趙曉芳, 黃明斌

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

土壤作為在時(shí)間和空間上的連續(xù)體，它的變異是許多因素相互作用的結(jié)果，具有尺度上的相關(guān)性。土壤空間變異可分為物理性質(zhì)的空間變異和化學(xué)性質(zhì)的空間變異，其中對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的空間變異研究主要集中在土壤養(yǎng)分空間變異性。土壤氮作為土壤養(yǎng)分的重要組成部分一直是土壤養(yǎng)分空間變異研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域[1]。土壤中的氮可以分為有機(jī)態(tài)氮和無(wú)機(jī)態(tài)氮，有機(jī)態(tài)氮占土壤全氮的80%～95%，剩余的則是以硝態(tài)氮和銨態(tài)氮為主要存在形態(tài)的無(wú)機(jī)態(tài)氮。土壤中的有機(jī)態(tài)氮不能直接被植物吸收利用，能夠被植物直接吸收利用的是以硝態(tài)和銨態(tài)形式存在的無(wú)機(jī)態(tài)氮。

土壤氮空間變異受諸多因素的影響，不同空間尺度上影響氮空間分布的因素不一樣。如李龍等[2]對(duì)內(nèi)蒙古赤峰市敖漢旗黃花甸子流域全氮空間分布進(jìn)行了研究，認(rèn)為不同的坡度、坡向、海拔和土地利用類型對(duì)全氮空間分布存在著顯著影響。吳德勇等[3]對(duì)德陽(yáng)旌陽(yáng)區(qū)土壤氮素空間變異特征進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明研究區(qū)土壤全氮空間變異主要受母質(zhì)、地形等結(jié)構(gòu)因素的綜合影響,而人為活動(dòng)因素是堿解氮空間變異的主控因素。Hirobe等[4]對(duì)日本柳杉土壤氮素轉(zhuǎn)化格局空間變異的研究發(fā)現(xiàn)坡度和坡向?qū)ζ溆兄匾挠绊?。訾偉等[5]對(duì)貴州中部典型喀斯特高原地貌類型的陳家寨小流域土壤養(yǎng)分空間變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同土地利用方式下養(yǎng)分含量是有很大差異。上述研究結(jié)果均表明，不同地區(qū)影響?zhàn)B分空間分布的因素是不同的。

本文選擇黃土高原王東溝小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，由于其特殊的地形地貌，影響其養(yǎng)分空間分布的因素主要有地貌單元和土地利用方式兩種。隨著人類的生產(chǎn)活動(dòng)，地貌單元發(fā)生改變，土地利用方式增多。因此，本研究中對(duì)王東溝流域地貌單元和土地利用方式的進(jìn)行新的劃分，采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和地統(tǒng)計(jì)方法，分析不同地貌單元和土地利用類型對(duì)全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的空間異質(zhì)性的影響，闡明氮素的空間變異特征，為估算黃土高原更大尺度土壤養(yǎng)分的空間分布特征、合理施肥養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

王東溝小流域隸屬于陜西省長(zhǎng)武縣(107°40′30″—107°42′30″E，35°12′—35°16′N)，位于黃土高原中南部地區(qū)，海拔940～1 220 m，屬典型的黃土高原溝壑區(qū)，溝壑密度2.78 km/km2，流域總面積8.3 km2。屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫9.1℃，無(wú)霜期171 d，年平均降水量584 mm，降水季節(jié)性分布不均，主要集中在7—9月份。主要的土壤類型為黑壚土，土質(zhì)疏松深厚，母質(zhì)是中壤質(zhì)馬蘭黃土。該流域是傳統(tǒng)的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，包括王東和丈六兩個(gè)自然村，土地利用類型主要有農(nóng)地、荒草地、果園、和林地等。

1.2 樣品采集與測(cè)定方法

1.2.1 樣品采集方法 2017年7月份在王東溝流域用內(nèi)徑為3 cm的半圓形土鉆對(duì)其表層土壤進(jìn)行了多點(diǎn)和重復(fù)采樣，采樣深度為0—20 cm。此次共采集土壤樣品267個(gè)(圖1)。其中，塬面土地利用類型主要為農(nóng)地、果園和少量的廢棄果園及荒草地，共采集了84個(gè)土樣。坡面土地利用類型有農(nóng)地、果園、廢棄果園、林地和荒草地，共采集了114個(gè)土樣。溝道主要土地利用類型有林地和荒草地，采集了69個(gè)土樣。每個(gè)采樣點(diǎn)均用手持GPS定位經(jīng)緯度。

圖1 黃土高原溝壑區(qū)王東溝小流域高程和表層(0-20 cm)土壤采樣點(diǎn)分布

1.2.2 樣品測(cè)定方法 將采集的新鮮土壤樣品充分混勻后，一部分鮮樣直接用于測(cè)定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，另一部分鮮樣放置陰涼通風(fēng)的地方自然風(fēng)干，經(jīng)自然風(fēng)干的土壤樣品磨細(xì)過(guò)0.25 mm篩后用于全氮的測(cè)定。土樣中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的測(cè)定方法是：將新鮮土樣先用2 mol/L的KCL浸提，再用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量[6]。土樣中的全氮的測(cè)定方法是：半微量凱氏定氮法[7]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

不同地貌單元、土地利用方式對(duì)全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的影響用SPSS 20.0進(jìn)行方差分析，分析其顯著性水平。通常認(rèn)為顯著性水平<0.001的影響是極顯著，顯著性水平<0.05的影響是顯著，顯著性水平>0.05的影響是不顯著[8]。同時(shí)利用SPSS 20.0中的K-S檢驗(yàn)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，若K-S檢驗(yàn)的p值>0.05，則表明數(shù)據(jù)都服從正態(tài)分布，可以進(jìn)行經(jīng)典描述統(tǒng)計(jì)分析，若K-S檢驗(yàn)的p值<0.05，則進(jìn)行對(duì)數(shù)正態(tài)檢驗(yàn)，符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布也可進(jìn)行經(jīng)典描述統(tǒng)計(jì)分析。用SPSS 20.0對(duì)測(cè)得的全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)分析，分析出能反映所測(cè)數(shù)據(jù)性質(zhì)的均值、中值、標(biāo)準(zhǔn)差、極小值、極大值、變異系數(shù)、偏度和峰度。偏度表征土壤養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)分布偏斜方向和程度的度量，是土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)分布非對(duì)稱程度的數(shù)字特征。峰度表征土壤養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)分布形態(tài)的陡緩程。變異系數(shù)表征土壤養(yǎng)分特性的空間變異程度。變異系數(shù)可定義為：

(1)

式中：Cv為變異系數(shù)；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；μ為均值。通常認(rèn)為變異系數(shù)≤10%時(shí)為弱變異，變異系數(shù)介于10%～100%時(shí)為中等變異，變異系數(shù)≥100%則為強(qiáng)變異[9]。

將采樣點(diǎn)GPS定位數(shù)按不同地貌單元導(dǎo)入ArcGIS 10.2中，每個(gè)點(diǎn)賦以相應(yīng)的氮含量的屬性值，經(jīng)阿爾伯斯投影轉(zhuǎn)化，生成以米為單位的平面坐標(biāo)，利用地統(tǒng)計(jì)分析模塊克里金內(nèi)插法，先分別生成各個(gè)地貌單元氮含量分布圖，最后疊加合成小流域氮含量分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地貌單元和土地利用類型下全氮空間分布特征

全氮空間分布影響因素中，地貌單元的顯著性水平<0.05，土地利用類型的顯著性水平<0.001，地貌單元×土地利用類型的顯著性水平<0.001(表1)。說(shuō)明地貌單元和土地利用類型對(duì)全氮的空間異質(zhì)性影響是顯著的，并且地貌單元和土地利用類型存在著顯著的交互作用。全氮的空間變異系數(shù)為21.21%(表2)，空間分布呈中等程度變異。該流域土壤表層全氮含量均值為0.99 g/kg,農(nóng)田、果園、廢棄果園、林地、荒草地全氮均值含量分別為：0.92，1.06，0.87，1.08，0.94 g/kg(表3)，塬面、塬坡、溝道全氮均值含量分別為：1.04，0.96，1.01 g/kg(表4)?？芍×饔虿煌恋乩妙愋拖峦寥廊兓厔?shì)是：林地>果園>荒草地>農(nóng)田>廢棄果園，不同地貌單元下土壤全氮變化趨勢(shì)是：塬面>溝道>塬坡。各地貌單元土壤中全氮含量經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后可知呈正態(tài)分布(表4)，因此可將其數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS 10.2中做出含量分布圖(圖2)。

表1 王東溝小流域地貌單元與土地利用類型對(duì)氮含量影響的方差分析

表2 不同養(yǎng)分類型描述性統(tǒng)計(jì)特征值

張春霞等[10]2003年對(duì)王東溝流域不同土地利用類型和地貌單元下全氮含量進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，塬面、坡坮地和山地全氮均值含量分別為0.80，0.65，0.66 g/kg，農(nóng)田、果園、林地和草地全氮均值含量分別為0.81，0.69，0.89，0.77 g/kg。王東溝流域土地利用經(jīng)過(guò)十幾年的恢復(fù)和變化不同土地利用類型全氮含量均有明顯提高，林地依然是所有土地利用方式中全氮含量最高的。這是因?yàn)榱值睾写罅靠葜β淙~層，枯枝落葉通過(guò)微生物分解之后會(huì)向土壤供給養(yǎng)分，所以林地全氮含量最高。果園有機(jī)氮肥和無(wú)機(jī)氮肥長(zhǎng)期大量的投入，使得氮在果園土壤中有了一定的積累，所以果園土壤全氮含量有了顯著的上升，高于農(nóng)田和荒草地。農(nóng)田和荒草地全氮均值含量分別為0.92，0.94 g/kg(表3)，兩者均值含量差別不大，加之采樣農(nóng)田的類型部分為7月份已收割的小麥地，土壤中的部分氮素已被小麥吸收利用，所以農(nóng)田的全氮均值含量會(huì)略低于荒草地。不同的地貌單元下土地利用類型有很大差異，果園和農(nóng)田主要集中分布在塬面，林地和荒草地主要分布在溝道，所以塬面和溝道全氮含量高于塬坡。

2.2 不同地貌單元和土地利用類型下硝態(tài)氮空間分布特征

影響硝態(tài)氮空間變異因素中，地貌單元的顯著性水平<0.05，土地利用方式的顯著性水平<0.001，地貌單元×土地利用類型的顯著性水平<0.001(表1)。說(shuō)明地貌單元和土地利用方式對(duì)硝態(tài)氮的空間異質(zhì)性影響是顯著的，并且地貌單元和土地利用類型存在著顯著的交互作用。硝態(tài)氮的空間變異系數(shù)為115.77%(表2)，空間變異程度屬?gòu)?qiáng)變異。該流域土壤表層硝態(tài)氮均值含量9.80 mg/kg，農(nóng)田、果園、廢棄果園、林地、荒草地硝態(tài)氮均值含量分別為：16.49，22.99，3.66，4.85，1.03 mg/kg(表3)，塬面、塬坡、溝道硝態(tài)氮均值含量分別為：20.55，7.00，2.57 mg/kg(表4)。

表3 不同土地利用類型描述性統(tǒng)計(jì)特征值

表4 不同地貌單元描述性統(tǒng)計(jì)特征值

因此可知小流域不同土地利用類型下土壤硝態(tài)氮變化趨勢(shì)為：果園>農(nóng)田>林地>廢棄果園>荒草地，不同地貌單元下土壤硝態(tài)氮變化趨勢(shì)為：塬面>塬坡>溝道。各地貌單元土壤中硝態(tài)氮含量經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后可知呈正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布(表4)，因此可將其數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS 10.2中做出含量分布圖(圖3)。

由于地貌單元和土地利用類型的不同，農(nóng)田和果園硝態(tài)氮含量會(huì)受施肥的影響。本次對(duì)王東溝小流域土壤樣品的采集是在7月份，經(jīng)調(diào)查果園的施肥期主要集中在6月份，氮肥的施用種類有復(fù)合肥、尿素、硝銨等[11]。由于施肥不久果園土壤中會(huì)殘留大量未被果樹吸收利用的硝態(tài)氮，同時(shí)硝態(tài)氮未大量淋失，加之黃土高原土質(zhì)疏松多孔易將土壤中的部分銨態(tài)氮肥的銨態(tài)離子氧化成硝態(tài)離子，使得果園土壤中的硝態(tài)氮含量明顯升高，高于其他土地利用類型。農(nóng)田也由于肥料的長(zhǎng)期投入，使得硝態(tài)氮含量有了一定的積累。林地和荒草地硝態(tài)氮的來(lái)源主要靠枯枝落葉層的分解，且硝態(tài)氮在林地和草地?zé)o機(jī)態(tài)氮中所占比例低于30%[12-13]，所以不同土地利用類型下林地和荒草地硝態(tài)氮含量低于果園和農(nóng)田。由于果園和農(nóng)田大部分分布在塬面，因此不同地貌單元下硝態(tài)氮含量高于塬坡和溝道。

圖2 黃土高原溝壑區(qū)王東溝小流域表層(0-20 cm)全氮含量分布 圖3 黃土高原溝壑區(qū)王東溝小流域表層(0-20 cm)硝態(tài)氮含量分布

2.3 不同地貌單元和土地利用類型下銨態(tài)氮空間分布特征

不同地貌單元和土地利用類型對(duì)銨態(tài)氮空間分布顯著性影響水平>0.05，地貌單元和土地利用類型交互作用顯著性水平均>0.05(表1)，說(shuō)明地貌單元、土地利用方式對(duì)銨態(tài)氮空間分布沒(méi)有顯著影響,地貌單元和土地利用類型不存在交互作用。王東溝小流域不同土地利用類型農(nóng)田、果園、林地、荒草地、廢棄果園土壤銨態(tài)氮含量分別為：2.53，2.64，3.76，2.98，1.76 mg/kg(表3)，不同地貌單元塬面、塬坡和溝道銨態(tài)氮含量分別為2.80，2.67，2.93 mg/kg(表4)，不同土地利用類型和地貌單元下銨態(tài)氮含量差別不是很大。同時(shí)可知小流域不同土地利用類型下土壤銨態(tài)氮變化趨勢(shì)為：林地>荒草地>果園>農(nóng)田>廢棄果園，不同地貌單元下土壤銨態(tài)氮變化趨勢(shì)為：溝道>塬面>塬坡。各地貌單元土壤中銨態(tài)氮含量經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后可知呈正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布(表4)，因此可將其數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS 10.2中做出含量分布圖(圖4)。

劉和滿等[12]對(duì)藏東南色季拉山溝壑區(qū)土壤氮素空間分布特征研究結(jié)果表明，林地中銨態(tài)氮占無(wú)機(jī)態(tài)氮的78%。張學(xué)龍等[13]對(duì)祁連山青海云杉林土壤氮的含量特征研究表明，銨態(tài)氮是土壤有效態(tài)氮的主要形式，所占比例在70%以上。廖圣祥等[14]對(duì)草地硝態(tài)氮和銨態(tài)氮研究會(huì)發(fā)現(xiàn)，草地銨態(tài)氮含量明顯高于硝態(tài)氮。上述研究結(jié)果表明，林地和草地中銨態(tài)氮含量顯著地高于硝態(tài)氮，是無(wú)機(jī)態(tài)氮的主要存在形態(tài)。果園和農(nóng)田中銨態(tài)氮含量較低，也沒(méi)有枯枝落葉層分解向土壤中釋放銨態(tài)氮，所以不同土地利用類型下林地和荒草地銨態(tài)氮的含量高于果園和農(nóng)田。溝道土地利用類型只有林地和荒草，因此不同地貌單元下溝道銨態(tài)氮含量高于塬面和塬坡。

圖4 黃土高原溝壑區(qū)王東溝小流域表層(0-20 cm)銨態(tài)氮含量分布

3 結(jié) 論

研究結(jié)果表明在不同土地利用類型下土壤全氮分布規(guī)律為：林地>果園>荒草地>農(nóng)田>廢棄果園；硝態(tài)氮分布規(guī)律為：果園>農(nóng)田>林地>廢棄果園>荒草地；銨態(tài)氮分布規(guī)律為：林地>荒草地>果園>農(nóng)田>廢棄果園。不同地貌單元下土壤全氮分布規(guī)律為：塬面>溝道>塬坡；硝態(tài)氮分布規(guī)律為：塬面>塬坡>溝道；銨態(tài)氮分布規(guī)律為：溝道>塬面>塬坡。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)地貌單元和土地利用方式對(duì)全氮和硝態(tài)氮空間分布的影響是顯著的，對(duì)銨態(tài)氮空間分布沒(méi)有顯著的影響，且相比于地貌單元，土地利用方式對(duì)全氮和硝態(tài)氮空間分布的影響更為顯著，因此，在研究黃土高原地貌單元和土地利用方式對(duì)全氮和硝態(tài)氮空間分布影響時(shí)，應(yīng)著重考慮土地利用方式對(duì)其分布的影響。上述研究結(jié)果可用于指導(dǎo)黃土高原溝壑區(qū)小流域土壤施肥管理和估算黃土高原更大尺度氮空間分布提供依據(jù)。