中國土壤堿解氮含量與影響因子的空間關系研究

朱梓弘 ，朱同彬，楊霖 ，羅柳玲，謝銀財

1. 中國地質科學院巖溶地質研究所/國土資源部、廣西壯族自治區巖溶動力學重點實驗室，廣西 桂林 541004； 2. 中國地質大學（北京），北京 100083；3. 海南大學熱帶農林學院，海南 ?？?570228

土壤堿解氮主要包括礦質無機態氮及分子結構簡單的有機態氮，是土壤中能夠直接被植被吸收利用的氮素形式，也是衡量土壤供氮能力，反映土壤氮素有效性的重要指標（中國科學院南京土壤研究所，1978）。土壤堿解氮含量受多種因子的影響，存在著明顯的空間分異。近年來，眾多學者針對土壤堿解氮含量的空間變異及其影響因子開展了大量研究（羅由林等，2015；袁知洋等，2015；張振明等，2009），但并未形成統一的結論。從地形影響上看，已有研究指出土壤堿解氮含量與海拔高度呈顯著正相關（李相盈等，2016；袁知洋等，2015；張振明等，2009），但有部分學者卻認為海拔高度的增加并不利于堿解氮積累（胡玉福等，2008；唐杰等，2017）。從氣候因子來看，針對氣溫降水與堿解氮含量相互關系的研究中，同時也存在正相關（趙書軍等，2010）與負相關（施春健等，2007；明姣等，2013）兩種結論。從不同土地利用方式上看，林地受人為擾動少，植被覆蓋度高，土壤堿解氮含量一般高于其他用地方式（胡玉福等，2008；許冬梅等，2007），但在耕地、果園等用地方式下土壤堿解氮含量超過林地的現象同樣也被報導過（羅由林等，2015）。實際自然環境中，各因子之間通常都是以復雜的方式共同作用于土壤（白軍紅等，2006；劉培靜等，2012），不同因子之間影響模式的不同與影響強弱的差異可能是導致研究結論相互矛盾的重要原因。

以往研究多局限于縣域尺度（羅由林等，2015）、小流域尺度（劉培靜等，2012；許冬梅等，2007）或單一的地貌類型（胡玉福等，2008；唐杰等，2017），不同地區之間存在明顯的地域差異，導致影響土壤堿解氮含量空間分異的潛在主導因子可能會因為環境條件的不同而有差別，使得針對某一個地區的研究結論難以適用于其他地區。為比較不同環境條件下潛在主導因子的一致性與差異性，本研究進一步引入綜合自然區劃帶的概念。綜合自然區劃是依據自然環境條件及其組成成分的相似性與差異性，將地表具有相似的自然過程與自然現象的地區劃分為同一個區域的分區方法（伍光和等，2008）。同一自然帶通常具有相類似的自然環境條件，如水熱組合、植被特征、水文過程等，以綜合自然區劃帶作為研究單位，可以有效反映不同地域之間環境條件的差異。在此基礎上，本研究利用現有的GIS 數據，采用地理探測器的分析方法（王勁峰等，2017），分析主導中國土壤堿解氮含量空間分異的影響因子，探討在不同自然區劃帶中潛在主導因子的差異，旨在為土壤肥力保持及土地生產力資源的合理利用提供理論依據。

1 研究方法與數據處理

1.1 研究方法

本研究采用王勁峰等（2017）研發的地理探測器，分析主導土壤堿解氮含量空間分異的影響因子。地理探測器是探究地物空間分異規律，揭示其潛在驅動因子的統計學方法，該方法通過比較地物Y 與影響因子X 空間分布格局的一致性，以判斷影響因子對地物的影響程度大小。基本模型如下所示：

其中，q 為影響因子X 對地物Y 的影響程度大小，q 值介于0—1 之間，q 值越大表明影響因子對地物Y 的影響程度越大；L 為影響因子X 離散化處理后的分區；NL與N 分別為分區L 的樣本量與全區總樣本量；2hσ 與σ2分別為分區L 與全區的方差。

此外，考慮到不同影響因子之間存在兩兩交互作用，還需要評估影響因子X1與X2共同作用對堿解氮含量空間分異的影響程度，因此在模型（1）的基礎上，本文采用地理探測器中的“交互作用探測模型”研究方法，計算兩種因子交互時q 值大小，即q(X1∩X2)。地理探測器模型計算通過GeoDetector軟件完成（http://www.geodetector.org/）。

1.2 數據源與數據處理

中國土壤堿解氮數據來源于寒區旱區科學數據中心（http://westdc.westgis.ac.cn/）所提供的面向陸面模擬的中國土壤數據集（Wei et al.，2013）。該數據由二次土壤普查的1:100 萬中國土壤圖及8 595 個土壤剖面數據匯編而成，數據為柵格格式，空間分辨率1 km（圖1）。中國綜合自然區劃數據由黃秉維所編制的1:3 200 萬《中國綜合自然區劃圖》（黃秉維，1958），通過ArcGIS 軟件進行空間校準、坐標投影定義與矢量化處理而獲得（圖2）。

海拔高度數據為地理空間數據云（http://www.gscloud.cn）所提供的SRTM DEM 數字高程模型，坡度與坡向數據由 SRTM DEM 經ArcGIS 軟件換算得到。氣象數據由國家地球系統科學數據共享服務平臺（http://www.geodata.cn/）提供，其中氣溫數據為空間分辨率1.00 km 的月平均氣溫數據集，降水數據為空間分辨率10 km 的CGCM3模擬中國逐月降水量數據集。此外，土地利用數據來源于寒區科學數據中心，數據為分辨率1.00 km的中國地區土地覆蓋綜合數據集，數據共包含6 種主要的用地模式，即森林、草地、耕地、水域、建設用地與未利用地。

圖1 中國土壤堿解氮質量分數空間分布 Fig. 1 The distribution of soil alkeline-nitrogen mass fraction in China

1.3 數據處理

為提取柵格數據信息，本文借助ArcGIS 網格化功能（Fishnet），以5 km×5 km 網格為基本統計單元，在研究區內進行網格化采樣提取土壤堿解氮含量，中國全區共計樣點總量42 613 個，并將其分別劃分至熱帶季雨林帶、亞熱帶常綠闊葉林帶、溫帶落葉闊葉林帶等12 個自然帶中。地理探測器適用于自變量為類型變量，因變量為數值變量的分析，因此在應用模型前，需要借助ArcGIS 重分類功能（Reclassify）對海拔高度、坡度、坡向、氣溫、降水等連續型變量數據進行離散化處理。離散化處理分別在全區及各自然區劃帶中進行，處理采用分位數分類原則（Quantile），共分為6 類。最后，借助ArcGIS 的柵格信息提取功能（Extract）完成土壤堿解氮信息與環境指標的匹配，并通過地理探測器Geodetector 軟件，分別計算各自然區劃帶q值與交互作用q 值，以評估不同環境條件下各因子對土壤堿解氮含量空間分異的影響程度。此外，數據的拼接、裁剪、投影變化、整合換算、重采樣等預處理過程也通過ArcGIS 軟件完成。

2 結果與分析

土壤堿解氮含量受多種因子的共同影響。本研究選取海拔高度、坡度、坡向、氣溫、降水、土地利用方式等6 項影響因子指標（圖3），以探究在不同環境條件下土壤堿解氮含量空間分異的潛在主導因子。整體而言（圖4），各因子對土壤堿解氮的影響程度由大到小依次為土地利用方式（0.16）、坡度（0.09）、降水（0.09）、氣溫（0.08）、海拔高度（0.08）及坡向（0.00）；土地利用方式主導了中國土壤堿解氮含量的空間分異過程，基本表現為：林地 (147 mg·kg-1)＞草地 (113 mg·kg-1)＞耕地 (103 mg·kg-1)＞水域 (95 mg·kg-1)＞建設用地 (92 mg·kg-1)＞未利用地 (55 mg·kg-1)（圖5）。各因子交互作用中，影響程度最大的分別是土地利用∩氣溫（0.31）、土地利用∩降水（0.30）、海拔高度∩降水（0.27）、海拔高度∩氣溫（0.26）（圖6）。由此看出，從全國尺度上分析，土地利用方式及其與氣候因子的共同作用可能是主導中國土壤堿解氮含量的空間分異過程的重要因子。氣溫、降水與堿解氮含量的多元回歸分析結果表明，在6 種土地利用方式中，土壤堿解氮含量均表現為與氣溫呈顯著的負相關關系，與降水呈顯著的正相關關系（表1）。這說明，氣候因子在土地利用的基礎上提高了土壤堿解氮含量的空間異質性，使中國土壤堿解氮含量的空間分異過程進一步復雜化。

表1 土壤堿解氮與氣溫及降水量的多元回歸分析 Table 1 The Multiple regression analysis of soil alkali-hydrolyzed nitrogen with temperature and precipitation

自然區劃帶下的探測結果表明（表2），土壤堿解氮含量空間分異的潛在主導因子因其所處環境條件的不同而有明顯的差異。

在東部濕潤的季風氣候區，氣溫主導了土壤堿解氮的空間分異過程，尤其在熱帶季雨林帶與溫帶混交林帶，氣溫對土壤堿解氮含量的影響程度分別達到了0.19 與0.12。其次為海拔高度，在亞熱帶常綠闊葉林帶與溫帶森林草原帶，海拔高度是土壤堿解氮含量變化的主導因子，影響力程度分別為0.12與0.28。從因子的交互作用上看，氣溫∩海拔、氣溫∩降水是主導中國東部濕潤地區土壤堿解氮含量的空間分異的重要因子。

在西北干旱半干旱地區，坡度及降水主導了土壤堿解氮的空間分異過程。在溫帶半荒漠帶與溫帶荒漠帶土壤堿解氮空間分異的潛在主導因子為坡度，其影響程度分別達到了0.39 與0.20；而在溫帶草原帶，土壤堿解氮空間分異的潛在主導因子為降水，其影響程度達0.27。從交互因子上看，降水∩氣溫及海拔高度∩氣溫對土壤堿解氮含量的影響程度最大。

在青藏高原地區，海拔高度與降水量主導了高原區土壤堿解氮含量空間分異。在高原東部的森林草原帶，土壤堿解氮含量空間分異的潛在主導因子為海拔高度，交互主導因子為海拔高度∩氣溫；在高原中部及西部的草原帶與荒漠帶，海拔高度與降水的共同主導了土壤堿解氮的空間分異過程。

3 討論

圖3 影響土壤堿解氮含量的潛在影響因子 Fig. 3 The potential environmental factors affecting soil alkeline-nitrogen conten

本研究旨在論證土壤堿解氮含量空間分異的潛在主導因子是否會因其所處環境條件的不同而有差異。因此，本研究基于現有GIS 數據，采用地理探測器的研究方法，進一步量化各影響因子與土壤堿解氮含量的空間關系，比較各因子之間影響程度的差異以及不同環境條件下堿解氮含量潛在主導因子的差別。

3.1 全國尺度下土壤堿解氮含量的潛在主導因子

圖4 各因子對土壤堿解氮含量的影響程度 Fig. 4 The influence of various factors on soil alkeline-nitrogen content

圖5 不同土地利用方式下土壤堿解氮質量分數 Fig. 5 Soil alkeline-nitrogen mass fraction in different land use types

圖6 各影響因子及其交互作用對土壤堿解氮含量的影響程度 Fig. 6 The influence of factors and their interactions on soil alkeline-nitrogen content

從全國尺度上看，土地利用方式主導了中國土壤堿解氮的空間分異過程?；谌珖秶鷥鹊幕窘y計結果進一步證明了不同土地利用方式下土壤堿解氮含量在明顯的差異。一般認為，土壤堿解氮含量取決于土壤有機質的數量與熟化程度（劉世全等，2004），有機質含量高的土壤往往能夠保持較高的堿解氮含量（劉世全等，2004；Zhang et al.，2004）。在不同的土地利用方式下，由于其地表的覆被條件、生物量、凋落物數量及受人為擾動程度的不同，土壤有機質的豐缺狀況與熟化程度存在明顯的差異，因此不同土地利用 方式之間土壤堿解氮含量也具有一定的差別（張池等，2013；鄭杰炳等，2008）。林地與草地的覆被程度較高，且受人為擾動的影響少，大量的植被凋落物與腐殖質進入土壤，使土壤的有機質含量大幅度提高（吳樂知等，2007），因而林地與草地土壤可以維持充足的堿解氮含量以供應植被生長。相比之下，耕地受人為擾動較為頻繁，一方面，人為的開墾、除草等活動破壞了地表植被，導致植被凋落物與腐殖質數量大量減少（吳樂知等，2007）；另一方面，翻耕、松土等過程改變了土壤的微生物環境，加快了有機質的分解，從而導致耕地土壤的有機質含量下降（Gregorich et al.，1998；胡玉福等，2008），因此在有機質含量相對較低的耕地土壤中堿解氮含量也比較低。與耕地土壤類似，地表植被的狀況同樣也限制了水域與建設用地土壤堿解氮的積累，并使其含量保持著較低的水平（艾尤爾等，2014；張宏偉等，2008）。此外，未利用地主要分布于西部及西北部地區，多為沙漠、戈壁等荒地，基本沒有植被覆蓋，其惡劣的環境條件與植被狀況極大地抑制了有機質的積累過程（王紹強等，2000），因此在6 種土地利用方式中，未利用地的土壤堿解氮含量處于最低的水平。值得注意的是，不同土地利用方式下土壤堿解氮含量雖然存在顯著的差異，但僅以土地利用方式為線索仍然難以解釋中國土壤堿解氮復雜的空間分異規律。本研究還進一步統計了不同因子之間的交互作用對土壤堿解氮含量的影響程度。交互因子的分析結果表明，土地利用方式與氣溫及降水之間的共同作用對中國土壤堿解氮含量的空間變化有較為顯著的影響。氣溫、降水與堿解氮含量的多元回歸分析表明，氣溫的降低與降水量的增加會提高土壤的堿解氮含量（表1）。一般認為，降水量的增加有利于植被的增長與土壤養分的積累，而溫度的升高則會促進有機質的分解，不利于養分保持（解憲麗等，2004）。因此，在降水充沛且年平均氣溫較低的地區，土壤通常具有較為豐富的堿解氮。事實上，由圖1 也可以發現，分布于東部濕潤地區的林地土壤，其堿解氮含量由南向北隨溫度的減少而呈現出逐漸上升的變化趨勢；而分布于北部及高原地區的草地土壤，其堿解氮含量由西向東隨著降水量的增加而逐漸增加，這種空間分異模式與以往針對中國土壤有機質含量空間分異的研究結論相一致（解憲麗等，2004；王紹強等，2000）。本研究認為，不同土地利用方式之間的差異確定了中國土壤堿解氮含量的空間分異的基本模式，而在此基礎上，氣候因子的空間變化進一步影響了土壤堿解氮含量，并使其在大區尺度上發生更為復雜的變化。

表2 不同自然區劃帶土壤堿解氮含量的潛在主導因子與交互主導因子 Table 2 The dominant factors and interactive dominant factors of soil alkeline-nitrogen in different natural regionalization

3.2 不同自然區劃帶土壤堿解氮含量的潛在主導因子分析

從自然區劃帶得尺度上看，土地利用方式對土壤堿解氮含量空間分異的影響程度明顯降低。這可能是由于研究尺度縮小，土地利用方式的空間異質性也逐漸降低，即單一化，從而降低了土地利用方式對土壤堿解氮空間分異的影響程度。例如，亞熱帶常綠闊葉林帶與寒帶針葉林帶林地面積分別占區劃帶總面積的52.8%與80.7%，而在溫帶落葉闊葉林帶中耕地面積占比達到59.1%。這種單一化的土地利于方式難以解釋大尺度條件下土壤堿解氮復雜的變異形式，因此在很大程度上影響了地理探測器的統計結果。

在不同的自然區劃帶中，影響土壤堿解氮含量空間分異的潛在主導因子既存在一致性，也存在明顯差別。在東部濕潤季風區，氣溫及其與降水的交互作用主導了土壤堿解氮含量的空間分異過程。特別是在溫帶季風氣候區，土壤堿解氮含量的空間分異基本由氣溫主導，呈現出隨緯度的增加而不斷增加的變化趨勢。氣溫降低促進有機質積累，使土壤可以保持較高的堿解氮含量，這與以往針對東北地區土壤堿解氮的觀測結果相同（施春健等，2007）。與全國尺度的統計結果不同，東部季風區土壤堿解氮含量主要取決于氣溫，而降水對土壤堿解氮含量僅僅起到調節和控制的作用。這可能是由于東部地區氣候濕潤，植被數量多且類型豐富，充足的植被凋落物降低了土壤氮源的空間差異性，相反地，季風區各自然帶的帶幅寬廣，氣溫南北差異顯著，有機質的分解速率受氣溫的影響而有較大差異，因而土壤堿解氮含呈現出隨溫度的變化而變化的特征。不同的是，在亞熱帶常綠闊葉林帶與溫帶森林草原帶中，土壤堿解氮含量并非由氣溫主導，反而受海拔高度的影響較大。一般認為，地形條件可以影響地表水熱條件的再分配過程從而影響土壤堿解氮含量（胡玉福等，2008；李相盈等，2016；羅由林等，2015）。與其他自然區劃帶相比，亞熱帶常綠闊葉林帶與溫帶森林草原帶地形起伏較大，區內涵蓋了平原、丘陵、山地等多種地貌類型。復雜的地形條件使地表的水熱狀況進一步復雜化，從而造成土壤堿解氮的積累與分解速率在不同的海拔高度下呈現明顯的空間分異。因此，在這兩個自然區劃帶中，海拔高度的變化可以更好地解釋土壤堿解氮含量的空間分異規律。此外，海拔高度還可能通過影響土地利用方式影響土壤堿解氮含量（趙越等，2018），例如高海拔山地森林廣泛分布且受人為擾動少，土壤堿解氮含量高，而低海拔平原多被開墾為耕地并不利于堿解氮的積累。因此，在地形條件復雜的自然帶中，海拔高度的變化使得多種影響因子在較大的空間尺度上發生較為復雜分異，從而代替氣溫、降水成為主導土壤堿解氮含量空間分異過程的關鍵因素。

西部干旱、半干旱區，土壤堿解氮含量的空間分異主要受降水與坡度控制。水分是影響旱區土壤堿解氮來源的關鍵因素，一方面，降水量決定了旱區地表的植被狀況以及輸入土壤的凋落物量（王新源等，2013）；另一方面，充足降水可以改善旱區土壤的水分狀況，提高土壤微生物活性，從而控制凋落物分解與有機質的積累（Jacobson et al.，1998）。因此，在溫帶草原帶，土壤有機質含量隨著降水量的下降而下降，從而導致土壤堿解氮從總體上呈現出由東至西逐漸降低的變化特征。不同的是，在溫帶荒漠帶與溫帶半荒漠帶中，土壤堿解氮空間分異的主導因子為坡度，交互因子主要為海拔∩氣溫。地形因子對溫帶荒漠帶與溫帶半荒漠帶土壤堿解氮的空間分異起到了重要的作用，這與以往的研究結論相類似（塞牙熱木等，2017）。由圖1 可以發現，阿爾泰山、天山山脈、昆侖山脈及祁連山脈等高寒山區是溫帶荒漠與半荒漠帶土壤堿解氮的主要高值區域，相反在地形平坦的塔里木盆地、準噶爾盆地中土壤的堿解氮含量較低，基本在 60 mg·kg-1以下。溫帶荒漠帶與半荒漠帶深處內陸，氣候干燥，大部分地區的年降水量在50 mm 以下，地表植被狀況差，土壤保水保肥能力弱，土壤堿解氮量含量基本處于較低的水平。但在天山、阿爾泰山等地區，其絕對的海拔高度使得這些地區可以接收到東亞季風與盛行西風從高空攜帶而來的水汽，為植被的生長提供了充足的水源（伍光和等，2008）。豐富的植被狀況與高海拔條件下的低溫環境促進了土壤有機質的積累，使得堿解氮可以被有效保持。因此，在溫帶荒漠與半荒漠帶，地形條件決定了水分的空間再分配過程，從而主導土壤堿解氮含量的空間變化。

在西南部青藏高原地區，影響土壤堿解氮含量空間分異的潛在主導因子同樣也因其所處環境條件的不同而表現出明顯差異。在高原東部濕潤的森林草原帶，海拔與氣溫共同主導了土壤堿解氮的空間分異過程，但在氣候干旱的高原草甸草原帶與高原荒漠帶，海拔與降水的共同作用對土壤堿解氮含量的影響較大。土壤堿解氮的積累主要受地表水熱條件與植被狀況的制約。但在青高原地區，其絕對的海拔高度使氣溫、降水及植被等因素隨高度發生有規律的變化，從而導致高原土壤堿解氮含量在垂直方向上發生明顯的分異（劉世全等，2004；馬和平等，2013）。事實上，劉世全等（2004）的研究也已經證明了高原地區土壤堿解氮含量確實存在著明顯的垂直地帶性變化，具體表現為隨海拔高度的增加呈先增后減的垂直地帶性變化特征。高海拔條件下的低溫環境在一定程度有利于土壤堿解氮的積累（馬和平等，2013），但在海拔超過5 000 m的地區，由于氣候酷寒，土壤凍融交替頻繁，部分地區甚至被冰雪覆蓋，這種嚴酷的環境極大地限制了植被的生長（顧國安，1993），使得土壤堿解氮含量無法得到充分的積累。因此，在青藏高原的部分極高山區，土壤堿解氮含量呈出隨海拔高度的增加而不斷降低的變化趨勢。

4 結論

整體而言，土地利用方式主導中國土壤堿解氮含量的空間分異過程，主要表現為：林地 (147.5 mg·kg-1)＞草地 (113.4 mg·kg-1)＞耕地 (103 mg·kg-1)＞水域 (95.2 mg·kg-1)＞建設用地 (92.5 mg·kg-1)＞未利用地 (55.2 mg·kg-1)。在土地利用方式的基礎上，土壤堿解氮含量還受到氣溫與降水量的調控，具體表現為土壤堿解氮含量隨著氣溫的增加而降低，同時隨著降水量的增加而增加。

在東部濕潤季風區，土壤堿解氮含量的潛在主導因子主要為氣溫，但在地形復雜、地貌類型多樣的亞熱帶常綠闊葉林帶及溫帶森林草原帶中，海拔高度代替氣溫成為影響土壤堿解氮空間分異的潛在主導因子。在西部干旱半干旱區，降水與坡度對土壤堿解氮含量的空間分異起到了重要的作用。其中，降水主導了溫帶森林草原帶土壤堿解氮含量的空間變化。同時，坡度與海拔通過改變地表的水熱條件，控制著溫帶荒漠與溫帶半荒漠帶土壤堿解氮含量的變化。在青藏高原東部森林草原帶，溫度對土壤堿解氮含量的影響較大，而在高原中部及西部干旱地區，海拔與降水的共同作用主導了土壤堿解氮含量的空間分異。

本研究認為影響土壤堿解氮含量空間分異的潛在主導因子會因其所處環境條件的不同而有所差異，但這些主導因子在一定程度上能夠反映各自然區劃帶的基本環境特征，這為解釋土壤養分狀況對影響因子的響應模式存在明顯的地域差異提供了強有力的支持。