榮方旭，呂十全，胡樹(shù)翔，王貴珍，劉璟，侯國(guó)琴，劉愛(ài)菊

(1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博 255000；2. 山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東淄博 255000)

近些年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，過(guò)量施肥導(dǎo)致農(nóng)田表層土壤氮(N)、磷(P)的大量富集。 這些富集于農(nóng)田土壤中的氮磷養(yǎng)分很大一部分會(huì)在降水、灌溉等產(chǎn)生的地表徑流作用下進(jìn)入水體，造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化。 南四湖作為我國(guó)北方最大的淡水湖泊，集防洪排澇、蓄水灌溉、交通運(yùn)輸及養(yǎng)殖旅游等功能于一體，同時(shí)也是南水北調(diào)東線工程的重要蓄水湖泊，是淮河流域用水比較集中的區(qū)域之一，也是山東省重要的水源地，對(duì)維護(hù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和平衡區(qū)域生態(tài)具有重要的戰(zhàn)略意義。 鑒于南四湖在淮河流域的重要性，充分認(rèn)識(shí)和掌握該流域農(nóng)田土壤C、N、P 含量的空間分布特征及其影響因素，對(duì)科學(xué)控制該區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染區(qū)，維持該區(qū)域水體環(huán)境質(zhì)量具有重要的意義。

在長(zhǎng)期的自然選擇和人為因子的共同作用下，流域農(nóng)田土壤中C、N、P 等營(yíng)養(yǎng)元素的分布具有明顯的空間異質(zhì)性。 這使流域面源污染控制成為較為棘手的問(wèn)題。 近年來(lái)，隨著3S 技術(shù)(RS、GIS 和GPS)的發(fā)展，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS 技術(shù)相結(jié)合的方法研究土壤理化性質(zhì)的空間異質(zhì)性已經(jīng)成為目前相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1-2]。 張嬋嬋等[3]應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS 相結(jié)合的方法，研究了高陽(yáng)縣農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分的空間變異特征，結(jié)果表明該區(qū)域土壤速效氮、磷、鉀等養(yǎng)分的空間變異是結(jié)構(gòu)因素和隨機(jī)因素相互作用的結(jié)果，具有中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性。 歐陽(yáng)威等[4]運(yùn)用SWAT模型分析了柘皋河小流域農(nóng)業(yè)面源氮污染輸出的時(shí)空分布特征，表明土地利用方式和施肥量的變化是導(dǎo)致整個(gè)小流域面源氮污染負(fù)荷明顯增大的主要因素。 李炎龍等[5]通過(guò)運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究河北省曲周縣農(nóng)田土壤微生物生物量碳氮磷庫(kù)的縣域空間變異特征，發(fā)現(xiàn)土壤微生物生物量庫(kù)是我國(guó)北方農(nóng)田土壤中不可或缺的潛在生物有效養(yǎng)分庫(kù)。 Hu 等[6]采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，研究了江西省農(nóng)田土壤C、N、P 及其化學(xué)計(jì)量學(xué)的空間分布格局，為該地區(qū)的土壤管理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了重要的參考依據(jù)。 然而，已有的土壤養(yǎng)分特性的空間變異性研究主要集中于田塊、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣域等局部區(qū)間或流域尺度上[7]；對(duì)跨越地級(jí)市的流域尺度上進(jìn)行農(nóng)田耕層土壤的相關(guān)研究較少，很難對(duì)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)面源污染防治提供行之有效的理論指導(dǎo)。

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)(ecological stoichiometry)作為一門研究生態(tài)系統(tǒng)能量平衡和探討生態(tài)系統(tǒng)碳(C)、氮(N)、磷(P)這三種主要組成元素養(yǎng)分計(jì)量關(guān)系的新興學(xué)科[8]，對(duì)于揭示土壤養(yǎng)分的可獲得性、有效性、限制性和循環(huán)與平衡機(jī)制等具有重要作用[9]。 本研究以南四湖流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，對(duì)區(qū)域內(nèi)農(nóng)田土壤C、N、P 及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比(C ∶N、C ∶P和N ∶P)空間分布特征和潛在的流失風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，以期為該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理及其面源污染風(fēng)險(xiǎn)分析與科學(xué)控制提供可靠依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南四湖(微山湖、獨(dú)山湖、邵陽(yáng)湖和南陽(yáng)湖的總稱)流域(34°26′～35°57′ N，114°45′～117°49′E)包括濟(jì)寧、棗莊和菏澤3 個(gè)地級(jí)市，位于山東省西南部，流域總面積為2.79×104km2，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期，多年平均降水量674.1 mm，年平均氣溫14.2 ℃，日照時(shí)數(shù)2 110.2～2 482.0 h，年平均風(fēng)速1.8～2.3 m·s-1。

本研究主要研究區(qū)域?yàn)闈?jì)寧市和棗莊市兩地區(qū)。 其中，濟(jì)寧市地處黃淮海平原與魯中南山地交接地帶，下轄11 個(gè)行政區(qū)縣，全市總面積為11 187 km2，中部有南四湖貫穿南北，地勢(shì)四周高，中間低，地形以平原和洼地為主；棗莊市位于南四湖流域東南部，全市總面積為4 564 km2，下轄5 個(gè)區(qū)和一個(gè)縣級(jí)市，地形以丘陵、平原為主，地勢(shì)東北高西南低。 整個(gè)研究區(qū)內(nèi)的土地利用類型包括耕地、林地、草地、水體、濕地、居民區(qū)等，耕地是最主要的土地利用類型，土壤類型包括黃棕壤、黃褐土、潮土等(圖1)。

圖1 南四湖流域典型面源污染區(qū)DEM、土壤樣點(diǎn)及土地利用類型分布

1.2 土壤樣品采集與分析

采樣時(shí)間為2021 年3—5 月，采用五點(diǎn)取樣法對(duì)研究區(qū)域的農(nóng)田耕層表面(0～20 cm)土壤進(jìn)行采集。 按每6 666.7 hm2設(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn)，總共設(shè)置41 個(gè)采樣點(diǎn)(圖1a)，每個(gè)采樣點(diǎn)采集3 個(gè)網(wǎng)格樣品，每個(gè)網(wǎng)格大小為200 m×200 m，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)采集5 處土壤樣品，采用四分法取5 處土壤樣品混勻作為一個(gè)網(wǎng)格樣品，共采集耕地表層123 個(gè)網(wǎng)格樣品。 另外，每個(gè)采樣點(diǎn)還采集一個(gè)剖面樣品，最后共采集164 份土壤樣品。 將采集的土壤樣品除去雜草、細(xì)秸稈等雜物，室內(nèi)自然風(fēng)干后，研磨、過(guò)2 mm 篩，保存自封袋中備用。

土壤樣品理化指標(biāo)的測(cè)定:土壤有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀水合熱法[10]，全氮(TN)采用堿性過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法[11]，全磷(TP)采用鉬酸銨分光光度法[12]，陽(yáng)離子交換量(CEC)采用三氯化六氨合鈷浸提-紫外分光光度法測(cè)定[13]，有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法[14]，銨態(tài)氮采用鈉氏試劑分光光度法[15]，硝態(tài)氮采用氯化鉀浸提-紫外分光光度法[16]，土壤容重采用環(huán)刀法，土壤pH 值采用pH 計(jì)測(cè)定(水土比為5 ∶1)。

1.3 函數(shù)模型

本研究采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析評(píng)價(jià)研究區(qū)域農(nóng)田土壤C、N、P 的空間分形變異特征。 半變異函數(shù)模型是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中用來(lái)分析土壤特性空間異質(zhì)性的重要函數(shù)模型[17]，本研究采用該模型分析研究區(qū)域土壤C、N、P 養(yǎng)分的空間分布特征，模型計(jì)算公式如下:式中，γ(h)為半變異函數(shù)值(semivariance)，該值僅為距離的函數(shù)；h 為樣本距；N(h)為以樣本距h分隔的樣點(diǎn)對(duì)數(shù)；Z(xi)和Z(xi＋h)分別為空間變量Z 在位置xi和(xi＋h)處的觀測(cè)值。

Qian[18]對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的半變異函數(shù)模型進(jìn)行了改進(jìn)和整合，模型中的主要參數(shù)有塊金值(C0)、基臺(tái)值(C0＋C)、變程(A0)和分形維數(shù)(D)。 其中，塊金值(C0)表示隨機(jī)因素部分引起的空間變異性，基臺(tái)值(C0＋C)則表示隨機(jī)性因素和結(jié)構(gòu)性因素引起的系統(tǒng)總變異值，二者之間的比值即C0/(C0＋C)，簡(jiǎn)稱塊基比，不僅可以用來(lái)表征變量的空間自相關(guān)程度，還反映了隨機(jī)性因素引起的空間變異占系統(tǒng)總變異的大小。 變程(A0)是土壤養(yǎng)分特性具有空間自相關(guān)性的最大平均距離，在這個(gè)距離范圍內(nèi)，任意兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)間的土壤理化性質(zhì)具有明顯的空間自相關(guān)性[19]。 分形維數(shù)D值用來(lái)表征空間變量的均一性。 D 值越大，說(shuō)明空間變量的差異性越小，土壤在這一特性上表現(xiàn)的越均勻；D 值越小，說(shuō)明空間變量的差異性越大，土壤在這一特性上表現(xiàn)的越不均勻[20]。 根據(jù)公式(1)，把半變異函數(shù)值和間距同時(shí)取對(duì)數(shù)，用最小二乘法進(jìn)行線性回歸分析，回歸直線的斜率記為m。 分形維數(shù)D 可以用logγ(h)與logh 存在著的這種線性關(guān)系以下式進(jìn)行估算:

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

南四湖流域90 m×90 m 的高程模型(digital elevation model，DEM)數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:/ /www.gscloud.cn)，南四湖流域土地利用類型數(shù)據(jù)來(lái)源于GLOBELAND30(http:/ /www.globallandcover.com)，其他關(guān)于氣候、水文等數(shù)據(jù)來(lái)源于濟(jì)寧市、棗莊市及山東省逐年的統(tǒng)計(jì)年鑒。本研究中土壤碳氮比(C ∶N)、碳磷比(C ∶P)和氮磷比(N∶P)均采用元素質(zhì)量比。

用Microsoft Excel 2016 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的計(jì)算和整理，并用SPSS 23.0 軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析。 用R 3.6.1 軟件中的“corrplot”程序包對(duì)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析和差異顯著性分析。 用GS＋9.0 軟件對(duì)半變異函數(shù)模型進(jìn)行最優(yōu)化擬合，研究區(qū)域土壤養(yǎng)分特性的空間分布圖在ArcMap 10.8.1 軟件中采用普通克里金插值繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 南四湖流域農(nóng)田土壤碳、氮、磷養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計(jì)特征

由表1 可以看出，研究區(qū)農(nóng)田土壤SOC、TN和TP 平均含量分別為7.37、3.66 g·kg-1和0.70 g·kg-1，生態(tài)化學(xué)計(jì)量比C ∶N、C∶P 和N∶P 平均值分別為2.34、13.20 和6.68；銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和有效磷的平均值分別為13.77、21.30 mg·kg-1和28.45 mg·kg-1。 根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[21]，南四湖流域耕地土壤SOC 含量處于中等偏下水平，TN 含量處于極豐富水平，TP 含量處于中等偏上水平，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量處于較為缺乏水平，而有效磷含量處于較為豐富水平。

表1 南四湖流域農(nóng)田土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計(jì)特征

土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)服從正態(tài)分布是進(jìn)行空間變異特征研究的基礎(chǔ)和前提。 由表1 可知，研究區(qū)域農(nóng)田土壤SOC、TN 以及C∶N、C ∶P 和N ∶P 的K-S值分別為0.095、0.130、0.073、0.082 和0.103(P＞0.05)，均符合正態(tài)分布；土壤TP 不符合正態(tài)分布，但符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布。 因此，南四湖流域土壤C、N、P 及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比等數(shù)據(jù)均滿足地統(tǒng)計(jì)學(xué)和空間變異插值分析的要求。 在土壤學(xué)中，常用變異系數(shù)Cv 度量各變量的離散程度，且可根據(jù)Cv 值對(duì)土壤理化性質(zhì)的空間變異程度進(jìn)行分類。 一般來(lái)說(shuō)Cv≤10%為弱變異，10%＜Cv≤100%為中等程度變異，Cv＞100%為高度變異[22]。研究區(qū)農(nóng)田土壤SOC、TN、TP、C ∶N、C ∶P、N ∶P、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和有效磷的Cv 值分別為34.46%、50.55%、74. 28%、 40. 17%、 49. 17%、 64. 67%、59.69%、83.38%和76.31%，表明這些土壤養(yǎng)分變量在研究區(qū)域內(nèi)均屬于中等程度的空間變異。

2.2 南四湖流域農(nóng)田土壤碳、氮、磷含量及其化學(xué)計(jì)量比的空間結(jié)構(gòu)特征

本研究利用GS＋9.0 軟件反復(fù)模擬選取土壤C、N、P 及其化學(xué)計(jì)量比的最優(yōu)擬合度的半變異函數(shù)模型(圖2)，并據(jù)此輸出各變量的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)信息(表2)。 可知，土壤SOC、TP 和C ∶N 均符合球狀模型，TN 和N∶P 符合高斯模型，C ∶P 符合指數(shù)模型，且依據(jù)各模型的決定系數(shù)(R2)和殘差(RSS)值，表明半變異函數(shù)理論模型對(duì)各參數(shù)變量的空間數(shù)據(jù)的擬合精度較高，能很好地表征它們的空間結(jié)構(gòu)特征。 其中，對(duì)于變量的空間變異特征來(lái)說(shuō)，當(dāng)C0/(C0＋C)＜25%時(shí)，為強(qiáng)空間自相關(guān)性，此時(shí)土壤養(yǎng)分的空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素的影響；當(dāng)25%≤C0/(C0＋C)≤75%時(shí)，為中等程度的空間自相關(guān)性，此時(shí)土壤養(yǎng)分的空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素的共同作用；當(dāng)C0/(C0＋C)＞75%時(shí)，空間相關(guān)性較弱，即土壤養(yǎng)分的空間變異主要受隨機(jī)因素的影響。

表2 南四湖流域農(nóng)田土壤C、N、P 生態(tài)化學(xué)計(jì)量比空間結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 南四湖流域農(nóng)田土壤C、N、P 及其化學(xué)計(jì)量比的最佳擬合半變異函數(shù)模型

南四湖流域土壤各理化指標(biāo)的塊基比為25%～75%，具有中等程度的空間自相關(guān)性，表明土壤各理化指標(biāo)的空間變異性主要由該區(qū)域土壤母質(zhì)、地形、土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素和耕作制度、種植方式、施肥模式等隨機(jī)性因素共同引起。SOC、TN、TP 及C ∶N、C ∶P 和N ∶P 的變程分別為61.20、70.87、66.90、50.60、84.90 km 和63.91 km，分形維數(shù)分別為1.86、1.93、1.90、1.76、1.95 和1.87，說(shuō)明研究區(qū)土壤C、N、P 及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征均具有較大空間變異范圍和中等程度的空間自相關(guān)性，且它們的空間分布比較均勻。

2.3 南四湖流域農(nóng)田土壤碳、氮、磷含量及其化學(xué)計(jì)量比的空間分布特征

根據(jù)圖2 中的最優(yōu)半變異函數(shù)理論模型及表2 相應(yīng)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，在ArcGIS 10.8.1 軟件的Geostatistical Analyst 中進(jìn)行普通克里金空間插值分析，并繪制南四湖流域C、N、P 及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比空間分布圖。 由圖3 可知，研究區(qū)土壤SOC和TN 含量主要集中在6.0 ～11.0 g·kg-1和2.5 ～6.0 g·kg-1，二者的空間分布較為一致，多呈條帶狀或斑塊狀分布；它們的高值區(qū)主要集中分布在南四湖周圍以及整個(gè)流域的中部和東南部，低值區(qū)主要集中分布在整個(gè)流域的東北部及西部地區(qū)。 TP 含量大部分集中在0.40 ～0.85 g·kg-1，多呈圓環(huán)狀、點(diǎn)狀及條帶狀分布，且其高值區(qū)主要分布在南四湖周圍以及流域東部、西南部和東北部等外環(huán)區(qū)，低值區(qū)則主要分布在流域西北部及流域東南部?jī)?nèi)環(huán)區(qū)的棗莊市境內(nèi)。

圖3 南四湖流域農(nóng)田土壤碳氮磷及其化學(xué)計(jì)量比空間分布

土壤C ∶N 生態(tài)化學(xué)計(jì)量比值大多集中在0.97～2.93 之間，高值區(qū)主要呈點(diǎn)狀及環(huán)狀分布在流域北部及東南部等區(qū)域，而低值區(qū)則分布較廣，主要集中在流域西北部和東北部及棗莊市和南四湖北部地區(qū)。 土壤C ∶P 生態(tài)化學(xué)計(jì)量比值主要集中在13.54 ～28.88 之間，多呈斑塊狀及條帶狀分布；其高值區(qū)主要分布在流域東南部、東部、中部及北部地區(qū)，低值區(qū)則主要分布在西南部、東北部和西北部等區(qū)域。 土壤N ∶P 生態(tài)化學(xué)計(jì)量比值在4.00～15.00 之間的分布最廣，且其高值區(qū)主要呈環(huán)狀分布在流域中部主體地區(qū)，低值區(qū)主要呈環(huán)狀分布在高值區(qū)外環(huán)，由里到外呈發(fā)散狀分布。

2.4 環(huán)境因子對(duì)農(nóng)田土壤碳、氮、磷富集及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的影響

本研究采用Pearson 相關(guān)分析法，對(duì)影響研究區(qū)域土壤C、N、P 空間分布及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的主要環(huán)境因子進(jìn)行分析。 由圖4 可知，影響研究區(qū)域土壤SOC 和TN 含量的環(huán)境因子基本相似，主要與土壤pH 值、陽(yáng)離子交換量(CEC)值、含水率、年降水量、年均溫度和經(jīng)緯度等因素顯著相關(guān)，尤其與CEC、年降水量、年均溫度、經(jīng)緯度、土壤容重、有機(jī)質(zhì)、含水率相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。 相比之下，土壤TP 僅受區(qū)域年均溫度、海拔和土壤容重的極顯著影響。 而土壤C ∶N、C∶P和N∶P 生態(tài)化學(xué)計(jì)量比值除與各元素的含量顯著相關(guān)外，還受土壤理化性質(zhì)、水文和氣候等環(huán)境因子的顯著影響。 其中，年降水量、年均溫度、海拔和土壤容重、有機(jī)質(zhì)是影響土壤中C ∶N 生態(tài)化學(xué)計(jì)量比值的主要因素；而pH 值、CEC 值、土壤容重、經(jīng)緯度和有機(jī)質(zhì)是影響土壤中C ∶P 生態(tài)化學(xué)計(jì)量比值的主要因子；相比之下，除pH 值之外，研究區(qū)域土壤中N∶P 生態(tài)化學(xué)計(jì)量比值受有機(jī)質(zhì)、年降水量和經(jīng)緯度的影響較為突出。 綜合來(lái)看，環(huán)境因子對(duì)研究區(qū)域土壤C、N、P 及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的影響存在交互作用，但它們是如何影響該區(qū)域土壤養(yǎng)分富集及分布的，仍需進(jìn)一步探索和研究。

圖4 南四湖流域農(nóng)田土壤C、N、P 及其化學(xué)計(jì)量比與環(huán)境因子的關(guān)系

3 討論

C、N、P 作為土壤養(yǎng)分組成及植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素，是表征土壤肥力的重要指標(biāo)，同時(shí)也是流域面源污染控制的主要對(duì)象。 土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)具有重要的科學(xué)內(nèi)涵，是研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多個(gè)元素之間耦合和相互作用的重要工具，其比值大小對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)及化肥的合理施用具有一定的指示作用[23]。 本研究以C、N、P及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比為研究對(duì)象，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，探究了研究區(qū)土壤的養(yǎng)分狀況、空間分布特征及其環(huán)境影響因子。本研究結(jié)果對(duì)評(píng)價(jià)研究區(qū)域土壤肥力狀況及其N、P 流失風(fēng)險(xiǎn)具有重要的參考意義。

3.1 研究區(qū)域農(nóng)田土壤碳、氮、磷含量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的指示作用

本研究中，南四湖流域農(nóng)田土壤TN 含量分布在0.92 ～8.51 g·kg-1之間，平均含量為3.66 g·kg-1；TP 含量分布在0.26 ～2.82 g·kg-1之間，平均含量為0.70 g·kg-1。 依據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[21]，南四湖流域土壤N、P 營(yíng)養(yǎng)元素含量水平較高，富集強(qiáng)度較大。 此外，由土壤N、P 空間結(jié)構(gòu)分布特征分析可知，土壤母質(zhì)、地形、土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素是影響流域農(nóng)田土壤氮磷空間分布的主要因素。 而據(jù)濟(jì)寧市和棗莊市統(tǒng)計(jì)年鑒中的施肥數(shù)據(jù)，整個(gè)流域氮肥年施用總量約1 037 127 t，磷肥年施用總量約154 755 t。因此，過(guò)量施肥也是造成該流域農(nóng)田土壤氮磷維持在較高水平的重要原因。 本研究中，南四湖流域農(nóng)田土壤生物有效性氮(即銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)占TN 含量的0.23%～5.08%，平均含量?jī)H為1.23%，說(shuō)明該流域土壤氮肥可生物利用的有效性較低。而相比之下，研究區(qū)生物有效性磷(即有效磷)占TP 含量的0.56%～13.37%，平均值高達(dá)4.69%，表明南四湖流域土壤中磷可能具有較高的遷移性。

相比土壤N、P 含量指標(biāo)，土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量比是表征土壤營(yíng)養(yǎng)元素有效性的重要指標(biāo)。 比如，土壤C∶N 是衡量土壤C、N 礦化能力、有機(jī)質(zhì)分解速率和營(yíng)養(yǎng)平衡狀況的指標(biāo)。 一般情況下，土壤C ∶N 與有機(jī)質(zhì)分解速率呈反比關(guān)系。而土壤C∶P 是表征磷有效性高低或可獲得性大小的重要指標(biāo)，值越小，土壤中磷的有效性就越高[8]。 本研究中，南四湖流域耕地土壤C∶N值平均為2.34，相較于中國(guó)農(nóng)田土壤及全球土壤平均值(11.90、14.30)，整體處于較低水平[24-25]，說(shuō)明土壤微生物對(duì)SOC 礦化分解速率較快，不利于SOC 在土壤中的累積[26]，這也與研究區(qū)域土壤中SOC 含量較低較為一致。 相比之下，流域耕地土壤C∶P平均為13.20，相較于中國(guó)農(nóng)田土壤及全球土壤平均值(61.00、186.00)[24-25]，處于較低水平，表明土壤磷素的有效性較高，這也與土壤有效磷在TP 中具有較高占比較為一致。 而土壤N∶P 可以作為N 飽和的判定指標(biāo)，也可以用于預(yù)判N、P元素對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的限制大小[27]。 南四湖流域耕地土壤N∶P 平均為6.68(小于14)，低于全球土壤平均值(13.10)[24]，而高于中國(guó)農(nóng)田土壤平均值(5.20)[25]，處于中等偏上水平。 這不僅反映了南四湖流域耕地土壤氮肥供給水平較磷肥高，同時(shí)該流域農(nóng)作物生長(zhǎng)可能會(huì)受到磷元素的限制[28-29]。 同時(shí)，南四湖流域土壤總體C∶N∶P 平均值為10.53 ∶5.23 ∶1，也進(jìn)一步說(shuō)明磷元素是區(qū)域內(nèi)作物生長(zhǎng)的主要限制因素。

此外，土壤C∶N、C∶P 生態(tài)化學(xué)計(jì)量比在一定程度上表征N、P 元素的流失風(fēng)險(xiǎn)，其值越小，N、P 元素流失風(fēng)險(xiǎn)越大。 尤其是在研究區(qū)域，耕地以旱地為主，土壤通氣條件較好，好氧微生物活性增強(qiáng)，土壤長(zhǎng)期的干濕交替，加快了土壤有機(jī)質(zhì)的氧化分解，再加上土壤翻耕導(dǎo)致表層土壤結(jié)構(gòu)被破壞，這些因素都使土壤N、P 容易隨地表徑流、地下滲漏和淋溶等流失，進(jìn)而產(chǎn)生面源污染風(fēng)險(xiǎn)。由本研究N、P 生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的空間分布特征可知，研究區(qū)氮元素流失風(fēng)險(xiǎn)較大的地區(qū)為流域西北部、中東部和東北部及南四湖附近區(qū)域；磷元素流失風(fēng)險(xiǎn)較大的地區(qū)為流域東北部和西部，這些區(qū)域多沿河流湖泊，降雨量相對(duì)較大，土壤水蝕和淋溶作用較強(qiáng)，易造成土壤氮磷的流失，是流域內(nèi)面源污染控制重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。

3.2 環(huán)境影響因素分析

土壤C、N、P 含量及其化學(xué)計(jì)量比受多種環(huán)境因子的影響。 比如，氣候狀況反映了水熱條件在空間上的分配狀況，在很大程度上決定了土壤養(yǎng)分的遷移轉(zhuǎn)化和空間分布等生態(tài)過(guò)程，進(jìn)而會(huì)影響土壤C、N、P 等元素的循環(huán)和分布規(guī)律[30]。相關(guān)分析表明，本研究區(qū)域農(nóng)田土壤C ∶N、C ∶P、N∶P與年降水量和年均溫度之間存在一定的相關(guān)性，這是因?yàn)槟纤暮饔驅(qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，具有一定的經(jīng)緯度跨度，不同氣候環(huán)境下年降水量和年均溫度空間變化較大，加快了C、N、P 等養(yǎng)分的循環(huán)，因此土壤SOC 和TN 均與年降水量和年均溫度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤TP 與年均溫度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，這與張晗等[26]的研究結(jié)果類似。 此外，本研究中海拔高度與土壤SOC 含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤TN 含量無(wú)相關(guān)性，而與土壤TP 含量極顯著正相關(guān)。 分析其原因，可能是因?yàn)楹０胃叨扔绊懥藚^(qū)域的水熱條件，進(jìn)而影響土壤濕度和風(fēng)化程度，改變土壤微生物及酶活性，從而影響了區(qū)域土壤中C、N、P 的累積及循環(huán)。 另外，低海拔地區(qū)土地利用類型以耕地為主，生物質(zhì)還田使得土壤中的有機(jī)質(zhì)較多，流域高溫濕潤(rùn)的環(huán)境能夠促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的礦化及土壤SOC 的累積，而高海拔地區(qū)林地增多，在一定程度上減弱了降水對(duì)磷素的淋溶作用，因此土壤SOC和TP 對(duì)海拔高度的響應(yīng)程度不同。 同樣，經(jīng)緯度也是通過(guò)影響一個(gè)區(qū)域的氣候狀況來(lái)影響土壤C、N、P 養(yǎng)分空間分布的重要因素，土壤SOC 和TN 均與緯度極顯著負(fù)相關(guān)，而與經(jīng)度極顯著正相關(guān)，這可能是因?yàn)楦邷貪駶?rùn)的環(huán)境有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累，而土壤SOC 和TN 的固定具有同步效應(yīng)，主要受動(dòng)植物殘?bào)w、根系和分泌物的影響，且土壤氮素絕大部分來(lái)自有機(jī)質(zhì)，故TN 含量與SOC 含量成正比。 因此，隨著緯度的升高，土壤SOC 和TN 含量會(huì)降低；而隨著經(jīng)度的升高，土壤SOC 和TN 含量會(huì)增加。 容重在一定程度上也會(huì)影響C、N、P 養(yǎng)分的含量，一般來(lái)說(shuō)，土壤容重增加會(huì)使土壤孔隙度降低，土壤微孔隙減少，而微孔隙通常是土壤中有機(jī)質(zhì)的主要貯存空間，因此，土壤容重的增加會(huì)限制有機(jī)質(zhì)的積累，導(dǎo)致SOC 含量減少，進(jìn)而在一定程度上影響土壤中TN 和TP的含量變化。 張燕江等[19]通過(guò)研究農(nóng)牧交錯(cuò)帶典型區(qū)土壤氮磷空間分布特征也得出了一致的結(jié)論。

除以上自然環(huán)境因素之外，土地利用類型也是影響土壤C、N、P 含量和空間分布的重要因素[31]。 研究表明，土地利用是自然因素和人為因素的綜合反映，不同的土地利用類型及耕作、施肥、管理等措施會(huì)使陸地生態(tài)系統(tǒng)以及生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)土壤C、N、P 含量及其化學(xué)計(jì)量比的空間分布造成一定的影響[26，32]。 本研究中，相比其他區(qū)域，南四湖周圍農(nóng)田土壤N、P 含量較高，也可以歸因于土地利用類型不同所致。 另外，土壤pH 值作為影響土壤養(yǎng)分空間分布的重要環(huán)境因子，不僅可通過(guò)影響微生物和各種酶的活性進(jìn)而影響土壤C、N、P 含量[33]，還可決定土壤中N、P 存在的形態(tài)，影響其在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化。 本研究相關(guān)分析表明，土壤pH 值與土壤SOC、TN、C∶P 和N∶P 均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。 這是因?yàn)槟纤暮饔蛲寥李愋鸵院滞梁统蓖翞橹?，土壤?yīng)偏堿性，但由于近幾年不恰當(dāng)?shù)氖┓史绞郊肮I(yè)化的快速發(fā)展進(jìn)程，研究區(qū)耕地土壤出現(xiàn)輕微酸化問(wèn)題(pH 值為5.87～9.13)。 由此可以推測(cè)，研究區(qū)域土壤pH值下降，導(dǎo)致土壤中的固氮菌和放線菌活性降低，減弱了微生物的分解作用，同時(shí)也削弱了其對(duì)土壤C、N 的固定作用，但增強(qiáng)了土壤礦物的風(fēng)化作用，有利于酸性土壤磷的累積，進(jìn)而影響土壤中C、N、P 等元素的富集及有效性。

4 結(jié)論

4.1 本研究表明，南四湖流域耕地土壤SOC 含量處于中等偏下水平，TN 含量極高，農(nóng)田土壤氮污染嚴(yán)重，但生物有效性氮匱乏，可供植物直接利用的氮素資源較少，其他土壤養(yǎng)分含量正常。 C、N、P 含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比均為中等程度的空間變異性，其變異特征受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素的共同作用。

4.2 本研究表明，南四湖流域土壤C、N、P 含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征主要受到土地利用類型、土壤pH 值、土壤容重、土壤有機(jī)質(zhì)、海拔、年降水量、年均溫度和經(jīng)緯度等多個(gè)環(huán)境因子的顯著影響。

4.3 南四湖流域土壤C ∶N、C ∶P 生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的空間分布特征表明，沿河流湖泊分布、降雨量大、土壤水蝕和淋溶作用強(qiáng)的地區(qū)更易造成土壤氮磷的流失，即該區(qū)域產(chǎn)生面源污染的風(fēng)險(xiǎn)較大，應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注。