全 文 ：县域农田土壤氮素空间分布特征及其影响因素*
庞摇 夙1 摇 李廷轩1**摇 王永东1 摇 余海英1 摇 黄摇 迪2
( 1 四川农业大学资源环境学院, 四川雅安 625014; 2 中国科学院南京土壤研究所, 南京 210008)
摘摇 要摇 采用地统计学与 GIS相结合的方法,研究了四川省双流县土壤氮素空间分布特征及
其影响因素.结果表明:土壤全氮和碱解氮含量具有中等空间相关性,其空间相关距离分别为
15480 m和 26980 m.土壤全氮含量高值区主要位于北边的九江、新兴两镇,低值区主要位于
东南方向的合江、三星两镇;土壤碱解氮含量从北向南递减趋势比较明显.灰色冲积物上发育
的土壤全氮和碱解氮含量均显著或极显著高于紫色岩风化物和老冲积物;水稻土全氮和碱解
氮含量均极显著高于黄壤和紫色土;地形条件对土壤全氮和碱解氮含量的影响程度不同,但
均以丘陵最低;不同土地利用方式下,水田全氮和碱解氮含量均显著或极显著高于旱地和果
园;土壤氮素高值区施肥量明显高于低值区.
关键词摇 氮素摇 空间分布摇 影响因素摇 地统计学
文章编号摇 1001-9332(2010)06-1497-07摇 中图分类号摇 SI53. 6摇 文献标识码摇 A
Spatial distribution pattern of soil nitrogen in croplands at county scale and related affecting
factors. PANG Su1, LI Ting鄄xuan1, WANG Yong鄄dong1, YU Hai鄄ying1, HUANG Di2 ( 1College of
Resource and Environment, Sichuan Agricultural University, Ya爷 an 625014, Sichuan, China;
2 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China) . 鄄Chin. J. Appl.
Ecol. ,2010,21(6): 1497-1503.
Abstract: By using geostatistics and GIS, this paper studied the spatial distribution of soil nitrogen
in the croplands in Shuangliu County of Sichuan Province, China, and analyzed the related affecting
factors. There was a moderate spatial correlation between the contents of total nitrogen (TN) and
available nitrogen (AN) in the cropland soils, and the spatial correlation distance was 15480 m for
TN and 26980 m for AN. The regions with higher soil TN content were mainly in the north of the
County, i. e. , Jiujiang and Xinxing towns, while those with lower soil TN content were mainly in
the southeast of the County, i. e. , Hejiang and Sanxing towns. The soil AN content decreased obvi鄄
ously from north to south. The TN and AN contents in the soils developed from grey alluvium were
significantly higher than those developed from purplish rock saprolith and old alluvium. Paddy soil
had significantly higher contents of TN and AN than yellow soil and purple soil. Terrain condition
affected the soil TN and AN contents to different degree, and hilly region had the lowest contents of
soil TN and AN. Paddy fields had significantly higher contents of soil TN and AN, compared with
dryland and orchards; and the regions with higher soil nitrogen content were applied with obviously
higher amount of N fertilizer, compared to the regions with lower soil nitrogen content.
Key words: nitrogen; spatial distribution; affecting factor; geostatistics.
*四川省教育厅重点项目(2006A008,07ZA059)、四川省教育厅基金
项目(2006B009,07ZB063)、四川省青年基金项目(06ZQ026鄄020)和
环境污染与生态修复教育部重点实验室开放基金项目资助.
**通讯作者. E鄄mail: litinx@ 263. net
2009鄄09鄄21 收稿,2010鄄03鄄30 接受.
摇 摇 氮素是植物生长发育过程中最重要的元素之
一,目前,我国主要以施用氮肥为增加土壤氮素的主
要途径.据统计,我国氮肥消费量已占世界总消费量
的 30% [1-5] .然而,长期过量施肥不但增加了农业生
产成本,而且化肥氮素损失直接导致了表面及地下
水体面源污染等环境问题[4] . 此外,长期施用氮肥
导致农田土壤剖面积累了大量硝态氮,不但成为地
下水体的潜在污染源,而且影响农产品品质进而危
及人类健康[3,5-6] . 因此,探讨区域内农田土壤氮素
空间分布特征及其影响因素对于区域内的氮肥管理
和农业环境治理十分必要.目前,土壤氮素空间分布
特征研究已经涉及各种尺度[7-9] .其中,小尺度下的
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 6 月摇 第 21 卷摇 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2010,21(6): 1497-1503
研究比较深入[10-12],而较大尺度下的研究相对较少
且多基于大采样间距下所获得的少量土壤样本之
上[13-15],不但难以准确刻画区域内土壤氮素空间特
征,而且降低了影响因素研究的代表性[16-18] .
成都平原位于四川盆地西部,是我国主要的农
业生产基地之一.近年来,已有学者对整个地区土壤
氮素空间分布特征进行了研究[19],但对其周边县区
的研究却鲜见报道.双流县位于成都平原东南部,为
西南航空港所在地,是成都平原周边经济最发达、人
类活动频度最高的县区,区域内土壤分布连续性较
强,不同成土母质、土壤类型和地形地貌分布规律性
明显,对研究经济发达县区土壤氮素空间分布特征
及其影响因素具有较好的代表性.因此,本文在其县
域范围内加大采样密度,采用地统计学与 GIS 相结
合的方法探讨经济发达地区县域土壤氮素空间分布
特征及其影响因素,旨在为县域农业的合理规划和
生态环境保护提供基础信息.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
双流县地处 30毅13忆—30毅40忆 N,103毅43忆—104毅
15忆 E,东西宽 46 km,南北长 49 km,面积 1072 km2 .
县境内西北部为平原区,东南沿境为龙泉山脉,西南
至东北部为丘陵区,其中西南部以缓丘为主.成土母
质在平原地区以全新统冲积物为主,主要分布水稻
土;丘陵地区以更新统老冲积物为主,局部有紫色岩
层风化物,主要分布黄壤,有零星紫色土分布;山地
地区以紫色岩层风化物为主,局部有更新统老冲积
物,主要形成紫色土,局部有黄壤分布.全县辖 25 个
乡(镇)、3 个开发区,气候类型为亚热带湿润季风气
候,年均气温 16郾 2 益,年均降雨量 985郾 1 mm.
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 土壤样点采集 摇 在保证土壤样品代表性的
前提下,平均每 1郾 64 km2 布设 1 个采样点,在人为
活动强烈的平原地区,加密布点.每个土样以取土点
为中心,在 10 m半径内取 5 ~ 10 个耕层(0 ~ 20 cm)
土样混合而成,同时用 GPS (Garmin 72)记录中心
点的位置,全县共采集土样 644 个(图 1),采样时间
为 2007 年 10 月,由 25 个小组在全县 25 个乡(镇)
同时进行.
1郾 2郾 2 测定项目与方法摇 土壤全氮(TN)含量测定
采用半微量凯氏法;碱解氮(AN)含量测定采用碱解
扩散法[20] .
图 1摇 土壤样点分布图
Fig. 1摇 Distribution map of soil sampling points.
1郾 3摇 数据处理
采用 SPSS 13郾 0 软件对土壤全氮和碱解氮含量
进行描述性统计分析;单一样本 K鄄S 检验土壤全氮
和碱解氮含量数据的分布形态;单因素方差分析
(ANOVA)比较全氮和碱解氮含量在不同成土母质、
土壤类型、地形地貌和土地利用方式之间的差异,若
有显著性差异,则采用邓肯新复极差法(SSR)进行
多重比较. 在 GS+ 5郾 3 平台上对土壤全氮和碱解氮
含量进行半方差函数分析;利用 ArcGIS 9郾 0 进行普
通克里格插值.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 描述性统计分析
单一样本 K鄄S 检验表明,研究区域内土壤全氮
和碱解氮含量均呈对数正态分布,全氮含量的变化
范围为 0郾 19 ~ 2郾 48 g·kg-1,碱解氮含量的变化范
围为 9郾 31 ~ 224郾 59 mg·kg-1(表 1),说明两者在研
究区内值域范围广泛,有必要进一步研究其空间分
布特征.根据第 2 次土壤普查确定的氮素含量分级
标准,全氮和碱解氮含量平均值均属于缺乏水平.从
变异系数来看,土壤全氮和碱解氮含量均达到中等
变异强度,表明其空间分布并不均匀.由偏度检验值
可知,土壤全氮和碱解氮含量均呈右偏态分布.由于
传统统计分析只能概括变量变化的全貌,不能反映
其局部的变化特征,即只在一定程度上反映样本总
体,而不能定量地刻画变量的随机性、结构性、独立
8941 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
表 1摇 土壤全氮和碱解氮含量统计特征
Tab. 1摇 Statistical characteristics of soil total N and available N contents
项目
Item
最小值
Minimum
最大值
Maximum
平均值
Mean
标准差
SD
变异系数
CV (% )
偏 度
Skewness
峰 度
Kurtosis
分布类型
Distribution type
全氮 Total N
(g·kg-1) 0郾 19 2郾 48 0郾 90 0郾 39 43郾 33 0郾 94 1郾 15
对数正态
Lognormal
碱解氮 Available N
(mg·kg-1) 9郾 31 224郾 59 76郾 59 25郾 20 32郾 90 0郾 91 3郾 95
对数正态
Lognormal
性和相关性.为了解决这些问题,必须进一步采用地
统计学方法进行变量空间结构和分布特征分析[21] .
2郾 2摇 空间结构分析
土壤特性空间结构分析的关键是拟合出精度较
高的半方差函数模型,在选择最佳模型时,最重要的
是考虑决定系数 R2 的大小,其次是考虑残差 RSS
的大小,然后再综合考虑变程和块金值的大小[22] .
块金值和基台值之比可以揭示变量的空间相关程
度,若比值<25% ,表明变量具有强烈的空间相关
性,且空间分布主要受结构性因子的影响;若比值>
75% ,则说明变量的空间相关性很弱,且空间分布
主要受随机性因子的影响[23-25] .
通过计算全步长变化域(51062 m)下的半方差
函数可知,土壤全氮和碱解氮含量在全域内的最佳
模型分别为指数模型和球状模型,土壤全氮与碱解
氮含量实验半方差函数分别在 46095 m 和 45115 m
步长变化域内相对平稳(图 2). 当步长变化域分别
大于 46095 m 和 45115 m 时,土壤全氮和碱解氮含
量实验半方差函数开始不稳定,其散点图随着步长
间距增加而逐渐分散,这是由于变量的各向异性所
导致的[23] .区域内土壤全氮含量实验半方差函数相
对稳定的步长变化域略大于土壤碱解氮,说明其受
各种因素的影响小于后者.
摇 摇 为了进一步了解土壤全氮和碱解氮含量的空间
结构特征,分别对土壤全氮和碱解氮含量在 46095
m和 45115 m步长变化域内不同间距下的半方差函
数进行计算,得到了较好的理论模型. 由表 2 可知,
土壤全氮含量以 1500 m 步长下的指数模型为最佳
模型,碱解氮含量以 2400 m步长下的球状模型为最
佳模型.土壤全氮和碱解氮含量最佳模型所得的变
程分别为 15480 m和 26980 m,均远大于采样间距,
表明采样设计符合要求. 土壤全氮与碱解氮含量均
表现出正基底效应,而由块金值和基台值之比可知,
土壤全氮和碱解氮含量均具有中等空间相关性,其
空间分布受结构性因素和随机性因素的共同影响.
2郾 3摇 空间分布特征
根据半方差理论模型,采用普通克里格法(ordi鄄
nary kriging)分别获得了土壤全氮和碱解氮含量的
空间分布图(图 3).交互检验表明,土壤全氮和碱解
氮含量克里格插值的标准化均方根误差(RMSSE)
分别为 1郾 001 和 1郾 041,表明插值精度较高(接近
1),空间预测效果较好.
摇 摇 由图 3 可知,研究区土壤全氮和碱解氮含量在
空间分布上表现出一定的相似性,均有从北向南逐
渐降低的趋势.土壤全氮含量总体上呈斑块状分布,
以中下水平(0郾 91 ~ 1郾 18 g·kg-1)分布范围最广,
并以最南边的大林镇为起点向北依次递增,向东西
两方依次递减,高值区主要位于北边的新兴、九江两
镇,相对较低的区域主要位于东南方向的合江、三星
两镇.土壤碱解氮含量从北向南递减趋势较为明显,
但总体均处于较低水平.土壤普查资料显示,区域内
成土母质、土壤类型以及地形地貌的分布规律与土
图 2摇 全域内土壤全氮和碱解氮含量各向同性试验与理论
半方差
Fig. 2摇 Global experimental and model鄄fitted semivariograms of
soil total N and available N contents at the full extent.
TN: 全氮 Total N; AN: 碱解氮 Available N. 下同 The same below.
99416 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 庞摇 夙等: 县域农田土壤氮素空间分布特征及其影响因素摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 土壤全氮和碱解氮含量的半方差函数及其拟合参数
Tab. 2摇 The theoretical semi鄄variogram models for soil total N and available N contents and their parameter values
项目
Item
模 型
Model
变 程
Range
(m)
步 长
Lag
(m)
块金值
C0
基台值
C0 +C
C0 / (C0 +C)
(% )
决定系数
R2
残差
RSS
全氮 Total N 指数 Exponential 15480 1500 0郾 02027 0郾 04064 0郾 501 0郾 840 8郾 409E鄄05
碱解氮 Available N 球状 Spherical 26980 2400 0郾 06780 0郾 14560 0郾 534 0郾 838 1郾 833E鄄03
图 3摇 土壤全氮和碱解氮含量的空间分布图
Fig. 3摇 Spatial distribution maps of soil total N and available N contents.
壤全氮和碱解氮含量的主要变化方向具有一定相关
性.
2郾 4摇 影响因素
影响土壤氮素空间分布的因素较多,包括成土
母质、土壤类型、坡度、土地利用方式、施肥管理、水
土流失程度等[26-27] . 空间分析表明,土壤氮素含量
空间分布受到结构性因子和随机性因子的共同影
响,其变化趋势与区域内的成土母质、土壤类型及地
形地貌分布规律有一定的相关性.此外,区域内社会
经济及农业生产发展迅速,人类活动对土地利用方
式及施肥量的影响较大,直接影响到了土壤氮素含
量的空间分布.因此,本文选择成土母质、土壤类型
和地形地貌作为结构性因子,选择土地利用方式及
施肥量作为随机性因子,研究其对土壤氮素含量空
间分布的影响.在前 4 种影响因素中,由于某种因子
的具体类型之间(如成土母质中的灰色冲积物、老
冲积物和紫色岩风化物)的调查样点数并不相同,
因此不能进行多因素方差分析,而只能进行单因素
方差分析.
2郾 4郾 1 成土母质 摇 成土母质影响着土壤的物理化
学组成、物质的风化及淋溶等,从而影响土壤氮素的
累积和淋失.统计分析表明,研究区内不同成土母质
发育的土壤全氮和碱解氮含量存在显著(F = 6郾 53,
P<0郾 05)或极显著(F = 31郾 14,P<0郾 001)差异(表
3).其中,灰色冲积物发育土壤的全氮含量极显著
高于老冲积物,显著高于紫色岩风化物.灰色冲积物
发育土壤的碱解氮含量极显著高于老冲积物和紫色
岩风化物,而后两种母质之间差异不显著,这与陈肖
等[19]的报道相似.产生这种差异的原因主要是灰色
冲积物是由养分含量丰富的第四系全新统近代河流
冲积物发育而成,且多形成水稻土,所以全氮和碱解
氮含量较高;而老冲积物上发育的土壤质地粘重,矿
质养分含量较低,因此全氮和碱解氮含量较低.
2郾 4郾 2 土壤类型 摇 不同土壤类型具有不同的成土
过程、发育程度及耕作管理措施,因此造成土壤特性
在不同土壤类型间存在差异.统计分析表明(表 4),
黄壤、水稻土和紫色土 3 种土壤类型之间全氮和碱
解氮含量的差异均达到极显著水平(F 值分别为
24郾 53 和 26郾 50,P = 0郾 000). 多重比较表明,水稻土
全氮和碱解氮含量均极显著高于黄壤和紫色土,后
两种土壤类型之间差异不显著.
0051 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
表 3摇 不同成土母质土壤全氮和碱解氮含量的均值与方差
分析
Tab. 3 摇 Mean and variance analysis of soil total N and
available N contents under different soil parent materials
成土母质
Parent material
样点数
Sample
number
全 氮
Total N
(g·kg-1)
碱解氮
Available N
(mg·kg-1)
灰色冲积物
Grey alluvium
272 0郾 97aA 85郾 30aA
老冲积物
Old alluvium
124 0郾 85bB 68郾 64bB
紫色岩层风化物
Purplish rock saprolith
248 0郾 87bAB 71郾 01bB
F值 F value 6郾 53 31郾 14
同列不同小、大写字母分别表示差异显著(P臆0郾 05)和极显著(P臆
0郾 01)Different small and capital letters in the same column meant signifi鄄
cant difference at 0郾 05 and 0郾 01 levels, respectively. 下同 The same be鄄
low.
2郾 4郾 3 地形条件 摇 地形条件影响水热条件和成土
物质的再分配,导致土壤特性因地形条件变化而产
生差异[28],从而影响到土壤氮素含量的分布情况.
统计分析表明(表 5),平原、山地及丘陵 3 种地形条
件间土壤全氮和碱解氮含量的差异均达到极显著水
平(F值分别为 15郾 15 和 27郾 07,P<0郾 001). 土壤全
氮含量的均值表现为山地>平原>丘陵,多重比较表
明,山地和平原的全氮含量均极显著高于丘陵,但前
两者间并无显著性差异. 土壤碱解氮含量则是平原
极显著高于山地和丘陵,后两者间无显著差异.表明
研究区域内地形条件对土壤全氮和碱解氮空间分布
的影响程度不一,具体原因有待进一步探讨.
2郾 4郾 4 土地利用方式 摇 土地利用是自然条件和人
为活动的综合反映,土地利用方式不同,则地表覆盖
及人为干扰影响程度不同,从而直接影响土壤氮素
的输入和输出,进而深刻影响土壤中的氮素贮量和
有效性[29] .统计分析表明(表 6),区域内 3 种典型
土地利用方式(水田、旱地、果园地)间土壤全氮和
碱解氮含量的差异均达到极显著水平(F 值分别为
20郾 79 和 17郾 64,P<0郾 001).土壤全氮和碱解氮含量
的均值表现为水田>旱地>果园,多重比较表明,水
田的全氮含量显著高于旱地,极显著高于果园,而后
表 4摇 不同土壤类型土壤全氮和碱解氮含量的均值与方差
分析
Tab. 4 摇 Mean and variance analysis of soil total N and
available N contents under different soil types
土壤类型
Soil type
样点数
Sample
number
全 氮
Total N
(g·kg-1)
碱解氮
Available N
(mg·kg-1)
黄壤 Yellow soil 103 0郾 78bB 67郾 97bB
水稻土 Paddy soil 429 0郾 97aA 81郾 49aA
紫色土 Purple soil 112 0郾 75bB 65郾 73bB
F值 F value 24郾 53 26郾 50
表 5摇 不同地形条件土壤全氮和碱解氮含量的均值与方差
分析
Tab. 5 摇 Mean and variance analysis of soil total N and
available N contents under different terrain conditions
地形条件
Terrain condition
样点数
Sample
number
全 氮
Total N
(g·kg-1)
碱解氮
Available N
(mg·kg-1)
平原 Plain 279 0郾 96aA 84郾 57aA
丘陵 Hills 302 0郾 82bB 69郾 99bB
山地 Mountains 63 1郾 06aA 72郾 83bB
F值 F value 15郾 15 27郾 07
表 6摇 不同土地利用方式土壤全氮和碱解氮含量的均值与
方差分析
Tab. 6 摇 Mean and variance analysis of soil total N and
available N contents under different land use types
土地利用方式
Land use type
样点数
Sample number
全 氮
Total N
(g·kg-1)
碱解氮
Available N
(mg·kg-1)
水 田 Paddy field 421 0郾 97aA 80郾 70aA
旱 地 Dryland 61 0郾 86bAB 71郾 66bB
果 园 Orchard 162 0郾 75bB 67郾 74bB
F值 F value 20郾 79 17郾 64
两者之间差异不显著. 土壤碱解氮含量的均值比较
结果与全氮相同,但水田与旱地间的差异达到了极
显著水平,旱地和果园之间差异不显著.产生这种差
异与当地农户对不同土地利用方式的投入与管理水
平有很大关系.实地调查表明,水田多集中分布在县
域内主要粮油产区,农户对水田作物投入的肥料和
管理水平普遍较高.此外,由于旱地和果园通气条件
较好,耕层有机质分解较快,氮素流失相对容易,使
得其全氮和碱解氮含量均较水田低.
2郾 4郾 5 施肥量摇 地区间有机肥和氮肥的施用量不
同导致土壤全氮和碱解氮含量产生差异. 根据空间
插值结果,选取土壤全氮的高、低值区进行有机肥施
用量的对比,选取碱解氮高、低值区进行氮肥施用量
的对比.由于双流县为西南航空港所在地,当地政府
禁止焚烧秸秆而采取还田措施处理作物残茬,并以
秸秆还田腐熟技术作为有机肥来源以提高农田土壤
全氮含量.因此,本研究选取各乡镇用于还田腐熟的
秸秆量作为有机肥施用量进行对比分析. 由图 4 可
知,在全氮含量较高的九江镇,2006 年用于还田腐
熟的秸杆量达 9136 t,比含量较低的合江镇(2597 t)
高出近 3郾 5 倍. 对比碱解氮高、低值区氮肥施用量
(图 5)可知,碱解氮含量较高的金桥镇 2006 年氮肥
(N)施用量达 593 kg·hm-2,比含量较低的三星镇
(259 kg·hm-2)高出约 2郾 3 倍.
10516 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 庞摇 夙等: 县域农田土壤氮素空间分布特征及其影响因素摇 摇 摇 摇 摇
图 4摇 土壤全氮高、低值区还田腐熟秸杆量
Fig. 4摇 Decomposed straw return to the field in the higher and
lower value regions of total N.
图 5摇 土壤碱解氮高、低值区氮肥(纯氮)施用量
Fig. 5摇 N application rate in the higher and lower value regions
of available N.
3摇 结摇 摇 论
土壤全氮和碱解氮含量具有中等空间相关性,
其空间分布受结构性因素和随机性因素的共同影
响;两者空间相关距离分别为 15480 m 和 26980 m,
具有空间相关性的范围十分广泛.
土壤全氮和碱解氮含量总体上呈斑块状分布,
但两者高、低值区的分布范围有所差异. 因此,对整
个区域内的农田管理与肥料投入应有针对性地分区
进行.
土壤全氮和碱解氮含量在不同成土母质、土壤
类型、土地利用方式间均存在显著或极显著差异;地
形条件对土壤氮素的影响程度不一,土壤全氮含量
以山地最高,碱解氮含量以平原最高;土壤氮素含量
与施肥量关系密切,高值区施肥量明显高于低值区.
由于研究区环境条件并不均一,各因子的影响并不
独立,存在着交互作用. 因此,调控区域内氮肥施用
及治理农业面源污染需要考虑各因素的综合影响.
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作者简介摇 庞摇 夙,男,1984 年生,硕士研究生.主要从事土
壤理化特性空间变异研究. E鄄mail: jiang_jing617@ 163. com
责任编辑摇 张凤丽
30516 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 庞摇 夙等: 县域农田土壤氮素空间分布特征及其影响因素摇 摇 摇 摇 摇