基于县域尺度的稻田土壤碱解氮空间异质性研究

黄仕辉,方 斌,2①,李 欣，何莎莎

(1.南京师范大学地理科学学院,江苏 南京 210023;2.南京师范大学新型城镇化与土地问题研究中心,江苏 南京 210023)

土壤作为一个复杂的自然综合体,其形成过程中受到自然因素和人为因素的共同影响,导致土壤养分空间分布不均匀。对土壤养分的空间异质性进行研究,有助于实现土壤养分的科学管理。水稻作为我国主要的粮食作物,在粮食安全中占有极其重要的地位。目前国内外学者的研究焦点逐渐从单一的粮食增产转变成高产、高效与可持续发展。氮素是水稻生长发育必需的营养元素[1]。研究表明,土壤碱解氮(alkali-hydrolyzable nitrogen,AN)是表征近期内土壤氮素动态与供氮能力的重要指标[2]265-268，[3]。土壤氮素含量过低会导致水稻叶片发黄、产量下降,氮素过多则会引起环境污染等农业问题[1,4]。因此,准确了解土壤氮素的空间分布特征及其影响因素,对稻田精准施肥以及水稻优质高产都具有重要意义。

长期以来,国内外学者对土壤养分的空间变异进行了大量研究,土壤氮素的研究更成为其中的热点[5-8]。罗由林等[9]在县级尺度上对土壤氮素的空间变异进行研究;江叶枫等[10]则在省级尺度上分析了土壤氮素的空间变异特征;崔旭辉等[11]对江浙地区4个茶园的土壤碱解氮进行对比研究,结果表明施肥管理是土壤碱解氮分布的主要影响因素;邹刚华等[12]对不同土地利用方式下的土壤氮素含量进行分析,结果表明稻田表层土壤氮素含量高于林地和茶园;GONZALEZ等[13]则对加勒比地区的干旱森林土壤氮素空间变异进行了研究。关于稻田的土壤养分元素空间变异也有不少报道[14-15],但多集中在小尺度田间试验。该研究以江苏省扬中市作为研究区,针对县域尺度典型水稻产区的实际大田,运用缓冲区和GIS统计方法定量分析城镇、产业分布等因素对稻田土壤碱解氮空间异质性的影响,对稻田养分科学管理及提高区域土壤环境质量具有重要意义。

扬中市城镇化发展迅速,工业起步早,各乡镇均有工业园分布,土地利用对区域土壤环境产生了巨大影响。以该区域稻田土壤样本数据为基础,采用SPSS 20.0软件分析了稻田土壤碱解氮分布的含量特征,运用GS+ 9.0和ArcGIS 10.2软件分析了稻田土壤碱解氮的空间异质性特征,探寻其与土壤质地、城镇、产业分布、农业经营4个影响因素之间的关系,以期为当地稻田种植绿色化提供理论指导,也为类似区域的土地利用结构优化、生态环境质量提升提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

扬中市地理位置为北纬32°00′～32°19′,东经119°42′～119°58′,四面环江,是长江下游的一座岛市,市境呈南北走向。该市年均温为15.1 ℃,年均降水量为1 000 mm,年均降水日数为116.3 d,无霜期较长,年均日照时数为2 135 h,年均相对湿度为80%,属于北亚热带湿润性季风气候区,气候条件优越,适宜水稻生长,水稻单产高达9 570 kg·hm-2，位居全省前列。市境内地势低洼平坦,土壤类型以长江冲积物母质发育而成的水稻土为主,平均pH值为7.31。

1.2 样品采集与处理

1.2.1样品采集

以扬中市土地利用现状图、遥感影像图为基础,结合研究区稻田分布特征，采用多点混合取土法采集土样,每个混合土样由5个相邻近的样点组成。根据空间均匀布点原则,在研究区范围内共采集99个土壤样点,所取样本均为稻田土壤(图1)。混合采样点密度为2.3个·km-2,满足插值精度要求[16]。每个样点的取土深度为0～20 cm,每个混合土壤样品为1 kg左右。土壤采样时详细记录各样点的地理坐标以及周围环境状况等信息。土壤采集时间为2016年10月,此时水稻已临近收割,减少了人为施肥对样品的影响。

图1 土壤采样点位置示意

1.2.2样品处理

土壤样品采集后自然风干,剔除可见侵入体及粗有机物等杂物,研磨后过筛,采用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量[2]265-268。

1.2.3数据处理

运用SPSS 20.0软件对土壤样品数据进行基本描述性统计分析,得出样品碱解氮含量的最大值、最小值、平均值、标准差以及变异系数等统计特征值,利用单一样本K-S 检验分析数据的正态分布性。利用GS+ 9.0软件进行半方差函数模型拟合,并以ArcGIS 10.2软件为平台,运用普通Kriging插值方法对土壤碱解氮的空间分布特征进行分析,运用缓冲区分析方法探讨研究区土壤碱解氮含量的影响因素[17]。

2 结果与分析

2.1 常规统计特征分析

土壤样本数据常规统计分析结果表明,研究区稻田土壤碱解氮含量的变化范围为57.59～201.64 mg·kg-1,极差达144.05 mg·kg-1,变化幅度较大。参照全国第二次土壤普查养分分级标准,研究区碱解氮含量平均值为114.30 mg·kg-1,达到碱解氮含量的三级水平,这与当地土壤成土母质养分含量较高有关。

变异系数反映了指标的空间异质性,通常认为变异系数<0.1时为弱变异性,0.1～<1为中等变异性,≥1时为强变异性[18-19]。土壤碱解氮的变异系数为0.34,可见研究区土壤碱解氮含量属于中等强度变异。样本统计数据具尖峰厚尾特征并向右侧偏斜,偏度系数为0.42,峰度系数为-0.91, K-S检验值为0.13。

2.2 空间变异分析

经典统计分析可以说明土壤碱解氮的样点特征,但难以反映其空间分布特征。地统计学模型是以区域化变量理论为基础的空间分析方法。自20世纪80年代以来,地统计学在研究土壤属性空间特征及其变异规律方面得到了广泛应用[20]。地统计学分析要求数据符合正态分布,经单样本K-S检验,研究区土壤碱解氮含量符合正态分布要求,可进行地统计学相关分析。

2.2.1方差函数分析

为了定量描述研究区土壤碱解氮的空间变异及结构特征,利用GS+ 9.0软件对研究区土壤碱解氮含量进行半方差函数拟合,得到变异函数理论模型及其拟合参数。结果表明,球状模型拟合效果较好,拟合决定系数R2为0.709,拟合程度较高,可以较好地反映研究区土壤碱解氮的空间变异结构特征。

块金系数为块金值与基台值的比值,用来表示土壤属性的空间自相关程度[18-19]。块金系数小于0.25时,表明土壤元素空间相关性强;块金系数在0.25～0.75之间,表明土壤元素具有中等空间相关性;块金系数大于0.75,表明土壤元素的空间相关性弱[19]。而变程可以反映属性因子空间自相关范围的大小[20]。

测算得到研究区块金系数为0.519,表明扬中市土壤碱解氮含量属于中等空间相关性。研究区变程为9.51 km,表现出相对较大尺度下的空间异质性,这可能是因为扬中市地形平坦,气候差异较小。

2.2.2空间分布特征

在土壤碱解氮空间半方差函数分析的基础上,借助ArcGIS软件中的普通Kriging插值法对区域化变量的取值进行估计,进一步分析研究区土壤碱解氮含量的空间分布特征,不同碱解氮含量等级土壤面积占比见表1，土壤碱解氮空间分布见图2。

表1 不同碱解氮含量等级土壤面积比例

结果表明,研究区土壤碱解氮含量总体上呈斑块状分布,且具有相连成片的特点。土壤碱解氮含量平均水平较高,大致呈现“凸”形,具有中部高、两端低的特点。对照全国第二次土壤普查养分分级标准,土壤碱解氮含量高值区(>150 mg·kg-1)分布在开发区北部、油坊桥镇沿江区域以及八桥镇中部区域,占总面积的12.01%,并由局部高值区向周围逐渐降低。研究区中部区域土壤碱解氮含量大多为二级水平(>120～150 mg·kg-1),占总面积的41.78%。中等水平区(>90～120 mg·kg-1)主要分布在开发区与三茅镇的交界地带、西来桥镇的北部沿江区域以及三茅镇沿江的小团状区域,占总面积的22.32%。新坝镇与三茅镇的大部分区域以及西来桥镇中部区域则为低值区(<90 mg·kg-1),占总面积的20.87%。

2.3 空间分布影响因素分析

半方差函数分析表明,研究区土壤碱解氮含量存在中等强度的空间变异性,受随机性因素和结构性因素的影响。考虑到扬中市地域范围较小,气候条件与土壤成土母质基本一致,以土壤质地作为结构因子,将城镇、产业以及农业经营因素作为随机因子,探讨研究区土壤碱解氮空间变化的影响因素。

缓冲区分析是地理信息系统中基本的空间分析功能之一,通过生成相关空间实体的缓冲区,并与相应图层进行叠置分析,来判断空间实体的影响范围[21]。研究借助ArcGIS 10.2 软件,以扬中市主城区、典型产业园、养殖基地为实体影响面源进行缓冲区分析。

图2 研究区土壤碱解氮含量的空间分布Fig.2 Spatial distribution of soil alkali-hydrolyzable nitrogen (AN) content

2.3.1土壤质地影响

根据土壤理化性质与生产性能的不同,可将研究区稻田土壤分为4个土属(图3)。其中,黄沙水稻土(重壤质)与黄夹沙水稻土(中壤质)分布较广,夹沙水稻土(轻壤质)与粉沙水稻土(轻壤质)零星分布于研究区。统计分析(表2)表明,研究区不同土壤质地的碱解氮含量呈现出中壤土>重壤土>轻壤土的特征,其差异达显著水平(P<0.05),说明土壤质地对土壤氮素的积累具有显著影响。多重比较分析表明,中壤质的黄夹沙水稻土碱解氮含量显著高于黄沙水稻土和夹沙水稻土(P<0.05),但黄沙水稻土与夹沙水稻土之间并无显著性差异。黄夹沙水稻土是研究区耕作性能最好的土壤,长期的精耕细作和大量施肥使土壤具有足够的氮素储备。夹沙水稻土的平均碱解氮含量明显较低,原因是土壤质地较轻,不利于养分保护[22]。这也解释了西来桥镇土壤碱解氮含量较低的原因,西来桥镇的土壤沉积时间较短,土壤质地较轻,不利于氮素积累。

图3 研究区稻田土壤的土属类型分布

表2 不同土壤质地的碱解氮含量

2.3.2城镇化影响

区域土壤氮素的空间分布受多种因素综合影响。城乡交错区域人类活动相对频繁,对表层土壤养分的干扰程度大[23-24]。以0.2 km为缓冲间隔距离,将扬中市主城区作为实体影响面源建立缓冲区,再将其与土壤碱解氮含量图层进行叠置分析,探讨扬中市主城区附近土壤碱解氮含量的影响因素(图4)。图4表明,在距离主城区2.6 km范围内,随着缓冲区距离的增加,土壤碱解氮含量由83.33 mg·kg-1上升到119.06 mg·kg-1。从拟合曲线可以看出,主城区1.2 km范围内土壤碱解氮含量上升幅度小于1.2 km范围外。对缓冲区距离与土壤碱解氮含量进行相关性分析,结果显示两者之间存在显著相关性(P<0.05)。胡玉福等[23]的研究结果显示,表层土壤氮素含量随着与城镇距离的增加而逐渐降低。笔者研究结论与之相反,这可能与取样对象有关,上述研究选取的是全域土壤,而笔者仅选取稻田土壤。扬中市主城区人口最为集中,但主城区内稻田较少,取样点主要位于城区外围。研究区土壤碱解氮含量在城区1.2 km范围外才逐渐呈现出增长态势,这与陈肖等[24]对成都平原土壤氮素的研究结论相似。实地调查发现,离城区近的农民多从事非农产业,对水稻种植投入较少。三茅镇是城镇化发展和工业、商贸发展的核心区域,而新坝镇依托城区发展,以高新技术产业为主导,污染性产业较少,这可能是该区域土壤碱解氮含量较低的原因。

图4 与城镇不同距离缓冲区的土壤碱解氮含量变化Fig.4 Changes in soil AN content at different buffer distances from urban centers

2.3.3产业化影响

赖敏等[25]研究表明,工业行业高耗能高污染是造成长江中下游城市群环境氮负荷较高的重要原因之一。相关研究也表明,工厂企业排放的生产废水会对周边生态环境以及土壤元素产生巨大影响[26]。为了分析产业分布对土壤碱解氮空间分布的影响,以扬中市沿江工业产业园为中心,采用ArcGIS 10.2软件的空间分析功能生成0.2 km间隔的多重缓冲区。扬中沿江工业产业园规划总面积为9.06 km2,主要产业包括工程电器、新材料以及能源。图5表明,工厂企业对距离600 m范围内的土壤碱解氮含量影响较大。从总体上看,在距离产业园2 km范围内,随着缓冲区距离的增加,土壤碱解氮含量呈现出显著线性降低趋势，土壤碱解氮含量由165 mg·kg-1下降到135 mg·kg-1。这说明工厂、企业对土壤碱解氮含量空间分布具有重要影响。经查看卫星图与实地调查得知,开发区内制造业企业数量多,地表污水渗入土壤,这可能是造成该区域出现局部高值区的原因。《江苏扬中经济开发区环境影响跟踪评价》调查结果显示,园区内氨氮在主要废水污染物中占比高达56.13%,进一步验证了笔者的研究结果。

图5 与工业区不同距离缓冲区的土壤碱解氮含量变化

2.3.4农业经营影响

研究区各镇的发展模式不同,这对稻田土壤碱解氮含量的空间分布具有一定影响。参照《扬中市土地利用总体规划(2016—2020年)》,三茅镇作为市中心所在地,是工商业发展核心区域;新坝镇依托城区发展,以新能源产业为主导;西来桥镇主要发展船舶制造业。研究区中部是稻田的主要分布区,农户对农业的重视程度较高,稻田的施肥惯性投入较大。以开发区为例,该区域2012—2016年化肥年均投入(折纯)达501.43 kg·hm-2[27],是发达国家规定的安全施肥上限 (225 kg·hm-2)的2.2倍,这是该区域土壤碱解氮平均含量较高的重要原因之一。

空间插值结果显示,油坊镇沿江区域出现了局部高值区。经查看研究区卫星图与实地调查,发现油坊镇沿江高值区域附近分布有较大规模的养殖基地。大规模的畜禽养殖会产生大量的畜禽粪便与污水,畜禽粪便处理的主要方式是直接就近还田[28]。这可能是该区域土壤碱解氮含量较高的原因。将养殖基地作为实体影响面源,利用ArcGIS 10.2软件建立多环缓冲区对其进行分析,以此探讨养殖基地对土壤碱解氮含量的影响。图6表明,养殖基地对土壤碱解氮含量的空间分布会产生重要影响。在距离养殖基地 1 km 范围内,随着缓冲距离的增加,土壤碱解氮平均含量呈下降趋势。1 km范围内土壤碱解氮平均含量为154.04 mg·kg-1,显著高于1 km范围外的土壤(P<0.05)。由此可见,养殖基地对较近范围内的土壤碱解氮含量存在显著影响。相关研究表明,施肥强度增加对农作物产量增长有重要促进作用,但长期过量施用氮肥会导致大量不能被作物吸收利用的氮通过各类途径进入周边环境,进而带来农业面源污染等问题[29]。因此,距离养殖基地较近范围内的稻田应适当减少氮肥施用量,提高氮肥利用率,以实现健康的土壤环境和良好的生态环境效益。

图6 与养殖基地不同距离缓冲区的土壤碱解氮含量变化Fig.6 Changes in soil AN content at different buffer distances from the breeding base

3 结论

通过分析扬中市99个稻田表层土壤样品中碱解氮含量,采用地统计方法分析研究区土碱解氮含量的空间分布规律,并探讨其影响因素,结论如下：

(1)扬中市土壤碱解氮含量平均值为114.30 mg·kg-1,整体水平较高,但各区域间含量差异较大,高值区主要分布在开发区、油坊桥镇以及八桥镇,局部高值区位于部分制造企业及养殖基地附近。

(2)影响因素分析表明,研究区土壤碱解氮含量的变异和分布受结构性因素与随机性因素的共同影响。结构因子中,土壤质地与土壤保肥保水特性密切相关,碱解氮含量由高到低依次为中壤质>重壤质>轻壤质。随机因子中,城镇化、产业分布、养殖基地与农业经营模式对土壤碱解氮空间变异均有较大影响。

(3)研究区土壤碱解氮在距离工业产业园与养殖基地较近的区域均处于丰富水平,土壤氮素盈余，易产生农村面源污染和水体富营养化,位于该区域的水稻施肥时应适当减少施用量。