成都平原成土母質(zhì)和農(nóng)地利用方式對(duì)土壤剖面氮素分布的影響

冉 敏,宋靚穎,薛晶玲,張?jiān)?張 浩,吳德勇,李啟權(quán) (四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院,四川 成都 611130)

氮是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素[1],不僅對(duì)土壤肥力的建立和植物生產(chǎn)力的提高起著關(guān)鍵作用[2],同時(shí)還調(diào)控著陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[3]。在自然因素和人類活動(dòng)的綜合影響下,區(qū)域土壤氮素在水平和垂直方向上存在明顯的空間變異[4-5]。長(zhǎng)期以來(lái),為了提高作物產(chǎn)量,我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量施用氮肥[6]。然而,由于氮素在土壤中的遷移性較強(qiáng),過(guò)量施用氮肥,勢(shì)必改變土壤氮素空間分布格局[7],并且會(huì)降低氮素利用率[8],造成嚴(yán)重面源污染問(wèn)題[9]的同時(shí),影響土壤碳氮循環(huán)[10]。因此,了解土壤剖面氮素的空間分布特征及其影響因素,對(duì)土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)管理、面源污染防控和生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)研究具有重要意義。

土壤氮素的空間異質(zhì)性主要受成土母質(zhì)、土地利用類型和耕作管理措施等內(nèi)在和外在因素的共同影響[11-13],且不同區(qū)域土壤氮素的空間分布及其主控因子存在明顯差異[14-15]。其中,不同土地利用方式帶來(lái)的不同耕作方式、種植制度以及施肥措施均會(huì)直接影響土壤氮素輸入和輸出[1,16]。近年來(lái),在快速的人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景下,農(nóng)產(chǎn)品需求的急劇增加導(dǎo)致土地利用方式迅速變化,大量傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)用地方式轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌r(nóng)業(yè)用地方式[17],如為滿足城市人口對(duì)蔬菜不斷增長(zhǎng)的需求,水稻-小麥/油菜雙季種植地轉(zhuǎn)變?yōu)檫B作蔬菜地,這種農(nóng)地利用方式的變化影響了各種土壤元素在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化,造成相關(guān)土壤性質(zhì)發(fā)生顯著改變[18],增強(qiáng)了土壤性質(zhì)空間變異性[1];并且由此產(chǎn)生的施肥強(qiáng)度增加,加劇了農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染[19]。此外,成土母質(zhì)決定著土壤的形成和演化[15],不同母質(zhì)形成的土壤通常具有不同理化性質(zhì),從而影響土壤氮素的積累和淋失[20]。當(dāng)前,許多學(xué)者在不同尺度上對(duì)不同區(qū)域土壤氮素的空間分布格局及其影響因素進(jìn)行大量研究,但這些研究大多集中于表層土壤[21-23]。然而,已有研究證明在土壤垂直剖面上氮素含量及其影響因素會(huì)隨深度的增加而變化[24],且不同因素之間存在交互效應(yīng)[25]。因此,揭示土地利用方式及其與母質(zhì)聯(lián)合對(duì)土壤剖面氮素分布的影響將有助于高度集約利用條件下農(nóng)地氮肥合理利用及氮素流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

成都平原是我國(guó)西南地區(qū)重要的糧、油生產(chǎn)基地[19],隨著城市化進(jìn)程加快,該地區(qū)農(nóng)業(yè)利用集約化程度不斷提高,農(nóng)地利用方式和強(qiáng)度發(fā)生明顯改變[26]。大量傳統(tǒng)稻-麥/油輪作地轉(zhuǎn)變?yōu)榈?蔬輪作地和園林地,對(duì)土壤性質(zhì)產(chǎn)生劇烈影響[27]。目前,已有報(bào)道分析該地區(qū)土壤氮素水平空間分布特征,但由于采樣難度和成本等原因,研究主要集中在耕層土壤[28-29],土壤剖面氮素分布信息較少,且農(nóng)地利用方式對(duì)土壤氮素分布的影響及其與成土母質(zhì)的關(guān)系尚不明確。因此,該研究以成都平原為案例區(qū),分層采集0～100深度剖面土樣,分析該區(qū)域土壤氮素在水平和垂直方向上的分布規(guī)律,探究農(nóng)地利用方式和成土母質(zhì)類型以及兩者交互作用對(duì)土壤剖面氮素分布的影響,以期為該區(qū)域土壤精準(zhǔn)施肥、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

研究區(qū)為成都平原核心區(qū),地處30°22′ N～31°05′ N、103°27′ E～104°14′ E,區(qū)域總面積約為3 173 km2,包括溫江區(qū)、郫都區(qū)、新都區(qū)、青白江區(qū)、崇州市、大邑縣、新津縣、雙流縣、都江堰市和彭州市(圖1)。區(qū)域自然條件優(yōu)越,地勢(shì)平坦,由西北向東南緩慢傾斜,海拔介于447～732 m之間;水資源豐富,分布有金馬河、西河和斜江河等河流。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫為16 ℃,年降水量為900～1 300 mm,溫暖濕潤(rùn),雨熱同期。區(qū)域土壤類型主要為水稻土。成土母質(zhì)主要包括第四紀(jì)全新世時(shí)期灰色沖積物(Q4灰色沖積物)和灰棕沖積物(Q4灰棕沖積物)以及第四紀(jì)更新世時(shí)期老沖積物(Q3老沖積物)。其中,灰色和灰棕沖積物黏粒含量和容重相對(duì)較低,滲透性較好;更新統(tǒng)老沖積物風(fēng)化程度更深,砂粒含量較低,質(zhì)地黏重[30-31]。自2000年以來(lái),隨著該區(qū)城鎮(zhèn)化水平不斷提高和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,為了滿足城市人口蔬菜需求以及城市建設(shè)綠化樹(shù)木需求,區(qū)域內(nèi)稻-蔬輪作地和園林地面積大幅增加,形成以稻-麥/油輪作地為主,以稻-蔬輪作地和園林地(園林和果園)等為輔的多種農(nóng)業(yè)用地方式[31]。與此同時(shí),高度集約的土地利用和大量的肥料投入導(dǎo)致如非點(diǎn)源污染、重金屬污染等嚴(yán)重土壤環(huán)境問(wèn)題[32]。

1.2 樣品采集與處理

2016—2017年,根據(jù)成都平原Q4灰色沖積物、Q4灰棕沖積物和Q3老沖積物3種主要成土母質(zhì)類型,稻-麥/油輪作地、稻-蔬輪作地和園林地3種典型農(nóng)地利用方式以及道路、水系等空間分布基礎(chǔ)信息,兼顧空間分布均勻性和樣點(diǎn)代表性原則,采用3 km×3 km 的網(wǎng)格法進(jìn)行野外采樣。其中,稻-蔬輪作地和園林地至少利用10 a以上。參照成都市第二次土壤普查資料中土壤發(fā)生層分類,在每個(gè)1 m×1 m樣點(diǎn)土坑的3個(gè)側(cè)面按照0～20、>20～40、>40～60和>60～100 cm土層分別收集土壤剖面樣本。將每層3個(gè)側(cè)面土樣混合后,采用四分法取樣1 kg左右。采樣過(guò)程中,利用GPS獲取每個(gè)剖面地理坐標(biāo)和高程信息,并詳細(xì)記錄每個(gè)點(diǎn)位的地名、成土母質(zhì)、土壤類型和耕作管理等環(huán)境信息。土壤樣品在室內(nèi)經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干、去雜、碾磨后,分別過(guò)2和0.149 mm孔徑尼龍篩。土壤全氮(TN)和堿解氮(AN)含量分別采用凱氏定氮法和堿解擴(kuò)散法進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定時(shí),為了確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,采用3次重復(fù)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)控。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用閾值法即均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差,在不同類型下識(shí)別并剔除異常值,最后實(shí)際用于分析的剖面點(diǎn)位共有173個(gè),4個(gè)土層樣品數(shù)分別為173、173、170和162個(gè)。采用SPSS 22.0完成數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)分析、K-S檢驗(yàn)、方差分析和回歸分析。采用K-S檢驗(yàn)對(duì)不同深度土層全氮和堿解氮含量進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn),將不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化,使其滿足數(shù)據(jù)處理?xiàng)l件。采用方差分析探究各影響因素對(duì)區(qū)域內(nèi)土壤氮素的作用。采用GS+ 9.0進(jìn)行半方差模型擬合以及相關(guān)參數(shù)確定,將最優(yōu)模型及參數(shù)帶入ArcGIS 10.2并采用普通克里格法進(jìn)行空間插值,繪制研究區(qū)土壤全氮及堿解氮含量空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤氮素含量統(tǒng)計(jì)特征

如表1所示,0～100 cm土層全氮和堿解氮含量均值分別為0.55～1.91 g·kg-1和25.39～138.48 mg·kg-1,沿剖面土層深度顯著下降,且降低幅度隨深度增加而減小。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查的肥力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),表層(0～20 cm)土壤全氮和堿解氮含量均值處于豐富水平。

表1 土壤剖面氮素描述性統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Descriptive statistical characteristics of nitrogen content in soil profile

土壤氮素含量分布主要集中在深度≤40 cm土層,其中,0～40 cm土壤全氮含量占整個(gè)剖面全氮含量的70.91%,堿解氮含量占整個(gè)剖面堿解氮含量的77.75%。從變異系數(shù)上來(lái)看,各層土壤全氮含量變異系數(shù)為23.56%～34.38%,堿解氮含量變異系數(shù)為25.62%～48.79%,均屬于中等程度空間變異?？傮w而言,土壤氮素空間異質(zhì)性隨土壤深度增加而增強(qiáng),且各土層堿解氮含量空間變異系數(shù)均高于全氮。

2.2 土壤剖面全氮和堿解氮含量空間結(jié)構(gòu)特征

在常規(guī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上,采用GS+ 9.0對(duì)成都平原區(qū)土壤剖面全氮和堿解氮含量進(jìn)行半方差分析,描述空間分布的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性特征,并根據(jù)決定系數(shù)(R2)最大、殘差(RSS)最小的原則確定最優(yōu)函數(shù)理論模型及其參數(shù)。結(jié)果(表2)顯示,在垂直分布方向上,0～20、>20～40、>40～60和>60～100 cm土壤全氮含量分別符合指數(shù)、指數(shù)、高斯和指數(shù)模型,土壤堿解氮含量分別符合指數(shù)、指數(shù)、指數(shù)和球狀模型。從R2來(lái)看,R2在0.61～0.88之間,表明各土層全氮和堿解氮含量理論模型擬合效果均較好。從塊金效應(yīng)來(lái)看,0～60 cm各土層全氮和堿解氮含量塊金系數(shù)在25%～75%之間,屬于中等程度空間變異,其空間異質(zhì)性受成土母質(zhì)、地形和地貌等結(jié)構(gòu)性因素以及土地利用方式和施肥管理等隨機(jī)性因素的共同影響。下層(>60～100 cm)土壤全氮和堿解氮含量塊金系數(shù)分別為11.89%和20.55%,均小于25%,表明研究區(qū)該層土壤全氮和堿解氮含量具有強(qiáng)烈空間自相關(guān)性,其空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素影響。各土層堿解氮含量塊金系數(shù)均大于全氮,表明相較于全氮而言,堿解氮更傾向于受隨機(jī)性因素影響。隨著土層深度增加,全氮和堿解氮含量塊金系數(shù)以及空間自相關(guān)范圍逐漸減小。

表2 研究區(qū)土壤剖面氮素半方差函數(shù)模型及其相關(guān)參數(shù)Table 2 The semi-variogram and corresponding parameters of nitrogen contents in the soil profile

2.3 土壤全氮和堿解氮空間分布特征

研究區(qū)土壤剖面氮素含量空間分布格局見(jiàn)圖2。如圖2所示,總體而言,研究區(qū)土壤全氮和堿解氮含量空間變異特征較為相似,均呈現(xiàn)出由中部向東北部和西南部遞增的趨勢(shì),且兩者均隨土壤深度的增加而逐漸降低。根據(jù)第二次全國(guó)土壤普查氮素含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),研究區(qū)表層土壤全氮和堿解氮含量整體處于豐富水平。其中,表層土壤全氮含量高值區(qū)(>2.00 g·kg-1)主要分布在東北部彭州市和新都區(qū)交界處以及西南部崇州市、大邑縣和邛崍市,低值區(qū)(≤1.5 g·kg-1)主要分布在中部溫江區(qū)和崇州市交界處以及郫縣和溫江交界處。下層土壤全氮含量顯著降低,其相對(duì)高值區(qū)和相對(duì)低值區(qū)與表層高值區(qū)和低值區(qū)分布較為一致。土壤堿解氮表層高值區(qū)(>150 mg·kg-1)與全氮表層高值區(qū)分布相似;低值區(qū)(≤120 mg·kg-1)主要分布在郫縣、溫江區(qū)和都江堰市交界處以及溫江區(qū)、雙流縣和崇州市交界處,部分分布在新津縣。下層土壤堿解氮含量相對(duì)高值區(qū)和低值區(qū)分布與表層土壤相似。

圖2 研究區(qū)土壤剖面氮素含量空間分布Fig.2 Spatial patterns of nitrogen contents in the soil profile

2.4 土壤全氮和堿解氮含量影響因素

2.4.1不同農(nóng)地利用方式土壤剖面氮素分布特征

研究區(qū)3種農(nóng)地利用方式土壤剖面氮素含量統(tǒng)計(jì)差異見(jiàn)圖3。如圖3所示,從土壤剖面垂直方向上來(lái)看,相同農(nóng)地利用方式各土層全氮和堿解氮含量與土層深度均呈負(fù)相關(guān)。各農(nóng)地利用方式0～60 cm土層全氮和堿解氮含量隨土壤深度增加而顯著下降。從不同用地類型上來(lái)看,園林地0～20 cm土層全氮和堿解氮含量較稻-麥/油輪作地分別降低15.78%和11.23%(P<0.05),較稻-蔬輪作地分別低15.09%和14.38%(P<0.05)。3種農(nóng)地利用方式下層土壤氮素含量之間均無(wú)顯著差異。這表明土壤剖面氮素含量分布與農(nóng)地利用方式有關(guān),稻-麥/油輪作地與稻-蔬輪作地間各土層氮素含量無(wú)明顯差別,而園林地表層土壤全氮和堿解氮含量顯著低于其他2種用地方式。

同一幅圖中,直方柱上方英文大寫字母不同表示同一農(nóng)地利用方式不同土層間土壤某氮素含量差異顯著(P<0.05);英文小寫字母不同表示同一土層不同農(nóng)地利用方式間土壤某氮素含量差異顯著(P<0.05)。直方柱上方括號(hào)內(nèi)數(shù)字為樣本數(shù)。圖3 不同農(nóng)地利用方式土壤剖面氮素分布特征Fig.3 Nitrogen contents of soil profiles for different land-use patterns

2.4.2不同成土母質(zhì)發(fā)育土壤剖面氮素分布特征

研究區(qū)3種成土母質(zhì)發(fā)育土壤剖面氮素含量(圖4)存在差異。各母質(zhì)類型發(fā)育土壤氮素含量均隨土壤深度增加而逐漸減小,表層土壤全氮和堿解氮含量均顯著高于下層土壤,>20～40 cm土層顯著高于>40～60 cm土層,而>40 cm以下土層之間無(wú)顯著差異。從不同母質(zhì)類型來(lái)看,Q3老沖積物發(fā)育土壤0～20 cm土層全氮和堿解氮含量分別為Q4灰色沖積物發(fā)育土壤的1.19和1.17倍(P<0.05),>20～40 cm土層分別為1.12和1.16倍(P<0.05),而>60～100 cm土層全氮含量?jī)H為0.89倍(P<0.05)。Q4灰棕色沖積物發(fā)育土壤0～20 cm土層全氮和堿解氮含量均為Q4灰色沖積物發(fā)育土壤的1.21倍(P<0.05),>20～40 cm土層全氮含量為1.14倍(P<0.05)。Q3老沖積物和Q4灰棕沖積物發(fā)育土壤各土層全氮和堿解氮含量均無(wú)顯著差別。結(jié)果表明,土壤剖面氮素分布特征受成土母質(zhì)類型影響。

同一幅圖中,直方柱上方英文大寫字母不同表示同一母質(zhì)不同土層間土壤某氮素含量差異顯著(P<0.05);英文小寫字母不同表示同一土層不同母質(zhì)間土壤某氮素含量差異顯著(P<0.05)。直方柱上方括號(hào)內(nèi)數(shù)字為樣本數(shù)。圖4 不同母質(zhì)發(fā)育土壤各土層剖面氮素含量分布特征Fig.4 Nitrogen contents of soil profiles for different parent materials

2.4.3不同母質(zhì)類型各農(nóng)地利用方式土壤氮素含量變化特征

研究區(qū)3種母質(zhì)類型上不同農(nóng)地利用方式土壤剖面氮素含量統(tǒng)計(jì)特征見(jiàn)圖5。在Q3老沖積物發(fā)育土壤上,不同農(nóng)地利用方式下4個(gè)層次土壤全氮和堿解氮含量均無(wú)顯著差別(P>0.05)。與稻-麥/油輪作地相比,園林地Q4灰棕沖積物發(fā)育表層土壤全氮和堿解氮含量分別降低28.88%和27.71%(P<0.05),>20～40 cm土層堿解氮含量則提高55.82%(P<0.05);與稻-蔬輪作地相比,園林地Q4灰棕沖積物發(fā)育表層土壤全氮含量低25.40%(P<0.05),>20～40 cm土層全氮和堿解氮含量則提高43.53%和44.97%(P<0.05)。稻-蔬輪作地與稻-麥/油輪作地之間各土層氮素含量無(wú)顯著差異(P>0.05)。與稻-麥/油輪作地相比,園林地Q4灰色沖積物發(fā)育表層土壤全氮含量降低9.49%(P<0.05),>20～40 cm土層堿解氮含量則提高20.90%(P<0.05);與稻-蔬輪作地相比,園林地表層全氮和堿解氮含量分別降低12.33%和11.18%(P<0.05),>20～40 cm土層堿解氮含量則提高23.05%(P<0.05)。稻-蔬輪作地表層土壤堿解氮含量較稻-麥/油輪作地高11.63%(P<0.05)。結(jié)果表明,農(nóng)地利用方式對(duì)于土壤剖面氮素含量的影響受控于成土母質(zhì)類型。

同一幅圖中,直方柱上方英文小寫字母不同表示相同母質(zhì)發(fā)育土壤上同一土層氮素含量在不同農(nóng)地利用方式之間差異顯著(P<0.05)。圖5 不同母質(zhì)各農(nóng)地利用方式土壤氮素剖面分布特征Fig.5 Profile distribution of nitrogen contents of three parent materials formed soils in different agricultural land-use types

3 討論

3.1 成都平原區(qū)農(nóng)地土壤剖面分布特征

研究區(qū)土壤表層氮素含量均處于較豐富水平,其中,全氮含量為1.91 g·kg-1,與我國(guó)東部農(nóng)田土壤全氮含量接近[25],是灤河流域坡耕地的2倍多[33];表層堿解氮含量為138.48 mg·kg-1,與江西省耕地土壤堿解氮含量相近[34]。成都平原區(qū)各層土壤全氮和堿解氮的空間分布格局相似,均呈現(xiàn)出由中部向西南和東北遞增的趨勢(shì),相對(duì)低值區(qū)主要分布在溫江-郫縣一帶,其他區(qū)域有零散分布,這與陳青松等[35]和陳肖等[36]的研究結(jié)果相似。自1990年代以來(lái),溫江-郫縣一帶大面積由傳統(tǒng)稻-麥/油輪作地改為苗圃,施肥量明顯降低[16]。此外,該區(qū)域土壤母質(zhì)來(lái)源主要是Q4灰色沖積物,土壤顆粒較粗,滲透性較強(qiáng),養(yǎng)分易隨水流失[17],因此氮素含量相對(duì)較低。研究區(qū)氮素含量相對(duì)高值區(qū)主要分布在東北部彭州市與新都區(qū)交界處以及西南部崇州市、大邑縣和邛崍市。這是由于該區(qū)域多為稻-麥/油輪作地和稻-蔬輪作地,化肥施用量大,且土壤母質(zhì)主要為Q4灰棕沖積物和Q3老沖積物,土質(zhì)較細(xì),滲透性較弱,養(yǎng)分保持能力相對(duì)更高[31]。成都平原區(qū)農(nóng)地土壤氮素含量沿剖面顯著降低,呈現(xiàn)出明顯的表聚現(xiàn)象,這與其他研究結(jié)果[12,37]一致。受植物凋落物、人類活動(dòng)氮排放和大氣氮沉降等隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性因素的影響,使得越接近地表的土壤有越多的氮輸入[38],因此表層土壤氮素含量相對(duì)較高。然而,表征土壤孔隙度的土壤容重影響土壤氮素遷移[24]。成都平原長(zhǎng)期采用機(jī)耕,導(dǎo)致表層土壤被不斷壓實(shí),且顯著高于肥沃土壤的一般容重,阻止氮素進(jìn)入深層土壤[32]。同時(shí),成都平原為都江堰灌溉系統(tǒng)自流灌溉區(qū),表層土壤硝態(tài)氮易隨水流失[39]。由此,隨土層深度增加,氮素空間分布主要受成土母質(zhì)等結(jié)構(gòu)性因素影響,土壤外來(lái)氮源逐漸減少[33],全氮和堿解氮含量隨之下降。

3.2 農(nóng)地利用方式和成土母質(zhì)的交互影響

不同農(nóng)地利用方式下,進(jìn)入土壤的肥料和植物凋落物的數(shù)量和性質(zhì)以及耕作方式、水分管理等存在差異,進(jìn)而影響土壤氮素空間分布。已有研究[40]表明,為縮短蔬菜生長(zhǎng)周期和提高作物品質(zhì)以及降低勞動(dòng)力成本,研究區(qū)稻-蔬輪作地施氮量高于300 kg·hm-2,遠(yuǎn)高于稻-麥/油輪作地。但稻-蔬輪作地與稻-麥/油輪作地間各土層全氮和堿解氮含量差異不大,這與研究區(qū)域其他研究結(jié)果[16,41]相似。這主要與肥料種類、施氮量、大氣氮沉降和耕作管理等因素有關(guān)。首先,成都平原區(qū)肥料投入以化肥為主,有機(jī)肥施用水平較低[42],會(huì)抑制礦質(zhì)氮向有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化,不利于氮素積累[25]。其次,施用氮肥在短期內(nèi)可以增加農(nóng)田土壤氮素含量,但持續(xù)增加施氮量會(huì)顯著提高土壤氮素礦化和硝化速率,促進(jìn)土壤氮素流失[1,3,9]。再次,大氣氮沉降是補(bǔ)償農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素?fù)p失的重要途徑[43]。成都平原是全國(guó)大氣酸沉降最嚴(yán)重的地區(qū)之一,每年氮沉降量超過(guò)30 kg·hm-2[39],在一定程度上縮小了2種用地方式之間氮輸入量的差距。此外,蔬菜栽培中頻繁的翻耕容易破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和提高土壤透氣性,加劇土壤侵蝕,增強(qiáng)微生物活動(dòng),導(dǎo)致有機(jī)碳含量減少[25]。在上述因素共同驅(qū)動(dòng)下,研究區(qū)稻-麥/油輪作地與稻-蔬輪作地間各土層氮素含量無(wú)明顯差異。研究區(qū)園林地主要用于種植旱作觀賞性園藝植物,施肥程度較低且凋落物較少,導(dǎo)致進(jìn)入土壤的氮源較少[30]。其次,植物生長(zhǎng)發(fā)育需要吸收大量營(yíng)養(yǎng)元素,尤其是氮素,樹(shù)木可以從土壤中吸收并儲(chǔ)存一部分于地上部[44]。同時(shí),與其他2種農(nóng)用地類型相比,園林地土壤剖面通氣條件較好,土壤微生物活性較強(qiáng),有機(jī)質(zhì)分解較快,氮素更易流失[31]。此外,樹(shù)木根系發(fā)達(dá)且分布較深,土壤孔隙度增加,更加劇土壤氮素向下遷移[27]。這些因素最終使得園林地表層土壤全氮和堿解氮含量顯著低于其他2種用地方式。

成土母質(zhì)主要通過(guò)影響土壤質(zhì)地進(jìn)而影響土壤氮素分布[45-46]。首先,當(dāng)有機(jī)質(zhì)被包裹在土壤團(tuán)聚體中或通過(guò)物理、化學(xué)作用吸附到礦物表面時(shí),可以保護(hù)土壤有機(jī)氮免受生物礦化作用的影響和提高土壤有機(jī)氮的化學(xué)穩(wěn)定性[47-48]。土壤質(zhì)地是控制土壤顆粒聚集、土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分周轉(zhuǎn)以及有機(jī)碳和其他養(yǎng)分與團(tuán)聚體關(guān)系的基本屬性[47]。多項(xiàng)研究[45,47,49]表明,土壤氮素含量與黏粒含量呈正相關(guān)。其次,黏質(zhì)土壤淋濾率較低,有助于氮素積累[50]。此外,土壤黏粒含量和容重較低,可以降低植物根系滲透阻力,促進(jìn)根系垂直生長(zhǎng),提高土體通透性,增加氮素淋溶風(fēng)險(xiǎn)[31]。Q3老沖積物發(fā)育土壤黏粒含量和容重較高,因此礦物比表面積更大,土壤團(tuán)聚體更多,土壤保水保肥能力高;Q4灰棕沖積物和Q4灰色沖積物發(fā)育土壤其顆粒組成較粗,黏粒含量和容重較低,滲透性較好,氮素易隨水向下淋失,其中,Q4灰棕沖積物發(fā)育土壤黏粒含量高于Q4灰色沖積物[16-17]。因此,Q4灰色沖積物發(fā)育土壤0～40 cm土層全氮和堿解氮含量低于其他2種母質(zhì)發(fā)育土壤,而>60～100 cm土層全氮含量明顯高于Q3老沖積物發(fā)育土壤。

不同母質(zhì)發(fā)育土壤固氮能力的差異使農(nóng)地利用方式對(duì)土壤氮素的影響受控于成土母質(zhì)。Q3老沖積物發(fā)育土壤質(zhì)地黏重,對(duì)氮素有較強(qiáng)的吸附固定能力,緩沖了其他成土因素帶來(lái)的影響,使得各農(nóng)地利用方式下該類型母質(zhì)發(fā)育土壤氮素含量均無(wú)顯著差異。相反,Q4灰棕沖積物和Q4灰色沖積物發(fā)育土壤黏粒含量較低,固氮能力較差,且由于質(zhì)地較粗利于樹(shù)木根系生長(zhǎng),加劇氮素向下層土壤流失,再加上園林地外來(lái)氮源較少,最終導(dǎo)致園林地這2種母質(zhì)發(fā)育土壤表層氮素含量低于其他2種用地方式,而0～40 cm土層全氮含量整體較高,尤其是遷移性較強(qiáng)的堿解氮含量遠(yuǎn)高于其他2種用地方式,這與LI等[31]研究結(jié)果類似。綜上,對(duì)于農(nóng)地氮肥的精準(zhǔn)管理和面源污染的精準(zhǔn)防控,需要綜合考慮不同農(nóng)地利用方式下作物的生長(zhǎng)需求和土壤母質(zhì)類型帶來(lái)的影響。

4 結(jié)論

成都平原土壤氮素含量在垂直方向上隨土壤深度增加而顯著降低;在水平方向上全氮和堿解氮含量水平空間分布具有一定相似性,均呈現(xiàn)出由東北部和西南部向中部遞減的趨勢(shì),氮素含量相對(duì)低值區(qū)主要分布在溫江-郫縣一帶,小部分分散在其他區(qū)域,相對(duì)高值區(qū)主要分布在東北部彭州和新都交界處以及西南部崇州、大邑和邛崍區(qū)域。土壤剖面氮素含量隨農(nóng)地利用方式不同而發(fā)生改變。園林地表層土壤全氮和堿解氮含量低于其他2種用地類型,而稻-麥/油與稻-蔬輪作地之間各土層氮素含量均無(wú)顯著差異。不同類型母質(zhì)發(fā)育土壤剖面氮素含量也有所差異。Q4灰色沖積物發(fā)育土壤0～40 cm土層全氮和堿解氮含量低于其他2種母質(zhì)發(fā)育土壤,而>60～100 cm土層全氮含量明顯高于Q3老沖積物發(fā)育土壤。農(nóng)地利用方式對(duì)土壤剖面氮素的影響受控于成土母質(zhì),Q3老沖積物發(fā)育土壤各土層氮素含量無(wú)明顯差別;稻-麥/油輪作地Q4灰色沖積物發(fā)育土壤表層堿解氮含量顯著高于稻-蔬輪作地;園林地Q4灰色沖積物和Q4灰棕沖積物發(fā)育土壤表層全氮和堿解氮含量低于其他2種用地方式,>20～40 cm土層則整體高于其他2種用地方式。