川南地区土壤氮素的空间分布特征及影响因素分析

2018-03-21欧阳平冯文颖李启权冯海涛代天飞

四川农业科技 2018年2期

唐莲，欧阳平，冯文颖，李启权,赵迪，冯海涛，代天飞,，李昆

(1.成都土壤肥料测试中心, 四川成都 610041；2.四川农业大学资源学院, 成都温江 611130；3.四川省达州市通川区复兴镇人民政府，四川达州 635003)

土壤养分是由土壤提供的植物生长发育所必须的营养元素。植物一生所吸收的养分主要来自于土壤，土壤养分状况与农业生产有着密切的关系[1]。氮素作为大量养分元素，对于植物生长发育有着重要意义。在农业生产中，我们主要采用施用氮肥的方式增加土壤氮素含量。但施入土壤的氮肥损失较为严重，还易产生水体污染等环境问题。因此，研究区域内土壤氮素的空间分布特征和影响因素，能对区域内氮肥的施用提供依据，具有重要意义。目前，我国学者也从不同尺度[2-3]，运用不同方法[4-7]，对不同区域[8-10]、不同地形条件[11-14]下的土壤氮素分布进行了研究，但对于四川南部的研究还未深入。

宜宾市位于四川省南部，以中低山和丘陵为主，是长江上游山丘区的典型代表。本文以宜宾市为研究区域，采用传统统计分析和地统计学技术研究土壤氮素的空间分布特征及影响因素，旨在为该区域氮肥的使用提供依据和指导。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

研究区宜宾市位于四川省南部，地跨103°36′E～105°20′E，27°50′N～29°16′N，位于川、滇、黔3省交汇地，长江0km处。东西最大横距153.2km，南北最大纵距150.4km。市区总面积1123km2，人口约70多万。全市地形整体呈西南高、东北低态势，地貌以中低山和丘陵为主，岭谷相间。市境内500～2000m的中低山占46.6%，丘陵占45.3%，平坝占8.1%。海拔约236～2800m。属亚热带季风性湿润气候，具有气候温和、热量充足、雨量充沛、四季分明的特点。全年平均温度18℃左右，年平均降水量约为1050～1618mm，合降水量154.9亿m3。宜宾境内水系属外流水系，以长江为主脉，河流多、密度大、水量丰富。全市土壤总面积107.33万hm2，占全市土地总面积的80.5%。土壤种类有紫色土、新积土、水稻土、黄壤、石灰土等。

1.2 土壤样品采集与测定

根据研究区的实际情况，考虑到成土母质、土壤类型、海拔高度、植被条件、人类活动等人为因素和自然因素，保证采样点具有典型性和代表性，同时要兼顾空间分布的均匀性。在宜宾市耕地土壤上布设样点和采集土样，共选取624个点，并用GPS进行定位。将采集到的所有样品带回实验室，风干、磨碎后过筛，装袋待测。全氮(TN)含量测定采用凯氏定氮法，碱解氮(AN)含量测定采用碱解扩散法[15]。

1.3 数据处理

利用SPSS 17.0软件对土壤全氮和碱解氮含量进行描述性统计分析；利用单因素方差分析(ANOVA)比较全氮和碱解氮含量在不同土壤类型之间、不同海拔高度之间和不同轮作制度之间的差异；在ArcGIS 10.0平台上，绘制出样点分布图；土壤全氮和碱解氮含量的半方差分别用球状、指数和高斯等模型进行拟合，根据拟合误差大小选择最适模型，然后用普通克里格法(OrdinaryKriging)内插获得土壤全氮和碱解氮的等值线图。

2 结果与分析

2.1 土壤氮素含量常规统计分析

常规统计分析结果表明(表1)，研究区土壤全氮和碱解氮含量总体水平适中，土壤全氮的平均含量为(1.43±0.47)g/kg，变化范围(0.49～3.87)g/kg；碱解氮的平均含量为(135±56)mg/kg，变化范围(16～413)mg/kg。根据全国第二次土壤普查确定的氮素含量分级标准，全氮含量处于中等水平，碱解氮含量处于高等水平。从变异系数上来看，全氮含量的变异系数为32.87%，碱解氮含量的变异系数为41.66%，均达到中等变异强度，表明其空间分布不均匀。根据研究区土壤全氮、碱解氮频数分布图(图1)，土壤全氮和碱解氮含量均近似符合正态分布，峰度系数分别为1.251和2.055，偏度系数分别为0.811和0.965。

表1 土壤全氮和碱解氮含量特征统计

图1 研究区土壤全氮、碱解氮含量的频率分布

从不同土壤类型氮素含量特征来看，全氮含量最高的是石灰土，为1.73g/kg，其次为黄壤、水稻土、潮土、紫色土，含量最低的是新积土，为1.17g/kg；碱解氮含量最高的是石灰土，为174mg/kg，其次为潮土、黄壤、水稻土和紫色土，含量最低的是新积土，为102mg/kg(表2)。

2.2 土壤氮素的空间变异特征分析

2.2.1 变异函数分析半方差分析能较好地刻画土壤氮素的空间分布的随机性和结构性等，因而在常规统计分析的基础上进一步采用半方差对其空间结构进行分析[16]。本文利用ArcGIS 10.0的地统计学模块分析土壤全氮和碱解氮含量的分布特征。分别选取球状、指数、高斯等3种模型进行拟合，得到全氮和碱解氮的地统计参数(表3)。

表2 不同土壤类型中氮素平均含量统计表

从变异因素角度考虑，块金值与基台值的比值表示空间异质程度，也反映了空间变异成分中结构性因素和随机因素谁占主导作用。若块金值与基台值的比值小于25%，表明变量具有强烈的空间相关性，且空间分布主要受结构性因子影响；若比值大于75%，则说明变量的空间相关性很弱，且空间分布主要受随机性因子的影响[17]。由表3知，土壤全氮的随机变异占其空间变异的比例(块金值/基台值)为36.8%～51.2%，土壤碱解氮的随机变异占其空间变异的比例(块金值/基台值)为45.2%～61.8%，均具有中等相关性，且受到结构性因子和随机性因子的共同影响；这也表明该研究区土壤全氮和碱解氮含量空间变异受随机因素影响较结构因素大，且碱解氮的随机变异大于全氮。这有可能是因为碱解氮易分解，容易受施肥等人为因素影响[18]。

2.2.2 空间分布特征综合考虑各项地统计学参数，采用普通克里格插值(Ordinary Kriging)分别使用球状模型和指数模型进行插值获得了土壤全氮和碱解氮含量的空间分布图。其标准均方根误差(RM SSE)分别为0.994和0.979，表明插值精度较高(接近1)，空间拟合效果较好[19]。

由图1可知，研究区土壤全氮和碱解氮含量总体上表现出一定的相似性，均有中部含量较低，南部和北部含量较高的特点。土壤全氮含量总体呈斑块状分布，低值区(0.49～1.1g/kg)主要位于中部宜宾市境内，并以此为中心逐渐向北部、南部方面增加。高值区(2.2～3.87g/kg)主要位于南部的筠连县区域，大部分区域处于中等水平(1.1～1.6g/kg)。

表3 土壤全氮和碱解氮的地统计参数

土壤碱解氮含量呈斑块状或条带状分布，中部含量较低，南北区域含量较高。低值区(16～90mg/kg)主要位于中部宜宾市、高县区域，并以此为中心向北部、南部、西北方向逐渐增高。高值区(160～413mg/kg)主要位于南部筠连县、珙县、兴文县等区域。总体而言该区域碱解氮含量处于中上水平。

图2 土壤氮素空间分布特征

2.3 影响因素分析

土壤中氮素的含量受自然因素(气候、地形及植被)和农业措施(施肥、耕作、灌溉制度及利用方式)的影响。不同区域的土壤氮素含量差异较大，本文主要从海拔高度、轮作制度、土壤质地等方面来研究各影响因素与研究区土壤氮素含量和分布的关系。

2.3.1 海拔高度海拔高度影响水热条件和成土物质的再分配，导致土壤特性因海拔高度变化而产生差异[20]，从而造成土壤氮素含量的差异。研究区内地形以低山丘陵为主，不同海拔高度的土壤氮素含量分布具有一定的差异。

方差分析的结果表明，海拔高度对于土壤全氮含量达到极显著影响(F=14.274,P<0.01)，对于土壤碱解氮含量的影响达到极显著水平(F=8.493,P<0.01)。

表4 海拔高度与土壤氮素含量

注：平均值列同一氮素指标具有相同小字母表示该均值无显著差异。下同。

从研究区内不同海拔高度土壤全氮含量来看，海拔在800m以上区域的土壤的全氮显著高于500m以下区域，海拔在500～800m区域的全氮含量显著高于400m以下区域，500m以下区域之间土壤全氮含量差异不显著。

从研究区内不同海拔高度土壤碱解氮含量来看，海拔在800m以上区域的土壤碱解氮含量极显著高于500m以下区域，显著高于500～800m区域的碱解氮含量；海拔在500～800m区域的土壤碱解氮含量显著高于300m以下和400～500m区域的碱解氮含量。造成这一现象的原因可能是因为研究区所在的宜宾市地形以低山丘陵为主，而在500m以上或800m以上的低山区光照充足，多数植被保存较为完整，有机质分解较少，从而碱解氮和全氮含量较高。但具体原因还需要做进一步探讨研究。

2.3.2 轮作制度不同轮作制度条件下对于土壤养分的人为干扰程度不同，进而影响到土壤氮素的含量。本研究区内土样采自宜宾市的耕地，因此本文对该区域耕地不同轮作制度下土壤全氮和碱解氮含量进行了统计。经调查研究表明，研究区内主要有一年一熟、一年两熟、一年三熟、常年生等4种轮作制度。不同轮作制度条件下，土壤全氮和碱解氮的含量有所不同(表5)。

表5 种植制度与土壤氮素含量

注：**表示0.01水平，具有相同字母表示差异不显著。下同。

方差分析结果表明，不同轮作制度对土壤全氮和碱解氮含量均具有显著的影响。其中对土壤全氮含量的影响达到极显著水平(F=13.307,P<0.01)，对土壤碱解氮的影响达到极显著水平(F=17.534,P<0.01)。

从研究区内不同种植制度土壤全氮含量来看，一年一熟制研究区土壤全氮含量最高，为1.49±0.03g/kg，其次为一年两熟制(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，一年一熟制显著高于一年三熟制和常年生，一年两熟制显著高于一年三熟制，一年一熟和一年两熟之间差异不显著，常年生和一年三熟之间的差异未达显著水平。

从不同种植制度土壤碱解氮含量来看，一年一熟制研究区土壤碱解氮含量最高,为143±58mg/kg，其次一年两熟制(133±53mg/kg)、常年生(95±36mg/kg)、一年三熟制(87±29mg/kg)。不同种植制度间的差异水平类似于全氮含量的规律，一年一熟显著高于常年生和一年三熟，一年两熟显著高于一年三熟，一年一熟和一年两熟之间差异未达显著水平，一年三熟和常年生之间差异不显著。

2.3.3 土壤质地质地不同的土壤，其粘粒含量和大小孔隙存在的数量和比例有很大的差别，决定了土壤入渗能力的不同，从而影响氮素运移。调查研究表明，该区域土壤质地类型主要有黏土类、黏壤土类、壤土类、砂土类等4种类型。

表6 土壤质地与土壤氮素含量

方差分析结果表明，土壤质地对土壤全氮含量的影响达到极显著水平(F=15.881,P<0.01),对土壤碱解氮含量的影响达到极显著水平(F=19.759,P<0.01)(表7)。

4种不同土壤质地条件下，黏土全氮含量最高，为(1.60±0.52)g/kg，其次为黏壤土(1.48±0.40)g/kg、壤土(1.39±0.48)g/kg、砂土(1.14±0.47)g/kg。其中，黏土显著高于砂土、壤土，黏壤土、壤土显著高于砂土，黏土、黏壤土之间差异不显著，壤土、黏壤土之间差异未达显著水平。

从研究区内不同质地土壤碱解氮含量来看，同样也是黏土碱解氮含量最高，为(154±60)mg/kg，其次为壤土(139±59)mg/kg、黏壤土(136±48)mg/kg、砂土(93±39)mg/kg。其中，黏土、黏壤土、壤土极显著高于砂土，黏土、黏壤土、壤土之间的差异未达显著水平。