鄂西北耕层土壤全氮含量空间分异特征及其影响因素分析

木合塔尔·艾买提 周勇 吴正祥

摘要：旨在分析鄂西北耕地表層土壤全氮含量的空间变异特征及其影响因素。采用地统计学、逐步回归方法和GIS技术。研究结果表明：（1）十堰市耕层土壤的全氮平均含量为1.12 g/kg，耕层土壤全氮含量较高，701个土壤样点全氮含量变异系数为0.49，属于中等变异程度。（2）土壤全氮的空间变异最佳模型为高斯模型，块金效应值为48.09%，全氮具有较强的空间变异性特征，且受随机性因素和结构性因素的共用影响。（3）十堰市耕层土壤全氮含量在空间分布上具有明显的差异，全氮含量高的方向为南、西、西南和东南，全氮含量低的方向为东、东北和西北，全氮含量在南北方向的变异性最明显，差别较大。（4）全氮与有机质、海拔、有效土层厚度有正相关关系，与土壤pH有负相关关系。在黏土、棕壤、水田、河湖冲积物、第四纪老冲积物、一年一熟、种植水稻的土壤中全氮含量较多，在砂壤、紫色土、紫色岩类风化物和种植水果、小麦、喷灌方式下的耕地的全氮含量较少。（5）10种因素对全氮的影响程度排序为土壤环境>成土母质>熟制>生物多样性>农作物种类>耕层质地>土类>地形>耕地利用方式>灌溉方式，其中前5个因素是影响全氮空间分异的主导因素。在今后的农业生产活动中，需要在河谷和山谷带、一年二熟区、红砂岩类风化物和紫色岩类风化物带、有机质含量较少区可适当地增加氮肥的施用量，需保护生物多样性并重视人为因素对耕地质量的影响，采用农作物轮作等方式提高耕地质量和耕地生产能力。

关键词：鄂西北；耕地表层；土壤全氮；半变异函数；全氮空间分异；方差分析；逐步回归

中图分类号：S159.2文献标志码：A论文编号：cjas2020-0103

Total Nitrogen in Plough Layer Soil in Northwest Hubei： Spatial Variability and Influencing Factors

Muhtar·AMAT1， ZHOU Yong2， WU Zhengxiang2，3（1College of Life and Geography Sciences， Kashi University， Kashi 844006， Xinjiang， China； 2College of Urban&Environment Sciences， Central China Normal University， Wuhan 430079， Hubei， China； 3School of Environmental Science and Tourism， Nanyang Normal University， Nanyang 473061， Henan， China）

Abstract： The objective is to understand the spatial variation of total nitrogen and its main influencing factors in plough layer soil of northwest Hubei Province. The geostatistics， stepwise regression method and GIS technology were used in the study. The results show that： （1） the average nitrogen content of Shiyan City is 1.12 g/kg， and the total nitrogen content of plough layer soil is relatively high， with a variation coefficient of 0.49 among the 701 sampling sites， the degree of variation is moderate； （2） the best model for spatial variability of soil total nitrogen is Gaussian model， and the nugget effect value is 48.09%； total nitrogen has strong spatial variability and is affected by the sharing of random factors and structural factors； （3） the total nitrogen content of the plough layer soil in Shiyan City has obvious difference in spatial distribution， areas in the south， west， southwest and southeast have high total nitrogen content， but areas in the east， northeast and northwest have low total nitrogen content， the north-south direction variation is the most obvious and the difference is large； （4） total nitrogen has a positive correlation with organic matter， elevation， and effective soil thickness， and has a negative correlation with soil pH； there is more total nitrogen in plough layer soil such as clay， brown soil， paddy fields， alluvial deposits of rivers and lakes， quaternary alluvial deposits， double cropping and rice planting soils， there is less total nitrogen in sandy soil， purple soil， purple rock weathering materials， fruit planting soil， wheat soil， and soil under sprinkler irrigation； （5） the influence degree of ten factors on total nitrogen is ranked as soil environment > soil parent material > maturity > biodiversity > crop species > soil texture > soil type > terrain > land use mode > irrigation method， and the first five factors are the dominant factors affecting the spatial differentiation of total nitrogen. In future agricultural production， it is necessary to appropriately increase the application amount of nitrogen fertilizer in the river valley and mountain valley， the double cropping area， the red sandstone weathering and the purple rock weathering zone， and the areas with less organic matter content area. Biodiversity needs to be protected and the impact of human activities on soil quality should be highlighted， and crop rotation could be adopted to improve the quality and production capacity of cultivated land.

Keywords： Northwest Hubei；Plough Layer Soil； Soil Total Nitrogen； Semi-variogram； Total Nitrogen Spatial Differentiation； Variance Analysis； Stepwise Regression

0引言

土壤的主要作用是为植物提供所需的养分，植物吸收所需养分多少或植物生长情况由土壤养分元素的含量所决定。土壤养分元素中有氮、磷、钾为三大元素，其中土壤氮素是决定土壤质量的关键指标之一[1]。土壤养分含量对植物生长和粮食生产有较大作用，研究土壤养分元素的区域空间变异特征对制定科学的土壤改良和土地整治方案，为保障国家或区域粮食安全和推动测土配方施肥工作具有重要的现实意义[2]。自20世纪下叶以来，包含对全氮在内的土壤养分元素空间变异的研究取得了一定的成果，研究主要集中在土壤中养分元素含量及土壤物理化学特征空间差异和影响因素等内容[3-5]，研究涉及到的地形区不断拓展，例如西南喀斯特、山地丘陵、黄土高原[6-10]，研究方法也在不断地更新，如克里金、地统计学、BP神经网络[11-15]等。耕地质量或土壤元素含量空间变异研究方法不断更新，研究结果更符合实际，与实际问题更为贴切，在农业生产和耕地质量保护中发挥较好的作用。在土壤质量和能量的空间分布特征研究中统计学和GIS技术相结合方法已成为主流并较成熟[16-19]。

湖北省是中国重要的粮食生产基地，而鄂西北是地形较复杂的丘陵山地区，土壤所处的地形及其利用方式复杂多样。丘陵山地区的耕地的全氮含量容易受到地形、气候、植被、成土母质、土壤类型等自然要素和包含灌溉方式、交通、生产方式等在内的人为因素的影响。在复杂的地形条件下研究鄂西北土壤耕地全氮空间分布规律及其形成机制，在耕地施肥、农业生产规划、生态环境平衡等方面具有较重要的实践意义。

本研究以湖北省西北区的十堰市为研究区，以701个样品点的原始化验数据为基础，运用GIS、统计学和地统计学相结合的方法，对土壤全氮含量进行统计学特征分析、空间分布变异分析和影响因素分析，并总结其空间变异规律，以期为找出影响全氮分布的因素和提高十堰市耕地质量提供决策依据。

1数据来源

结合研究区的地形地貌、土壤类型、土地利用方式等信息，遵循代表性、均衡性和可达性等原则选择采样点，其空间分布如图1所示。对十堰市各县区土壤样品的采集在2017年农作物秋收后土壤施肥前进行。每个采样点均在其5 m范围内取5点制成一个混合土样，每个土样重量为1～1.5 kg，表层土样的采集深度为30 cm土层。在采样的同时记录每个采样点的地理坐标、土地利用类型等20余项信息，一共采样701个。取好的土样在登记编号后，再经过风干、研磨、过筛后取500 g样品，用半微量凯氏定氮法来测定全氮的含量[20-21]。在土样采集时利用手持式GPS记录海拔数据；利用研究区的DEM数据在ArcGIS软件平台下计算获得；有效土层厚度、农作物种类、灌溉方式等因子数据也是现场进行记录；耕层质地、成土母质，土类，土地利用类型，熟制等数据在实地调研的基础上，结合研究区实际土壤类型和气象气候数据、湖北省土壤分类和湖北省土种志的相关指标进行判别而获得。

2数据处理和研究方法

利用统计学方法分析十堰市耕层土壤全氮含量的描述性特征；采用地统计方法分析其空间变异特征；利用简单克里金法进行空间插值，并分析空间分异情况；运用方差分析法分析各分类变量的全氮含量，运用逐步回归判别影响因子对全氮含量变异的解释能力以及判定主导影响因子。在逐步回归时对成土母质、生产方式等分类变量采用均值法进行赋值。

在数据处理和分析中，采用SPSS 22.0软件对全氮含量进行描述性统计分析，用K-S检验法在非参数单样本检验（a=0.05）下进行正态性检验，使用相关分析功能分析全氮与土壤有机质等定量数据关系与分类变量的关系分析时使用方差分析和逐步回归分析法。

在描述性统计分析中得出的平均值反映全氮含量的总体情况，方差和标准差反映全氮含量离散度情况，变异系数能反映随机变量的相对波动程度[22-23]。

利用GS+9.0软件平台对十堰市耕层土壤全氮含量地统计学特征进行分析。半方差函数是地统计学的一个分支，主要研究区域化变量的空间变异特征和影响因素的作用等情况。半方差函数是以区域化变量理论为基础、以变异函数为主要工具，研究空间要素的分布情况的模型，现已经成为土壤学研究的一个重要工具。块金系数[C0/（C0+C）]可以反映样本间的空间相关性特征。如果块金系数大于75%，表明空间异质性主要受随机性因素影响；如果块金系数小于25%，表明空间异质性主要受结构性因素影响；若块金系数介于25%～75%之间，表明区域化变量的空间异质性是随机因素和结构性因素共同作用的结果[24-25]。运用半方差函数时，一般考虑区域化变量的各向同性特征和各向异性特征。

利用ArcGIS软件判别半变异理论模型和空间变异性[26-29]，进行插值分析并制作全氮空间分异图，分析耕层土壤全氮含量空间分布情况。

在研究一个或多个分类型自变量与一个数值型应变量之间的关系时，方差分析是主要的方法之一[30-32]。他主要研究分类型自变量对数值型应变量的影响，他们之间的关系和关系强弱等情况，通过方差分析能够说明不同类型土壤之间养分的差异情况。方差分析基本条件：各样本是相互独立的随机样本，均服从正态分布和各样本总体方差相等，即满足方差齐性，为此采用F检验法。

采用逐步回归分析方法，分析影响因子对全氮的相对重要性，为此根据研究目的和研究区实际情况，考虑数据的获得性和完整性等原则，选取土壤环境、耕地利用类型等十大类影响因子组成的影响因子体系。自然因素是土壤生成和发展的决定性因素[33-34]，为此在影响因素中设有土壤环境和熟制等八大类自然因子。随着人类技术水平的提高，人对土壤环境的影响程度越来越高，除了为达到高产大量使用化肥更改土壤成分之外，不同的農作物和不同的灌溉方式也会影响土壤质量。湖北省十堰市耕层土壤全氮空间变异影响因子体系和数据类型如表1所示。

3结果与分析

3.1土壤全氮含量的统计特征

从计算结果可得知，十堰市耕层土壤全氮含量在0.126～3.740 g/kg之间，其平均值为1.12 g/kg，表明整个十堰市耕层土壤的全氮含量比较丰富，标准差和方差分别为0.55和0.31，表明每一个样点全氮含量与平均含量之间的离散程度较小。全氮含量的变异系数为0.49，变异程度属于中等变异。K-S正态分布检验结果可表明，十堰市耕地表层土壤全氮含量数据不服从正态分布，但对原数据进行对数变换后服从正态分布。对全氮地统计学分析和进行空间插值时，可对数据进行对数变换，从而保证地统计学分析的正态性。

3.2全氮半方差函数分析

3.2.1各向同性分析各向同性分析在研究区划变量空间分异情况时不区分方向，主要考虑空间距离来判别区域化变量的空间变异情况和影响因素。利用GS+ 9.0软件，对十堰市耕层土壤全氮进行半方差函数分析得到各向同性半方差模型（图2a）。土壤全氮最优半变异理论模型为高斯模型，模型决定系数（R2）为0.982，拟合误差值（RSS）为8.43′10-4，模型拟合程度较高，能够有效地反映研究区耕层土壤全氮含量空间变异特征。随机因素对全氮空间变异的影响程度为16.4%，全氮在研究区域内的变异程度为34.1%，随机变量比重为48.09%，表明研究区内全氮的空间变异由随机因素和结构性因素的共同作用下而形成，人为因素对全氮含量的空间变异性的作用小于自然因素；十堰市耕层土壤全氮的变程57 km，该值小于间隔距离（105.75 km），表明全氮含量存在较强空间自相关性。

3.2.2各向異性分析利用半方差函数判别全氮在各方向上的变异性情况。主方向0°表示正北-南（N-S）方向，45°表示东北-西南（NE-SW）方向，90°表示东-西（EW）方向，135°表示东南-西北（SE-NW）方向，15°—35°是在东北-西南（NE-WS）方向。研究区地形地貌较为复杂，地形对全氮的空间分布有一定影响，为了解不同方向上的空间变异情况，绘制在0°、45°、90°、135°方向的半方差函数图（图2b），土壤全氮含量在各方向上均有变异性，间隔距离越大，变异性越大，这符合区域化变量的空间相关性特性。从图2b可知，间隔距离31.80 km之内，N-S方向的变异程度较大，变程距离在38.73～59.98 km之间NE-WS方向上的变异较大，间隔距离66.95 km后，N-S方向的变异又超过其他方向的变异。E-W和SE-WN方向的变异总低于N-S方向的变异，其中SE-WN方向的变异在间隔超过74.02 km起开始下降趋势。各向异性分析的半方差函数和相应参数见表2。

由表2可知，在各方向上，南北方向的变异最优半方差理论模型为线性模型，东北-西南和东-西方向的最优半方差理论模型为指数模型，东南-西北方向的最优半方差理论模型为球状模型。块金系数在25.91%～ 28.57%之间，各方向上的变异均受随机因素和结构性因素共同影响。影响土壤全氮空间分布情况的随机性因素有耕作制度、施肥、种植作物、管理水平、环境污染、灌溉能力等。结构性因素对十堰市耕层土壤全氮含量空间变异影响较大，约在72%～75%，影响全氮的结构性（自然因素）因素包括母质、地形、生物多样性、土壤类型、地质地貌、土壤质地、气候、生物等。土壤全氮含量半方差模型是球状模型和指数模型，半方差模型的决定系数均0.90以上，RSS值较小，表明模型可信度较高，均可以采用这些模型模拟预测全氮的空间变异情况。在表2中，正东-西方向和东南-西北方向上的主轴和亚轴比值较低，均等于1，表明该方向上全氮的变异性较小，正北-南方向上的主轴和亚轴比值为1.49，表明该方向上耕层土壤全氮的变异性较大，在不同位置上全氮含量区别较大。分析各向异性而得到的这个结果在研究区域化变量空间变异性有一定的参考价值。

3.3全氮空间分布格局

运用ArcGIS软件的地统计功能，通过简单克里金法对十堰市全氮进行空间插值，差值之前进行空间趋势分析（图3a），掌握空间变异情况。在空间插值时对全氮原始数据进行对数变换，选择高斯函数进行插值，并按照国家土壤养分级别标准[35-36]绘制含量插值图（图3b）。

由图3可知，十堰市耕层土壤全氮的分布总趋势是南高，北低，西高，东低，西南高，东北低，东南高西北低，各方上南北方向的变异性最明显，差别较大。

经过简单克里金插值后，根据土壤养分级别标准，十堰市的土壤全氮可分为6个级别：全氮含量大于2 g/kg为极丰富；1.5～2 g/kg之间为丰富；1～1.5 g/kg之间为最适宜；0.75～1 g/kg之间为适宜；0.50～0.75 g/kg之间为缺乏；小于0.5 g/kg为极缺乏。由图3b可看到，十堰市耕层土壤全氮含量不存在小于0.5 g/kg的情况，缺乏等级主要分布在西北部，全氮含量丰富和极丰富级别主要分布在南部和中部，面积大约占全区域的2/3。

3.4影响因素分析

由表1可知，影响全氮的因素有土壤环境和熟制等10大类，其中土壤环境和地形因素是定量变量，其余因素均为分类（名义）变量。采用相关分析法研究定量因素和全氮含量之间的关系，用单因子方差分析法研究名义变量与全氮之间的关系。

3.4.1土壤环境的影响环境因素和地形因素的数据均为定量数据，可直接用相关分析法得到与全氮的之间的关系，在SPSS软件平台下算出的全氮与环境、地形因子各指标之间的皮尔逊相关系数，如表3所示。

由表3可知，土壤全氮与有机质、有效土层厚度、土壤容重之间存在正相关性，其中与有机质和有效土层厚度相关性较显著，但与土壤容重之间相关性不显著。全氮与有机质的关系较密切，与有效土层厚度和土壤容重之间的关系不太密切。全氮与土壤pH之间呈弱负相关关系。

图3和图4进行比较可以发现，十堰市耕层土壤有机质含量空间分布与全氮空间分布基本相同，即南部高，中部北部相对较低，表明通过提高耕地土壤有机质含量可以提高全氮含量。有效土层厚度较深的南部河谷平原带和山谷地带土壤全氮含量较高，表明流水和风流的堆积作用对耕地土壤全氮含量有一定的积极作用。

3.4.2地形的影响利用十堰市DEM（30 m′30 m）数据，运用ArcGIS空间分析和栅格计算功能，分别计算得到701个样点的坡度、坡向等地形特征值。由表3可知，全氮与海拔、坡度、地形起伏度、地面粗糙度呈正相关关系，与坡向之间有负相关关系，其中与海拔之间的相关性相对较强，在0.01水平下显著，其余要素之间的相关性较弱，均未通过显著性检验。

十堰市海拔较低、地形平坦的河谷带耕层土壤全氮含量较高，其原因很可能是高山区土壤全氮受到水土流失的影响发生土壤氮素流失，堆积在地形较平淡和海拔较低的河谷带，为此呈现出全氮和海拔呈弱正相关特征。

3.4.3生物多样性的影响土壤环境因素中生物多样性是定性要素（名义变量），采用单因素方差分析法计算土壤全氮与生物多样性之间的关系。计算结果显示，生物多样性为丰富的107个样点的全氮含量大约在0.150～2.946 g/kg之间，均值为1.65 g/kg左右；生物多样性为一般的样点个数为465个，其全氮含量在0.126～3.740 g/kg之间，均值为1.104 g/kg左右；生物多样性不丰富的129个样点全氮含量均值大约为0.73 g/kg左右。3種生物多样性类型的土壤全氮含量均值排序为丰富>一般>不丰富，生物多样性丰富时全氮含量最小值均大于其余两类，变异程度最小。生物多样性一般的样点均值、最小值和最大值均大于不丰富类型的相应值，由此可得出，土壤生物多样性与全氮含量成正比关系。

3.4.4耕层质地的影响耕层质地是土壤生成和发展的一个结果，是影响土壤全氮含量的主要结构性因素之一，对土壤全氮含量和空间分布的影响较明显。十堰市耕地土壤样点中有黏土和重壤等5种耕层之地类型，耕层质地与全氮之间的单因子方差分析结果如表4所示。

由表4均值可判断，轻壤、中壤、重壤的全氮含量在1.1 g/kg左右，各类最小值和最大值之差也不大，砂壤中全氮含量最小为0.9 g/kg左右，黏土中全氮含量最多，大约在1.3 g/kg左右，最小值和最大值差别不大。通过检验值可判断，土壤质地类型对全氮空间分布有明显的影响。这些耕层质地类型中砂壤中的全氮含量变异较大为52.8%，表明砂壤对土壤全氮的作用较明显，与其他土壤质地类型比较有显著的差异。

3.4.5土类和成土母质的影响由表5可知，棕壤、潮土、水稻土、黄棕壤中全氮含量较高，其中黄棕壤中全氮含量大约为1.6 g/kg左右，潮土中的全氮含量比紫色土大约多1倍。棕壤的全氮含量最大，潮土、水稻土的全氮含量在1.2～1.3 g/kg左右，石灰（岩）土，黄褐土和紫色土的全氮含量较少。7种土壤类型中全氮的含量有明显的差别，平均全氮含量高低依次排列：潮土>水稻土>棕壤>石灰岩土>黄棕壤>黄褐土>紫色土。土壤类型对全氮的影响有明显的差异性，其中潮土与紫色土，黄棕壤与水稻土、紫色土、棕壤，水稻土与紫色土和黄褐土，石灰岩土与紫色土，紫色土与棕壤，黄褐土与棕壤之间差别较显著。

十堰市的耕地土壤样点所属于的成土母质主要有第四纪老冲积物和紫色岩类风化物等8种类型。潮土的成土母质为河湖冲沉积物，主要是河流和湖泊水堆积作用而形成的，全氮含量最高1.345 g/kg左右，黄褐土的成土母质为第四纪老冲积物其全氮含量为1.003 g/kg，黄棕壤的成土母质为石英岩类风化物、泥质岩类风化物和结晶岩类风化物，其含量为1.094～1.370 g/kg之间，石灰岩土的成土母质为碳酸盐类风化物全氮含量为1.196 g/kg，水稻土的成土母质为较复杂，主要有河湖冲（沉）积物、结晶岩类风化物、泥质岩类风化物和第四纪老冲积物，这些母质物的全氮含量均大于1 g/kg，紫色土的成土母质为红砂岩类风化物和紫色岩类风化物，全氮含量最小（0.855 g/kg），棕壤的成土母质为泥质岩类风化物其全氮含量为1.094 g/kg。

各类成土母质对全氮含量的影响有明显的差异性，其中河湖冲积物、结晶岩类风化物、碳酸盐类风化物的影响较大，均含量与紫色岩类风化物比较多0.508 g/kg、0.468 g/kg、0.371 g/kg，第四纪老冲积物、红砂岩类风化物、泥质岩类风化物与全氮的关系与前几个类型对比较弱。各成土母质平均全氮含量高低依次排列为河湖冲沉积物>石英岩类风化物>碳酸盐类风化物>结晶岩类风化物>泥质岩类风化物>红砂岩类风化物>第四纪老冲积物>紫色岩类风化物。

3.4.6耕地利用方式的影响十堰市耕地利用方式有水田、水浇地、旱地3种，全氮与利用方式的单因素方差分析结果显示，全部样点中水田的样点数较多为263个，全氮含量在0.147～3.740 g/kg之间，均值为1.32 g/kg左右，全氮含量最高，均大于其余2种利用方式。水浇地样点较少为14个，全氮含量在0.690～2.50 g/kg之间，均值为1.139左右，旱地的全氮含量在0.126～ 3.310 g/kg之间，均值为1.046 g/kg。3种土壤类型全氮含量区别不大，其中水田的全氮含量较多，旱地全氮含量较少。水田和水浇地主要分布在中部和东北部地势较平淡和山谷地带，交通方便、生产条件便利，农民对农田的投入量较高等原因耕地土壤全氮含量较高。3种农田利用方式中水田与旱地之间的差异性显著，水浇地是一个过渡带，水浇地与水田和旱地之间的差异性不显著。

3.4.7熟制的影响熟制是分类属性要素，是名义变量，土壤全氮与熟制单因素方差分析计算结果显示，两种熟制对土壤全氮含量有明显差异性（P<0.05）。研究结果表明，在一年一熟制度下的土壤全氮含量均值、最小值、最大值均大于一年二熟制度下的区耕地土壤全氮含量，表明一年一熟制度下的土壤中全氮含量较多。一年一熟制度促进土壤全氮含量的集聚，在实际农业生产过程中实施休耕生产方式有利于氮元素集累。

3.4.8生产方式的影响701个样点包括的种植农作物种类有茶树、果树、水稻、玉米等，灌溉方式主要有沟灌、漫灌和喷灌类型。农作物与全氮之间的方差分析计算结果如表6所示。

由表6可知，种植水稻、茶叶、蔬菜、烟草、玉米的耕地土壤全氮含量比较高，平均值均大于1 g/kg，其中水稻地的全氮含量最高为1.382 g/kg，表明这些农作物对土壤全氮含量的影响较大。果树、花生、小麦农作物耕地的全氮含量平均值均低于1 g/kg，这些农作物主要分布与干旱地区，受地形，交通和浇水等条件的影响，农民对农田的投入量较小，耕层土壤全氮含量较低。农作物的种类主要与地形和气候等自然要素有关，人为因素的作用未超过自然因素的作用，不同农作物对土壤全氮含量影响有显著的差异。

灌溉方式中沟灌和漫灌方式的土壤全氮含量平均值较均为1 g/kg左右，最大值分别为2.964 g/kg和3.740 g/kg，喷灌地的全氮含量较小，最大值1.50 g/kg，相当于漫灌地的一半。3种灌溉方式的最小和最大值之间虽然存在较大的区别，沟灌对全氮的影响高于漫灌和喷灌，但方差分析检验值为2.77，显著性P>0.05，结果可信度不显著。研究结果表明，灌溉方式对土壤全氮含量的影响不太明显。

3.4.9影响程度差异性比较为了进一步说明各因子对全氮影响程度大小，使用逐步回归分析方法，确定各因子对土壤全氮的影响程度[35-36]。由表7可知，各影响因子对土壤全氮含量变异的独立解释能力不相同，大约在2%～61.5%，其中土壤环境对全氮的空间分异的影响最大，能解释空间变异的61.5%，灌溉方式对全氮的影响程度最小，大约为2%。这些因素对全氮变异的单独解释能力排序为土壤环境>成土母质>熟制>生物多样性>农作物种类>耕层质地>土类>地形因素>耕地利用方式>灌溉方式。

由表7可知，全氮为因变量，影响因子为自变量的线性逐步回归方程在0.0001水平显著，表明10种因子对耕层土壤全氮的空间分异影响程度均不相同，其中土壤环境，成土母质、熟制、生物多样性、农作物种类对全氮的影响较大。对全氮分异影响因子中土壤环境的影响最大，能够解释全氮变异的61.5%，对回归方程的作用也最大，其次为成土母质21.1%，熟制和生物多样性的解释能力分别为10.9%和10.2%，农作物种类的解释能力为7.5%。由此可得出，土壤环境因素对耕层土壤全氮含量的影响最大，农作物对全氮含量也有一定的显著作用。耕层质地和灌溉方式等因素对全氮含量影响不太显著。

设置全氮含量为因变量，10种因子为自变量，十堰市耕层土壤全氮含量与各影响因素之间的逐步回归分析计算结果如表8所示。表12中，R2是模型决定系数，表示回归模型的可信度，该值越高模型可信度越大，△R2是增加该变量时回归方程判定系数的增量，该系数取值越大，说明该自变量越重要。

由表8可知，模型5的可信度最高，在0.001水平下显著，该模型包扩土壤环境的5个自变量，表明10中影响因子中土壤环境、成土母质、熟制、生物多样性，农作物种类为全氮含量空间变异的主导型因子，其中土壤环境因子的作用最大，空间变异的贡献度53.3%，农作物种类的贡献度大约为0.1%，表明各因子对全氮的影响有较大的差别。主导因素中土壤环境因子等为自然因素，农作物种类是人为因素，自然因素的贡献度均大于人为因素，为此得出，自然因素对全氮的影响程度较高，人为因素的影响程度较小。

4討论与结论

十堰市耕层土壤全氮含量呈中等变异特征，整体上，十堰市土壤全氮含量较高，其空间分布受结构性因素和人为因素的共同影响，其中自然因素的作用大于人为因素，全氮空间分布类型为聚集型分布，在空间分异上存在较强的空间相关性，这个研究结果与于倩茹[37]和吴正祥[38]研究结果一致。在湖北西北部土壤采集点布设和野外采样时空间距离不能超过57 km。耕层土壤全氮分布总趋势是南高，北低，西高，东低，西南高，东北低，东南高西北低，各方向上变异性最明显，差别较大。在北部、尤其是西北地区农田施肥时应适当增加氮肥的施用量。全氮与有机质、有效土层厚度、海拔之间均有显著的正相关性，与土壤pH有显著的负相关性。在黏土、棕壤、水田、河湖冲积物、第四纪老冲积物、一年一熟，生物多样性为丰富、种植水稻的土壤中全氮含量较多，在砂壤、紫色土、紫色岩类风化物，生物多样性为不丰富和种植水果、小麦，喷灌方式下的耕地的全氮含量较少。10种影响因子中土壤环境等自然因素的作用较大，灌溉方式等人为因素的影响程度较小。这些因子对全氮的影响程度排序为土壤环境>成土母质>熟制>生物多样性>农作物种类>耕层质地>土类>地形因素>耕地利用方式>灌溉方式。

对湖北省西北部而言，在实际的农业生产中，应根据影响养分空间变异的主导因素的差异性，因地制宜地进行施肥。耕层土壤有机质含量较高，但区域性特征较明显，北部，东北和西北等全氮含量较小地区在农业生产中可采取秸秆还田、农作物轮种、提高农田林网化程度等方式适当增加土壤氮素。土壤生物多样性和有机质与全氮含量关系较密切，直接反映全氮含量变异的70%左右，根据土壤全氮含量情况进行施肥提高土地利用效率。

鄂西北地区河谷和山谷带、一年二熟区、红砂岩类风化物和紫色岩类风化物带、有机质含量较少区土壤氮含量较低，在今后的农业生产活动中可适当地增加氮肥的施用量。自然因素对耕地土壤氮含量及空间分布的主要影响因素，保护生物多样性的同时重视人为因素对耕地质量的影响，可采用农作物轮作等方式提高耕地质量和耕地生产能力。研究中对土壤氮含量影响因素中自然要素较多，人为因素较少，这对研究结果可能产生一定的影响。随着技术水平的提高，人为因素对土壤质量的影响不断提高，今后研究应重视交通、农民素质、政策等人为因素对耕地土壤质量及氮含量及其空间分布的影响。

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