环境科学  2021, Vol. 42 Issue (6): 3010-3017   PDF    
引用本文
张燕江, 王俊鹏, 王瑜, 张兴昌, 甄庆, 李鹏飞. 农牧交错带典型区土壤氮磷空间分布特征及其影响因素[J]. 环境科学, 2021, 42(6): 3010-3017.
ZHANG Yan-jiang, WANG Jun-peng, WANG Yu, ZHANG Xing-chang, ZHEN Qing, LI Peng-fei. Spatial Patterns of Nitrogen and Phosphorus in Soil and Their Influencing Factors in a Typical Agro-pastoral Ecotone[J]. Environmental Science, 2021, 42(6): 3010-3017.
农牧交错带典型区土壤氮磷空间分布特征及其影响因素
张燕江1,2, 王俊鹏1, 王瑜1, 张兴昌1,2, 甄庆1,2, 李鹏飞3     
1. 西北农林科技大学资源环境学院, 杨凌 712100;
2. 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 杨凌 712100;
3. 水利部黄河水利委员会黄河上中游管理局, 西安 710021
收稿日期: 2020-08-31; 修订日期: 2020-11-29
基金项目: 国家重点研发计划项目（2017YFC0504504）；中国科学院西部之光项目（XAB2019B12）
作者简介: 张燕江(1987~), 男, 博士, 主要研究方向为土壤养分变化过程, E-mail: zhyjjdw@126.com
通信作者: 张兴昌, E-mail: zhangxc@ms.iswc.ac.cn
摘要: 土壤氮磷在土壤物理、化学和生物过程中扮演着重要角色，明确土壤氮磷含量和空间分布对土壤资源管理和利用具有重要意义.利用经典统计学和地统计学方法对准格尔旗土壤全氮和全磷空间分布特征及影响因子进行研究.结果表明，研究区土壤肥力水平较低，0~100 cm深度土壤全氮和全磷含量加权平均值分别为0.29 g·kg-1和0.26 g·kg-1.土壤全氮和全磷的块金效应值分别集中在0.15~0.43和0.34~0.53之间，表明土壤全氮（0~10 cm和80~100 cm除外）和全磷呈中等空间依赖性，空间变异由结构性和随机性因子共同主导.土壤全氮和全磷空间分布特征与土层和元素有关，即使在同一深度，土壤氮磷的空间分布特征亦不相吻合.土壤全氮主要受有机碳的影响，而土壤全磷主要受纬度、海拔、土地利用类型和土壤质地的影响.
关键词: 土壤质地      土地利用类型      土壤氮磷      空间分布      农牧交错带     
Spatial Patterns of Nitrogen and Phosphorus in Soil and Their Influencing Factors in a Typical Agro-pastoral Ecotone
ZHANG Yan-jiang1,2 , WANG Jun-peng1 , WANG Yu1 , ZHANG Xing-chang1,2 , ZHEN Qing1,2 , LI Peng-fei3     
1. College of Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China;
2. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China;
3. Upper and Middle Yellow River Bureau, Yellow River Conservancy Commission of the Ministry of Water Resources, Xi'an 710021, China
Abstract: Soil nitrogen and phosphorus influence physical, chemical, and biological processes in soil, therefore, clarifying their contents and spatial patterns is of great significance for soil resource management and utilization. The spatial patterns of soil total nitrogen (TN) and phosphorus (TP) and the influencing factors in Jungar Banner were studied using classical statistical and geostatistical methods. The results showed that soil TN and TP contents decreased with soil depth, and the weighted mean values of TN and TP were 0.29 g·kg-1 and 0.26 g·kg-1, respectively. The nugget effect values of soil TN and TP were concentrated in the ranges 0.15-0.43 and 0.34-0.53, respectively, indicating that soil TN (except in the 0-10 cm and 80-100 cm zones) and TP were moderately spatially dependent, dominated by structural and random factors. The spatial distributions of soil nutrients were related to soil layers and elements, even in same layer, while the distributions of TN and TP were not consistent. Soil total nitrogen was mainly affected by soil organic carbon, while TP was mainly affected by latitude, altitude, vegetation, and soil texture.
Key words: soil textures      land use type      soil nitrogen and phosphorus      spatial distribution      agro-pastoral transitional zone     

土壤氮磷是土壤肥力和农业环境风险的重要指标, 其对植物生长、土壤理化性质和微生物活动等具有重要影响, 已成为陆地生态系统养分循环最重要的研究内容[1, 2].在长期自然和人为因子共同作用下, 土壤氮磷含量具有明显的空间异质性.一方面, 随着我国工业活动的迅速发展和农业肥料投入量的增加, 农田表层土壤中氮磷含量明显升高[3]; 另一方面, 放牧、森林砍伐和垦荒等活动引起的氮磷经淋滤、径流和侵蚀作用而损失, 导致土壤氮磷含量降低[4].针对土壤氮磷的丰缺特点, 可通过施肥或者改变土地利用方式提高土壤氮磷利用率和植物生产力, 减少氮磷流失.以往的研究较多地关注了退耕还林、土地利用类型之间土壤氮磷的差异[5, 6], 而对区域氮磷空间变异性的研究略显不足, 仅有的研究也主要集中在土壤表层[7], 这不利于区域内土地利用的总体规划和生态评价.为实现区域内土地利用和管理的优化, 充分发挥土壤生产潜力, 亟需对土壤氮磷的空间分布格局及其影响因子开展研究.

农牧交错带是我国生态系统最为脆弱的区域之一, 在长期水蚀和风蚀共同作用下, 土地退化、荒漠化以及水土流失现象十分严重[8, 9].该区土层薄, 质地粗糙, 母质极易风化, 在长期外力作用下土壤性质具有极显著的空间变异性.为减少水土流失, 保护生态环境, 我国在此先后实施了包括“天保工程”, “三北防护林工程”等在内的一系列生态重建和保护工程[10, 11].土壤氮磷作为植物生长的必需元素, 其含量的高低和空间分布直接关系到区域土地利用管理措施和植被生产力的提高, 加强该区域土壤氮磷空间变异的研究对实现脆弱生态系统的保护和利用具有重要价值.

本文以农牧交错带典型区域土壤氮磷为研究对象, 利用经典统计学和地统计学方法, 对土壤全氮和全磷进行区域性调查, 以阐明区域土壤全氮和全磷的含量和空间变异特征; 确定土壤全氮和全磷与其他环境因子和植被之间的关系; 绘制该区各层土壤氮磷的空间分布情况, 以期为制定合理的区域土地利用和管理措施提供参考.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

本研究在内蒙古准格尔旗(39°20′~40°20′N, 110°13′~111°46′E)进行, 区域面积7 692 km2(图 1), 多年平均降雨量300 mm, 年均气温6.2~8.7℃, 年蒸发量可达2 093 mm, 属温带半干旱气候.根据土壤质地特征, 将研究区划分为3个区域: 南部黄土区, 海拔较高、落差大, 以黄绵土为主, 土壤质地较细; 中部砒砂岩区, 相对平缓、落差200 m左右, 以风沙土、黄绵土和石质初育土(砒砂岩风化物)为主, 黄绵土或风沙土上覆于砒砂岩, 平均土壤质地比风沙土细, 但比黄绵土粗; 西北风沙土区, 地势平缓, 多沙丘, 以风沙土为主, 质地较粗.

(a)砒砂岩区荒地, (b)灌木林, (c)杨树, (d)油松, (e)玉米, (f)撂荒草地 图 1 土壤氮磷空间分布采样点示意图和主要土地利用类型 Fig. 1 Schematic diagram of sampling sites for the spatial distribution of soil nitrogen and phosphorus and main land use types

1.2 样本采集和测定

考虑不同土壤质地、土地利用类型以及交通条件是否便利, 在研究区选择122个代表性采样点, 同时利用GPS记录采样点的经纬度和海拔.于2017年8~9月在每个采样点10 m直径范围内利用5点采样法分别采集0~10、10~20、20~40、40~60、60~80和80~100 cm这6个深度土壤样品, 同土层混合后以四分法取样得到测试样品.将样品带回室内自然风干后, 研磨、过筛(0.25mm)和储存并用于土壤氮磷含量的测定, 测定方法分别为凯氏定氮法和钼锑抗比色法.

1.3 环境及植被数据来源

采样点数字高程数据(DEM)和植被数据从地理空间数据云下载, 精度分别为30 m和500 m(http://www.gscloud.cn/).利用ArcMap软件将数据拼接融合后提取采样点坡度、坡向和植被归一化指数(NDVI).

1.4 数据处理和分析

利用SPSS(Version 22.0)软件对研究区土壤氮磷含量进行经典统计学分析, 计算均值、最大值、最小值、峰度和偏度等.土壤氮磷的空间结构性分析利用GS+(version 9.0, Gamma Design Software)软件完成, 空间分布采用反距离权重法(IDW)插值在ArcMap 10.2(ESRI Inc., USA)中完成.土壤氮磷与地形、植被等因子之间的关系采用冗余分析在Canoco 5.0中完成.

2 结果与分析 2.1 土壤氮磷含量描述性统计分析

如表 1所示, 研究区土壤氮磷平均值均随着土层深度的增加而减小.各层土壤氮含量平均值介于0.53~0.20 g·kg-1, 其中0~10 cm土层明显高于其它土层(P < 0.01), 其值分别为10~20、20~40、40~60、60~80和80~100 cm土层的1.35、1.76、2.04、2.52和2.65倍; 土壤磷含量平均值介于0.33~0.21 g·kg-1, 其中0~10、10~20、20~40和40~60 cm土层之间的差异不显著, 但明显高于60~80 cm和80~100 cm土层(P < 0.01).各层土壤氮和磷含量的变异系数介于39%~64%, 属中等变异, 主要受自然因子、成土过程和土地利用类型变化等因子的影响[12, 13].正态分布检验表明, 除60~80 cm和80~100 cm土层氮含量和0~10 cm和80~100 cm土层磷含量之外, 其余土层氮磷含量均符合正态分布.

表 1 农牧交错带典型区域土壤氮磷含量的经典统计学分析1)/g·kg-1 Table 1 Classical statistical analysis of soil total nitrogen and phosphorus contents in a typical area of agro-pastoral ecotone zone/g·kg-1

2.2 土壤氮磷含量地统计学分析

土壤养分在空间上具有连续性和自相关性, 基于地统计学中的半方差函数可以很好地揭示变量在空间尺度上的结构性、随机性和相关性[14].表 2列出了氮磷含量与半方差函数相匹配的最优模型和相关参数.其中, 土壤全氮在6个土层的最佳拟合模型均为球状模型, 决定系数介于37%~50%; 土壤全磷的最佳拟合模型与土层有关, 0~60 cm深度的4个土层为高斯模型, 而60~80 cm和80~100 cm深度分别符合球状和指数模型, 决定系数均大于54%.块金效应[C0/(C0+C)]是土壤性质空间分布结构性分析的重要参数, 其值≤25%时, 变量具有强空间依赖性, 空间变异主要由结构因子决定, 包括气候、土壤质地、地形等因子; 25%~75%时变量具有中等空间依赖性, 空间变异受结构性和随机性因子的共同作用, 在结构因子的基础上又包括土地利用管理、施肥和耕作等措施; ≥75%时变量空间自相关性较弱, 变异主要由随机因子决定[15, 16].本研究中, 土壤全氮和全磷的块金效应值分别在15%~43%和34%~53%之间, 表明各层氮(除0~10 cm和80~100 cm)和磷含量均属于中等空间依赖性, 主要由结构性因子和随机性因子共同主导(表 2).变程是土壤性质具有空间相关性的最大平均距离, 在小于变程的距离范围内, 任意两点间的土壤性质具有明显空间自相关性[16].由表 2可知, 除全氮0~10 cm深度的变程值(4.6 km)小于采样点平均距离(8 km)外, 其余各层氮磷含量的变程均远大于采样点平均距离(尤其是全磷).

表 2 农牧交错带典型区各层土壤氮磷含量半方差函数模型及参数 Table 2 Models and parameters of an experimental semi-variogram for soil total nitrogen and phosphorus at each soil depths in a typical area of agro-pastoral ecotone zone

2.3 土壤氮磷与环境因子的关系

冗余分析(RDA)结果显示了土壤氮磷含量与环境因子之间的关系.由图 2(a)可知, 土壤全氮与土壤有机碳(SOC)呈正相关关系, 对土壤全氮含量的影响最大, 且随着土层深度的增大, 两者的夹角变大, 表明有机碳的正效应逐渐降低, 土壤质地和地理位置等其它因子的作用变大.分析其原因可能是土壤有机碳和全氮的固定具有同步效应, 主要受枯落物、根系和分泌物的影响, 而在微生物作用下, 有机质的分解主要发生在表层[17, 18], 土壤深层根系密度低、有机质的淋溶作用减弱.土壤全磷与海拔(EL)和坡度(SL)呈正相关关系, 与砂粒(SA)和坡向(SP)呈负相关, 且土层深度越深, 海拔与坡向的影响越小[图 2(b)].

SOC表示土壤有机碳; TN表示全氮; TP表示全磷; LO表示经度; LA表示纬度; EL表示海拔; CL表示黏粒; SI表示粉粒; SA表示砂粒; SL表示坡度; SP表示坡向; NDVI表示归一化植被指数 图 2 农牧交错带典型区各层土壤氮磷含量与环境因子之间关系的冗余分析 Fig. 2 RDA of the relationship between environmental factors and total nitrogen and phosphorus in a typical area of agro-pastoral ecotone zone

2.4 土壤氮磷在土地利用类型和土壤质地间的变化

土地利用类型和土壤质地是影响土壤养分含量和垂直分布的重要因素[5, 19].如图 3所示, 不同土壤质地和土地利用类型下, 土壤氮磷含量均随着土层深度的增加而降低, 全氮的降低程度更加明显.土壤质地和土地利用类型对全氮的影响均不显著, 但对全磷的影响达到显著: 从不同土壤质地分区来看, 黄土区和砒砂岩区土壤全磷含量明显高于风沙土区(P < 0.01), 黄土区和砒砂岩区整个剖面全磷含量平均值分别是风沙土区的1.52倍和1.45倍; 在土地利用类型间, 草地和农地土壤全磷含量明显高于林地(P < 0.01), 草地和农地整个剖面全磷含量平均值分别是林地的1.47倍和1.33倍.

(a)和(b)全氮, (c)和(d)全磷; **表示土壤氮磷在不同分类之间差异达到显著, 显著性水平为P < 0.01 图 3 农牧交错带典型区不同土地利用类型和土壤质地间土壤全氮和全磷含量的变化 Fig. 3 Differences in soil total nitrogen and phosphorus among different soil textures and land use types in a typical area of agro-pastoral ecotone zone

2.5 土壤氮磷含量反距离权重插值结果

土壤性质受结构性和随机性因子的共同影响, 表现出复杂的空间变异性[5, 13].为直观反映土壤氮磷在该区域的空间分布特征, 采用反距离权重插值法绘制了研究区氮磷含量的空间分布模式(图 4和图 5).总体来看, 土壤氮磷含量的空间分布特征与养分类型和土层深度有关.全氮在0~10 cm和10~20 cm深度的空间分布相似, 自北向南呈下降趋势, 高值区位于十里长川等小流域, 大部分地区土壤全氮含量集中在0.32~0.57 g·kg-1和0.57~0.83 g·kg-1之间.此外, 全氮在20~40、40~60和60~80 cm深度的空间分布相似, 高值和低值呈斑块状分布, 大部分地区的土壤全氮含量集中在0.24~0.43、0.16~0.31和0.15~0.28 g·kg-1之间(图 4).

图 4 农牧交错带典型区不同土层土壤全氮含量的空间分布特征 Fig. 4 Spatial distribution patterns of soil total nitrogen at each soil depths in a typical area of agro-pastoral ecotone zone

图 5 农牧交错带典型区不同土层土壤全磷含量的空间分布特征 Fig. 5 Spatial distribution patterns of soil total phosphorus at each soil depths in a typical area of agro-pastoral ecotone zone

土壤全磷含量空间插值结果表明, 0~10、10~20、20~40和40~60 cm深度具有相似的空间分布特征.在位于毛乌素沙地以东、准格尔旗北部宽约30 km的区域, 各层土壤全磷含量均最低, 而在东南丘陵地带, 受长期耕作和施肥的影响, 土壤全磷含量较高.此外, 60~80 cm和80~100 cm土层类似, 全磷含量高值区变小, 大部分区域全磷含量分别集中在0.05~0.32 g·kg-1和0.04~0.31 g·kg-1之间(图 5).

3 讨论 3.1 农牧交错带典型区土壤氮磷含量和垂直分布特征

研究区位于农牧交错带, 0~100 cm深度各层土壤全氮和全磷含量的平均值分别为(0.29±0.14)g·kg-1和(0.26±0.09)g·kg-1, 与全国其它地方相比, 土壤氮磷含量均处于较低水平[8, 17].土壤全氮的变异系数普遍高于全磷, 可能与土壤氮磷元素参与的生物地球化学过程有关.土壤全氮主要来源于植物对大气氮的固定, 与植被类型、生物量和根系分布等密切相关, 变异性高; 而土壤全磷主要来源于土壤矿物质, 受土壤母质的影响, 在区域范围内变异性较低, Gao等[20]对四川仁寿县土壤氮磷钾空间变异性的研究中也得到类似的结果, 土壤全氮的变异系数高于土壤全磷和全钾.在不同土层深度, 土壤全氮含量随着土层深度的增加明显降低, 而全磷含量在0~60 cm深度各层之间的差异不大(表 1和图 3), 其可能原因是全氮主要源于动植物残体的分解和氮沉降, 在表层通常以硝、铵态氮的形式呈聚集状态, 下层硝态氮的淋溶和根系分解释放的氮素有限, 而全磷的分布主要取决于矿物质的风化和植物根系吸收后的重分配, 在较大的空间尺度上受土壤母质的影响较大, 而在土层之间具有较高的连续性[21].

3.2 农牧交错带典型区土壤氮磷空间变异特征及影响因素

土壤氮磷的半变异函数模型分析结果显示, 土壤氮磷块金效应值均低于55%, 表明土壤氮磷含量呈中等空间变异性, 空间变异性由结构性因子和随机因子共同主导, 是长期自然因子和人类活动共同作用的结果.在所有土层, 全氮的变程远小于全磷, 除0~10 cm土层的全氮以外, 土壤氮磷的变程均小于采样点的平均距离, 表明采样方案可用于揭示土壤氮磷空间分布特征, 而准确得到0~10 cm土层全氮空间分布, 则需要增加采样点密度.尽管土壤氮磷空间分布受气候、地形、土壤质地和人类活动等因子的共同作用, 但在不同区域氮磷空间分布特征和主要影响因子亦不同.张瑶瑶等[22]对甘南地区土壤氮磷空间分布的研究发现, 土壤氮磷含量空间分布特征相似, 均由西南向东北、西向东方向逐渐降低, 主要受海拔和放牧等因子的影响.Guo等[5]对黄土高原氮磷空间分布的研究发现, 受黄土高原气候、土壤质地和海拔等因素的影响, 黄土高原北部0~40 cm深度土壤氮磷含量显著低于南部.本研究中, 土壤氮磷主要受到土壤有机碳、海拔、经纬度和质地等其它因子的影响, 具有其特殊的空间分布特征, 即使同一元素, 在不同土层之间其空间分布模式亦不能完全吻合.同一土层, 土壤氮磷的不同分布模式与植被特征和土壤地球化学过程有关.一方面, 不同植被类型的固氮能力不同, 如苜蓿、紫穗槐和柠条等豆科植物引起土壤氮含量的增加明显高于非豆科植物[23, 24]; 另一方面, 研究区位于水蚀风蚀交错区, 土壤质地具有较高的空间变异性, 而质地越粗磷含量越低.具体来看, 不同土层之间, 土壤氮含量在0~20 cm深度的两土层中具有相似的空间分布特征, 由南向北逐渐降低, 高值区位于十里长川小流域.十里长川小流域的植被恢复可追溯到20世纪70年代, 现已形成稳定的生态系统, 具有较高的植被密度和生物量, 枯落物和根系的积累和分解可显著地提高土壤有机碳和全氮含量[25].土壤全磷含量在0~60 cm深度的各层间具有相似的空间分布特征, 低值区位于研究区北部毛乌素沙地以东, 高值区位于东南丘陵地带.总体表现为随着海拔升高而增大, 随着纬度增大而降低.海拔对土壤氮磷的影响较为复杂, 包含着不同的机制.王艳丽等[17]和唐立涛[26]对青海省森林土壤氮磷的研究发现, 海拔与土壤全氮正相关, 而与土壤全磷负相关, 并将土壤氮随海拔升高而增加解释为低温抑制了土壤有机氮的分解和释放, 而将土壤磷随着海拔升高而降低归因于植物在抵抗因海拔造成的低温胁迫时, 需要激发酶参与的植物生理生化反应, 这一过程需从土壤中吸收大量的磷.与此同时, 高氮含量会促进植物生长, 使植物从土壤中吸收更多的磷[27].本研究中, 海拔与土壤全氮无明显相关性, 而与全磷显著正相关(图 2), 分析原因可能与土壤质地特征有关, 研究区为典型农牧交错区, 在长期地质和水蚀风蚀作用下, 形成了自北向南(海拔由低到高)以风沙土、石质初育土和黄绵土为典型土壤类型的过渡区, 各区域土壤全磷为风沙土明显低于黄土区和砒砂岩区.此外, 土壤全磷含量在林地中最低, 这可能与植被地上生物量和管理有关, 人工林恢复可使土壤磷转移至植物组织, 农地收获尽管会带走全磷, 但施肥又可以弥补这种损失, 草地中植物与土壤间的磷循环基本保持平衡.

4 结论

(1) 农牧交错带典型区准格尔旗0~100 cm深度土壤氮磷含量处于较低水平, 平均值分别为(0.29±0.14)g·kg-1和(0.26±0.09)g·kg-1.

(2) 研究区土壤氮磷分布具有中等空间依赖性, 由结构性和随机性因子共同主导.土壤氮磷空间分布特征与土层和元素有关, 全氮在0~20 cm深度的各层分布较为相似, 高值区位于南部小流域, 全磷在0~60 cm深度的各层分布较为相似, 高值区位于东南部丘陵地带, 同一土层全氮和全磷的空间分布特征亦不同.

(3) 土壤全氮主要受有机碳的影响, 而土壤全磷主要受纬度、海拔、植被和土壤质地的影响.

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