环境科学研究  2018, Vol. 31 Issue (2): 295-302  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.03.50

引用本文  

张浩, 李启权, 唐嘉玲, 等. 成都平原西部土壤氮素空间变异特征及影响因素[J]. 环境科学研究, 2018, 31(2): 295-302.
ZHANG Hao, LI Qiquan, TANG Jialing, et al. Spatial Variability and Its Influential Factors of Soil Nitrogen in the Western Chengdu Plain[J]. Research of Environmental Sciences, 2018, 31(2): 295-302.

基金项目

四川省教育厅科研项目(No.16ZB0048);国家科技支撑计划项目(No.2013BAD07B13)
Fundamental Research Funds for Education Department of Sichuan Province of China (No.16ZB0048); National Key Technology Research and Development Program of China (No.2013BAD07B13)

责任作者

李启权(1980-), 男, 四川泸县人, 副教授, 博士, 主要从事区域土壤质量演变与模拟研究, E-mail:liqq@lreis.ac.cn

作者简介

张浩(1992-), 男, 新疆库尔勒人, zhangh930@163.com

文章历史

收稿日期:2017-06-30
修订日期:2017-09-21
成都平原西部土壤氮素空间变异特征及影响因素
张浩 , 李启权 , 唐嘉玲 , 陈香琪 , 秦畅 , 方红艳 , 王昌全     
四川农业大学资源学院, 四川 成都 611130
摘要:为探究成都平原西部土壤氮素的空间异质性及其影响因素,基于134个耕层土壤采样点,运用经典统计学和地统计学方法揭示w(TN)和w(AN)(AN为碱解氮)的空间变异特征,并利用方差分析和回归分析,研究不同因素对其空间变异的影响程度.结果表明:研究区土壤w(TN)为0.81~3.50 g/kg,平均值为1.94 g/kg;w(AN)为44.42~263.99 mg/kg,平均值为138.70 mg/kg.半方差分析显示,土壤w(TN)和w(AN)的块金效应分别为52.41%和63.92%,具有中等程度的空间自相关,表明其空间分布受结构性和随机性因素共同影响.土壤氮素空间分布特征均呈现由东北向西南逐渐递增趋势.回归分析结果表明,成土母质能独立解释14.8%和9.4%的w(TN)和w(AN)空间变异;土壤类型(土类、亚类和土属)对研究区w(TN)和w(AN)空间变异的独立解释能力分别在3.6%~17.2%和5.7%~17.2%之间.各土地利用方式下,土壤w(TN)、w(AN)平均值均表现为耕地>农林用地>园地,土地利用方式对土壤w(TN)空间变异的独立解释能力仅5.8%,对w(AN)无显著影响.研究显示,成都平原西部土壤氮素含量总体处于丰富水平,其中温江-郫县一带含量相对较低,高值区在金马河以南区域.成土母质和土壤类型对土壤氮素空间变异的影响总体高于土地利用方式.
关键词土壤氮素    空间变异    影响因素    量化分析    成都平原    
Spatial Variability and Its Influential Factors of Soil Nitrogen in the Western Chengdu Plain
ZHANG Hao , LI Qiquan , TANG Jialing , CHEN Xiangqi , QIN Chang , FANG Hongyan , WANG Changquan     
College of Resources, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China
Abstract: The spatial variability and its influencing factors of nitrogen in soil were investigated in the western Chengdu Plain of China. A total of 134 soil samples were collected from the plain to quantify the total nitrogen (TN) and available nitrogen (AN) in soil under various types of land use, soil, and soil parent materials using classical statistics, geostatistics and regression analysis. Results showed that the concentrations of soil TN and AN ranged from 0.81 to 3.50 g/kg and 44.42 to 263.99 mg/kg, with a mean value of 1.94 g/kg and 138.70 mg/kg, respectively. The nugget values of TN and AN were 52.41% and 63.92%, which indicated that they had moderate spatial variations and both were affected by structural and random factors. For the spatial distribution, concentrations of soil TN and AN increased gradually from the northeast to the southwest of the study area. Regression analysis results demonstrated that soil parent materials explained 14.8% and 9.4% of TN and AN concentrations variability, respectively. Meanwhile, soil types (soil group, subgroup and soil genus) explained 3.6%-17.2% and 5.7%-17.2% of TN and AN concentrations variability. The mean values of TN and AN concentrations in soil were highest in cultivated land, followed by in the agroforestry, and were lowest in the orchard/gardens. Land use type explained 5.8% of TN concentrations variability and had no significant effects on the concentrations of soil AN. We concluded that the concentrations of soil nitrogen in the western Chengdu Plain stayed a high level in the mass, and the highest values located in the southern part of Jinma River. However, the lowest distributed in the belt of Wenjiang to Pixian. Soil parent materials and soil types had more significant effects than land use types on the spatial variability of nitrogen in soil.
Keywords: soil nitrogen    spatial variability    influencing factors    quantitative analysis    Chengdu Plain    

土壤氮素是决定植物生长和作物产量高低的限制因子之一[1],其时空动态不仅影响农业生产[2]、区域环境[3],同时还影响着各种生态化学过程[4],在陆地生态系统结构与功能方面发挥着关键性的调节作用[5].受自然和人为因素的综合影响[6],区域土壤氮素存在着高度的空间异质性[7].近几十年来,我国在农业生产中长期投入大量氮肥,势必改变区域土壤氮素空间分布格局[8],加剧区域土壤氮素的空间异质性[9],且研究表明氮素是引起河流面源污染的重要因素[10-13].因此,准确掌握区域土壤氮素的空间分布特征及影响因素,不仅是农业生产土壤氮肥精确管理的前提,也是区域环境污染防控的需要[5, 13].

长期以来,国内外学者运用地统计学方法[6, 14-15]对不同区域土壤氮素空间分布及其影响因素进行了大量研究.并发现,土壤氮素受成土母质[16]、土壤类型[5]、地形条件[17]、土地利用方式[18-20]以及人为管理措施[8, 21]等因素的影响导致其具有明显的空间变异性, 且不同区域的影响因子呈现出不同的特征[7, 22-23]. ZHANG等[24]研究表明,不同空间尺度和环境背景下土壤氮素分布特征及其主控因子有所差异.罗由林等[22]研究认为,土地利用方式是川中丘陵区土壤氮素空间变异的主控因素.目前,诸多学者对成都平原土壤属性的含量及空间分布开展了系列研究[25-26],陈青松等[20]研究发现,不同土地利用方式下,随着建筑面积和道路长度的增加,土壤氮素含量降低.陈肖等[27]采用定性的方法,以不同因素类别下土壤氮素含量差异对比,探究该区域土壤氮素空间异质性的影响因素.但缺乏对成都平原区土壤氮素空间变异影响因素量化研究.成都平原位于四川盆地西部,区内地势平坦、水系纵横、土壤肥沃、土地垦殖率高,是我国粮、棉、油的重要生产基地.近年来,随着经济的快速发展,成都平原区域农业集约化水平不断提高,土地利用程度进一步增加,土壤性质发生着剧烈改变[13, 23].因此,该研究以成都平原西部为案例区,通过实地采样分析,运用地统计学方法和GIS技术,分析该区域高强度土地利用背景下土壤氮素空间变异特征,并定量分析各因素对其空间变异的影响,以期为区域农业生产可持续管理和生态环境保护提供参考.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于成都平原西部(30°23′N~31°01′N、103°27′E~103°55′E),包括都江堰、温江、郫县、崇州、大邑、邛崃、双流和新津,面积约2 139.1 km2.区内海拔在447~732 m之间,地势平缓,总体由西北向东南倾斜.该区属中亚热带湿润季风气候区,降水充沛,土质肥沃.成土母质有第四系更新统冲积物和灰色、灰棕、紫色冲积物等.土壤类型以水稻土为主,包括潜育水稻土、渗育水稻土、脱潜水稻土和潴育水稻土4个亚类.区内农业用地方式主要有耕地、园地和农林复合用地.

1.2 样品采集与分析

根据研究区土壤母质、土地利用方式、交通和水系等基本信息,以3 km左右为间隔进行布点,于2016年4月以多点混合的方式采集表层(0~20 cm)土壤样点共计134个(见图 1).采样时利用便携式GPS获取每个采样点的地理位置海拔,并记录和调查成土母质、土壤类型、轮作方式和土地利用方式等环境背景信息.土壤样品待自然风干、去杂、研磨后,进行分析测定;其中w(TN)采用凯氏滴定法测定;w(AN)采用碱解扩散法进行测定[28].

图 1 研究区位置及采样点分布 Fig.1 Location of the study area and soil sampling locations
1.3 数据处理与分析方法

采用域值法处理异常值[10, 22].土壤氮素的描述性统计分析、K-S检验、方差分析和回归分析均在SPSS 19.0软件中完成.回归分析用以定量表达各因素对土壤氮素含量空间变异的影响程度[5],其中成土母质、土壤类型(土类、亚类、土属)和土地利用方式作为定性变量,采用哑变量编码进行赋值[22].半方差模型拟合及相关参数的确定在GS+7.0中进行,其半方差分析结果参数,变程A表示空间变量自相关范围;块金效应〔C0/(C0+ C)〕用以描述土壤属性的空间自相关程度,其比值<25%时表明具有强烈的空间自相关性;比值在25%~75%之间为中等程度的空间自相关,比值>75%说明空间自相关性较弱[16].将最优模型及参数带入ArcGIS 10.2软件的地统计模块中进行普通克里格插值,得到研究区土壤氮素含量空间分布图[5, 10].

2 结果与分析 2.1 土壤氮素含量描述性统计特征

统计分析结果(见表 1)显示,研究区表层土壤中w(TN)为0.81~3.50 g/kg,平均值为1.94 g/kg,明显高于全国水平(1.54 g/kg)[29]w(AN)为44.42~263.99 mg/kg,平均值为138.70 mg/kg.参考四川省第二次土壤普查土壤肥力分级标准[30]w(TN)和w(AN)平均值达到丰富水平.研究区w(TN)和w(AN)的变异系数分别为26.80%和28.98%,属于中等程度的空间变异,且土壤w(AN)的变异程度较w(TN)强,这与陈青松等[20]的研究结果类似.数据正态性分析表明,研究区土壤w(TN)和w(AN)符合正态分布,满足方差分析、回归分析和地统计分析等需要.

表 1 研究区土壤w(TN)和w(AN)的统计特征 Table 1 Descriptive statistics characteristics of TN and AN contents in the study area
2.2 土壤氮素空间结构特征

依据模型拟合R2(决定系数)最大、RSS(残差)最小的原则,选择最优插值理论模型和参数(见表 2).结果显示,指数模型(Exponential)拟合效果最佳,R2分别为0.919和0.786.土壤w(TN)和w(AN)的块金值(C0)分别为0.152、1 057.961,说明在当前采样尺度下仍然存在由试验误差、耕作及施肥等随机因素引起不同程度的变异.研究区w(TN)和w(AN)的块金效应〔C0/(C0+ C)〕分别为52.41%和63.92%(处于25%~75%之间),属于中等程度的空间自相关性,说明二者空间变异受结构性因素(母质类型、土类、地形、水文等)和随机性因素(土地开垦、耕作制度、施肥、灌溉等)的共同影响,且随机性因素的影响较大.从变程来看,研究区w(TN)和w(AN)的距离分别为25.98、21.80 km,其空间自相关范围较为相似.

表 2 研究区土壤w(TN)和w(AN)半方差函数及其拟合参数 Table 2 Theoretical semivariogram models and corresponding parameters of TN and AN
2.3 土壤氮素空间分布特征

根据最优半方差模型及参数,通过ArcGIS 10.2软件平台进行普通克里格插值,可较为直观地反映研究区土壤氮素空间分布格局(见图 2).根据四川省第二次土壤普查对全氮和碱解氮的分级标准[30],从图 2可以看出,研究区土壤w(TN)和w(AN)主要集中于丰富水平.土壤w(TN)空间分布总体呈现由东北向西南逐渐递增的趋势,相对低值区(<1.50 g/kg)主要集中在研究区东北部的郫县境内,仅占研究区总面积的1.65%;高值区(>2.00 g/kg)主要分布在金马河以南的崇州、大邑和邛崃区域,占研究区总面积的38.00%;研究区中部、东部和北部w(TN)主要介于1.50~2.00 g/kg之间,其面积占60.34%. w(AN)空间分布总体与w(TN)相似,其相对低值区(<110 mg/kg)主要集中在温江-郫县境内,占研究区总面积的4.67%;高值区(>135 mg/kg)主要分布在金马河南岸区域,其面积占49.54%.

图 2 研究区土壤w(TN)和w(AN)的空间分布 Fig.2 Spatial distribution of TN and AN contents in the study area
2.4 土壤氮素含量影响因素 2.4.1 成土母质

成土母质作为土壤形成的物质基础,直接影响土壤的形成与演化以及物化性质,由于母质类型差异较大,进而影响着土壤中氮素的分布[9, 31].不同母质类型土壤氮素含量差异显著(见表 3),其中以灰棕冲积物发育而来的土壤中w(TN)显著高于灰色、紫色冲积物,而后两者之间差异不显著. w(TN)平均值表现为灰棕冲积物>第四系更新统冲积物>紫色冲积物>灰色冲积物.土壤w(AN)平均值在128.10~164.28 mg/kg之间,以灰棕冲积物发育而来的土壤中w(AN)最高,平均值为164.28 mg/kg,灰色冲积物发育的土壤最低(128.10 mg/kg),平均值差异达36.18 mg/kg,这与庞夙等[9, 27]的研究结果相似.从变异系数来看,各母质类型发育的土壤w(TN)变异系数在19.23%~ 26.00%之间,w(AN)变异系数在12.17%~30.94%范围内,均表现为中等程度的变异性.

表 3 不同母质类型土壤w(TN)和w(AN)的统计特征 Table 3 Descriptive statistics characteristics of TN and AN contents under different soil parent materials
2.4.2 土壤类型

土壤类型是区内不同的成土过程、土壤发育程度及耕作管理措施等条件的综合体现.结果(见表 4)表明,水稻土氮素含量明显高于新积土,w(TN)和w(AN)平均值差异分别为0.52 g/kg和48.91 mg/kg.水稻土的4个亚类中,土壤中w(TN)和w(AN)均以渗育水稻土最低,潜育水稻土w(TN)最高而脱潜水稻土w(AN)最高.从土属来看,水稻土中渗育灰棕潮田w(TN)、w(AN)最高,渗育灰潮田和潴育灰潮田中相对较低,新积土中最低.变异系数结果表明,仅潜育黄泥田w(TN)表现为弱变异,其余各级土壤分类中土壤w(TN)和w (AN)均表现为中等程度的变异性.

表 4 不同土壤类型土壤w(TN)和w(AN)的统计特征 Table 4 Descriptive statistics characteristics of TN and AN contents under different soil types
2.4.3 土地利用方式

土地利用方式和种植制度一定程度上反映了人类耕作和施肥等活动的差异,进而直接影响土壤氮素的输入和输出[5, 20].由表 5可见,研究区不同土地利用方式下土壤氮素含量存在显著差异,土壤w(TN)和w(AN)均值表现为耕地>农林用地>园地,耕地土壤中w(TN)、w(AN)平均值分别为2.04 g/kg和143.82 mg/kg,其氮素含量明显高于园地(1.73 g/kg和127.58 mg/kg),且耕地土壤中以稻-麦轮作w(TN)最高,主要与秸秆还田有一定关系[9, 19].而土壤中w(AN)在各类土地利用方式下无显著差异,这与相关研究结果[27]类似.从变异系数来看,不同种植制度下w(TN)、w(AN)的变异系数分别在9.10%~28.80%和23.59%~33.37%之间,除果园w(TN)表现为弱变异,其余均表现为中等变异.

表 5 不同土地利用方式土壤w(TN)和w(AN)的统计特征 Table 5 Descriptive statistics characteristics of TN and AN contents under different land use types
2.4.4 影响因素的回归分析

为深入探讨各影响因素对土壤氮素变异的影响程度,分别以母质类型、土壤类型、亚类、土属和土地利用方式为自变量进行回归分析(见表 6).结果表明,成土母质和土属的回归方程均达到极显著水平(P<0.01);土类、亚类对土壤氮素含量的影响均达到显著(P<0.05)或极显著水平(P<0.01);土地利用方式对土壤w(TN)的影响达到极显著水平(P<0.01),而对w(AN)影响不显著(P>0.05),表明研究中所选因素对研究区土壤w(TN)和w(AN)均有不同程度的影响.

表 6 不同因素对土壤w(TN)和w(AN)的回归分析结果 Table 6 Regression analysis of TN and AN with different factors

成土母质对研究区w(TN)和w(AN)的空间变异的独立解释能力分别为14.8%和9.4%;土类、亚类和土属对土壤w(TN)、w(AN)的独立解释能力分别为3.6%、4.5%、17.2%和5.7%、7.5%、17.2%,表明土壤类型的独立解释能力与土壤类型分类级别有关,土壤分类级别越低,对土壤氮素空间变异的解释能力越高[32].土地利用方式对土壤w(TN)的独立解释能力为5.8%,对土壤w(AN)无显著影响,这与表 5方差分析结果一致.

3 讨论 3.1 结构性因素对土壤氮素空间分布的影响

研究区耕层土壤w(TN)和w(AN)平均值分别为1.94 g/kg和138.70 mg/kg,均处于丰富水平.该研究结果表明,研究区土壤w(TN)和w(AN)的块金效应分别为52.41%和63.92%,说明二者是受结构性和随机性因素的共同影响.研究区耕层土壤w(TN)和w(AN)空间分布具有相似的变化特征,均呈现由东北向西南逐渐递增趋势.不同母质的统计特征结果表明,其土壤氮素均值比较表现为灰棕冲积物>第四系更新统冲积物>紫色冲积物>灰色冲积物.而温江—郫县一带其土壤氮素相对较低,其空间分布特征与陈青松等[20, 26]研究结果类似.主要是母质分布为灰色冲积物,土壤颗粒组成相对较粗,多为泥质沙土,养分易随水分向下层土壤迁移;研究区金马河以南的区域土壤氮素含量较高,主要是该区域成土母质为灰棕和第四系更新统冲积物,土壤颗粒组成较细,质地黏重,导致其土壤氮素易出现明显表聚现象[27, 33].成土母质对土壤w(TN)、w(AN)空间变异的独立解释能力分别为14.8%和9.4%,进一步说明母质是影响研究区土壤氮素空间分布的主要因素之一.而随着土壤分类级别越细土壤类型对氮素空间变异的独立解释能力越高,其独立解释能力大小表现为土属>亚类>土类,这与LI等[5, 32]的研究结果类似.主要是由于土壤分类级别越细,所反映的环境背景信息也越多[32].土属是一定程度上考虑了区域结构性因素的综合影响的分类单元,因而在研究区对土壤氮素空间变异的解释能力最大[32-33].

3.2 随机性因素对土壤氮素空间分布的影响

在气候、母质和土类等条件不变的情况下,研究区耕层土壤w(TN)、w(AN)与陈肖等[27]2007年的研究结果〔w(TN)为1.29 g/kg、w(AN)为72.2 mg/kg〕相比,土壤w(TN)增幅为50.39%,w(AN)增幅达92.11%.这说明,近15年间成都平原土壤氮素含量的升高一定程度上是受人为耕作施肥等随机性因素的影响[9, 20, 27].该研究表明,土壤w(TN)和w(AN)均值表现为耕地>农林>园地.主要是由于耕地以水旱轮作为主,氮肥投入和秸秆还田率高;其次,土壤在水稻季处于淹水条件,有效降低了土壤中有机物的分解及矿化速率[9, 19].因此,不同轮作方式下的施肥管理是导致研究区土壤氮素含量水平最高的主要原因[20].果园和农林多由耕地改造而来[27],经济收益较高,氮肥投入量相比园林较多.而园林多由水田改为旱地观赏性园艺植物,枯落物的归还量较小,且土壤通气条件较好,耕层有机质分解较快,氮素流失相对容易,导致园林土壤氮素含量最低[5, 22].相关研究表明,农业耕作管理措施,包括肥料种类、施肥量、农业灌溉方式等直接影响着土壤氮素的输出和供应的平衡[8, 21].根据实地调查和资料表明[27],自1990年温江—郫县部分区域农业经济结构发生转变,大面积的耕地改种苗圃,其施肥量相对低于其他用地类型,导致温江—郫县一带土壤氮素空间分布相对较低.而该研究区土地利用方式对土壤w(TN)空间变异的独立解释能力仅5.8%,土地利用方式对土壤氮素空间变异的影响低于土壤母质和土属.这与罗由林等[10, 22]川中丘陵区氮素分布主要受土地利用方式影响的研究结论有所不同;这可能和区域差异有关,平原区作为主要的粮食产地,自身土地利用程度很高,且在城市化进程加快、农业经济结构发展不断加快和化肥大量投入的背景下,成都平原种植作物相对规模化,土地利用方式对土壤氮素空间变异性的影响相对归一化[34].人为耕作施肥等随机性因素对研究区土壤氮素空间变异的影响程度,仍有待进一步研究.

针对研究区土壤w(TN)和w(AN)处于丰富水平状况,区域氮素调控重点应严控氮肥过量投入:①合理调节土地利用方式,减少由氮素流失带来的一系列环境问题;②在农业生产中应考虑氮肥施用方法(如缓控释肥技术),提高氮肥利用率,以实现该区农业可持续发展和营造良好的生态环境.

4 结论

a) 研究区耕层土壤w(TN)、w(AN)平均值分别为1.94 g/kg和138.70 mg/kg,均处于丰富水平.从变异系数和块金效应来看,土壤w(TN)和w(AN)均具有中等程度的空间变异性,且土壤w(AN)的变异程度较w(TN)强,是受结构性和随机性因素共同影响;其空间分布呈现由东北向西南逐渐递增趋势,土壤氮素含量相对低值区主要集中在温江—郫县一带,高值区在金马河以南的崇州、大邑和邛崃区域.

b) 成都平原耕层土壤w(TN)和w(AN)空间变异是成土母质、土类和土地利用方式等因子共同作用的结果.其中,成土母质对土壤氮素有显著影响,土壤类型对土壤氮素的空间变异影响程度随着土壤类型划分单元细化,其独立解释能力越高.土地利用方式对土壤w(TN)空间变异的独立解释能力仅5.8%,对w(AN)无显著影响.成土母质和土壤类型(土类、亚类、土属)对研究区土壤氮素空间变异性的影响高于土地利用方式.

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