丹江流域土壤全氮空間變異特征及其影響因素——以陜南張地溝小流域為例

賀敬瀅，張桐艷，李光錄

(西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，712100，陜西楊凌)

土壤氮素是植物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素，也 是引發(fā)江河湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化的主要因子之一;因此，揭示土壤全氮的空間變異規(guī)律和分布特征對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境管理具有重要意義［1］。地統(tǒng)計學作為一種空間分析方法，已廣泛用于土壤屬性的分布、監(jiān)測和空間變異研究［2］。近年來，隨著地統(tǒng)計學的發(fā)展，國內(nèi)外對大尺度下土壤全氮的空間變異性研究［3－4］較多，而在小尺度(1 ～10 hm2)上對土壤氮素的空間變異性研究較少。有研究［5］表明，土壤小范圍內(nèi)的空間異質(zhì)性對生產(chǎn)力和穩(wěn)定性有更大的意義。我國對土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的研究主要集中在丘陵紅壤［6－7］以及北方農(nóng)田［2，8］，對土壤氮素影響的研究多以地形、耕作施肥、灌溉和植被覆蓋等單因素以及以城鎮(zhèn)為單位的研究為主［9－11］，對丹江流域小尺度上土壤全氮的空間變異及景觀尺度上綜合影響因素鮮有研究。

丹江流域發(fā)源于秦巴山地，是我國南水北調(diào)中線工程的重要水源地。據(jù)調(diào)查，庫區(qū)部分支流水質(zhì)指標超過國家地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅱ類標準，其中總氮明顯超標，這與丹江流域農(nóng)業(yè)面源污染有很大關系。據(jù)測算，化肥和農(nóng)藥對庫區(qū)總氮的超標率貢獻超過70%［12］;因此，研究丹江流域土壤全氮的空間變異特征及其影響因素，有助于農(nóng)業(yè)面源氮污染重點控制區(qū)的識別，對區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境管理有著十分重要的意義。筆者運用GIS 中的地統(tǒng)計模塊，通過探討丹江流域典型小流域土壤全氮的空間分布特征，揭示小流域尺度上土壤全氮的空間變異規(guī)律，分析流域內(nèi)土地利用和地形特征與土壤全氮的空間異質(zhì)性，了解多尺度上土壤全氮空間格局的影響因素，以期為丹江流域農(nóng)業(yè)結(jié)構調(diào)整、土壤全氮有效利用和水質(zhì)清潔提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)張地溝小流域位于陜西省商洛市民主村，小流域中心地理坐標為E 109°51'11″，N 33°54'15″，東西長約857 m，南北長約874 m。該地區(qū)屬半濕潤暖溫帶季風性氣候，多年平均氣溫12.8 ℃，多年平均降水量725.5 mm，降水集中在7—9 月。地帶性土壤為黃棕壤和黃褐土，耕性和通透性差，不耐旱澇。地勢由東北向西南逐漸降低。流域內(nèi)林木以刺槐(Robinia pseudoacacia L.)、側(cè)柏(Biota orientalis)和毛白楊(Populus tomentosa Carr.)等喬木為主;草本植物主要包括鬼針(Bidens bipinnata Linn.)、茅草(Imperata cylindrica(Linn.) Beauv.)等荒草;經(jīng)濟作物主要為核桃(Juglans regia L.)、柿子(Diospyros kaki)及板栗(Castanea mollissima);主要農(nóng)作物有玉米(Zea mays L.)、小麥(Triticum aestivum)和馬鈴薯(Solanum tuberosum L.)等。小流域位于丹江流域二級階地，土地利用類型相對完整，坡度組成、土壤侵蝕及水土流失狀況與整個商州“丹治”項目區(qū)情況較為接近，在丹江上游低山丘陵區(qū)具有很強的代表性。

2 研究方法

2.1 土樣采集與測定

根據(jù)研究流域的實際情況，充分考慮土樣的代表性，按照土地利用及地形特征進行樣點布設(圖1)，以研究區(qū)地形圖及其航片為輔助，按不同高程范圍內(nèi)荒草地3 ～6 個樣、林地4 ～7 個樣、農(nóng)地4 ～6 個樣和果園2 ～3 個樣的標準，采用隨機采樣方法，于2010 年10 月進行了土樣的采集。具體方法為:在取樣點所在位置隨機采集5 個點作為1 個混合樣，樣品充分混合后，用四分法取樣，共取得土壤表層(0 ～20 cm)混合土樣72 個，用手持式GPS 導航和定位，記錄采樣點地理坐標和高程，并詳細記錄采樣點周圍景觀信息。土壤全氮質(zhì)量分數(shù)的測定用半微量凱氏法。

圖1 張地溝小流域樣點分布圖Fig.1 Sample sites of Zhangdigou small watershed

2.2 數(shù)據(jù)處理

地統(tǒng)計學方法是基于區(qū)域化變量理論基礎的一種空間分析方法，有關其原理和方法很多文獻［13－16］都有詳細介紹。半方差函數(shù)是區(qū)域化變量空間自相關性的表征，而Kriging 插值法是一種根據(jù)半方差分析所提供的空間自相關程度的信息來進行插值的最優(yōu)無偏線性估值方法。

采用SPSS 12.0 統(tǒng)計軟件完成常規(guī)統(tǒng)計分析，半方差函數(shù)及土壤全氮空間插值在ArcGIS 9.3 軟件中完成，土地利用和地形對土壤全氮的影響以ArcGIS 9.3 中的空間分析模塊為平臺進行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤全氮質(zhì)量分數(shù)統(tǒng)計特征

為全面正確了解研究區(qū)土壤全氮的基本特征，消除由于采樣等因素產(chǎn)生的小部分離群值對土壤全氮空間分布的影響，采用基于迭代的空間離群點檢測算法剔除離群值［17］，共檢測到5 個可能由采樣或測試等隨機誤差引起的空間離群點，剔除離群值后，經(jīng)正態(tài)分布檢驗，樣品全氮質(zhì)量分數(shù)呈近似正態(tài)分布。

表1 示出剔除離群值后表層土壤全氮質(zhì)量分數(shù)的統(tǒng)計特征?？梢钥闯?，研究區(qū)土壤表層全氮質(zhì)量分數(shù)在0.350 ～1.528 g/kg 之間，平均為0.986 g/kg。根據(jù)1980 年全國第2 次土壤普查養(yǎng)分分級標準［18］，研究區(qū)土壤全氮的平均質(zhì)量分數(shù)屬于第4 級中等水平。變異系數(shù)的大小反映了土壤特性空間變異性的大小，研究區(qū)土壤表層全氮變異系數(shù)為24.14%，屬于中等程度變異［19－20］，說明其受研究區(qū)地形、土地利用類型的差異以及耕作管理方式不同等因素的影響，分布不均勻。

表1 表層土壤全氮質(zhì)量分數(shù)描述性統(tǒng)計Tab.1 Descriptive statistics of TN content in topsoil

3.2 土壤全氮空間變異特征

有關半方差函數(shù)模型類型的選取及模型參數(shù)的交叉驗證可參考文獻［14］，土壤表層全氮半方差函數(shù)模型及參數(shù)見表2。

表2 土壤表層全氮半方差函數(shù)模型及參數(shù)Tab.2 Semivariogram model and corresponding parameters of TN content in topsoil

各向同性的半方差模型下，土壤表層全氮的理論模型采用球型模型擬合。變程反映了變量空間自相關范圍的大小，它與觀測和取樣尺度上影響土壤全氮質(zhì)量分數(shù)的各種生態(tài)過程相聯(lián)系。研究區(qū)土壤全氮變程為79.464 m，說明全氮在此范圍內(nèi)具有空間自相關性。這一特征反映了長期以來的管理制度使得養(yǎng)分投入長期保持基本穩(wěn)定，在同樣的生物氣候條件下，土壤全氮的空間分布也就表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，這種規(guī)律性也正是變量空間自相關性和結(jié)構性的體現(xiàn)。土壤表層全氮各向異性的球型模型擬合結(jié)果顯示，土壤全氮在北偏東48.5°的方向上(長軸方位角)與垂直該方向上長軸和短軸的變程分別為103.858 和48.547 m，說明其在長軸和短軸方向的變程存在較大差異。

半方差函數(shù)參數(shù)塊金值C0是由實驗誤差和小于實驗取樣尺度上施肥、作物、管理水平等隨機因素引起的變異，基臺值C0+C 反映了區(qū)域化變量受結(jié)構性因子如土壤質(zhì)地、地形等影響的程度，表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異，變程反映了空間變異特性。C0/(C0+C)表示空間異質(zhì)性程度，如果該值比較高，說明由隨機因素(施肥、耕作、種植、灌溉)帶來的空間異質(zhì)性程度較大，相反，則由結(jié)構性因素(如氣候、母質(zhì)、生物、地形等)引起的空間異質(zhì)性程度較大，如果該比值接近1，則說明該變量在整個尺度上具有恒定的變異。由表2 可知，各向同性和各向異性條件下研究區(qū)土壤表層全氮塊金值分別為0.012 和0.003，塊金值較小，說明該流域全氮在極小范圍內(nèi)的空間變異很小，采樣點分布應相隔一定距離。塊金值與基臺值之比分別為24.49%和6.12%，均小于25%，研究區(qū)土壤全氮具有強烈的空間相關性［21］，說明土壤全氮的空間變異主要是由結(jié)構性因素(氣候、地形和土壤母質(zhì)等)引起的。

各向同性和各向異性模型交叉驗證結(jié)果顯示，各向異性下半方差模型得到的平均預測誤差ME 均小于各向同性下的半方差模型，且各向異性下半方差模型得到的標準化均方根誤差更接近1，說明各向異性下的半方差模型預測精度更高;因此，在進行Kriging 最優(yōu)內(nèi)插法時應選取各向異性下的半方差模型。

3.3 土壤全氮Kriging 插值結(jié)果

Kriging 插值及插值圖的生成在ArcGIS 9.3 中操作完成。在選取最優(yōu)半方差函數(shù)模型及其參數(shù)的基礎上，采用普通克里格(Ordinary Kriging)插值法進行最優(yōu)插值。插值結(jié)果以ASCⅡ數(shù)據(jù)的格式輸出存儲，然后生成GRID 格式圖形，再將圖形用研究區(qū)域邊界圖切割，最后生成相應的土壤全氮質(zhì)量分數(shù)分布圖(圖2)。

圖2 土壤表層全氮質(zhì)量分數(shù)空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of TN content in topsoil

從圖2 可以看出:研究區(qū)土壤全氮的空間分布呈現(xiàn)出斑塊狀和近似帶狀格局。高值斑塊區(qū)分布在由東北向西南方向延伸的地勢相對低洼的溝道附近以及坡腳部位，土壤全氮質(zhì)量分數(shù)基本都高于研究區(qū)土壤全氮的平均質(zhì)量分數(shù)，這些高值區(qū)的土壤全氮有沿溝道向水體流失的風險，是研究區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的重點控制區(qū)。低值區(qū)主要分布在研究區(qū)北部和南部的荒草地和幼林地，其中山頂土壤全氮質(zhì)量分數(shù)不足0.45 g/kg，并呈現(xiàn)從山脊線隨等高線的減小而逐漸降低的帶狀分布。土壤全氮的空間分布與地形及土地利用有著一定的一致性。根據(jù)張地溝小流域所屬村鎮(zhèn)近年來作物化肥投入情況的調(diào)查結(jié)果，該區(qū)主要施用農(nóng)家肥和復合肥，其中農(nóng)地施肥量為25 ～30 kg/hm2，果園施肥量為30 ～35 kg/hm2。由此可見，土壤化肥的施用也可能是導致土壤全氮質(zhì)量分數(shù)呈斑塊狀和帶狀格局分布的原因。

根據(jù)全國土壤全氮分級標準，張地溝小流域土壤全氮質(zhì)量分數(shù)共分4 個等級，第1 等級(1.0 ～1.5 g/kg)所占比例為27.85%，主要分布在流域溝道附近及坡腳位置，第2 等級(0.75 ～＜1.0 g/kg)幾乎覆蓋了流域面積的1/2(42.22%)，第3 等級(0.5 ～＜0.75 g/kg)主要分布在流域北部和南部上坡位，第4 等級(＜0.5 g/kg)所占面積較小，僅占流域總面積的8.99%，主要集中在北部山頂位置。

3.4 土壤全氮景觀因子分析

由于研究流域成土母質(zhì)相對均一，成土母質(zhì)對全氮的空間變異影響較小，因此，主要考慮土地利用和地形的影響。地形因子通過影響流域水土平衡而影響流域養(yǎng)分分布，而高程、坡度和坡向則是最能反映地形特征的影響因子。

3.4.1 土地利用的影響 土地利用是自然條件和人為活動的綜合反映，土地利用與土壤全氮質(zhì)量分數(shù)關系密切［22］。張地溝小流域土地利用主要有林地、荒草地、農(nóng)地和果園，對土地利用現(xiàn)狀圖和土壤全氮質(zhì)量分數(shù)插值圖進行疊加分析，結(jié)果見圖3?？梢钥闯?，全氮質(zhì)量分數(shù)農(nóng)地＞果園＞林地＞荒草地。農(nóng)地及果園全氮質(zhì)量分數(shù)高，一方面是由于施肥等人為因素而引起，另一方面是由于農(nóng)地和果園主要集中在低海拔溝谷地區(qū)和海拔較高的平坦地區(qū)，土壤侵蝕程度較輕，養(yǎng)分流失情況相對不嚴重，而林地和荒草地多分布在高海拔且坡度較大的地區(qū)，分布較為破碎，因此，全氮質(zhì)量分數(shù)明顯低于農(nóng)地和果園。方差分析(α=0.05)結(jié)果顯示，荒草地和其他土地利用之間全氮質(zhì)量分數(shù)有顯著差異(P ＜0.05)，而其他土地利用類型之間的土壤全氮質(zhì)量分數(shù)無顯著差異(P ＞0.05)。

圖3 不同土地利用類型土壤表層全氮質(zhì)量分數(shù)的差異Fig.3 Difference in mean TN in topsoil between different land uses

3.4.2 高程的影響 根據(jù)研究區(qū)實際地形，將海拔按≤845、845 ～875、875 ～905 和＞905 m 劃分為4個高程等級。研究區(qū)最低海拔815 m，最高海拔950 m，海拔變化幅度較小;但土壤表層全氮質(zhì)量分數(shù)隨高程的變化幅度較明顯，且呈現(xiàn)一定的分布規(guī)律。方差分析(α=0.05)結(jié)果表明，全氮質(zhì)量分數(shù)在不同高程存在極顯著差異(P ＜0.01)，其質(zhì)量分數(shù)隨高程的增加而逐漸減小(圖4)。土壤表層全氮質(zhì)量分數(shù)(y)與高程(x)的擬合結(jié)果顯示，土壤全氮和高程之間呈良好的二次函數(shù)關系y=－0.016 5x2－0.030 9x+1.181 4，R2=0.999 7，說明高程與土壤全氮質(zhì)量分數(shù)有著顯著的相關關系。高程低于845 m的坡腳位置土壤全氮平均質(zhì)量分數(shù)為1.133 g/kg，高程高于905 m 的上坡位土壤全氮平均質(zhì)量分數(shù)為0.795 g/kg。這是由于低高程區(qū)氣候較高、植物表聚作用強烈、氮素淋失程度較低而導致的質(zhì)量分數(shù)較高，隨著高程的升高，氣溫降低，地形變化也較大，因而氮素質(zhì)量分數(shù)較低。

3.4.3 坡度的影響 借鑒水土流失調(diào)查中采用的8°作為緩坡和斜坡界線的方法，將研究區(qū)分為平地(0°～3°)、緩地(3°～8°)、斜坡地(8°～15°)、緩陡坡地(15°～25°)和陡坡地(＞25°)共5 級［23］。利用坡度圖和土壤全氮質(zhì)量分數(shù)插值圖進行疊加分析，結(jié)果見圖5?？梢钥闯觯S著坡度的增加，土壤表層全氮質(zhì)量分數(shù)總體呈逐漸減小的趨勢。方差分析(α=0.05)結(jié)果表明，全氮質(zhì)量分數(shù)在不同坡度的土壤中不存在顯著差異(P ＞0.05)。土壤表層全氮質(zhì)量分數(shù)(y) 與坡度(x) 的回歸方程 y =－0.011x2+0.051 3x+0.907 5，R2=0.866 7，說明二者之間相關性顯著。分布在緩地的土壤表層全氮質(zhì)量分數(shù)最高，平均質(zhì)量分數(shù)為0.981 g/kg，這是由于在該坡度下養(yǎng)分流失少，且土地利用以農(nóng)地為主，農(nóng)民投入和管理水平較高，分布在緩陡坡地和陡坡地的土壤表層全氮質(zhì)量分數(shù)相差不大，而平地表層土壤全氮質(zhì)量分數(shù)低于緩地是由于研究區(qū)平地幾乎都分布于上坡位，面積較小。

圖4 高程與土壤表層全氮質(zhì)量分數(shù)的關系Fig.4 Relationship between elevation and TN content in topsoil

圖5 坡度與土壤表層全氮質(zhì)量分數(shù)的關系Fig.5 Relationship between slope and TN content in topsoil

3.4.4 坡向的影響 以正北方向為0°，以22.5°為步長，順時針方向計算，取值范圍為0 ～360°，將研究區(qū)劃分為無坡向( －1)、北坡、東北坡、東坡、東南坡、南坡、西南坡、西坡和西北坡。利用張地溝小流域坡向圖和土壤全氮質(zhì)量分數(shù)插值圖進行疊加分析，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示:南坡方向上土壤全氮質(zhì)量分數(shù)最高(1.020 g/kg)，無坡向、東北及西北坡方向土壤全氮質(zhì)量分數(shù)較低;陽坡方向上(南+西南)土壤全氮質(zhì)量分數(shù)最高，陰坡(北+東北)、半陽坡(西+東南)方向和無坡向次之，半陰坡方向(東+西北)土壤全氮質(zhì)量分數(shù)最低。方差分析(α=0.05)結(jié)果(表3)表明，陽坡與半陰坡及陰坡存在顯著性差異(P ＜0.05)，半陽坡與陰坡具有顯著性差異(P ＜0.05)，其他坡向間無顯著性差異(P ＞0.05)。

表3 坡向與土壤表層全氮質(zhì)量分數(shù)顯著性分析Tab.3 Significance test of aspect and TN content in topsoil

4 結(jié)論與討論

1)張地溝小流域土壤全氮平均質(zhì)量分數(shù)為0.986 g/kg，變異系數(shù)為24.14%，全氮質(zhì)量分數(shù)整體為中等水平，具有中等程度變異。

2)研究區(qū)土壤全氮質(zhì)量分數(shù)的最優(yōu)半方差函數(shù)模型為球型模型，各向異性下的半方差模型預測精度更高，長軸和短軸變程分別為103.858 和48.547 m，塊金值與基臺值之比為24.49%，土壤全氮具有強烈的空間相關性，主要由結(jié)構性因素如氣候、地形和土壤母質(zhì)等引起。

3)研究區(qū)土壤全氮空間格局呈斑塊狀和帶狀分布;高值區(qū)分布在地勢相對低洼的溝道附近和坡腳部位，是研究區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的重點控制區(qū);低值區(qū)呈現(xiàn)從山脊線隨等高線的減小而逐漸降低的帶狀分布趨勢。

4)受地形、土地利用等影響，不同土地利用類型土壤全氮質(zhì)量分數(shù)順序為農(nóng)地＞果園＞林地＞荒草地，土壤全氮質(zhì)量分數(shù)隨高程和坡度的增加而降低，陽坡方向上土壤全氮質(zhì)量分數(shù)最高，半陰坡方向土壤全氮質(zhì)量分數(shù)最低。

5)對土壤全氮分布影響最顯著的因素是高程，其次為坡向，土地利用和坡度對土壤全氮質(zhì)量分數(shù)影響不明顯。

土壤全氮質(zhì)量分數(shù)的分布格局及其主要影響因素隨研究尺度的不同而存在差異，受研究區(qū)面積的限制，土壤全氮質(zhì)量分數(shù)受土壤類型等因素的影響還需進一步在較大尺度下開展研究。

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