李 龍,秦富倉(cāng),姜麗娜,姚雪玲

1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),沙漠治理學(xué)院, 呼和浩特 010011 2 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所, 北京 100091 3 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)荒漠化研究所, 北京 100091

土壤中的氮元素不僅是保障植物正常生長(zhǎng)的必需元素,也是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一。土壤全氮是指土壤中各種形態(tài)氮素含量的總和,準(zhǔn)確掌握土壤全氮含量的空間分布格局及其變異特征是區(qū)域合理利用土地資源、進(jìn)行精準(zhǔn)施肥的重要前提[1-2]。與此同時(shí),土壤全氮的空間變異受到自然和人為等多種因素的共同影響[3],眾多學(xué)者也紛紛研究指出,地形[4]、植被[5-6]、土地利用方式[7]以及土壤侵蝕[8]等諸多因素均顯著地影響著土壤全氮的空間分布格局。

隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展和科學(xué)利用土地的要求日益提升,找到控制土壤全氮空間分布的主導(dǎo)因素對(duì)揭示土壤全氮分布規(guī)律起著極其重要的作用,在全球氣候變化的大背景下,深層土壤氮庫(kù)的氮儲(chǔ)量十分巨大[9],并占據(jù)著極為重要的地位,然而類似的研究多集中于對(duì)表層土壤全氮的研究中[10-12],土壤全氮的垂直分布特征同樣需要更多的關(guān)注。Dwivedi等[13]研究表明受到土壤深度變化的影響,不同土層感知外界環(huán)境變化的敏感程度也存在顯著地差異。Fierer等[14]也指出深層土壤對(duì)溫度和養(yǎng)分的變化相比表層土壤更加敏感。由此可見,各環(huán)境因素在不同土層上對(duì)土壤全氮含量的作用程度也必然呈現(xiàn)加大差異,土壤全氮的垂直分布及其影響因素仍然是當(dāng)前土壤氮庫(kù)的研究的焦點(diǎn)問題。

因此,本研究以赤峰市敖漢旗為研究對(duì)象,以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析0—100 cm深度范圍內(nèi)5層土壤全氮含量的分布特征,結(jié)合地理信息系統(tǒng)與地統(tǒng)計(jì)學(xué),對(duì)敖漢旗土壤全氮含量的空間分布進(jìn)行預(yù)測(cè),揭示影響各層土壤全氮空間變異的主導(dǎo)因子。旨在為縣域尺度的土壤氮庫(kù)研究提供科學(xué)參考和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市東南部的敖漢旗(119°30′—120°54′E、41°42′—42°02′N),全旗總面積約為8300 km2,地勢(shì)起伏多變、總體呈南高北低特征,海拔為300—1250 m；多年平均降水量在310—460 mm之間,且由南向北遞減；年均蒸發(fā)量為2000—2600 mm,年平均氣溫為 6℃,冬季寒冷干燥,夏季溫?zé)帷⒔涤昙?屬于溫帶半干旱大陸性氣候。敖漢旗處于歐亞干草原區(qū),地帶性植被以疏林草原為主,從南到北呈現(xiàn)出由森林和森林草原逐漸向干草原過(guò)渡的規(guī)律,全旗主要分布有4個(gè)土類,南部山地主要為棕壤和褐土,中部黃土丘陵及黃土漫崗主要為栗鈣土,北部沙地主要以風(fēng)沙土為主。敖漢旗土地利用類型多樣屬于農(nóng)牧交錯(cuò)地帶,以農(nóng)為主,農(nóng)牧林結(jié)合的經(jīng)濟(jì)類型區(qū),其中,林地面積為3945 km2,全旗形成帶網(wǎng)片、喬灌草相結(jié)合的防護(hù)林體系；耕地面積為1776 km2,約占全旗面積的21.39%；草地面積為1695 km2,占全旗面積的20.41%。

1.2 樣地選擇與樣品采集

在野外實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上,綜合考慮土壤、植被、地形地貌以及土地利用方式等因素,于2014年8月在敖漢旗選取典型樣點(diǎn),確保所選樣地能夠充分反映研究區(qū)的基本特征,共確定182個(gè)典型樣點(diǎn)(表1,圖1)。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 The distribution of sampling sites in study area

表1 研究區(qū)采樣點(diǎn)屬性分布表

確定樣點(diǎn)后,記錄樣地的坐標(biāo)及地形地貌、土壤類型、土地利用方式等基本信息。去除樣地內(nèi)土壤表層的植被、枯落物等雜質(zhì),挖掘標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面,按照0—20 cm,20—40 cm,40—60 cm,60—80 cm,80—100 cm劃分5層,由下至上分層取樣,每層取3個(gè)重復(fù),裝入無(wú)菌袋帶回實(shí)驗(yàn)室待測(cè)。土壤全氮含量采用半微量開氏蒸餾法測(cè)定；土壤機(jī)械組成采用Mastersizer3000激光粒度分析儀測(cè)定,參照美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),按土壤顆粒大小確定樣品粘粒(<0.002 mm)、粉粒(0.05—0.002 mm)和砂粒(2—0.05 mm)的百分含量[15]；土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定。

將敖漢旗2014年的(Landsat 8)遙感影像重新配準(zhǔn)校正后,在ENVI 5.1軟件和ArcGIS下完成歸一化植被指數(shù)(NDVI)的計(jì)算。

采用的計(jì)算公式為：

NDVI=(LNIR-LR)/(LNIR+LR)

(1)

式中,LR表示紅光波段的行星反射值；LNIR表示近紅外波段的行星反射值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1地統(tǒng)計(jì)學(xué)

地統(tǒng)計(jì)學(xué)(Geostatistics)也稱為地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué),于50年代初開始形成,在法國(guó)著名統(tǒng)計(jì)學(xué)家G.Matheron的大量理論研究工作基礎(chǔ)上形成一門新的統(tǒng)計(jì)學(xué)分支。地統(tǒng)計(jì)學(xué)是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ),在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法[16]。半變異函數(shù)又稱半方差函數(shù),是地統(tǒng)計(jì)分析的特有函數(shù)。區(qū)域化變量Z(x)在點(diǎn)x和x+h處的值Z(x)與Z(x+h)差的方差的一半稱為區(qū)域化變量Z(x)的半變異函數(shù),記為γ(h),2γ(h)稱為變異函數(shù)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

式中,h為兩樣本點(diǎn)空間距離；γ(h)是h的半方差函數(shù)值；N(h)是間隔距離等于h的樣本點(diǎn)的對(duì)數(shù)；Z(xi)為空間位置點(diǎn)xi處指標(biāo)的實(shí)測(cè)值；Z(xi+h)為空間位置點(diǎn)xi+h處指標(biāo)的實(shí)測(cè)值。

基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,采用GS+7.0軟件完成半方差函數(shù)的計(jì)算和理論模型的擬合,并結(jié)合ArcGIS10.0軟件中Geostatistical Analyst模塊,對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行克里格插值,生成土壤全氮含量的空間分布圖。

1.3.2典范對(duì)應(yīng)分析(Canonical correspondence analysis,CAA)

典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)是由對(duì)應(yīng)分析發(fā)展而來(lái)的一種多元數(shù)據(jù)測(cè)序方法,其通過(guò)檢驗(yàn)兩個(gè)變量的線性組合之間的相關(guān)性,將因變量矩陣映射到描述變量矩陣中,并在排序模型中插入回歸模型,使觀測(cè)因子和環(huán)境因子的關(guān)系在排序圖中直觀表達(dá),同時(shí)可用CCA分析結(jié)果進(jìn)行變量影響的貢獻(xiàn)分離,并準(zhǔn)確估計(jì)自變量的貢獻(xiàn)。 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(3)

式中,xi代表站點(diǎn)i的排序得分,b0代表截距,bj是環(huán)境變量j的回歸系數(shù),q代表環(huán)境變量的數(shù)量,而Zij是站點(diǎn)i的環(huán)境變量j的值。

CCA 排序圖中箭頭連線的長(zhǎng)度表示土壤有機(jī)碳變異與環(huán)境因子的相關(guān)性,連線越長(zhǎng),相關(guān)性越大；箭頭連線與排序軸的夾角表示該環(huán)境因子與排序軸相關(guān)性的大小,夾角越小,相關(guān)性越高；各箭頭連線之間的夾角表示各環(huán)境因子間的相關(guān)性,夾角越小,相關(guān)性越高。研究采用CCA法分析土壤全氮含量對(duì)環(huán)境變量的響應(yīng)關(guān)系,并通過(guò)蒙特卡羅交互驗(yàn)證發(fā)法判斷環(huán)境因素對(duì)土壤全氮影響到顯著水平,CCA是使用R 3.0.1軟件中的Vegan包執(zhí)行[17]。

本研究中的全部基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)分析均在R3.0.1軟件下完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤全氮含量的垂直分布特征

對(duì)研究區(qū)內(nèi)182個(gè)樣地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表2所示,研究區(qū)0—100 cm深度土壤全氮的分布范圍在0.43—0.68 g/kg之間,其平均含量隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)逐級(jí)遞減的垂直分布規(guī)律；方差分析表明,0—40 cm深度的土壤全氮含量顯著高于40 cm深度以下的土壤全氮含量(P<0.05)。這主要是由于表層土壤能夠最直接地獲取地表枯落物以及動(dòng)物殘?bào)w分解后的養(yǎng)分補(bǔ)給,因此,土壤表層全氮含量顯著高于其他土層。參照我國(guó)土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),敖漢旗土壤全氮含量整體處于相對(duì)虧缺的水平(Ⅴ：0.5—0.75 g/kg),其中60 cm深度以下的土壤全氮含量處于嚴(yán)重虧缺的水平(Ⅵ：<0.5 g/kg)[18]。就數(shù)據(jù)分布特征而言,各層土壤全氮含量均呈現(xiàn)為輕度的正向右偏態(tài)分布特征,峰度值略低。變異系數(shù)(CV)分析得知,各層土壤全氮含量均處在0.45—0.50之間,并為表現(xiàn)出明顯的分布差異,均屬于中等程度的變異[19]。

表2 不同土壤深度上全氮含量的分布特征

由方差分析得出,表中標(biāo)有不同字母的數(shù)據(jù)表示在P<0.05水平下具有顯著差異

2.2 土壤全氮含量的空間變異特征

地統(tǒng)計(jì)學(xué)通過(guò)半方差函數(shù)模型能夠定量地描述土壤全氮空間變異的結(jié)構(gòu)性因素與隨機(jī)性因素,準(zhǔn)確地分析土壤全氮的空間變異結(jié)構(gòu)。模型擬合結(jié)果顯示,不同土壤深度內(nèi)土壤全氮含量在各個(gè)方向上均無(wú)顯著差異,無(wú)需考慮數(shù)據(jù)的各向異特征,對(duì)比不同模型的擬合精度,最終得出0—100 cm深度土壤全氮的半方差函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)(表3)。

表3 土壤全氮含量的半方差函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)

半變異函數(shù)的擬合結(jié)果顯示,0—100 cm各層土壤全氮均適用于Spherical模型,其擬合決定系數(shù)R2在0.71—0.82之間,擬合殘差處于較低水平,在0.105—0.421之間,表明擬合具有較好的擬合效果,能夠反映土壤全氮的空間變異特征。塊金基臺(tái)比(C0/(C0+ C))是反映土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)間空間自相關(guān)性的重要指標(biāo)。研究區(qū)各層土壤全氮的C0/(C0+ C)處于50.5%—73.4%之間,均屬于中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性,結(jié)構(gòu)性因素與隨機(jī)性因素共同作用影響著土壤全氮的空間變異結(jié)構(gòu),而隨機(jī)性因素主要表現(xiàn)為人為活動(dòng)、土地利用方式轉(zhuǎn)變等,并在研究區(qū)全氮的空間變異中占據(jù)了主要地位；結(jié)構(gòu)性因素主要表現(xiàn)為地形、土壤母質(zhì)、降雨分布格局等。隨著土壤深度的增加,隨機(jī)因素對(duì)全氮空間變異的影響作用逐漸減弱,其空間最大自相關(guān)距離(變程)也隨著土壤深度的增加而逐漸減小,這說(shuō)明在深層土壤中土壤全氮受到外界干擾較弱,相對(duì)表層土壤仍保持著較高的內(nèi)在自相關(guān)關(guān)系。

就土壤全氮的空間分布格局而言(圖2),研究區(qū)0—100 cm深度土壤全氮含量的分布趨勢(shì)基本一致,均呈現(xiàn)出南高北低的分布特征,在各層土壤中全氮的低值區(qū)均集中呈片狀分布在研究區(qū)的東北部,高值區(qū)呈島狀分散于研究區(qū)的南部區(qū)域,且40 cm以上的土壤全氮南北分布差異相對(duì)于深層土壤更加明顯。

圖2 不同土壤深度土壤全氮含量空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of total nitrogen content in different soil depths

2.3 環(huán)境因素對(duì)土壤全氮含量的影響

典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)可以有效地分析影響因子對(duì)不同深度土壤全氮的影響(表4,圖3),CCA分析表明,第一排序軸主要為NDVI,海拔,坡度對(duì)土壤全氮含量的綜合反映,對(duì)土壤全氮含量的綜合解釋達(dá)到91.24%,其中,海拔和NDVI與第一排序軸具有顯著相關(guān)性(P<0.05)。第二排序軸主要是土壤容重和土壤粘粒含量的綜合反映,土壤粘粒含量與第二排序軸均有顯著的相關(guān)性(P<0.05),二者對(duì)土壤全氮含量的解釋達(dá)到3.63%。第一排序軸和第二排序軸對(duì)土壤全氮的累積解釋達(dá)到95.17%,說(shuō)明第一排序軸和第二排序軸反映了環(huán)境因子與土壤全氮的大部分信息,兩排序軸均與土壤全氮含量顯著相關(guān)(P<0.01),可以較好地解釋環(huán)境因素對(duì)土壤全氮的影響。

表4 典范對(duì)應(yīng)分析參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

*表明環(huán)境因素在P=0.05水平下與排序軸具有顯著相關(guān)性

坡度和土壤容重與土壤全氮含量成負(fù)相關(guān)關(guān)系,NDVI,土壤粘粒含量,海拔與土壤全氮成正相關(guān)關(guān)系。各環(huán)境因素對(duì)土壤全氮含量的影響程度由高到低表現(xiàn)為海拔NDVI>粘粒含量>土壤容重>坡度。其中土壤粘粒和NDVI與表層土壤的相關(guān)性更高,海拔對(duì)60 cm以下土壤全氮的影響更高。

圖3 典范對(duì)應(yīng)分析排序圖Fig.3 Canonical correspondence analysis ordination 0—20cm深度土壤全氮含量,Total nitrogen (TN)1;20—40cm深度土壤全氮含量,Total nitrogen (TN)2;40—60cm深度土壤全氮含量,Total nitrogen (TN)3;60—80cm深度土壤全氮含量,Total nitrogen (TN)4;80—100cm深度土壤全氮含量,Total nitrogen (TN)5;歸一化植被指數(shù), Normalized difference vegetation index(NDVI)

3 討論

3.1 土壤全氮的空間分布格局

土壤全氮的空間分布格局是在多種因素共同作用下而形成,在本研究區(qū)內(nèi)土壤全氮的水平分布呈現(xiàn)出較為明顯的異質(zhì)性,各土壤深度上全氮的低值區(qū)域均位于研究區(qū)東北部,高值區(qū)域主要位于中南部,并呈現(xiàn)為由北向南逐步增加的分布趨勢(shì)。這與研究區(qū)植被、土壤分布格局密切相關(guān),敖漢旗地處科爾沁沙地南緣,其南北部土壤、植被分布差異較為明顯,而敖漢旗土壤由北到南為風(fēng)沙土、栗鈣土、褐土、棕壤,受風(fēng)沙活動(dòng)的影響,研究區(qū)北部的土壤肥力水平整體偏低；植被由北到南分布依次為沙生植被、旱生草本、森林植被[20],土壤和植被綜合影響著土壤全氮的水平分布。小尺度上,受植被類型的影響,不同林份類型下的土壤全氮的分布呈現(xiàn)較大的差別[21]；大尺度上,植被群落表現(xiàn)出明顯的地域性特征,土壤全氮受到植被地帶性分布的影響更加明顯[22]。劉慶生等[23]研究指出內(nèi)蒙古地區(qū)的地帶性土壤及植被與土壤全氮的分布緊密相關(guān),尤其是植被覆蓋度、植物種類數(shù)量、土壤有機(jī)質(zhì)等分布均與土壤全氮顯著相關(guān),這均驗(yàn)證了本研究的結(jié)論。

就土壤全氮的垂直分布而言,隨土壤深度的增加全氮的累積量也逐漸降低,這也與其他學(xué)者的相關(guān)研究結(jié)果相一致[24],受地表植被的影響,表層土壤最先受到枯落物分解后的補(bǔ)給,因此表層土壤的氮素累積最豐富。就其空間變異特征而言,受土壤深度的影響,表層土壤的空間變異受隨機(jī)性因素的影響更加明顯,同時(shí)深層土壤的空間自相關(guān)距離逐漸增加,劉合滿等[25]同樣研究指出表層土壤受到外界侵蝕、溫度、濕度以及植被條件的差異,導(dǎo)致其氮素的礦化速度在空間上的不均一性更加明顯,而深層土壤在深厚土層的封閉下,處在相對(duì)均質(zhì)穩(wěn)定的環(huán)境中,因此更易于保持空間自相關(guān)關(guān)系。這也解釋了表層土壤的空間變異性更強(qiáng)的原因。

3.2 影響土壤全氮空間分布的主導(dǎo)因素

本研究指出在不同土層上影響土壤全氮空間分布的主導(dǎo)因素也存在較大差異,土壤粘粒和NDVI與表層土壤的相關(guān)性更高,海拔對(duì)60 cm以下土壤的影響更高。NDVI反映了地表植被的覆蓋及生長(zhǎng)狀態(tài),不同的植被類型的土壤氮礦化速率差異顯著,特別是在表層土壤的表現(xiàn)更加明顯[26],蘇靜等[27]研究也指出土壤團(tuán)聚體和植被恢復(fù)對(duì)土壤氮素的累積都發(fā)揮了積極作用,從土壤侵蝕角度分析,表層植被覆蓋和良好的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)都能夠有效控制土壤全氮隨降雨徑流的流失[28],而深層土壤更接近基巖和土壤母質(zhì),同時(shí)受壓實(shí)作用的影響土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較差,植被對(duì)深層土壤的補(bǔ)給以及微生物的活動(dòng)相對(duì)表層土壤均較差,這也就使得土壤粘粒和NDVI難以在深層土壤與土壤全氮建立更加緊密的聯(lián)系。

研究區(qū)海拔在300—1250 m之間,研究表明海拔和土壤全氮含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,這一結(jié)論也和和其他學(xué)者的研究相符[29]。而本研究發(fā)現(xiàn)深層土壤全氮含量和海拔的相關(guān)性更加明顯,這可能與海拔直接影響土壤溫度有密切關(guān)系[30],特別在本研究區(qū)海拔相對(duì)高差近1000 m,深層土壤溫度的升高積極影響著土壤微生物數(shù)量、種類,臺(tái)喜生等[31]研究指出土壤硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌和固氮細(xì)菌在高海拔處土壤發(fā)育與低海拔處深層土壤的早期發(fā)育相類似,氮循環(huán)細(xì)菌數(shù)量的變化受到海拔主導(dǎo)下植被和土壤理化因子的共同作用。這也說(shuō)明了海拔在影響深層土壤氮累積中具有明顯的作用。

4 結(jié)論

研究區(qū)0—100 cm土壤深度范圍內(nèi)的全氮的平均含量在0.43—0.68 g/kg之間,隨著土壤深度的增加逐級(jí)遞減,各層土壤全氮含量均呈現(xiàn)出南高北低的分布特征,低值區(qū)集中呈片狀分布在研究區(qū)的東北部,高值區(qū)呈島狀分散于研究區(qū)的南部區(qū)域。

各層土壤全氮均屬于中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性,結(jié)構(gòu)性因素與隨機(jī)性因素共同作用影響著土壤全氮的空間變異結(jié)構(gòu),隨著土壤深度的增加,隨機(jī)因素對(duì)全氮空間變異的影響作用逐漸減弱,其空間最大自相關(guān)距離也隨著土壤深度的增加而逐漸減小。

各環(huán)境因素對(duì)土壤全氮含量的影響程度由高到低表現(xiàn)為海拔>NDVI>粘粒含量>土壤容重>坡度。其中土壤粘粒和NDVI與表層土壤的相關(guān)性更高,海拔對(duì)60 cm以下土壤的影響更高。