不同農業土地利用方式對土壤有機碳和全氮的分布影響

史永亮，蔣桂欣

（1.德州市陵城區農業農村局,山東 德州 253500；2.高密市園林環衛服務中心，山東 高密 261550）

隨著全球氣候的逐漸變暖，各種自然災害愈發頻繁，在土地管理效率低下、人口急劇增加、人類活動強度提升等因素的共同作用下，農業土地將會面臨土壤養分供需不平衡、侵蝕、酸化、鹽堿化等問題，并已經成為制約農業生產和環境改善的重要因子。為了實現農業土地資源的可持續發展與利用，林業從業者需不斷地優化土壤環境和提升農業土地的質量，其關鍵措施是改善土壤的養分。土壤中的碳和氮作為維持土壤養分的主要成分，是有機養分和礦物質養分的主要來源，其含量的實時變化能體現土壤微生物的生物活性、營養物質的累積動態等［1-3］。土壤有機碳和全氮的含量與環境質量、農作物生產、土壤質量息息相關［4-6］。現階段，國內外大多數研究分析了土壤中碳和氮對生態系統中的氣候、土壤、植被的單向作用，同時也有部分研究對碳和氮在生態系統中的耦合效應進行了探究［7-9］。但較少有報道提及土壤中碳和氮含量變化的影響因素，特別是在空間分布中缺乏直觀或定量的描述。本研究以對鄱陽湖平原作為研究對象，分析該地區不同農業土地利用方式對土壤有機碳和全氮含量的影響，旨在構建碳和氮應用于全球的循環模型，并為環境管理者和政策制定者提供科學的參考。

1 研究區概括與方法

1.1 試驗區域概況

研究區域為鄱陽湖平原的小流域，位置坐標為115°07′～115°40′E、26°68′～28°80′N。該區域為亞熱帶濕潤氣候，全年無霜期為250～280 d，年平均降水量為1500～1650 mm，年平均氣溫為16～ 18 ℃，分布了較少的丘陵和較多的平原，海拔為133 m。該水域包括小路口、蔡家垅2個水庫以及南潦河中段，具體涉及的城鎮包括干洲鎮、馮川鎮、會埠鎮、赤岸鎮以及羅市鎮的部分村。表1為該區域的土地利用方式和分布特征。整體而言，土地利用的主要方式為旱地、水田和林地，而園地和其他類型土地較少，森林覆蓋率為54%。研究區域的母質包括紅砂巖類和酸性結晶巖類的風化物、第四紀紅色黏土。土壤類型為鐵鋁土和水耕人為土。

表1 土地利用方式及其分布特征

1.2 樣品的采集與土壤養分的測定

結合實地考察、遙感影像、土壤類型、成土母質、地形、土地利用現狀等多種因素，以及土地利用方式的主導性和道路通暢性，將區域進行1 km×1 km的網格劃分，設置248個土壤采樣點，園地、林地、水田的采樣點數量分別為57、93、98個，采集時間為2021年9月1—15日。采樣地點的現場描述還包括采樣深度和采集地類型。為了保證研究結果的可信度，研究在采樣點直徑為5 m的區域內進行4次重復采樣，并混勻采樣物質，再通過4分法取 1 kg土壤作為最終樣本［10-11］。在進行含量測定前需進行預處理，對存在異常的數據樣本進行重復測量以確定其含量，STN含量采用FOSS Kjeltec 8400全自動凱氏定氮儀進行測定，SOC含量采用重鉻酸鉀油浴加熱法進行測定。

1.3 研究方法與數據分析

筆者分析了農業土地利用方式和土壤形成因素對土壤有機碳(Soil Organic Carbon, SOC)和土壤全氮(Soil Total Nitrogen, STN)含量的影響，其中，土壤形成的自然因子包括氣候、植被(生物)、地形、土壤類型、成土母質等，地形因子為坡向變率、坡度變率、曲率、坡向、坡度、高程，植被(生物)因子包括歸一化植被指數(Normalized Vegetation Index, NDVI)、差值植被指數(Difference Vegetation Index, DVI)、波段1～3和6～11、平均精度(Mean Average Precision, MAP)。

采用SPSS 22.0軟件對數據進行整理和分析，利用ArcGIS軟件中的地統計分析模塊，繪制了土壤養分含量的空間分布圖。通過K-S檢驗和變異系數，描述了不同土地利用方式下的SOC和STN含量；利用單因素方差分析法，分析了不同土地對利用方式、土壤形成因素對SOC和STN含量的影響；借助多元線性回歸和修正農業土地利用方式的多元線性回歸分析法，定量描述了不同因素影響的大小；采用Spearman相關系數，分析了環境協變量和SOC和STN的相關性，其中P＜0.05表示差異具有統計學意義。

2 結果與分析

2.1 SOC和STN含量的描述性統計特征

由圖1可知，SOC和STN含量的空間分布存在高度的一致性，高含量區域沿著南潦河流域分布。對比土地利用方式圖，林地圖斑上低和高含量的數值均很少出現；高含量區域類似于水田圖斑；低含量區域類似于園林圖斑。

圖1 SOC、STN、碳氮比的空間分布特征

由圖2可知，SOC、STN含量區間分別為2.61～ 38.60、0.08～3.57 g/kg，其平均含量分別為19.78、1.76 g/kg，變異系數分別為0.44和0.46。結合變異系數分級標準，SOC、STN、碳氮比均屬于中等變異。SOC、STN、碳氮比的K-S檢驗值均具有顯著性，因此它們均不符合正態分布。

圖2 SOC、STN、碳氮比的描述性統計和K-S檢驗結果

2.2 SOC和STN含量的影響因素

2.2.1 農業土地利用方式由表2可知，SOC、STN、碳氮比在不同農業土地利用方式下具有顯著的統計學意義。SOC、STN含量的平均值從高到低依次為水田、林地、園地；碳氮比的平均值從高到低依次為林地、園地、水田。對于變異系數而言，水田的碳氮比屬于弱變異性，其他2種農業土地利用方式下土壤的SOC、STN、碳氮比均屬于中等變異。由表3可知，在不同母質和土壤類型下，兩者之間的SOC、STN、碳氮比均存在差異，但差異不顯著。在成土母質的影響因子中，酸性結晶巖類風化物的SOC、STN明顯高于紅砂巖類（P＜0.05），但酸性結晶巖類風化物的碳氮比明顯低于紅砂巖類（P＜0.05）。

表2 不同農業土地利用方式對SOC、STN、碳氮比的作用

表3 土壤類型和成土母質對SOC、STN、碳氮比的作用

2.2.2 相關性分析由表4可知，SOC、STN與曲率、坡向、坡度、高程均呈現出顯著的相關性（P＜0.05），其中，SNT與其對應的相關系數分別為0.122、-0.165、-0.123、-0.476；SOC與其對應的相關系數分別為0.106、-0.142、-0.127、-0.287。而對于碳氮比而言，其與坡度變率、坡度、高程均呈現出正相關性（P＜0.05）。

表4 SOC、STN、碳氮比與地形的相關性分析

由表5可知，SOC含量與植被的相關性不顯著，而STN含量與植被的相關性顯著(P＜0.05)，這說明較小尺度平原區域內的植被對SOC含量的影響不明顯，但對STN含量的影響明顯。碳氮比與植被的相關性不顯著。

表5 SOC、STN、碳氮比與氣候和植被的相關性分析

2.3 回歸分析

由表6可知，氣候對SOC、STN含量的空間變異的影響程度 （調整R2）分別為0.026和0.019，而對碳氮比的影響并不顯著。植被覆蓋和土壤類型對SOC、STN、碳氮比的空間變異影響均不明顯。成土母質對三者的空間變異的影響程度分別為0.012、0.041、0.020；地形對三者的空間變異影響程度分別為0.057、0.184、0.245；農業土地利用影響程度最大，其SOC、CTN、碳氮比的調整R2分別為0.381、0.508、0.263。

表6 SOC、STN、碳氮比影響因素的回歸分析

3 結論與討論

土壤資源的直接利用方式為種植業，而間接利用方式為加工業和養殖業。土地利用方式作為中華民族幾千年來農業生產的延續，也是當前農業生產水平的直接體現，土地利用方式對土壤的肥力狀況、生物學特性、理化性質均會產生較大的影響［12-13］。研究發現，SOC和STN含量的空間分布存在高度的一致性，高含量區域沿著南潦河流域分布，K-S檢驗值均具有顯著性，但均不符合正態分布。同時SOC、STN、碳氮比在不同農業土地利用方式下呈現顯著的統計學意義，SOC、STN含量的平均值從高到低依次為水田、林地、園地；碳氮比的平均值從高到低依次為林地、園地、水田。植被覆蓋和土壤類型對SOC、STN、碳氮比三者空間變異的影響程度均不明顯；與氣候、成土母質、地形比較而言，農業土地利用方式的影響程度最大，其調整R2依次為0.381、0.508、0.263。Hendricks等［14］將試驗周期設置為5年，分別對同一塊土地在未開墾土地和耕地2種狀態下土壤的STN進行了對比，結果表明：通過實施可持續的耕作方式能提升土壤的生態性能。Huang等［15］分析了美國俄亥俄州地區的土地利用方式與耕作對土壤有機質的影響，結果表明，在0～5 cm土層內的SOC和STN含量由于耕作形式的不同而存在較大的差異；相比較于耕地，牧場土壤中所含有的碳和氮含量更高，但僅限于0～5和5～10 cm土層。

因此，不同農業土地利用方式在很大程度上能改善土壤的營養狀況。王超等［16］研究了重慶市吳家鎮區域不同土地利用方式下的SOC和STN含量，結果顯示，SOC和STN含量隨著土層深度的增加而呈現出逐漸降低的變化趨勢，水田和旱地的SOC含量下降幅度比撂荒地和林地更小。因此，相對于撂荒地和林地，水田和旱地更有利于SOC和STN含量的增加。龍靜泓等［17］對青海湖北岸不同土地利用方式下的SOC和STN含量進行了分析，結果驗證了SOC、STN含量與土地利用方式存在緊密關聯，以多年生人工草地的含量最高，而農田的含量最低。對于不同土地利用方式對土壤營養成分的改善效果，現階段也有大量的研究報道。學者們普遍認為水田、林地、園地3種土地利用方式更有利于存儲土壤的營養成分，這也與鄒剛華等［18-20］的研究結果相符。地形對SOC和STN含量的空間變化仍然有著較大的影響，但值得注意的是，不同地形因子與SOC和STN含量的相關性各不相同，同時對于相同地形因子而言，其與SOC和STN含量的相關性也有別于與碳氮比的相關性［21-22］。

綜上所述，農業土地利用方式對SOC、STN含量的空間變化有著積極的作用，同時，土壤的營養價值也受到氣候、地形、成土母質的影響。因此，要想實現對研究區域的SOC、STN含量空間變化的精準分析，則需綜合考慮人為活動和土壤形成因素，這也是在后續研究中需要不斷完善的地方。