江葉楓 葉英聰 郭 熙? 饒 磊 孫 凱 李偉峰

（1 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院，南昌 330045）

（2 江西省鄱陽(yáng)湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330045）

江西省耕地土壤氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量空間變異特征及其影響因素*

江葉楓1，2葉英聰2郭 熙1，2?饒 磊1，2孫 凱1，2李偉峰1，2

（1 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院，南昌 330045）

（2 江西省鄱陽(yáng)湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330045）

基于江西省2012年測(cè)土配方項(xiàng)目采集的16 582個(gè)耕地表層（0～20 cm）土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，探討省域尺度下耕地土壤氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量空間變異特征及其影響因素。運(yùn)用相關(guān)性分析、回歸分析、方差分析和普通克里格法分析了成土母質(zhì)、土壤類型、耕地利用方式、秸稈還田方式和氮肥施用量對(duì)耕地土壤氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量空間變異的影響。結(jié)果表明，土壤氮磷比（N/P）在0.28～13.63之間，均值為3.38，變異系數(shù)為45.56%，呈中等程度的變異?？臻g分布上，高值區(qū)主要分布在海拔相對(duì)較低或鄱陽(yáng)湖平原地區(qū)，低值區(qū)主要分布在九江市。成土母質(zhì)、土壤類型、耕地利用方式、秸稈還田方式和氮肥施用量對(duì)江西省耕地土壤N/P空間變異影響顯著（p＜0.01），但影響程度有所不同。氮肥施用量能影響27.2%的土壤N/P空間變異，是引起江西省耕地土壤氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量空間變異的主要因素。

江西省；土壤氮磷比；生態(tài)化學(xué)計(jì)量；空間變異；氮肥施用量

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)（Ecological stoichiometry）是一門主要研究化學(xué)元素平衡和生態(tài)系統(tǒng)能量平衡的新興生態(tài)學(xué)科［1］，為研究土壤—植物生態(tài)交互作用以及土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）循環(huán)方面提供了新思路，廣泛應(yīng)用于植物動(dòng)態(tài)變化、種群演替、物種競(jìng)爭(zhēng)、化學(xué)元素循環(huán)乃至全球氣候變化，并取得了顯著成就［2-3］。其中，土壤系統(tǒng)中C、N、P元素循環(huán)已成為全球氣候變化背景下土壤學(xué)、環(huán)境學(xué)和生態(tài)計(jì)量學(xué)研究學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)之一［4］。土壤N和P是植物礦物質(zhì)養(yǎng)分、有機(jī)養(yǎng)分和土壤肥力的重要組成部分，作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中的2個(gè)限制性元素，在植物的生長(zhǎng)發(fā)育、群落組成以及生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能等方面發(fā)揮著重要作用［5］。受隨機(jī)性因素與結(jié)構(gòu)性因素的共同作用，土壤N、P在空間分布上往往表現(xiàn)出一定的異質(zhì)性，會(huì)產(chǎn)生異質(zhì)的土壤環(huán)境，進(jìn)而影響植物動(dòng)態(tài)變化、種群演替和物種競(jìng)爭(zhēng)［6］。目前，關(guān)于土壤N、P的研究主要集中在土壤N、P自身變異特征，而忽略了土壤N、P耦合平衡的關(guān)系。研究表明，與僅考慮土壤N、P自身變異特征相比，氮磷比（N/P）能夠更全面地闡述土壤N、P變異［7］。

由于不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物活性差異、土壤N與P的循環(huán)與轉(zhuǎn)換以及有機(jī)質(zhì)分解與積累速度的不同，導(dǎo)致土壤N/P變化明顯。與海洋生態(tài)系統(tǒng)相比較，陸地生態(tài)系統(tǒng)具有更為多變的環(huán)境因子、種群特征以及人為干擾，所以，土壤N/P變化更為復(fù)雜［8］。近年來(lái)，有關(guān)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤N、P化學(xué)計(jì)量特征空間變異及其影響因素的報(bào)道越來(lái)越多。盧同平等［9］對(duì)我國(guó)典型自然帶土壤N/P空間變異特征及其影響因素進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)溫帶荒漠帶森林土壤N/P主要受海拔影響，而青藏高原高寒植被帶主要受氣候和地形的影響。陳思宇等［10］對(duì)甘南高原草地土壤N/P空間異質(zhì)性研究結(jié)果表明：土壤N/P具有較強(qiáng)的空間變異性，在一定程度上受海拔和植被的共同影響。鄔畏等［6］研究表明，群落演替明顯影響土壤N/P的空間異質(zhì)性，且土壤N/P也是群落演替的一個(gè)重要影響因素。上述研究為認(rèn)識(shí)我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤N、P化學(xué)計(jì)量學(xué)特征提供了寶貴的資料。目前，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤N/P的研究大多集中在濕地、草地與森林等，而對(duì)于耕地生態(tài)系統(tǒng)的報(bào)道并不多見。受成土母質(zhì)、土壤類型以及耕地利用方式、秸稈還田方式、氮肥施用量等人為活動(dòng)因素影響，導(dǎo)致耕地生態(tài)系統(tǒng)的土壤N、P較其他陸地生態(tài)系統(tǒng)空間異質(zhì)性更為明顯［4］。研究陸地生態(tài)系統(tǒng)中耕地土壤N/P空間變異特征及其影響因素是研究陸地生態(tài)系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)變化、種群演替和化學(xué)元素循環(huán)的基本依據(jù)。

江西省地處我國(guó)東南部，是長(zhǎng)江中下游地區(qū)農(nóng)業(yè)人口較為密集的區(qū)域，也是我國(guó)從未間斷向外輸出商品糧的兩個(gè)省份之一。耕地土壤N、P化學(xué)計(jì)量特征是表征耕地質(zhì)量的重要因素，掌握耕地土壤N/P空間變異特征及其影響因素對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理與生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有十分迫切的現(xiàn)實(shí)意義。本文基于江西省2012年測(cè)土配方施肥項(xiàng)目采集的16 582個(gè)耕地表層（0～20 cm）土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，以耕地土壤N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征為研究對(duì)象，結(jié)合成土母質(zhì)、土壤類型、耕地利用方式、秸稈還田方式和氮肥施用量，運(yùn)用單因素方差分析、回歸分析和普通克里格法，探討江西省耕地表層土壤N/P空間變異特征及其影響因素。以期為江西省耕地表層土壤氮磷調(diào)控、耕地土壤化學(xué)元素分異與循環(huán)乃至全球氣候變化響應(yīng)模式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省，年平均氣溫20～30℃，雨量充沛，年均降水量1 340～2 000 mm，為亞熱帶濕潤(rùn)氣候；地理坐標(biāo)介于24°29′14″N～30°04′41″N，113°34′36″E～118°28′58″E之間，總面積為1.69×105km2，人口4 566萬(wàn)，轄11個(gè)地級(jí)行政區(qū)、100個(gè)縣級(jí)行政區(qū)、1個(gè)國(guó)家級(jí)新區(qū)。省內(nèi)東、西、南三面環(huán)山，中部丘陵和河谷平原交錯(cuò)分布，北部則為鄱陽(yáng)湖平原；土地利用類型以耕地和林地為主（圖1（a）），其中，耕地面積為3.09×106hm2，約占全省土地總面積的23.21%。耕地利用方式有一季水田、兩季水田、水旱輪作、一季旱地和兩季旱地等。土壤類型主要有水稻土、紅壤、黃褐土、石灰土和潮土等。秸稈還田存在不還田、翻壓還田和覆蓋還田3種還田方式。糧食作物以水稻為主，水稻種植面積約占全省耕地總面積的80%。植被以常綠闊葉林為主，具有典型的亞熱帶森林植物群落。

1.2 土壤樣品采集與測(cè)定

2012年11月至2013年2月按照《全國(guó)耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》采集土壤樣品。在考慮空間分布均勻性和樣點(diǎn)代表性的前提下，每個(gè)采樣點(diǎn)采集4個(gè)點(diǎn)并進(jìn)行充分混合，用四分法留取1 kg土樣，并運(yùn)用GPS記錄該樣點(diǎn)經(jīng)緯度，同時(shí)，詳細(xì)記錄該點(diǎn)成土母質(zhì)、土壤類型、土屬類型、耕地利用方式、秸稈還田方式和氮肥施用量等信息，共采集耕地表層（0～20 cm）土壤樣品16 582個(gè)（圖1（b））。土壤樣品經(jīng)過自然風(fēng)干后，在實(shí)驗(yàn)室磨碎過篩，采用全自動(dòng)凱氏定氮儀（Kjeltec8400，F(xiàn)oss，瑞典）測(cè)定全氮（TN）含量［11］，全磷（TP）含量采用鉬銻抗比色法［12］進(jìn)行測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

圖1 江西省土地利用類型圖和樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 Land-use type map andsoil sampling site distribution map of Jiangxi Province

受采樣及實(shí)驗(yàn)室分析誤差的影響，土壤氮磷含量測(cè)量結(jié)果存在異常值，從而對(duì)土壤N/P空間總體分布與統(tǒng)計(jì)分析產(chǎn)生影響。本文采用域值法（3倍的標(biāo)準(zhǔn)差）對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的土壤TN與TP含量異常值進(jìn)行剔除［13］，得到剔除后總樣點(diǎn)為16 109個(gè)，本文相關(guān)研究均采用剔除異常值后的數(shù)據(jù)?；谌?∶10萬(wàn)的地形圖生成數(shù)字高程模型（Digital elevation model，DEM）。高程、坡度、坡度變率、坡向、曲率、地形起伏度、河流動(dòng)能指數(shù)均由DEM在ArcGIS10.2軟件中處理提取，各地形因子的計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)［14］。本研究中各縣市氮肥施用量空間分布來(lái)源于1985—2015年《江西省統(tǒng)計(jì)年鑒》中各縣市平均氮肥施用折純量。成土母質(zhì)、土壤類型、耕地利用方式、秸稈還田方式和氮肥施用量為定性變量，本文采用虛擬變量［15］進(jìn)行賦值。

2 結(jié) 果

2.1 江西省土壤氮、磷化學(xué)計(jì)量描述性統(tǒng)計(jì)

土壤氮磷描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表1。江西省耕地表層土壤TN、TP和N/P（質(zhì)量比）均值分別為1.58 g kg-1、0.52 g kg-1和3.38。TN較我國(guó)平均水平（1.54 g kg-1）［16］高0.04 g kg-1，TP處于我國(guó)中等水平（0.2～1.1 g kg-1）［11］，N/P略低于我國(guó)平均水平（4.65）［9］；從變異系數(shù)可以看出，N/P變異系數(shù)最大，其次為TP，變異系數(shù)最小的為TN，三者均呈中等程度的變異性。

2.2 江西省土壤氮、磷空間結(jié)構(gòu)特征

在GS+軟件中對(duì)TN、TP和N/P進(jìn)行半方差函數(shù)的擬合，用半方差函數(shù)描述其空間結(jié)構(gòu)特征。從半方差擬合結(jié)果可以看出（圖2和表2），江西省土壤TN、TP和N/P的最優(yōu)模型分別為球狀模型、高斯模型和球狀模型，各模型的擬合效果較好，決定系數(shù)均在0.85以上。從模型的參數(shù)來(lái)看（表2），TN、TP和N/P的塊金效應(yīng)（隨機(jī)性因素引起的空間變異與系統(tǒng)總空間變異的比值）［15，17］分別為62.55%、64.52%和60.54%，表明TN、TP和N/P均呈弱空間相關(guān)性，隨機(jī)性因素引起的空間變異程度大于結(jié)構(gòu)性因素。TN、TP和N/P的變程分別為93.78、33.41和18.36km，表明TN的空間自相關(guān)范圍較大，而TP和N/P的空間自相關(guān)范圍較小。

表1 江西省土壤全氮、全磷和氮磷比的描述性統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Descriptive statistics of total nitrogen（TN），total phosphorus（TP）and N/P ratio in the soil of Jiangxi Province

圖2 江西省土壤TN、TP和N/P半方差函數(shù)圖Fig. 2 Isotropic semivariogram of TN，TP and N/P ratio in the soil of Jiangxi Province

表2 土壤TN、TP和N/P的半方差函數(shù)參數(shù)Table 2 Semivariance parameters of TN，TP and N/P ratio in the soil of Jiangxi

2.3 江西省土壤氮、磷空間變異特征

為直觀反映江西省土壤N/P的空間變異特征，在半方差模型擬合的基礎(chǔ)上運(yùn)用普通克里格法對(duì)研究區(qū)土壤TN、TP和N/P進(jìn)行空間插值，進(jìn)而得到三者的空間分布。如圖3所示，TN與N/P的空間分布圖較為相似（圖3（a）和圖3（c）），高低分布趨勢(shì)相當(dāng)，空間分布為突變而非漸變，能在一定程度上體現(xiàn)二者的空間異質(zhì)性；而TP分布較平滑，其中，含量在0.4～0.6 g kg-1之間所占面積比例最大。TN與N/P的高值區(qū)域主要分布在上饒市婺源縣、南昌市進(jìn)賢縣、萍鄉(xiāng)市湘東區(qū)和蓮花縣、新余市分宜縣、撫州市黎川縣以及贛州市定南縣，即主要分布在海拔相對(duì)較低或鄱陽(yáng)湖平原地區(qū)（圖1（b））；低值區(qū)主要分布在贛州市信豐縣和九江市九江縣、德安縣、湖口縣、永修縣與彭澤縣（圖3（c））。大部分區(qū)域N/P位于2.0～5.0之間。

2.4 土壤N/P空間變異的影響因素

成土母質(zhì)通過影響土壤團(tuán)聚體數(shù)量及其穩(wěn)定性、物理化學(xué)組成和風(fēng)化淋溶進(jìn)程等引起土壤氮磷含量的差異。成土母質(zhì)對(duì)江西省土壤N/P空間變異影響極顯著（p＜0.01，表3）。不同成土母質(zhì)類型間N/P均值差異明顯（表4）。以碳酸巖類風(fēng)化物最高（3.66），下蜀系黃土狀物最低（2.33）。從變異系數(shù)可以看出（表4），不同母質(zhì)間N/P均呈中等變異性，變異系數(shù)最高為67.38%（下蜀系黃土狀物），最低為45.14%（紅砂巖類風(fēng)化物）。

不同土壤類型具有不同的成土過程、礦物組成和發(fā)育程度，從而影響土壤氮磷含量。土壤類型對(duì)江西省土壤N/P空間變異影響極顯著（p＜0.01，表3）。5種土壤類型中N/P均值大小依次為石灰土（3.84）＞水稻土（3.40）＞紅壤（3.30）＞潮土（2.97）＞黃褐土（2.02）。變異系數(shù)處于為33.44%～73.27%之間，以黃褐土變異系數(shù)最大（73.27%），麻沙泥田變異系數(shù)最?。?3.44%），均屬于中等變異性。在水稻土的3種亞類中，以淹育型水稻土均值最低（3.14），而潛育型水稻土均值最高（3.59），這反映了水稻土不同亞類之間由于附加的成土過程導(dǎo)致其N/P均值已出現(xiàn)了一定的差異。從土屬來(lái)看，土屬值域范圍為1.94～4.04，差異較大。

圖3 江西省土壤TN、TP、N/P和氮肥施用量空間分布Fig. 3 Spatial distributions of TN，TP，N/P ratio and nitrogen fertilization rate in the soil of Jiangxi Province

表3 不同因素對(duì)土壤N/P的回歸分析Table 3 Regression analysis of N/P ratio with affecting factors

表4 不同成土母質(zhì)類型土壤N/P描述性統(tǒng)計(jì)特征Table 4 Descriptive statistic characteristics of N/P ratio relative to parent material

耕地利用方式影響土壤肥料和植物殘?bào)w的數(shù)量和性質(zhì)、土壤水分含量和耕作管理措施，因而，不同利用方式下土壤氮磷含量存在差異性。耕地利用方式對(duì)江西省土壤N/P空間變異影響極顯著（p＜0.01，表3）。從表5可以看出，均值大小依次為：水旱輪作（3.47）=一季旱地（3.47）＞兩季水田（3.39）＞一季水田（3.37）＞兩季旱地（2.48）。其原因一方面與耕地休耕有關(guān)；另一方面，與水田和旱地的土壤微生物活性及土壤固氮和固磷的能力有關(guān)。兩季旱地由于土地開發(fā)利用強(qiáng)度大、施肥量少于水田且地表作物大多被人為收取，歸還量小，使得土壤N/P最低。水旱輪作條件下雖然土壤開發(fā)利用強(qiáng)度大，但水田耕作條件下氮肥施用量也大，而且長(zhǎng)期的干濕交替會(huì)降低土壤磷的有效性［18］，因此，水旱輪作與一季旱地均值相近。兩季水田與一季水田均值含量亦相近。變異系數(shù)處于44.84%～58.06%之間，均表現(xiàn)為中等程度的變異性。

秸稈還田通過改良土壤結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)性質(zhì)，促進(jìn)微生物活力與作物根系發(fā)育并提高氮肥利用率，從而提高土壤氮含量，改善耕地土壤肥力。從表6可以看出，秸稈不還田與還田土壤N/P差異明顯，秸稈還田較不還田土壤N/P增加52.28%～53.11%，這是因?yàn)?，作物秸稈N、P含量不一且土壤氮含量要高于磷含量，導(dǎo)致土壤氮的積累速度要大于磷，因此，秸稈還田較不還田土壤N/P呈增加趨勢(shì)。翻壓和覆蓋兩種還田方式下土壤N/P均值無(wú)顯著差異（p=0.700）。從變異系數(shù)的范圍（40.33%～53.11%）可以得出，不同秸稈還田方式均呈中等程度的變異性。

表5 不同耕地利用方式土壤N/P描述性統(tǒng)計(jì)特征Table 5 Descriptive statistics of N/P ratio relative to farmland-use type

表6 不同秸稈還田方式下土壤N/P描述性統(tǒng)計(jì)特征值Table 6 Descriptive statistics of N/P ratio relative to straw returningpattern

氮肥施用量通過控制土壤氮積累速度來(lái)影響土壤N/P空間變異。氮肥施用量對(duì)江西省土壤N/P空間變異影響極顯著（p＜0.001，表3）。具體表現(xiàn)為：隨著氮肥施用量增大，土壤N/P均值呈上升趨勢(shì)（表7）。從變異系數(shù)看，氮肥施用量大于300 kg hm-2的變異系數(shù)最小，為42.44%；氮肥施用量小于100 kg hm-2的變異系數(shù)最大，為59.30%；不同氮肥施用量土壤N/P均呈中等變異性。

表7 不同氮肥施用量土壤N/P描述性統(tǒng)計(jì)特征值Table 7 Descriptive statistics of N/P ratio relative to nitrogen fertilization rate

為定量揭示成土母質(zhì)、土壤類型、耕地利用方式、秸稈還田方式和氮肥施用量等因素對(duì)研究區(qū)耕地土壤N/P空間變異的影響水平，對(duì)影響因素進(jìn)行回歸分析（表3）。結(jié)果表明：成土母質(zhì)、土壤類型、耕地利用方式、秸稈還田方式和氮肥施用量對(duì)江西省土壤N/P空間變異影響程度不一。成土母質(zhì)對(duì)土壤N/P空間變異的影響程度較低，僅為2.4%，這與相關(guān)研究結(jié)果［19］一致。這是因?yàn)?，江西省成土母質(zhì)主要為第四紀(jì)紅色黏土、第三紀(jì)紅砂巖和花崗巖的紅壤巖層，該巖層多為花崗巖、石灰?guī)r和紅色砂巖［18］，不同巖組主要因沉淀環(huán)境和各巖組所占比例有所分異，但巖性總體上較為相似，導(dǎo)致土壤機(jī)械組成相近［19］，成土母質(zhì)主要通過影響土壤機(jī)械組成來(lái)影響土壤N、P含量分異，因此，成土母質(zhì)對(duì)研究區(qū)土壤N/P影響有限。土壤類型的影響程度隨土壤分類級(jí)別降低而升高，土類、亞類和土屬的影響程度分別為1.8%、2.2%和3.0%，這與其他區(qū)域研究結(jié)果［7-8］一致。因?yàn)榧?jí)別越低，反映的成土過程、母巖特性、耕作管理措施和環(huán)境背景等信息越多，其影響程度越高［20］，但具體如何影響尚有待進(jìn)一步研究。耕地利用方式的影響程度為2.2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他區(qū)域的研究結(jié)果［21］。究其原因：①土地利用方式的改變勢(shì)必會(huì)打破陸地生態(tài)系統(tǒng)原有的氮磷平衡［22-23］，但本文只研究了耕地，無(wú)法驗(yàn)證和比較與其他土地利用方式下土壤N/P的差異性。②研究表明，地上植被變化往往會(huì)導(dǎo)致土壤N、P含量及土壤N/P發(fā)生分異［24］，其他土地利用方式如園地、林地和草地等土壤N/P變異主要源于母質(zhì)與植物凋落物，而耕地除了種植作物的殘骸與母質(zhì)外，氮肥與磷肥的施用對(duì)江西省耕地土壤N/P嚴(yán)重不協(xié)調(diào)的地區(qū)進(jìn)行了一定程度上的調(diào)節(jié)，導(dǎo)致僅耕地一種土地利用方式獨(dú)立解釋土壤N/P空間異質(zhì)性的能力較低。秸稈還田方式能影響土壤N/P空間變異的13.0%，影響程度較高。氮肥施用量影響土壤N/P空間的程度最高，達(dá)到27.2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他影響因素，是影響江西省耕地土壤N/P空間變異的主要因素。

3 討 論

3.1 地形因子、TN、TP與土壤N/P的關(guān)系

對(duì)研究區(qū)土壤N/P與地形因子、TN及TP進(jìn)行相關(guān)性分析，從表8可以看出，高程與土壤N/P相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)為-0.38，表明土壤N/P隨高程上升逐漸減少，這與其他研究區(qū)域結(jié)果［9-10］一致。不同高程下，水熱條件和人為活動(dòng)強(qiáng)度的差異引起土壤N/P空間變異。土壤N/P與其他地形因子相關(guān)性不顯著，其原因可能在省域尺度下地形因子本身的變異較小，同時(shí)1∶10萬(wàn)的地形圖生成的DEM數(shù)據(jù)精度較低，其派生的地形變量精度也相對(duì)較低，這也在一定程度影響地形因子與土壤N/P的相關(guān)性。TN和TP與土壤N/P的相關(guān)系數(shù)分別為0.681和-0.665（p＜0.01），表明土壤N/P主要取決于TN與TP含量。

3.2 秸稈還田方式和氮肥施用量對(duì)土壤N/P的影響

20世紀(jì)70年代，江西省作物生產(chǎn)就開始由傳統(tǒng)的僅僅依賴土壤自身肥力與有限的有機(jī)肥轉(zhuǎn)變?yōu)榻斩掃€田與化肥施用（尤其是氮肥）中來(lái)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，土壤N、P含量具有不同程度的提升，其原因一方面與江西省大力推廣秸稈還田有關(guān)；另一更重要的原因是江西省“高氮高產(chǎn)”的種植觀念［25］。秸稈還田對(duì)土壤N/P空間變異影響相對(duì)較大，不同還田方式之間也有一定的差異。造成這種現(xiàn)象主要是由于耕地土壤N/P變化取決于土壤氮和磷的輸入與輸出的相對(duì)關(guān)系，但磷一般相對(duì)穩(wěn)定，有效性高，圖3（b）也說(shuō)明了這一點(diǎn)，因此，耕地土壤N/P變化在很大程度上由土壤氮元素含量決定。土壤氮大多數(shù)以有機(jī)氮的形式存在于有機(jī)質(zhì)中，目前的研究均表明，秸稈還田能為耕地提供豐富的碳源，刺激微生物活性，降低作物吸收氮素的能力，減少氮素淋洗損失，但不同秸稈還田方式對(duì)微生物活性、秸稈腐解與礦化速率影響程度不一，導(dǎo)致對(duì)秸稈有機(jī)物質(zhì)釋放和土壤氮積累效果形成一定的差異。從空間分布圖可以看出（圖3（c）和圖3（d）），土壤N/P高值區(qū)域主要分布在氮肥施用量大于200 kg hm-2的縣市（贛州市全南縣、南昌市進(jìn)賢縣、九江市瑞昌市、上饒市鄱陽(yáng)縣），而低值區(qū)域主要分布在氮肥施用量小于100 kg hm-2的縣市（如九江市湖口縣、彭澤縣和德安縣、萍鄉(xiāng)市袁州區(qū)、撫州市樂安縣），表現(xiàn)為隨著氮肥施用量增加，土壤N/P升高的總體趨勢(shì)，與前人研究結(jié)果［26-27］一致。究其原因：①氮肥的施用提高了土壤TN含量，使得N/P整體上呈明顯上升的趨勢(shì)，江西省“高氮高產(chǎn)”的種植觀念導(dǎo)致農(nóng)戶傾向于氮肥的施用而忽略磷肥的施用，陳琦［26］研究表明，2011年江西省晚稻平均施氮量和施磷量分別為226.5和84.96 kg hm-2，2012年江西省早稻平均施氮量和施磷量分別為197.7和93.34 kg hm-2。②土壤酸堿度是影響土壤固磷的重要影響因子之一［13］，氮肥的施用降低了土壤酸堿度［27］，使磷更容易發(fā)生沉淀反應(yīng)和吸附反應(yīng)，形成羥基磷灰石或氟磷灰石，增加了磷的固定作用，減少了磷的有效性。氮肥施用量在本研究所有影響因素中對(duì)土壤N/P空間變異的影響程度最高，達(dá)到27.2%，遠(yuǎn)高于其他因素。

表8 土壤N/P與地形因子、全氮、全磷之間的相關(guān)系數(shù)Table 8 Correlation coefficients of N/P ratio with terrain factor，TN and TP

3.3 土壤N/P變化的重要意義

生物固氮是生態(tài)系統(tǒng)中主要的氮源。研究表明，無(wú)論是在陸地生態(tài)系統(tǒng)還是海洋生態(tài)系統(tǒng)中，生物固氮量隨土壤N/P增大而減少，減少而增大［28］。從表9可以看出，江西省耕地土壤生態(tài)系統(tǒng)的N/P均值要高于青海封育芨芨草原帶、高原過渡帶、溫帶草原帶、青藏高原高寒草原帶和暖溫帶闊葉落葉帶，但低于東北農(nóng)田、閩江河口濕地、熱帶季雨林、亞熱帶常綠闊葉林、青藏高原高寒植被帶和溫帶荒漠帶。這表明，江西省耕地生態(tài)系統(tǒng)土壤N/P處于中等偏下水平，同時(shí)也說(shuō)明耕地生態(tài)系統(tǒng)生物固氮量處于較高水平?！督魇〗y(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)顯示，近10年來(lái)，江西省氮肥施用量從2005年的47.75萬(wàn)t下降至2015年的42.36萬(wàn)t，氮肥施用量呈下降趨勢(shì)，而糧食產(chǎn)量卻在逐年上升，反映出在江西省目前N/P的情況下，若繼續(xù)加大氮肥的施用對(duì)土壤N、P耦合平衡及提高耕地生態(tài)系統(tǒng)生物固氮能力方面意義甚微，且過量地施用氮肥不但對(duì)生物固氮與固碳能力是一種削弱，而且氮肥殘留量或損失至環(huán)境中的量會(huì)顯著增加，造成土壤酸化和水體污染等農(nóng)業(yè)面源污染問題［29］。因此，保持穩(wěn)定的N/P是實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)與耕地生態(tài)系統(tǒng)生物固氮與固碳能力提升的主要途徑，一方面，在高氮高產(chǎn)的種植觀念下應(yīng)加大宣傳和相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)力度，提高農(nóng)戶對(duì)化肥（尤其是氮肥）的認(rèn)知水平，同時(shí)大力推廣測(cè)土配方施肥技術(shù)，促進(jìn)農(nóng)戶合理施肥；另一方面，增加對(duì)有機(jī)肥施用的補(bǔ)貼和政策優(yōu)惠，加快綠肥產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同時(shí)配合秸稈還田。

表9 耕地生態(tài)系統(tǒng)與其他地區(qū)的土壤N/PTable 9 Farmland ecosystem and soil N/P in other areas

4 結(jié) 論

江西省耕地表層土壤N/P表現(xiàn)為中等程度的變異性，空間分布格局受隨機(jī)性因素和結(jié)構(gòu)性因素共同影響，但主要受隨機(jī)性因素影響。空間分布方面，高值區(qū)域主要分布在上饒市婺源縣、南昌市進(jìn)賢縣、萍鄉(xiāng)市湘東區(qū)和蓮花縣、新余市分宜縣、撫州市黎川縣以及贛州市定南縣，低值區(qū)域主要分布在贛州市信豐縣和九江市九江縣、德安縣、湖口縣、永修縣與彭澤縣。成土母質(zhì)、土壤類型、耕地利用方式、秸稈還田方式和氮肥施用量對(duì)江西省耕地土壤N/P空間變異均有顯著影響（p＜0.01）。在所有因素中，氮肥施用量對(duì)土壤N/P空間變異的影響程度最大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他因素，是影響江西省耕地土壤N/P空間變異的主要因素。

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（責(zé)任編輯：陳榮府）

Spatial Variability of Ecological Stoichiometry of Soil Nitrogen and Phosphorus in Farmlands of Jiangxi Province and Its Inf l uencing Factors

JIANG Yefeng1，2YE Yingcong2GUO Xi1，2?RAO Lei1，2SUN Kai1，2LI Weifeng1，2
（1 Academy of Land Resource and Environment，Jiangxi Agricultural University，Nanchang 330045，China）
（2 Key Laboratory of Poyang Lake Watershed Agricultural Resources and Ecology of Jiangxi Province，Nanchang 330045，China）

【Objective】Nitrogen（N）and Phosphorus（P）are two essential mineral nutrients for plant growth，and important parts of organic nutrient and soil fertility. As two restrictive elements in the terrestrial ecosystem，they play important roles in growth and development of plants，community composition of the vegetation and structure and function of the ecosystem as well. As ecosystems vary in soil microbial activity，they do in recycling and transformation of soil N and P and in decomposition and accumulation rateof organic matter，thus leading to significant variation of the ecological stoichiometry of soil N/P.Therefore，the study on spatial variability of the ecological stoichiometry of soil N/P and its influencing factors in the terrestrial ecosystemat a provincial scale is the fundamental basis of the study on changes in trophic structure，population succession and chemical elements recycling in the terrestrial ecosystem.【Method】Based on the data of the 16 582 soil samples collected in the topsoil layer（0～20 cm）of the farmlands during implementation of the project of soil-test-based formulated fertilization in Jiangxi Province in 2012，values were assigned to the qualitative factors，i.e. parent material，soil type，farmland-use type，straw incorporation pattern and nitrogen fertilization（divided into 4 levels），and one-way variance analysis，ordinary kriging analysis and regression analysis were done of the data to quantify the ability of each factortoexplainspatial variability of the ecological stoichiometry of soil N/P ratio independently.【Result】Results show as follows：①The soil N/P ratio in the topsoil layer ranged from 0.28 to 13.63，with an average of 3.38，which indicates that the soil N/P in the cultivated land ecosystem of Jiangxi Province is at the level of medium on the lower side，and that the biological nitrogen fixation rate in the cultivated land ecosystem is at a quite high level. The coefficient of variation was 45.56%，indicating that soil N/P is moderate in variability. The nuggest/sill ratio was 60.54%，indicating that soil N and P is weak in spatial dependence，varying between structural factor and stochastic factor，and the latter played a more important role in spatial variability of soil N/P ratio. ②Soil N/P ratiowas significantly related to elevation（p＜0.01，r=-0.38），TN（p＜0.01，r=0.681）and TP（p＜0.01，r=-0.665），suggesting that elevation is a major factor affecting spatial distribution of soil N/P and that soil N/P depends mainly on TN and TP contents.③The spatial distribution of soil N/P ratioappeared to be quite smooth relatively，with high values over in Wuyuanof Shangrao，Jinxianof Nanchang，Xiangdong and Lianhuaof Pingxiang，F(xiàn)enyiof Xinyu，Lichuanof Fuzhou and Dingnanof Ganzhou. ④The five factors，parent material，soil type，farmland-use type，straw incorporation pattern and nitrogen fertilization rate，all had significant impacts on spatial variability of soil N/P ratio（p＜0.01），but varied in degree. Parent materialexplained 2.4% of the variability；type，sub-type and genus of the soil did 1.8%，2.2% and 3.0%，respectively；farmland-use type did 2.2%；straw incorporation pattern did 13.0%；and N fertilization rate did 27.2%.【Conclusion】The factor of N fertilization rate is far more capable of explaining independently spatial variability ofthe soil N/P ratio than the other factors，indicating that it is the main factor determining soil N/P ratio in the topsoil layer of Jiangxi Province. Therefore，in order to improve the ability of the farmland ecosystem to fix nitrogen biologically and sequestrate nitrogen，here are two suggestions. One is to devote more efforts to improving farmers’ knowledge about the use of chemical fertilizers，especially Nitrogen fertilizer，through propaganda and related technical training，vigorously extrapolating the soil-test-based formulated fertilization technology and stimulating farmers to rationalize fertilizer usage. And the other is to raise subsidies and implement preferential policies for use of organic manure and accelerate development of the green manure industry coupled with the extension of straw incorporation.

Jiangxi Province；Soil N/P ratio；Ecological stoichiometry；Spatial variability；Nitrogen fertilization rate

S154.1；Q148

A

10.11766/trxb201705310212

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41361049）、江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（20122BAB204012）和江西省贛鄱英才“555”領(lǐng)軍人才項(xiàng)目（201295） 資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 41361049），the Natural Science Foundation of Jiangxi Province（No. 20122BAB204012）and the GanPo“555”Talent Research Funds of Jiangxi Province（No.201295）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：xig435@163.com

江葉楓（1994—），男，江西余干人，碩士研究生，主要從事土壤環(huán)境與系統(tǒng)模擬方面研究。E-mail：jiangyf0308@163.com

2017-05-31；

2017-07-10；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2017-08-14