丹江流域土壤全氮空间变异特征及其影响因素——以陕南张地沟小流域为例

贺敬滢，张桐艳，李光录

(西北农林科技大学资源环境学院，712100，陕西杨凌)

土壤氮素是植物生长发育的必需营养元素，也 是引发江河湖泊发生富营养化的主要因子之一;因此，揭示土壤全氮的空间变异规律和分布特征对农业生产和环境管理具有重要意义［1］。地统计学作为一种空间分析方法，已广泛用于土壤属性的分布、监测和空间变异研究［2］。近年来，随着地统计学的发展，国内外对大尺度下土壤全氮的空间变异性研究［3－4］较多，而在小尺度(1 ～10 hm2)上对土壤氮素的空间变异性研究较少。有研究［5］表明，土壤小范围内的空间异质性对生产力和稳定性有更大的意义。我国对土壤养分空间异质性的研究主要集中在丘陵红壤［6－7］以及北方农田［2，8］，对土壤氮素影响的研究多以地形、耕作施肥、灌溉和植被覆盖等单因素以及以城镇为单位的研究为主［9－11］，对丹江流域小尺度上土壤全氮的空间变异及景观尺度上综合影响因素鲜有研究。

丹江流域发源于秦巴山地，是我国南水北调中线工程的重要水源地。据调查，库区部分支流水质指标超过国家地表水环境质量Ⅱ类标准，其中总氮明显超标，这与丹江流域农业面源污染有很大关系。据测算，化肥和农药对库区总氮的超标率贡献超过70%［12］;因此，研究丹江流域土壤全氮的空间变异特征及其影响因素，有助于农业面源氮污染重点控制区的识别，对区域农业生产和环境管理有着十分重要的意义。笔者运用GIS 中的地统计模块，通过探讨丹江流域典型小流域土壤全氮的空间分布特征，揭示小流域尺度上土壤全氮的空间变异规律，分析流域内土地利用和地形特征与土壤全氮的空间异质性，了解多尺度上土壤全氮空间格局的影响因素，以期为丹江流域农业结构调整、土壤全氮有效利用和水质清洁提供科学依据。

1 研究区概况

研究区张地沟小流域位于陕西省商洛市民主村，小流域中心地理坐标为E 109°51'11″，N 33°54'15″，东西长约857 m，南北长约874 m。该地区属半湿润暖温带季风性气候，多年平均气温12.8 ℃，多年平均降水量725.5 mm，降水集中在7—9 月。地带性土壤为黄棕壤和黄褐土，耕性和通透性差，不耐旱涝。地势由东北向西南逐渐降低。流域内林木以刺槐(Robinia pseudoacacia L.)、侧柏(Biota orientalis)和毛白杨(Populus tomentosa Carr.)等乔木为主;草本植物主要包括鬼针(Bidens bipinnata Linn.)、茅草(Imperata cylindrica(Linn.) Beauv.)等荒草;经济作物主要为核桃(Juglans regia L.)、柿子(Diospyros kaki)及板栗(Castanea mollissima);主要农作物有玉米(Zea mays L.)、小麦(Triticum aestivum)和马铃薯(Solanum tuberosum L.)等。小流域位于丹江流域二级阶地，土地利用类型相对完整，坡度组成、土壤侵蚀及水土流失状况与整个商州“丹治”项目区情况较为接近，在丹江上游低山丘陵区具有很强的代表性。

2 研究方法

2.1 土样采集与测定

根据研究流域的实际情况，充分考虑土样的代表性，按照土地利用及地形特征进行样点布设(图1)，以研究区地形图及其航片为辅助，按不同高程范围内荒草地3 ～6 个样、林地4 ～7 个样、农地4 ～6 个样和果园2 ～3 个样的标准，采用随机采样方法，于2010 年10 月进行了土样的采集。具体方法为:在取样点所在位置随机采集5 个点作为1 个混合样，样品充分混合后，用四分法取样，共取得土壤表层(0 ～20 cm)混合土样72 个，用手持式GPS 导航和定位，记录采样点地理坐标和高程，并详细记录采样点周围景观信息。土壤全氮质量分数的测定用半微量凯氏法。

图1 张地沟小流域样点分布图Fig.1 Sample sites of Zhangdigou small watershed

2.2 数据处理

地统计学方法是基于区域化变量理论基础的一种空间分析方法，有关其原理和方法很多文献［13－16］都有详细介绍。半方差函数是区域化变量空间自相关性的表征，而Kriging 插值法是一种根据半方差分析所提供的空间自相关程度的信息来进行插值的最优无偏线性估值方法。

采用SPSS 12.0 统计软件完成常规统计分析，半方差函数及土壤全氮空间插值在ArcGIS 9.3 软件中完成，土地利用和地形对土壤全氮的影响以ArcGIS 9.3 中的空间分析模块为平台进行分析。

3 结果与分析

3.1 土壤全氮质量分数统计特征

为全面正确了解研究区土壤全氮的基本特征，消除由于采样等因素产生的小部分离群值对土壤全氮空间分布的影响，采用基于迭代的空间离群点检测算法剔除离群值［17］，共检测到5 个可能由采样或测试等随机误差引起的空间离群点，剔除离群值后，经正态分布检验，样品全氮质量分数呈近似正态分布。

表1 示出剔除离群值后表层土壤全氮质量分数的统计特征。可以看出，研究区土壤表层全氮质量分数在0.350 ～1.528 g/kg 之间，平均为0.986 g/kg。根据1980 年全国第2 次土壤普查养分分级标准［18］，研究区土壤全氮的平均质量分数属于第4 级中等水平。变异系数的大小反映了土壤特性空间变异性的大小，研究区土壤表层全氮变异系数为24.14%，属于中等程度变异［19－20］，说明其受研究区地形、土地利用类型的差异以及耕作管理方式不同等因素的影响，分布不均匀。

表1 表层土壤全氮质量分数描述性统计Tab.1 Descriptive statistics of TN content in topsoil

3.2 土壤全氮空间变异特征

有关半方差函数模型类型的选取及模型参数的交叉验证可参考文献［14］，土壤表层全氮半方差函数模型及参数见表2。

表2 土壤表层全氮半方差函数模型及参数Tab.2 Semivariogram model and corresponding parameters of TN content in topsoil

各向同性的半方差模型下，土壤表层全氮的理论模型采用球型模型拟合。变程反映了变量空间自相关范围的大小，它与观测和取样尺度上影响土壤全氮质量分数的各种生态过程相联系。研究区土壤全氮变程为79.464 m，说明全氮在此范围内具有空间自相关性。这一特征反映了长期以来的管理制度使得养分投入长期保持基本稳定，在同样的生物气候条件下，土壤全氮的空间分布也就表现出一定的规律性，这种规律性也正是变量空间自相关性和结构性的体现。土壤表层全氮各向异性的球型模型拟合结果显示，土壤全氮在北偏东48.5°的方向上(长轴方位角)与垂直该方向上长轴和短轴的变程分别为103.858 和48.547 m，说明其在长轴和短轴方向的变程存在较大差异。

半方差函数参数块金值C0是由实验误差和小于实验取样尺度上施肥、作物、管理水平等随机因素引起的变异，基台值C0+C 反映了区域化变量受结构性因子如土壤质地、地形等影响的程度，表示系统内总的变异，变程反映了空间变异特性。C0/(C0+C)表示空间异质性程度，如果该值比较高，说明由随机因素(施肥、耕作、种植、灌溉)带来的空间异质性程度较大，相反，则由结构性因素(如气候、母质、生物、地形等)引起的空间异质性程度较大，如果该比值接近1，则说明该变量在整个尺度上具有恒定的变异。由表2 可知，各向同性和各向异性条件下研究区土壤表层全氮块金值分别为0.012 和0.003，块金值较小，说明该流域全氮在极小范围内的空间变异很小，采样点分布应相隔一定距离。块金值与基台值之比分别为24.49%和6.12%，均小于25%，研究区土壤全氮具有强烈的空间相关性［21］，说明土壤全氮的空间变异主要是由结构性因素(气候、地形和土壤母质等)引起的。

各向同性和各向异性模型交叉验证结果显示，各向异性下半方差模型得到的平均预测误差ME 均小于各向同性下的半方差模型，且各向异性下半方差模型得到的标准化均方根误差更接近1，说明各向异性下的半方差模型预测精度更高;因此，在进行Kriging 最优内插法时应选取各向异性下的半方差模型。

3.3 土壤全氮Kriging 插值结果

Kriging 插值及插值图的生成在ArcGIS 9.3 中操作完成。在选取最优半方差函数模型及其参数的基础上，采用普通克里格(Ordinary Kriging)插值法进行最优插值。插值结果以ASCⅡ数据的格式输出存储，然后生成GRID 格式图形，再将图形用研究区域边界图切割，最后生成相应的土壤全氮质量分数分布图(图2)。

图2 土壤表层全氮质量分数空间分布图Fig.2 Spatial distribution map of TN content in topsoil

从图2 可以看出:研究区土壤全氮的空间分布呈现出斑块状和近似带状格局。高值斑块区分布在由东北向西南方向延伸的地势相对低洼的沟道附近以及坡脚部位，土壤全氮质量分数基本都高于研究区土壤全氮的平均质量分数，这些高值区的土壤全氮有沿沟道向水体流失的风险，是研究区农业面源污染的重点控制区。低值区主要分布在研究区北部和南部的荒草地和幼林地，其中山顶土壤全氮质量分数不足0.45 g/kg，并呈现从山脊线随等高线的减小而逐渐降低的带状分布。土壤全氮的空间分布与地形及土地利用有着一定的一致性。根据张地沟小流域所属村镇近年来作物化肥投入情况的调查结果，该区主要施用农家肥和复合肥，其中农地施肥量为25 ～30 kg/hm2，果园施肥量为30 ～35 kg/hm2。由此可见，土壤化肥的施用也可能是导致土壤全氮质量分数呈斑块状和带状格局分布的原因。

根据全国土壤全氮分级标准，张地沟小流域土壤全氮质量分数共分4 个等级，第1 等级(1.0 ～1.5 g/kg)所占比例为27.85%，主要分布在流域沟道附近及坡脚位置，第2 等级(0.75 ～＜1.0 g/kg)几乎覆盖了流域面积的1/2(42.22%)，第3 等级(0.5 ～＜0.75 g/kg)主要分布在流域北部和南部上坡位，第4 等级(＜0.5 g/kg)所占面积较小，仅占流域总面积的8.99%，主要集中在北部山顶位置。

3.4 土壤全氮景观因子分析

由于研究流域成土母质相对均一，成土母质对全氮的空间变异影响较小，因此，主要考虑土地利用和地形的影响。地形因子通过影响流域水土平衡而影响流域养分分布，而高程、坡度和坡向则是最能反映地形特征的影响因子。

3.4.1 土地利用的影响 土地利用是自然条件和人为活动的综合反映，土地利用与土壤全氮质量分数关系密切［22］。张地沟小流域土地利用主要有林地、荒草地、农地和果园，对土地利用现状图和土壤全氮质量分数插值图进行叠加分析，结果见图3。可以看出，全氮质量分数农地＞果园＞林地＞荒草地。农地及果园全氮质量分数高，一方面是由于施肥等人为因素而引起，另一方面是由于农地和果园主要集中在低海拔沟谷地区和海拔较高的平坦地区，土壤侵蚀程度较轻，养分流失情况相对不严重，而林地和荒草地多分布在高海拔且坡度较大的地区，分布较为破碎，因此，全氮质量分数明显低于农地和果园。方差分析(α=0.05)结果显示，荒草地和其他土地利用之间全氮质量分数有显著差异(P ＜0.05)，而其他土地利用类型之间的土壤全氮质量分数无显著差异(P ＞0.05)。

图3 不同土地利用类型土壤表层全氮质量分数的差异Fig.3 Difference in mean TN in topsoil between different land uses

3.4.2 高程的影响 根据研究区实际地形，将海拔按≤845、845 ～875、875 ～905 和＞905 m 划分为4个高程等级。研究区最低海拔815 m，最高海拔950 m，海拔变化幅度较小;但土壤表层全氮质量分数随高程的变化幅度较明显，且呈现一定的分布规律。方差分析(α=0.05)结果表明，全氮质量分数在不同高程存在极显著差异(P ＜0.01)，其质量分数随高程的增加而逐渐减小(图4)。土壤表层全氮质量分数(y)与高程(x)的拟合结果显示，土壤全氮和高程之间呈良好的二次函数关系y=－0.016 5x2－0.030 9x+1.181 4，R2=0.999 7，说明高程与土壤全氮质量分数有着显著的相关关系。高程低于845 m的坡脚位置土壤全氮平均质量分数为1.133 g/kg，高程高于905 m 的上坡位土壤全氮平均质量分数为0.795 g/kg。这是由于低高程区气候较高、植物表聚作用强烈、氮素淋失程度较低而导致的质量分数较高，随着高程的升高，气温降低，地形变化也较大，因而氮素质量分数较低。

3.4.3 坡度的影响 借鉴水土流失调查中采用的8°作为缓坡和斜坡界线的方法，将研究区分为平地(0°～3°)、缓地(3°～8°)、斜坡地(8°～15°)、缓陡坡地(15°～25°)和陡坡地(＞25°)共5 级［23］。利用坡度图和土壤全氮质量分数插值图进行叠加分析，结果见图5。可以看出，随着坡度的增加，土壤表层全氮质量分数总体呈逐渐减小的趋势。方差分析(α=0.05)结果表明，全氮质量分数在不同坡度的土壤中不存在显著差异(P ＞0.05)。土壤表层全氮质量分数(y) 与坡度(x) 的回归方程 y =－0.011x2+0.051 3x+0.907 5，R2=0.866 7，说明二者之间相关性显著。分布在缓地的土壤表层全氮质量分数最高，平均质量分数为0.981 g/kg，这是由于在该坡度下养分流失少，且土地利用以农地为主，农民投入和管理水平较高，分布在缓陡坡地和陡坡地的土壤表层全氮质量分数相差不大，而平地表层土壤全氮质量分数低于缓地是由于研究区平地几乎都分布于上坡位，面积较小。

图4 高程与土壤表层全氮质量分数的关系Fig.4 Relationship between elevation and TN content in topsoil

图5 坡度与土壤表层全氮质量分数的关系Fig.5 Relationship between slope and TN content in topsoil

3.4.4 坡向的影响 以正北方向为0°，以22.5°为步长，顺时针方向计算，取值范围为0 ～360°，将研究区划分为无坡向( －1)、北坡、东北坡、东坡、东南坡、南坡、西南坡、西坡和西北坡。利用张地沟小流域坡向图和土壤全氮质量分数插值图进行叠加分析，数据统计结果显示:南坡方向上土壤全氮质量分数最高(1.020 g/kg)，无坡向、东北及西北坡方向土壤全氮质量分数较低;阳坡方向上(南+西南)土壤全氮质量分数最高，阴坡(北+东北)、半阳坡(西+东南)方向和无坡向次之，半阴坡方向(东+西北)土壤全氮质量分数最低。方差分析(α=0.05)结果(表3)表明，阳坡与半阴坡及阴坡存在显著性差异(P ＜0.05)，半阳坡与阴坡具有显著性差异(P ＜0.05)，其他坡向间无显著性差异(P ＞0.05)。

表3 坡向与土壤表层全氮质量分数显著性分析Tab.3 Significance test of aspect and TN content in topsoil

4 结论与讨论

1)张地沟小流域土壤全氮平均质量分数为0.986 g/kg，变异系数为24.14%，全氮质量分数整体为中等水平，具有中等程度变异。

2)研究区土壤全氮质量分数的最优半方差函数模型为球型模型，各向异性下的半方差模型预测精度更高，长轴和短轴变程分别为103.858 和48.547 m，块金值与基台值之比为24.49%，土壤全氮具有强烈的空间相关性，主要由结构性因素如气候、地形和土壤母质等引起。

3)研究区土壤全氮空间格局呈斑块状和带状分布;高值区分布在地势相对低洼的沟道附近和坡脚部位，是研究区农业面源污染的重点控制区;低值区呈现从山脊线随等高线的减小而逐渐降低的带状分布趋势。

4)受地形、土地利用等影响，不同土地利用类型土壤全氮质量分数顺序为农地＞果园＞林地＞荒草地，土壤全氮质量分数随高程和坡度的增加而降低，阳坡方向上土壤全氮质量分数最高，半阴坡方向土壤全氮质量分数最低。

5)对土壤全氮分布影响最显著的因素是高程，其次为坡向，土地利用和坡度对土壤全氮质量分数影响不明显。

土壤全氮质量分数的分布格局及其主要影响因素随研究尺度的不同而存在差异，受研究区面积的限制，土壤全氮质量分数受土壤类型等因素的影响还需进一步在较大尺度下开展研究。

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