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Spatial variability of soil C/N ratio and its influence factors at a county scale in hilly area of Mid-Sichuan Basin, Southwest China.

川中丘陵县域土壤碳氮比空间变异特征及其影响因素


以四川仁寿县为案例区,通过实地采样分析了该紫色丘陵区县域尺度上土壤碳氮比的空间变异特征及其影响因素.结果表明: 研究区表层土壤碳氮比(C/N)在4.84~21.79之间,平均值为11.93,变异系数26.3%,属中等程度的空间变异.半方差分析表明,土壤C/N的块金效应为73.0%,其空间分布受结构性因素和随机因素的共同影响,但受随机性因素的影响更大;土壤C/N的空间分布特征表现为西北和东南高、中部低的趋势,大部分区域土壤C/N处于10.0~13.5之间.成土母质、土壤类型、地形和土地利用方式对土壤C/N的影响显著(P<0.05);地形因子中高程和坡度与土壤C/N呈显著正相关关系(P<0.05),成土母质可解释土壤C/N 8.7%的空间变异,土类、亚类和土属的解释能力分别为3.8%、5.0%、8.7%,地形因子的解释能力为0.8%;土地利用方式对土壤C/N空间变异影响程度最高,达到23.9%,是调控该区域土壤C/N的重要因素.
 
 

Spatial distribution characteristics of soil C/N ratio and its affecting factors at a county scale in hilly area of Middle Sichuan Basin were analyzed based on field sampling. Result indicated that soil C/N ranged from 4.84 to 21.79, with a mean value of 11.93. The coefficient of variation was 26.3%, which suggested soil C/N had moderate variability in this study area. The ratio of nugget to sill was 73.0%, which suggested the spatial variability of soil C/N was determined by both structural and random factors, and the random factors played a more important role. The soil C/N was higher in northeast and southwest while the central part of the study area was characterized by relatively lower values of soil C/N. The soil C/N ranged from 10.0 to 13.5 in most parts of the study area. Parent material, soil type, topographic factors and land use type had significant impacts on soil C/N (P<0.05). Soil C/N showed a significant positive correlation with elevation and slope (P<0.05). The soil parent materials were able to explain 8.7% of soil C/N spatial variability. The explanatory power of soil group, subgroup and soil genus were 3.8%, 5.0%, 8.7%, respectively. Topographic factors showed the lowest explanatory power of only 0.8%. However, land use type could explain 23.9% of the spatial variability, which suggested that land use type was the dominant factor in controlling the spatial variability of soil C/N.

 


全 文 :川中丘陵县域土壤碳氮比空间变异
特征及其影响因素∗
罗由林  李启权∗∗  王昌全  张  维  张  浩  李林鲜  陈俊伟  马  煜
(四川农业大学资源环境学院, 成都 611130)
摘  要  以四川仁寿县为案例区,通过实地采样分析了该紫色丘陵区县域尺度上土壤碳氮比
的空间变异特征及其影响因素.结果表明: 研究区表层土壤碳氮比(C / N)在 4.84 ~ 21.79 之
间,平均值为 11.93,变异系数 26.3%,属中等程度的空间变异.半方差分析表明,土壤 C / N 的
块金效应为 73.0%,其空间分布受结构性因素和随机因素的共同影响,但受随机性因素的影
响更大;土壤 C / N的空间分布特征表现为西北和东南高、中部低的趋势,大部分区域土壤 C / N
处于 10.0 ~ 13.5 之间.成土母质、土壤类型、地形和土地利用方式对土壤 C / N 的影响显著
(P<0.05);地形因子中高程和坡度与土壤 C / N呈显著正相关关系(P<0.05),成土母质可解释
土壤 C / N 8.7%的空间变异,土类、亚类和土属的解释能力分别为 3.8%、5.0%、8.7%,地形因子
的解释能力为 0.8%;土地利用方式对土壤 C / N 空间变异影响程度最高,达到 23.9%,是调控
该区域土壤 C / N的重要因素.
关键词  土壤碳氮比; 空间变异; 影响因素; 川中丘陵
文章编号  1001-9332(2015)01-0177-09  中图分类号  S159  文献标识码  A
Spatial variability of soil C/ N ratio and its influence factors at a county scale in hilly area of
Mid⁃Sichuan Basin, Southwest China. LUO You⁃lin, LI Qi⁃quan, WANG Chang⁃quan, ZHANG
Wei, ZHANG Hao, LI Lin⁃xian, CHEN Jun⁃wei, MA Yu (College of Resources and Environment,
Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China) .⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(1):
177-185.
Abstract: Spatial distribution characteristics of soil C / N ratio and its affecting factors at a county
scale in hilly area of Middle Sichuan Basin were analyzed based on field sampling. Result indicated
that soil C / N ranged from 4.84 to 21.79, with a mean value of 11.93. The coefficient of variation
was 26.3%, which suggested soil C / N had moderate variability in this study area. The ratio of nug⁃
get to sill was 73.0%, which suggested the spatial variability of soil C / N was determined by both
structural and random factors, and the random factors played a more important role. The soil C / N
was higher in northeast and southwest while the central part of the study area was characterized by
relatively lower values of soil C / N. The soil C / N ranged from 10.0 to 13.5 in most parts of the study
area. Parent material, soil type, topographic factors and land use type had significant impacts on
soil C / N (P<0.05). Soil C / N showed a significant positive correlation with elevation and slope
(P<0.05). The soil parent materials were able to explain 8.7% of soil C / N spatial variability. The
explanatory power of soil group, subgroup and soil genus were 3.8%, 5.0%, 8.7%, respectively.
Topographic factors showed the lowest explanatory power of only 0. 8%. However, land use type
could explain 23.9% of the spatial variability, which suggested that land use type was the dominant
factor in controlling the spatial variability of soil C / N.
Key words: soil C / N ratio; spatial variability; influence factors; hilly area of Mid⁃Sichuan Basin.
∗国家自然科学基金项目(4120124)和四川省科技支撑计划项目(四川省⁃中国科学院合作项目 2012JZ0003)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: liqq@ lreis.ac.cn
2014⁃07⁃10收稿,2014⁃11⁃19接受.
应 用 生 态 学 报  2015年 1月  第 26卷  第 1期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2015, 26(1): 177-185
    土壤有机碳和全氮是植物生长必需营养元素的
主要来源,也是陆地土壤碳库和氮库的重要组成部
分,在一定程度上影响着大气中温室气体的浓度和
全球气候变化[1-2],成为近年来全球气候变化背景
下关注的焦点之一.国内外已有学者运用地统计等
方法探讨了不同区域土壤碳氮的空间变异特征及其
影响因素[3-5],取得了一定的研究成果.土壤碳氮比
(C / N)既是土壤质量的敏感指标,也是衡量土壤 C、
N营养平衡状况的指标,其时空演变对土壤碳氮循
环有重要影响[6-7] .与仅考虑土壤碳氮本身的变异特
点相比,土壤碳氮之间的比例关系更能全面地阐述
土壤碳氮变化的特点[8-13],因而研究土壤碳氮比的
空间变异特征及其影响因素具有重要意义.
土壤碳氮比变化会引起土壤微生物活性及矿化
率变化,进而影响土壤质量和土壤碳氮循环.目前国
内外关于土壤碳氮关系的研究主要集中在碳氮总量
及微生物碳氮间的关系上[14-16],在区域尺度上研究
土壤碳氮关系的空间分布及其影响因素相对较
少[17] .土壤 C / N受区域水热条件和成土过程特点的
控制,气候、成土母质、土壤类型、地形地貌和土地利
用方式等因素都会影响到土壤碳和氮的比例关
系[11,18] .已有研究在对这些影响土壤碳、氮空间分布
的因素进行探讨时,大多以定性描述或各影响因素
间土壤碳、氮含量差异的比较分析为主[18-19],而量
化不同因素对土壤碳、氮空间变异影响程度的研究
相对较少.准确获取土壤碳氮比例关系的空间变异
信息及定量分析其影响因素,对区域土壤资源优化
利用及生态环境保护有重要作用.
川中丘陵区地处四川盆地西南部,是长江上游
典型的农业区和人口较为密集的区域,同时又是长
江上游水土流失重要防治区.已有对该区域土壤碳、
氮空间变异特征的研究报道主要集中在小流域尺度
上[20-22],对其影响因素的分析多以定性描述比较为
主,而针对该区较大尺度上土壤 C / N空间分布特征
及其影响因素量化研究则鲜见报道.本研究以川中
丘陵第一大县仁寿县为案例区,结合成土母质、土壤
类型、地形和土地利用方式[11,18],运用地统计学和
回归分析等方法对该区土壤 C / N 空间分布特征及
其影响因素进行分析,以期为川中丘陵土壤碳氮调
控和生态环境保护提供科学依据.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
研究区位于四川盆地西南部(29°37′—30°20′ N,
103°54′—104°29′ E),面积 2606 km2,人口 162万,人
口密度约为 600 人·km-2,辖 22 个镇、38 个乡,为
四川省第一大县和第一人口大县.地貌以丘陵为主,
海拔位于 345~ 972 m 之间,包括部分低山区域(图
1).县域处于亚热带季风湿润气候区,四季分明,雨
热同期;年均气温 17.4 ℃,年均降雨量 1009􀆰 4 mm,
年均日照时数 1196.6 h,无霜期 312 d.土壤母质除
有少量第四系老冲洪积物外,主要为侏罗系、白垩系
和三叠系出露的紫色岩层,含 8 个出露地层,共 11
种母质类型.土壤类型有紫色土、水稻土和黄壤 3 种
土类,含 5个亚类、16 个土属.土地利用方式包括耕
地、林地、园地和草地等,其中耕地以水田、旱地和水
旱轮作 3种利用方式为主.该区域土地垦殖指数高,
农作物以水稻、玉米、红苕、小麦、棉花、油菜和花生
等为主,是长江上游人口最为密集的典型农业区和
水土流失重点防治区.
图 1  研究区基础信息
Fig.1  Basic geographic information of study area.
a)地貌分区、数字高程及样点分布 Geomorphology partitions, DEM and distribution of sampling points; b)土地利用方式 Land use type.
871 应  用  生  态  学  报                                      26卷
1􀆰 2  样品采集与分析
根据研究区的实际情况,在考虑样点代表性与
空间分布均匀性的基础上,结合研究区成土母质、土
壤类型和土地利用方式等资料进行采样点布设,于
2012年 11—12 月农作物收获后在全县采集表层
(0~20 cm)耕作土壤和自然土壤共 558 个(图 1),
样点密度为 0.21 个·km-2 .每一采样点周围 5 m 范
围内取 4个点,混合后以四分法取样.采样同时记录
每个采样点的地理坐标、海拔、土壤类型、土地利用
方式、种植制度等地表环境信息.土壤样品在室内自
然风干后,研磨过 100目筛,土壤有机碳含量采用重
铬酸 钾 法[23] 进 行 测 定; 全 氮 含 量 采 用 Foss
Kjeltec8400全自动凯氏定氮仪进行测定.测定过程
中每个样品均设置重复样,同时测定标准样以保证
数据质量.
1􀆰 3  数据处理与研究方法
采用域法识别异常值[24]并剔除 3 个异常样点
后,利用剩余的 555 个土样数据进行本文相关内容
的研究.成土母质、土壤类型、土地利用方式为定性
分类变量,研究中采用哑变量[25]进行赋值.海拔高
度(DEM)、坡度(S)、坡向(A)、平面曲率(Ct)、剖面
曲率(Cp)和地形湿度指数[TI,TI = ln(CA / S),CA
为汇流面积]等地形因子基于研究区 30 m 分辨率
的 DEM数据,在 ArcGIS软件计算获取;其中坡向因
子采用其余弦转换值用以表达坡向的南北变化.采
用地统计学方法分析土壤 C / N的空间结构特征,相
关分析用于揭示地形因子与土壤 C / N的相关关系,
方差分析用于揭示不同定性因素对土壤 C / N 的影
响是否存在显著差异,回归分析用于定量表达各影
响因素对土壤 C / N 空间变异的独立解释能力.其
中,地统计学方法中半方差模型的拟合在 GS+软件
中完成,空间分布特征在 ArcGIS 软件中实现;经典
统计分析、相关分析、方差分析以及回归分析均在
SPSS软件中完成.
2  结果与分析
2􀆰 1  土壤碳氮比描述性统计特征
统计结果表明(表 1),研究区表层土壤有机碳
含量(SOC)、全氮含量(TN)和碳氮比(C / N)分别在
3.36~ 37.10 g·kg-1、0.34 ~ 2.57 g·kg-1和 4.84 ~
21􀆰 79 之间,各指标值域范围较大;平均值分别为
13.46 g·kg-1、1.12 g·kg-1和 11.93,其中,SOC较全
国平均水平(17.53 g·kg-1)低 4.07 g·kg-1,TN 较
全国平均水平(1.54 g·kg-1)低 0.32 g·kg-1,C / N
略高于全国平均水平(11.38) [26-27];变异系数分别
为 48􀆰 9%、38.8%和 26.3%,均属于中等程度的空间
变异,其中 SOC和 TN 变异系数高于 C / N.K⁃S 检验
表明,SOC和 TN呈对数正态分布;土壤 C / N呈正态
分布(K⁃S检验,P= 0.268),可直接用于方差分析和
回归分析.
2􀆰 2  土壤碳氮比空间分布特征
2􀆰 2􀆰 1半方差分析  半方差分析能较好地刻画土壤
C / N空间分布的随机性和结构性等,其最优模型的
选择主要根据拟合模型的决定系数 (R2 )和残差
(RSS)来确定.分析结果表明,研究区土壤有机碳
(SOC)、全氮(TN)符合指数模型,碳氮比(C / N)符
合球状模型,其决定系数 R2分别为 0.819、0.791 和
0.899(表 2,图 2),能较好地反映 3个指标的空间结
构特征.SOC、TN 和 C / N 半方差模型的块金值分别
为 0.15、0.09和 7.30,说明在当前采样密度下存在着
由采样误差、采样间距间的变异及耕作施肥等随机因
素引起的不同程度的变异;块金效应分别为66􀆰 7%、
表 1  研究区土壤有机碳、全氮和碳氮比统计特征
Table 1  Descriptive statistic characteristics of SOC, TN and C/ N ratio in the study area
土壤性质
Soil property
样本数

最小值
Minimum
最大值
Maximum
平均值
Mean
标准差
SD
变异系数
CV (%)
偏度系数
Skewness
峰度系数
Kurtosis
分布类型
Distribution type
有机碳 SOC (g·kg-1) 555 3.36 37.10 13.46 6.58 48.9 1.02 0.10 对数正态分布 Lognormal
全氮 TN (g·kg-1) 555 0.34 2.57 1.12 0.44 38.8 0.78 0.10 对数正态分布 Lognormal
碳氮比 C / N 555 4.84 21.79 11.93 3.14 26.3 -0.23 0.38 正态分布 Normal
表 2  研究区土壤有机碳、全氮、碳氮比半方差函数模型参数
Table 2  Theoretical semivariogram models for SOC, TN and soil C/ N ratio and their parameter values in the study area
土壤性质
Soil property
理论模型
Model
块金值
C0
基台值
C0+C
块金效应
C0(C0+C) (%)
变程
A (km)
决定系数
R2
残差
RSS
有机碳 SOC 指数 Exponential 0.15 0.225 66.7 8.0 0.819 0.001
全氮 TN 指数 Exponential 0.09 0.148 60.8 9.5 0.791 0.001
碳氮比 C / N 球状 Spherical 7.30 10.000 73.0 19.5 0.899 1.630
9711期                        罗由林等: 川中丘陵县域土壤碳氮比空间变异特征及其影响因素           
图 2  研究区土壤有机碳、全氮和碳氮比半方差函数图
Fig.2  Isotropic semivariogram of SOC, TN and soil C / N ratio in the study area.
图 3  研究区土壤有机碳、全氮和碳氮比空间分布
Fig.3  Spatial distributions of SOC, TN and soil C / N ratio in the study area.
60.8%和 73.0%,均属中等程度的空间自相关,表明
空间变异由随机因素和结构性因素共同引起,但由
随机性因素引起的空间分布特征较结构性因素更
大.SOC和 TN 变程分别为 8.0 和 9.5 km,空间自相
关范围较小;而土壤 C / N 变程为 19.5 km,远高于
SOC、TN,其空间自相关范围较大.
2􀆰 2􀆰 2空间分布特征  为直观反映土壤碳氮比的空
间分布格局,采用最优半方差模型拟合结果的参数
在 ArcGIS软件中进行空间插值,得到仁寿县 SOC、
TN和 C / N的空间分布图(图 3).从图中可以看出,
研究区 SOC和 TN在空间分布上表现出一定的相似
性,多呈斑块状分布;其中,SOC 分布的高值区主要
位于西北部低山地区和南部深丘区域,低值区则主
要位于中部浅丘,SOC 含量在 12.0 ~ 18.0 g·kg-1之
间的区域面积分布最大;TN含量北高南低趋势较为
明显,其中含量在 0.75 ~ 1.20 g·kg-1之间的区域所
占面积较大.土壤 C / N 在空间分布上呈现出由西北
和东南向中部逐步降低的趋势,大部分区域土壤 C /
N位于 10~13.5 之间,高值区主要分布于西北低山
和东南深丘的部分地区,低值区则主要分布于中部
浅丘地区.
2􀆰 3  土壤 C / N空间变异的影响因素
结构性因素主要是指土壤在形成过程中的母
质、地形因子及土壤形成后的土壤类型等,随机性因
素则是指施肥、耕作措施、种植制度等各种人为活动
因素[28-29] .土地利用方式可在一定程度上反映施肥
状况、耕作措施等人为活动因素的差异.研究区土壤
C / N变异分布受到结构性因素和随机性因素的共
同影响,但各因素对土壤 C / N空间分布的影响程度
需进一步分析.本研究以成土母质、土壤类型和地形
因子为结构性因素,土地利用方式作为随机性因
素[29],探讨各影响因素对土壤 C / N 空间变异的解
释能力.
2􀆰 3􀆰 1成土母质  成土母质通过影响土壤的物理化
学组成和风化淋溶进程等从而影响土壤碳氮含量.
研究区成土母质对土壤 C / N 空间分布有极显著影
081 应  用  生  态  学  报                                      26卷
响(表 3,P<0.01).不同母质类型间 C / N均值有较大
差异(表 4),其中土壤 C / N 平均值以夹关组砂岩
(14.79)最高,须家河组砂岩(11.03)最低,最大最小
均值差值为 3.76,从变异情况来看,各成土母质发育
的土壤以蓬莱镇组泥砂岩变异系数最高(32􀆰 0%),
自流井组泥砂岩变异系数最低(19.6%),平均变异
系数 24.5%,低于全区土壤 C / N 的变异系数(表 1,
26.3%).
2􀆰 3􀆰 2土壤类型  不同土壤类型具有不同的矿物组
成、成土过程、发育程度及耕作管理措施,因而其土
壤特性存在差异.研究区不同土壤类型间土壤 C / N
存在极显著差异(表 3,P<0.01).3 个土壤类型中土
壤 C / N以黄壤(13.24)最高,紫色土(11.38)最低.变
异系数在 22􀆰 7% ~ 28. 1% 之间,平均变异系数
25􀆰 5%,其中以紫色土 ( 28. 1%) 最高, 水稻土
(22􀆰 7%)最低(表 5).紫色土的 3种亚类中,土壤 C /
N均值为:酸性紫色土>中性紫色土>石灰性紫色
土,变异系数处于 26.5% ~ 28.8%之间,以石灰性紫
色土最高,这反映了紫色土的 3 个尚不明显但已有
分异的不同发育阶段,其土壤 C / N均值已出现一定
的差异.从土属来看,黄壤中各土属 C / N 均值在
12􀆰 88~13.81之间,差异较小.水稻土的土壤 C / N均
值以酸紫泥田(14.77)最高,钙质紫泥田(11.14)最
低,均值差异较大.紫色土各土属间土壤 C / N 平均
值相差最大,各土属 C / N均值在 10.29~14.70之间.
2􀆰 3􀆰 3 地形   相关分析表明 (表 6),研究区土壤
SOC、TN 与坡向和地形湿度的相关系数分别为
0􀆰 133、0.153 和 0.175、0.226,均呈现出极显著正相
关关系(P<0􀆰 01),这表明 SOC和 TN含量随着坡向
转北(阴坡)表现出增大的趋势;同时地势越低洼,
SOC和 TN含量越大.土壤 C / N与高程、坡度的相关
系数分别为 0.089、0.100,为显著的正相关关系(P<
0.05),表明土壤 C / N 随海拔升高和坡度增大呈现
上升趋势,这与 SOC 和 TN 的相关分析结果明显不
同.这主要是因为从全区域来看,海拔较高和坡度较
大的区域土地利用方式以林草地为主,海拔较低和
坡度较小的区域以农业用地为主,这导致这些区域
碳氮输入源和输入量存在明显差异,林草地有机碳
输入量较大,而农用地氮肥施用较多.
2􀆰 3􀆰 4土地利用方式  土地利用方式主要通过土壤
养分输入控制土壤碳氮积累和释放速度来影响土壤
碳氮含量[12,22,30] .研究区土地利用方式对土壤 C / N
有极显著影响(表 3,P<0.01),表现为:林地>水田>
草地>水旱轮作>园地>旱地,土壤C / N变异系数在
表 3  不同因素对土壤碳氮比的回归分析
Table 3  Regression analysis of soil C/ N ratio with different factors
影响因素
Factor
因素类别   
Classification of factor   
F 决定系数
R2
校正决定系数
Adjusted R2

土壤类型 Soil type 土类 Soil group 11.88 0.041 0.038 <0.01
亚类 Soil subgroup 8.24 0.057 0.050 <0.01
土属 Soil family 4.53 0.112 0.087 <0.01
成土母质 Parent material 6.29 0.104 0.087 <0.01
地形条件 Topography condition 5.62 0.010 0.008 <0.05
土地利用方式 Land use type 35.82 0.246 0.239 <0.01
表 4  不同母质类型土壤碳氮比统计特征
Table 4  Descriptive statistic characteristics of soil C/ N ratio under different soil parent materials
母质类型
Parent material
样点数

最小值
Minimum
最大值
Maximum
平均值
Mean
标准差
SD
变异系数
CV (%)
偏度系数
Skewness
峰度系数
Kurtosis
第四系老冲洪物 Q2 Alluvial deposits 12 7.74 18.69 12.92 2.68 20.8 1.72 0.36
灌口组泥砂岩 K1g Shaly sandstone 135 5.45 18.69 12.11 2.86 23.6 -0.55 -0.23
夹关组砂岩 K1 j Sandstone 17 9.13 19.27 14.79 3.02 20.4 -0.88 0.03
蓬莱镇组泥砂岩 J3p Shaly sandstone 35 7.20 18.87 11.07 3.54 32.1 0.14 1.20
沙溪庙组泥砂岩 J2S2 Shaly sandstone 16 6.83 17.03 11.74 3.19 27.1 -0.95 0.20
沙溪庙组砂岩 J2S1 Sandstone 44 8.67 21.79 12.51 3.62 28.9 0.40 1.26
遂宁组泥砂岩 J2Sn Shaly sandstone 12 9.19 16.92 12.50 2.44 19.5 -0.89 0.35
天马山组砂泥岩 K1 t Sandstone and mudstone 15 6.20 17.23 12.27 3.13 25.5 -0.27 -0.17
须家河组砂岩 T3X Sandstone 135 6.43 19.08 11.03 2.86 25.9 0.01 0.71
自流井组泥灰岩 J1 z Marl 95 4.84 18.63 11.31 2.99 26.5 -0.53 -0.07
自流井组泥砂岩 J1 z Shaly sandstone 39 9.55 21.74 14.30 2.80 19.6 -0.09 0.51
1811期                        罗由林等: 川中丘陵县域土壤碳氮比空间变异特征及其影响因素           
表 5  不同土壤类型土壤碳氮比统计特征
Table 5  Descriptive statistic characteristics of soil C/ N ratio under different soil types
土类
Soil group
亚类
Soil subgroup
土属   
Soil family   
样点数

最小值
Minimum
最大值
Maximum
平均值
Mean
标准差
SD
变异系数
CV (%)
偏度系数
Skewness
峰度系数
Kurtosis
黄壤 Yellow soil     黄壤 土类合计 59 7.74 21.79 13.24 3.39 25.6 -0.27 0.80
(简育湿润淋溶土) 矿子黄泥土 7 10.49 16.92 12.89 2.24 17.4 0.48 0.96
冲积黄泥土 23 8.67 21.79 13.00 4.29 33.0 -0.57 1.02
冷砂黄泥土 20 9.55 19.27 13.81 2.76 20.0 -0.72 0.51
砂黄泥土 9 7.74 18.69 12.88 3.12 24.3 0.80 0.39
水稻土 Paddy soil 渗育水稻土 土类合计 203 6.80 21.74 12.35 2.80 22.7 0.05 0.34
(铁渗水耕人为土) 钙质紫泥田 77 6.98 19.08 11.14 2.30 20.6 0.53 0.43
黄泥田 48 8.73 21.74 13.17 2.96 22.5 0.18 0.69
酸紫泥田 11 11.51 19.27 14.77 2.68 18.1 -1.46 0.43
紫泥田 67 6.80 18.87 12.76 2.70 21.1 -0.19 -0.36
紫色土 Purple soil 石灰性紫色土 土类合计 293 4.84 19.06 11.38 3.20 28.1 -0.59 0.37
(紫色湿润雏形土) 亚类合计 162 4.84 18.82 11.18 3.22 28.8 -0.61 0.39
钙质紫泥土 8 7.38 18.75 11.57 4.07 35.1 -0.05 1.09
红棕紫泥土 69 4.84 18.63 11.18 3.26 29.1 -0.72 0.08
棕紫泥土 85 6.43 18.82 11.15 3.15 28.2 -0.57 0.57
中性紫色土 亚类合计 109 5.45 18.69 11.30 2.99 26.5 -0.50 0.34
暗紫泥土 10 6.20 17.23 11.53 3.59 31.1 -0.33 0.48
灰棕紫泥土 80 5.45 18.69 11.51 2.90 25.2 -0.64 0.02
脱钙紫泥土 19 6.83 18.57 10.29 3.01 29.3 3.11 1.80
酸性紫色土 亚类合计 22 7.20 19.06 13.25 3.55 26.8 -0.94 0.03
红紫泥土 11 9.13 19.06 14.70 3.20 21.7 -0.74 -0.05
酸紫泥土 11 7.20 17.50 11.79 3.41 28.9 -1.11 0.32
表 6  地形因子与土壤有机碳、全氮、碳氮比之间的相关性
Table 6  Correlation analysis between SOC, TN, soil C/ N ratio and topography factors
土壤性质
Soil property
高程
DEM
坡度
Slope
坡向
Aspect
地形湿度
Humidity
平面曲率
Plane curvature
剖面曲率
Profile curvature
有机碳 SOC 0.047 -0.012 0.133∗∗ 0.175∗∗ -0.014 -0.003
全氮 TN 0.009 -0.070 0.153∗∗ 0.226∗∗ 0.004 -0.033
碳氮比 C / N 0.089∗ 0.100∗ 0.003 -0.029 -0.038 0.052
∗ P<0.05; ∗∗P<0.01.
表 7  不同土地利用方式土壤碳氮比统计特征
Table 7  Descriptive statistic characteristics of soil C/ N ratio under different land use types
土地利用方式
Land use type
样点数

最小值
Minimum
最大值
Maximum
平均值
Mean
标准差
SD
变异系数
CV (%)
偏度系数
Skewness
峰度系数
Kurtosis
水田 Paddy filed 69 8.51 21.74 13.61 2.41 17.7 1.36 0.53
水旱轮作 Upland rotation 134 6.80 19.27 11.70 2.78 23.7 -0.06 0.51
旱地 Dry land 154 4.84 16.56 10.02 2.49 24.8 -0.40 0.31
林地 Forest land 124 6.33 21.79 14.02 3.21 22.9 -0.65 -0.01
园地 Garden plot 60 6.43 18.75 11.15 2.69 24.1 0.29 0.70
草地 Grassland 14 8.64 15.45 11.83 2.16 18.3 -1.20 0.15
18.3% ~ 24.8%之间(表 7).林地土壤 C / N 最高,这
与其地表物质的输入水平有关.有研究表明,由于大
量植物凋落物的输入,森林和灌丛植被会增加土壤
有机碳,但会减少土壤总氮含量,进而导致土壤 C / N
升高[31] .农业土壤 C / N 以水田最大,旱地和园地次
之,而水旱轮作最小,这与农户对土地投入的肥料和
管理水平普遍较高有关.该区大部分水田处于淹水
低温状态,有机质分解缓慢易于积累,从而使水田土
壤 C / N 处于较高水平;旱地、园地和水旱轮作方式
下土壤通气条件相对较好,土壤有机碳分解较
快[28],加之园地含氮化肥用量较大,旱地和水旱轮
作下由于其熟制多为一年两熟或三熟氮肥用量也较
大,使得这 3种土地利用方式下土壤 C / N处于较低
水平.
281 应  用  生  态  学  报                                      26卷
2􀆰 4  各因素影响程度
回归分析表明(表 3),成土母质、土壤类型、地
形因子和土地利用方式对研究区土壤 C / N 空间变
异有不同程度的影响.结构性影响因素中,地形因素
对土壤 C / N 空间变异的独立解释能力较低,仅为
0􀆰 8%.成土母质对土壤 C / N空间变异的独立解释能
力为 8.7%,表明成土母质仍在一定程度上影响土壤
C / N的空间分布,但影响程度有限.土类、亚类、土属
的独立解释能力分别为 3.8%、5.0%、8.7%;土壤分
类级别越低,其独立解释能力越高.
土地利用方式对研究区土壤 C / N 空间变异的
解释能力达到 23.9%,明显高于其他各因素,是研究
区土壤 C / N空间变异的主控因素,即随机性因素的
影响大于结构因素,与半方差分析结果一致.这表明
在研究川中丘陵区土壤 C / N 空间变异特征和调控
措施时应重点考虑土地利用方式.由于影响土壤 C /
N空间变异的各因素间存在着交互作用,因而各因
素对该区域土壤 C / N 空间变异的综合影响仍需进
一步分析.
3  讨    论
研究区 SOC、TN 空间自相关距离较小,与川中
丘陵其他县域尺度上土壤有机质和全氮的空间自相
关范围接近[4,9,32];而 C / N 表现出的空间自相关距
离大,反映出影响 C / N 空间变异的因素较 SOC、TN
更为复杂,仍需进一步探讨.土壤分类级别越低,对
土壤 C / N空间变异的解释能力越高,这与其他区域
类似研究结果基本一致[30] .这主要是因为,亚类在
土类的基础上考虑了附加成土过程或发育阶段,土
属则在亚类基础上进一步考虑了母质特性如岩层组
合及颗粒比等因素,分类级别越低,反映的环境背景
信息越多,因而其解释能力越高.
提高土壤 C / N 可对土壤微生物的活动能力产
生一定的限制作用,促使有机质和有机氮的分解矿
化速度减慢,提高土壤固定有机碳的能力[17] .准确
掌握区域土壤 C / N的空间变异特征及其影响因素,
是采取合理的措施调控区域土壤 C / N 的基础.从研
究区来看,母质、土壤类型以及地形因素对区域土壤
C / N的影响较小;而土地利用方式对土壤 C / N 空间
变异的影响远大于其他因素,自然土壤 C / N总体上
大于农业土壤(表 7);这种影响主要是由于不同土
地利用方式下土壤碳、氮输入输出量的不同产生的.
土壤氮素多以有机氮的形式存在于有机质中,在绝
大多数情况下土壤有机碳与全氮之间存在较高的相
关性[17,33] .自然条件下土壤中氮素主要来自植物凋
落物和母质,而在农业利用条件下除上述来源外,人
类施用的氮肥也是土壤中氮素的一个重要来源.川
中丘陵区人口较为密集,土地垦殖系数较高,化学氮
肥的施用量较大,这改变了原来自然土壤中碳氮比
例的关系.如有学者对丘陵区高产水稻土有机质和
全氮的研究发现,其有机质和全氮均有较大幅度提
高,但 C / N却明显降低[34] .空间上,研究区内低山和
深丘区林草地分布面积较大,中部浅丘区林草地分
布极少(图 1b),因而形成了西北低山和东南深丘区
土壤 C / N 高而中部浅丘区低的空间分布趋势(图
3),这也是土地利用方式控制区域土壤 C / N空间变
异的体现.
川中丘陵区是四川省主要农业区和经济区,区
内农业用地面积较大;在追求高产的背景下,氮肥的
大量投入不仅会导致土壤 C / N的下降,影响土壤固
碳能力,还会造成土壤酸化、板结和水体污染等生态
环境问题.合理调节土地利用方式,在农业用地上采
取措施,如使用缓控释肥提高氮素利用率从而减少
氮肥投入,是区域内实现土壤碳氮耦合平衡的重要
途径.
4  结    论
研究区土壤 C / N 表现出中等程度的空间变异
性,其空间分布格局受结构性因素和随机性因素的
共同影响,空间自相关范围较大;表现出西北低山和
东南深丘区高而中部浅丘区低的空间分布趋势.成
土母质、土壤类型、地形和土地利用方式均对研究区
土壤 C / N 的空间变化有显著影响;各土壤类型中,
黄壤 C / N高于水稻土和紫色土;林地利用方式下土
壤 C / N最高,园地和旱地土壤 C / N较低.各因素中,
土地利用方式对土壤 C / N 空间变异的解释能力最
大,远高于结构性因素(成土母质、土壤类型和地
形),是影响区域土壤 C / N空间变异的主要因素.
参考文献
[1]  Puget P, Lal R. Soil organic carbon and nitrogen in a
Mollisol in central Ohio as affected by tillage and land
use. Soil and Tillage Research, 2005, 80: 201-213
[2]  Liu J⁃Y (刘纪远), Wang S⁃Q (王绍强), Chen J⁃M
(陈镜明), et al. Storages of soil organic carbon and ni⁃
trogen and land use changes in China: 1990-2000. Acta
Geographica Sinica (地理学报), 2004, 59(4): 483-
496 (in Chinese)
[3]  A⁃lKaisi MM, Yin XH, Licht MA. Soil carbon and ni⁃
3811期                        罗由林等: 川中丘陵县域土壤碳氮比空间变异特征及其影响因素           
trogen changes as influenced by tillage and cropping sys⁃
tems in some Iowa soils. Agriculture, Ecosystems and
Environment, 2005, 105: 635-647
[4]  Li QQ, Yue TX, Wang CQ, et al. Spatially distributed
modeling of soil organic matter across China: An appli⁃
cation of artificial neural network approach. Catena,
2013, 104: 210-218
[5]  Wang HJ, Shi XZ, Yu DS, et al. Factors determining
soil nutrient distribution in a small⁃scaled watershed in
the purple soil region of Sichuan Province, China. Soil
and Tillage Research, 2009, 105: 300-306
[6]  Huang B, Sun WX, Zhao YC, et al. Temporal and spa⁃
tial variability of soil organic matter and total nitrogen in
an agricultural ecosystem as affected by farming prac⁃
tices. Geoderma, 2007, 139: 336-345
[7]  Wiesmeier M, Hübner R, Barthold F, et al. Amount,
distribution and driving factors of soil organic carbon and
nitrogen in cropland and grassland soils of southeast Ger⁃
many (Bavaria) . Agriculture, Ecosystems and Environ⁃
ment, 2013, 176: 39-52
[8]  Zhang S⁃W (张世文), Huang Y⁃F (黄元仿), Yuan
X⁃Y (苑小勇), et al. The spatial variability and factor
analyses of top soil texture on a county scale. Scientia
Agricultura Sinica (中国农业科学), 2011, 44(6):
1154-1164 (in Chinese)
[9]  Sun W⁃Y (孙文义), Guo S⁃L (郭胜利). The spatial
distribution of soil organic carbon and its influencing fac⁃
tors in hilly region of the Loess Plateau. Acta Ecologica
Sinica (生态学报), 2011, 31(6): 1604- 1616 ( in
Chinese)
[10]  Li Q⁃Q (李启权), Wang C⁃Q (王昌全), Zhang W⁃J
(张文江), et al. Predict the spatial distribution of soil
organic matter for a hilly region with Radial Basis Func⁃
tion Neural Network. Journal of Agro⁃Environment Sci⁃
ence (农业环境科学学报), 2012, 31(12): 2451-
2458 (in Chinese)
[11]  Li Q⁃Q (李启权), Wang C⁃Q (王昌全), Yue T⁃X
(岳天祥), et al. Method for spatial simulation of top⁃
soil organic matter in China based on a neural network
model. Advances in Earth Science (地球科学进展),
2012, 27(2): 175-184 (in Chinese)
[12]  Zhao M⁃S (赵明松), Zhang G⁃L (张甘霖), Wang D⁃
C (王德彩), et al. Spatial variability of soil organic
matter and its dominating factors in Xu⁃Huai alluvial
plain. Acta Pedologica Sinica (土壤学报), 2013, 50
(1): 1-10 (in Chinese)
[13]  Li Q⁃Q (李启权), Wang C⁃Q (王昌全), Yue T⁃X
(岳天祥), et al. Prediction of distribution of soil orga⁃
nic matter based on qualitative and quantitative auxiliary
variables: A case study in Santai County in Sichuan
Province. Progress in Geography (地理科学进展),
2014, 33(2): 259-269 (in Chinese)
[14]  Chaopricha NT, Marín⁃Spiotta E. Soil burial contributes
to deep soil organic carbon storage. Soil Biology and
Biochemistry, 2014, 69: 251-264
[15]  Rabbi SMF, Wilson BR, Lockwood PV, et al. Soil or⁃
ganic carbon mineralization rates in aggregates under
contrasting land uses. Geoderma, 2014, 216: 10-18
[16]  Zeng XH, Zhang WJ, Cao JS, et al. Changes in soil or⁃
ganic carbon, nitrogen, phosphorus, and bulk density
after afforestation of the “ Beijing⁃Tianjin Sandstorm
Source Control” Program in China. Catena, 2014, 118:
186-194
[17]  Zhang C⁃H (张春华), Wang⁃Z⁃M (王宗明), Ju W⁃M
(居为民), et al. Spatial and temporal variability of soil
C / N ratio in Songnen Plain maize belt. Environmental
Science (环境科学), 2011, 32(5): 1407- 1414 ( in
Chinese)
[18]  Yu D⁃S (于东升), Shi X⁃Z (史学正), Sun W⁃X (孙
维侠), et al. Estimation of China soil organic carbon
storage and density based on 1:1000000 soil database.
Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态学报),
2005, 16(12): 2279-2283 (in Chinese)
[19]  Mou X⁃J (牟晓杰), Sun Z⁃G (孙志高), Liu X⁃T (刘
兴土). Spatial distribution patterns of carbon and nitro⁃
gen in the tidal marsh soil of the Yellow River estuary.
Scientia Geographica Sinica (地理科学), 2012, 32
(12): 1521-1529 (in Chinese)
[20]  Hu Y⁃F (胡玉福), Deng L⁃J (邓良基), Zhang S⁃R
(张世熔), et al. Study on nutrient characteristics of
soils under different land utilization types in middle part
of Sichuan Basin. Journal of Soil and Water Conservation
(水土保持学报), 2006, 20(6): 75 - 78 ( in Chi⁃
nese).
[21]  Hu Y⁃F (胡玉福), Deng L⁃J (邓良基), Zhang S⁃R
(张世熔), et al. The soil proper ties of soils developed
from K1cg and J3pin central hill region of Sichuan Basin.
Chinese Journal of Soil Science (土壤通报), 2007, 38
(6): 1076-1080 (in Chinese)
[22]  Li T (李  婷), Zhang S⁃R (张世熔), Liu X (刘 
浔), et al. Spatial variation of soil organic matter and its
influence factors in the middle reaches of Tuojiang River
Basin. Acta Pedologica Sinica (土壤学报), 2011, 48
(4): 863-868 (in Chinese)
[23]  Lu R⁃K (鲁如坤). Analytical Method for Soil and Agro⁃
chemistry. Beijing: China Agricultural Science and
Technology Press, 2000: 108-109 (in Chinese)
[24]  Wang D⁃D (王丹丹), Shi X⁃Z (史学正), Yu D⁃S
(于东升), et al. Main natural factors controlling soil
organic carbon density in the uplands of Northeast Chi⁃
481 应  用  生  态  学  报                                      26卷
na. Ecology and Environmental Sciences (生态环境学
报), 2009, 18(3): 1049-1053 (in Chinese)
[25]  Li L⁃X (李丽霞), Gao Y⁃H (郜艳晖), Zhang Y (张
瑛). The application of dummy variable in statistics
analysis. Journal of Mathematical Medicine (数理医药
学杂志), 2006, 19(1): 51-53 (in Chinese)
[26]  Li Q⁃Q (李启权), Yue T⁃X (岳天祥), Fan Z⁃M (范
泽孟), et al. Spatial simulation of topsoil TN at the na⁃
tional scale in China. Geographical Research (地理研
究), 2010, 29(11): 1981-1991 (in Chinese)
[27]  Li Q⁃Q (李启权), Yue T⁃X (岳天祥), Fan Z⁃M (范
泽孟), et al. Study on method for spatial simulation of
topsoil SOM at national scale in China. Journal of Natu⁃
ral Resources (自然资源学报), 2010, 25(8): 1385-
1399 (in Chinese)
[28]  Pang S (庞  夙), Li T⁃X (李廷轩), Wang Y⁃D (王
永东), et al. Spatial distribution pattern of soil nitrogen
in croplands at county scale and related affecting factors.
Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态学报),
2010, 21(6): 1497-1503 (in Chinese)
[29]  Xu G⁃C (徐国策), Li Z⁃B (李占斌), Li P (李  
鹏), et al. Spatial distribution of soil total nitrogen in a
typical watershed of the Middle Danjiang River. Acta
Geographica Sinica (地理学报), 2012, 67 ( 11):
1547-1555 (in Chinese)
[30]  Gu C⁃J (顾成军), Shi X⁃Z (史学正), Yu D⁃S (于东
升), et al. Main factor controlling SOC spatial distribu⁃
tion at the province scale as affected by soil type and
land use. Acta Pedologica Sinica (土壤学报), 2013,
50(3): 1-8 (in Chinese)
[31]  Deng Q, Cheng XL, Yang YH, et al. Carbon⁃nitrogen
interactions during afforestation in central China. Soil
Biology and Biochemistry, 2014, 69: 119-122
[32]  Li Q⁃Q (李启权), Wang C⁃Q (王昌全), Zhang W⁃J
(张文江), et al. Prediction of soil nutrients spatial dis⁃
tribution based on neural network model combined with
goestatistics. Chinese Journal of Applied Ecology (应用
生态学报), 2013, 24(2): 459-466 (in Chinese)
[33]  Hu S, Chapin FS, Firestone MK, et al. Nitrogen limita⁃
tion of microbial decomposition in a grassland under ele⁃
vated CO2 . Nature, 2001, 409: 188-191
[34]  Li Z⁃P (李忠佩), Wu⁃D⁃F (吴大付). Organic C con⁃
tent at steady state and potential of C sequestration of
paddy soils in subtropical China. Acta Pedologica Sinica
(土壤学报), 2006, 43(1): 46-52 (in Chinese)
作者简介  罗由林,男,1990 年生,硕士研究生.主要从事土
壤资源环境研究. E⁃mail: S20132717@ 163.com
责任编辑  张凤丽
5811期                        罗由林等: 川中丘陵县域土壤碳氮比空间变异特征及其影响因素