江漢平原農(nóng)田土壤全氮的多尺度空間結(jié)構(gòu)與成因分析

于婧，羅洋洋，張桂花，吳飛

（湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武 漢430062）

0 引言

土壤特性的空間變異有尺度效應(yīng)已被證實(shí)，不同尺度同一變量的自相關(guān)程度、變異函數(shù)值的隨機(jī)成分會有很大差異，通常小尺度下的結(jié)構(gòu)特征易被較大尺度掩蓋，從多尺度深入比較分析土壤特性空間變異逐漸引起學(xué)者關(guān)注．目前關(guān)于土壤屬性空間變異的研究較多停留在單一尺度、單一層面的研究，而進(jìn)行多尺度、不同層面的綜合研究較少，不利于深入分析土壤特性的空間結(jié)構(gòu)特征．韓丹等［1］，徐國策等［2］，Liu ZhiPeng等［3］分別開展中觀流域尺度土壤有機(jī)質(zhì)和土壤氮素研究；趙彥鋒等［4］選擇較小尺度的城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)域土壤養(yǎng)分空間變異特征及其影響因素分析，Jo?o M［5］也在小尺度進(jìn)行了土壤變異相關(guān)研究；王亮等［6］研究了微尺度下丘陵柑桔園堿解氮空間變異特征，在相對復(fù)雜的丘陵環(huán)境背景和成土條件下地統(tǒng)計(jì)學(xué)仍然適用．這些在研究時(shí)選擇單一的尺度，如將不同尺度相結(jié)合開展研究能更深刻揭示不同尺度的土壤養(yǎng)分空間相似性［7］．我國目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理主要以農(nóng)戶為單位，具有地塊面積較小，土壤的異質(zhì)性高的特點(diǎn)，需要從農(nóng)場的角度開展多個(gè)采樣尺度深入分析土壤養(yǎng)分元素空間變異規(guī)律及因素，更有利于農(nóng)場的農(nóng)業(yè)區(qū)劃、農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣及合理施肥等養(yǎng)分的精準(zhǔn)管理．

本文中選取土壤全氮來展開研究，氮素是土壤養(yǎng)分元素中重要的組成部分，是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中最為常見也最為重要的內(nèi)容．夏曉亮等［8］研究了不同氮肥運(yùn)籌對土壤硝態(tài)氮時(shí)空分布及小麥氮肥利用效率的影響；林金石等［9］對中國水稻土氮儲量及其空間變異特征的研究表明水稻土地表水分狀況對水稻土氮空間變異的影響程度較氣候的影響大；袁嫚嫚等［10］，通過太湖地區(qū)水稻土冬季綠肥的固氮量的分析，推導(dǎo)綠肥還田后配施氮肥對水稻產(chǎn)量、稻田土壤供氮能力及土壤氮素淋失特征產(chǎn)生影響的相關(guān)因素．這些研究表明，土壤全氮在不同的空間位置存在明顯的差異性．我國地域跨度大、農(nóng)業(yè)規(guī)?；潭鹊?，氣候、母質(zhì)、地形、人為因素（勞動力素質(zhì)、農(nóng)業(yè)投入、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等）等要素差異很大，客觀上必然形成土壤性狀較大的空間分異．

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況 江漢平原地勢平坦，河湖密布，土地肥沃，屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候．光熱水資源豐富，雨熱同季，宜于農(nóng)作，是我國重要的商品糧、棉基地和淡水養(yǎng)殖基地．研究樣區(qū)為江漢平原后湖農(nóng)場，地處江漢平原中部腹地，潛江市境內(nèi)，土地面積72km2，東經(jīng)112°41＇，北緯30°20＇，屬于北亞熱帶季風(fēng)溫暖潮濕氣候，地勢平坦，北部稍高于南部，地面高程在26～31m之間．該地區(qū)江河環(huán)繞，河渠密布，區(qū)內(nèi)成土母質(zhì)為Q4河湖相沉積物與河流沖積物，有很高的自然肥力，但該地區(qū)地形平坦，地下水位較高，雨季雨量充沛甚至可上升到地表．土壤類型以水稻土（淹育型和潴育型亞類）、潮土（潮土和灰潮土亞類）為主，該區(qū)土地以水田、旱地為主，主要耕作方式為水旱輪作，種植作物有油菜、水稻、棉花、小麥等，是湖北省糧棉油中高產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)耕作歷史悠久，土地利用方式穩(wěn)定，在我國糧食高產(chǎn)區(qū)中具有較強(qiáng)的代表性，因此，以后湖農(nóng)場區(qū)作為研究區(qū)域?qū)τ谕寥鲤B(yǎng)分演變規(guī)律具有典型性．

1．2 樣品采集 本研究以后湖農(nóng)場為對象，以1 000m為間距，均勻取樣55個(gè)．樣點(diǎn)設(shè)置避開田坎、溝、路、渠及堆肥點(diǎn)，盡量設(shè)置在地塊中間．綜合考慮土壤類型（以亞類差異為主）、耕地利用類型、農(nóng)業(yè)管理措施等在空間上的差異性，以保障樣點(diǎn)的代表性與布局的均勻性為原則，在1 000m樣點(diǎn)格網(wǎng)中選取3個(gè)格網(wǎng)作為小尺度加密區(qū)，以200m為樣本間距加密采樣（如圖1），3個(gè)小區(qū)取樣總數(shù)為114個(gè)．兩個(gè)尺度上均取表層0～20cm土樣，每個(gè)土樣以一個(gè)取土點(diǎn)為中心，在10m半徑內(nèi)取5點(diǎn)混合而成．土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、剔除侵入體后過100目篩，采用半微量開氏法測定全氮（TN）含量．

圖1 后湖農(nóng)場樣點(diǎn)位置示意圖

試驗(yàn)變異函數(shù)

式中：x為采樣位置；Z（x）為采樣點(diǎn)x處的區(qū)域化變量實(shí)測值；N（h）間隔h的點(diǎn)對數(shù)目；h為信息點(diǎn)之間的間距（或距離）．

本文中半方差函數(shù)的計(jì)算和理論模型的擬合均采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS＋9．0（Gamma Design Software）進(jìn)行，通過對實(shí)驗(yàn)半方差的值用不同類型的模型擬合得到．理論變異函數(shù)是用加權(quán)多項(xiàng)式回歸法擬合，最優(yōu)性選用I值檢驗(yàn)法檢驗(yàn)［12］，計(jì)算公式如下：

式中，P為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，I值越小表明變異函數(shù)確定的越好．

2 江漢平原后湖農(nóng)場土壤全氮空間特征分析

2．1 多尺度土壤全氮的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)特征分析 根據(jù)研究樣品的采集方案，分別對大尺度（1 000m采樣間距）、小尺度（200m采樣間距）的樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)分析．小尺度的加密區(qū)有3個(gè)，從北向南分別為張家窯片區(qū)、天新片區(qū)和前湖片區(qū)．分別對大尺度和小尺度3個(gè)區(qū)域的樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行柯爾莫里洛夫－斯米洛夫（Kolmogorov－Smirnov）檢驗(yàn)，均符合或近似符合正態(tài)分布（表1）．小尺度的整體全氮含量高于大尺度，并且在區(qū)域內(nèi)部波動性較大尺度?。瑫r(shí)，變異系數(shù)在10%～100%，根據(jù)變異系數(shù)的劃分等級標(biāo)準(zhǔn)［13］，均屬于中等變異．

2．2 不同尺度上土壤全氮含量的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)特征分析只概括了研究區(qū)域內(nèi)土壤全氮變化的總體狀況，而沒有定量描述空間分布差異性的隨機(jī)性、結(jié)構(gòu)性、獨(dú)立性及局部相關(guān)性．為此，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對兩種尺度下土壤全氮的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討，更清楚地了解后湖農(nóng)場土壤全氮的空間變異特征．結(jié)合表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，滿足地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的穩(wěn)健性基本前提．

表1 各尺度土壤全氮的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析

表2 各尺度土壤全氮的半方差擬合函數(shù)特征參數(shù)

兩尺度下樣區(qū)的最優(yōu)擬合模型特征參數(shù)如表2，變程值在350～3 800m之間，各向異性表現(xiàn)明顯，但各樣區(qū)的主軸方向有所不同．

大尺度（1 000m間距）的空間結(jié)構(gòu)最優(yōu)擬合模型為球狀模型，各向異性比k（表示長軸與短軸之比）為1．48，主軸方向?yàn)?0．6°，在此方向上全氮的空間相關(guān)性大于其他方向．塊基比（C0／（C0＋C）為0．246（＜0．25），具有強(qiáng)烈空間自相關(guān)性，反映了在較大的空間尺度范圍內(nèi)（主軸方向3 756．5m，次軸方向2 531．6m）全氮含量空間相關(guān)性較大，此范圍內(nèi)通過空間插值獲取未知樣點(diǎn)屬性估值精度較高．

小尺度（200m間距）3個(gè)樣區(qū)各向異性比均在2＜k＜3范圍，表示均有顯著各向異性特征，前湖（k＝2．76）比值最大各向異性最顯著．3個(gè)樣區(qū)間比較，變程大小為天新樣區(qū)＞前湖＞張家窯，前湖和張家窯差別不大，從變化的角度看，前湖、張家窯主軸方向與大尺度接近，張家窯和前湖的變程可指示該尺度全氮的空間變化范圍和方向．張家窯和前湖的結(jié)構(gòu)方差相近，但塊金方差相差很大，表明其結(jié)構(gòu)性相近，隨機(jī)因素（或偶然因素）是形成兩個(gè)樣區(qū)全氮差異的主要方面；而天新結(jié)構(gòu)方差和塊金方差均與其他樣區(qū)有較大差別，表明天新的變異可能是受另外的背景因素影響．結(jié)合小尺度3個(gè)樣區(qū)的C0／（C0＋C）空間結(jié)構(gòu)系數(shù)比較，前湖該項(xiàng)數(shù)值偏大，張家窯和天新數(shù)值均大于0．25小于0．75，且表現(xiàn)空間較強(qiáng)的相關(guān)性，前湖則呈現(xiàn)空間弱相關(guān)（（C0／（C0＋C）＝0．819）．通常造成塊金效應(yīng)的來源主要是實(shí)驗(yàn)誤差和最小采樣間距，經(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn)前湖其采樣數(shù)目明顯少于其他樣區(qū)，較少采樣數(shù)導(dǎo)致隨機(jī)性和I值（I＝0．116）突然增大，擬合精度大大降低．因此研究時(shí)采樣點(diǎn)數(shù)目是保證模型預(yù)測具有代表性的關(guān)鍵．

10萬t/a大型沸騰氯化法生產(chǎn)鈦白粉原料粒度要求：-60～+100目≥90%。攀枝花典型鈦精礦粒度分布見表1。

不同尺度的空間結(jié)構(gòu)比較，可以看出小尺度的變程均未超過大尺度，并且隨著采樣間距的減小，各向異性比增大，各向異性特征增強(qiáng)，塊金值變小（除前湖外）但空間相關(guān)性減弱．通常情況下，隨著空間尺度的增大，越來越多的小結(jié)構(gòu)被忽略，空間相關(guān)性應(yīng)逐漸減弱，而在本研究中出現(xiàn)了異樣表征，筆者認(rèn)為，結(jié)構(gòu)性因素如氣候、母質(zhì)、地形等可以導(dǎo)致土壤養(yǎng)分有強(qiáng)的空間相關(guān)性，而隨機(jī)因素如施肥、耕作制度、種植制度等各種人為活動通常在小尺度范圍差異明顯，土壤養(yǎng)分的自相關(guān)性減弱，而在大尺度上局部隨機(jī)作用不易顯現(xiàn)，表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)．另外，從I值檢驗(yàn)來看，張家窯精度最高，其次是天新和后湖全場，前湖由于樣點(diǎn)數(shù)少而精度低，總體來說，大尺度的模擬精度低于小尺度（除前湖外），表明大尺度的空間結(jié)構(gòu)一定程度上反映了整個(gè)區(qū)域的空間變異特征，隨尺度增大變異函數(shù)擬合精度降低，變異函數(shù)的代表性降低．

2．3 不同尺度的土壤全氮含量空間插值分析 由所得的半方差函數(shù)模型，利用Kriging最優(yōu)內(nèi)插方法，繪制后湖農(nóng)場的大小尺度空間分布圖（圖2）．大尺度上的土壤全氮空間分布圖呈現(xiàn)由西南向東北逐漸降低的趨勢，并且在后湖農(nóng)場的中心和東南部存在明顯的兩個(gè)高值區(qū)，由中心向外遞減的分布格局．隨著尺度的減小，土壤全氮的等值線密度增加．從圖上比較3個(gè)小樣區(qū)的變化，張家窯樣區(qū)等值線密集程度大于天新樣區(qū)和前湖樣區(qū)．大、小尺度空間分布圖比較，張家窯樣區(qū)小尺度等值線比大尺度密集，呈現(xiàn)西北向外遞減，表明張家窯樣區(qū)南部土壤全氮值含量較低；天新樣區(qū)在大尺度上高值區(qū)在中部，而小尺度高值區(qū)略向西部移動，均是中間向外遞減的趨勢，結(jié)合圖看，均說明后湖樣區(qū)高值區(qū)的根源在天新樣區(qū)；而前湖樣區(qū)土壤全氮在大尺度上跨一個(gè)變化范圍，而小尺度上卻有更復(fù)雜變化．

圖2 后湖農(nóng)場土壤全氮空間插值分布圖

2．4 不同尺度的土壤全氮含量空間分布形成的影響因素分析 小尺度下張家窯、天新、前湖合并為一整體后小尺度全樣點(diǎn)土壤全氮，經(jīng)過K－S檢驗(yàn)，P＞0．05，小尺度樣點(diǎn)合并沒有改變其正態(tài)分布特征，可以合并為一個(gè)整體進(jìn)行分析和討論．影響土壤全氮的因素很多，在相同氣候條件下，同是由河流沖積物和河湖相沉積物形成的土壤在整個(gè)樣區(qū)內(nèi)差異不大，但局部水熱條件的作用又形成不同的土壤類型、土壤質(zhì)地等對全氮空間分布具有重要影響，以及多年人為耕種，化肥施用也造成全氮空間不均勻．本文中主要從土地利用、土壤類型因素在不同尺度上對后湖農(nóng)場土壤全氮空間分布造成的差異性影響．

2．4．1 土地利用對不同尺度土壤全氮含量影響 土地利用是自然條件和人為活動的綜合反映，在不同土地利用類型之間土壤全氮含量逐漸發(fā)生變化．經(jīng)方差檢驗(yàn)（ANOVA），表3結(jié)果表明，小尺度下土壤全氮含量受土地利用類型影響極顯著（P＜0．01），而大尺度下不構(gòu)成統(tǒng)計(jì)意義的顯著差異性（P＞0．05）．研究樣區(qū)的主要利用類型為水田、旱地和水澆地，由不同土地利用下土壤全氮含量平均值（表4）可知，小尺度的土壤全氮含量平均值水澆地＞水田＞旱地，旱地全氮含量各樣區(qū)均是較低水平．這主要是因?yàn)楹档氐耐寥蕾|(zhì)地為砂土，而通常氮素較大程度上受水分控制，旱地的氮素易隨水分流失而含量減少，不利于積累．但水田的土壤長期處于淹水狀態(tài)粘性大，尤其在每年的4—9月份水稻生長時(shí)期，長時(shí)間處于積水狀態(tài)，利于有機(jī)質(zhì)積累，促進(jìn)有機(jī)氮形成，從而保持較高的全氮含量．另外，水田、水澆地的立地條件（地形、坡度等）比旱地好，土壤全氮含量較旱地高，且水澆地全氮平均含量高于水田．天新樣點(diǎn)3種土地利用類型下全氮值較高于其他樣區(qū)，決定了小尺度的均值變化趨勢，呈現(xiàn)這種變化的主要原因是天新樣區(qū)水澆地分布在居民點(diǎn)附近，從管理的角度，離居民點(diǎn)越近，越便于農(nóng)戶的耕作施肥管理，能保證氮肥的供給，全氮含量會有所提高．因此從兩種尺度的方差分析和均值比較結(jié)果看，進(jìn)行采樣間距為1 000m或大于1 000m的研究時(shí)，土地利用尚不能構(gòu)成對土壤全氮統(tǒng)計(jì)意義的顯著差異，而進(jìn)行采樣間距減小為200m或200m以下的相關(guān)研究時(shí)，土地利用對土壤全氮的顯著影響則不能忽視．

表3 不同土地利用方式下兩種尺度全氮的方差分析

表4 不同土地利用下各尺度土壤全氮含量的平均值 g／kg

2．4．2 土壤類型對全氮含量影響分析 研究區(qū)主要的3種Q4紀(jì)河湖相沉積物與河流沖積物發(fā)育的土壤中，土壤類型主要有淹育型、潴育型、潛育型及潮土4類，而大尺度的土壤種類豐富，小尺度較單一．經(jīng)過方差檢驗(yàn)（ANOVA），表5結(jié)果可知，大尺度全氮含量在不同土壤類型存在顯著差異性（P＜0．05），小尺度則具有極顯著差異性（P＜0．01），表明當(dāng)進(jìn)行采樣間距在1 000m及以下的土壤全氮含量研究時(shí)，土壤類型的影響是不可忽視的因素，并且隨尺度減小顯著差異性增強(qiáng)．各土壤亞類的樣點(diǎn)均值情況見表6，在大尺度下土壤亞類全氮的均值水平表現(xiàn)為，潛育型＞淹育型、潴育型＞潮土，小尺度為淹育型＞潛育型＞潴育型＞潮土．潮土的含量不論大尺度還是小尺度，全氮含量均值水平均較低，從潮土的形成過程分析，這類土壤地下水位較淺，土壤有機(jī)含量不高，不能提供有機(jī)氮的形成物質(zhì)基礎(chǔ)．含量較低的這些樣點(diǎn)全部分布于張家窯樣區(qū)，據(jù)調(diào)查，該樣區(qū)無機(jī)氮施用量較少，造成土壤全氮的平均含量較低．

表5 不同土壤類型下兩種尺度全氮的方差分析

表6 不同土壤類型各尺度土壤全氮含量平均值 g／kg

3 結(jié)論與討論

1）不同尺度的土壤全氮有不同空間的變異性．對擬合空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，大尺度的空間相關(guān)性強(qiáng)，隨尺度減小空間相關(guān)性逐漸變?nèi)?，受隨機(jī)因素作用增強(qiáng)．在小尺度的不同樣區(qū)內(nèi)，也有不同空間變異結(jié)構(gòu)：張家窯和前湖變程在小尺度上更具有代表性，且結(jié)構(gòu)方差相近，這兩區(qū)的差異主要來自隨機(jī)因素；天新樣區(qū)變程、塊金方差、結(jié)構(gòu)方差等與其他兩區(qū)相差很大則可能受其他因素的影響；而前湖樣點(diǎn)數(shù)較少導(dǎo)致擬合精度偏低．

2）后湖農(nóng)場整體土壤全氮含量空間插值結(jié)果，反映了其中部和南部是高土壤全氮含量的聚集區(qū)，西北、東北含量較低，引起該現(xiàn)象的原因主要有兩個(gè)方面：一是受地形、氣候、大氣沉降、降雨和農(nóng)業(yè)措施影響，另外根據(jù)前期收集農(nóng)戶調(diào)查表的施肥和產(chǎn)量信息，后湖農(nóng)場的中部和南部農(nóng)田通過采取施用氮肥的措施提高了土壤養(yǎng)分，并促進(jìn)了如水稻、小麥、棉花等糧食作物產(chǎn)量的提高和農(nóng)業(yè)發(fā)展．本研究中，自然背景因素如母質(zhì)、氣候、地貌等因素在后湖農(nóng)場內(nèi)差異不大，但不同的水熱條件在與母質(zhì)、氣候等因子共同作用的過程中形成了不同的土壤類型，其結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、發(fā)育程度以及局部地形地勢的差異、日常耕種管理措施等對氮素的空間分布產(chǎn)生影響．因而本文中主要對土壤類型、耕地利用方式方面對不同尺度土壤全氮含量差異性進(jìn)行分析．結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在1 000m采樣尺度土地利用的影響不存在顯著差異性，在200m的小尺度上卻有顯著差異；土壤類型則是在兩個(gè)尺度均有顯著差異性，隨尺度減小差異的顯著性增強(qiáng)．因此，今后進(jìn)行土壤全氮的變化影響因素研究時(shí)，采樣間距小于200m土地利用和土壤類型均是需要考慮的因素；當(dāng)采樣間距大于1 000m，土地利用對土壤全氮含量影響不存在顯著差異，可以不予考慮，快速排除無關(guān)因素，以及便于在小尺度觀測大尺度不能觀測的細(xì)微的變化，有針對性地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)．

3）從多尺度角度研究土壤養(yǎng)分的空間變異性，能補(bǔ)充單一尺度研究的不足，是土壤養(yǎng)分的空間變異結(jié)構(gòu)特征進(jìn)一步挖掘的有效方法，根據(jù)土壤養(yǎng)分的空間變異性和空間自相關(guān)性進(jìn)行養(yǎng)分管理，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施變量施肥的重要環(huán)節(jié)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有利參考．不同尺度同一變量在空間上自相關(guān)程度相差很大，隨樣點(diǎn)的距離加大，變異函數(shù)的隨機(jī)成分也在不斷增加，更小尺度下的結(jié)構(gòu)特征將被掩蓋．本文中從大小尺度分別對土壤全氮進(jìn)行分析，大尺度研究結(jié)構(gòu)得到整個(gè)后湖農(nóng)場的土壤全氮空間分布規(guī)律，小尺度研究結(jié)果不僅便于分析在各小區(qū)的變化情況，更是對大尺度分析的彌補(bǔ)；并且增加土壤氮素及其他土壤養(yǎng)分指標(biāo)的投入，以改善土壤肥力條件及增加糧食產(chǎn)量，依然是今后該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向．

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