區縣域尺度土壤全氮的空間分布格局分析

李 龍,秦富倉,姜麗娜,姚雪玲

1 內蒙古農業大學,沙漠治理學院, 呼和浩特 010011 2 中國林業科學研究院林業新技術研究所, 北京 100091 3 中國林業科學研究院林業荒漠化研究所, 北京 100091

土壤中的氮元素不僅是保障植物正常生長的必需元素,也是衡量土壤肥力的重要指標之一。土壤全氮是指土壤中各種形態氮素含量的總和,準確掌握土壤全氮含量的空間分布格局及其變異特征是區域合理利用土地資源、進行精準施肥的重要前提[1-2]。與此同時,土壤全氮的空間變異受到自然和人為等多種因素的共同影響[3],眾多學者也紛紛研究指出,地形[4]、植被[5-6]、土地利用方式[7]以及土壤侵蝕[8]等諸多因素均顯著地影響著土壤全氮的空間分布格局。

隨著精準農業的發展和科學利用土地的要求日益提升,找到控制土壤全氮空間分布的主導因素對揭示土壤全氮分布規律起著極其重要的作用,在全球氣候變化的大背景下,深層土壤氮庫的氮儲量十分巨大[9],并占據著極為重要的地位,然而類似的研究多集中于對表層土壤全氮的研究中[10-12],土壤全氮的垂直分布特征同樣需要更多的關注。Dwivedi等[13]研究表明受到土壤深度變化的影響,不同土層感知外界環境變化的敏感程度也存在顯著地差異。Fierer等[14]也指出深層土壤對溫度和養分的變化相比表層土壤更加敏感。由此可見,各環境因素在不同土層上對土壤全氮含量的作用程度也必然呈現加大差異,土壤全氮的垂直分布及其影響因素仍然是當前土壤氮庫的研究的焦點問題。

因此,本研究以赤峰市敖漢旗為研究對象,以實測數據為基礎,分析0—100 cm深度范圍內5層土壤全氮含量的分布特征,結合地理信息系統與地統計學,對敖漢旗土壤全氮含量的空間分布進行預測,揭示影響各層土壤全氮空間變異的主導因子。旨在為縣域尺度的土壤氮庫研究提供科學參考和基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區赤峰市東南部的敖漢旗(119°30′—120°54′E、41°42′—42°02′N),全旗總面積約為8300 km2,地勢起伏多變、總體呈南高北低特征,海拔為300—1250 m；多年平均降水量在310—460 mm之間,且由南向北遞減；年均蒸發量為2000—2600 mm,年平均氣溫為 6℃,冬季寒冷干燥,夏季溫熱、降雨集中,屬于溫帶半干旱大陸性氣候。敖漢旗處于歐亞干草原區,地帶性植被以疏林草原為主,從南到北呈現出由森林和森林草原逐漸向干草原過渡的規律,全旗主要分布有4個土類,南部山地主要為棕壤和褐土,中部黃土丘陵及黃土漫崗主要為栗鈣土,北部沙地主要以風沙土為主。敖漢旗土地利用類型多樣屬于農牧交錯地帶,以農為主,農牧林結合的經濟類型區,其中,林地面積為3945 km2,全旗形成帶網片、喬灌草相結合的防護林體系；耕地面積為1776 km2,約占全旗面積的21.39%；草地面積為1695 km2,占全旗面積的20.41%。

1.2 樣地選擇與樣品采集

在野外實地調查的基礎上,綜合考慮土壤、植被、地形地貌以及土地利用方式等因素,于2014年8月在敖漢旗選取典型樣點,確保所選樣地能夠充分反映研究區的基本特征,共確定182個典型樣點(表1,圖1)。

圖1 研究區采樣點分布圖Fig.1 The distribution of sampling sites in study area

表1 研究區采樣點屬性分布表

確定樣點后,記錄樣地的坐標及地形地貌、土壤類型、土地利用方式等基本信息。去除樣地內土壤表層的植被、枯落物等雜質,挖掘標準土壤剖面,按照0—20 cm,20—40 cm,40—60 cm,60—80 cm,80—100 cm劃分5層,由下至上分層取樣,每層取3個重復,裝入無菌袋帶回實驗室待測。土壤全氮含量采用半微量開氏蒸餾法測定；土壤機械組成采用Mastersizer3000激光粒度分析儀測定,參照美國農業部土壤粒徑分級標準,按土壤顆粒大小確定樣品粘粒(<0.002 mm)、粉粒(0.05—0.002 mm)和砂粒(2—0.05 mm)的百分含量[15]；土壤容重采用環刀法測定。

將敖漢旗2014年的(Landsat 8)遙感影像重新配準校正后,在ENVI 5.1軟件和ArcGIS下完成歸一化植被指數(NDVI)的計算。

采用的計算公式為：

NDVI=(LNIR-LR)/(LNIR+LR)

(1)

式中,LR表示紅光波段的行星反射值；LNIR表示近紅外波段的行星反射值。

1.3 數據分析

1.3.1地統計學

地統計學(Geostatistics)也稱為地質統計學,于50年代初開始形成,在法國著名統計學家G.Matheron的大量理論研究工作基礎上形成一門新的統計學分支。地統計學是以變異函數理論和結構分析為基礎,在有限區域內對區域化變量進行無偏最優估計的一種方法[16]。半變異函數又稱半方差函數,是地統計分析的特有函數。區域化變量Z(x)在點x和x+h處的值Z(x)與Z(x+h)差的方差的一半稱為區域化變量Z(x)的半變異函數,記為γ(h),2γ(h)稱為變異函數。其數學表達式為：

(2)

式中,h為兩樣本點空間距離；γ(h)是h的半方差函數值；N(h)是間隔距離等于h的樣本點的對數；Z(xi)為空間位置點xi處指標的實測值；Z(xi+h)為空間位置點xi+h處指標的實測值。

基于地統計學原理,采用GS+7.0軟件完成半方差函數的計算和理論模型的擬合,并結合ArcGIS10.0軟件中Geostatistical Analyst模塊,對采樣點進行克里格插值,生成土壤全氮含量的空間分布圖。

1.3.2典范對應分析(Canonical correspondence analysis,CAA)

典范對應分析(CCA)是由對應分析發展而來的一種多元數據測序方法,其通過檢驗兩個變量的線性組合之間的相關性,將因變量矩陣映射到描述變量矩陣中,并在排序模型中插入回歸模型,使觀測因子和環境因子的關系在排序圖中直觀表達,同時可用CCA分析結果進行變量影響的貢獻分離,并準確估計自變量的貢獻。 其數學表達式為：

(3)

式中,xi代表站點i的排序得分,b0代表截距,bj是環境變量j的回歸系數,q代表環境變量的數量,而Zij是站點i的環境變量j的值。

CCA 排序圖中箭頭連線的長度表示土壤有機碳變異與環境因子的相關性,連線越長,相關性越大；箭頭連線與排序軸的夾角表示該環境因子與排序軸相關性的大小,夾角越小,相關性越高；各箭頭連線之間的夾角表示各環境因子間的相關性,夾角越小,相關性越高。研究采用CCA法分析土壤全氮含量對環境變量的響應關系,并通過蒙特卡羅交互驗證發法判斷環境因素對土壤全氮影響到顯著水平,CCA是使用R 3.0.1軟件中的Vegan包執行[17]。

本研究中的全部基礎統計分析均在R3.0.1軟件下完成。

2 結果與分析

2.1 土壤全氮含量的垂直分布特征

對研究區內182個樣地數據進行統計分析,結果如表2所示,研究區0—100 cm深度土壤全氮的分布范圍在0.43—0.68 g/kg之間,其平均含量隨著土壤深度的增加呈現逐級遞減的垂直分布規律；方差分析表明,0—40 cm深度的土壤全氮含量顯著高于40 cm深度以下的土壤全氮含量(P<0.05)。這主要是由于表層土壤能夠最直接地獲取地表枯落物以及動物殘體分解后的養分補給,因此,土壤表層全氮含量顯著高于其他土層。參照我國土壤養分分級標準,敖漢旗土壤全氮含量整體處于相對虧缺的水平(Ⅴ：0.5—0.75 g/kg),其中60 cm深度以下的土壤全氮含量處于嚴重虧缺的水平(Ⅵ：<0.5 g/kg)[18]。就數據分布特征而言,各層土壤全氮含量均呈現為輕度的正向右偏態分布特征,峰度值略低。變異系數(CV)分析得知,各層土壤全氮含量均處在0.45—0.50之間,并為表現出明顯的分布差異,均屬于中等程度的變異[19]。

表2 不同土壤深度上全氮含量的分布特征

由方差分析得出,表中標有不同字母的數據表示在P<0.05水平下具有顯著差異

2.2 土壤全氮含量的空間變異特征

地統計學通過半方差函數模型能夠定量地描述土壤全氮空間變異的結構性因素與隨機性因素,準確地分析土壤全氮的空間變異結構。模型擬合結果顯示,不同土壤深度內土壤全氮含量在各個方向上均無顯著差異,無需考慮數據的各向異特征,對比不同模型的擬合精度,最終得出0—100 cm深度土壤全氮的半方差函數理論模型及相關參數(表3)。

表3 土壤全氮含量的半方差函數理論模型及相關參數

半變異函數的擬合結果顯示,0—100 cm各層土壤全氮均適用于Spherical模型,其擬合決定系數R2在0.71—0.82之間,擬合殘差處于較低水平,在0.105—0.421之間,表明擬合具有較好的擬合效果,能夠反映土壤全氮的空間變異特征。塊金基臺比(C0/(C0+ C))是反映土壤有機碳數據間空間自相關性的重要指標。研究區各層土壤全氮的C0/(C0+ C)處于50.5%—73.4%之間,均屬于中等強度的空間相關性,結構性因素與隨機性因素共同作用影響著土壤全氮的空間變異結構,而隨機性因素主要表現為人為活動、土地利用方式轉變等,并在研究區全氮的空間變異中占據了主要地位；結構性因素主要表現為地形、土壤母質、降雨分布格局等。隨著土壤深度的增加,隨機因素對全氮空間變異的影響作用逐漸減弱,其空間最大自相關距離(變程)也隨著土壤深度的增加而逐漸減小,這說明在深層土壤中土壤全氮受到外界干擾較弱,相對表層土壤仍保持著較高的內在自相關關系。

就土壤全氮的空間分布格局而言(圖2),研究區0—100 cm深度土壤全氮含量的分布趨勢基本一致,均呈現出南高北低的分布特征,在各層土壤中全氮的低值區均集中呈片狀分布在研究區的東北部,高值區呈島狀分散于研究區的南部區域,且40 cm以上的土壤全氮南北分布差異相對于深層土壤更加明顯。

圖2 不同土壤深度土壤全氮含量空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of total nitrogen content in different soil depths

2.3 環境因素對土壤全氮含量的影響

典范對應分析(CCA)可以有效地分析影響因子對不同深度土壤全氮的影響(表4,圖3),CCA分析表明,第一排序軸主要為NDVI,海拔,坡度對土壤全氮含量的綜合反映,對土壤全氮含量的綜合解釋達到91.24%,其中,海拔和NDVI與第一排序軸具有顯著相關性(P<0.05)。第二排序軸主要是土壤容重和土壤粘粒含量的綜合反映,土壤粘粒含量與第二排序軸均有顯著的相關性(P<0.05),二者對土壤全氮含量的解釋達到3.63%。第一排序軸和第二排序軸對土壤全氮的累積解釋達到95.17%,說明第一排序軸和第二排序軸反映了環境因子與土壤全氮的大部分信息,兩排序軸均與土壤全氮含量顯著相關(P<0.01),可以較好地解釋環境因素對土壤全氮的影響。

表4 典范對應分析參數統計表

*表明環境因素在P=0.05水平下與排序軸具有顯著相關性

坡度和土壤容重與土壤全氮含量成負相關關系,NDVI,土壤粘粒含量,海拔與土壤全氮成正相關關系。各環境因素對土壤全氮含量的影響程度由高到低表現為海拔NDVI>粘粒含量>土壤容重>坡度。其中土壤粘粒和NDVI與表層土壤的相關性更高,海拔對60 cm以下土壤全氮的影響更高。

圖3 典范對應分析排序圖Fig.3 Canonical correspondence analysis ordination 0—20cm深度土壤全氮含量,Total nitrogen (TN)1;20—40cm深度土壤全氮含量,Total nitrogen (TN)2;40—60cm深度土壤全氮含量,Total nitrogen (TN)3;60—80cm深度土壤全氮含量,Total nitrogen (TN)4;80—100cm深度土壤全氮含量,Total nitrogen (TN)5;歸一化植被指數, Normalized difference vegetation index(NDVI)

3 討論

3.1 土壤全氮的空間分布格局

土壤全氮的空間分布格局是在多種因素共同作用下而形成,在本研究區內土壤全氮的水平分布呈現出較為明顯的異質性,各土壤深度上全氮的低值區域均位于研究區東北部,高值區域主要位于中南部,并呈現為由北向南逐步增加的分布趨勢。這與研究區植被、土壤分布格局密切相關,敖漢旗地處科爾沁沙地南緣,其南北部土壤、植被分布差異較為明顯,而敖漢旗土壤由北到南為風沙土、栗鈣土、褐土、棕壤,受風沙活動的影響,研究區北部的土壤肥力水平整體偏低；植被由北到南分布依次為沙生植被、旱生草本、森林植被[20],土壤和植被綜合影響著土壤全氮的水平分布。小尺度上,受植被類型的影響,不同林份類型下的土壤全氮的分布呈現較大的差別[21]；大尺度上,植被群落表現出明顯的地域性特征,土壤全氮受到植被地帶性分布的影響更加明顯[22]。劉慶生等[23]研究指出內蒙古地區的地帶性土壤及植被與土壤全氮的分布緊密相關,尤其是植被覆蓋度、植物種類數量、土壤有機質等分布均與土壤全氮顯著相關,這均驗證了本研究的結論。

就土壤全氮的垂直分布而言,隨土壤深度的增加全氮的累積量也逐漸降低,這也與其他學者的相關研究結果相一致[24],受地表植被的影響,表層土壤最先受到枯落物分解后的補給,因此表層土壤的氮素累積最豐富。就其空間變異特征而言,受土壤深度的影響,表層土壤的空間變異受隨機性因素的影響更加明顯,同時深層土壤的空間自相關距離逐漸增加,劉合滿等[25]同樣研究指出表層土壤受到外界侵蝕、溫度、濕度以及植被條件的差異,導致其氮素的礦化速度在空間上的不均一性更加明顯,而深層土壤在深厚土層的封閉下,處在相對均質穩定的環境中,因此更易于保持空間自相關關系。這也解釋了表層土壤的空間變異性更強的原因。

3.2 影響土壤全氮空間分布的主導因素

本研究指出在不同土層上影響土壤全氮空間分布的主導因素也存在較大差異,土壤粘粒和NDVI與表層土壤的相關性更高,海拔對60 cm以下土壤的影響更高。NDVI反映了地表植被的覆蓋及生長狀態,不同的植被類型的土壤氮礦化速率差異顯著,特別是在表層土壤的表現更加明顯[26],蘇靜等[27]研究也指出土壤團聚體和植被恢復對土壤氮素的累積都發揮了積極作用,從土壤侵蝕角度分析,表層植被覆蓋和良好的土壤團粒結構都能夠有效控制土壤全氮隨降雨徑流的流失[28],而深層土壤更接近基巖和土壤母質,同時受壓實作用的影響土壤的團粒結構較差,植被對深層土壤的補給以及微生物的活動相對表層土壤均較差,這也就使得土壤粘粒和NDVI難以在深層土壤與土壤全氮建立更加緊密的聯系。

研究區海拔在300—1250 m之間,研究表明海拔和土壤全氮含量呈現正相關關系,這一結論也和和其他學者的研究相符[29]。而本研究發現深層土壤全氮含量和海拔的相關性更加明顯,這可能與海拔直接影響土壤溫度有密切關系[30],特別在本研究區海拔相對高差近1000 m,深層土壤溫度的升高積極影響著土壤微生物數量、種類,臺喜生等[31]研究指出土壤硝化細菌、反硝化細菌和固氮細菌在高海拔處土壤發育與低海拔處深層土壤的早期發育相類似,氮循環細菌數量的變化受到海拔主導下植被和土壤理化因子的共同作用。這也說明了海拔在影響深層土壤氮累積中具有明顯的作用。

4 結論

研究區0—100 cm土壤深度范圍內的全氮的平均含量在0.43—0.68 g/kg之間,隨著土壤深度的增加逐級遞減,各層土壤全氮含量均呈現出南高北低的分布特征,低值區集中呈片狀分布在研究區的東北部,高值區呈島狀分散于研究區的南部區域。

各層土壤全氮均屬于中等強度的空間相關性,結構性因素與隨機性因素共同作用影響著土壤全氮的空間變異結構,隨著土壤深度的增加,隨機因素對全氮空間變異的影響作用逐漸減弱,其空間最大自相關距離也隨著土壤深度的增加而逐漸減小。

各環境因素對土壤全氮含量的影響程度由高到低表現為海拔>NDVI>粘粒含量>土壤容重>坡度。其中土壤粘粒和NDVI與表層土壤的相關性更高,海拔對60 cm以下土壤的影響更高。