黃土高原王東溝小流域土壤表層氮的空間分布

趙曉芳, 黃明斌

(1.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100;2.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

土壤作為在時間和空間上的連續體，它的變異是許多因素相互作用的結果，具有尺度上的相關性。土壤空間變異可分為物理性質的空間變異和化學性質的空間變異，其中對土壤化學性質的空間變異研究主要集中在土壤養分空間變異性。土壤氮作為土壤養分的重要組成部分一直是土壤養分空間變異研究的熱點領域[1]。土壤中的氮可以分為有機態氮和無機態氮，有機態氮占土壤全氮的80%～95%，剩余的則是以硝態氮和銨態氮為主要存在形態的無機態氮。土壤中的有機態氮不能直接被植物吸收利用，能夠被植物直接吸收利用的是以硝態和銨態形式存在的無機態氮。

土壤氮空間變異受諸多因素的影響，不同空間尺度上影響氮空間分布的因素不一樣。如李龍等[2]對內蒙古赤峰市敖漢旗黃花甸子流域全氮空間分布進行了研究，認為不同的坡度、坡向、海拔和土地利用類型對全氮空間分布存在著顯著影響。吳德勇等[3]對德陽旌陽區土壤氮素空間變異特征進行分析，研究結果表明研究區土壤全氮空間變異主要受母質、地形等結構因素的綜合影響,而人為活動因素是堿解氮空間變異的主控因素。Hirobe等[4]對日本柳杉土壤氮素轉化格局空間變異的研究發現坡度和坡向對其有重要的影響。訾偉等[5]對貴州中部典型喀斯特高原地貌類型的陳家寨小流域土壤養分空間變化進行研究，發現不同土地利用方式下養分含量是有很大差異。上述研究結果均表明，不同地區影響養分空間分布的因素是不同的。

本文選擇黃土高原王東溝小流域為研究對象，由于其特殊的地形地貌，影響其養分空間分布的因素主要有地貌單元和土地利用方式兩種。隨著人類的生產活動，地貌單元發生改變，土地利用方式增多。因此，本研究中對王東溝流域地貌單元和土地利用方式的進行新的劃分，采用經典統計學分析和地統計方法，分析不同地貌單元和土地利用類型對全氮、硝態氮和銨態氮的空間異質性的影響，闡明氮素的空間變異特征，為估算黃土高原更大尺度土壤養分的空間分布特征、合理施肥養分管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

王東溝小流域隸屬于陜西省長武縣(107°40′30″—107°42′30″E，35°12′—35°16′N)，位于黃土高原中南部地區，海拔940～1 220 m，屬典型的黃土高原溝壑區，溝壑密度2.78 km/km2，流域總面積8.3 km2。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫9.1℃，無霜期171 d，年平均降水量584 mm，降水季節性分布不均，主要集中在7—9月份。主要的土壤類型為黑壚土，土質疏松深厚，母質是中壤質馬蘭黃土。該流域是傳統的旱作農業區，包括王東和丈六兩個自然村，土地利用類型主要有農地、荒草地、果園、和林地等。

1.2 樣品采集與測定方法

1.2.1 樣品采集方法 2017年7月份在王東溝流域用內徑為3 cm的半圓形土鉆對其表層土壤進行了多點和重復采樣，采樣深度為0—20 cm。此次共采集土壤樣品267個(圖1)。其中，塬面土地利用類型主要為農地、果園和少量的廢棄果園及荒草地，共采集了84個土樣。坡面土地利用類型有農地、果園、廢棄果園、林地和荒草地，共采集了114個土樣。溝道主要土地利用類型有林地和荒草地，采集了69個土樣。每個采樣點均用手持GPS定位經緯度。

圖1 黃土高原溝壑區王東溝小流域高程和表層(0-20 cm)土壤采樣點分布

1.2.2 樣品測定方法 將采集的新鮮土壤樣品充分混勻后，一部分鮮樣直接用于測定土壤硝態氮和銨態氮，另一部分鮮樣放置陰涼通風的地方自然風干，經自然風干的土壤樣品磨細過0.25 mm篩后用于全氮的測定。土樣中硝態氮和銨態氮的測定方法是：將新鮮土樣先用2 mol/L的KCL浸提，再用連續流動分析儀測定硝態氮和銨態氮的含量[6]。土樣中的全氮的測定方法是：半微量凱氏定氮法[7]。

1.3 數據處理

不同地貌單元、土地利用方式對全氮、硝態氮和銨態氮的影響用SPSS 20.0進行方差分析，分析其顯著性水平。通常認為顯著性水平<0.001的影響是極顯著，顯著性水平<0.05的影響是顯著，顯著性水平>0.05的影響是不顯著[8]。同時利用SPSS 20.0中的K-S檢驗法對數據進行正態分布檢驗，若K-S檢驗的p值>0.05，則表明數據都服從正態分布，可以進行經典描述統計分析，若K-S檢驗的p值<0.05，則進行對數正態檢驗，符合對數正態分布也可進行經典描述統計分析。用SPSS 20.0對測得的全氮、硝態氮和銨態氮的數據進行描述統計分析，分析出能反映所測數據性質的均值、中值、標準差、極小值、極大值、變異系數、偏度和峰度。偏度表征土壤養分含量數據分布偏斜方向和程度的度量，是土壤養分數據分布非對稱程度的數字特征。峰度表征土壤養分含量數據分布形態的陡緩程。變異系數表征土壤養分特性的空間變異程度。變異系數可定義為：

(1)

式中：Cv為變異系數；σ為標準差；μ為均值。通常認為變異系數≤10%時為弱變異，變異系數介于10%～100%時為中等變異，變異系數≥100%則為強變異[9]。

將采樣點GPS定位數按不同地貌單元導入ArcGIS 10.2中，每個點賦以相應的氮含量的屬性值，經阿爾伯斯投影轉化，生成以米為單位的平面坐標，利用地統計分析模塊克里金內插法，先分別生成各個地貌單元氮含量分布圖，最后疊加合成小流域氮含量分布圖。

2 結果與分析

2.1 不同地貌單元和土地利用類型下全氮空間分布特征

全氮空間分布影響因素中，地貌單元的顯著性水平<0.05，土地利用類型的顯著性水平<0.001，地貌單元×土地利用類型的顯著性水平<0.001(表1)。說明地貌單元和土地利用類型對全氮的空間異質性影響是顯著的，并且地貌單元和土地利用類型存在著顯著的交互作用。全氮的空間變異系數為21.21%(表2)，空間分布呈中等程度變異。該流域土壤表層全氮含量均值為0.99 g/kg,農田、果園、廢棄果園、林地、荒草地全氮均值含量分別為：0.92，1.06，0.87，1.08，0.94 g/kg(表3)，塬面、塬坡、溝道全氮均值含量分別為：1.04，0.96，1.01 g/kg(表4)。可知小流域不同土地利用類型下土壤全氮變化趨勢是：林地>果園>荒草地>農田>廢棄果園，不同地貌單元下土壤全氮變化趨勢是：塬面>溝道>塬坡。各地貌單元土壤中全氮含量經統計分析后可知呈正態分布(表4)，因此可將其數據導入ArcGIS 10.2中做出含量分布圖(圖2)。

表1 王東溝小流域地貌單元與土地利用類型對氮含量影響的方差分析

表2 不同養分類型描述性統計特征值

張春霞等[10]2003年對王東溝流域不同土地利用類型和地貌單元下全氮含量進行了研究。研究結果表明，塬面、坡坮地和山地全氮均值含量分別為0.80，0.65，0.66 g/kg，農田、果園、林地和草地全氮均值含量分別為0.81，0.69，0.89，0.77 g/kg。王東溝流域土地利用經過十幾年的恢復和變化不同土地利用類型全氮含量均有明顯提高，林地依然是所有土地利用方式中全氮含量最高的。這是因為林地含有大量枯枝落葉層，枯枝落葉通過微生物分解之后會向土壤供給養分，所以林地全氮含量最高。果園有機氮肥和無機氮肥長期大量的投入，使得氮在果園土壤中有了一定的積累，所以果園土壤全氮含量有了顯著的上升，高于農田和荒草地。農田和荒草地全氮均值含量分別為0.92，0.94 g/kg(表3)，兩者均值含量差別不大，加之采樣農田的類型部分為7月份已收割的小麥地，土壤中的部分氮素已被小麥吸收利用，所以農田的全氮均值含量會略低于荒草地。不同的地貌單元下土地利用類型有很大差異，果園和農田主要集中分布在塬面，林地和荒草地主要分布在溝道，所以塬面和溝道全氮含量高于塬坡。

2.2 不同地貌單元和土地利用類型下硝態氮空間分布特征

影響硝態氮空間變異因素中，地貌單元的顯著性水平<0.05，土地利用方式的顯著性水平<0.001，地貌單元×土地利用類型的顯著性水平<0.001(表1)。說明地貌單元和土地利用方式對硝態氮的空間異質性影響是顯著的，并且地貌單元和土地利用類型存在著顯著的交互作用。硝態氮的空間變異系數為115.77%(表2)，空間變異程度屬強變異。該流域土壤表層硝態氮均值含量9.80 mg/kg，農田、果園、廢棄果園、林地、荒草地硝態氮均值含量分別為：16.49，22.99，3.66，4.85，1.03 mg/kg(表3)，塬面、塬坡、溝道硝態氮均值含量分別為：20.55，7.00，2.57 mg/kg(表4)。

表3 不同土地利用類型描述性統計特征值

表4 不同地貌單元描述性統計特征值

因此可知小流域不同土地利用類型下土壤硝態氮變化趨勢為：果園>農田>林地>廢棄果園>荒草地，不同地貌單元下土壤硝態氮變化趨勢為：塬面>塬坡>溝道。各地貌單元土壤中硝態氮含量經統計分析后可知呈正態分布和對數正態分布(表4)，因此可將其數據導入ArcGIS 10.2中做出含量分布圖(圖3)。

由于地貌單元和土地利用類型的不同，農田和果園硝態氮含量會受施肥的影響。本次對王東溝小流域土壤樣品的采集是在7月份，經調查果園的施肥期主要集中在6月份，氮肥的施用種類有復合肥、尿素、硝銨等[11]。由于施肥不久果園土壤中會殘留大量未被果樹吸收利用的硝態氮，同時硝態氮未大量淋失，加之黃土高原土質疏松多孔易將土壤中的部分銨態氮肥的銨態離子氧化成硝態離子，使得果園土壤中的硝態氮含量明顯升高，高于其他土地利用類型。農田也由于肥料的長期投入，使得硝態氮含量有了一定的積累。林地和荒草地硝態氮的來源主要靠枯枝落葉層的分解，且硝態氮在林地和草地無機態氮中所占比例低于30%[12-13]，所以不同土地利用類型下林地和荒草地硝態氮含量低于果園和農田。由于果園和農田大部分分布在塬面，因此不同地貌單元下硝態氮含量高于塬坡和溝道。

圖2 黃土高原溝壑區王東溝小流域表層(0-20 cm)全氮含量分布 圖3 黃土高原溝壑區王東溝小流域表層(0-20 cm)硝態氮含量分布

2.3 不同地貌單元和土地利用類型下銨態氮空間分布特征

不同地貌單元和土地利用類型對銨態氮空間分布顯著性影響水平>0.05，地貌單元和土地利用類型交互作用顯著性水平均>0.05(表1)，說明地貌單元、土地利用方式對銨態氮空間分布沒有顯著影響,地貌單元和土地利用類型不存在交互作用。王東溝小流域不同土地利用類型農田、果園、林地、荒草地、廢棄果園土壤銨態氮含量分別為：2.53，2.64，3.76，2.98，1.76 mg/kg(表3)，不同地貌單元塬面、塬坡和溝道銨態氮含量分別為2.80，2.67，2.93 mg/kg(表4)，不同土地利用類型和地貌單元下銨態氮含量差別不是很大。同時可知小流域不同土地利用類型下土壤銨態氮變化趨勢為：林地>荒草地>果園>農田>廢棄果園，不同地貌單元下土壤銨態氮變化趨勢為：溝道>塬面>塬坡。各地貌單元土壤中銨態氮含量經統計分析后可知呈正態分布和對數正態分布(表4)，因此可將其數據導入ArcGIS 10.2中做出含量分布圖(圖4)。

劉和滿等[12]對藏東南色季拉山溝壑區土壤氮素空間分布特征研究結果表明，林地中銨態氮占無機態氮的78%。張學龍等[13]對祁連山青海云杉林土壤氮的含量特征研究表明，銨態氮是土壤有效態氮的主要形式，所占比例在70%以上。廖圣祥等[14]對草地硝態氮和銨態氮研究會發現，草地銨態氮含量明顯高于硝態氮。上述研究結果表明，林地和草地中銨態氮含量顯著地高于硝態氮，是無機態氮的主要存在形態。果園和農田中銨態氮含量較低，也沒有枯枝落葉層分解向土壤中釋放銨態氮，所以不同土地利用類型下林地和荒草地銨態氮的含量高于果園和農田。溝道土地利用類型只有林地和荒草，因此不同地貌單元下溝道銨態氮含量高于塬面和塬坡。

圖4 黃土高原溝壑區王東溝小流域表層(0-20 cm)銨態氮含量分布

3 結 論

研究結果表明在不同土地利用類型下土壤全氮分布規律為：林地>果園>荒草地>農田>廢棄果園；硝態氮分布規律為：果園>農田>林地>廢棄果園>荒草地；銨態氮分布規律為：林地>荒草地>果園>農田>廢棄果園。不同地貌單元下土壤全氮分布規律為：塬面>溝道>塬坡；硝態氮分布規律為：塬面>塬坡>溝道；銨態氮分布規律為：溝道>塬面>塬坡。同時研究發現地貌單元和土地利用方式對全氮和硝態氮空間分布的影響是顯著的，對銨態氮空間分布沒有顯著的影響，且相比于地貌單元，土地利用方式對全氮和硝態氮空間分布的影響更為顯著，因此，在研究黃土高原地貌單元和土地利用方式對全氮和硝態氮空間分布影響時，應著重考慮土地利用方式對其分布的影響。上述研究結果可用于指導黃土高原溝壑區小流域土壤施肥管理和估算黃土高原更大尺度氮空間分布提供依據。