河套灌區(qū)不同尺度土壤氮含量的空間異質(zhì)性分析

陳振華, 柳丹, 丁楓華, 朱陽春*, 曲浩

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 浙江 杭州 311300; 2.景寧縣土肥植保中心, 浙江 麗水 323500;3.麗水學(xué)院 生態(tài)學(xué)院, 浙江 麗水 323000; 4.中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院, 甘肅 蘭州 730000)

氮 (N) 是土壤質(zhì)量中重要的指標(biāo), 是農(nóng)作物生長必不可少的營養(yǎng)元素[1]。其在空間上的異質(zhì)性是尺度函數(shù), 不同尺度下, 即使同一類型土壤,其空間自相關(guān)程度均存在較大的差異性, 因此, 很多研究側(cè)重分析多尺度下土壤N 的空間異質(zhì)性[2]。于婧等[3]以不同采樣距離研究3 個(gè)尺度下江漢平原耕地土壤N 空間尺度套合與變異規(guī)律, 結(jié)果表明,TN 尺度差異顯著, S 尺度 (采樣距離50 m)、M尺度 (采樣距離100 m) 的空間結(jié)構(gòu)性都能在M尺度上表現(xiàn)出來, M、L (采樣距離400 m) 尺度主要參數(shù)變化較大, 簡化采樣方案將對(duì)估值精確度有較大的影響, 進(jìn)一步表明, 多尺度嵌套方案可以有效提高土壤TN 空間插值的精度。農(nóng)業(yè)土地利用是土壤形成演化的重要影響因素, 是土壤養(yǎng)分(C、N) 儲(chǔ)量差異的主要影響因素之一, 其一方面導(dǎo)致進(jìn)入土壤中的肥料和植物殘?bào)w的數(shù)量和性質(zhì)差異; 另一方面土壤耕作方式、施肥量、施肥方式等農(nóng)藝措施的差異影響土壤中C、N 的礦化、運(yùn)輸、植物吸收與利用, 改變了土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力, 從而導(dǎo)致土壤肥力的不同[4-5]。合理的農(nóng)業(yè)土地利用方式有利于土壤N 的固定, 不合理的土地利用方式則會(huì)導(dǎo)致土壤N 的損失, 降低土壤肥力, 引起土壤退化, 造成農(nóng)業(yè)面源污染[6]。Liu 等[7]發(fā)現(xiàn), 農(nóng)田轉(zhuǎn)變成林地和草地, 土壤有機(jī)碳 (SOC) 和TN含量顯著增加, 但轉(zhuǎn)變成灌木, SOC 和TN 含量顯著下降。史利江等[8]通過相鄰樣地法研究了上海市水田轉(zhuǎn)變旱地、農(nóng)田撂荒地及水田轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち值氐? 種土地利用方式變化對(duì)土壤養(yǎng)分的影響, 結(jié)果表明, 水田轉(zhuǎn)化為旱地導(dǎo)致土壤SOC 和TN 含量顯著下降。趙越等[9]以安家溝流域?yàn)檠芯繉?duì)象,采用平均濃度模型, 探究黃河流域不同土地利用方式下地表徑流中TN 污染分布規(guī)律, 結(jié)果顯示, 該流域不同土地利用方式單位面積污染負(fù)荷分布為荒地最大, 草地次之, 林地第三, 農(nóng)地最小, 受多方面因素影響, 安家溝流域污染負(fù)荷總量主要來源于林地和農(nóng)地, 合理規(guī)劃土地利用方式, 加強(qiáng)水土保持可有效減輕面源污染的發(fā)生。

內(nèi)蒙古河套灌區(qū) (40°19′～41°18′N, 106°20′～109°19′E) 位于內(nèi)蒙古西部黃河沖積平原, 是我國最大的引黃河水自流灌區(qū)之一, 擁有2 000 多年的灌溉歷史, 是我國主要的商品糧基地。灌區(qū)約90%的退水 (年平均53 800 萬m3) 匯入河套平原末端烏梁素海, 再由西山咀河口排入黃河[10]。目前, 烏梁素海最主要的水環(huán)境問題為N 型富營養(yǎng)化污染, 且與河套灌區(qū)工農(nóng)業(yè)廢水排放直接相關(guān),每年由河套灌區(qū)匯入烏梁素海的各種營養(yǎng)鹽加速了烏梁素海的沼澤化進(jìn)程, 使其成為世界上沼澤化最快, 我國富營養(yǎng)化水平較為嚴(yán)重的中型湖泊之一[10-11]。因此, 準(zhǔn)確分析多尺度下河套灌區(qū)不同土地利用方式下土壤TN 的空間異質(zhì)性, 以期明晰河套灌區(qū)土壤養(yǎng)分含量狀況, 為精確施肥, 改善土壤環(huán)境, 發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和減少烏梁素海流域面源污染等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

永濟(jì)灌域 (40°36′～41°13′N, 107°13′～107°42′E) 位于河套灌區(qū)中部, 海拔1 039 m, 西側(cè)與解放閘灌域相鄰, 東側(cè)與義長灌域相接, 南部抵黃河, 北部至陰山。該地區(qū)屬于典型的大陸型干旱氣候, 降雨量小, 蒸發(fā)量大, 蒸降比在10 以上[12]。灌域以永濟(jì)干渠為主, 總土地面積2 520 km2, 灌溉面積1 167.5 km2。主要擔(dān)負(fù)行政管轄內(nèi)臨河區(qū)7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、2 個(gè)國營農(nóng)場及五原縣銀定圖克鎮(zhèn)及烏拉特中旗呼魯斯太鎮(zhèn)部分土地的農(nóng)業(yè)灌溉任務(wù), 退水匯入東西2 個(gè)大型排水溝, 即四排干和五排干, 最終匯入總排干, 流入烏梁素海。灌域主要的土地利用類型為農(nóng)田、林地和荒地 (多數(shù)為農(nóng)田撂荒地); 農(nóng)田主要作物為小麥、玉米和向日葵; 林地為人工林, 包括種植在1～10 a 的新疆楊林、柳樹林等; 荒地基本荒廢在10 a 以上。農(nóng)田與林地兼施有機(jī)和無機(jī)肥, 荒地不施肥。在灌域的灌溉方式采用大水漫灌, 主要分為夏灌、秋灌和秋澆3 個(gè)時(shí)期。

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)與測定

1.2.1 尺度的定義與劃分

尺度是指空間或時(shí)間幅度或粒度, 某一種空間結(jié)構(gòu)特征只能在一定采樣尺度下才能表現(xiàn)出來[13-14]。本研究用采樣密度的高低來表示空間尺度的變化, L 尺度表示采樣密度較小, 樣點(diǎn)數(shù)為36個(gè), 采樣深度0～ <100 cm; M 尺度表示采樣密度相對(duì)較大, 樣點(diǎn)數(shù)為125 個(gè), 采樣深度0～<20 cm。

1.2.2 采樣點(diǎn)布設(shè)

于2019 年5 月初夏灌之前, 在永濟(jì)灌域的7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)及2 個(gè)國營農(nóng)場, 按照行政鄉(xiāng)鎮(zhèn)分別選取農(nóng)田、林地、荒地樣地, 共設(shè)125 個(gè)表層0～<20 cm采樣點(diǎn) (M 尺度), 其中36 個(gè)分層采樣點(diǎn), 每個(gè)分層采樣點(diǎn), 用土鉆自地表向下取樣, 取樣深度1 m, 共分5 層: 0～ <20 cm、20～ <40 cm、40～<60 cm、60～<80 cm、80～<100 cm。每個(gè)樣點(diǎn)均采集3 個(gè)重復(fù)樣, 混勻, 裝袋, 備用。

1.2.3 樣品預(yù)處理與測定

所有土壤樣品剔除碎石、雜草、根系和動(dòng)物殘?bào)w等雜質(zhì)后, 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然晾干, 混勻后用四分法縮分至約1 kg, 研磨, 過0.15 mm 尼龍篩, 標(biāo)記, 測定土壤底泥TN 含量[2], 土壤平均pH 值為9.13。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

1.3.1 地理統(tǒng)計(jì)方法

地統(tǒng)計(jì)學(xué)將空間格局與生態(tài)過程緊密聯(lián)系起來, 有效地解釋空間格局對(duì)生態(tài)過程和功能的影響[15]。變異函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的基本工具, 而半方差函數(shù)是研究變異性的關(guān)鍵函數(shù), 公式為[16]:

式中:γ(h) 為半方差函數(shù);h為兩樣本間的分離距離;z(xi) 和z(xi+h) 分別是隨機(jī)變量在空間位置xi和xi+h上的取值;N(h)為分離距離為h時(shí)的樣本對(duì)總數(shù)。

在建立理論模型時(shí), 要對(duì)模型進(jìn)行最優(yōu)擬合。而實(shí)際變異函數(shù)值γ(h) 和理論模型計(jì)算的變異函數(shù)值γ(h) 之差稱為殘差 (RSS), 即[15]:

根據(jù)RSS最小原則, 對(duì)試驗(yàn)半方差函數(shù)進(jìn)行擬合, 得到半方差函數(shù)的理論模型。

C0為塊金值 (nugget), 反映最小抽樣尺度以下變量的變異性及測量誤差;C為結(jié)構(gòu)方差(structural component), 表示非隨機(jī)原因形成的變異;C0+C為基臺(tái)值 (sill), 表示系統(tǒng)屬性或區(qū)域化變量最大變異程度; 塊金值與基臺(tái)值的比值[C0/ (C0+C) ] 為空間相關(guān)度, 反映可度量空間自相關(guān)的變異所占的比例, <25%說明具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性, 主要由土壤母質(zhì)、地形等非人為因素引起; 25%～75%表示具有中等相關(guān)性; >75%說明系統(tǒng)相關(guān)性很弱, 主要由人類活動(dòng)引起的;A為有效變程, 變程是指變異函數(shù)達(dá)到基臺(tái)值所對(duì)應(yīng)的距離, 表示變量空間自相關(guān)變異的尺度范圍, 在變程內(nèi), 變量具有空間自相關(guān)特征, 反之不存在[15,17]。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

采用GS+軟件進(jìn)行半方差分析, 分析永濟(jì)灌域土壤TN 的空間異質(zhì)性; 運(yùn)用ArcGIS 10.0 繪制采樣分布圖及TN 的空間分布圖; 采樣單因素方差分析在95%的置信區(qū)間下分析不同尺度不同土地利用方式下, 土壤剖面TN 含量的差異性方差, 方差分析在統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 19.0 軟件包中的相應(yīng)程序下進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 M 尺度土壤TN 的差異性分析

K-S 檢驗(yàn)表明, 不同土地利用方式下土壤TN含量均符合正態(tài)分布。由表1 可知, M 尺度下灌域表層土壤 (0～ <20 cm) TN 平均含量為0.82 g·kg-1, 變異系數(shù)為31.52%, 屬中等變異程度, 且其在不同土地利用方式下差異非常顯著, 表現(xiàn)為林地和農(nóng)田土壤TN (平均含量分別為0.87 和0.90 g·kg-1) 顯著高于荒地土壤 (平均含量為0.58 g·kg-1); 林地和農(nóng)田的TN 含量之間差異不顯著。荒地TN 變異系數(shù)最高, 為38.67%, 波動(dòng)較大。

表1 M 尺度不同土地利用方式下永濟(jì)灌域表層土壤TN 含量的差異

由不同種植類型農(nóng)田土壤TN 含量可知, 玉米、小麥和向日葵3 種不同種植類型的土壤TN 含量比較接近, 平均值分別為0.93、0.92、0.84 g·kg-1, 彼此間未達(dá)顯著差異 (圖1)?？梢? 種植不同類型的作物對(duì)灌區(qū)農(nóng)田表層土壤TN 含量影響不顯著。

圖1 不同種植類型農(nóng)田土壤TN 含量

2.2 L 尺度土壤TN 的垂直分布特征

由表2 可知, 農(nóng)業(yè)管理土壤 (林地、農(nóng)田)和荒地TN 在土壤剖面 (0～ <100 cm) 差異顯著。2 種類型土壤平均最高點(diǎn) (0.80 g·kg-1和0.47 g·kg-1) 均出現(xiàn)在0～ <20 cm, 且農(nóng)業(yè)管理土壤TN 含量顯著高于荒地, 尤其在0～<60 cm 土層差異顯著, 最低值 (0.39 g·kg-1和0.32 g·kg-1)在60 cm 深度以下, 兩者之間差異不顯著。從土壤剖面TN 含量來看, 2 種土地利用方式TN 含量在表層0～<40 cm 均顯著高于底層土壤, 但當(dāng)土壤深度≥40 cm, 其含量分布較為均一。

表2 L 尺度不同土地利用方式下土壤剖面TN 含量的分布特征 單位: g·kg-1

2.3 土壤TN 空間結(jié)構(gòu)分析

由表3 和圖2 可知, 在M 尺度上, 灌域表層土壤TN 含量的半方差擬合效果較好, 為球型模型, 空間相關(guān)度(塊金值和基臺(tái)值的比值C0/ (C0+C) 僅為2.64%, 遠(yuǎn)小于25%, 表明隨機(jī)性遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)性變異方差, 反映出灌域表層土壤TN 含量在研究尺度上具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)格局; 在L 尺度上, 0～<20、20～<40 cm 土層TN 含量半方差擬合均為高斯模型, 空間相關(guān)度相對(duì)較高, 分別為23.26%和22.30%, 接近25%; 40～<100 cm 土層TN 含量為指數(shù)模型,C0為0.022 5,C0/ (C0+C)為17.86%; 在L 尺 度 上, 0 ～ <20、20 ～ <40 和40～<100 cm 深度土壤TN 的空間自相關(guān)范圍分別為240、240 和30 m, 為遞減趨勢?？梢婋S著土層深度的增加, 土壤TN 含量異質(zhì)性存在遞增的過程。2 個(gè)尺度上, 3 個(gè)土層空間相關(guān)度均小于25%,表明具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性, 說明灌域土壤TN空間變異性受隨機(jī)因素的影響較小, 主要為結(jié)構(gòu)性變異?？傮w來看, 2 個(gè)尺度3 層土壤TN 受氣候、地形和土壤母質(zhì)等自然因素的影響可能性較大。

圖2 不同土層土壤TN 含量的半方差函數(shù)

表3 不同土層土壤TN 含量的半方差函數(shù)模型類型及參數(shù)

2.4 土壤TN 空間分布特征分析

由土壤TN 含量空間分布格局可以看出, TN含量總體表現(xiàn)為南部高、北部低, 含量主要集中在0.72～0.84 g·kg-1(圖3)?？臻g分布上呈現(xiàn)斑塊狀, 較高含量的點(diǎn)位于總干渠及鄰近上游灌域(解放閘灌域) (>0.96 g·kg-1), 而較低含量的點(diǎn)集中于五排干周圍土壤中。

圖3 永濟(jì)灌域M 尺度上表層土壤TN 含量的空間插值圖

3 討論

3.1 土地利用方式對(duì)土壤TN 含量的影響

土地利用方式是農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量的主要影響因素之一, 不同的種植制度、農(nóng)耕方式等均會(huì)改變土壤原有物質(zhì)循環(huán)過程, 引起土壤剖面TN 含量的變化[18-19]。農(nóng)田土壤N 的主要來源有化肥、家畜糞便等有機(jī)肥、大氣沉降、生物固氮等, 其中施肥是農(nóng)田土壤最主要的農(nóng)藝措施, 可有效增加農(nóng)作物產(chǎn)量[20]。有研究表明, 長期施肥 (有機(jī)肥和無機(jī)肥) 會(huì)顯著增加土壤N 的含量, 尤其是增加表層土壤N 含量, 同時(shí)也將人為改變土壤剖面中N 含量的分布規(guī)律[21]。Wang 等[22]的研究指出, 與未施肥控制組相比, 施肥顯著增加土壤 (0 ～<40 cm) 的TN 含量。Bedada 等[23]強(qiáng)調(diào), 同時(shí)施用有機(jī)和無機(jī)肥料比單獨(dú)施用無機(jī)肥或有機(jī)肥, 土壤TN 的積累更為顯著。在本研究中, 永濟(jì)灌域表層土壤TN 含量以農(nóng)田和林地最高, 顯著高于荒地; 在0～<100 cm 剖面同樣呈現(xiàn)出林地與農(nóng)田顯著高于荒地的趨勢, 尤其在上層0～<60 cm, 然而在40 cm 以下, 不同土地利用方式下土壤N 含量分布較均勻。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn), 河套永濟(jì)灌域林地和農(nóng)田耕作與施肥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)歷史悠久[24], 而荒地土壤荒廢時(shí)間較長大于10 a?？梢姽嘤蜣r(nóng)田和林地長期的農(nóng)業(yè)管理有效地增加土壤TN 的含量, 尤其顯著增加上層土壤TN 含量。在均具有農(nóng)業(yè)活動(dòng)的農(nóng)田和林地及不同種植類型農(nóng)田土壤 (玉米、小麥、向日葵) 之間, TN 含量差異不顯著。進(jìn)一步表明, 施肥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)可以有效增加土壤TN 含量并減少不同耕作土壤之間TN 含量的差異性。

3.2 土壤TN 空間異質(zhì)性

通常小尺度下, 土壤特性的空間結(jié)構(gòu)特征往往易被掩蓋, 不利于深入分析土壤特性的空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)特征[2]。在L 到M 尺度上, 表層土壤TN 的塊金值C0減少, 說明隨著采樣密度的增加, 由試驗(yàn)取樣尺度引起的誤差減少, 在L 尺度上掩蓋的較小結(jié)構(gòu)在M 尺度上表現(xiàn); M 尺度空間相關(guān)度小于L尺度, 說明隨著采樣密度的增加, 樣點(diǎn)間空間相關(guān)性也隨之增強(qiáng)?？傮w來看, 本研究中2 個(gè)尺度上土壤0～<100 cm 剖面TN 空間自相關(guān)度均小于25%,M 尺度上表層0～<20 cm 僅為2.64%, 具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性?？梢娊Y(jié)構(gòu)性原因引起的變異遠(yuǎn)大于隨機(jī)性因素引起的變異, 這與郝芳華等[15]在該地區(qū)的研究結(jié)果類似, 其研究分析了2005 年內(nèi)蒙古河套灌區(qū)烏拉特灌域4、7、11 月土壤表層TN 含量, 并采用半方差分析TN 含量的空間變異性, 結(jié)果表明, 在3 個(gè)不同時(shí)期, 土壤TN 含量變異函數(shù)分析中空間相關(guān)度最高僅為2.17%, 遠(yuǎn)小于25%。這說明, 在3 個(gè)不同灌溉季節(jié), 灌域土壤TN 含量的空間變異均具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性, 主要由內(nèi)因(土壤母質(zhì)) 空間自相關(guān)部分控制。本研究取樣時(shí)間為4 月底至5 月初, 灌溉及春夏作物施肥前, 在大尺度M 范圍下, 此時(shí)土壤TN 含量的變化受主要結(jié)構(gòu)性變異 (內(nèi)因) 的影響較大, 但這種結(jié)構(gòu)性變異究竟是由于土壤性質(zhì)本身變異造成, 還是地形等引起的水分條件導(dǎo)致的, 還是由于長期不同土地利用方式的差異性影響其空間異質(zhì)特征, 仍有待進(jìn)一步研究。

在L 尺度上, 0～ <20、20～ <40 cm 土層塊金值和基臺(tái)值的比值C0/ (C0+C) 相對(duì)較高, 接近25%?？梢娫摴嘤蛲寥莱耸茏匀灰蛩氐挠绊? 同時(shí)還受到一定程度的人為活動(dòng)的干擾。從L 尺度土壤TN 含量的垂直分布可以看出, 表層土壤含量顯著高于底層土壤, 而底層土壤 (40～ <100 cm)TN 含量差異不顯著, 在農(nóng)業(yè)管理的土壤 (農(nóng)田和林地) 表現(xiàn)最為突出。這可能是由于表層土壤在耕作等農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響下, N 素隨著灌溉、作物吸收及人為的補(bǔ)充而重新進(jìn)行分配, 且補(bǔ)充量遠(yuǎn)高于因植物吸收而消耗的量[25]。因此, 在小尺度范圍內(nèi), 長期耕作及施肥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)表層和耕層(0～40 cm) 土壤TN 的積累也有一定的影響。加上研究區(qū)域一般采用傳統(tǒng)的漫灌方式, 易于N 的積累, 并通過下滲作用, 隨深度減少。從TN 含量的空間分布上可以看出, 灌域TN 含量空間差異較小, 含量主要集中于0.72～0.84 g·kg-1, 分布于灌域中部大部分面積。而較高含量的TN 位于總干渠周圍, 低含量的TN 位于五排干周圍土壤中, 總體表現(xiàn)為南高北地。即TN 含量沿灌溉水流方向呈下降趨勢, 可見長期灌溉是減少土壤TN 空間差異性的影響因素之一。