建三江地區(qū)土壤氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量空間異質(zhì)性特征及其影響因素分析

房娜娜，楊澤，劉國(guó)棟，戴慧敏，劉凱

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.自然資源部 黑土地演化與生態(tài)效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110034； 3.遼寧省黑土地演化與生態(tài)效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

0 引言

氮(N)、磷(P)是植物必需且受環(huán)境限制(如水分、溫度、pH)影響的營(yíng)養(yǎng)元素[1-3]。土壤是一個(gè)非均質(zhì)和變化的時(shí)空連續(xù)體[4-5]，會(huì)受到土壤母質(zhì)、地形特征、氣候因素、植被類型和土地利用方式等各種自然因素和人為因素的影響[6]，從而導(dǎo)致土壤存在空間異質(zhì)性，土壤氮、磷元素同樣存在空間上的復(fù)雜性和變異性。

黑土是東北地區(qū)比較肥沃的土壤之一，土壤肥力的維持和提升關(guān)系到區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和國(guó)家糧食安全[7]。東北黑土區(qū)土地利用類型以農(nóng)田和林地為主，地形地貌為漫川漫崗，由于長(zhǎng)時(shí)期的不合理耕作，土壤退化嚴(yán)重，導(dǎo)致影響土壤氮、磷元素空間分布格局的因素也比較復(fù)雜[8-9]。由于受大中尺度地形因子(主要包括海拔、經(jīng)緯度等[10])的影響，土壤水(年均降水量)、熱(年均溫)、徑流、滲漏、土壤流失和遷移—轉(zhuǎn)化過(guò)程不同[8，11]，使土壤氮、磷空間分布特征不同，多呈明顯的緯度地帶性規(guī)律[12]。另外，土地利用類型改變了“植物—土壤—大氣”之間相互作用關(guān)系，進(jìn)而影響土壤N、P[8,13]的轉(zhuǎn)化、運(yùn)移、累積，因此多呈非地帶性規(guī)律[14-15]。

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)(ecological stoichiometry)是一門研究多重生態(tài)過(guò)程化學(xué)元素及能量平衡關(guān)系的新興生態(tài)學(xué)科，能夠從元素比例的角度將土壤—作物生態(tài)過(guò)程及土壤養(yǎng)分元素循環(huán)等研究統(tǒng)一起來(lái)[16-17]，能夠?yàn)橥寥鲤B(yǎng)分耦合循環(huán)特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制、生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分供應(yīng)與平衡等方面的研究提供更為有效的途徑[18]。有研究表明,生物體自身和外界環(huán)境中的氮磷比(N/P)能夠影響生物的相對(duì)生長(zhǎng)率和發(fā)育程度，因此，與土壤氮、磷單一元素的變異特征相比，氮磷比能夠更科學(xué)、有效地闡述土壤氮、磷元素的內(nèi)部特征及平衡關(guān)系，對(duì)于認(rèn)識(shí)植物和生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分供應(yīng)與需求平衡過(guò)程、養(yǎng)分耦合循環(huán)特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制更具重要意義[19-20]。研究東北黑土區(qū)土壤氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量的空間異質(zhì)性及其影響因素，是指導(dǎo)該區(qū)域農(nóng)業(yè)養(yǎng)分管理和農(nóng)業(yè)面源污染防控的重要依據(jù)，而這方面研究還缺乏報(bào)道。本文結(jié)合地統(tǒng)計(jì)分析及地理信息系統(tǒng)(GIS)的方法，研究東北建三江地區(qū)中尺度下表層(0～20 cm)土壤全氮(TN)、全磷(TP)和氮磷比(N/P)空間分布特征，分析土壤類型、地貌類型、母質(zhì)類型及土地利用等對(duì)其的驅(qū)動(dòng)作用，一方面有助于認(rèn)識(shí)土壤氮、磷的空間分布特征與生態(tài)過(guò)程之間的關(guān)系；另一方面為自然資源管理、生態(tài)功能分區(qū)以及環(huán)境污染監(jiān)測(cè)(如面源污染)等領(lǐng)域的政策制定提供支撐。

1 研究區(qū)概況

建三江墾區(qū)地處三江平原腹地，總面積約1.24萬(wàn)km2，與同江、富錦、撫遠(yuǎn)、饒河三市一縣相鄰，系黑龍江、松花江、烏蘇里江匯流的河間地帶(東經(jīng)132.51°～134.37°，北緯46.82°～48.22°)，由11個(gè)農(nóng)場(chǎng)組成：大興、七星、創(chuàng)業(yè)、紅衛(wèi)、八五九、前鋒、洪河、濃江、二道河、勤得利、前哨。該區(qū)氣候?qū)俸疁貛駶?rùn)季風(fēng)氣候特征，年平均氣溫1～2 ℃，有效積溫20～24 ℃，日照時(shí)數(shù)為2 260～2 449 h，平均降水量為550～600 mm，無(wú)霜期為110～135 d。土壤類型主要為暗棕壤、白漿土、草甸土、沼澤土4類。土地利用類型包括草地、旱田、水田、水域、沼澤地、建設(shè)用地等。該區(qū)域作物熟制為一年一熟，農(nóng)田主要作物為水稻、玉米、大豆等(圖1)。

圖1 建三江地區(qū)土壤類型(a)、土地利用(b)及采樣布點(diǎn) (c)Fig.1 Distribution map of soil types (a), land use (b) and sampling (c) in Jiansanjiang area

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集與測(cè)試

野外測(cè)量和分析測(cè)試工作均嚴(yán)格按照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)[21]執(zhí)行。按照1 km×1 km網(wǎng)格化布設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn)，在采樣點(diǎn)周圍100 m范圍內(nèi)3～5處多點(diǎn)采集表層土壤(0～20 cm)組合為1件土樣，土壤樣品質(zhì)量保證在1 kg以上，裝入干凈的布袋中，對(duì)于個(gè)別濕度較大的土壤樣品，裝入干凈布袋的同時(shí)再采用塑料樣品袋隔離處理，以防止樣品間污染，經(jīng)陰干、過(guò)20目尼龍篩后備用。采集樣品的同時(shí)均記錄采樣點(diǎn)基本信息，包括經(jīng)緯度坐標(biāo)、海拔、土壤類型、土地利用等。

土壤樣品分析測(cè)試工作由自然資源部沈陽(yáng)礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心完成。土壤全氮、全磷指標(biāo)的分析方法及檢出限見(jiàn)表1。本次工作分析測(cè)試方法、重復(fù)分析質(zhì)量、分析準(zhǔn)確度及精確度均符合規(guī)范要求，樣品分析結(jié)果合格率為100%，樣品分析數(shù)據(jù)已通過(guò)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查樣品質(zhì)量檢查組驗(yàn)收，結(jié)果可靠。

表1 各項(xiàng)指標(biāo)的分析方法及檢出限Table 1 The analysis method and detection limit of target elements

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用其他數(shù)據(jù)來(lái)源說(shuō)明如下：

1)東北地區(qū)土壤類型圖的矢量數(shù)據(jù)：來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，原數(shù)據(jù)是《1∶100萬(wàn)中華人民共和國(guó)土壤圖》，由全國(guó)土壤普查辦公室組織完成，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所完成的數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，屬性字段包含了土綱、土類及亞類。

2)東北地區(qū)2010年土地利用1∶10萬(wàn)比例尺矢量數(shù)據(jù)：來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，該數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所牽頭，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所、東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所等多家單位共同完成，土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)的重建主要使用Landsat-TM/ETM遙感影像數(shù)據(jù)。

2.3 異常值處理

研究區(qū)網(wǎng)格布點(diǎn)3 079個(gè)，在考慮野外采樣和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分析誤差的基礎(chǔ)上，按照平均值±3倍標(biāo)準(zhǔn)差的原則進(jìn)行數(shù)據(jù)異常值的識(shí)別和處理，剔除異常數(shù)據(jù)，共得到有效數(shù)據(jù)2 971組，后續(xù)相關(guān)計(jì)算分析均采用處理后的數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 19.0 和Geostatistics for the environmental sciences(GS+)9.0分別進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。利用SPSS 19.0 計(jì)算土壤全氮、全磷和氮磷比的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)(Cv)。變異系數(shù)可反映特征變量的空間變異程度，Cv<0.1時(shí)為弱變異，0.11.0時(shí)為強(qiáng)變異。

半方差函數(shù)[22]是描述空間變量的關(guān)鍵函數(shù)，它可以描述變量的空間變異結(jié)構(gòu)，反映不同距離觀測(cè)值之間的變化，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：r(h)為半方差；h為兩點(diǎn)間的矢量，也就是滯后距離；N(h)為被h間隔的數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)的數(shù)目；z(xi+h)和z(xi)分別為變量在位置xi+h和xi處的實(shí)測(cè)值。利用GS+ 9.0軟件的高斯模型、球形模型、線性模型和指數(shù)模型4種模型進(jìn)行半方差函數(shù)各參數(shù)的擬合，并得到最佳模型和基本參數(shù)[23]，其中基本參數(shù)包括基臺(tái)值(C0+C)、變程(A0)和塊金系數(shù)[C0/(C0+C)]。塊金值(C0)表示隨機(jī)變異，基臺(tái)值(C0+C)表示總的變異程度，其值越高，總的變異程度越高。當(dāng)塊金系數(shù)[C0/(C0+C)]>75%時(shí)，表示系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱；當(dāng)比值在25%～75%時(shí)，空間自相關(guān)性處于中等程度；當(dāng)比值小于25%，則說(shuō)明空間自相關(guān)性較強(qiáng)。

根據(jù)得到的基本參數(shù)，利用ArcGIS 10.0軟件使用普通克里格(ordinary kriging)方法繪制研究區(qū)土壤全氮、全磷和氮磷比的空間格局分布圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量的統(tǒng)計(jì)特征分析

3.1.1 土壤氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量的描述性統(tǒng)計(jì)分析及正態(tài)分布檢驗(yàn)

研究區(qū)土壤氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。建三江墾區(qū)土壤全氮、全磷和氮磷比的范圍分別為(0.14～7.26)×10-3、(0.17～1.64)×10-3和0.42～13.25，平均值分別為2.49×10-3、0.81×10-3和3.20[24]。根據(jù)黑土區(qū)相關(guān)研究[20],研究區(qū)土壤全氮含量和全磷分別處于豐富(>2×10-3)和較豐富(0.8～1×10-3)等級(jí)。土壤全氮、全磷和氮磷比的變異系數(shù)分別為0.28、0.23和0.33，均屬于中等程度變異，說(shuō)明研究區(qū)土地利用、人類活動(dòng)等非結(jié)構(gòu)性因素對(duì)土壤全氮、全磷和氮磷比均存在一定的影響。土壤全氮、全磷和氮磷比的平均值和中位數(shù)都比較接近，說(shuō)明土壤全氮、全磷和氮磷比均呈現(xiàn)較好的中心趨向分布。偏度值大于0，說(shuō)明它們的正態(tài)分布圖呈現(xiàn)向左偏斜。峰值為正值，說(shuō)明數(shù)據(jù)分布比標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的峰值高。K-S檢驗(yàn)結(jié)果表明，土壤全氮、全磷和氮磷比的顯著性均小于0.05，數(shù)據(jù)屬于偏態(tài)分布，不完全符合正態(tài)分布(表2)，采用對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后仍不符合正態(tài)分布，因此采用原始數(shù)據(jù)計(jì)算土壤全氮、全磷和氮磷比的變異函數(shù)。

表2 土壤氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量的描述性統(tǒng)計(jì)分析Table 2 Descriptive statistics of ecological stoichiometry of soil nitrogen and phosphorus

由于研究區(qū)氣溫較低，有機(jī)質(zhì)分解緩慢，微生物分解有機(jī)質(zhì)所需的氮素減少，導(dǎo)致多余部分釋放到土壤中[25],再加上農(nóng)田土壤常年施用化肥尤其是氮肥，因而，在一定程度上提高了土壤的氮儲(chǔ)量。而磷元素主要來(lái)源于成土母質(zhì)的風(fēng)化，其在土壤中移動(dòng)性小，加上磷肥的施用，造成了土壤磷的積累[26]。因而，研究區(qū)土壤全氮和全磷均相對(duì)較高。土壤氮磷比被認(rèn)為是土壤N飽和的診斷指標(biāo)，被用來(lái)確定養(yǎng)分限制的閾值。研究區(qū)土壤氮磷比處于中等偏低水平，低于全國(guó)農(nóng)田平均值5.10[27],這說(shuō)明研究土壤表現(xiàn)為氮限制。

3.1.2 土壤氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

通過(guò)對(duì)研究區(qū)土壤全氮、全磷和氮磷比進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，得到各向同性半方差函數(shù)模型(圖2)及相關(guān)擬合參數(shù)(表3)。半方差函數(shù)模型擬合結(jié)果表明，研究區(qū)土壤全氮、全磷和氮磷比的半方差函數(shù)理論模型均為指數(shù)模型(Exponential)，殘差平方和(RSS)最小，分別為1.03×10-2、6.424×10-6、2.46×10-2，說(shuō)明指數(shù)模型擬合效果較好(表3)，其表達(dá)式如下：

表3 土壤全氮、全磷和氮磷比半方差函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)的地統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)Table 3 Parameters of the semi-variogram models for soil total nitrogen, soil total phosphorus and N/P ratio

圖2 土壤全氮(a)、全磷(b)和氮磷比(c)的各向同性半方差函數(shù)Fig.2 Semi-variogram models for soil total nitrogen (a), soil total phosphorus (b) and N/P ratio (c) in isotropy

r(h)=C0+C[1-exp(-h2/A02)]，

(2)

式中：r(h)為半方差函數(shù)值；h為間隔距離；C0為塊金值；C為結(jié)構(gòu)方差；A0為變程。

研究區(qū)土壤全氮、全磷和氮磷比的C0分別為0.048、0.018、0.109，均較低。

土壤全氮和氮磷比的塊金系數(shù)[C0/(C0+C)]分別為10.70%和10.20%，空間自相關(guān)性很強(qiáng)，說(shuō)明研究區(qū)的土壤全氮和氮磷比的空間變異受結(jié)構(gòu)性因素如地形、成土母質(zhì)等影響大于人類活動(dòng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等隨機(jī)因素。土壤全磷的塊金系數(shù)為49.50%，空間自相關(guān)性處于中等程度，說(shuō)明土壤全磷的空間變異均受到結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)因素的影響。這與黑土區(qū)的一些研究結(jié)果類似[20]。但與江西省耕地的土壤氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量空間變異特征的研究結(jié)果差異較大，該研究認(rèn)為土壤全氮、全磷和氮磷比均呈弱空間相關(guān)性，隨機(jī)性因素引起的空間變異程度大于結(jié)構(gòu)性因素[28]。

考慮研究區(qū)地形和土地利用情況復(fù)雜，林地、旱地、水田交錯(cuò)存在，對(duì)研究區(qū)土壤全氮、全磷和氮磷比做各向異性分析，繪制0°、45°、90°和135°方向的半方差函數(shù)圖(圖3)。圖3表明，研究區(qū)土壤全氮、全磷和氮磷比在不同方向上的變異程度存在一定的差異性。當(dāng)間隔距離小于4 km時(shí)，研究區(qū)全氮和全磷含量在南北和東西方向的變異程度小，氮磷比變異程度相對(duì)較大。隨著間隔距離的增加，大于4 km、小于50 km的情況下，土壤全氮含量變異程度呈緩慢上升的整體趨勢(shì)；當(dāng)間隔距離大于50 km時(shí)，土壤全氮含量變異程度較大。土壤全磷含量隨著間隔距離增加，呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，且在東北方向的變異程度較?。坏妆纫渤尸F(xiàn)隨著間隔距離增大比值呈先增加后下降的趨勢(shì)，且在大于40 km距離以上，氮磷比含量變異程度差異較大，這與受地形、成土母質(zhì)等結(jié)構(gòu)性要素影響較大的結(jié)論一致。綜合各向異性函數(shù)分析結(jié)果，研究區(qū)土壤全磷和氮磷比在不同間隔距離內(nèi)的變異程度存在一定差異性，且比土壤全氮變異程度更為明顯，這對(duì)該區(qū)域后續(xù)研究采樣點(diǎn)的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

圖3 土壤全氮(a)、全磷(b)和氮磷比(c)的各向異性半方差函數(shù)Fig.3 Semi-variogram models for soil total nitrogen (a), total phosphorus (b) and N/P ration (c) in anisotropy

3.2 土壤氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量的分布特征

在對(duì)研究區(qū)土壤全氮、全磷含量和氮磷比進(jìn)行半方差函數(shù)分析的基礎(chǔ)上，均選擇指數(shù)模型進(jìn)行普通克里格插值，得到研究區(qū)土壤全氮、全磷和氮磷比的空間分布特征(圖4)。

由圖4可見(jiàn)，研究區(qū)土壤全氮、全磷和氮磷比在空間上分布差異較大，與研究區(qū)土壤類型、土地利用類型的變化具有較高的一致性。研究區(qū)土壤全氮含量大部分在2×10-3以上，這可能與長(zhǎng)期施用氮肥有關(guān)，其中高值區(qū)主要呈斑塊零星分散在東部、南部和西北小范圍地區(qū)，全氮含量大于3×10-3，主要分布在沼澤土、暗棕壤上，土地利用類型主要為旱地；而低值區(qū)主要在西北和中西部地區(qū)零星分布。研究區(qū)土壤全磷含量相對(duì)較低，基本在(0.5～0.7)×10-3以下，其中高值區(qū)主要分布在東部和西北地區(qū)，該區(qū)主要為林地；中間地區(qū)則為低值地區(qū)，主要分布在白漿土上，土地利用類型主要為水田。研究區(qū)土壤氮磷比則呈鑲嵌狀分布，高值區(qū)以斑塊狀分散于中部、南部和東北部地區(qū)，這是由于該區(qū)土地利用類型主要為水田，而低值區(qū)主要位于西北地區(qū)，該區(qū)域主要為林地。

圖4 土壤全氮(a)、全磷(b)含量和氮磷比(c)的空間分布Fig.4 Spatial distribution of soil total nitrogen (a), soil total phosphorus (b) and N/P ratio(c)

3.3 土壤氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量分布的影響因素分析

土壤氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征受區(qū)域土壤類型、土壤母質(zhì)的風(fēng)化作用、地形地貌、水熱條件等自然因素以及土地利用、耕作、施肥等人為因素的綜合調(diào)控，因而土壤氮、磷儲(chǔ)量及循環(huán)過(guò)程有顯著不同。

研究區(qū)的土壤類型主要有白漿土、沼澤土、暗棕壤、草甸土4類。統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表4，圖5)顯示：研究區(qū)暗棕壤、沼澤土、草甸土和白漿土的土壤全氮平均值分別達(dá)2.77×10-3、2.69×10-3、2.44×10-3和2.41×10-3，均大于2×10-3，處于豐富等級(jí),高于東北旱作區(qū)土壤TN含量(1.43×10-3)[29]。研究區(qū)暗棕壤、草甸土、白漿土和沼澤土的土壤全磷平均值分別達(dá)0.90×10-3、0.86×10-3、0.82×10-3和0.75×10-3，其中暗棕壤、草甸土和白漿土均在(0.8～1)×10-3，處于較豐富等級(jí)，而沼澤土處于中等等級(jí)[24]，與東北旱作區(qū)土壤全磷含量相當(dāng)(0.77×10-3)。研究區(qū)沼澤土、暗棕壤、白漿土和草甸土的土壤氮磷比平均值分別達(dá)3.77、3.04、3.01和2.94，均高于東北旱作區(qū)土壤氮磷比平均值[29]，均低于全國(guó)農(nóng)田的平均值5.10[27]。由于生物固氮隨著氮磷比的減小而增大[30]，因此，建三江地區(qū)土壤生物固氮量相對(duì)較高。

表4 建三江地區(qū)不同類型土壤全氮、全磷含量和氮磷比變化Table 4 Changes of soil total nitrogen, soil total phosphorus and N/P ratio in different soil types in Jiansanjiang area

圖5 不同類型土壤全氮(a)、全磷(b)含量和氮磷比(c)變化Fig.5 Changes of soil total nitrogen (a), soil total phosphorus (b) and N/P ratio (c) in different soil types

不同成土母質(zhì)的沉積結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成相差較大，直接影響了土壤的機(jī)械組成與理化性質(zhì)，進(jìn)而制約了土壤氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量分布[28]。研究區(qū)的母質(zhì)類型主要有沖湖積、沖積和湖沼積3類。統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表5，圖6)顯示：土壤全氮和全磷化學(xué)指標(biāo)在研究區(qū)湖沼積、沖積和沖湖積等3種母質(zhì)中的變化范圍近乎一致，分別變化于(0.59～5.85)×10-3和(0.17～1.59)×10-3，它們的平均值也較為穩(wěn)定，分別分布于(2.48～2.66)×10-3和(0.80～0.86)×10-3，氮磷比也極為相近，分布于3.21～3.25。這暗示該研究區(qū)不同類型的成土母質(zhì)雖然具有不同的沉積結(jié)構(gòu)和成因類型，但其礦物組成與化學(xué)性質(zhì)較為相似，間接導(dǎo)致土壤機(jī)械組成相近[31]，對(duì)土壤氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量空間分布影響較小。成土母質(zhì)主要通過(guò)影響土壤機(jī)械組成來(lái)制約土壤氮、磷含量分異，因此，成土母質(zhì)對(duì)研究區(qū)土壤氮磷比變化的影響有限[28]。

表5 建三江地區(qū)不同母質(zhì)類型土壤全氮、全磷含量和氮磷比變化Table 5 Changes of soil total nitrogen, soil total phosphorus and N/P ratio of different parent materials in Jiansanjiang area

圖6 建三江地區(qū)不同母質(zhì)類型土壤全氮(a)、全磷(b)含量和氮磷比(c)變化Fig.6 Changes of soil total nitrogen (a), soil total phosphorus(b) and N/P ratio (c) of differentparent materials in Jiansanjiang area

不同時(shí)期沉積物的物緣和沉積環(huán)境可能存在差異，一定程度上導(dǎo)致不同時(shí)期、相同成因類型的沉積物物質(zhì)組成發(fā)生變化。研究區(qū)的第四系主要有全新世沖湖積、全新世湖沼積、全新世沖積、晚更新世沖湖積、晚更新世沖積5類。就全新世和晚更新世沖湖積而言，它們的土壤全氮和全磷化學(xué)指標(biāo)各自的變化范圍近乎一致，分別變化于(0.59～5.73)×10-3和(0.22～1.53)×10-3，但前者的土壤全氮平均值略高于后者(分別為2.67×10-3和2.44×10-3)，前者的土壤全磷平均值略有低于后者(分別為0.69×10-3和0.82×10-3)，從而導(dǎo)致全新世的氮磷比平均值高于更新世(分別為4.00和3.08)(表6，圖7)。針對(duì)全新世和晚更新世沖積，其土壤全氮變化范圍存在差異，分別為(0.82～5.85)×10-3和(1.33～1.52)×10-3，前者的平均值略高于后者(分別為2.66×10-3和2.37×10-3)，土壤全磷的變化范圍相近((0.17～1.59)×10-3)，而前者的平均值略低于后者(分別為0.85×10-3和0.93×10-3)，從而導(dǎo)致全新世的氮磷比平均值高于更新世(分別為3.29和2.60)(表6，圖7)。由此暗示，相比晚更新世，全新世沖積和沖湖積的土壤生物固氮能力略弱。綜上，研究區(qū)不同時(shí)期沉積物成因類型對(duì)土壤全氮、全磷分布特征均存在一定影響。

表6 建三江地區(qū)不同第四系類型土壤全氮、全磷含量和氮磷比變化Table 6 Changes of soil total nitrogen, soil total phosphorus and N/P ratio in different Quaternary types in Jiansanjiang area

A—全新世沖湖積;B—全新世湖沼積;C—全新世沖積;D—晚更新世沖湖積;E—晚更新世沖積A—Holocene alluvial lacustrine deposits;B—Holocene lacustrine deposits;C—Holocene alluvium;D—late Pleistocene alluvial lake deposits;E—late Pleistocene alluvium圖7 建三江地區(qū)不同第四系類型土壤全氮(a)、全磷(b)含量和氮磷比(c)變化Fig.7 Changes of soil total nitrogen (a), soil total phosphorus (b) and N/P ratio (c) in different Quaternary types in Jiansanjiang area

地貌因素被認(rèn)為是影響土壤理化性質(zhì)空間分布的重要因素，其作用貫穿土壤養(yǎng)分形成發(fā)育的整個(gè)過(guò)程[20]。研究區(qū)的地貌類型主要有沖洪積淺丘狀砂礫石臺(tái)地、沖洪積沙土漫灘階地、沖積—湖積低平原、沖積微起伏低平原和構(gòu)造剝蝕丘陵5類。統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表7，圖8)顯示：研究區(qū)不同地貌類型的土壤全氮和全磷化學(xué)指標(biāo)各自的平均值差異不大，分別變化于(2.39～2.60) ×10-3和(0.78～0.92)×10-3，土壤氮磷比平均值也較為相近(2.78～3.30)。但就不同地貌類型土壤全氮和全磷各自的變化范圍而言，沖洪積沙土漫灘階地、沖積—湖積低平原和構(gòu)造剝蝕丘陵的土壤全氮變化范圍大于4.5×10-3、土壤全磷變化范圍大于1.0×10-3，略高于其他2種地貌類型，這可能與統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)多少和母質(zhì)類型變化有關(guān)，但也不排除丘陵和階地地貌地形起伏的影響。由此暗示，研究區(qū)內(nèi)地貌類型對(duì)土壤氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量空間分布特征的總體影響不大，但高程變幅略大的丘陵和階地地貌可能導(dǎo)致土壤氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量空間分布不均。

表7 建三江地區(qū)不同地貌類型土壤全氮、全磷含量和氮磷比變化Table 7 Changes of soil total nitrogen, soil total phosphorus and N/P ratio in different geomorphic types in Jiansanjiang area

A—沖洪積淺丘狀砂礫石臺(tái)地；B—沖洪積沙土漫灘階地；C—沖積-湖積低平原；D—沖積微起伏低平原；E—構(gòu)造剝蝕丘陵A—alluvial-diluvial shallow mound sandy gravel platform;B—alluvial-diluvial sandy floodplain terrace;C—alluvial-lacustrine low plain;D—alluvial undulate low plain; E—tectonically denuded hills圖8 建三江地區(qū)不同地貌類型土壤全氮(a)、全磷(b)含量和氮磷比(c)變化Fig.8 Changes of soil total nitrogen(a), soil total phosphorus(b) and N/P ratio(c) in different geomorphic types in Jiansanjiang area

土地利用是自然條件和人類活動(dòng)的綜合反映，不同的土地利用方式及農(nóng)田管理措施將引起陸地生態(tài)系統(tǒng)以及生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程的變化，從而對(duì)土壤氮、磷含量及其空間分布有著顯著的影響[32-34]。研究區(qū)的土地利用類型主要有水田、林地、旱地、草地、水域、沼澤地、建設(shè)用地等7類。統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表8，圖9)顯示：研究區(qū)不同土地利用的土壤全氮范圍在(2.04～2.67)×10-3，其中旱田最高，其次為林地、水田和草地，差異不大；土壤全磷范圍在(0.77～0.90)×10-3，差異不大；土壤氮磷比范圍在2.15～3.28，其中水田、旱田和草地最高，均在3.2左右，林地和沼澤地分別為2.94 和2.53，但仍低于全國(guó)農(nóng)田平均值5.10[27]。這說(shuō)明與林地和沼澤相比，該區(qū)農(nóng)田土壤生物固氮能力相對(duì)較弱，可能與長(zhǎng)期施用化肥尤其氮肥有關(guān)[30]；但與全國(guó)農(nóng)田相比，建三江地區(qū)農(nóng)田土壤生物固氮能力相對(duì)較強(qiáng)。

表8 建三江地區(qū)不同土地利用類型土壤全氮、全磷含量和氮磷比變化Table 8 Changes of soil total nitrogen, soil total phosphorus and N/P ratio in different land use in Jiansanjiang area

圖9 建三江地區(qū)不同土地利用類型土壤全氮(a)、全磷(b)含量和氮磷比(c)變化Fig.9 Changes of soil total nitrogen (a), soil total phosphorus (b) and N/P ratio (c) in different land use in Jiansanjiang area

4 結(jié)論

利用多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查獲取的土壤地球化學(xué)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究了建三江地區(qū)地表土壤氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量空間分布特征及相關(guān)自然和人為影響因素，得出結(jié)論如下：

1)建三江地區(qū)土壤全氮和全磷含量的平均值分別處于豐富和較豐富等級(jí)，土壤氮磷比的平均值低于全國(guó)農(nóng)田土壤平均值。土壤全氮和氮磷比空間自相關(guān)性很強(qiáng)，而土壤全磷空間自相關(guān)性處于中等程度，且均符合指數(shù)模型。從空間分布來(lái)看，研究區(qū)土壤全氮、全磷含量和氮磷比差異較大，其中全氮高值區(qū)主要呈斑塊零星分散在東部、南部和西北小范圍地區(qū)，而低值區(qū)主要在西北和中西部地區(qū)零星分布；土壤全磷高值區(qū)主要分布在東部和西北地區(qū)，中間地區(qū)則為低值地區(qū)；土壤氮磷比則分布呈鑲嵌狀，高值區(qū)以斑塊狀分散于中部、南部和東北部地區(qū)，而低值區(qū)主要位于西北地區(qū)。

2)建三江地區(qū)土壤氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征受到土壤類型、母質(zhì)類型、第四系類型、地貌類型、土地利用等因素綜合作用的影響。土壤類型對(duì)全氮、氮磷比影響不顯著，而暗棕壤、草甸土和白漿土的土壤全磷均處于較豐富等級(jí)，沼澤土則處于中等等級(jí)；研究區(qū)不同母質(zhì)類型的土壤全氮、全磷和氮磷比均差異不大，這是由于巖性總體相似，導(dǎo)致土壤機(jī)械組成相近，進(jìn)而對(duì)土壤氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征影響有限；研究區(qū)不同第四系類型對(duì)土壤全氮影響不大，而對(duì)土壤全磷的分布特征有一定影響，進(jìn)而影響土壤氮磷比；研究區(qū)不同地貌類型的土壤全氮、全磷和氮磷比均差異不大，這是由于該區(qū)地勢(shì)較為平坦，高程變化不大造成的；研究區(qū)不同土地利用類型的土壤全氮和全磷含量差異不大，水田、旱田和草地的土壤氮磷比相對(duì)較高，大于林地和沼澤地，但仍低于全國(guó)農(nóng)田平均值，說(shuō)明建三江地區(qū)農(nóng)田與全國(guó)農(nóng)田相比，土壤的生物固氮能力相對(duì)較強(qiáng)。