代子俊 趙 霞? 李德成 劉 峰 石平超，3 龐龍輝

（1 青海師范大學(xué)，青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室，青海土壤數(shù)字服務(wù)中心，西寧 810008）

（2 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008）

（3 貴州省松桃苗族自治縣農(nóng)牧科技局，貴州松桃 554100）

氮素是植物生長最重要的養(yǎng)分，是評價土壤肥力的重要指標(biāo)，土壤氮素的時空變化會引起全球氮“源”和“匯”間的轉(zhuǎn)化，從而影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)過程［1-2］。土壤全氮（TN）是衡量土壤氮素整體供應(yīng)狀況的主要指標(biāo)，具有高度時空變異性，這種變異受氣候、地形、母質(zhì)、土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素及施肥、種植制度等隨機性因素的綜合影響［3-5］。土壤TN時空變異分析可有效地揭示時空格局與生態(tài)過程間的關(guān)系，對土壤可持續(xù)利用具有重大意義［6］。目前，關(guān)于土壤TN時空變異的研究報道已較多，研究方法從定性描述到Kriging插值、條件模擬和高精度曲面建模等定量研究［2，7-9］；研究區(qū)域涉及東北、華北、長江中下游平原、黃土高原和東南丘陵等地［4，10-13］；研究單元涉及田塊、小流域和行政區(qū)劃［3，11，13］；研究尺度包括空間尺度和時間尺度［8，14-16］。分析大尺度上的土壤TN空間變異，可為高精度土壤TN信息的獲取，土壤環(huán)境和農(nóng)業(yè)宏觀管理決策的有效實施等提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)［10，13，15-16］；中小尺度上的土壤TN空間變異研究有利于改善田間管理，合理布局種植結(jié)構(gòu)，制定有效的施肥方案［3，8，11，14］。今后對長時間序列TN空間定量估測是數(shù)字土壤技術(shù)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)甚至生態(tài)環(huán)境建設(shè)的必經(jīng)之路。迄今關(guān)于青海土壤TN時空分異的研究甚少，僅有彭景濤等［16］青海三江源地區(qū)退化草地方面的報道。而以農(nóng)業(yè)流域為單位的案例更是鮮見報道。農(nóng)業(yè)流域的土壤受人為和自然雙重影響，研究其土壤TN的時空變異可以更準(zhǔn)確地揭示人為及自然因素對土壤TN時空分異的影響，有助于指導(dǎo)流域的土壤合理施肥和可持續(xù)利用。為此，本研究以青海省主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地—湟水流域為研究區(qū)，以20世紀(jì)80年代中期開展的第二次全國土壤普查數(shù)據(jù)和2015 年進行的土壤調(diào)查采樣實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析探討了土壤TN的時空分異特征及其影響因素，旨在為湟水流域土壤氮素科學(xué)管理和土壤TN數(shù)字制圖提供一定參考。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

湟水流域位于青海省東北部，地處青藏高原與黃土高原過渡地帶，介于36o02′～37o28′N和100o42′～103o04′E之間，流域面積約162.4萬 hm2（見圖1）。湟水流域是青海省政治、經(jīng)濟、文化和交通中心，流域內(nèi)人口約占全省的60%，工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值約占全省的54%［17］。流域海拔介于1 634～4 882 m之間，地勢西北高東南低，地貌類型復(fù)雜多變，以黃土地貌發(fā)育最為典型，溝壑縱橫。屬于高原干旱半干旱大陸性氣候，流域年均溫度2.5～7.5℃，降水量350～600 mm，蒸發(fā)量80～1 000 mm。

根據(jù)《青海土壤》［18］、《青海土種志》［19］及1∶50萬青海省土壤類型圖，湟水流域共有16種土壤類型，其中面積在6萬 hm2以上土壤主要有：栗鈣土、亞高山草甸土、黑鈣土、灰鈣土和高山草甸土，合計面積約占流域總面積的90%。其中，川水區(qū)（指海拔1 650～2 200 m河谷地區(qū)）土壤類型以灰鈣土為主，淺山區(qū)（指海拔2 200～2 800 m低山丘陵區(qū)）以栗鈣土為主，腦山區(qū)（指海拔2 800～3 200 m山區(qū)）以黑鈣土為主，石山林區(qū)（指海拔3 200～4 800 m山區(qū)）以亞高山草甸土和高山草甸土為主。川水區(qū)和淺山區(qū)現(xiàn)大部分為農(nóng)田，主要種植小麥、青稞、豌豆、馬鈴薯和油菜等；腦山區(qū)和石山林區(qū)主要是森林草灌［20］。

圖1　典型剖面樣點(a)及土壤類型(b)Fig. 1 Typical profile sites(a)and soil types (b) in the Huangshui River Basin

1.2　數(shù)據(jù)來源

青海省第二次土壤普查時期數(shù)據(jù)主要源于《青海土壤》［18］和《青海土種志》［19］，其中分布在湟水流域的剖面樣點共45 個（圖1），合計175個土層。第二次土壤普查資料剖面樣點位置主要依據(jù)其描述記錄的大致地點信息以及景觀信息，結(jié)合行政區(qū)劃、地形地貌、土地利用、土壤類型分布等確定。

2015年湟水流域典型樣點布設(shè)方法為：收集流域1∶50萬的土壤圖、1∶400萬地質(zhì)圖、交通圖、土地利用類型圖、行政區(qū)劃圖等資料，以及湟水流域的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，統(tǒng)計流域土壤圖上的土壤類型、分布、圖斑數(shù)量及大小等基本情況，按照每個土壤類型提取10～20個典型圖斑的方法篩選出擬采圖斑；疊加流域土地利用圖，提取擬采樣圖斑的土地利用類型，盡量使每個土壤類型的每種土地利用類型至少有2～5個擬采圖斑；疊加流域水系、道路、行政區(qū)等基礎(chǔ)地理底圖，根據(jù)擬采圖斑的可達性最終確定了61個典型樣點位置（圖1）。野外調(diào)查采樣時，挖掘1.2 m(深)或至基巖出露(基巖出露面淺于1.2 m)×1 m（寬）的標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面，劃分發(fā)生層并采集發(fā)生層土樣，每層采集1.5kg土樣，同時記錄樣點經(jīng)緯度坐標(biāo)和剖面信息、景觀信息、土地利用、施肥、灌溉、輪作等耕作管理信息。采樣時間為2015年8月，61個土壤剖面共采集了268個土層樣品。土樣經(jīng)風(fēng)干、去雜后研磨過100目（0.154 mm）尼龍篩，利用凱氏定氮法測定TN含量［21］，使用Beckman Coulter Co.LS32激光粒度分析儀測定顆粒組成［22］。

1.3　數(shù)據(jù)處理

（1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化兩期土壤剖面數(shù)據(jù)的發(fā)生層劃分深度上下限在不同剖面之間不統(tǒng)一，為便于土壤全氮的空間插值和兩期數(shù)據(jù)比較，對兩期分層土壤TN數(shù)據(jù)均進行了深度加權(quán)處理［23］，生成了0～15、15～30 cm兩個深度層次的全氮數(shù)據(jù)，計算公式為：

式中，Cd′-d表示歸一化后相應(yīng)土層的TN含量，d′和d表示原始分層的上下限值，Ci表示剖面第i層TN含量（g kg-1），Hi為i層在d′至d的深度（cm）。

（2）統(tǒng)計分析土壤TN的異常值通過數(shù)據(jù)的平均值±3標(biāo)準(zhǔn)差篩選剔除［16］，兩期表層數(shù)據(jù)均無異常值，亞表層1985年剔除1個樣點，2015年剔除3個樣點。在IBM Statistics SPSS20.0中運用相關(guān)分析和方差分析對數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析，通過峰度、偏度及K-S檢驗（p＞0.05）對兩期數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗，采用最小顯著性差異法（LSD）進行方差齊性檢驗［24］。

（3）地統(tǒng)計分析在對土壤TN進行空間插值之前，首先在GS+9.0軟件支持下進行半變異函數(shù)分析，然后根據(jù)計算出的半變異函數(shù)值，選擇合適的模型，最后將最優(yōu)的模型和參數(shù)輸入到ESRI GIS10.1中完成空間插值，以進一步研究區(qū)域化變量的空間變異性［25］。利用ArcGIS10.1中柵格計算器工具對兩期TN空間插值的柵格數(shù)據(jù)進行差值計算，得到90 m×90 m近30 年流域土壤TN含量變化圖。

（4）其他數(shù)據(jù)地形因子提取自青海省30 m×30 m數(shù)字高程圖，土地利用數(shù)據(jù)提取自青海省2015 年LUCC圖；氣候數(shù)據(jù)來自中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn)，首先在ArcGIS10.1中對青海省1985 年和2015 年各自35個氣象站點數(shù)據(jù)進行普通克里格插值，然后提取采樣點氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)；施肥量數(shù)據(jù)源于1986年和2016年西寧市、海東市和海晏縣統(tǒng)計年鑒［26-31］。

2　結(jié)果與討論

2.1　1985年和2015年湟水流域土壤TN基本特征

表1為兩期數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計情況，結(jié)果顯示：2015 年表層和亞表層土壤TN數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，1985 年兩層土壤TN數(shù)據(jù)經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后均符合正態(tài)分布。對比兩期同一層數(shù)據(jù)，2015 年兩層TN均值均較1985 年高，0～15 cm層增幅為69.20%，15～30 cm層增幅為80.87%。兩期TN均值均表現(xiàn)為從表層到亞表層降低，1985年15～30 cm土層較0～15 cm土層降低了0.18 g kg-1，降幅為13.53%；2015年降低了0.17 g kg-1，降幅為7.56%。

變異系數(shù)用來反映變量的變異程度，通常認為變異系數(shù)＜10%為弱變異性，介于10%～100%間為中等變異性，＞100%為強變異性［11］。據(jù)表1顯示：兩期TN數(shù)據(jù)表層和亞表層均呈中等變異水平。2015 年0～15 cm土層、15～30 cm土層TN的變異系數(shù)均分別較1985年高出9.3和2.6個百分點；1985年從表層到亞表層TN變異性增加，增加6.5 個百分點；而2015年從表層到亞表層減小，減少0.2個百分點。

表1　1985年和2015年湟水流域土壤TN描述性統(tǒng)計結(jié)果Table 1　Descriptive statistics of soil TN contents in the Huangshui River Basinin 1985 and 2015

2.2　1985—2015年湟水流域土壤TN空間分布特征

（1）空間結(jié)構(gòu)特征。采用半變異函數(shù)擬合最優(yōu)模型和參數(shù)，進而分析兩期各層土壤TN的空間變異結(jié)構(gòu)。擬合得到的模型及參數(shù)見表2，1985年兩層TN數(shù)據(jù)均采用指數(shù)模型擬合，2015年0～15 cm層采用高斯模型擬合，15～30 cm層采用球面模型擬合，且兩期各層數(shù)據(jù)的決定系數(shù)均較大、殘差較小，表明模型選取基本合理，適合對其進行空間預(yù)測分析。

塊金系數(shù)C0/(C0+C)是塊金值與基臺值的比值，用來反映變量空間相關(guān)性程度，該值越大表明空間變異程度主要由隨機部分引起，值越小說明空間變異程度主要由結(jié)構(gòu)性因子引起，若C0/(C0+C)＜25%代表變量具有強空間相關(guān)性；若25%＜C0/(C0+C)＜75%則為中等空間相關(guān)性；若C0/(C0+C)＞75%為弱空間相關(guān)性，此時變量分布隨機性大，不適合用空間插值法估測［2］。半方差函數(shù)結(jié)果（表2）顯示，1985 年各分層TN的塊金系數(shù)均＜25%，屬于強的空間相關(guān)性，說明1985 年TN空間分布主要受地形、母質(zhì)、氣溫降水等結(jié)構(gòu)性因素的影響，2015年表層及亞表層的塊金系數(shù)均介于25%～75%間，屬于中等空間自相關(guān)性，表明這一時期TN空間分布是結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素綜合作用的結(jié)果。由于湟水流域是青海省重要的農(nóng)業(yè)區(qū)，兩期同一層數(shù)據(jù)塊金系數(shù)的增加反映了30 年來人類活動等隨機因素對流域TN的影響趨向頻繁化，長期水耕熟化、培肥種植等外部因素使得近幾 年TN的空間相關(guān)性減弱；就同期不同分層的塊金系數(shù)而言，1985 年亞表層塊金系數(shù)與表層相比增加了0.87%，空間相關(guān)性輕微減小，2015年亞表層與表層塊金系數(shù)相等為50%，說明近幾 年流域土地利用方式的改變、施肥量以及種植結(jié)構(gòu)的改善等隨機部分對土壤全氮干預(yù)作用加強，影響范圍已擴大至亞表層的土壤。變程表示變量空間自相關(guān)的范圍，變程需大于采樣間距的最大值，在變程范圍內(nèi)的變量才有空間自相關(guān)性，本研究中兩期數(shù)據(jù)的變程均大于采樣間距最大值16.62 km和39.76 km，滿足空間自相關(guān)條件。就同期不同層次的變程而言，兩期均表現(xiàn)為表層大于亞表層，說明TN在土壤表層的空間作用范圍大于亞表層。

表2　1985年和2015年湟水流域土壤TN含量半變異函數(shù)的理論模型與參數(shù)Table 2　Semi-variogram models and parameters for soil TN contents in the Huangshui River Basin in 1985 and 2015

（2）土壤TN豐缺特征與空間分布特征。根據(jù)半方差函數(shù)的結(jié)果進行普通克里格插值，得出整個湟水流域土壤TN空間分布格局(圖2)，結(jié)合地形圖和土壤類型圖可發(fā)現(xiàn)兩期TN的高值區(qū)分布情況相似，主要分布于流域北、西北邊緣的高海拔地區(qū)以及亞高山草甸土和黑鈣土發(fā)育的地區(qū)。土壤TN含量劃分六個等級：1級（＞2.0 g kg-1）、2級（1.5～2.0 g kg-1）、3級（1.0～1.5 g kg-1）、4級（0.75～1.0 g kg-1）、5級（0.5～0.75 g kg-1）和6級（＜0.5 g kg-1）［18］。由于研究區(qū)TN2.0 g kg-1的面積分布較廣且最大值域較2 g kg-1大很多，按全國分級標(biāo)準(zhǔn)不能準(zhǔn)確地反映流域高值區(qū)的細節(jié)特征，因此本研究將＞2.0 g kg-1的部分再細分為2.0～2.5 g kg-1、2.5～3.0 g kg-1、3.0～3.5 g kg-1和＞3.5 g kg-14個等級，故流域TN含量共劃分為9個等級，其中1～5級含量屬豐富級水平、6、7級屬中等水平、8、9級屬缺乏。

圖2　1985年和2015年湟水流域土壤TN含量空間分布Fig. 2 Spatial distribution of soil TN contents in the Huangshui River Basin in 1985 and 2015

從0～15 cm層TN空間含量豐缺程度看：1985 年土壤TN含量屬于豐富水平的占流域總面積的55.01%，主要分布在石山林區(qū)亞高山草甸土及高山草甸土上；屬中等的占43.46%，主要分布在石山林區(qū)邊緣的亞高山草甸土、腦山區(qū)黑鈣土及部分淺山區(qū)栗鈣土上；屬缺乏的占1.52%，集中分布在流域中部淺山旱地區(qū)及川水區(qū)。2015 年TN含量屬于豐富的占流域總面積的77.47%，分布區(qū)從1985 年該等級分布的石山林區(qū)擴增至腦山區(qū)；屬中等的占15.41%，主要分布在石山林區(qū)亞高山草甸土及高山草甸土上；屬缺乏的占7.61%，集中分布在流域東南地勢平坦的川水區(qū)。

從各分層T N含量不同等級分布狀況看：1985 年流域內(nèi)表層和亞表層TN含量在東西和南北兩個方向均呈現(xiàn)出先減后增的整體趨勢，低值區(qū)到高值區(qū)以環(huán)形向外擴散，其中15～30 cm層與0～15 cm層相比分布較零散，但整體趨勢并無太大變化，局部相對明顯的變化出現(xiàn)在表層未見＞3.5 g kg-1的1級區(qū)，分布于流域西北邊緣石山林區(qū)的4級以上區(qū)面積明顯減少，降幅為36.02%，流域中部川水區(qū)的7級以下面積明顯增加；2015 年流域內(nèi)兩層TN含量整體呈現(xiàn)出從東南向西北增加的趨勢，亞表層較表層在流域中部川水區(qū)和西北部邊緣石山林地區(qū)變化明顯，具體表現(xiàn)為中部的6級區(qū)面積明顯增加，增幅為52.69%，西北邊緣的2級區(qū)面積減小，降幅為28.07%，其他幾個等級的TN含量空間分布上變化不明顯。

（3）空間預(yù)測精度驗證。圖3為兩期TN普通克里格插值的空間分布預(yù)測誤差圖，預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差圖可以反映插值結(jié)果的可靠性，值越小表示插值結(jié)果越可靠，值越大則插值結(jié)果可靠性降低。由圖3可知，1985年流域TN插值可靠性較高的區(qū)域（預(yù)測誤差＜1）約占整個流域的60%，分布在流域中部和西南部，可靠性差的區(qū)域（預(yù)測誤差＞1）主要分布在西北邊緣地區(qū)；2015年流域TN插值估計的可靠性較1985年高，95%以上的區(qū)域達到了較高的可靠性水平（預(yù)測誤差＜1）。本研究區(qū)面積較大，實際采樣點并未完全覆蓋整個流域，但兩期插值標(biāo)準(zhǔn)差分析表明，空間預(yù)測圖可有效反映流域TN空間分布情況。

圖3　1985年和2015年湟水流域土壤TN含量空間插值預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)誤差圖Fig. 3 Standard deviation of kriging-based prediction of soil TN content in the Huangshui River Basin in 1985 and 2015

2.3　湟水流域土壤TN的時間變化

依據(jù)圖4可知，近30 年TN含量總體呈增加趨勢，局部出現(xiàn)減少現(xiàn)象。0～15 cm表層土壤TN含量增加的面積占流域總面積的80.26%，減小的面積占流域總面積的19.74%，其中增加最明顯的等級為0.5～1.0 g kg-1，占該層增加總面積的47.05%，集中分布于流域西北石山林區(qū)及中部淺山耕地區(qū)，減少的區(qū)域主要分布在流域東部邊緣腦山區(qū)和東南部地勢平坦的川水區(qū)。15～30 cm亞表層TN含量增加的面積占流域總面積的84.50%，減小的面積占流域總面積的15.50%，其中增加最明顯的等級為0.5～1.0 g kg-1，占該層增加總面積的39.06%，穿插分布于流域西北及中部地區(qū)，減少最明顯的等級為0.0～0.5 g kg-1，占該層減少總面積的55.88%，主要分布在流域東南地勢平坦的川水區(qū)。

圖4　近30年湟水流域土壤TN含量變化圖Fig. 4 Spatial variation of TN content in the Huangshui River Basin from 1985 to 2015

2.4　湟水流域土壤TN空間分布格局的影響因素

結(jié)合已有研究成果［2-16］及研究區(qū)實際情況本文選取氣溫、降水、海拔、土壤類型、砂粒、土地利用方式、種植結(jié)構(gòu)和農(nóng)業(yè)機械化水平等8 種因子分析其對流域土壤全氮空間分布的影響，部分因子與TN相關(guān)分析結(jié)果見表3。

表3　各影響因子與土壤TN的相關(guān)性Table 3　Correlations of soil TN with various influence factors

（1）氣候因子。通常情況下，年均溫度范圍內(nèi)氣溫每升高10 ℃，土壤氮素的含量降低12.5%～25%［32］。氣溫和降水相關(guān)分析結(jié)果表明（表3），氣溫與TN呈負相關(guān)，降水與TN呈正相關(guān)，一般而言，在同一時期，氣溫低和降雨量大的地區(qū)有利于土壤全氮積累。由于研究區(qū)尺度較大，氣候因子的地帶性得以體現(xiàn)，氣候直接影響土壤養(yǎng)分元素的遷移轉(zhuǎn)化過程，且決定著母質(zhì)分化及成土過程的方向和強度，同時影響農(nóng)作物的生長狀況及土壤氮素的合成、分解，因此研究區(qū)西北部石山林、腦山低溫地區(qū)較東南部氣候適宜的川水區(qū)TN含量高，這與曹祥會等［10］的碳氮分布特征及影響因素研究結(jié)果一致。

（2）海拔。海拔與土壤TN含量具有顯著正相關(guān)（p＜0.05），程先富等［2］也得出了相似的結(jié)果。本研究與之相同點在于研究區(qū)海拔介于1634～4882 m之間，高差比較大，土壤養(yǎng)分及植被類型等環(huán)境因子的垂直地帶性得以體現(xiàn)。原因在于地形對水熱條件、土壤物質(zhì)進行了再分配，青藏高原上海拔越高的地方溫度越低降雨量反而越多，這種獨特的垂直地帶性氣候條件下土壤微生物活動受到限制，利于土壤養(yǎng)分中有機質(zhì)、氮素等的積累。全氮含量空間分布與流域西北高東南低的地勢呈現(xiàn)相同趨勢。

（3）土壤類型。湟水流域主要土壤類型有亞高山草甸土、高山草甸土、黑鈣土、栗鈣土和灰鈣土5 種。由于第二次土壤普查時期采樣點未落在亞高山草甸土、高山草甸土上，所以本研究選取黑鈣土、栗鈣土、灰鈣土3種類型土壤進行分析。表4是方差分析的不同土壤類型組間的TN含量差異顯著（p＜0.05），這與邢喆等［11］、趙燕婷等［12］的研究結(jié)果一致。兩期數(shù)據(jù)TN含量均值均表現(xiàn)為黑鈣土＞栗鈣土＞灰鈣土，且黑鈣土與栗鈣土、灰鈣土對TN含量的影響差異顯著（p＜0.05），由于流域內(nèi)腦山區(qū)氣候較為濕潤，土壤主要為黑鈣土，具有厚實的腐殖質(zhì)表層，因此TN含量較高；而川水區(qū)和淺山區(qū)氣候較為干旱，土壤多為栗鈣土和灰鈣土，微生物分解作用較強，不利于TN等土壤養(yǎng)分的積累，因此TN相對較低。

表4　主要土壤類型TN含量比較Table 4　Comparison of three major soil types in soil TN content

（4）砂粒含量。砂粒含量與TN呈顯著負相關(guān)（p＜0.05），由于質(zhì)地比較黏重的土壤保水保肥能力較強，TN含量也相應(yīng)較高，質(zhì)地較砂的土壤保水保肥能力較差，土壤養(yǎng)分分解速度快，因此TN含量低，這與刑喆等［11］的研究結(jié)果一致。流域西北部主要是砂粒含量偏低（42.70%～58.36%）的亞高山草甸土，東南部川水區(qū)主要發(fā)育砂粒含量偏高（61.16%～65.61%）的灰鈣土，這也是TN高值區(qū)和低值區(qū)分別出現(xiàn)在西北部、東南部的原因之一。

（5）人為因素。受地形、氣候因子和人類擾動的綜合影響，湟水流域植被分布情況也具有地域差異，因此土地利用方式一定程度影響土壤全氮的分布，石山林區(qū)和腦山區(qū)以林灌草自然植被為主，植被覆蓋率高，且隨海拔增加，覆蓋率增加，地表的枯枝落葉增加，土壤養(yǎng)分來源更加豐富，積累的TN含量普遍較高。淺山區(qū)和川水區(qū)海拔較低、地勢相對平坦，該區(qū)土壤養(yǎng)分情況主要受人為因素影響，耕作制度、施肥等因素不同程度地影響著土壤TN的含量。

從受人類擾動影響最顯著的耕地來看，種植結(jié)構(gòu)、農(nóng)業(yè)機械化等人為活動均會導(dǎo)致流域土壤TN空間分布的地域差異，結(jié)合表2塊金系數(shù)可知，土壤二次普查時期自然因素在流域TN空間分布中起主導(dǎo)作用，因此1985年TN空間分布圖（圖2）展現(xiàn)的TN空間格局基本與流域的地形和土壤類型等結(jié)構(gòu)性因子的分布趨勢一致；2015年TN含量的空間分布格局與地形等結(jié)構(gòu)性因子的分布出現(xiàn)明顯差異，主要是隨機性因子的作用增加所致，統(tǒng)計資料顯示［26-31］，2015年流域東南部民和、樂都和互助縣的農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)中糧食作物占比較高，均高于55%，北部和西部的大通、湟中及湟源縣則是經(jīng)濟作物和蔬菜占比較高，兩者之和均高于30%，由于經(jīng)濟作物和蔬菜的經(jīng)濟收益較糧食作物高，所以這些縣區(qū)的農(nóng)民對耕地管理相對精細，施肥量也較多，導(dǎo)致土壤TN含量高于其他地區(qū)。西部湟中和湟源等農(nóng)業(yè)大縣的機械播種面積和機械耕地面積均占耕地總面積的40%左右，東南部的樂都縣僅占20%左右，地區(qū)間機械化水平的差異也會造成土壤養(yǎng)分的空間分異。

2.5　湟水流域土壤TN時間變化的影響因素

（1）氣候因子。據(jù)氣象資料顯示，1960—2010 年，青海氣溫和降雨量均表現(xiàn)出升高的趨勢，增加幅度分別為0.0354 ℃10 a-1和0.5227 mm 10 a-1［33］。1985—2015 年降雨量和TN同時升高從前文所述的兩者關(guān)系上理解是正常的，而氣溫升高也導(dǎo)致TN增加，可以理解為對于地處西部溫度偏低的青海而言，氣溫適度提升有利于作物/植物的生物量提高，加大了秸稈還田量和土壤中殘留的根系，從而有利于TN的積累，因此氣候變化是1985—2015 年期間土壤TN增加的驅(qū)動力。

（2）人為因素。從半變異函數(shù)參數(shù)分析得到，流域30年來隨機因素對TN變異的影響逐漸加重，為進一步了解人為因素對TN時間變化的影響，本文收集到了1986年和2015年湟水流域統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)。土地利用方式的改變會影響TN在時間上的變異，依據(jù)統(tǒng)計資料［26-31］，30年來湟水流域耕地面積明顯增加，從1985年的約32 萬 hm2增加至2015年的43 萬 hm2左右，其中水澆地增加了約10 萬 hm2，經(jīng)長期水耕熟化的土壤TN含量會明顯增加，且土壤處于嫌氣條件時會抑制TN的分解，導(dǎo)致TN含量增加。

湟水流域農(nóng)用化肥施用量（實物量噸）由1986 年的8.68 萬噸增加至2015年的15.55 萬噸，其中氮肥施用量增加了0.87 萬噸，施肥量的增加提高了作物的生物量，增加了殘留在土壤中根系量和還田的秸稈量，從而使得土壤TN等養(yǎng)分元素更多的積累下來；加之近幾年流域各縣根據(jù)各地實際情況按測土配方施肥技術(shù)對農(nóng)田進行合理施肥管理，有效改善了土壤養(yǎng)分空間分布不均勻現(xiàn)象，因此，對于研究區(qū)這類農(nóng)業(yè)流域而言施肥量也會影響土壤TN的時空分布。農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整會影響培肥方案的設(shè)計最終影響土壤TN的變異，資料顯示［26-31］，1986年流域內(nèi)農(nóng)作物播種面積中糧食作物播種面積所占比例高達84.68%，至2015年下降為54.74%，與此同時，從1986—2015年，經(jīng)濟作物播種面積從12.5%增加至25.7%，蔬菜從1.2%增加至14%。經(jīng)濟作物和蔬菜均屬于耗水、耗肥的作物，且經(jīng)濟效益較農(nóng)作物要高，農(nóng)民投入變高，土壤管理、肥料施用等均較80年代有了很大改善，這也是30年來土壤TN增加的主要原因之一。

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平同樣能影響土壤TN時間演替，據(jù)統(tǒng)計［26-31］，30年來全流域的機械耕地面積、機械播種面積和機械收割面積均明顯增加，分別從1986年的3.05 萬 hm2、2.38 萬 hm2和0.004萬hm2，增加至2015年的20.02 萬 hm2、12.35 萬 hm2和8.01 萬 hm2。機械化水平的提高反映了人類對流域土壤的擾動作用在逐步加強，導(dǎo)致土壤TN的空間相關(guān)性減弱，在提高耕地質(zhì)量、改善生產(chǎn)條件的同時也促進了湟水流域現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展。特別是2012 年開展湟水流域高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田整治重大項目以來，“旱變水”、“坡改梯”等項目的推進使流域內(nèi)沙化、鹽堿化的耕地得到一定治理，土壤質(zhì)量有所提高，耕地的保水、保肥能力增強，水土流失現(xiàn)象減少，也可以有效提高耕地土壤的TN含量。此外需要指出的是，研究區(qū)第二次土壤普查的剖面點與2015 年采集的剖面點在空間位置和分布格局上并不完全一致，存在一定差異，由此可能對部分區(qū)域近30年土壤全氮變化量甚至趨勢分析結(jié)果帶來一定的不確定性。

3　結(jié) 論

近30年，湟水流域0～15 cm和15～30 cm土壤全氮呈現(xiàn)增加趨勢，其中西部、北部、中部以增加為主，東南部以遞減為主；空間相關(guān)性由強變?yōu)橹械龋?985 年TN含量在東西和南北兩個方向均呈現(xiàn)先減后增的趨勢，2015 年則整體呈現(xiàn)從東南向西北增加的趨勢；氣候因子、海拔、顆粒組成、土壤類型等自然因素與土地利用、施肥、種植結(jié)構(gòu)和農(nóng)業(yè)機械化等人為因素共同導(dǎo)致了TN時空分布的差異，但人類對土壤養(yǎng)分干預(yù)作用表現(xiàn)出增強的趨勢?？紤]到TN含量存在較大的時空變異，建議對湟水流域土壤TN含量進行長期監(jiān)測，對農(nóng)業(yè)氮肥的施用實行分區(qū)管理，以保障整個農(nóng)業(yè)流域的可持續(xù)發(fā)展。

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