城鄉(xiāng)交錯帶土壤氮素空間分布及其影響因素

陳青松, 李　婷,* , 張世熔, 劉續(xù)蘭, 欒明明

1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，成都　611130 2 四川省土壤環(huán)境保護重點實驗室，成都　611130

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城鄉(xiāng)交錯帶土壤氮素空間分布及其影響因素

陳青松1,2, 李婷1,2,*, 張世熔1,2, 劉續(xù)蘭1,2, 欒明明1,2

1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，成都611130 2 四川省土壤環(huán)境保護重點實驗室，成都611130

摘要:城鄉(xiāng)交錯帶土壤氮素是城鄉(xiāng)生態(tài)系統(tǒng)中最重要的氮源與氮匯，但是城市化下的土壤氮素分布及其影響機制還不清楚，基于3S平臺研究了土壤氮素在成都西郊城鄉(xiāng)交錯帶的空間分布特征及城市化對土壤氮素的影響。結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)土壤全氮(STN)、硝態(tài)氮-N)和銨態(tài)氮-N)含量均值分別為(1.46±0.06) g/kg、(50.04±3.59) mg/kg和(6.72±0.53) mg/kg。區(qū)內(nèi)土壤氮素含量從近郊向遠郊逐漸增高，STN和-N含量為中部高于南北部，-N含量則由西北部和東南部向中部遞增。方差分析表明，區(qū)內(nèi)不同土地利用方式下-N和-N含量差異顯著(P<0.05)?；貧w分析顯示STN含量與建筑密度(BD)、道路密度(RD)均呈現(xiàn)顯著線性負相關(guān)(P<0.05)-N含量與道路密度呈極顯著線性負相關(guān)(P=0.001)，與建筑密度關(guān)系不明顯(P=0.217)。土壤-N與建筑密度呈顯著負線性相關(guān)(P=0.001)，與道路密度呈顯著指數(shù)相關(guān)關(guān)系(P=0.021)。研究結(jié)果顯示城市發(fā)展使得城鄉(xiāng)交錯帶土壤氮素含量降低，這種影響伴隨著建筑面積的增加，道路長度的增加而加強。

關(guān)鍵詞：城鄉(xiāng)交錯帶；土壤氮素；空間分布；影響因素

城鄉(xiāng)交錯帶是郊區(qū)城市化逐漸演變而來的一個過渡地帶[1]，伴有強烈的土地利用變化[2- 3]，而這種農(nóng)用地向非農(nóng)用地快速轉(zhuǎn)化對城鄉(xiāng)交錯帶土壤養(yǎng)分產(chǎn)生了強烈的擾動[4- 5]，并已經(jīng)影響到土壤- 大氣溫室氣體流通[5]。土壤氮素作為溫室氣體重要的源，其含量變化不僅會影響到溫室氣體排放，還會對植物氮素供給和水生生態(tài)系統(tǒng)造成威脅[6]。因此，了解城市擴張下土地利用變化對土壤氮素分布的影響機制是預(yù)測和管理城鄉(xiāng)交錯帶土壤- 大氣氮平衡，保護城市生態(tài)安全的前提。

目前，關(guān)于該區(qū)域土壤氮素的研究主要集中在森林土壤氮循環(huán)及其他不同土地利用方式下土壤全氮含量分布上，如森林土壤氮的礦化、硝化、淋失，以及季節(jié)性變動[7- 8]和不同土地利用變化對其時空變化特征的影響等方面[9]。但是，隨著郊區(qū)城市化的不斷推進，建筑用地、道路用地等非農(nóng)業(yè)用地比例不斷增加，土壤氮素空間分布受非農(nóng)用地增加所造成的影響機制還不夠清楚[10- 11]。因此，本研究將結(jié)合城市化過程中建筑密度(BD)和道路密度(RD)了解城市驅(qū)動土地利用變化下的城鄉(xiāng)交錯帶土壤氮素含量變化機制。

成都市西郊城鄉(xiāng)交錯帶位于成都平原國家級生態(tài)示范區(qū)腹地，近幾年來建設(shè)步伐加快，居民區(qū)、道路等增長迅速，土地利用結(jié)構(gòu)變化強烈。因此，研究該地帶不同土地利用方式下土壤氮素的空間分布，弄清城市發(fā)展土地利用變化、建筑密度(BD)及道路密度(RD)對土壤氮素空間分布的影響，能夠為成都市西郊城鄉(xiāng)交錯帶農(nóng)業(yè)氮肥施用管理，生態(tài)環(huán)境保護提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于成都市西郊溫江城區(qū)與郫縣城區(qū)之間，位置介于30°41′46″—30°47′43″N，3°50′31″—103°52′52″E之間。其面積為41.6 km2，區(qū)內(nèi)地勢平坦，平均坡降3 ‰，適宜農(nóng)業(yè)耕作，年降雨量平均達966.1 mm。土壤母質(zhì)屬第四系近代河流沖積物發(fā)育而成的水稻土，地下水位為1.0—2.0 m，易發(fā)生地表地下水物質(zhì)遷移與交換。區(qū)內(nèi)建筑面積7.41 km2，占區(qū)域總面積的17.73%，道路總長度為55.95 km(數(shù)據(jù)來源為ArcGIS 9.3統(tǒng)計數(shù)據(jù))。土地利用主要以耕地、園地為主，耕地種植以大水稻、小麥、大蒜和油菜為主，經(jīng)濟園林種植以苗木花卉為主，種植面積已達萬余畝。

1.2遙感影像的獲取及處理

本研究通過高分辨率SPOT遙感影像(時間為2013年4月15日，分辨率為1 m)解譯出研究區(qū)內(nèi)不同土地利用方式(表1)。解譯方法選用監(jiān)督分類法，對不同土地利用方式分別建立訓(xùn)練樣本，經(jīng)過多次訓(xùn)練，直至分類精度符合要求為止，分類后處理、歸類和篩選均在Erdas 9.2中進行，最終得到不同土地利用現(xiàn)狀圖(圖1)。建筑面積、道路長度統(tǒng)計及空間分析均在ArcGIS 9.3軟件平臺中進行。

圖1　研究區(qū)位置及不同土地利用現(xiàn)狀圖Fig.1　Location and different land use types in the study area

不同土地利用DifferentLandUse簡碼Brief-code說明Illustration耕地CroplandCL依靠天然降雨,用于種植水旱輪作的耕地園地GardenG種植花卉等多年生作物的園地或有耕地改為苗圃,固定的林木育苗地林地WoodLandWL樹木郁閉度≥10%但<20%的疏林地棄耕地IdleLandIL表層為土質(zhì),生長雜草城市綠地UrbanGreenLandUGL城市綠化用地住宅用地ResidentialLandRL指農(nóng)村宅基地

參照《全國土地分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T21010-2007)及《中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)城市綠地分類標(biāo)準(zhǔn)》(CJJT85-2002)

1.3土樣采集與分析

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

統(tǒng)計區(qū)域面積是通過ArcGIS 9.3緩沖分析模塊并結(jié)合實地調(diào)查，以采樣點為圓心500 m為半徑的圓形范圍，建筑面積與道路長度均以圓形范圍內(nèi)總面積和總長度計算。其中建筑密度，道路密度采用如下公式計算得到[15- 16]：

建筑密度(%)=建筑面積/統(tǒng)計區(qū)域面積

(1)

道路密度(km/km2)=道路長度/統(tǒng)計區(qū)域面積

(2)

空間分布圖利用ArcGIS 9.3軟件平臺，選用空間內(nèi)插方法，地統(tǒng)計分析模塊(Geostatistic)，普通克呂格內(nèi)插法(Odinary Kriging)進行插值[17]，其中用于計算半方差值的公式如下：

(3)

式中，Z(xi)代表在xi處的氮素含量，γ(h)是以間隔滯后距離為h的增量Z(xi)與Z(xi+h)之間的半方差，N(h)是以h為間距的所有觀測點的成對數(shù)目。半方差值通過上述公示計算，根據(jù)平均預(yù)測誤差(MSE)，標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差(RMSSE)選取最優(yōu)擬合模型。

常規(guī)統(tǒng)計包括K-S(olmogorov-Smirnov)檢驗、方差分析、最小顯著差異法(Least-Significant Difference, LSD)和回歸相關(guān)分析，所有統(tǒng)計分析均在統(tǒng)計學(xué)軟件SPSS 17.0軟件包中進行。

2結(jié)果與討論

2.1描述性統(tǒng)計

表2　土壤氮素描述性統(tǒng)計

① Type of distribution；N：正態(tài)分布；S：偏峰態(tài)分布；②Standard Deviation；③Coefficient of variation

2.2半方差分析

表3　半方差分析

2.3城鄉(xiāng)交錯帶土壤氮素空間分布特征

通過半方差模型選取最優(yōu)普通克呂格(OK)插值模型，估算區(qū)域土壤氮素含量。參照全國土壤調(diào)查1980年制定的土壤全氮分級標(biāo)準(zhǔn)，將土壤氮素分為6個等級[12，20](圖2)。

圖2　城鄉(xiāng)交錯帶土壤氮素空間變異Fig.2　Urban-rural ecotone the spatial variability of soil nitrogen

STN含量高低分布呈中部高南北低的態(tài)勢，城區(qū)STN含量低于近郊STN含量，這與Zhu等人的研究一致[21]，表明城市分布對土壤氮素含量有影響[8]。南北城市發(fā)展圈STN含量處于中等偏下水平(1.0—1.3 g/kg)，STN含量較高區(qū)域(>1.5 g/kg)主要分布在中部(圖2)。這是因為研究區(qū)中部多分布園地與耕地，園地多種植樹苗，而采樣期在春季之后，且園地樹木的施肥已經(jīng)完成，因此全氮表現(xiàn)出較高水平。其中耕地為稻蒜、稻麥輪作形式，對不同輪作方式下的施肥管理是導(dǎo)致其表現(xiàn)出較高的全氮水平的原因[18]。STN呈片狀分布，由于本研究尺度相對較小[18]，片狀分布較明顯。

2.4土壤氮素空間分布的影響因素

2.4.1不同土地利用對土壤氮素的影響

城鄉(xiāng)交錯帶處在城市的邊緣，土地利用變化劇烈[2- 3]，這種變化會引起土壤中氮的強烈變化[9]，其過程則是通過不同的耕作、輪作管理水平以及植被覆蓋類型等造成土壤中氮素的差異分布[9，22- 23]。不同土地利用方式土壤氮素的方差分析表明(表4)，STN含量在不同土地利用方式中差異顯著(P<0.05)，其中蔬菜地STN含量最高(>1.8 g/kg)，其次是油菜地、園地和林地(1.5—1.8 g/kg)，而大蒜地和棄耕地STN含量相對適中(1.0—1.5 g/kg)，住宅用地和城市綠地中STN平均含量相對較低(<1 g/kg)。蔬菜地中STN含量最高可能是城郊大量無機肥和有機肥共同施用的結(jié)果[18]，這與孔祥斌等人的研究類似[9]。油菜地STN平均含量表現(xiàn)較高水平可能是因為油菜地大都臨近居民點，頻繁的耕作施肥管理使得STN水平較高。園地和林地則是因為園林花卉植物的栽種，耕作減少，土壤有機質(zhì)積累，而出現(xiàn)相對較高的全氮含量。由于采樣期為大蒜收獲期，大蒜在起蒜期需肥量大消耗了土壤中大量氮素養(yǎng)分，由此出現(xiàn)STN含量適中的情況。而棄耕地由于研究區(qū)在城市的擴張下，臨近城市的耕地列為規(guī)劃用地，由此閑置下來成為棄耕地，多年生草本植物替代了原有大蒜、油菜等作物，且土地缺乏人為管理，植株生長矮小，有機質(zhì)積累少導(dǎo)致STN含量較低。研究區(qū)內(nèi)廢棄的宅基地上覆蓋有水泥、石板等硬覆蓋，這些硬覆蓋對土壤進行壓實，且不生長作物，所以STN的含量較低，這與Steve等人研究結(jié)果類似[11]。城市綠地土壤在形成初期混入大量建筑垃圾，使得土壤機械組成破壞嚴重[22]，且城市綠地內(nèi)植被覆蓋類型單一，從而土壤中全氮含量相對較低。

表4　不同土地利用方式下土壤氮素含量

同一列不同小寫字母表示顯著水平P<0.05

2.4.2建筑密度對土壤氮素分布的影響

建筑面積的增加會對其周圍溫度[25]，植被及地表徑流[26]造成影響，使得其周圍土壤溫度，植被及水環(huán)境發(fā)生變化而影響相應(yīng)土壤氮循環(huán)途徑[27]，進而影響到土壤氮素的空間分布。

圖3　建筑密度與土壤氮素的相關(guān)性Fig.3　Correlation between building density and soil nitrogen

2.4.3道路密度對土壤氮素分布的影響

研究表明，道路的分布對城鄉(xiāng)交錯帶土地利用及景觀生態(tài)都具有重要影響[15，28]，破碎化的景觀分布導(dǎo)致了植被種類的差異[29]，而這些會進一步影響到土壤氮循環(huán)及土壤氮的空間分布。

圖4　道路密度與土壤氮素的相關(guān)性Fig.4　Correlation between road density and soil nitrogen

3結(jié)論

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Spatial distribution of soil nitrogen in an urban-rural fringe and its influencing factors

CHEN Qingsong1,2, Li Ting1,2,*, ZHANG Shirong1,2, LIU Xulan1,2, LUAN Mingming1,2

1CollegeofResourceandEnvironment,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu611130,China2KeyLaboratoryofSoilEnvironmentProtectionofSichuanProvince,Chengdu611130,China

Abstract：Urban-rural fringe is a special zone that evolved from the suburbanization accompanying intensified land use changes from agricultural to non-agricultural land. Nitrogen in the soil of urban-rural fringe is an important nitrogen source and sink for urban and suburban ecosystems. The nitrogen content changes not only affect greenhouse gas emissions, but also threaten plant nitrogen supply and water ecosystems. However, in suburb urbanization, the proportion of non-agricultural land, construction land, and road land exhibited a successive increase. Currently, the mechanism of spatial distribution of soil nitrogen, caused by an increase in non-agricultural land, remains unclear. In the present study, the 3S platform was used to investigate the spatial distribution of soil nitrogen and its influencing factors in the urban-rural fringe of the western suburbs of Chengdu. Results showed that the average contents of soil total nitrogen (STN), nitrate -N), and ammonium -N) were (1.46±0.06) g/kg, (50.04±3.59) and (6.72±0.53) mg/kg, respectively. In the investigated region, average content of soil nitrogen gradually increased from the inner to the outer suburbs. The STN and -N distribution in the inner suburbs were higher than those of the northern and southern areas. High STN(>1.5 g/kg) and soil -N(> 62.2 mg/kg) values presented mass distribution in the eastern suburbs. In addition, -N in soil gradually increased from the northwest or southeast to the center, and the high values(> 8.5 mg/kg) presented irregular piece distribution in the eastern suburbs. Analysis of variance (ANOVA) showed that the difference of STN, NO3-N, and -N contents were significant under different land use patterns (P < 0.01). The STN content in vegetable fields was the highest (> 1.8 g/kg), followed by rape fields, gardens, and woodland (1.5—1.8 g/kg). Garlic fields and idle land were relatively moderate (1.0—1.5 g/kg), and residential land and urban green land were relatively low (< 1.0 g/kg). -N content was ranked as residential land > vegetable field > garlic field > garden > rape field > idle field > woodland > urban green land. -N content was ranked as vegetable field > woodland > garden > rape field > garlic field > residential land > idle field > urban green land. Correlation analysis indicated that average STN content and building density (BD) showed a negative linear correlation (P <0.05), and similar linear correlation was also observed between STN and road density (RD) (P < 0.05). -N content in soil and road density showed a negative correlation (P = 0.001). However, the correlation was not significant between -N and the building density (P = 0.217) after being analyzed using different curve models. -N content and building density showed a significant negative linear correlation (P = 0.001), and a significant exponential correlation existed in -N content and the road density (P = 0.021). Therefore, a significant effect on the development of urban distribution of soil nitrogen was observed, that was potentially strengthened by increasing road lengths and building areas. It can be suggested that the monitoring and management of soil nitrogen should be enhanced, and the cycling of soil nitrogen, atmospheric nitrogen, and water nitrogen should be investigated in future studies.

Key Words:urban-rural fringe; soil nitrogen; spatial distribution; influencing factors

基金項目:國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAD14B18-2)

收稿日期:2014- 10- 08; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 08- 24

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: lt_sicau@163.com

DOI:10.5846/stxb201410081969

陳青松, 李婷, 張世熔, 劉續(xù)蘭, 欒明明.城鄉(xiāng)交錯帶土壤氮素空間分布及其影響因素.生態(tài)學(xué)報,2016,36(8):2133- 2141.

Chen Q S, Li T, Zhang S R, Liu X L, Luan M M.Spatial distribution of soil nitrogen in an urban-rural fringe and its influencing factors.Acta Ecologica Sinica,2016,36(8):2133- 2141.