晉中盆地土壤氮元素空間異質(zhì)性研究

曹霄霄，王應(yīng)剛，蘇尚軍，郭 星，張 婷

（山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西太原030006）

晉中盆地土壤氮元素空間異質(zhì)性研究

曹霄霄，王應(yīng)剛，蘇尚軍，郭 星，張 婷

（山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西太原030006）

土壤氮元素是植物需要最多的營(yíng)養(yǎng)元素，大尺度研究土壤氮元素的空間變異結(jié)構(gòu)，有利于系統(tǒng)地掌握當(dāng)?shù)赝寥乐械淖儺悹顩r，便于科學(xué)管理。通過(guò)隨機(jī)采樣得到晉中盆地215個(gè)樣點(diǎn)，分別提取0～20 cm土壤樣品中的全氮含量，并采用半方差函數(shù)模擬及克里金空間插值分析土壤中氮元素變異結(jié)構(gòu)與空間分布特征。結(jié)果表明，土壤中全氮含量的平均值為0.79 g/kg，與國(guó)家二級(jí)養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比，處于缺乏狀態(tài)；盆地內(nèi)不同地點(diǎn)的土壤全氮含量差異較大，變異系數(shù)為47.67%，屬于中度變異；通過(guò)半方差函數(shù)的4種模型模擬效果來(lái)看，指數(shù)模型模擬效果最好，氮元素結(jié)構(gòu)方差比為0.504，具有中等空間自相關(guān)性；盆地中部河流兩岸全氮含量高于盆地邊山區(qū)，高值區(qū)與低值區(qū)呈斑塊狀分布，其中，最高值區(qū)分布于太原、清徐、榆次、太谷交界區(qū)域，最低值區(qū)分布于盆地西南部邊山區(qū)的孝義市大部分地區(qū)。

氮元素N；半方差函數(shù)；克里金插值；晉中盆地

晉中盆地三面環(huán)山，氣候的季節(jié)性強(qiáng)，具有特殊的自然地理環(huán)境，同時(shí)是我國(guó)重要的能源化工業(yè)基地以及山西省重要的經(jīng)濟(jì)文化中心。一方面，長(zhǎng)期的工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生的污染物侵入土壤表層；另一方面，該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式落后，尚未形成適合該地區(qū)的土壤施肥技術(shù)，粗放地施用大量的氮肥使得土壤中氮元素發(fā)生了明顯的空間異常。目前，對(duì)晉中盆地土壤氮元素分布特征及其分異情況缺乏全面系統(tǒng)的了解，因此有必要大范圍研究土壤氮元素空間變異。

本研究運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析了晉中盆地土壤全氮含量空間變異結(jié)構(gòu)方面的結(jié)果，以深入挖掘晉中盆地氮元素的空間分布特征原因，為在高度節(jié)約集中用地的情況下探討土壤養(yǎng)分分區(qū)管理，為當(dāng)?shù)仄胶飧鲄^(qū)域養(yǎng)分提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

晉中盆地又稱太原盆地，經(jīng)緯度為：111°45′～112°50′E，36°48′～38°18′N，位于山西省中部，黃土高原的東部，北起陽(yáng)曲縣的南部，南至孝義市與介休市的中部地區(qū)，西鄰呂梁山，東接太行山。盆地東西兩側(cè)為斷崖山脈，海拔相對(duì)較高，中間為汾河谷地，地勢(shì)平坦；氣候?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)性氣候，年平均氣溫約為9.2℃，年平均降水量為460 mm左右，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥；屬于半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)。盆地的土壤以褐土性土、石灰性褐土、潮土、鹽化潮土為主。

盆地包括太原（市）、陽(yáng)曲、清徐、太谷、榆次（區(qū)）、文水、平遙、交城、祁縣、靈石、介休、孝義12個(gè)縣（區(qū)、市）的部分地區(qū)，同時(shí)也是我國(guó)重要的能源重化工基地，大型工礦企業(yè)多集中于此，形成了以煤為主線的采煤廠、焦化業(yè)、洗煤業(yè)，以鐵為主線的鋼鐵廠和非金屬石灰?guī)r以及以黏土為主線的水泥廠。城市人口集中且城市化水平高，是山西省重要的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。

2 研究方法

2.1 樣點(diǎn)設(shè)置與土樣采集

采樣時(shí)間為2016年9月，采樣點(diǎn)是在晉中盆地12個(gè)縣（區(qū)、市）內(nèi)分別隨機(jī)布設(shè)樣方，共選取了215個(gè)樣方，實(shí)際采樣的位置用GPS進(jìn)行定位（圖1）。樣方規(guī)格為5 m×5 m，在每個(gè)樣方中選取5個(gè)取土點(diǎn)（中心1個(gè)、四角4個(gè)點(diǎn)），用不銹鋼土鉆分別取0～20 cm深的土樣，混合后稱1 kg作為該樣點(diǎn)的土樣，采集所有樣點(diǎn)的土樣后分別封袋帶回實(shí)驗(yàn)室。

將采集好的所有土樣自然風(fēng)干后，剔除土壤中的石塊、昆蟲(chóng)尸體等雜物，用木棒碾碎后，過(guò)2 mm的尼龍篩，再去除顆粒大于2 mm的雜物，反復(fù)進(jìn)行過(guò)篩、剔除過(guò)程后，留下100 g在研缽中磨細(xì)，全部過(guò)了0.149 mm的尼龍篩，后裝袋封存進(jìn)行測(cè)定，采用全自動(dòng)凱氏定氮儀進(jìn)行測(cè)定。

2.2 數(shù)據(jù)處理

將采集的土壤樣品進(jìn)行測(cè)定后，用SPSS 16軟件對(duì)所有樣點(diǎn)的全氮含量進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析。

半方差函數(shù)是判斷土壤中氮元素的空間依賴性和變異程度，通過(guò)GS＋軟件進(jìn)行半方差函數(shù)擬合。半方差函數(shù)是指在任意方向上相距為h的2個(gè)區(qū)域變量 Z（x）和 Z（x＋h）之間增量的方差。

式中，r（h）為半方差函數(shù)，h 為步長(zhǎng)，N（h）表示步長(zhǎng)為h時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量，Z（xi）和Z（xi＋h）分別為區(qū)域變量Z（x）在xi和xi＋h位置上的實(shí)測(cè)值。

最后利用GIS軟件的克里金插值對(duì)半方差函數(shù)擬合的參數(shù)進(jìn)行空間插值，從而得出氮元素的空間分布特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤全氮元素的描述性統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)國(guó)家土壤第二次普查的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土壤氮元素主要分為6級(jí)：1級(jí)為極豐富（＞2 g/kg），2級(jí)為豐富（1.5～2.0 g/kg），3級(jí)為中等（1.0～1.5 g/kg），4 級(jí)為缺乏 （0.75～1.00 g/kg），5 級(jí)為很缺乏（0.50～0.75 g/kg），6級(jí)為極缺乏（＜0.5 g/kg）。由表1可知，晉中盆地全氮含量范圍為0.2～2.3g/kg，平均含量為0.79 g/kg；從各縣含氮量看，除太原、清徐和榆次含氮量相對(duì)較高、處于中等狀態(tài)以外，其余各縣含氮量均處于缺乏狀態(tài)到極缺乏狀態(tài)。盆地內(nèi)不同地點(diǎn)的土壤全氮含量差異較大，變異系數(shù)范圍為24%～80%，除介休、平遙變異系數(shù)較小之外，其余各縣（區(qū)、市）變異系數(shù)相對(duì)較大。晉中盆地總體峰度值與偏度值分別為1.98和1.10，表明全氮含量的分布曲線為偏左的瘦尾峰，其偏度值距0值較大，不滿足正態(tài)分布；從各縣（區(qū)、市）的峰度值與偏度值看，除介休、平遙、清徐全氮含量分布曲線為偏右的瘦尾峰，其余各縣（區(qū)、市）的分布曲線為偏左的瘦尾峰，其偏度值與0值差異均較小，為近似正態(tài)分布，但從峰度與偏度值看全氮含量是否滿足正態(tài)分布還不夠準(zhǔn)確，仍需進(jìn)一步進(jìn)行檢驗(yàn)。

表1 晉中盆地土壤氮元素含量基本統(tǒng)計(jì)

3.2 土壤氮元素的空間變異結(jié)構(gòu)特征分析

半方差函數(shù)是研究空間變異性最重要的方法，通過(guò)單樣本k-s正態(tài)分布檢驗(yàn)得出，原數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布，利用對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換將原數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為正態(tài)分布。

土壤空間變異是由結(jié)構(gòu)性因素與隨機(jī)性因素共同作用所導(dǎo)致的，因成土母質(zhì)、氣候及人為活動(dòng)等因素，使得土壤營(yíng)養(yǎng)元素產(chǎn)生一定的空間變異。通過(guò)半方差函數(shù)分析土壤中氮元素空間變異規(guī)律，其中，C為結(jié)構(gòu)方差，表示由氣候、地形等結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異；C0為塊金方差，表示由較小尺度上的人為隨機(jī)因素造成的，較大的C0值表示受人為因素影響較大；C＋C0為基臺(tái)值，表示研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)性因素與隨機(jī)性因素共同引起的總的變異程度；C/（C＋C0）為結(jié)構(gòu)方差比，表示由結(jié)構(gòu)性因素引起的變異程度占總變異程度的比例；Range（變程）表示變量空間自相關(guān)性的最大平均距離。通過(guò)對(duì)表2中4種半方差理論模型參數(shù)進(jìn)行比較，從決定系數(shù)可以看出，指數(shù)模型模擬的精度最高（R2＝0.725），因此，選擇指數(shù)模型來(lái)分析晉中盆地氮元素的空間變異規(guī)律。從模型的效果來(lái)看，晉中盆地全氮元素在變程為12 480 m范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性；結(jié)構(gòu)方差比C/（C＋C0）為0.504，表示土壤中氮元素具有中等空間依賴性，受隨機(jī)因素的干擾較大。

表2 晉中盆地土壤氮元素含量的半方差函數(shù)模型及參數(shù)

3.3 土壤氮元素的空間格局分析

克里金插值是指通過(guò)對(duì)樣點(diǎn)的特征值及樣點(diǎn)間的空間位置擬合得到一個(gè)函數(shù)方程，進(jìn)而反映出樣點(diǎn)特征值與樣點(diǎn)空間位置的數(shù)學(xué)關(guān)系，以此推斷出未知區(qū)域樣點(diǎn)的特征值。

從圖2可以看出，盆地中部河流兩岸比盆地邊山區(qū)含氮量高，高值區(qū)與低值區(qū)呈斑塊狀分布，含量最高值范圍為0.90～1.20 g/kg，集中在盆地中北部的太原、清徐、榆次、太谷交界一帶，該地區(qū)的全氮含量屬于中等狀態(tài)；大部分地區(qū)的全氮含量范圍為0.70～0.90 g/kg，主要分布在平遙、文水、汾陽(yáng)、介休、清徐、太谷、榆次、太原、陽(yáng)曲的部分地區(qū)，屬缺乏狀態(tài)；含量范圍在0.5～0.7 g/kg的主要分布在祁縣、孝義和汾陽(yáng)北部等盆地邊緣地區(qū)，屬于很貧乏狀態(tài)；含量最低值范圍為＜0.5 g/kg，主要分布在盆地西南部的孝義市大部分地區(qū)，屬于極貧乏狀態(tài)。

4 結(jié)論與討論

本研究通過(guò)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)與地統(tǒng)計(jì)分析了晉中盆地土壤氮元素的基本情況與變異程度，并通過(guò)GIS軟件分析了氮元素的空間分異特征，結(jié)果表明，晉中盆地的全氮平均含量為0.79 g/kg，與國(guó)家養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比，屬于缺乏狀態(tài)，因?yàn)榕璧刂車吷絽^(qū)以黃土丘陵地貌為主、局部地段為砂巖和石灰?guī)r，而盆地平原區(qū)被現(xiàn)代沖積物所覆蓋，大部分為沙壤土，水肥涵養(yǎng)能力差。盆地內(nèi)不同地點(diǎn)的土壤全氮含量差異較大，變異系數(shù)為47.67%，屬于中等變異。

晉中盆地氮在變程為12 480 m范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性；結(jié)構(gòu)方差比C/（C＋C0）為0.504，表示土壤中氮元素具有中等空間相關(guān)性，表明由結(jié)構(gòu)性因素與隨機(jī)因素共同作用而成。

晉中盆地土壤氮元素含量的空間分異特征如下：一是盆地中部河流兩岸附近地區(qū)的氮含量相對(duì)較高，其中以太原、榆次和清徐交界區(qū)域最高，一方面是因?yàn)樵摰貐^(qū)在20世紀(jì)90年代以前長(zhǎng)期使用城市排放的污水灌溉農(nóng)田，加之該地區(qū)位于太原市的下風(fēng)向，大氣干濕沉降將大氣污染物中的氮素帶入土壤中，另一方面是由于該地區(qū)是太原市的主要蔬菜生產(chǎn)區(qū)，氮肥施用量大；二是盆地邊山區(qū)氮含量較低，其中以盆地西南部邊山區(qū)最低，由于該地區(qū)地形破碎、溝壑縱橫、植被稀少，水土流失較重，所以土壤含氮量低。

［1］林芬芳.不同尺度土壤質(zhì)量空間變異機(jī)理、評(píng)價(jià)及其應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2009.

［2］唐國(guó)勇，黃道友，黃敏，等.紅壤丘陵景觀表層土壤有機(jī)碳空間變異特點(diǎn)及其影響因子[J].土壤學(xué)報(bào)，2010（4）：753-759.

［3］張繼舟，呂品，于志民，等.三江平原農(nóng)田土壤重金屬含量的空間變異與來(lái)源分析[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2014，29（Z1）：353-359.

［4］趙明松，張甘霖，王德彩，等.徐淮黃泛平原土壤有機(jī)質(zhì)空間變異特征及主控因素分析[J].土壤學(xué)報(bào)，2013（1）：1-11.

［5］宋豐驥，常慶瑞，鐘德燕.黃土高原溝壑區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異及其與地形因子的相關(guān)性[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（12）：166-172，180.

［6］陳曉琳，李忠武，王曉燕，等.中亞熱帶紅壤丘陵區(qū)松林生態(tài)系統(tǒng)表層土壤活性有機(jī)碳空間分異規(guī)律[J].地理研究，2011（10）：1825-1834.

［7］蘇尚軍，張婷，張?jiān)?，?城市化對(duì)土壤重金屬鉛空間分布的影響：以晉中盆地為例 [J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（10）：1508-1511，1515.

［8］成杭新，楊忠芳，趙傳冬，等.區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)預(yù)警：?jiǎn)栴}與討論[J].地學(xué)前緣，2004（2）：607-615.

［9］趙凡，沈玉梅，何秀云，等.耕地土壤肥力因子演變的變化程度分析：以榆中縣1987—2006年的變化為例[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010（12）：55-58，62.

［10］黃立梅，黃紹文.規(guī)模經(jīng)營(yíng)稻田土壤養(yǎng)分空間變異特征與高效平衡施肥效應(yīng)[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2010，25（Z1）：205-211.

［11］田艷，馬友華，胡宏祥，等.農(nóng)田土壤中氮的環(huán)境指標(biāo)研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2017（7）：142-147.

［12］羅親普，龔吉蕊，徐沙，等.氮磷添加對(duì)內(nèi)蒙古溫帶典型草原凈氮礦化的影響[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2016（5）：480-492.

［13］李健，杜健雄，劉霞，等.北京市八達(dá)嶺林場(chǎng)土壤氮元素空間異質(zhì)性研究[J].林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2008（6）：51-54.

［14］王?；郏涎s，韓興國(guó).草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤氮素礦化影響因素的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004（11）：2184-2188.

［15］李貴才，韓興國(guó)，黃建輝，等.森林生態(tài)系統(tǒng)土壤氮礦化影響因素研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2001（7）：1187-1195.

［16］董云中，王永亮，張建杰，等.晉西北黃土高原丘陵區(qū)不同土地利用方式下土壤碳氮儲(chǔ)量 [J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2014（4）：955-960.

［17］MOUSTAFA M M，YOMOTA A.Use of a covariance variogram to investigate influence of subsurface drainage on spatial variability of soil-water properties[J].Agricultural Water Management，1998，37（1）：1-19.

［18］KRAL F，CORSTANJE R，WHITE J R，et al.Geostatistical analysis of soil properties in the davis pond mississippi freshwater diversion[J].Soil Science Society of America Journal，2012，76（3）：1107-1118.

［19］FOROUGHIFAR H，JAFARZADEH A A，TORABI H，et al.Using geostatistics and geographic information system techniques to characterize spatial variability of soil properties，including micronutrients[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis，2013，44（8）：1273-1281.

［20］杜小翠，胡江玲.烏魯木齊城市土壤磁化率特征及其環(huán)境意義[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，20（3）：32-36.

［21］程先富，史學(xué)正，于東升，等.江西省興國(guó)縣土壤全氮和有機(jī)質(zhì)的空間變異及其分布格局[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2004（1）：64-67.

［22］馮明哲.研究地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法和進(jìn)展 [J].電大理工，2016（4）：37-38.

［23］呂真真，劉廣明，楊勁松，等.環(huán)渤海沿海區(qū)域土壤養(yǎng)分空間變異及分布格局[J].土壤學(xué)報(bào)，2014（5）：944-952.

［24］白軍紅，鄧偉，朱顏明，等.水陸交錯(cuò)帶土壤氮素空間分異規(guī)律研究：以月亮泡水陸交錯(cuò)帶為例[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2002（3）：343-348.

Study on Spatial Heterogeneity of Soil Nitrogen in Jinzhong Basin

CAO Xiaoxiao，WANG Yinggang，SU Shangjun，GUO Xing，ZHANG Ting
（College of Environmental and Resource Sciences，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

Soil nitrogen is the most nutrient element for plants.The spatial variability of soil nutrients in a large scale,which is helpful tograsp the variation of soil nutrients in the system,and to facilitate the scientific management of soil nutrients.In this paper,215 samples of Jinzhong basin were obtained by random sampling.The total nitrogen content was extracted at each sampling point,and the collected depth was 0-20 cm.The paper analyzed the soil nitrogen variation structure and spatial distribution characteristics by using the semi variance function simulation and Kriging interpolation.The results showed that the average content of total nitrogen in soil was 0.79 g/kg,which compared with the national level two nutrient classification standards and was in a lack of state and the coefficient of variation was 47.67%,belonging to moderate variation.The simulation results showed that the exponential model fit best,with moderate spatial autocorrelation.The total nitrogen content in both sides of the river basin was higher than that of the mountainous area.The area of extreme displayed pathy distributions,including the maximum nitrogen content distributs in Jinyuan district of Taiyuan city,Qingxu county and the border area of Yuci district and Taigu,and the minimun nitrogen content in the southern part of Xiaoyi.

N;semi variance function;Kriging interpolation;Jinzhong basin

S153.6＋1

A

1002-2481（2017）10-1634-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.10.15

近年來(lái)，由于工業(yè)化的迅速發(fā)展以及城市規(guī)模的擴(kuò)張，草地、林地、農(nóng)業(yè)用地不斷減少[1-2]，建筑用地不斷增加，土壤質(zhì)量退化越來(lái)越嚴(yán)重，土壤養(yǎng)分出現(xiàn)局部富集或缺失[3-4]。很多學(xué)者對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于大量工業(yè)用地和城市用地占用耕地，使得土壤養(yǎng)分含量減少[5-7]；其次農(nóng)民不合理的灌溉與施肥技術(shù)使得局部地區(qū)土壤養(yǎng)分過(guò)分聚集[8-10]。土壤中的氮元素在生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)與物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[11-12]，是動(dòng)植物生長(zhǎng)所需要的最多的營(yíng)養(yǎng)元素[13-14]，同時(shí)也是植物生長(zhǎng)的限制性因子之一[15]。因此，揭示土壤氮元素空間的變異特征十分必要[16]。

地統(tǒng)計(jì)學(xué)最初是由南非地質(zhì)學(xué)家KRIGE提出的，隨后由法國(guó)學(xué)者M(jìn)ATHERON發(fā)展完善形成理論[17]，目前其已成為研究空間變異最廣泛的工具[18-19]。在土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、植物學(xué)等眾多學(xué)科都已通過(guò)地統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)土壤氮元素展開(kāi)了大量研究[20-22]。呂真真等[23]運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究得出，環(huán)渤海地區(qū)全氮含量有較好的空間結(jié)構(gòu)；白軍紅等[24]在水陸交錯(cuò)帶中研究得出，各形態(tài)氮素含量基本呈現(xiàn)由近水體到高崗地帶遞減的分異趨勢(shì)。

2017-05-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31070424）

曹霄霄（1992-），女，山西臨汾人，在讀碩士，研究方向：區(qū)域環(huán)境變化。王應(yīng)剛為通信作者。