鄂西北耕層土壤全氮含量空間分異特征及其影響因素分析

木合塔爾·艾買提 周勇 吳正祥

摘要：旨在分析鄂西北耕地表層土壤全氮含量的空間變異特征及其影響因素。采用地統(tǒng)計學(xué)、逐步回歸方法和GIS技術(shù)。研究結(jié)果表明：（1）十堰市耕層土壤的全氮平均含量為1.12 g/kg，耕層土壤全氮含量較高，701個土壤樣點全氮含量變異系數(shù)為0.49，屬于中等變異程度。（2）土壤全氮的空間變異最佳模型為高斯模型，塊金效應(yīng)值為48.09%，全氮具有較強(qiáng)的空間變異性特征，且受隨機(jī)性因素和結(jié)構(gòu)性因素的共用影響。（3）十堰市耕層土壤全氮含量在空間分布上具有明顯的差異，全氮含量高的方向為南、西、西南和東南，全氮含量低的方向為東、東北和西北，全氮含量在南北方向的變異性最明顯，差別較大。（4）全氮與有機(jī)質(zhì)、海拔、有效土層厚度有正相關(guān)關(guān)系，與土壤pH有負(fù)相關(guān)關(guān)系。在黏土、棕壤、水田、河湖沖積物、第四紀(jì)老沖積物、一年一熟、種植水稻的土壤中全氮含量較多，在砂壤、紫色土、紫色巖類風(fēng)化物和種植水果、小麥、噴灌方式下的耕地的全氮含量較少。（5）10種因素對全氮的影響程度排序為土壤環(huán)境>成土母質(zhì)>熟制>生物多樣性>農(nóng)作物種類>耕層質(zhì)地>土類>地形>耕地利用方式>灌溉方式，其中前5個因素是影響全氮空間分異的主導(dǎo)因素。在今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，需要在河谷和山谷帶、一年二熟區(qū)、紅砂巖類風(fēng)化物和紫色巖類風(fēng)化物帶、有機(jī)質(zhì)含量較少區(qū)可適當(dāng)?shù)卦黾拥实氖┯昧?，需保護(hù)生物多樣性并重視人為因素對耕地質(zhì)量的影響，采用農(nóng)作物輪作等方式提高耕地質(zhì)量和耕地生產(chǎn)能力。

關(guān)鍵詞：鄂西北；耕地表層；土壤全氮；半變異函數(shù)；全氮空間分異；方差分析；逐步回歸

中圖分類號：S159.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A論文編號：cjas2020-0103

Total Nitrogen in Plough Layer Soil in Northwest Hubei： Spatial Variability and Influencing Factors

Muhtar·AMAT1， ZHOU Yong2， WU Zhengxiang2，3（1College of Life and Geography Sciences， Kashi University， Kashi 844006， Xinjiang， China； 2College of Urban&Environment Sciences， Central China Normal University， Wuhan 430079， Hubei， China； 3School of Environmental Science and Tourism， Nanyang Normal University， Nanyang 473061， Henan， China）

Abstract： The objective is to understand the spatial variation of total nitrogen and its main influencing factors in plough layer soil of northwest Hubei Province. The geostatistics， stepwise regression method and GIS technology were used in the study. The results show that： （1） the average nitrogen content of Shiyan City is 1.12 g/kg， and the total nitrogen content of plough layer soil is relatively high， with a variation coefficient of 0.49 among the 701 sampling sites， the degree of variation is moderate； （2） the best model for spatial variability of soil total nitrogen is Gaussian model， and the nugget effect value is 48.09%； total nitrogen has strong spatial variability and is affected by the sharing of random factors and structural factors； （3） the total nitrogen content of the plough layer soil in Shiyan City has obvious difference in spatial distribution， areas in the south， west， southwest and southeast have high total nitrogen content， but areas in the east， northeast and northwest have low total nitrogen content， the north-south direction variation is the most obvious and the difference is large； （4） total nitrogen has a positive correlation with organic matter， elevation， and effective soil thickness， and has a negative correlation with soil pH； there is more total nitrogen in plough layer soil such as clay， brown soil， paddy fields， alluvial deposits of rivers and lakes， quaternary alluvial deposits， double cropping and rice planting soils， there is less total nitrogen in sandy soil， purple soil， purple rock weathering materials， fruit planting soil， wheat soil， and soil under sprinkler irrigation； （5） the influence degree of ten factors on total nitrogen is ranked as soil environment > soil parent material > maturity > biodiversity > crop species > soil texture > soil type > terrain > land use mode > irrigation method， and the first five factors are the dominant factors affecting the spatial differentiation of total nitrogen. In future agricultural production， it is necessary to appropriately increase the application amount of nitrogen fertilizer in the river valley and mountain valley， the double cropping area， the red sandstone weathering and the purple rock weathering zone， and the areas with less organic matter content area. Biodiversity needs to be protected and the impact of human activities on soil quality should be highlighted， and crop rotation could be adopted to improve the quality and production capacity of cultivated land.

Keywords： Northwest Hubei；Plough Layer Soil； Soil Total Nitrogen； Semi-variogram； Total Nitrogen Spatial Differentiation； Variance Analysis； Stepwise Regression

0引言

土壤的主要作用是為植物提供所需的養(yǎng)分，植物吸收所需養(yǎng)分多少或植物生長情況由土壤養(yǎng)分元素的含量所決定。土壤養(yǎng)分元素中有氮、磷、鉀為三大元素，其中土壤氮素是決定土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一[1]。土壤養(yǎng)分含量對植物生長和糧食生產(chǎn)有較大作用，研究土壤養(yǎng)分元素的區(qū)域空間變異特征對制定科學(xué)的土壤改良和土地整治方案，為保障國家或區(qū)域糧食安全和推動測土配方施肥工作具有重要的現(xiàn)實意義[2]。自20世紀(jì)下葉以來，包含對全氮在內(nèi)的土壤養(yǎng)分元素空間變異的研究取得了一定的成果，研究主要集中在土壤中養(yǎng)分元素含量及土壤物理化學(xué)特征空間差異和影響因素等內(nèi)容[3-5]，研究涉及到的地形區(qū)不斷拓展，例如西南喀斯特、山地丘陵、黃土高原[6-10]，研究方法也在不斷地更新，如克里金、地統(tǒng)計學(xué)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11-15]等。耕地質(zhì)量或土壤元素含量空間變異研究方法不斷更新，研究結(jié)果更符合實際，與實際問題更為貼切，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和耕地質(zhì)量保護(hù)中發(fā)揮較好的作用。在土壤質(zhì)量和能量的空間分布特征研究中統(tǒng)計學(xué)和GIS技術(shù)相結(jié)合方法已成為主流并較成熟[16-19]。

湖北省是中國重要的糧食生產(chǎn)基地，而鄂西北是地形較復(fù)雜的丘陵山地區(qū)，土壤所處的地形及其利用方式復(fù)雜多樣。丘陵山地區(qū)的耕地的全氮含量容易受到地形、氣候、植被、成土母質(zhì)、土壤類型等自然要素和包含灌溉方式、交通、生產(chǎn)方式等在內(nèi)的人為因素的影響。在復(fù)雜的地形條件下研究鄂西北土壤耕地全氮空間分布規(guī)律及其形成機(jī)制，在耕地施肥、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境平衡等方面具有較重要的實踐意義。

本研究以湖北省西北區(qū)的十堰市為研究區(qū)，以701個樣品點的原始化驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用GIS、統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方法，對土壤全氮含量進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)特征分析、空間分布變異分析和影響因素分析，并總結(jié)其空間變異規(guī)律，以期為找出影響全氮分布的因素和提高十堰市耕地質(zhì)量提供決策依據(jù)。

1數(shù)據(jù)來源

結(jié)合研究區(qū)的地形地貌、土壤類型、土地利用方式等信息，遵循代表性、均衡性和可達(dá)性等原則選擇采樣點，其空間分布如圖1所示。對十堰市各縣區(qū)土壤樣品的采集在2017年農(nóng)作物秋收后土壤施肥前進(jìn)行。每個采樣點均在其5 m范圍內(nèi)取5點制成一個混合土樣，每個土樣重量為1～1.5 kg，表層土樣的采集深度為30 cm土層。在采樣的同時記錄每個采樣點的地理坐標(biāo)、土地利用類型等20余項信息，一共采樣701個。取好的土樣在登記編號后，再經(jīng)過風(fēng)干、研磨、過篩后取500 g樣品，用半微量凱氏定氮法來測定全氮的含量[20-21]。在土樣采集時利用手持式GPS記錄海拔數(shù)據(jù)；利用研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)在ArcGIS軟件平臺下計算獲得；有效土層厚度、農(nóng)作物種類、灌溉方式等因子數(shù)據(jù)也是現(xiàn)場進(jìn)行記錄；耕層質(zhì)地、成土母質(zhì)，土類，土地利用類型，熟制等數(shù)據(jù)在實地調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)實際土壤類型和氣象氣候數(shù)據(jù)、湖北省土壤分類和湖北省土種志的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行判別而獲得。

2數(shù)據(jù)處理和研究方法

利用統(tǒng)計學(xué)方法分析十堰市耕層土壤全氮含量的描述性特征；采用地統(tǒng)計方法分析其空間變異特征；利用簡單克里金法進(jìn)行空間插值，并分析空間分異情況；運(yùn)用方差分析法分析各分類變量的全氮含量，運(yùn)用逐步回歸判別影響因子對全氮含量變異的解釋能力以及判定主導(dǎo)影響因子。在逐步回歸時對成土母質(zhì)、生產(chǎn)方式等分類變量采用均值法進(jìn)行賦值。

在數(shù)據(jù)處理和分析中，采用SPSS 22.0軟件對全氮含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析，用K-S檢驗法在非參數(shù)單樣本檢驗（a=0.05）下進(jìn)行正態(tài)性檢驗，使用相關(guān)分析功能分析全氮與土壤有機(jī)質(zhì)等定量數(shù)據(jù)關(guān)系與分類變量的關(guān)系分析時使用方差分析和逐步回歸分析法。

在描述性統(tǒng)計分析中得出的平均值反映全氮含量的總體情況，方差和標(biāo)準(zhǔn)差反映全氮含量離散度情況，變異系數(shù)能反映隨機(jī)變量的相對波動程度[22-23]。

利用GS+9.0軟件平臺對十堰市耕層土壤全氮含量地統(tǒng)計學(xué)特征進(jìn)行分析。半方差函數(shù)是地統(tǒng)計學(xué)的一個分支，主要研究區(qū)域化變量的空間變異特征和影響因素的作用等情況。半方差函數(shù)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)、以變異函數(shù)為主要工具，研究空間要素的分布情況的模型，現(xiàn)已經(jīng)成為土壤學(xué)研究的一個重要工具。塊金系數(shù)[C0/（C0+C）]可以反映樣本間的空間相關(guān)性特征。如果塊金系數(shù)大于75%，表明空間異質(zhì)性主要受隨機(jī)性因素影響；如果塊金系數(shù)小于25%，表明空間異質(zhì)性主要受結(jié)構(gòu)性因素影響；若塊金系數(shù)介于25%～75%之間，表明區(qū)域化變量的空間異質(zhì)性是隨機(jī)因素和結(jié)構(gòu)性因素共同作用的結(jié)果[24-25]。運(yùn)用半方差函數(shù)時，一般考慮區(qū)域化變量的各向同性特征和各向異性特征。

利用ArcGIS軟件判別半變異理論模型和空間變異性[26-29]，進(jìn)行插值分析并制作全氮空間分異圖，分析耕層土壤全氮含量空間分布情況。

在研究一個或多個分類型自變量與一個數(shù)值型應(yīng)變量之間的關(guān)系時，方差分析是主要的方法之一[30-32]。他主要研究分類型自變量對數(shù)值型應(yīng)變量的影響，他們之間的關(guān)系和關(guān)系強(qiáng)弱等情況，通過方差分析能夠說明不同類型土壤之間養(yǎng)分的差異情況。方差分析基本條件：各樣本是相互獨立的隨機(jī)樣本，均服從正態(tài)分布和各樣本總體方差相等，即滿足方差齊性，為此采用F檢驗法。

采用逐步回歸分析方法，分析影響因子對全氮的相對重要性，為此根據(jù)研究目的和研究區(qū)實際情況，考慮數(shù)據(jù)的獲得性和完整性等原則，選取土壤環(huán)境、耕地利用類型等十大類影響因子組成的影響因子體系。自然因素是土壤生成和發(fā)展的決定性因素[33-34]，為此在影響因素中設(shè)有土壤環(huán)境和熟制等八大類自然因子。隨著人類技術(shù)水平的提高，人對土壤環(huán)境的影響程度越來越高，除了為達(dá)到高產(chǎn)大量使用化肥更改土壤成分之外，不同的農(nóng)作物和不同的灌溉方式也會影響土壤質(zhì)量。湖北省十堰市耕層土壤全氮空間變異影響因子體系和數(shù)據(jù)類型如表1所示。

3結(jié)果與分析

3.1土壤全氮含量的統(tǒng)計特征

從計算結(jié)果可得知，十堰市耕層土壤全氮含量在0.126～3.740 g/kg之間，其平均值為1.12 g/kg，表明整個十堰市耕層土壤的全氮含量比較豐富，標(biāo)準(zhǔn)差和方差分別為0.55和0.31，表明每一個樣點全氮含量與平均含量之間的離散程度較小。全氮含量的變異系數(shù)為0.49，變異程度屬于中等變異。K-S正態(tài)分布檢驗結(jié)果可表明，十堰市耕地表層土壤全氮含量數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，但對原數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)變換后服從正態(tài)分布。對全氮地統(tǒng)計學(xué)分析和進(jìn)行空間插值時，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)變換，從而保證地統(tǒng)計學(xué)分析的正態(tài)性。

3.2全氮半方差函數(shù)分析

3.2.1各向同性分析各向同性分析在研究區(qū)劃變量空間分異情況時不區(qū)分方向，主要考慮空間距離來判別區(qū)域化變量的空間變異情況和影響因素。利用GS+ 9.0軟件，對十堰市耕層土壤全氮進(jìn)行半方差函數(shù)分析得到各向同性半方差模型（圖2a）。土壤全氮最優(yōu)半變異理論模型為高斯模型，模型決定系數(shù)（R2）為0.982，擬合誤差值（RSS）為8.43′10-4，模型擬合程度較高，能夠有效地反映研究區(qū)耕層土壤全氮含量空間變異特征。隨機(jī)因素對全氮空間變異的影響程度為16.4%，全氮在研究區(qū)域內(nèi)的變異程度為34.1%，隨機(jī)變量比重為48.09%，表明研究區(qū)內(nèi)全氮的空間變異由隨機(jī)因素和結(jié)構(gòu)性因素的共同作用下而形成，人為因素對全氮含量的空間變異性的作用小于自然因素；十堰市耕層土壤全氮的變程57 km，該值小于間隔距離（105.75 km），表明全氮含量存在較強(qiáng)空間自相關(guān)性。

3.2.2各向異性分析利用半方差函數(shù)判別全氮在各方向上的變異性情況。主方向0°表示正北-南（N-S）方向，45°表示東北-西南（NE-SW）方向，90°表示東-西（EW）方向，135°表示東南-西北（SE-NW）方向，15°—35°是在東北-西南（NE-WS）方向。研究區(qū)地形地貌較為復(fù)雜，地形對全氮的空間分布有一定影響，為了解不同方向上的空間變異情況，繪制在0°、45°、90°、135°方向的半方差函數(shù)圖（圖2b），土壤全氮含量在各方向上均有變異性，間隔距離越大，變異性越大，這符合區(qū)域化變量的空間相關(guān)性特性。從圖2b可知，間隔距離31.80 km之內(nèi)，N-S方向的變異程度較大，變程距離在38.73～59.98 km之間NE-WS方向上的變異較大，間隔距離66.95 km后，N-S方向的變異又超過其他方向的變異。E-W和SE-WN方向的變異總低于N-S方向的變異，其中SE-WN方向的變異在間隔超過74.02 km起開始下降趨勢。各向異性分析的半方差函數(shù)和相應(yīng)參數(shù)見表2。

由表2可知，在各方向上，南北方向的變異最優(yōu)半方差理論模型為線性模型，東北-西南和東-西方向的最優(yōu)半方差理論模型為指數(shù)模型，東南-西北方向的最優(yōu)半方差理論模型為球狀模型。塊金系數(shù)在25.91%～ 28.57%之間，各方向上的變異均受隨機(jī)因素和結(jié)構(gòu)性因素共同影響。影響土壤全氮空間分布情況的隨機(jī)性因素有耕作制度、施肥、種植作物、管理水平、環(huán)境污染、灌溉能力等。結(jié)構(gòu)性因素對十堰市耕層土壤全氮含量空間變異影響較大，約在72%～75%，影響全氮的結(jié)構(gòu)性（自然因素）因素包括母質(zhì)、地形、生物多樣性、土壤類型、地質(zhì)地貌、土壤質(zhì)地、氣候、生物等。土壤全氮含量半方差模型是球狀模型和指數(shù)模型，半方差模型的決定系數(shù)均0.90以上，RSS值較小，表明模型可信度較高，均可以采用這些模型模擬預(yù)測全氮的空間變異情況。在表2中，正東-西方向和東南-西北方向上的主軸和亞軸比值較低，均等于1，表明該方向上全氮的變異性較小，正北-南方向上的主軸和亞軸比值為1.49，表明該方向上耕層土壤全氮的變異性較大，在不同位置上全氮含量區(qū)別較大。分析各向異性而得到的這個結(jié)果在研究區(qū)域化變量空間變異性有一定的參考價值。

3.3全氮空間分布格局

運(yùn)用ArcGIS軟件的地統(tǒng)計功能，通過簡單克里金法對十堰市全氮進(jìn)行空間插值，差值之前進(jìn)行空間趨勢分析（圖3a），掌握空間變異情況。在空間插值時對全氮原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)變換，選擇高斯函數(shù)進(jìn)行插值，并按照國家土壤養(yǎng)分級別標(biāo)準(zhǔn)[35-36]繪制含量插值圖（圖3b）。

由圖3可知，十堰市耕層土壤全氮的分布總趨勢是南高，北低，西高，東低，西南高，東北低，東南高西北低，各方上南北方向的變異性最明顯，差別較大。

經(jīng)過簡單克里金插值后，根據(jù)土壤養(yǎng)分級別標(biāo)準(zhǔn)，十堰市的土壤全氮可分為6個級別：全氮含量大于2 g/kg為極豐富；1.5～2 g/kg之間為豐富；1～1.5 g/kg之間為最適宜；0.75～1 g/kg之間為適宜；0.50～0.75 g/kg之間為缺乏；小于0.5 g/kg為極缺乏。由圖3b可看到，十堰市耕層土壤全氮含量不存在小于0.5 g/kg的情況，缺乏等級主要分布在西北部，全氮含量豐富和極豐富級別主要分布在南部和中部，面積大約占全區(qū)域的2/3。

3.4影響因素分析

由表1可知，影響全氮的因素有土壤環(huán)境和熟制等10大類，其中土壤環(huán)境和地形因素是定量變量，其余因素均為分類（名義）變量。采用相關(guān)分析法研究定量因素和全氮含量之間的關(guān)系，用單因子方差分析法研究名義變量與全氮之間的關(guān)系。

3.4.1土壤環(huán)境的影響環(huán)境因素和地形因素的數(shù)據(jù)均為定量數(shù)據(jù)，可直接用相關(guān)分析法得到與全氮的之間的關(guān)系，在SPSS軟件平臺下算出的全氮與環(huán)境、地形因子各指標(biāo)之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，如表3所示。

由表3可知，土壤全氮與有機(jī)質(zhì)、有效土層厚度、土壤容重之間存在正相關(guān)性，其中與有機(jī)質(zhì)和有效土層厚度相關(guān)性較顯著，但與土壤容重之間相關(guān)性不顯著。全氮與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系較密切，與有效土層厚度和土壤容重之間的關(guān)系不太密切。全氮與土壤pH之間呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3和圖4進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，十堰市耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布與全氮空間分布基本相同，即南部高，中部北部相對較低，表明通過提高耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量可以提高全氮含量。有效土層厚度較深的南部河谷平原帶和山谷地帶土壤全氮含量較高，表明流水和風(fēng)流的堆積作用對耕地土壤全氮含量有一定的積極作用。

3.4.2地形的影響利用十堰市DEM（30 m′30 m）數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS空間分析和柵格計算功能，分別計算得到701個樣點的坡度、坡向等地形特征值。由表3可知，全氮與海拔、坡度、地形起伏度、地面粗糙度呈正相關(guān)關(guān)系，與坡向之間有負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中與海拔之間的相關(guān)性相對較強(qiáng)，在0.01水平下顯著，其余要素之間的相關(guān)性較弱，均未通過顯著性檢驗。

十堰市海拔較低、地形平坦的河谷帶耕層土壤全氮含量較高，其原因很可能是高山區(qū)土壤全氮受到水土流失的影響發(fā)生土壤氮素流失，堆積在地形較平淡和海拔較低的河谷帶，為此呈現(xiàn)出全氮和海拔呈弱正相關(guān)特征。

3.4.3生物多樣性的影響土壤環(huán)境因素中生物多樣性是定性要素（名義變量），采用單因素方差分析法計算土壤全氮與生物多樣性之間的關(guān)系。計算結(jié)果顯示，生物多樣性為豐富的107個樣點的全氮含量大約在0.150～2.946 g/kg之間，均值為1.65 g/kg左右；生物多樣性為一般的樣點個數(shù)為465個，其全氮含量在0.126～3.740 g/kg之間，均值為1.104 g/kg左右；生物多樣性不豐富的129個樣點全氮含量均值大約為0.73 g/kg左右。3種生物多樣性類型的土壤全氮含量均值排序為豐富>一般>不豐富，生物多樣性豐富時全氮含量最小值均大于其余兩類，變異程度最小。生物多樣性一般的樣點均值、最小值和最大值均大于不豐富類型的相應(yīng)值，由此可得出，土壤生物多樣性與全氮含量成正比關(guān)系。

3.4.4耕層質(zhì)地的影響耕層質(zhì)地是土壤生成和發(fā)展的一個結(jié)果，是影響土壤全氮含量的主要結(jié)構(gòu)性因素之一，對土壤全氮含量和空間分布的影響較明顯。十堰市耕地土壤樣點中有黏土和重壤等5種耕層之地類型，耕層質(zhì)地與全氮之間的單因子方差分析結(jié)果如表4所示。

由表4均值可判斷，輕壤、中壤、重壤的全氮含量在1.1 g/kg左右，各類最小值和最大值之差也不大，砂壤中全氮含量最小為0.9 g/kg左右，黏土中全氮含量最多，大約在1.3 g/kg左右，最小值和最大值差別不大。通過檢驗值可判斷，土壤質(zhì)地類型對全氮空間分布有明顯的影響。這些耕層質(zhì)地類型中砂壤中的全氮含量變異較大為52.8%，表明砂壤對土壤全氮的作用較明顯，與其他土壤質(zhì)地類型比較有顯著的差異。

3.4.5土類和成土母質(zhì)的影響由表5可知，棕壤、潮土、水稻土、黃棕壤中全氮含量較高，其中黃棕壤中全氮含量大約為1.6 g/kg左右，潮土中的全氮含量比紫色土大約多1倍。棕壤的全氮含量最大，潮土、水稻土的全氮含量在1.2～1.3 g/kg左右，石灰（巖）土，黃褐土和紫色土的全氮含量較少。7種土壤類型中全氮的含量有明顯的差別，平均全氮含量高低依次排列：潮土>水稻土>棕壤>石灰?guī)r土>黃棕壤>黃褐土>紫色土。土壤類型對全氮的影響有明顯的差異性，其中潮土與紫色土，黃棕壤與水稻土、紫色土、棕壤，水稻土與紫色土和黃褐土，石灰?guī)r土與紫色土，紫色土與棕壤，黃褐土與棕壤之間差別較顯著。

十堰市的耕地土壤樣點所屬于的成土母質(zhì)主要有第四紀(jì)老沖積物和紫色巖類風(fēng)化物等8種類型。潮土的成土母質(zhì)為河湖沖沉積物，主要是河流和湖泊水堆積作用而形成的，全氮含量最高1.345 g/kg左右，黃褐土的成土母質(zhì)為第四紀(jì)老沖積物其全氮含量為1.003 g/kg，黃棕壤的成土母質(zhì)為石英巖類風(fēng)化物、泥質(zhì)巖類風(fēng)化物和結(jié)晶巖類風(fēng)化物，其含量為1.094～1.370 g/kg之間，石灰?guī)r土的成土母質(zhì)為碳酸鹽類風(fēng)化物全氮含量為1.196 g/kg，水稻土的成土母質(zhì)為較復(fù)雜，主要有河湖沖（沉）積物、結(jié)晶巖類風(fēng)化物、泥質(zhì)巖類風(fēng)化物和第四紀(jì)老沖積物，這些母質(zhì)物的全氮含量均大于1 g/kg，紫色土的成土母質(zhì)為紅砂巖類風(fēng)化物和紫色巖類風(fēng)化物，全氮含量最?。?.855 g/kg），棕壤的成土母質(zhì)為泥質(zhì)巖類風(fēng)化物其全氮含量為1.094 g/kg。

各類成土母質(zhì)對全氮含量的影響有明顯的差異性，其中河湖沖積物、結(jié)晶巖類風(fēng)化物、碳酸鹽類風(fēng)化物的影響較大，均含量與紫色巖類風(fēng)化物比較多0.508 g/kg、0.468 g/kg、0.371 g/kg，第四紀(jì)老沖積物、紅砂巖類風(fēng)化物、泥質(zhì)巖類風(fēng)化物與全氮的關(guān)系與前幾個類型對比較弱。各成土母質(zhì)平均全氮含量高低依次排列為河湖沖沉積物>石英巖類風(fēng)化物>碳酸鹽類風(fēng)化物>結(jié)晶巖類風(fēng)化物>泥質(zhì)巖類風(fēng)化物>紅砂巖類風(fēng)化物>第四紀(jì)老沖積物>紫色巖類風(fēng)化物。

3.4.6耕地利用方式的影響十堰市耕地利用方式有水田、水澆地、旱地3種，全氮與利用方式的單因素方差分析結(jié)果顯示，全部樣點中水田的樣點數(shù)較多為263個，全氮含量在0.147～3.740 g/kg之間，均值為1.32 g/kg左右，全氮含量最高，均大于其余2種利用方式。水澆地樣點較少為14個，全氮含量在0.690～2.50 g/kg之間，均值為1.139左右，旱地的全氮含量在0.126～ 3.310 g/kg之間，均值為1.046 g/kg。3種土壤類型全氮含量區(qū)別不大，其中水田的全氮含量較多，旱地全氮含量較少。水田和水澆地主要分布在中部和東北部地勢較平淡和山谷地帶，交通方便、生產(chǎn)條件便利，農(nóng)民對農(nóng)田的投入量較高等原因耕地土壤全氮含量較高。3種農(nóng)田利用方式中水田與旱地之間的差異性顯著，水澆地是一個過渡帶，水澆地與水田和旱地之間的差異性不顯著。

3.4.7熟制的影響熟制是分類屬性要素，是名義變量，土壤全氮與熟制單因素方差分析計算結(jié)果顯示，兩種熟制對土壤全氮含量有明顯差異性（P<0.05）。研究結(jié)果表明，在一年一熟制度下的土壤全氮含量均值、最小值、最大值均大于一年二熟制度下的區(qū)耕地土壤全氮含量，表明一年一熟制度下的土壤中全氮含量較多。一年一熟制度促進(jìn)土壤全氮含量的集聚，在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中實施休耕生產(chǎn)方式有利于氮元素集累。

3.4.8生產(chǎn)方式的影響701個樣點包括的種植農(nóng)作物種類有茶樹、果樹、水稻、玉米等，灌溉方式主要有溝灌、漫灌和噴灌類型。農(nóng)作物與全氮之間的方差分析計算結(jié)果如表6所示。

由表6可知，種植水稻、茶葉、蔬菜、煙草、玉米的耕地土壤全氮含量比較高，平均值均大于1 g/kg，其中水稻地的全氮含量最高為1.382 g/kg，表明這些農(nóng)作物對土壤全氮含量的影響較大。果樹、花生、小麥農(nóng)作物耕地的全氮含量平均值均低于1 g/kg，這些農(nóng)作物主要分布與干旱地區(qū)，受地形，交通和澆水等條件的影響，農(nóng)民對農(nóng)田的投入量較小，耕層土壤全氮含量較低。農(nóng)作物的種類主要與地形和氣候等自然要素有關(guān)，人為因素的作用未超過自然因素的作用，不同農(nóng)作物對土壤全氮含量影響有顯著的差異。

灌溉方式中溝灌和漫灌方式的土壤全氮含量平均值較均為1 g/kg左右，最大值分別為2.964 g/kg和3.740 g/kg，噴灌地的全氮含量較小，最大值1.50 g/kg，相當(dāng)于漫灌地的一半。3種灌溉方式的最小和最大值之間雖然存在較大的區(qū)別，溝灌對全氮的影響高于漫灌和噴灌，但方差分析檢驗值為2.77，顯著性P>0.05，結(jié)果可信度不顯著。研究結(jié)果表明，灌溉方式對土壤全氮含量的影響不太明顯。

3.4.9影響程度差異性比較為了進(jìn)一步說明各因子對全氮影響程度大小，使用逐步回歸分析方法，確定各因子對土壤全氮的影響程度[35-36]。由表7可知，各影響因子對土壤全氮含量變異的獨立解釋能力不相同，大約在2%～61.5%，其中土壤環(huán)境對全氮的空間分異的影響最大，能解釋空間變異的61.5%，灌溉方式對全氮的影響程度最小，大約為2%。這些因素對全氮變異的單獨解釋能力排序為土壤環(huán)境>成土母質(zhì)>熟制>生物多樣性>農(nóng)作物種類>耕層質(zhì)地>土類>地形因素>耕地利用方式>灌溉方式。

由表7可知，全氮為因變量，影響因子為自變量的線性逐步回歸方程在0.0001水平顯著，表明10種因子對耕層土壤全氮的空間分異影響程度均不相同，其中土壤環(huán)境，成土母質(zhì)、熟制、生物多樣性、農(nóng)作物種類對全氮的影響較大。對全氮分異影響因子中土壤環(huán)境的影響最大，能夠解釋全氮變異的61.5%，對回歸方程的作用也最大，其次為成土母質(zhì)21.1%，熟制和生物多樣性的解釋能力分別為10.9%和10.2%，農(nóng)作物種類的解釋能力為7.5%。由此可得出，土壤環(huán)境因素對耕層土壤全氮含量的影響最大，農(nóng)作物對全氮含量也有一定的顯著作用。耕層質(zhì)地和灌溉方式等因素對全氮含量影響不太顯著。

設(shè)置全氮含量為因變量，10種因子為自變量，十堰市耕層土壤全氮含量與各影響因素之間的逐步回歸分析計算結(jié)果如表8所示。表12中，R2是模型決定系數(shù)，表示回歸模型的可信度，該值越高模型可信度越大，△R2是增加該變量時回歸方程判定系數(shù)的增量，該系數(shù)取值越大，說明該自變量越重要。

由表8可知，模型5的可信度最高，在0.001水平下顯著，該模型包擴(kuò)土壤環(huán)境的5個自變量，表明10中影響因子中土壤環(huán)境、成土母質(zhì)、熟制、生物多樣性，農(nóng)作物種類為全氮含量空間變異的主導(dǎo)型因子，其中土壤環(huán)境因子的作用最大，空間變異的貢獻(xiàn)度53.3%，農(nóng)作物種類的貢獻(xiàn)度大約為0.1%，表明各因子對全氮的影響有較大的差別。主導(dǎo)因素中土壤環(huán)境因子等為自然因素，農(nóng)作物種類是人為因素，自然因素的貢獻(xiàn)度均大于人為因素，為此得出，自然因素對全氮的影響程度較高，人為因素的影響程度較小。

4討論與結(jié)論

十堰市耕層土壤全氮含量呈中等變異特征，整體上，十堰市土壤全氮含量較高，其空間分布受結(jié)構(gòu)性因素和人為因素的共同影響，其中自然因素的作用大于人為因素，全氮空間分布類型為聚集型分布，在空間分異上存在較強(qiáng)的空間相關(guān)性，這個研究結(jié)果與于倩茹[37]和吳正祥[38]研究結(jié)果一致。在湖北西北部土壤采集點布設(shè)和野外采樣時空間距離不能超過57 km。耕層土壤全氮分布總趨勢是南高，北低，西高，東低，西南高，東北低，東南高西北低，各方向上變異性最明顯，差別較大。在北部、尤其是西北地區(qū)農(nóng)田施肥時應(yīng)適當(dāng)增加氮肥的施用量。全氮與有機(jī)質(zhì)、有效土層厚度、海拔之間均有顯著的正相關(guān)性，與土壤pH有顯著的負(fù)相關(guān)性。在黏土、棕壤、水田、河湖沖積物、第四紀(jì)老沖積物、一年一熟，生物多樣性為豐富、種植水稻的土壤中全氮含量較多，在砂壤、紫色土、紫色巖類風(fēng)化物，生物多樣性為不豐富和種植水果、小麥，噴灌方式下的耕地的全氮含量較少。10種影響因子中土壤環(huán)境等自然因素的作用較大，灌溉方式等人為因素的影響程度較小。這些因子對全氮的影響程度排序為土壤環(huán)境>成土母質(zhì)>熟制>生物多樣性>農(nóng)作物種類>耕層質(zhì)地>土類>地形因素>耕地利用方式>灌溉方式。

對湖北省西北部而言，在實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)影響?zhàn)B分空間變異的主導(dǎo)因素的差異性，因地制宜地進(jìn)行施肥。耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，但區(qū)域性特征較明顯，北部，東北和西北等全氮含量較小地區(qū)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可采取秸稈還田、農(nóng)作物輪種、提高農(nóng)田林網(wǎng)化程度等方式適當(dāng)增加土壤氮素。土壤生物多樣性和有機(jī)質(zhì)與全氮含量關(guān)系較密切，直接反映全氮含量變異的70%左右，根據(jù)土壤全氮含量情況進(jìn)行施肥提高土地利用效率。

鄂西北地區(qū)河谷和山谷帶、一年二熟區(qū)、紅砂巖類風(fēng)化物和紫色巖類風(fēng)化物帶、有機(jī)質(zhì)含量較少區(qū)土壤氮含量較低，在今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中可適當(dāng)?shù)卦黾拥实氖┯昧?。自然因素對耕地土壤氮含量及空間分布的主要影響因素，保護(hù)生物多樣性的同時重視人為因素對耕地質(zhì)量的影響，可采用農(nóng)作物輪作等方式提高耕地質(zhì)量和耕地生產(chǎn)能力。研究中對土壤氮含量影響因素中自然要素較多，人為因素較少，這對研究結(jié)果可能產(chǎn)生一定的影響。隨著技術(shù)水平的提高，人為因素對土壤質(zhì)量的影響不斷提高，今后研究應(yīng)重視交通、農(nóng)民素質(zhì)、政策等人為因素對耕地土壤質(zhì)量及氮含量及其空間分布的影響。

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