曹霄霄，王應剛，蘇尚軍，郭 星，張 婷

（山西大學環(huán)境與資源學院，山西太原030006）

晉中盆地土壤氮元素空間異質性研究

曹霄霄，王應剛，蘇尚軍，郭 星，張 婷

（山西大學環(huán)境與資源學院，山西太原030006）

土壤氮元素是植物需要最多的營養(yǎng)元素，大尺度研究土壤氮元素的空間變異結構，有利于系統(tǒng)地掌握當?shù)赝寥乐械淖儺悹顩r，便于科學管理。通過隨機采樣得到晉中盆地215個樣點，分別提取0～20 cm土壤樣品中的全氮含量，并采用半方差函數(shù)模擬及克里金空間插值分析土壤中氮元素變異結構與空間分布特征。結果表明，土壤中全氮含量的平均值為0.79 g/kg，與國家二級養(yǎng)分分級標準相比，處于缺乏狀態(tài)；盆地內不同地點的土壤全氮含量差異較大，變異系數(shù)為47.67%，屬于中度變異；通過半方差函數(shù)的4種模型模擬效果來看，指數(shù)模型模擬效果最好，氮元素結構方差比為0.504，具有中等空間自相關性；盆地中部河流兩岸全氮含量高于盆地邊山區(qū)，高值區(qū)與低值區(qū)呈斑塊狀分布，其中，最高值區(qū)分布于太原、清徐、榆次、太谷交界區(qū)域，最低值區(qū)分布于盆地西南部邊山區(qū)的孝義市大部分地區(qū)。

氮元素N；半方差函數(shù)；克里金插值；晉中盆地

晉中盆地三面環(huán)山，氣候的季節(jié)性強，具有特殊的自然地理環(huán)境，同時是我國重要的能源化工業(yè)基地以及山西省重要的經濟文化中心。一方面，長期的工業(yè)發(fā)展產生的污染物侵入土壤表層；另一方面，該地區(qū)農業(yè)生產方式落后，尚未形成適合該地區(qū)的土壤施肥技術，粗放地施用大量的氮肥使得土壤中氮元素發(fā)生了明顯的空間異常。目前，對晉中盆地土壤氮元素分布特征及其分異情況缺乏全面系統(tǒng)的了解，因此有必要大范圍研究土壤氮元素空間變異。

本研究運用地統(tǒng)計學分析了晉中盆地土壤全氮含量空間變異結構方面的結果，以深入挖掘晉中盆地氮元素的空間分布特征原因，為在高度節(jié)約集中用地的情況下探討土壤養(yǎng)分分區(qū)管理，為當?shù)仄胶飧鲄^(qū)域養(yǎng)分提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

晉中盆地又稱太原盆地，經緯度為：111°45′～112°50′E，36°48′～38°18′N，位于山西省中部，黃土高原的東部，北起陽曲縣的南部，南至孝義市與介休市的中部地區(qū)，西鄰呂梁山，東接太行山。盆地東西兩側為斷崖山脈，海拔相對較高，中間為汾河谷地，地勢平坦；氣候屬于溫帶季風性氣候，年平均氣溫約為9.2℃，年平均降水量為460 mm左右，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥；屬于半干旱半濕潤地區(qū)。盆地的土壤以褐土性土、石灰性褐土、潮土、鹽化潮土為主。

盆地包括太原（市）、陽曲、清徐、太谷、榆次（區(qū)）、文水、平遙、交城、祁縣、靈石、介休、孝義12個縣（區(qū)、市）的部分地區(qū)，同時也是我國重要的能源重化工基地，大型工礦企業(yè)多集中于此，形成了以煤為主線的采煤廠、焦化業(yè)、洗煤業(yè)，以鐵為主線的鋼鐵廠和非金屬石灰?guī)r以及以黏土為主線的水泥廠。城市人口集中且城市化水平高，是山西省重要的政治、經濟、文化中心。

2 研究方法

2.1 樣點設置與土樣采集

采樣時間為2016年9月，采樣點是在晉中盆地12個縣（區(qū)、市）內分別隨機布設樣方，共選取了215個樣方，實際采樣的位置用GPS進行定位（圖1）。樣方規(guī)格為5 m×5 m，在每個樣方中選取5個取土點（中心1個、四角4個點），用不銹鋼土鉆分別取0～20 cm深的土樣，混合后稱1 kg作為該樣點的土樣，采集所有樣點的土樣后分別封袋帶回實驗室。

將采集好的所有土樣自然風干后，剔除土壤中的石塊、昆蟲尸體等雜物，用木棒碾碎后，過2 mm的尼龍篩，再去除顆粒大于2 mm的雜物，反復進行過篩、剔除過程后，留下100 g在研缽中磨細，全部過了0.149 mm的尼龍篩，后裝袋封存進行測定，采用全自動凱氏定氮儀進行測定。

2.2 數(shù)據(jù)處理

將采集的土壤樣品進行測定后，用SPSS 16軟件對所有樣點的全氮含量進行基本統(tǒng)計分析。

半方差函數(shù)是判斷土壤中氮元素的空間依賴性和變異程度，通過GS＋軟件進行半方差函數(shù)擬合。半方差函數(shù)是指在任意方向上相距為h的2個區(qū)域變量 Z（x）和 Z（x＋h）之間增量的方差。

式中，r（h）為半方差函數(shù)，h 為步長，N（h）表示步長為h時的試驗數(shù)據(jù)點的數(shù)量，Z（xi）和Z（xi＋h）分別為區(qū)域變量Z（x）在xi和xi＋h位置上的實測值。

最后利用GIS軟件的克里金插值對半方差函數(shù)擬合的參數(shù)進行空間插值，從而得出氮元素的空間分布特征。

3 結果與分析

3.1 土壤全氮元素的描述性統(tǒng)計分析

根據(jù)國家土壤第二次普查的養(yǎng)分分級標準，土壤氮元素主要分為6級：1級為極豐富（＞2 g/kg），2級為豐富（1.5～2.0 g/kg），3級為中等（1.0～1.5 g/kg），4 級為缺乏 （0.75～1.00 g/kg），5 級為很缺乏（0.50～0.75 g/kg），6級為極缺乏（＜0.5 g/kg）。由表1可知，晉中盆地全氮含量范圍為0.2～2.3g/kg，平均含量為0.79 g/kg；從各縣含氮量看，除太原、清徐和榆次含氮量相對較高、處于中等狀態(tài)以外，其余各縣含氮量均處于缺乏狀態(tài)到極缺乏狀態(tài)。盆地內不同地點的土壤全氮含量差異較大，變異系數(shù)范圍為24%～80%，除介休、平遙變異系數(shù)較小之外，其余各縣（區(qū)、市）變異系數(shù)相對較大。晉中盆地總體峰度值與偏度值分別為1.98和1.10，表明全氮含量的分布曲線為偏左的瘦尾峰，其偏度值距0值較大，不滿足正態(tài)分布；從各縣（區(qū)、市）的峰度值與偏度值看，除介休、平遙、清徐全氮含量分布曲線為偏右的瘦尾峰，其余各縣（區(qū)、市）的分布曲線為偏左的瘦尾峰，其偏度值與0值差異均較小，為近似正態(tài)分布，但從峰度與偏度值看全氮含量是否滿足正態(tài)分布還不夠準確，仍需進一步進行檢驗。

表1 晉中盆地土壤氮元素含量基本統(tǒng)計

3.2 土壤氮元素的空間變異結構特征分析

半方差函數(shù)是研究空間變異性最重要的方法，通過單樣本k-s正態(tài)分布檢驗得出，原數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布，利用對數(shù)轉換將原數(shù)據(jù)轉換為正態(tài)分布。

土壤空間變異是由結構性因素與隨機性因素共同作用所導致的，因成土母質、氣候及人為活動等因素，使得土壤營養(yǎng)元素產生一定的空間變異。通過半方差函數(shù)分析土壤中氮元素空間變異規(guī)律，其中，C為結構方差，表示由氣候、地形等結構性因素引起的空間變異；C0為塊金方差，表示由較小尺度上的人為隨機因素造成的，較大的C0值表示受人為因素影響較大；C＋C0為基臺值，表示研究對象的結構性因素與隨機性因素共同引起的總的變異程度；C/（C＋C0）為結構方差比，表示由結構性因素引起的變異程度占總變異程度的比例；Range（變程）表示變量空間自相關性的最大平均距離。通過對表2中4種半方差理論模型參數(shù)進行比較，從決定系數(shù)可以看出，指數(shù)模型模擬的精度最高（R2＝0.725），因此，選擇指數(shù)模型來分析晉中盆地氮元素的空間變異規(guī)律。從模型的效果來看，晉中盆地全氮元素在變程為12 480 m范圍內具有較強的空間相關性；結構方差比C/（C＋C0）為0.504，表示土壤中氮元素具有中等空間依賴性，受隨機因素的干擾較大。

表2 晉中盆地土壤氮元素含量的半方差函數(shù)模型及參數(shù)

3.3 土壤氮元素的空間格局分析

克里金插值是指通過對樣點的特征值及樣點間的空間位置擬合得到一個函數(shù)方程，進而反映出樣點特征值與樣點空間位置的數(shù)學關系，以此推斷出未知區(qū)域樣點的特征值。

從圖2可以看出，盆地中部河流兩岸比盆地邊山區(qū)含氮量高，高值區(qū)與低值區(qū)呈斑塊狀分布，含量最高值范圍為0.90～1.20 g/kg，集中在盆地中北部的太原、清徐、榆次、太谷交界一帶，該地區(qū)的全氮含量屬于中等狀態(tài)；大部分地區(qū)的全氮含量范圍為0.70～0.90 g/kg，主要分布在平遙、文水、汾陽、介休、清徐、太谷、榆次、太原、陽曲的部分地區(qū)，屬缺乏狀態(tài)；含量范圍在0.5～0.7 g/kg的主要分布在祁縣、孝義和汾陽北部等盆地邊緣地區(qū)，屬于很貧乏狀態(tài)；含量最低值范圍為＜0.5 g/kg，主要分布在盆地西南部的孝義市大部分地區(qū)，屬于極貧乏狀態(tài)。

4 結論與討論

本研究通過經典統(tǒng)計與地統(tǒng)計分析了晉中盆地土壤氮元素的基本情況與變異程度，并通過GIS軟件分析了氮元素的空間分異特征，結果表明，晉中盆地的全氮平均含量為0.79 g/kg，與國家養(yǎng)分分級標準相比，屬于缺乏狀態(tài)，因為盆地周圍邊山區(qū)以黃土丘陵地貌為主、局部地段為砂巖和石灰?guī)r，而盆地平原區(qū)被現(xiàn)代沖積物所覆蓋，大部分為沙壤土，水肥涵養(yǎng)能力差。盆地內不同地點的土壤全氮含量差異較大，變異系數(shù)為47.67%，屬于中等變異。

晉中盆地氮在變程為12 480 m范圍內具有較強的空間相關性；結構方差比C/（C＋C0）為0.504，表示土壤中氮元素具有中等空間相關性，表明由結構性因素與隨機因素共同作用而成。

晉中盆地土壤氮元素含量的空間分異特征如下：一是盆地中部河流兩岸附近地區(qū)的氮含量相對較高，其中以太原、榆次和清徐交界區(qū)域最高，一方面是因為該地區(qū)在20世紀90年代以前長期使用城市排放的污水灌溉農田，加之該地區(qū)位于太原市的下風向，大氣干濕沉降將大氣污染物中的氮素帶入土壤中，另一方面是由于該地區(qū)是太原市的主要蔬菜生產區(qū)，氮肥施用量大；二是盆地邊山區(qū)氮含量較低，其中以盆地西南部邊山區(qū)最低，由于該地區(qū)地形破碎、溝壑縱橫、植被稀少，水土流失較重，所以土壤含氮量低。

［1］林芬芳.不同尺度土壤質量空間變異機理、評價及其應用研究[D].杭州：浙江大學，2009.

［2］唐國勇，黃道友，黃敏，等.紅壤丘陵景觀表層土壤有機碳空間變異特點及其影響因子[J].土壤學報，2010（4）：753-759.

［3］張繼舟，呂品，于志民，等.三江平原農田土壤重金屬含量的空間變異與來源分析[J].華北農學報，2014，29（Z1）：353-359.

［4］趙明松，張甘霖，王德彩，等.徐淮黃泛平原土壤有機質空間變異特征及主控因素分析[J].土壤學報，2013（1）：1-11.

［5］宋豐驥，常慶瑞，鐘德燕.黃土高原溝壑區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異及其與地形因子的相關性[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2011（12）：166-172，180.

［6］陳曉琳，李忠武，王曉燕，等.中亞熱帶紅壤丘陵區(qū)松林生態(tài)系統(tǒng)表層土壤活性有機碳空間分異規(guī)律[J].地理研究，2011（10）：1825-1834.

［7］蘇尚軍，張婷，張元娟，等.城市化對土壤重金屬鉛空間分布的影響：以晉中盆地為例 [J].山西農業(yè)科學，2016，44（10）：1508-1511，1515.

［8］成杭新，楊忠芳，趙傳冬，等.區(qū)域生態(tài)地球化學預警：問題與討論[J].地學前緣，2004（2）：607-615.

［9］趙凡，沈玉梅，何秀云，等.耕地土壤肥力因子演變的變化程度分析：以榆中縣1987—2006年的變化為例[J].河南農業(yè)科學，2010（12）：55-58，62.

［10］黃立梅，黃紹文.規(guī)模經營稻田土壤養(yǎng)分空間變異特征與高效平衡施肥效應[J].華北農學報，2010，25（Z1）：205-211.

［11］田艷，馬友華，胡宏祥，等.農田土壤中氮的環(huán)境指標研究[J].中國農學通報，2017（7）：142-147.

［12］羅親普，龔吉蕊，徐沙，等.氮磷添加對內蒙古溫帶典型草原凈氮礦化的影響[J].植物生態(tài)學報，2016（5）：480-492.

［13］李健，杜健雄，劉霞，等.北京市八達嶺林場土壤氮元素空間異質性研究[J].林業(yè)調查規(guī)劃，2008（6）：51-54.

［14］王?；?，邢雪榮，韓興國.草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤氮素礦化影響因素的研究進展[J].應用生態(tài)學報，2004（11）：2184-2188.

［15］李貴才，韓興國，黃建輝，等.森林生態(tài)系統(tǒng)土壤氮礦化影響因素研究進展[J].生態(tài)學報，2001（7）：1187-1195.

［16］董云中，王永亮，張建杰，等.晉西北黃土高原丘陵區(qū)不同土地利用方式下土壤碳氮儲量 [J].應用生態(tài)學報，2014（4）：955-960.

［17］MOUSTAFA M M，YOMOTA A.Use of a covariance variogram to investigate influence of subsurface drainage on spatial variability of soil-water properties[J].Agricultural Water Management，1998，37（1）：1-19.

［18］KRAL F，CORSTANJE R，WHITE J R，et al.Geostatistical analysis of soil properties in the davis pond mississippi freshwater diversion[J].Soil Science Society of America Journal，2012，76（3）：1107-1118.

［19］FOROUGHIFAR H，JAFARZADEH A A，TORABI H，et al.Using geostatistics and geographic information system techniques to characterize spatial variability of soil properties，including micronutrients[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis，2013，44（8）：1273-1281.

［20］杜小翠，胡江玲.烏魯木齊城市土壤磁化率特征及其環(huán)境意義[J].天津農業(yè)科學，2014，20（3）：32-36.

［21］程先富，史學正，于東升，等.江西省興國縣土壤全氮和有機質的空間變異及其分布格局[J].應用與環(huán)境生物學報，2004（1）：64-67.

［22］馮明哲.研究地統(tǒng)計學的方法和進展 [J].電大理工，2016（4）：37-38.

［23］呂真真，劉廣明，楊勁松，等.環(huán)渤海沿海區(qū)域土壤養(yǎng)分空間變異及分布格局[J].土壤學報，2014（5）：944-952.

［24］白軍紅，鄧偉，朱顏明，等.水陸交錯帶土壤氮素空間分異規(guī)律研究：以月亮泡水陸交錯帶為例[J].環(huán)境科學學報，2002（3）：343-348.

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

近年來，由于工業(yè)化的迅速發(fā)展以及城市規(guī)模的擴張，草地、林地、農業(yè)用地不斷減少[1-2]，建筑用地不斷增加，土壤質量退化越來越嚴重，土壤養(yǎng)分出現(xiàn)局部富集或缺失[3-4]。很多學者對土壤質量進行評價，結果發(fā)現(xiàn)，由于大量工業(yè)用地和城市用地占用耕地，使得土壤養(yǎng)分含量減少[5-7]；其次農民不合理的灌溉與施肥技術使得局部地區(qū)土壤養(yǎng)分過分聚集[8-10]。土壤中的氮元素在生態(tài)系統(tǒng)的能量流動與物質循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[11-12]，是動植物生長所需要的最多的營養(yǎng)元素[13-14]，同時也是植物生長的限制性因子之一[15]。因此，揭示土壤氮元素空間的變異特征十分必要[16]。

地統(tǒng)計學最初是由南非地質學家KRIGE提出的，隨后由法國學者MATHERON發(fā)展完善形成理論[17]，目前其已成為研究空間變異最廣泛的工具[18-19]。在土壤學、生態(tài)學、植物學等眾多學科都已通過地統(tǒng)計學對土壤氮元素展開了大量研究[20-22]。呂真真等[23]運用地統(tǒng)計學研究得出，環(huán)渤海地區(qū)全氮含量有較好的空間結構；白軍紅等[24]在水陸交錯帶中研究得出，各形態(tài)氮素含量基本呈現(xiàn)由近水體到高崗地帶遞減的分異趨勢。

2017-05-12

國家自然科學基金項目（31070424）

曹霄霄（1992-），女，山西臨汾人，在讀碩士，研究方向：區(qū)域環(huán)境變化。王應剛為通信作者。