川南地區(qū)土壤氮素的空間分布特征及影響因素分析

唐 蓮，歐陽(yáng)平，馮文穎，李啟權(quán),趙 迪，馮海濤，代天飛,，李 昆

(1.成都土壤肥料測(cè)試中心, 四川 成都 610041；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院, 成都 溫江 611130；3.四川省達(dá)州市通川區(qū)復(fù)興鎮(zhèn)人民政府，四川 達(dá)州 635003)

土壤養(yǎng)分是由土壤提供的植物生長(zhǎng)發(fā)育所必須的營(yíng)養(yǎng)元素。植物一生所吸收的養(yǎng)分主要來(lái)自于土壤，土壤養(yǎng)分狀況與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著密切的關(guān)系[1]。氮素作為大量養(yǎng)分元素，對(duì)于植物生長(zhǎng)發(fā)育有著重要意義。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，我們主要采用施用氮肥的方式增加土壤氮素含量。但施入土壤的氮肥損失較為嚴(yán)重，還易產(chǎn)生水體污染等環(huán)境問(wèn)題。因此，研究區(qū)域內(nèi)土壤氮素的空間分布特征和影響因素，能對(duì)區(qū)域內(nèi)氮肥的施用提供依據(jù)，具有重要意義。目前，我國(guó)學(xué)者也從不同尺度[2-3]，運(yùn)用不同方法[4-7]，對(duì)不同區(qū)域[8-10]、不同地形條件[11-14]下的土壤氮素分布進(jìn)行了研究，但對(duì)于四川南部的研究還未深入。

宜賓市位于四川省南部，以中低山和丘陵為主，是長(zhǎng)江上游山丘區(qū)的典型代表。本文以宜賓市為研究區(qū)域，采用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析和地統(tǒng)計(jì)學(xué)技術(shù)研究土壤氮素的空間分布特征及影響因素，旨在為該區(qū)域氮肥的使用提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)宜賓市位于四川省南部，地跨103°36′E～105°20′E，27°50′N～29°16′N，位于川、滇、黔3省交匯地，長(zhǎng)江0km處。東西最大橫距153.2km，南北最大縱距150.4km。市區(qū)總面積1123km2，人口約70多萬(wàn)。全市地形整體呈西南高、東北低態(tài)勢(shì)，地貌以中低山和丘陵為主，嶺谷相間。市境內(nèi)500～2000m的中低山占46.6%，丘陵占45.3%，平壩占8.1%。海拔約236～2800m。屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，具有氣候溫和、熱量充足、雨量充沛、四季分明的特點(diǎn)。全年平均溫度18℃左右，年平均降水量約為1050～1618mm，合降水量154.9億m3。宜賓境內(nèi)水系屬外流水系，以長(zhǎng)江為主脈，河流多、密度大、水量豐富。全市土壤總面積107.33萬(wàn)hm2，占全市土地總面積的80.5%。土壤種類有紫色土、新積土、水稻土、黃壤、石灰土等。

1.2 土壤樣品采集與測(cè)定

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，考慮到成土母質(zhì)、土壤類型、海拔高度、植被條件、人類活動(dòng)等人為因素和自然因素，保證采樣點(diǎn)具有典型性和代表性，同時(shí)要兼顧空間分布的均勻性。在宜賓市耕地土壤上布設(shè)樣點(diǎn)和采集土樣，共選取624個(gè)點(diǎn)，并用GPS進(jìn)行定位。將采集到的所有樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干、磨碎后過(guò)篩，裝袋待測(cè)。全氮(TN)含量測(cè)定采用凱氏定氮法，堿解氮(AN)含量測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法[15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 17.0軟件對(duì)土壤全氮和堿解氮含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析；利用單因素方差分析(ANOVA)比較全氮和堿解氮含量在不同土壤類型之間、不同海拔高度之間和不同輪作制度之間的差異；在ArcGIS 10.0平臺(tái)上，繪制出樣點(diǎn)分布圖；土壤全氮和堿解氮含量的半方差分別用球狀、指數(shù)和高斯等模型進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合誤差大小選擇最適模型，然后用普通克里格法(OrdinaryKriging)內(nèi)插獲得土壤全氮和堿解氮的等值線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤氮素含量常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析

常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明(表1)，研究區(qū)土壤全氮和堿解氮含量總體水平適中，土壤全氮的平均含量為(1.43±0.47)g/kg，變化范圍(0.49～3.87)g/kg；堿解氮的平均含量為(135±56)mg/kg，變化范圍(16～413)mg/kg。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查確定的氮素含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，全氮含量處于中等水平，堿解氮含量處于高等水平。從變異系數(shù)上來(lái)看，全氮含量的變異系數(shù)為32.87%，堿解氮含量的變異系數(shù)為41.66%，均達(dá)到中等變異強(qiáng)度，表明其空間分布不均勻。根據(jù)研究區(qū)土壤全氮、堿解氮頻數(shù)分布圖(圖1)，土壤全氮和堿解氮含量均近似符合正態(tài)分布，峰度系數(shù)分別為1.251和2.055，偏度系數(shù)分別為0.811和0.965。

表1 土壤全氮和堿解氮含量特征統(tǒng)計(jì)

圖1 研究區(qū)土壤全氮、堿解氮含量的頻率分布

從不同土壤類型氮素含量特征來(lái)看，全氮含量最高的是石灰土，為1.73g/kg，其次為黃壤、水稻土、潮土、紫色土，含量最低的是新積土，為1.17g/kg；堿解氮含量最高的是石灰土，為174mg/kg，其次為潮土、黃壤、水稻土和紫色土，含量最低的是新積土，為102mg/kg(表2)。

2.2 土壤氮素的空間變異特征分析

2.2.1 變異函數(shù)分析 半方差分析能較好地刻畫土壤氮素的空間分布的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性等，因而在常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用半方差對(duì)其空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[16]。本文利用ArcGIS 10.0的地統(tǒng)計(jì)學(xué)模塊分析土壤全氮和堿解氮含量的分布特征。分別選取球狀、指數(shù)、高斯等3種模型進(jìn)行擬合，得到全氮和堿解氮的地統(tǒng)計(jì)參數(shù)(表3)。

表2 不同土壤類型中氮素平均含量統(tǒng)計(jì)表

從變異因素角度考慮，塊金值與基臺(tái)值的比值表示空間異質(zhì)程度，也反映了空間變異成分中結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)因素誰(shuí)占主導(dǎo)作用。若塊金值與基臺(tái)值的比值小于25%，表明變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，且空間分布主要受結(jié)構(gòu)性因子影響；若比值大于75%，則說(shuō)明變量的空間相關(guān)性很弱，且空間分布主要受隨機(jī)性因子的影響[17]。由表3知，土壤全氮的隨機(jī)變異占其空間變異的比例(塊金值/基臺(tái)值)為36.8%～51.2%，土壤堿解氮的隨機(jī)變異占其空間變異的比例(塊金值/基臺(tái)值)為45.2%～61.8%，均具有中等相關(guān)性，且受到結(jié)構(gòu)性因子和隨機(jī)性因子的共同影響；這也表明該研究區(qū)土壤全氮和堿解氮含量空間變異受隨機(jī)因素影響較結(jié)構(gòu)因素大，且堿解氮的隨機(jī)變異大于全氮。這有可能是因?yàn)閴A解氮易分解，容易受施肥等人為因素影響[18]。

2.2.2 空間分布特征 綜合考慮各項(xiàng)地統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)，采用普通克里格插值(Ordinary Kriging)分別使用球狀模型和指數(shù)模型進(jìn)行插值獲得了土壤全氮和堿解氮含量的空間分布圖。其標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差(RM SSE)分別為0.994和0.979，表明插值精度較高(接近1)，空間擬合效果較好[19]。

由圖1可知，研究區(qū)土壤全氮和堿解氮含量總體上表現(xiàn)出一定的相似性，均有中部含量較低，南部和北部含量較高的特點(diǎn)。土壤全氮含量總體呈斑塊狀分布，低值區(qū)(0.49～1.1g/kg)主要位于中部宜賓市境內(nèi)，并以此為中心逐漸向北部、南部方面增加。高值區(qū)(2.2～3.87g/kg)主要位于南部的筠連縣區(qū)域，大部分區(qū)域處于中等水平(1.1～1.6g/kg)。

表3 土壤全氮和堿解氮的地統(tǒng)計(jì)參數(shù)

土壤堿解氮含量呈斑塊狀或條帶狀分布，中部含量較低，南北區(qū)域含量較高。低值區(qū)(16～90mg/kg)主要位于中部宜賓市、高縣區(qū)域，并以此為中心向北部、南部、西北方向逐漸增高。高值區(qū)(160～413mg/kg)主要位于南部筠連縣、珙縣、興文縣等區(qū)域?？傮w而言該區(qū)域堿解氮含量處于中上水平。

圖2 土壤氮素空間分布特征

2.3 影響因素分析

土壤中氮素的含量受自然因素(氣候、地形及植被)和農(nóng)業(yè)措施(施肥、耕作、灌溉制度及利用方式)的影響。不同區(qū)域的土壤氮素含量差異較大，本文主要從海拔高度、輪作制度、土壤質(zhì)地等方面來(lái)研究各影響因素與研究區(qū)土壤氮素含量和分布的關(guān)系。

2.3.1 海拔高度 海拔高度影響水熱條件和成土物質(zhì)的再分配，導(dǎo)致土壤特性因海拔高度變化而產(chǎn)生差異[20]，從而造成土壤氮素含量的差異。研究區(qū)內(nèi)地形以低山丘陵為主，不同海拔高度的土壤氮素含量分布具有一定的差異。

方差分析的結(jié)果表明，海拔高度對(duì)于土壤全氮含量達(dá)到極顯著影響(F=14.274,P<0.01)，對(duì)于土壤堿解氮含量的影響達(dá)到極顯著水平(F=8.493,P<0.01)。

表4 海拔高度與土壤氮素含量

注：平均值列同一氮素指標(biāo)具有相同小字母表示該均值無(wú)顯著差異。下同。

從研究區(qū)內(nèi)不同海拔高度土壤全氮含量來(lái)看，海拔在800m以上區(qū)域的土壤的全氮顯著高于500m以下區(qū)域，海拔在500～800m區(qū)域的全氮含量顯著高于400m以下區(qū)域，500m以下區(qū)域之間土壤全氮含量差異不顯著。

從研究區(qū)內(nèi)不同海拔高度土壤堿解氮含量來(lái)看，海拔在800m以上區(qū)域的土壤堿解氮含量極顯著高于500m以下區(qū)域，顯著高于500～800m區(qū)域的堿解氮含量；海拔在500～800m區(qū)域的土壤堿解氮含量顯著高于300m以下和400～500m區(qū)域的堿解氮含量。造成這一現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)所在的宜賓市地形以低山丘陵為主，而在500m以上或800m以上的低山區(qū)光照充足，多數(shù)植被保存較為完整，有機(jī)質(zhì)分解較少，從而堿解氮和全氮含量較高。但具體原因還需要做進(jìn)一步探討研究。

2.3.2 輪作制度 不同輪作制度條件下對(duì)于土壤養(yǎng)分的人為干擾程度不同，進(jìn)而影響到土壤氮素的含量。本研究區(qū)內(nèi)土樣采自宜賓市的耕地，因此本文對(duì)該區(qū)域耕地不同輪作制度下土壤全氮和堿解氮含量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。經(jīng)調(diào)查研究表明，研究區(qū)內(nèi)主要有一年一熟、一年兩熟、一年三熟、常年生等4種輪作制度。不同輪作制度條件下，土壤全氮和堿解氮的含量有所不同(表5)。

表5 種植制度與土壤氮素含量

注：**表示0.01水平，具有相同字母表示差異不顯著。下同。

方差分析結(jié)果表明，不同輪作制度對(duì)土壤全氮和堿解氮含量均具有顯著的影響。其中對(duì)土壤全氮含量的影響達(dá)到極顯著水平(F=13.307,P<0.01)，對(duì)土壤堿解氮的影響達(dá)到極顯著水平(F=17.534,P<0.01)。

從研究區(qū)內(nèi)不同種植制度土壤全氮含量來(lái)看，一年一熟制研究區(qū)土壤全氮含量最高，為1.49±0.03g/kg，其次為一年兩熟制(1.41±0.29g/kg)、一年三熟制(1.11±0.05g/kg)、常年生(0.96±0.13g/kg)。其中，一年一熟制顯著高于一年三熟制和常年生，一年兩熟制顯著高于一年三熟制，一年一熟和一年兩熟之間差異不顯著，常年生和一年三熟之間的差異未達(dá)顯著水平。

從不同種植制度土壤堿解氮含量來(lái)看，一年一熟制研究區(qū)土壤堿解氮含量最高,為143±58mg/kg，其次一年兩熟制(133±53mg/kg)、常年生(95±36mg/kg)、一年三熟制(87±29mg/kg)。不同種植制度間的差異水平類似于全氮含量的規(guī)律，一年一熟顯著高于常年生和一年三熟，一年兩熟顯著高于一年三熟，一年一熟和一年兩熟之間差異未達(dá)顯著水平，一年三熟和常年生之間差異不顯著。

2.3.3 土壤質(zhì)地 質(zhì)地不同的土壤，其粘粒含量和大小孔隙存在的數(shù)量和比例有很大的差別，決定了土壤入滲能力的不同，從而影響氮素運(yùn)移。調(diào)查研究表明，該區(qū)域土壤質(zhì)地類型主要有黏土類、黏壤土類、壤土類、砂土類等4種類型。

表6 土壤質(zhì)地與土壤氮素含量

方差分析結(jié)果表明，土壤質(zhì)地對(duì)土壤全氮含量的影響達(dá)到極顯著水平(F=15.881,P<0.01),對(duì)土壤堿解氮含量的影響達(dá)到極顯著水平(F=19.759,P<0.01)(表7)。

4種不同土壤質(zhì)地條件下，黏土全氮含量最高，為(1.60±0.52)g/kg，其次為黏壤土(1.48±0.40)g/kg、壤土(1.39±0.48)g/kg、砂土(1.14±0.47)g/kg。其中，黏土顯著高于砂土、壤土，黏壤土、壤土顯著高于砂土，黏土、黏壤土之間差異不顯著，壤土、黏壤土之間差異未達(dá)顯著水平。

從研究區(qū)內(nèi)不同質(zhì)地土壤堿解氮含量來(lái)看，同樣也是黏土堿解氮含量最高，為(154±60)mg/kg，其次為壤土(139±59)mg/kg、黏壤土(136±48)mg/kg、砂土(93±39)mg/kg。其中，黏土、黏壤土、壤土極顯著高于砂土，黏土、黏壤土、壤土之間的差異未達(dá)顯著水平。

3 結(jié)論

研究區(qū)土壤全氮含量處于中等水平，為(1.43±0.47)g/kg；堿解氮含量處于高等水平，為(135±56)mg/kg。不同類型土壤的全氮含量由高到低為：石灰?guī)r>黃壤>水稻土>潮土>紫色土>新積土，土壤堿解氮含量由高到低為：石灰?guī)r>潮土>黃壤>水稻土>紫色土>新積土。

土壤全氮和堿解氮含量總體上呈斑塊狀分布，中部含量較低，南部和北部含量較高，但兩者高值區(qū)、低值區(qū)的分布范圍有所不同。因此，在對(duì)該研究區(qū)域內(nèi)進(jìn)行農(nóng)田管理和氮肥施用應(yīng)分區(qū)域進(jìn)行。

土壤全氮和堿解氮含量在不同土壤質(zhì)地、土地利用方式、海拔高度下均存在差異。研究表明，不同成土母質(zhì)、不同種植制度條件、不同土壤質(zhì)地、不同海拔高度下，土壤全氮和堿解氮含量均存在極顯著或顯著差異。因此，在對(duì)該區(qū)域進(jìn)行氮肥施用時(shí)，還需充分考慮區(qū)域的輪作制度、地形、土壤質(zhì)地等因素。

[1]黃巧云.土壤學(xué)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2006:179-188.

[2]張世熔,孫波,趙其國(guó)，等.南方丘陵區(qū)不同尺度下土壤氮素含量的分布特征[J].土壤學(xué)報(bào),2007(5):885-892.

[3]張世熔,孫波,趙其國(guó)，等.南方丘陵區(qū)土壤氮素尺度效應(yīng)的影響因素[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2007,10:4057-4064.

[4]楊東,劉強(qiáng).基于GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的張掖市甘州區(qū)土壤全氮、有機(jī)質(zhì)的空間變異特征分析[J].土壤通報(bào),2011，42(3):593-597.

[5]朱紅霞,陳效民,杜臻杰.基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的土壤氮素與pH的空間變異性研究[J].土壤通報(bào),2010，01:1086-1090.

[6]劉祖香,陳效民,靖彥，等.基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的農(nóng)田尺度旱地紅壤養(yǎng)分空間變異性研究[J].土壤通報(bào)，2013，44(2):392-397.

[7]胡斌,和樹莊,陳春瑜，等.滇池流域土壤氮磷分布特征及關(guān)鍵影響因素研究[J].土壤學(xué)報(bào),2012，49(6):1178-1184.

[8]胡玉福,鄧良基,張世熔，等.川中丘陵區(qū)典型小流域土壤氮素空間變異特征及影響因素研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2008，22(3):70-75,81.

[9]王洋,劉景雙,孫志高，等.三江平原蝶形濕地土壤氮素分布特征[J].土壤通報(bào),2011，42(3):598-602.

[10]王青,袁勇,李傳哲，等.白洋淀濕地土壤氮素空間分布特征研究[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué),2013，04:1-6.

[11]范鵬,李軍,張麗娜，等.黃土高原蘋果園地深層土壤氮素含量與分布特征[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2013，19(2):420-429.

[12]劉合滿,曹麗花,張華，等.色拉季山山地酸性棕壤土壤氮素的分布特征[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2013，33(10):126-129.

[13]陸琦,馬克明,盧濤，等.三江平原農(nóng)田渠系中氮素的時(shí)空變化[J].環(huán)境科學(xué),2007，07:1560-1566.

[14]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2010.

[15]黃海波,張進(jìn)忠,高揚(yáng),等.都市農(nóng)業(yè)區(qū)域村級(jí)果園土壤氮素的空間分布特征—以上海南匯新場(chǎng)鎮(zhèn)果園為例[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(4):832-838.

[16]孫波,趙其國(guó),閭國(guó)年.低丘紅壤肥力的時(shí)空變異[J].土壤學(xué)報(bào),2002(2):190-198.

[17]張宏偉,魏忠義,王秋兵.沈陽(yáng)城市土壤全鉀和堿解氮的空間變異性[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào).2008,19(7):1617-1521.

[18]王政權(quán).地統(tǒng)計(jì)學(xué)及在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,1999.

[19]龐夙,李廷軒,王永東，等.縣域農(nóng)田土壤氮素空間分布特征及其影響因素[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，21(6).1497-1503.