土壤硝酸盐氮的空间变异特征及影响因素分析

张玉玲，司超群，陈志宇，初文磊，陈在星，王 璜

吉林大学环境与资源学院/水资源与环境研究所，长春 130021

0 引言

近年来，随着工农业的快速发展，产生的环境污染问题(如：工业废水和生活污水的排放、农业化肥和农药的使用、人畜粪便的排放、污染物填埋、化石燃料的泄漏等)日益严重，导致土壤和地下水中硝酸盐的浓度不断增加[1-5]，进而对生态环境和人类健康产生严重的影响[6-7]。土壤硝酸盐氮的分布一般具有空间变异性，系统地研究土壤硝酸盐氮的空间变异特征，对于农业施肥及地下水-土生态安全具有重要的现实意义。

土壤的空间变异性研究兴起于20世纪70年代，Burgess等[7]将地统计学的方法引入土壤科学研究领域，其研究理论基础为地质统计学。随后土壤空间变异性研究经历了从土壤物理性质逐步扩展至化学性质以及其他相关方面研究的变化[8-11]。目前常用的空间变异分析方法主要包括描述性统计分析、变异特征分析、趋势及插值图分析等[12]。地质统计学分析拥有将土壤性质与其地理位置坐标组合分析的功能，通过变异函数模拟出土壤理化性质的空间分布模型，并预测其他未知区域的相关状况，从而揭示出土壤理化性质的区域化空间分布特征[13-14]。但是对于相对复杂的土壤变异系统，常规的空间变异分析手段往往无法准确模拟这类土壤理化特性多尺度、多过程的空间变异性，尤其是局部的变异信息，而分形理论被认为可作为复杂土壤空间变异性定量化描述的有效工具[15-16]。基于以上考虑，本文通过结合常规空间变异分析方法与分形理论分析方法对比分析东北某农灌区土壤中硝酸盐氮空间变异性特征，从而更加科学地分析土壤硝酸盐氮空间变异规律。

1 研究区概况

研究区位于我国东北地区南部，总体地势由东北向西南逐渐降低，地面高程平均为 35～50 m，属于温带季风气候，年平均气温6.2～9.7 ℃。区内地貌类型东部为丘陵地貌，其他地区均为第四系松散堆积物所覆盖。第四系堆积物自东向西逐渐增厚，颗粒由砾石逐渐变为粗砂、中砂、细砂。研究区内广泛分布第四系松散岩类孔隙水，含水岩组主要包括上更新统、全新统冲洪积层两部分含水层[17-18]。全新统冲洪积含水层主要分布于浑河高低漫滩区，岩性为砂砾石、砂卵石，平均厚度为 20～50 m；地下水位埋深在靠近浑河地区为5.0～7.0 m，市区则多为 12.0～22.0 m，单位涌水量为10.0～30.0 L/(s·m)；其补给主要来源于浑河渗透、大气降水与地下径流，该层位地下水也是城市供水的主要开采层位。上更新统冲洪积砂砾石孔隙微承压水含水层主要分布于浑河的南、北一级阶地，岩性为砂砾石、砂卵石，厚度为10.0～28.0 m；其地下水位埋深在浑河北岸的东部普遍为 12.0～16.0 m，西部为8.0～26.0 m，南岸为 5.0～9.0 m；单位涌水量10.0～15.0 L/(s·m)；其补给主要来源于地下径流、大气降水和灌溉水入渗。

2 样品采集和分析

2.1 样品采集和分析测试方法

本次采样断面共有5个，编号分别为断面1—断面5，采样位置均匀分布在整个断面上。采样分为4层，第一、二、三、四层对应深度分别为0～1、1～2、2～3、3～4 m。采样过程为避免时间影响，对不同类型土壤的采样工作在4—11月完成。采样点位置分布如图1所示，每个断面具体采样如图2所示，采样点标号N-1-1-1为第一断面浑河北侧第一采样点第一层土壤样品，其余编号类推。采样工具：麻花钻、汽油冲击钻(沈阳地调中心)、铁锹、铁铲、小铲以及适合特殊采样要求的工具等。每个样品采集1.0 kg左右，装入样品布袋，潮湿样品可内衬塑料袋或将样品置于玻璃瓶内。

土壤硝酸盐氮测试方法采用ISO/TS14265-1∶2003土壤硝酸盐氮-氯化钾溶液提取-分光光度法[19]，其中采用的分光光度计检出限为0.250 mg/kg。

2.2 土壤硝酸盐氮空间变异及影响因素分析方法

通过选用极小值、极大值、平均值、标准差、变异系数、偏差、峰度的描述统计方法，描述不同层位土壤硝酸盐氮质量分数的分布，其中标准差与变异系数可反映出数据的变异程度，平均值与偏差则可描述出数据的中心趋向及分布概况。选择半方差分析中拟合最好的理论模型进一步获取不同层位土壤硝酸盐氮的地统计参数。采用GS+9.0软件对不同层位土壤硝酸盐氮数据进行分形分析，通过三维透视图从不同视角分析采样数据集的全局趋势，通过Arcgis10.0的克里格插值图分析土壤硝酸盐氮的平面分布特征，并与趋势分析进行对比；在此基础上，分析有机质、土地利用类型、土壤质地对土壤硝酸盐氮空间变异性的影响。

图1 研究区土壤采集点和土地利用类型分布特征Fig.1 Distribution characteristics of soil sampling sites and land use types in the study area

图2 细河和浑河剖面上的采样点断面图Fig.2 Sampling point section map of Xihe River and Hunhe River

3 结果与讨论

3.1 土壤硝酸盐氮空间变异分析

3.1.1 分层描述统计

土壤科学中一般采用变异系数值对土壤性质变异程度进行分类：变异系数≤10%，表明空间相关性强、变异性弱；变异系数为10%～100%，表明空间相关性中等、变异性中等；变异系数>100%，表明空间相关性较弱、变异性强。

由表1可知:第一层位土壤的硝酸盐氮质量分数为0.13～15.47 mg/kg，平均值为5.23 mg/kg，变异系数为82.88%，属中等变异性，表明硝酸盐氮质量分数存在一定的变异性；同理其他各层数据都表明土壤硝酸盐氮数据存在中等变异性。运用地统计学测算变异函数时，数据一般要求符合正态分布[20]。因此先对分层数据进行频率直方图分析，分析是否符合正态分布规律。结果表明，原始数据所形成的直方图对称性不明显，土壤硝酸盐氮数据的峰度与偏差值均较大，需对数据进行对数转换。对数转换后的硝酸盐氮质量分数服从正态分布，因此可以进行地学统计分析。

3.1.2 变异特征分析

通过对数据进行统计描述可知，土壤硝酸盐氮具有较强的空间变异性，选择半方差分析中拟合最好的理论模型(图3)，获得不同层位土壤硝酸盐氮地统计参数(表2)。

块金值反映的是最小抽样尺度以下变量的变异性及测量误差；基台值表示变量的最大变异程度，这种变异通常来自于系统内部；块金值/基台值表示空间相关性[12,21-22]。由表2可知，不同层位的土壤硝酸盐氮在其最优拟合模型下的块金值/基台值多数小于25.0%(第四层略大)，显示出强烈的空间相关性，表明土壤硝酸盐氮质量分数的空间变异主要受结构性因素的影响。

3.1.3 分形分析

通过G3+9.0软件的分形分析，不同层位土壤硝酸盐氮数据及不同角度的分形维度如表3所示。

由表3可知：第一层土壤硝酸盐氮在南北方向上(0°)接近于1.000，这说明该层位土壤硝酸盐氮在南北向空间上存在严格的自相关性，空间变异的结构性成分比例较高，而其他方向上分形维数均大于1.500，表明硝酸盐氮在这些方向上的具有较高的随机性；第二、三层位土壤硝酸盐氮分形维数在南北向上则接近1.500，表明该方向上的土壤硝酸盐氮空间变化接近分形布朗运动，同理其他方向上硝酸盐氮空间变化具有较高的随机性；第四层土壤硝酸盐氮在各方向上都具有较高的随机性。分形分析得到的一个重要结论是，土壤硝酸盐氮的空间变化同时受到结构性因素和随机性因素的共同影响，而随机性因素主要来源于人类活动，同时也表明了土壤硝酸盐氮质量分数的强烈各向异性。

表1 土壤硝酸盐氮数据分层描述统计结果

图3 不同层位土壤硝酸盐氮半方差分布Fig.3 Distribution of nitrate nitrogen in different horizons

层位模 型块金值/10-3基台值/10-3块金值/基台值/%决定系数/10-2变程一spherical球形模型0.1198.00.525.123.5二spherical球形模型31.8316.610.021.320.6三exponential指数模型27.5234.011.74.319.2四exponential指数模型117.0454.025.739.91232.0

表3不同层位土壤硝酸盐氮的不同角度分形维度

Table3Nitratedataindifferenthorizonsanddifferentfractaldimensions

层位分形维数0°45°90°135°一1.0221.9311.6521.758二1.3471.8551.9801.835三1.4071.7681.9871.673四1.6921.9721.6971.912

3.1.4 趋势分析

趋势分析可以提供研究区采样点及以其属性值为高度的三维透视图，从不同视角分析采样数据集的全局趋势，结果如图4所示。由图4可知，4层都表现为由西向东递减、南北向向中间递增的特点。由西向东递减是由于研究区以东为城区，以西主要为农业区；南北向特点可能是由于浑河中下游、细河水质中氨氮以及亚硝酸盐超标，因而导致其附近土壤硝酸盐氮质量分数偏大。不同层位土壤硝酸盐氮质量分数趋势统一性表明其主要的控制因素是一致的。

蓝线和绿线分别为南北向和东西向土壤硝酸盐氮质量分数变化的趋势线。东方向与x轴正方向一致，北方向与y轴正方向一致，z轴代表硝酸盐氮质量分数大小。图4 不同层位土壤硝酸盐氮趋势分析图Fig.4 Analysis of nitrate trend in different horizons

3.1.5 克里格插值图分析

通过对土壤硝酸盐氮数据进行插值图分析，可以从平面上更直观地反映土壤硝酸盐氮质量分数的分布。由于不同层位的趋势是类似的，选取表层土壤硝酸盐氮数据做克里格插值，如图5所示。由图5可知：总体土壤硝酸盐氮质量分数由西侧农田向东侧城区逐渐递减；由南向北，在浑河中下游以及细河附近土壤硝酸盐氮质量分数偏高，与趋势分析相互印证。

3.2 土壤硝酸盐氮空间变异性影响因素分析

3.2.1 有机质质量分数

土壤中有机质质量分数增多，有助于提高土壤净化能力和土壤的团聚性，增加土壤环境容量。土壤的吸附量与有机质质量分数显著相关[23]。本文对土壤有机质质量分数进行趋势性分析，结果如图6所示。由图6可知，不同层位土壤有机质空间变化与土壤硝酸盐氮空间趋势比较一致：由西向东降低、由南北两侧向中间递增。结合研究区土地利用类型分析土壤中硝酸盐氮的主要来源，其主要有两个方面：1)有机氮降解形成铵盐经过硝化作用生成硝酸盐；2)直接通过氮肥硝化作用形成。因此在有机质质量分数高的地方硝酸盐氮质量分数往往也较高，同时硝酸盐在土壤中经历反硝化生物化学作用，消耗有机质，硝酸盐氮转化为氮气。

3.2.2 土地利用

土地利用类型是人们根据自身生产生活的需要，对土地进行不同用途开发利用的社会产物[24-25]。其在改造土地自然属性的同时，不同的土地利用类型对土壤理化性质的影响也存在差异。根据不同样点以及不同层位的土壤硝酸盐氮质量分数，结合土地利用类型，对土壤硝酸盐氮进行分析，结果如表4所示。

选取研究区46个采样点，所涉及到的土地利用类型有水田、旱田、工业用地、林地，其中以旱田取样点最多，工业用地最少。不同的土地利用类型中,土壤硝酸盐氮质量分数平均值差异表现为水田中硝酸盐氮质量分数小于其余类型(表4)，这可能与水流迁移特征有关：在水田区由于大量灌溉水形成径流，土壤中硝酸盐氮也随着水流而迁移，从而表现为水田灌区土壤硝酸盐氮低值，这也是目前农业面临的氮流失导致的面源污染问题；其余土壤类型中以工业用地土壤中硝酸盐氮质量分数最高，这可能与工业污、废水以及废渣堆放有关。

通过描述不同土地利用类型垂向上土壤硝酸盐氮的分布特征，可以更加清晰地对比出不同类型的土地利用会影响其土壤中硝酸盐氮的分布及运移特征(图7)：水田环境中的土壤硝酸盐氮总体随着深度呈线性递减，在第四层土壤处个别数据略有回升；旱田和工业用地环境中的土壤硝酸盐氮质量分数在表层向下递减后有明显回升现象；林地环境中的土壤硝酸盐氮质量分数总体随深度向下递减。这与它们各自所处的环境特点有关：水田处于长时间蓄水状态，近表层土壤都处于饱和状态，因而一定时期处于还原环境，在还原状态下，氮肥中无机氮几乎全部以氨态氮存在，容易被土壤胶体吸附，不易流失，即使存在的少量硝酸盐氮也会随着灌溉水流流失；旱田及林地皆为地表面不蓄水状态，因而在近表层土壤中硝酸盐氮质量分数比水田要高；工业用地受工业活动污染，因而近表层土壤硝酸盐氮质量分数较高，受反硝化作用影响随深度向下递减，在第四层土壤微生物活动受抑制以及累积作用有明显回升现象。

图5 表层土壤硝酸盐氮质量分数分布图Fig.5 Plane distribution of nitrate data in surface soil

蓝线和绿线分别为南北向和东西向土壤有机质质量分数变化的趋势线。东方向与x轴正方向一致，北方向与y轴正方向一致，z轴代表有机质质量分数大小。图6 不同层位有机质趋势分析Fig.6 Trend analysis of organic matter in different horizons

表4不同层位以及不同土地利用类型土壤中硝酸盐氮质量分数平均值

Table4Averagenitratenitrogeninsoilsofdifferenthorizonsanddifferentlandusetypes

土地利用类型取样点数平均硝酸盐氮质量分数/(mg/kg)一层二层三层四层水田102.853.181.282.65旱田195.744.013.844.46工业用地57.724.614.166.69林地125.823.873.843.03

3.2.3 土壤质地

土壤质地是根据土壤颗粒组成划分的土壤类型。土壤质地一般分为砂土、壤土和黏土3类，其类别和特点主要是继承了成土母质的类型和特点。本次对取样点不同层位所处的土壤质地进行统计，如表5所示。砂土缺少黏粒和有机质，保持氮肥的能力弱，且施用的氮肥料易随雨水流失，因此，在砂土上种植农作物一般都会增施有机肥，并且由于砂土通透性好，有机氮肥易氧化形成硝酸盐；黏土则有机质质量分数较高，大多土壤养分不易被雨水和灌溉水淋失，保持氮肥性能好，但由于遇雨或灌溉时，往往水分在土体中难以下渗而导致排水困难形成还原条件，加上有机质质量分数丰富，使得硝酸盐氮容易被还原；而壤土则兼有砂土和黏土的优点，有利于保持硝酸盐氮。

对几个穿过不同土壤质地取样点土壤硝酸盐氮做垂向分布图，结果如图8所示：土壤硝酸盐氮在壤土与黏土相交的界面达到极大值，以上为硝酸盐氮累积的结果，以下则由于黏土的渗透性弱加之处于还原条件，硝酸盐氮无法得到累积(图8a)；而壤土与砂土交互的土层，垂向上随深度增大，土壤硝酸盐氮质量分数虽略有回升，但总体上呈向下递减的趋势，证明了壤土由于自身特性具有保持硝酸盐氮的能力(图8b)。

表5 不同土壤质地硝酸盐氮质量分数平均值

图7 不同土地利用类型的土壤硝酸盐氮的垂向分布Fig.7 Vertical distribution of nitrate in different land use types

图8 不同土壤质地的取样点土壤硝酸盐氮的垂向分布图Fig.8 Vertical distribution map of nitrate in soil samples of different soil textures

4 结论

1)土壤硝酸盐氮的空间变异性显著。4层中第一层土壤的硝酸盐氮质量分数较高，为0.13 ～ 15.47 mg/kg，平均值为5.23 mg/kg；整体上，从上到下，变异系数增大，在82.88%以上，分析其正态分布性时，可以利用地学统计分析法，对数据进行对数转换。

2)土壤硝酸盐氮质量分数的空间变异特征同时受到了结构性因素和一定的随机因素的影响，土壤硝酸盐氮质量分数的空间变化具有强烈的各向异性。第一层土壤硝酸盐氮在南北向空间上存在严格的自相关性，空间变异的结构性成分比例较高；第二、三层位土壤硝酸盐氮空间变化接近分形布朗运动；第四层位土壤硝酸盐氮在各方向上都具有较高的随机性。总体土壤硝酸盐氮质量分数由西侧农田向东侧城区逐渐递减；由南向北，在浑河中下游以及细河附近土壤硝酸盐氮质量分数偏高。

3)不同影响因素对于土壤硝酸盐氮的空间变异特征影响不一致。土壤有机质与硝酸盐氮质量分数的空间分布趋势相吻合，有机质质量分数高的地区在土壤通透性良好的情况下硝酸盐氮质量分数也相应较高；不同土地利用类型分析表明土壤中硝酸盐氮质量分数受到土地使用过程中的施肥以及灌溉特点影响；土壤质地的不同导致其保持硝酸盐氮能力不同，并且由于质地不同通透性差异也会导致硝酸盐氮含量的差异。

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