晋中盆地土壤氮元素空间异质性研究

曹霄霄，王应刚，苏尚军，郭 星，张 婷

（山西大学环境与资源学院，山西太原030006）

晋中盆地土壤氮元素空间异质性研究

曹霄霄，王应刚，苏尚军，郭 星，张 婷

（山西大学环境与资源学院，山西太原030006）

土壤氮元素是植物需要最多的营养元素，大尺度研究土壤氮元素的空间变异结构，有利于系统地掌握当地土壤中氮的变异状况，便于科学管理。通过随机采样得到晋中盆地215个样点，分别提取0～20 cm土壤样品中的全氮含量，并采用半方差函数模拟及克里金空间插值分析土壤中氮元素变异结构与空间分布特征。结果表明，土壤中全氮含量的平均值为0.79 g/kg，与国家二级养分分级标准相比，处于缺乏状态；盆地内不同地点的土壤全氮含量差异较大，变异系数为47.67%，属于中度变异；通过半方差函数的4种模型模拟效果来看，指数模型模拟效果最好，氮元素结构方差比为0.504，具有中等空间自相关性；盆地中部河流两岸全氮含量高于盆地边山区，高值区与低值区呈斑块状分布，其中，最高值区分布于太原、清徐、榆次、太谷交界区域，最低值区分布于盆地西南部边山区的孝义市大部分地区。

氮元素N；半方差函数；克里金插值；晋中盆地

晋中盆地三面环山，气候的季节性强，具有特殊的自然地理环境，同时是我国重要的能源化工业基地以及山西省重要的经济文化中心。一方面，长期的工业发展产生的污染物侵入土壤表层；另一方面，该地区农业生产方式落后，尚未形成适合该地区的土壤施肥技术，粗放地施用大量的氮肥使得土壤中氮元素发生了明显的空间异常。目前，对晋中盆地土壤氮元素分布特征及其分异情况缺乏全面系统的了解，因此有必要大范围研究土壤氮元素空间变异。

本研究运用地统计学分析了晋中盆地土壤全氮含量空间变异结构方面的结果，以深入挖掘晋中盆地氮元素的空间分布特征原因，为在高度节约集中用地的情况下探讨土壤养分分区管理，为当地平衡各区域养分提供参考依据。

1 研究区概况

晋中盆地又称太原盆地，经纬度为：111°45′～112°50′E，36°48′～38°18′N，位于山西省中部，黄土高原的东部，北起阳曲县的南部，南至孝义市与介休市的中部地区，西邻吕梁山，东接太行山。盆地东西两侧为断崖山脉，海拔相对较高，中间为汾河谷地，地势平坦；气候属于温带季风性气候，年平均气温约为9.2℃，年平均降水量为460 mm左右，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥；属于半干旱半湿润地区。盆地的土壤以褐土性土、石灰性褐土、潮土、盐化潮土为主。

盆地包括太原（市）、阳曲、清徐、太谷、榆次（区）、文水、平遥、交城、祁县、灵石、介休、孝义12个县（区、市）的部分地区，同时也是我国重要的能源重化工基地，大型工矿企业多集中于此，形成了以煤为主线的采煤厂、焦化业、洗煤业，以铁为主线的钢铁厂和非金属石灰岩以及以黏土为主线的水泥厂。城市人口集中且城市化水平高，是山西省重要的政治、经济、文化中心。

2 研究方法

2.1 样点设置与土样采集

采样时间为2016年9月，采样点是在晋中盆地12个县（区、市）内分别随机布设样方，共选取了215个样方，实际采样的位置用GPS进行定位（图1）。样方规格为5 m×5 m，在每个样方中选取5个取土点（中心1个、四角4个点），用不锈钢土钻分别取0～20 cm深的土样，混合后称1 kg作为该样点的土样，采集所有样点的土样后分别封袋带回实验室。

将采集好的所有土样自然风干后，剔除土壤中的石块、昆虫尸体等杂物，用木棒碾碎后，过2 mm的尼龙筛，再去除颗粒大于2 mm的杂物，反复进行过筛、剔除过程后，留下100 g在研钵中磨细，全部过了0.149 mm的尼龙筛，后装袋封存进行测定，采用全自动凯氏定氮仪进行测定。

2.2 数据处理

将采集的土壤样品进行测定后，用SPSS 16软件对所有样点的全氮含量进行基本统计分析。

半方差函数是判断土壤中氮元素的空间依赖性和变异程度，通过GS＋软件进行半方差函数拟合。半方差函数是指在任意方向上相距为h的2个区域变量 Z（x）和 Z（x＋h）之间增量的方差。

式中，r（h）为半方差函数，h 为步长，N（h）表示步长为h时的试验数据点的数量，Z（xi）和Z（xi＋h）分别为区域变量Z（x）在xi和xi＋h位置上的实测值。

最后利用GIS软件的克里金插值对半方差函数拟合的参数进行空间插值，从而得出氮元素的空间分布特征。

3 结果与分析

3.1 土壤全氮元素的描述性统计分析

根据国家土壤第二次普查的养分分级标准，土壤氮元素主要分为6级：1级为极丰富（＞2 g/kg），2级为丰富（1.5～2.0 g/kg），3级为中等（1.0～1.5 g/kg），4 级为缺乏 （0.75～1.00 g/kg），5 级为很缺乏（0.50～0.75 g/kg），6级为极缺乏（＜0.5 g/kg）。由表1可知，晋中盆地全氮含量范围为0.2～2.3g/kg，平均含量为0.79 g/kg；从各县含氮量看，除太原、清徐和榆次含氮量相对较高、处于中等状态以外，其余各县含氮量均处于缺乏状态到极缺乏状态。盆地内不同地点的土壤全氮含量差异较大，变异系数范围为24%～80%，除介休、平遥变异系数较小之外，其余各县（区、市）变异系数相对较大。晋中盆地总体峰度值与偏度值分别为1.98和1.10，表明全氮含量的分布曲线为偏左的瘦尾峰，其偏度值距0值较大，不满足正态分布；从各县（区、市）的峰度值与偏度值看，除介休、平遥、清徐全氮含量分布曲线为偏右的瘦尾峰，其余各县（区、市）的分布曲线为偏左的瘦尾峰，其偏度值与0值差异均较小，为近似正态分布，但从峰度与偏度值看全氮含量是否满足正态分布还不够准确，仍需进一步进行检验。

表1 晋中盆地土壤氮元素含量基本统计

3.2 土壤氮元素的空间变异结构特征分析

半方差函数是研究空间变异性最重要的方法，通过单样本k-s正态分布检验得出，原数据不满足正态分布，利用对数转换将原数据转换为正态分布。

土壤空间变异是由结构性因素与随机性因素共同作用所导致的，因成土母质、气候及人为活动等因素，使得土壤营养元素产生一定的空间变异。通过半方差函数分析土壤中氮元素空间变异规律，其中，C为结构方差，表示由气候、地形等结构性因素引起的空间变异；C0为块金方差，表示由较小尺度上的人为随机因素造成的，较大的C0值表示受人为因素影响较大；C＋C0为基台值，表示研究对象的结构性因素与随机性因素共同引起的总的变异程度；C/（C＋C0）为结构方差比，表示由结构性因素引起的变异程度占总变异程度的比例；Range（变程）表示变量空间自相关性的最大平均距离。通过对表2中4种半方差理论模型参数进行比较，从决定系数可以看出，指数模型模拟的精度最高（R2＝0.725），因此，选择指数模型来分析晋中盆地氮元素的空间变异规律。从模型的效果来看，晋中盆地全氮元素在变程为12 480 m范围内具有较强的空间相关性；结构方差比C/（C＋C0）为0.504，表示土壤中氮元素具有中等空间依赖性，受随机因素的干扰较大。

表2 晋中盆地土壤氮元素含量的半方差函数模型及参数

3.3 土壤氮元素的空间格局分析

克里金插值是指通过对样点的特征值及样点间的空间位置拟合得到一个函数方程，进而反映出样点特征值与样点空间位置的数学关系，以此推断出未知区域样点的特征值。

从图2可以看出，盆地中部河流两岸比盆地边山区含氮量高，高值区与低值区呈斑块状分布，含量最高值范围为0.90～1.20 g/kg，集中在盆地中北部的太原、清徐、榆次、太谷交界一带，该地区的全氮含量属于中等状态；大部分地区的全氮含量范围为0.70～0.90 g/kg，主要分布在平遥、文水、汾阳、介休、清徐、太谷、榆次、太原、阳曲的部分地区，属缺乏状态；含量范围在0.5～0.7 g/kg的主要分布在祁县、孝义和汾阳北部等盆地边缘地区，属于很贫乏状态；含量最低值范围为＜0.5 g/kg，主要分布在盆地西南部的孝义市大部分地区，属于极贫乏状态。

4 结论与讨论

本研究通过经典统计与地统计分析了晋中盆地土壤氮元素的基本情况与变异程度，并通过GIS软件分析了氮元素的空间分异特征，结果表明，晋中盆地的全氮平均含量为0.79 g/kg，与国家养分分级标准相比，属于缺乏状态，因为盆地周围边山区以黄土丘陵地貌为主、局部地段为砂岩和石灰岩，而盆地平原区被现代冲积物所覆盖，大部分为沙壤土，水肥涵养能力差。盆地内不同地点的土壤全氮含量差异较大，变异系数为47.67%，属于中等变异。

晋中盆地氮在变程为12 480 m范围内具有较强的空间相关性；结构方差比C/（C＋C0）为0.504，表示土壤中氮元素具有中等空间相关性，表明由结构性因素与随机因素共同作用而成。

晋中盆地土壤氮元素含量的空间分异特征如下：一是盆地中部河流两岸附近地区的氮含量相对较高，其中以太原、榆次和清徐交界区域最高，一方面是因为该地区在20世纪90年代以前长期使用城市排放的污水灌溉农田，加之该地区位于太原市的下风向，大气干湿沉降将大气污染物中的氮素带入土壤中，另一方面是由于该地区是太原市的主要蔬菜生产区，氮肥施用量大；二是盆地边山区氮含量较低，其中以盆地西南部边山区最低，由于该地区地形破碎、沟壑纵横、植被稀少，水土流失较重，所以土壤含氮量低。

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Study on Spatial Heterogeneity of Soil Nitrogen in Jinzhong Basin

CAO Xiaoxiao，WANG Yinggang，SU Shangjun，GUO Xing，ZHANG Ting
（College of Environmental and Resource Sciences，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

Soil nitrogen is the most nutrient element for plants.The spatial variability of soil nutrients in a large scale,which is helpful tograsp the variation of soil nutrients in the system,and to facilitate the scientific management of soil nutrients.In this paper,215 samples of Jinzhong basin were obtained by random sampling.The total nitrogen content was extracted at each sampling point,and the collected depth was 0-20 cm.The paper analyzed the soil nitrogen variation structure and spatial distribution characteristics by using the semi variance function simulation and Kriging interpolation.The results showed that the average content of total nitrogen in soil was 0.79 g/kg,which compared with the national level two nutrient classification standards and was in a lack of state and the coefficient of variation was 47.67%,belonging to moderate variation.The simulation results showed that the exponential model fit best,with moderate spatial autocorrelation.The total nitrogen content in both sides of the river basin was higher than that of the mountainous area.The area of extreme displayed pathy distributions,including the maximum nitrogen content distributs in Jinyuan district of Taiyuan city,Qingxu county and the border area of Yuci district and Taigu,and the minimun nitrogen content in the southern part of Xiaoyi.

N;semi variance function;Kriging interpolation;Jinzhong basin

S153.6＋1

A

1002-2481（2017）10-1634-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.10.15

近年来，由于工业化的迅速发展以及城市规模的扩张，草地、林地、农业用地不断减少[1-2]，建筑用地不断增加，土壤质量退化越来越严重，土壤养分出现局部富集或缺失[3-4]。很多学者对土壤质量进行评价，结果发现，由于大量工业用地和城市用地占用耕地，使得土壤养分含量减少[5-7]；其次农民不合理的灌溉与施肥技术使得局部地区土壤养分过分聚集[8-10]。土壤中的氮元素在生态系统的能量流动与物质循环中发挥着重要作用[11-12]，是动植物生长所需要的最多的营养元素[13-14]，同时也是植物生长的限制性因子之一[15]。因此，揭示土壤氮元素空间的变异特征十分必要[16]。

地统计学最初是由南非地质学家KRIGE提出的，随后由法国学者MATHERON发展完善形成理论[17]，目前其已成为研究空间变异最广泛的工具[18-19]。在土壤学、生态学、植物学等众多学科都已通过地统计学对土壤氮元素展开了大量研究[20-22]。吕真真等[23]运用地统计学研究得出，环渤海地区全氮含量有较好的空间结构；白军红等[24]在水陆交错带中研究得出，各形态氮素含量基本呈现由近水体到高岗地带递减的分异趋势。

2017-05-12

国家自然科学基金项目（31070424）

曹霄霄（1992-），女，山西临汾人，在读硕士，研究方向：区域环境变化。王应刚为通信作者。