Zn、Pb、Cd、Mn、Cr和Ni等重金属元素的存在形态、生物有效性及其迁移能力^[3]。因此,研究该区土壤pH值及其变化具有十分重要的意义。

宜兴市地处江苏省南端,有“三山、二水、五分田”之称。研究区面积1 862 km²,南部以山、盆相间的丘陵山地为特点,北部基本为平原。南部盆地形成于向斜构造,分张渚和湖滏两个盆地,盆地边缘多出露志留系、泥盆系地层,标高多大于200 m;盆地内侧为石炭系、二叠系、三叠系青龙组地层和部分侏罗系火山岩,标高在100 m左右。低山丘陵前缘分布有面积不大的台地。北部平原按成因可分为冲湖积平原和湖沼积平原,平原区内有若干残丘分布(图1)。

江苏省地质调查研究院分别于2004、2009、2015年在宜兴地区开展了1:25万、1:10万和1:5万土壤地球化学调查工作。其中,1:25万调查的土壤采样密度为1件样/km²,4 km²组合成1件分析样,共采集1 736件土壤样品,437件组合分析样;1:10万调查的采样密度为1件样/km²,共采集1 157件样品;1:5万调查的采样密度为8~16件样/km²,共采集4 630件样品。表层土壤采样深度为0~20 cm,其中1:5万和1:10万调查以采集农田土壤样品为主,均为单点样分析。为研究土壤环境特征,在本区还采集了3个土壤柱样品,深度为200 cm。土壤样品放入布袋中保存,经自然风干后用木制工具碾碎,剔除样品中的动植物残体及可见侵入体,过20目筛,装入纸质样袋送实验室分析。

样品分析测试由国土资源部南京矿产资源监督检测中心完成。pH值采用蒸馏水以水土比为5:1浸提后,采用pH计(电位法)测定。样品测试的准确度、精密度和数据报出率等均符合《多目标区域地球化学调查规范》DD2005-1和DZT0258-2014质量要求,分析质量可靠。

为客观反映研究区内土壤pH值的时空变化规律,对2004、2009和2015年样品数据采用统一分级标准,分别绘制2015年土壤pH分布现状图和3个不同年份的土壤pH等值线图(Kriging插值法)。对2009年与2015年样品数据采用MapGIS 6.7空间分析,以公里网为单元格(1 km²),将采样点进行叠加,剔除两期不相对应的采样单元,按地貌类型对表层土壤的变化情况进行统计分析。土壤pH值分级^[4]与pH值变化分级^[5]按5级分级标准,如表1所示。

图1反映了2015年1:5万调查获得的土壤pH值的分布情况, 其中pH值<4.5的土壤基本分布于低山丘陵区,pH值大于7.5的区域主要分布在张渚、湖滏盆地及台地之中,平原区只有零星分布。根据2015年土壤pH值统计结果(表2),研究区内pH最小值为3.53,分布在低山丘陵区,最大值为8.86,分布在冲湖、湖沼平原区;台地区和冲湖积、湖沼积平原区的pH平均值差别不大,分别为6.31和 6.15;低山丘陵区的pH平均值较低为5.52。变异系数反映了pH值在区域内的变异程度,低山丘陵区的变异系数为0.19,台地区的变异系数为0.16,冲湖积、湖沼积平原区的变异系数为0.13,说明低山丘陵区的土壤pH值分布差别较大,其次为台地区,冲湖积、湖沼积平原区的土壤pH值分布差异性相对较小。

图2反映了不同地貌类型土壤pH值的分布情况。由图可见,低山丘陵区土壤pH值集中在4.5~6.5,占样品总数的69.8%,说明低山丘陵区土壤以酸性和微酸性为主,中性和微碱性土壤样品分别占8.8%和8.7%,强酸性土壤样品占12.7%,由于山区采样点较稀,强酸性土壤实际面积要比样品占比大得多;台地区土壤pH值集中在5.0~6.5,占样品总数的54.5%,中性和微碱性土壤样品分别占 18.7%和18.6%,酸性和强酸性土壤样品分别占24.5%和0.4%,说明台地区土壤以微酸性土壤和酸性土壤为主,中性和微碱性土壤亦占有一定比例,强酸性土壤只有个别样点存在;冲湖积、湖沼积平原区土壤以微酸性为主,占样品总数的46.66%,中性和酸性土壤各占样品总数的27.49%和23.15%,微碱性土壤分布只占样品总数的2.55%,强酸性土壤只有个别样点存在。

为了解研究区土壤pH值的垂向分布特征,分别在台地区、湖沼积和冲湖积平原区各布设了1个采集深度为200 cm的土壤柱采样点(见图1),土壤柱的垂直采样距离是在0~1 m深度内,每10 cm采集一件样品,1~2 m深度内每20 cm采集一个样品。T1土壤柱采自研究区东南部的台地,其pH平均值为5.17,属酸性土壤,最大值与最小值的差为0.27,说明该处土壤pH值垂向变化较小;T2土壤柱采自湖沼积平原,其20 cm以浅pH值在6.23左右, 30 cm以下pH值显著增大, 30~180 cm pH值在7左右, 180~200 cm pH值达7.89;T3土壤柱采自冲湖积平原,其20 cm以浅pH值在5.8左右, 20~40 cm pH值显著增大,40~200 cm pH值在7左右。T2、T3剖面表明,冲湖积、湖沼积平原区表层土壤比底层土壤pH值低1.2左右,底层土壤基本为中性(图3)。

宜兴地区的地貌分布特征与其地质背景关系密切。境内南部山体主要由志留系茅山组和泥盆系五通组砂岩构成,地势相对低缓和部分小山丘由部分石炭系和二叠系地层构成,三叠系地层主要分布在张渚和湖滏盆地核部边缘,侏罗系地层主要分布在西渚镇西南,第四系地层在本区台地和平原广泛分布。通过对不同地层土壤样品pH值统计分析(表3),志留系和泥盆系地层分布区的土壤以酸性为主,石炭系和二叠系地层分布的土壤pH平均值比较接近,分别为6.83和6.58,基本属中性,但也有微酸性和微碱性土壤分布,三叠系地层分布区的土壤基本为微碱性土壤,侏罗系地层分布区的土壤以微酸和酸性土壤为主,第四系地层分布区因受人类活动影响,pH值分布差异性较大,强酸性和微碱性土壤均有分布,其平均值6.12说明这一区域的土壤以微酸性为主。通过土壤pH值与元素的相关性分析,有2个元素与土壤pH值相关性较强,其中Ca呈正相关,相关系数为0.75,Si呈负相关,相关系数为0.26(图4)。本区石灰岩地层土壤多为中性或偏碱性,这是因为石灰岩的主要成分是碳酸钙(CaCO₃),在遇水和二氧化碳时发生化学反应生成碳酸氢钙[Ca(HCO₃)₂],而土壤pH值是土壤中氢离子活度的负对数^[6],这一现象尤以三叠系青龙组灰岩分布区的土壤最为明显。志留系、泥盆系及侏罗系地层岩石中石英含量丰富,因此土壤中Si的含量偏高,以酸性土壤为主。

从2004年宜兴地区土壤pH分布图(图5a)可以看出,中性土壤在区内分布面积最大,占总面积41%,其次为微酸性土壤,占总面积33%,酸性土壤面积占总面积17%,碱性土壤面积占8%,强酸性土壤只在个别地段略有分布。2009年宜兴地区土壤pH分布(图5b)以微酸性土壤为主,占总面积的42%,其次为中性土壤,占总面积的32%,酸性土壤占总面积的16%,碱性土壤占总面积9%,强酸性土壤只在山地有个别点分布,占总面积1%。2015年宜兴地区土壤以微酸性土壤为主,占总面积的39%,其次为酸性土壤,占总面积29%,中性土壤只占总面积18%,碱性土壤占总面积9%,强酸性土壤占总面积5%(见图5c)。从图5反映的三个不同时期土壤pH分布图可以看出,除碱性土壤区总体变化不大外,中性土壤面积在缩小,酸性土壤面积在扩大,土壤酸化现象明显。

表4和图6的统计结果显示,低山丘陵区土壤pH值2004至2009年下降了0.46个单位, 2009至2015年pH值下降了0.48个单位,有54.8%的面积pH值在下降, 24%的面积pH值在上升, 21.2%的面积pH值基本没有变化;台地区土壤2004至2009年pH下降了0.43个单位, 2009至2015年下降了0.45个单位,有49.2%的面积pH值在下降, 21.1%的面积pH值在上升, 29.7%的面积pH值基本没有变化;平原区土壤2004至2009年pH下降了0.35个单位, 2009至2015年下降了0.24个单位,有45.3%的面积pH值在下降, 25.6%的面积pH值在上升, 29.1%的面积pH值基本没有变化。统计结果还表明过去十多年间土壤pH值下降最快的区域是低山丘陵区,平均降幅为14.7%,其次为台地区,平均降幅12.7%,冲湖、湖沼积平原区pH值下降相对较缓,平均降幅为8.9%。

宜兴地区多年平均降水量为1 050 mm, 6~8月的降雨量约占全年总降水量的55%。据宜兴市环保局2010~2015年的环境状况公报显示(表5),该地区的酸雨发生率为45.3%~100%,降水的pH值在3.53~7.02之间,多年平均值4.5(pH<5.6为酸雨),说明降水以酸雨为主。气温高、降雨量大会加剧降水淋溶作用,使土壤中盐基淋失,当土壤中的溶脱盐基不能被及时补给后就会形成不饱和的酸性土壤^[7]。在本区土壤pH值降幅与地形坡度关系密切,即存在低山丘陵区>台地区>平原区的特征,说明雨水(酸雨)冲刷、淋溶作用是导致土壤酸化的重要因素。

宜兴地区已成为我国经济最发达的地区之一,随着经济的迅速发展,城市化、工业化进程不断加快,耕地面积和林地面积不断减少,而建设用地却持续增长,各式环境问题也日益凸显。一方面,这种土地利用方式的改变会直接导致土壤性质的恶化;另一方面,城市化过程中人为地向周围土壤输入酸、碱物质会导致土壤出现极端的酸碱反应,其变异范围在3~12之间^[8]。在丁蜀镇以北宁杭高速公路西南,有一片区域在2009年前基本为农用地,到2015年后已基本改变为建设用地,从图7可以看出,土地利用发生变化的土壤pH以基本不变或碱化为主,而土地利用没有变化的土壤pH则以基本不变或酸化为主。据卢瑛等的研究,水泥、砖块和其他碱性混合物等进入周围土壤后向土壤中释放其所含的Ca,混凝土风化也向土壤中释放Ca,另外大量含碳酸盐的灰尘和沉降进入土壤,最终导致城市土壤趋向碱性,与自然土壤差异明显^[9]。图7中土壤pH值的变化特征,基本反映出宜兴地区土壤pH值的时空变化规律。

工业化迅猛发展导致的土地利用性质改变和“三废”的增加,已经成为局部地区土壤急剧酸化或碱化的重要因素,如采矿、化工、电镀、印染、造纸等都会产生高浓度的碱性水或酸性水,这些工业废水通过水循环进入土壤,会使pH值出现异常。火力发电、工业生产燃烧煤炭排放出来的二氧化硫,燃烧石油以及汽车尾气排放出来的氮氧化物等造成的酸性干湿沉降物,通过大气扩散或降水淋溶后都将加速土壤pH值的下降。

改革开放以来,粮食产量不断提高,虽然离不开各种种植技术的进步,但其中化肥施用具有重要贡献。大量施用化肥,特别是氯化钾、硫酸铵、氯化铵等微酸性化肥的不适当施用,不仅会导致土壤的氮磷钾比例的失调,而且会造成土壤酸化^[10]。

宜兴地区土壤pH值的范围在3.53~8.59之间,pH值分布主要受成土母质影响,其中酸性和强酸性土壤主要分布在低山丘陵砂岩地层分布区,微碱性土壤主要分布在石灰岩地层分布区,冲湖积和湖沼积平原区以微酸性为主。比较3个不同时期表层土壤pH值的变化,该地区土壤10多年来总体呈酸化趋势,按其下降幅度具有低山丘陵>台地>平原的特征。土壤pH值的变化幅度与其初始值呈负相关,这主要是因为pH值低的土壤盐基饱和度低,对酸性物质的输入较敏感,土壤缓冲性能较差,因而pH值下降幅度较大^[11]。由于工业化城市化的发展造成环境的改变,本区土壤以酸化为主,部分碱化土壤,主要是由基本建设中碱性物质进入土壤造成的,酸化的土壤受酸雨淋溶作用明显,在农耕等多因素的长期影响下,平原区表层土壤要比底层土壤pH值低1.2左右,表层土壤酸化主要发生在耕作层,深度在30 cm左右,底层土壤基本为中性。

土壤酸化不仅会造成农作物产量的下降,还会造成土壤理化性质的改变。土壤酸碱度被认为是影响重金属有效性重要因素之一,土壤pH值与水稻籽实中Cd、Cu、Hg、Zn呈负相关性^[12]。因此对待土壤酸化有必要采取一定的酸化控制对策,施用生石灰是治理耕地酸化最普遍的方法,石灰不仅能有效治理耕地酸化,还能为作物提供钙素营养,消除因土壤酸化引起的作物病害。建议pH值在5.0~6.0之间的耕地,每667 m²施用生石灰70 kg,pH在4.5~5.0之间的耕地,每667 m²施用生石灰150 kg^[13]。要应时、应土、因作物配方施肥,保持土壤和作物的供求平衡,使土壤中的Ca、Mg、K等离子处于一种相对平衡状态,可有效控制土壤酸化,进一步提高农产品的产量和质量。