耕地土壤酸化時(shí)空變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u2812耕地土壤酸化時(shí)空變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析綜述 1186111.1耕地土壤pH多因子綜合模型構(gòu)建 134061.1.1指標(biāo)體系的確定 1233391.1.2結(jié)構(gòu)模型的假設(shè) 281201.1.3模型評(píng)估 310441.2耕地土壤pH因子關(guān)系結(jié)構(gòu)分析 5193671.2.1不同時(shí)期耕地土壤pH多因子綜合模型分析 5140571.2.2耕地土壤酸化多因子綜合模型分析 939401.3主要影響因子分析 12221751.3.1氣象因素對(duì)耕地土壤pH時(shí)空變化影響分析 12288231.3.2農(nóng)業(yè)投入對(duì)耕地土壤pH時(shí)空變化影響分析 13283231.3.3農(nóng)業(yè)產(chǎn)出對(duì)耕地土壤pH時(shí)空變化影響分析 14327291.3.4人地壓力對(duì)耕地土壤pH時(shí)空變化影響分析 161.1耕地土壤pH多因子綜合模型構(gòu)建1.1.1指標(biāo)體系的確定土壤酸堿性影響因素復(fù)雜多樣，進(jìn)行土壤酸化治理的前提是對(duì)其影響因子有全面的了解，并對(duì)主要因子采取有針對(duì)性的治理，以緩解土壤酸化趨勢(shì)。為合理評(píng)估湖北省土壤酸化的影響因素，本研究綜合參考土壤發(fā)生發(fā)育學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)、國內(nèi)外關(guān)于土壤pH變化所構(gòu)建的影響因子指標(biāo)集及相關(guān)研究成果，同時(shí)兼顧數(shù)據(jù)的適用性及易獲取性，從地形、氣象、人地壓力、農(nóng)業(yè)投入、農(nóng)業(yè)產(chǎn)出五個(gè)方面，構(gòu)建由5個(gè)外源潛變量和25個(gè)外源顯變量組成的耕地土壤pH多因子綜合模型，分別用以解析湖北省1980年、2017年土壤pH在空間變化上及1980年-2017年土壤pH在時(shí)間變化上受各影響因子間的交互作用。具體指標(biāo)體系如表5-1所示。其中，1980年和2017年耕地土壤pH綜合模型中各外源顯變量均根據(jù)當(dāng)年數(shù)值計(jì)算得到，1980年-2017年耕地土壤酸化綜合模型中各外源顯變量均根據(jù)近四十年數(shù)值變化計(jì)算得到，其中GST、RHU是年均值，PRE、SSD、EVP、NF、PF、KF是累積值，CPC、AMTP、AO、GR、CO、OI、PD、CP、NDVI是年均變化動(dòng)態(tài)值，所有參模數(shù)據(jù)均標(biāo)準(zhǔn)處理。表5-1指標(biāo)體系Table5-1IndexSystem潛變量顯變量土壤酸堿性(ACI)土壤pH(pH)地形（TER）高程（DEM)坡度(SLOPE)坡向(ASPECT)地形起伏度(RF)地形粗糙度(R)地表切割率(D)地形指數(shù)(T)緯度(NS)氣象（MET）地溫（GST）降雨（PRE）相對(duì)濕度（RHU）日照時(shí)長（SSD）蒸發(fā)量（EVP）人地壓力（POP）人口密度（PD）耕地壓力指標(biāo)（CP）農(nóng)業(yè)投入（AGI）氮肥（NF）磷肥（PF）鉀肥（KF）農(nóng)村用電量（CPC）農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力（AMTP）農(nóng)業(yè)產(chǎn)出(AGO)單位糧食產(chǎn)量（GR）單位棉花產(chǎn)量（CO）單位油料產(chǎn)量（OI）單位農(nóng)業(yè)產(chǎn)值指標(biāo)（AO）作物覆蓋度（NDVI）1.1.2結(jié)構(gòu)模型的假設(shè)土壤酸堿性變化是自然因素和外在人為干擾共同作用的結(jié)果。從自然的角度看，區(qū)域地質(zhì)地貌、氣候等的變化是土壤發(fā)生發(fā)育的自然因素，人為因素往往疊加在自然因素上，作用于土壤，它們對(duì)土壤酸堿性變化的影響是多方面的、不確定的。自然因素與外在人為干擾因素間錯(cuò)綜復(fù)雜的交互作用，以及對(duì)不同區(qū)域、不同時(shí)期土壤酸堿性變化的因果反饋關(guān)系的解析，是合理構(gòu)建土壤酸化治理模式、優(yōu)化區(qū)域自然資源和社會(huì)資源配置、實(shí)現(xiàn)耕地生態(tài)保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)和諧發(fā)展的前提與基礎(chǔ)。圖5-1結(jié)構(gòu)模型框架Fig.5-1Structuralmodelframework基于先驗(yàn)知識(shí)構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型的基本框架，如圖5-1所示。地形、氣象、人地壓力、農(nóng)業(yè)投入和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出表示耕地土壤酸堿性變化的動(dòng)因，為外源潛變量，耕地土壤酸堿性表示作用的結(jié)果，為內(nèi)生潛變量。在考慮各潛變量對(duì)耕地土壤酸堿性變化的直接作用上，分析自然因素通過影響人地壓力、農(nóng)業(yè)投入和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出對(duì)土壤酸堿性產(chǎn)生的間接作用。人地壓力對(duì)農(nóng)業(yè)投入及產(chǎn)出的影響間接改變著耕地土壤酸堿性。農(nóng)業(yè)投入在直接影響土壤酸堿性變化的同時(shí)，也關(guān)注其對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的影響，以及由此產(chǎn)生的對(duì)土壤酸堿性的間接作用。1.1.3模型評(píng)估模型中，每個(gè)潛變量到顯變量的因子負(fù)荷和每一條路徑上的系數(shù)都是根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)所確定需要的參數(shù)，稱為驗(yàn)證性部分，模型評(píng)估主要是針對(duì)這部分代表的假設(shè)內(nèi)容進(jìn)行分析。通過對(duì)每個(gè)潛變量多次測量驗(yàn)證，適度修改模型設(shè)計(jì)，得到模型最終構(gòu)建形式。表5-2為三個(gè)模型的信效度檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，三個(gè)模型的α、rho在0.60-1.00之間，且多數(shù)在0.90左右，且eig.1均大于1，說明模型具有較好的信度，測驗(yàn)具有穩(wěn)定性、一致性，可進(jìn)一步驗(yàn)證模型的效度。AVE值在0.50-1.00之間，說明三個(gè)模型中各潛變量下的顯變量之間一致性較高，收斂性較好，能夠代表潛變量所期待內(nèi)容。表5-2模型信效度評(píng)估Table5-2Evaluationofthereliabilityandvalidityofthemodel潛變量1980年模型2017年模型1980年-2017年模型αrhoeig.1AVEαrhoeig.1AVEαrhoeig.1AVETER0.950.964.140.830.930.953.960.780.930.953.970.78POP0.630.841.460.720.640.701.070.521.001.001.001.00MET0.890.951.800.900.780.901.640.680.900.942.490.83AGI0.840.893.060.610.870.922.370.790.630.722.000.54AGO0.650.792.020.500.890.932.440.810.600.741.650.55ACI1.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.00構(gòu)建潛變量間的相關(guān)系數(shù)矩陣，其中對(duì)角線上的值為各潛變量AVE的開根號(hào)結(jié)果，其余數(shù)值均為各潛變量兩兩之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表5-3所示。通過比較可發(fā)現(xiàn)，對(duì)角線上的值均大于該潛變量與其它潛變量間的相關(guān)性，說明各潛變量沒有較強(qiáng)的相關(guān)，均具有較好的區(qū)別效度。表5-3潛變量間的相關(guān)性Table5-3Correlationsbetweenlatentvariables模型潛變量TERPOPMETAGIAGOACI1980年模型TER0.91POP-0.500.85MET-0.240.410.95AGI-0.460.590.510.78AGO-0.470.820.530.760.70ACI-0.08-0.16-0.29-0.08-0.221.002017年模型TER0.88POP-0.370.72MET-0.540.250.82AGI0.26-0.29-0.210.89AGO-0.340.360.310.280.90ACI-0.210.020.26-0.070.181.001980年-2017年模型TER0.89POP0.131.00MET-0.22-0.040.91AGI0.18-0.13-0.650.73AGO-0.190.530.41-0.430.74ACI-0.12-0.080.12-0.090.031.00在驗(yàn)證完耕地土壤pH多因子綜合模型的信度和效度基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步對(duì)模型中的假設(shè)路徑使用Bootstrapping法進(jìn)行重采樣評(píng)估，模型的路徑系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果如表5-4所示。三個(gè)模型中各路徑系數(shù)的P值均小于0.01，即通過了顯著水平的檢驗(yàn)，同時(shí)Bootstrapping得到的路徑系數(shù)值在95%的置信區(qū)間內(nèi)均為同正負(fù)性，說明經(jīng)過1000次重復(fù)抽樣后，本研究所構(gòu)建的模型穩(wěn)定性較好。GOF為模型的整體性能評(píng)估指標(biāo)，1980年、2017年、1980年-2017年耕地土壤pH多因子綜合模型的GOF值分別為0.54、0.47、0.41，屬中等程度擬合，說明這三個(gè)模型能在一定程度上反應(yīng)湖北省三期耕地土壤pH影響因素的差異及程度。表5-4模型路徑系數(shù)顯著性檢驗(yàn)及擬合結(jié)果Table5-4Significancetestandfittingresultsofmodelpathcoefficient潛變量1980年模型2017年模型1980年-2017年模型95%置信區(qū)間p值GOF95%置信區(qū)間p值GOF95%置信區(qū)間p值GOFTER→POP-0.52~-0.48***0.54-0.38~-0.36***0.470.08~0.12***0.41TER→MOD-0.23~-0.18***0.13-0.16***0.04~0.09***POP→MOD0.33~0.38***0.24~-0.20***-0.22~-0.11***MET→MOD0.29~0.34***-0.09~-0.06***-0.67~-0.61***TER→AGR0.01~0.03***-0.24~-0.21***-0.20~-0.13***POP→AGR0.61~0.63**0.35~0.38**0.39~0.64***MET→AGR0.09~0.12***0.19~0.21***0.25~0.39***MOD→AGR0.33~0.37***0.46~0.50***-0.19~-0.09***MET→ACI-0.31~-0.24***0.19~0.22***0.04~0.18**MOD→ACI0.22~0.32***-0.08~-0.05***-0.05~-0.02***AGR→ACI-0.33~-0.23***0.11~0.14***-0.07~-0.02***注：*為p<0.05;**為P<0.01;***為P<0.001，為達(dá)到顯著性水平的直接列出P值大小。1.2耕地土壤pH因子關(guān)系結(jié)構(gòu)分析1.2.1不同時(shí)期耕地土壤pH多因子綜合模型分析圖5-2分別為1980年和2017年各因子交互作用對(duì)耕地土壤pH的PLSPM模型結(jié)果圖。其中潛變量到顯變量的標(biāo)準(zhǔn)化因子負(fù)載系數(shù)估計(jì)值代表了前者對(duì)后者的解釋程度，數(shù)值的正負(fù)性則表明解釋的方向差異。而潛變量之間的標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)則代表影響程度，數(shù)值正負(fù)表明影響的方向差異。結(jié)合表5-5、圖5-3通過分解潛變量間的直接效應(yīng)、間接效應(yīng)和總效應(yīng)，剖析各潛變量之間的關(guān)系及對(duì)土壤酸堿性的主要影響程度。地形主要通過間接作用影響耕地土壤酸堿性在空間上的變化，兩時(shí)期的總效應(yīng)方向相反，這與其中間路徑效應(yīng)大小及方向有關(guān)。地形對(duì)人地壓力、農(nóng)業(yè)投入、農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的直接效應(yīng)1980年分別為-0.50、-0.39、0.02，2017年分別為-0.37、0.14、-0.23，即說明在研究期間，地形對(duì)人地壓力在空間上的限制變小了，同時(shí)由于生產(chǎn)技術(shù)與能力的發(fā)展，農(nóng)業(yè)不僅僅只著眼于地形較為平坦的區(qū)域，在一些地形較為復(fù)雜的地方也可以進(jìn)行農(nóng)業(yè)勞作，因此地形對(duì)農(nóng)業(yè)投入在2017年表現(xiàn)為正向影響，而由于耕地分布在地勢(shì)上的變化，2017年時(shí)地勢(shì)復(fù)雜的區(qū)域，可能其受到的熱能水能等條件達(dá)不到完全滿足，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)產(chǎn)出相對(duì)較低。這些中間效應(yīng)的變化，間接影響著土壤pH值在空間上的分布，最終地形對(duì)耕地土壤pH的總效應(yīng)在1980年為0.01，2017年為-0.05，即1980年時(shí)期地勢(shì)平坦的區(qū)域耕地土壤pH相對(duì)較低，而在2017年則相反。人地壓力潛變量由人口密度和耕地壓力構(gòu)成，其兩時(shí)期的顯變量負(fù)載變化差異不大，對(duì)耕地土壤酸堿性也表現(xiàn)為間接作用。1980年人地壓力通過農(nóng)業(yè)投入、農(nóng)業(yè)產(chǎn)出所對(duì)耕地土壤酸堿性產(chǎn)生的間接效應(yīng)為-0.11，即人地壓力越大的區(qū)域，耕地土壤pH相對(duì)較低。由圖5-2可看出，人地壓力對(duì)農(nóng)業(yè)投入（0.36）、農(nóng)業(yè)產(chǎn)出（0.62）有一定的促進(jìn)作用，勞動(dòng)力資源是增加農(nóng)業(yè)投入、提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的重要原始驅(qū)動(dòng)力，人口越密集、耕地壓力越大的區(qū)域，對(duì)資源的需求越多，刺激了農(nóng)業(yè)投入的增大，具體表現(xiàn)為單位面積內(nèi)施用氮磷鉀肥量增加，農(nóng)業(yè)機(jī)械、電力應(yīng)用擴(kuò)大，同時(shí)農(nóng)業(yè)投入與勞動(dòng)力較多的區(qū)域帶動(dòng)了更高的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出，耕地土壤的承受壓力加大，使得該區(qū)域耕地土壤pH相對(duì)較低，會(huì)加劇耕地土壤酸化的趨勢(shì)。2017年人地壓力對(duì)耕地土壤酸堿性的間接效應(yīng)表現(xiàn)為正向作用，路徑系數(shù)為0.05，主要是其間接路徑中人地壓力對(duì)農(nóng)業(yè)投入的直接效應(yīng)為抑制作用，即人地壓力越大的區(qū)域，農(nóng)業(yè)投入如單位面積氮肥、磷肥、鉀肥使用量越小，可能與該時(shí)期研究區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化、農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移有關(guān)，這與同時(shí)期人地壓力對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的直接效應(yīng)程度減小一致，進(jìn)而間接削弱耕地土壤pH降低的趨勢(shì)。氣象是造成耕地土壤酸堿性空間分布差異的主要自然因素，其兩期構(gòu)成的顯變量有所不同。1980年氣象由年累積降雨（0.96）和年均相對(duì)濕度（0.94）構(gòu)成，對(duì)耕地土壤酸堿性的總效應(yīng)為-0.25，其中直接效應(yīng)為-0.28，潮濕多雨的氣象勢(shì)必會(huì)增加對(duì)土壤的淋溶作用，淋溶過程帶走的堿性物質(zhì)將會(huì)降低土壤對(duì)酸的緩沖性，即潮濕多雨的區(qū)域，耕地土壤pH值相對(duì)較低，同時(shí)潮濕多雨的氣候?yàn)樽魑锷L提供了充足的水分，因此會(huì)促進(jìn)該區(qū)域的農(nóng)業(yè)投入（0.31）和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出（0.10），間接削弱了一部分直接效應(yīng)，但削弱程度較小。2017年氣象對(duì)耕地土壤酸堿性的直接效應(yīng)為正向（0.21），這與其構(gòu)成的顯變量年累計(jì)降雨（-0.62）、日照時(shí)長（0.92）和蒸發(fā)量（0.89）有關(guān)，且主要表征年累計(jì)日照時(shí)長和蒸發(fā)量對(duì)耕地土壤酸堿性的影響。日照時(shí)長越長、蒸發(fā)量越大，而降雨量越小，即較干燥的區(qū)域，鹽基淋溶越少，且隨著土壤中水分的蒸發(fā)，下層的鹽基物質(zhì)易跟著毛管水的上升而集聚于耕地表層，使土壤具有石灰性反應(yīng)。同時(shí)較干旱的地區(qū)土壤水分保持時(shí)間較短，作物對(duì)肥料的吸收率降低，施肥量不易過大，因此抑制了農(nóng)業(yè)投入（-0.08）的強(qiáng)度，但其對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)出（0.20）的作用為正向，這與作物生長受到充足的光能、熱能有關(guān)，進(jìn)而間接對(duì)耕地土壤酸堿性產(chǎn)生影響（0.03），使得最終總效應(yīng)為0.24，即較為干燥的地區(qū)，耕地土壤pH相對(duì)較高。圖5-2不同時(shí)期耕地土壤pHPLSPM模型Fig.5-2PlspmmodelofsoilpHindifferentperiods農(nóng)業(yè)投入對(duì)耕地土壤酸堿性的總效應(yīng)在1980年和2017年存在差異。早期農(nóng)業(yè)投入的措施與方法相對(duì)較為傳統(tǒng)，整體投入程度較輕，且多一半的耕地土壤pH>6.5，酸緩沖性能較強(qiáng)，因此耕地土壤酸堿性對(duì)農(nóng)業(yè)投入的響應(yīng)為正向（0.27），然而考慮到農(nóng)業(yè)投入在促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)出（0.35）后會(huì)導(dǎo)致耕地土壤pH降低，產(chǎn)生的中間效應(yīng)（-0.10）間接減少了對(duì)耕地土壤pH的影響強(qiáng)度，使得最終總效應(yīng)為0.17。2017年表征單位面積氮肥（0.85）磷肥（0.93）鉀肥（0.88）的農(nóng)業(yè)投入強(qiáng)度的增大，會(huì)在土壤中產(chǎn)生大量的酸，打破土壤中H+的平衡，導(dǎo)致土壤pH降低的趨勢(shì)，直接效應(yīng)為-0.07，但由于間接效應(yīng)（0.06）的影響，使這趨勢(shì)有較大程度的緩減，總效應(yīng)為-0.01。農(nóng)業(yè)產(chǎn)出對(duì)耕地土壤酸堿性表現(xiàn)為直接效應(yīng)，1980年為-0.28，2017年為0.13。1980年表征農(nóng)業(yè)產(chǎn)出潛變量的觀測變量為農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值（0.65）、單位面積糧食產(chǎn)量（0.85）、棉花產(chǎn)量（0.61）和油料產(chǎn)量（0.66），其中單位面積糧食產(chǎn)量對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)出貢獻(xiàn)最大。農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、作物產(chǎn)量的增加，在一定程度上會(huì)加重耕地土壤的負(fù)擔(dān)，同時(shí)作物的生長會(huì)從土壤中移除鹽基離子，加劇耕地土壤酸化趨勢(shì)，因此農(nóng)業(yè)產(chǎn)出較高的區(qū)域，耕地土壤pH相對(duì)較低。2017年表征農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的顯變量分別為單位面積糧食產(chǎn)量（0.86）、棉花產(chǎn)量（0.94）和油料產(chǎn)量（0.91），其中單位面積棉花產(chǎn)量和油料產(chǎn)量貢獻(xiàn)最大。農(nóng)業(yè)產(chǎn)出對(duì)耕地土壤酸堿性呈現(xiàn)正向作用，即產(chǎn)量較低的區(qū)域，耕地土壤pH相對(duì)較低，是因?yàn)槌掷m(xù)的農(nóng)業(yè)輸出破環(huán)了土壤的結(jié)構(gòu)并降低了土壤的生產(chǎn)力，導(dǎo)致耕地土壤的酸緩沖能力減弱。表5-5不同時(shí)期潛變量間直接效應(yīng)、間接效應(yīng)和總效應(yīng)Table5-5Directeffect,indirecteffectandtotaleffectamonglatentvariablesindifferentperiods路徑1980年模型2017年模型直接效應(yīng)間接效應(yīng)總效應(yīng)直接效應(yīng)間接效應(yīng)總效應(yīng)TER→POP-0.50-0.50-0.37-0.37TER→AGI-0.21-0.18-0.390.140.080.22POP→AGI0.360.36-0.22-0.22MET→AGI0.310.31-0.08-0.08TER→AGO0.02-0.44-0.42-0.23-0.03-0.26POP→AGO0.620.130.740.37-0.110.26MET→AGO0.100.110.210.20-0.040.16AGI→AGO0.350.350.480.48TER→ACI0.010.01-0.05-0.05POP→ACI-0.11-0.110.050.05MET→ACI-0.280.02-0.250.210.030.24AGI→ACI0.27-0.100.17-0.070.06-0.01AGO→ACI-0.28-0.280.130.13圖5-3不同時(shí)期耕地土壤pH主要路徑效應(yīng)對(duì)比Fig.5-3ComparisonofmainpatheffectsofsoilpHindifferentperiods圖5-3為兩時(shí)期下耕地土壤pH主要影響路徑效應(yīng)對(duì)比結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)，1980年耕地土壤pH的主要影響因素總效應(yīng)的絕對(duì)值從大到小為農(nóng)業(yè)產(chǎn)出（-0.28）>氣象（-0.25）>農(nóng)業(yè)投入（0.17）>人地壓力（-0.11）>地形（0.01）；2017年為氣象（0.24）>農(nóng)業(yè)產(chǎn)出（0.13）>人地壓力（0.05）=地形（-0.05）>農(nóng)業(yè)投入（-0.01）。兩期各潛變量對(duì)耕地土壤pH的空間分布影響程度及關(guān)系均有所差異，造成差異的原因來自兩部分，一方面主要是各潛變量在不同時(shí)期空間分布的異質(zhì)性導(dǎo)致耕地土壤pH在空間上也出現(xiàn)高低區(qū)別，另一方面是時(shí)間的差異性造成兩期路徑效應(yīng)的不同，但單獨(dú)對(duì)比兩期模型變化對(duì)時(shí)間因素的響應(yīng)程度相對(duì)較弱，不能夠更加客觀清晰的闡明時(shí)間的作用，因此需要對(duì)時(shí)間因素進(jìn)行更深入的研究，剖析近四十年來各變化的外源潛變量對(duì)兩期耕地土壤pH變化值的驅(qū)動(dòng)關(guān)系及程度。1.2.2耕地土壤酸化多因子綜合模型分析為了減少誤差傳遞累積效應(yīng)，兩期耕地土壤pH變化值并非通過預(yù)測結(jié)果圖相減得到，而是在2017年樣點(diǎn)的空間自相關(guān)距離范圍內(nèi)，多次嘗試設(shè)置不同距離閾值搜索1980年樣點(diǎn)值，通過比較閾值內(nèi)2017年樣點(diǎn)間的標(biāo)準(zhǔn)差大小和搜索到的1980年樣點(diǎn)數(shù)量確定閾值距離為1km，為進(jìn)一步確保樣點(diǎn)對(duì)能最大程度的代表兩期耕地土壤pH變化值，根據(jù)2015年耕地圖斑逐一檢查閾值內(nèi)的樣點(diǎn)對(duì)，保證樣點(diǎn)對(duì)所在位置同屬于同一耕地類型，若閾值范圍內(nèi)存在兩種耕地類型，以2017年點(diǎn)所在耕作類型為主，刪去分布在另一耕地類型上的1980年樣點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于閾值范圍內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)1980年樣點(diǎn)的情況，選取中值為代表，最終共得到1275對(duì)樣點(diǎn)，使用2017年樣點(diǎn)pH值減去1980年pH值得到兩期pH變化值。1980年-2017年耕地土壤酸化模型相比1980年和2017年耕地土壤pH模型更加能表征時(shí)間的作用，同樣受地形、氣象、人地壓力、農(nóng)業(yè)投入、農(nóng)業(yè)產(chǎn)出五個(gè)潛變量的直接和間接影響，其中地形在近四十年內(nèi)不會(huì)有大的改變，但是由于地形會(huì)持續(xù)的影響著其它潛變量，進(jìn)而影響其它潛變量對(duì)耕地土壤酸化的作用強(qiáng)度，因此在構(gòu)建此模型時(shí)，需考慮地形潛變量。比較各潛變量對(duì)耕地土壤酸化的直接路徑系數(shù)差異，并解析潛變量間的直接效應(yīng)、間接效應(yīng)及總效應(yīng)，結(jié)果如圖5-4和表5-6所示。地形通過長時(shí)間的影響人地壓力、農(nóng)業(yè)投入、農(nóng)業(yè)產(chǎn)出進(jìn)而對(duì)耕地土壤酸化產(chǎn)生間接影響，影響程度極小。人地壓力、農(nóng)業(yè)投入和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出對(duì)地形的直接響應(yīng)分別為0.13、0.06、-0.18，結(jié)合前兩期模型結(jié)果進(jìn)一步說明地形對(duì)人地壓力、農(nóng)業(yè)投入的限制減少，總體上呈現(xiàn)出地形較高的區(qū)域耕地壓力增長的更快，同時(shí)單位面積氮肥、磷肥累積施用量和電力、機(jī)械力年均增長量相對(duì)提升，但由于地勢(shì)較高的地方其受到的光熱等條件不均，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)產(chǎn)出年均增長值并不高，并進(jìn)一步作用于耕地土壤上，間接影響著耕地土壤酸化的進(jìn)程。氣象變化所表征的累積降雨量（0.96）、年均土溫（0.90）和相對(duì)濕度（0.87）對(duì)土壤酸化的總影響為-0.11，其中直接影響為負(fù)向作用（-0.14），即累積降雨量越高、年均土溫和相對(duì)濕度越大，耕地土壤酸化更明顯。另外氣象也會(huì)通過影響農(nóng)業(yè)投入（-0.64）削弱對(duì)土壤酸化的影響，具體表現(xiàn)為高溫多雨潮濕的地區(qū)，由于耕地受到的水熱條件相對(duì)充足，且降雨的淋溶作用可以將部分的肥料帶到作物根部，而較高的土溫也有利于有機(jī)質(zhì)的分解，易于作物吸收，這樣的氣象條件本身就對(duì)作物的生長具有優(yōu)勢(shì)，因此所需要的農(nóng)業(yè)投入就相對(duì)較低。這也符合氣候因素對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的影響（0.31），進(jìn)而間接加劇對(duì)耕地土壤酸化的作用。農(nóng)業(yè)投入潛變量由單位面積氮肥磷肥累積施用量和農(nóng)村用電量、農(nóng)業(yè)機(jī)械化總動(dòng)力的年均變化動(dòng)態(tài)值構(gòu)成，載荷在0.42-0.67之間，前兩種指標(biāo)的貢獻(xiàn)度最大，其對(duì)耕地土壤酸化的作用路徑有兩條。直接作用為-0.07，表明單位面積氮肥、磷肥累積施用量越高，農(nóng)村電力機(jī)械化水平年均增加量越高的地方，耕地土壤酸化越嚴(yán)重。同時(shí)農(nóng)業(yè)投入對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的影響為負(fù)向作用，即說明農(nóng)業(yè)投入高的地方，單位面積糧食、棉花和油料的年均增長量變緩甚至減產(chǎn)，是由于過量的農(nóng)業(yè)投入會(huì)造成作物營養(yǎng)失調(diào)，加重作物生理性病害，這一中介效應(yīng)會(huì)對(duì)耕地土壤酸化產(chǎn)生削弱作用，但削弱程度極其微弱。農(nóng)業(yè)產(chǎn)出對(duì)耕地土壤酸化的路徑系數(shù)為-0.03。農(nóng)業(yè)產(chǎn)出對(duì)耕地土壤酸化的影響主要來源于兩部分，一是表征農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的糧食、棉花和油料產(chǎn)量年均變化量對(duì)耕地土壤酸化的影響，其中棉花、油料的產(chǎn)量年均變化量對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的貢獻(xiàn)最大（1.5），這些作物產(chǎn)量的年均增長量越大，將不可避免地加重對(duì)耕地土壤的負(fù)擔(dān)，過度的消耗土壤中的礦質(zhì)離子，從而驅(qū)動(dòng)土壤向酸化方向發(fā)展。同時(shí)地形、氣象、人地壓力、農(nóng)業(yè)投入也會(huì)通過作為中介變量的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出對(duì)耕地土壤酸化產(chǎn)生間接作用，因此在分析農(nóng)業(yè)產(chǎn)出對(duì)耕地土壤酸化的影響時(shí)要從多方面考慮。圖5-4耕地土壤酸化PLSPM模型Fig.5-4Plspmmodelforsoilacidificationofcultivatedland表5-6潛變量間直接效應(yīng)、間接效應(yīng)和總效應(yīng)Table5-6Directeffect,indirecteffectandtotaleffectamonglatentvariables路徑直接效應(yīng)間接效應(yīng)總效應(yīng)TER→POP0.130.13TER→AGI0.06-0.020.04POP→AGI-0.16-0.16MET→AGI-0.64-0.64TER→AGO-0.170.06-0.11POP→AGO0.550.020.57MET→AGO0.310.080.39AGI→AGO-0.13-0.13TER→ACI0.000.00POP→ACI-0.01-0.01MET→ACI-0.140.03-0.11AGI→ACI-0.070.00-0.07AGO→ACI-0.03-0.03由表5-6可發(fā)現(xiàn)，影響耕地土壤酸化的主要驅(qū)動(dòng)因素絕對(duì)值從大到小分別為氣象（-0.11）>農(nóng)業(yè)投入（-0.07）>農(nóng)業(yè)產(chǎn)出（-0.03）>人地壓力（-0.01）。結(jié)合兩期耕地土壤pH模型結(jié)果說明影響湖北省耕地pH時(shí)空變化的首要因素是氣象，其次是以人為干擾為主的農(nóng)業(yè)活動(dòng)，因此需根據(jù)區(qū)域的水熱條件和農(nóng)作強(qiáng)度合理制定相應(yīng)的土壤酸化防治措施。1.3主要影響因子分析1.3.1氣象因素對(duì)耕地土壤pH時(shí)空變化影響分析從土壤的發(fā)生發(fā)育過程看，自然因素的持續(xù)影響是不可忽視的，對(duì)耕地土壤pH的時(shí)空分布變化起著決定性的作用ADDINNE.Ref.{E9879BA0-EA76-4448-9232-1D215EA01016}(郭治興等2011)，如我國土壤南酸北堿的格局。湖北省大部分屬為亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，氣候條件以高溫潮濕多雨為主，高溫會(huì)影響土壤中有機(jī)質(zhì)的礦化作用進(jìn)而影響土壤酸化趨勢(shì)，降雨會(huì)導(dǎo)致土壤中鹽基物質(zhì)大量淋失，土壤CEC和鹽基飽和度下降，減少土壤對(duì)酸的緩沖性能ADDINNE.Ref.{2053A0B2-CDB0-48F2-8F93-87BF9E40CCB1}(周碧青等2018)，其中，在中性和堿性耕地土壤上鈣離子的淋失是土壤酸化的主要表現(xiàn)形式，在酸性土壤上pH下降主要是由于酸性陽離子鋁風(fēng)化釋放后的淋失造成的。同時(shí)隨著礦物燃燒、化肥生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)等活動(dòng)排放的酸物質(zhì)增加，這些物質(zhì)溶于降雨中沉降到土壤，使得土壤中H+飽和度上升，最終導(dǎo)致土壤向酸化方向發(fā)展。此外，雨水對(duì)作物生長過程中養(yǎng)分物質(zhì)的運(yùn)輸、結(jié)構(gòu)的維持等各種生化過程起著關(guān)鍵作用，溫度影響著作物的光合和呼吸作用ADDINNE.Ref.{CE789FF4-064E-4438-B21C-26050758F90D}(韓炳宏等2019)，高溫潮濕多雨的氣候條件有利于作物產(chǎn)出，并進(jìn)一步影響土壤酸化進(jìn)程。同時(shí)也會(huì)通過指導(dǎo)農(nóng)業(yè)投入進(jìn)而對(duì)耕地土壤pH產(chǎn)生間接影響。近四十年P(guān)RE、GST、RHU的空間分布如圖5-5所示，均呈現(xiàn)出自北向南逐步增加的趨勢(shì)，說明湖北省南部如鄂州市、咸寧市、黃石市、恩施州等區(qū)域耕地土壤酸化的主導(dǎo)因素為氣象因素，因此對(duì)于南部降雨集中區(qū)，應(yīng)在施用適宜肥料量的同時(shí)考慮深施，并及時(shí)加入堿性調(diào)理劑，以在提高農(nóng)業(yè)投入中氮肥、磷肥等化肥的利用率的基礎(chǔ)上削弱土壤酸化作用。圖5-5氣象因素分布圖Fig.5-5Distributionmapofmeteorologicalfactors注：圖5-5A-C分別為累積降雨量PRE、年均土溫GST、年均相對(duì)濕度RHU的空間分布圖。其中PER數(shù)據(jù)單位為mm，GST數(shù)據(jù)單位為℃，RHU數(shù)據(jù)單位為%。1.3.2農(nóng)業(yè)投入對(duì)耕地土壤pH時(shí)空變化影響分析人為因素的主導(dǎo)的農(nóng)業(yè)活動(dòng)是耕地土壤pH短期內(nèi)發(fā)生變化的主要原因ADDINNE.Ref.{22655BE3-1B94-4956-9005-FD8364488645}(孟紅旗2013)。氮肥和磷肥是農(nóng)業(yè)投入中施用量較多的肥料，前者進(jìn)入土壤中會(huì)發(fā)生硝化作用產(chǎn)生的H+，后者所釋放的磷酸會(huì)引起土壤中H+的不平衡，同時(shí)化肥的沉積也會(huì)影響土壤有機(jī)質(zhì)的含量，進(jìn)而影響土壤的酸緩沖能力。另外農(nóng)村用電量和機(jī)械動(dòng)力的增長代表著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化發(fā)展程度，這一過程對(duì)土壤的生態(tài)環(huán)境和結(jié)構(gòu)造成了一定的破壞，使土壤酸化更加敏感。農(nóng)業(yè)投入過多，超過土壤的承載能力會(huì)造成農(nóng)業(yè)減產(chǎn)現(xiàn)象，進(jìn)而影響土壤酸化過程。圖5-6農(nóng)業(yè)投入因素分布圖Fig.5-6Distributionmapofagriculturalinputfactors注：圖5-6A-D分別為單位面積累積氮肥施用量NF、單位面積累積磷肥施用量NF、年均農(nóng)村用電增長量CPC和年均農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力增長量AMTP的空間分布圖。其中NF、PF數(shù)據(jù)單位為kg/hm2，CPC、AMTP數(shù)據(jù)單位為%。圖5-6為農(nóng)業(yè)投入因素分布圖，結(jié)果顯示湖北省近四十年來農(nóng)業(yè)投入保持增長趨勢(shì)。2017年單位面積內(nèi)氮肥、磷肥施用量及農(nóng)村用電量、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力分別是6441.88kg/hm2、2751.61kg/hm2、1.57×1010kWh、4.3×107kW，分別是1980年1.23倍、1.27倍、6.35倍、4.89倍，雖然氮肥、磷肥對(duì)農(nóng)業(yè)投入的貢獻(xiàn)較大，但農(nóng)村用電量和農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力的大幅增長進(jìn)一步說明農(nóng)業(yè)集約化發(fā)展迅速，逐步替代了以人力為成本的農(nóng)作方式。從農(nóng)業(yè)投入顯變量空間分布看，研究區(qū)中部的襄陽市、隨州市、荊門市、和天門市等城市，近四十年來農(nóng)業(yè)投入相對(duì)較大，其中，單位面積累氮肥、磷肥積施肥量分別在14318.67kg/hm2-23182.54kg/hm2之間、9378.53kg/hm2-9787.99kg/hm2之間，說明這些區(qū)域耕地酸化的主導(dǎo)因素是農(nóng)業(yè)投入，由于農(nóng)業(yè)投入已造成農(nóng)業(yè)產(chǎn)量增加速度減緩，因此對(duì)于這些區(qū)域考慮適當(dāng)減慢農(nóng)業(yè)投入的增長速率，給予耕地足夠的恢復(fù)期，同時(shí)也要及時(shí)加入堿性調(diào)理劑，以增強(qiáng)耕地土壤的酸緩沖性能。1.3.3農(nóng)業(yè)產(chǎn)出對(duì)耕地土壤pH時(shí)空變化影響分析農(nóng)業(yè)產(chǎn)出是影響耕地土壤酸化的第三大因素。作物生長過程中根部從耕地土壤中吸收的陽離子量如鈣、鎂、鉀等鹽基養(yǎng)分高于陰離子量，會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子吸收不平衡，這種方式導(dǎo)致的耕地酸化難以被土壤礦物風(fēng)化所緩沖ADDINNE.Ref.{C4680E0B-C6B5-479C-AF4B-6C2FF2D3AF18}(Lei2