黃婉婷,羅由林,李啟權,2,王昌全 *, 張馨文, 杜宣延,辛志遠,陳 林

(1. 四川農業(yè)大學資源學院，四川 成都 611130；2.四川農業(yè)大學資源與地理信息技術研究所，四川 成都 611130)

川中丘陵-盆周山地過渡帶土壤碳氮空間變異特征及其主控因素

黃婉婷1,羅由林1,李啟權1,2,王昌全1 *, 張馨文1, 杜宣延1,辛志遠1,陳 林1

(1. 四川農業(yè)大學資源學院，四川 成都 611130；2.四川農業(yè)大學資源與地理信息技術研究所，四川 成都 611130)

以宜賓縣為案例區(qū)，運用地統(tǒng)計學、方差分析、回歸分析等方法，探討了川中丘陵-盆周山區(qū)過渡帶有機碳(SOC)和全氮(TN)含量的空間分布特征及其主控因素。結果表明，研究區(qū)SOC、TN含量平均值分別為11.23、1.45 g·kg-1，均為中等強度的空間變異性。在空間上均表現(xiàn)為東南部高而中北部地區(qū)低的趨勢。土壤類型、土壤質地、灌溉水源、土壤侵蝕程度、種植制度均對SOC和TN的空間變異有極顯著影響(P<0.01)。其中耕作制度和土壤類型共同主導著該區(qū)SOC和TN的空間變異。

土壤有機碳；全氮；空間變異；主控因素；過渡帶

土壤中的有機碳(SOC)和全氮(TN)是陸地土壤碳庫和氮庫的重要組成部分，在一定程度上影響著大氣中溫室氣體的濃度和全球氣候變化[1-3]；同時也是植物生長的主要養(yǎng)分來源，影響著植物群落和生態(tài)系統(tǒng)構成[4]，成為近年來全球氣候變化背景下關注的焦點之一。其空間變化信息則是分析土壤質量、合理利用土壤資源以及研究以碳氮為基礎的溫室氣體收支平衡的基礎資料。受區(qū)域水熱條件、成土過程特點及人為活動的影響，一定區(qū)域內土壤碳氮的空間分布存在高度異質性[5-6]。因此，研究土壤碳氮空間分布特征及其影響因素，對于準確掌握土壤碳氮的空間分布信息和精準農業(yè)管理均有重要意義[7]。

目前，已有許多學者結合地統(tǒng)計學[8]、神經(jīng)網(wǎng)絡方法(RBF)[9]、網(wǎng)格分區(qū)法[10]等方法研究探討了不同環(huán)境背景下土壤SOC和TN的空間變異特征及其影響因素，如丘陵區(qū)、盆地區(qū)、平原區(qū)、河流區(qū)[8,10-12]。這些結果顯示，在不同的環(huán)境背景下，SOC和TN的空間分布特征及其影響因素明顯不同。在眾多影響因素中，成土母質、土壤類型、土壤質地、土壤侵蝕程度、地形地貌和耕作制度、農業(yè)管理措施等均對SOC和TN的空間分布有不同程度的影響[8-12]。已有研究在對這些影響SOC和TN的空間分布的因素進行探討時，大多以描述性比較或定性分析各因素對碳氮空間變異有無顯著影響為主，而量化不同因素對土壤SOC和TN的空間變異的影響程度將更有利于理解區(qū)域土壤碳氮空間分布格局的形成和更精確的指導區(qū)域碳氮調控和生態(tài)環(huán)境保護。

川中丘陵地處四川盆地西南部，盆周山地主要位于川中丘陵區(qū)東北和東南部。兩個地區(qū)已有碳、氮空間變異特征的研究主要集中于川中丘陵腹地，如仁壽縣、三臺縣等典型丘陵區(qū)[13-14]或攀西地區(qū)等盆周山地[15]，而針對兩個區(qū)域邊緣過渡地區(qū)的研究鮮有報道。因此，本研究以地處川中丘陵與盆周山地過渡地帶的宜賓縣為案例區(qū)，選取土壤類型、土壤質地、灌溉條件、侵蝕程度、種植制度五類定性影響因素，結合GIS技術平臺，采用地統(tǒng)計學、方差分析、回歸分析等方法揭示該農業(yè)生態(tài)區(qū)土壤SOC和TN的空間變異特征及主控因素，以期為區(qū)域丘陵-山地過渡帶SOC和TN的管理和生態(tài)環(huán)境保護提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于宜賓市西北部(圖1)，地處川中丘陵與盆周山地農業(yè)生態(tài)區(qū)過渡帶。地理位置為北緯28°18′ ～ 29°16′，東經(jīng)104°01′～104°43′，幅員面積2945.83 km2。全縣轄18個鎮(zhèn)，8個鄉(xiāng)，人口102萬。該區(qū)整體呈現(xiàn)南北長、東西窄，地勢東北低、西南高，海拔270～1418 m，地貌以丘陵為主，約占面積的73 %以上。宜賓縣屬于亞熱帶季風氣候，低丘、河谷地帶有南亞熱帶的氣候屬性。具有氣候溫和、熱量豐足、雨量充沛、光照適宜、無霜期長、冬暖春早、四季分明的特點。年平均氣溫為18.4 ℃，年降雨量1011.5 mm左右。年日照時數(shù)1069.9 h，無霜期平均350 d左右。土壤母質以紫紅色砂巖為主的侏羅系和白堊系地層為主。土壤類型主要有水稻土、黃壤、新積土、紫色土四類。灌溉水源主要有河流、集水窖坑、水庫、塘堰、大氣降水。土壤侵蝕程度差異較大。種植制度有一年一熟、一年兩熟、一年三熟。

1.2 數(shù)據(jù)來源與樣品采集

根據(jù)研究區(qū)的實際情況，采用GPS定位技術，在考慮取樣點的均勻性和代表性的基礎上，結合研究區(qū)土壤類型、土壤質地、排灌水條件、侵蝕程度和種植制度等資料，進行采樣點布設，于2008年11-12月在全縣采集表層(0～20 cm) 耕作土壤和自然土壤共100個(圖1)，每一采樣點周圍5m范圍內取4個點，混合后以四分法取樣。采樣同時記錄每個采樣點的地理坐標、海拔、土壤類型、土壤質地，排灌水條件、侵蝕程度、種植制度等地表環(huán)境信息。土壤樣品在室內自然風干后，研磨過100目篩，SOC含量采用重鉻酸鉀法進行測定；TN含量采用FossKjeltec8400全自動凱氏定氮儀進行測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

采用域值法[16]剔除1個異常樣點后，對SOC和TN含量數(shù)據(jù)進行相關內容的分析。SOC和TN含量的常規(guī)統(tǒng)計分析、相關分析、方差分析、回歸分析、均SPSS20軟件中完成；方差分析用于揭示不同因素對SOC和TN的影響是否存在顯著差異；回歸分析量化了各影響因素對SOC和TN的空間變異的影響程度，并以此確定研究區(qū)SOC和TN的空間分布的主控因素。另外，考慮到土壤質地、排灌水條件、侵蝕程度、種植制度為定性分類變量，研究中采用啞變量進行賦值[13,17]后再進行回歸分析。地統(tǒng)計學分析用于進行SOC和TN的空間結構分析，計算半方差函數(shù)和參數(shù)，按最佳模型擬合，在GS+7.0軟件上進行。最后根據(jù)參數(shù)值，以ArcGIS9.3軟件為平臺，用普通克里格法插值獲取研究區(qū)SOC和TN的空間分布圖。

圖1 宜賓縣高程及土壤采樣點分布Fig.1 Elevation and soil sampling point distribution in Yibin county

指標Index樣點數(shù)Samples最小值Min(g·kg-1)最大值Max(g·kg-1)平均值Mean(g·kg-1)標準差SD變異系數(shù)c．v．%偏度系數(shù)Skewness峰度系數(shù)Kurtosis分布類型DistributiontypeSOC991．9429．1711．236．070．540．6980．337正態(tài)TN990．522．421．450．410．280．421-0．002正態(tài)

2 結果與分析

2.1 一般統(tǒng)計

統(tǒng)計結果(表1)表明，研究區(qū)SOC、TN含量分別為1.94～29.17、0.52～2.42 g·kg-1。SOC含量平均值為11.23 g·kg-1，TN含量平均值為1.45 g·kg-1。從變異系數(shù)上看，SOC和TN的變異系數(shù)分別為54 %和28 %，均屬中等強度的變異性。與川中丘陵其他縣域尺度上的結果基本一致[13,18]。K-S 檢驗結果表明，研究區(qū)內SOC和TN含量均符合正態(tài)分布(TN:P=0.643;SOC:P=0.598)，滿足方差分析和回歸分析要求(圖2)。

2.2 空間結構

常規(guī)統(tǒng)計分析只能概括研究區(qū)SOC和TN含量變化的總體特征，為進一步表現(xiàn)其空間分布的隨機性、結構性、獨立性和相關性等，需采用地統(tǒng)計學方法對其空間結構和分布特征進行分析。半方差擬合結果的參數(shù)中，變程可以反映空間變量自相關范圍的大小；決定系數(shù)可以反映模型擬合效果；塊金效應則可以揭示土壤屬性的空間自相關程度。空間自相關程度會受到結構性因素和隨機性因素的影響，其中，結構性因素主要是指土壤在形成過程中的土壤類型、土壤質地；隨機性因素則是指諸如土地利用方式等能在一定程度上反映人為活動因素，如侵蝕程度、排灌水條件、種植制度。結構性因素使得土壤屬性具有空間自相關性，而隨機性因素則會減弱土壤屬性的空間自相關性，增大其異質性[18]。

半方差擬合結果(表2，圖3)表明：研究區(qū)SOC和TN均符合指數(shù)模型，決定系數(shù)R2分別為0.893、0.734，擬合程度較好。塊金值分別為0.210、0.045，說明存在由于采樣誤差、短距離的變異、隨機和固有變異引起的誤差[19]。其中受這種誤差影響比較小的是TN?；_值從塊金效應C0/(C0+C) 來看，研究區(qū)SOC、TN的塊金效應C0/(C0+C) 為0.525、0.563，屬于中等程度的空間變異，表明其空間變異受到結構性因素和隨機性因素的共同影響；從變程來看，SOC、TN的步長距離分別為7、5 km，空間自相關范圍較小。

2.3 空間分布特征

為進一步分析研究區(qū)SOC和TN的空間特征，根據(jù)半方差參數(shù)值，在ArcGIS 9.2軟件平臺使用普通克里格法內插，得到研究區(qū)的SOC和TN的空間分布圖(圖4)。研究區(qū)內SOC、TN分布情況相似，呈塊狀分布，高值主要分布在東北部、西部，南部地區(qū)，低值區(qū)主要分布在中部地區(qū)。土壤SOC含量在9.00～12.00 g·kg-1區(qū)域分布面積最廣，TN含量在1.25～1.50 g·kg-1區(qū)域分布面積最廣，與統(tǒng)計結果一致。

圖2 研究區(qū)SOC和TN頻率分布Fig.2 Histograms of SOC and TN content

表2 研究區(qū)SOC和TN含量半方差函數(shù)模型及其參數(shù)

圖3 研究區(qū)土壤SOC和TN含量半方差函數(shù)Fig.3 Isotropic semivariogram of SOC and TN in the study area

2.4 影響因素

2.4.1 土壤類型 不同土壤類型具有不同的礦物組成、成土過程及發(fā)育程度，使其土壤特性存在差異。研究區(qū)不同土壤類型間SOC和TN含量表現(xiàn)為：SOC和TN含量均以水稻土最高而紫色土最低(表3)。多重比較顯示，水稻土與紫色土、黃壤的SOC和TN含量均存在顯著差異，而紫色土與黃壤之間SOC和TN含量均無顯著性差異。在變異系數(shù)方面，不同土壤類型SOC變異系數(shù)總體高于全氮，其中紫色土SOC、黃壤TN變異系數(shù)最高，各土壤類型基本均呈中等程度的空間變異。

2.4.2 土壤質地 土壤質地能夠直接影響土壤的孔隙狀況，進而會對土壤的通氣透水性和保水保肥性產(chǎn)生影響。研究區(qū)不同質地的土壤中，砂土SOC、TN含量均顯著低于粘土和壤土(表4)，隨著土壤質地由砂土變粘土，土壤碳氮含量也易處于較高水平。主要是砂質土壤的顆粒間空隙大，不利于土壤水分和碳氮的保存。從砂土到粘土，SOC和TN含量呈現(xiàn)出先增后降的趨勢，在壤土、粉砂質壤土均處于較高水平，反映出壤土具有較好的碳氮涵養(yǎng)能力。從變異系數(shù)來看，不同土壤質地SOC和TN均屬于中等程度的變異。SOC的變異系數(shù)高于TN的變異系數(shù)。

圖4 研究區(qū)SOC和TN含量空間分布Fig.4 Spatial distribution of SOC and TN in the study area

土壤類型Soiltype樣點數(shù)SamplesSOCTN均值(g·kg-1)Mean標準差SD變異系數(shù)c．v．均值Mean(g·kg-1)標準差SD變異系數(shù)c．v．水稻土5614．81a5．180．351．67a0．360．22紫色土396．43b3．440．541．15b0．260．23黃壤48．06b2．730．341．30b0．470．36

注：同行不同小寫字母表示不同土壤類型差異顯著(P<0.05)，同行相同小寫字母表示不同土壤類型差異不顯著。下同。

2.4.3 灌溉水源 不同的灌溉水源SOC和TN含量呈現(xiàn)出不同特征(表5)。河流、集水窖坑、水庫、塘堰這些有灌溉水源保障的土壤，其SOC含量均顯著高于沒有灌溉水源保障的大氣降水，而TN則表現(xiàn)為集水窖坑、水庫、塘堰這3種灌溉水源其TN含量顯著高于河流、大氣降水，以河流作為灌溉的土壤其TN含量與大氣降水下的土壤TN含量無顯著性差異。這主要是集水窖坑、水庫、塘堰截留的水源多是帶有土壤養(yǎng)分的地表徑流；而河流主要源自高山積雪融水及部分地表徑流水；大氣降水相對純凈且有較大季節(jié)性，不利于保持穩(wěn)定的土壤水分及團聚體機構，進而導致其土壤碳氮含量相對較低。變異系數(shù)方面，SOC和TN均為中等程度的變異，且SOC變異系數(shù)高于TN變異系數(shù)。

2.4.4 侵蝕程度 土壤侵蝕程度也影響著土壤碳氮含量(表6)：隨著侵蝕程度的加深，SOC和TN含量均呈現(xiàn)出下降趨勢。其中，一級(無明顯侵蝕)、二級(輕度侵蝕)，SOC和TN含量均顯著高于四級(重度侵蝕)、五級(劇烈侵蝕)。SOC含量在不同侵蝕程度的土壤上差異劇烈，一級(無明顯侵蝕)下SOC最高為15.17 g·kg-1，三級(中度侵蝕)為7.46 g·kg-1，五級(劇烈侵蝕)下SOC含量最低，為3.76 g·kg-1，含量差異達到2～5倍；TN含量在不同侵蝕程度土壤上差異相對較小。變異系數(shù)方面，土壤有機碳SOC的變異程度遠高于TN的變異系數(shù)。同時，隨著土壤侵蝕程度的加深，SOC和TN的變異系數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢。

表4 研究區(qū)土壤質地SOC和TN含量統(tǒng)計特征

表5 研究區(qū)不同排灌條件SOC和TN含量統(tǒng)計特征

表6 研究區(qū)不同侵蝕程度下SOC和TN含量統(tǒng)計特征

2.4.5 種植制度 種植制度直接反應了人為活動對SOC和TN的影響。不同種植制度SOC和TN呈現(xiàn)出不同的含量特征(表7)。在一年之中，輪作越多，SOC和TN含量明顯下降。一年一熟的種植制度下，SOC和TN含量最多，分別為15.00和1.68 g·kg-1，顯著高于一年兩熟(7.40、1.22 g·kg-1)和一年三熟(5.76、1.12 g·kg-1)的種植制度。一年兩熟和一年三熟2種種植制度下，SOC和TN均未表現(xiàn)出明顯差異。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，一年一熟的種植區(qū)域里一般溫度較一年兩熟、一年三熟地區(qū)低，SOC和TN分解較慢，土壤中存儲的SOC和TN較多。并且，一年一熟的種植制度通常是一季水稻，SOC和TN在嫌氣狀態(tài)下易積累。一年兩熟、一年三熟一般為旱地種植，土壤透氣性良好，耕層SOC和TN分解流失較快。從變異系數(shù)看，3種種植制度下SOC和TN的變異系數(shù)分別在34 %～51 %和21 %～24 %，均屬于中等強度變異。

2.5 主控因素解析

為了探明不同因素對區(qū)域SOC和TN空間變異的影響程度，分別以土壤類型、土壤質地、灌溉水源、排水條件、侵蝕程度、種植制度為自變量進行回歸分析(表9)。結果表明，所有自變量均達到顯著水平(P<0.01)，說明研究中所選因素對研究區(qū)SOC、TN含量均有顯著影響。

各影響因素對土壤碳氮空間變異的影響程度呈現(xiàn)出不同的特征，土壤類型能分別獨立解釋研究區(qū)50.1 %和35.9 %的SOC空間變異和TN空間變異；土壤質地因子對SOC和TN的影響作用分別為30.4 %和17.6 %；灌溉水源對SOC和TN空間變異的影響作用分別為26.5 %、18.6 %；排水條件的影響作用分別為26.7 %、15.4 %；侵蝕等級的影響作用高于排灌水條件，分別為39.7 %和21.5 %。種植制度的影響作用分別為56.0 %和39.9 %。其中土壤類型和種植制度SOC、TN空間變異的影響作用分別為50.1 %、56.0 %和37.6 %、39.9 %，遠高于其它影響因素，共同主導著研究區(qū)SOC、TN空間變異。

3 討 論

在川中丘陵-盆周山地過渡帶，土壤質地、灌溉水源、侵蝕等級均對該區(qū)SOC、TN空間分布有極顯著影響，主要是土壤質地越黏重，土壤保肥性能越好；同時灌溉水源充足利于保持土壤水分，進而影響土壤碳氮含量；而土壤侵蝕過程也是SOC和TN流失的重要因素[20]，土壤受侵蝕程度越重，其碳氮更易于隨養(yǎng)分流失而處于較低水平。

土壤類型、種植制度共同主導著SOC和TN的空間分布。這主要是該區(qū)土壤類型主要為以水稻土、紫色土為主，兼有部分新積土和黃壤；不同土壤類型自身特性差異較大，水稻土作為人為土，經(jīng)過長期耕作熟化和培肥[21]，土壤肥力不斷提高，具有較好的土壤肥力水平。紫色土作為初育土，變化劇烈，土層薄而自生碳氮含量缺乏且易于流失[22]。這與研究區(qū)土壤SOC和TN統(tǒng)計特征和空間分布特征基本一致，也與土壤類型能反應土壤養(yǎng)分的空間分布格局的結論一致[23]。而不同的種植制度反映了不同的土地利用方式，其主要通過影響土壤養(yǎng)分輸入和釋放來影響土壤碳氮含量。在宜賓縣，一年一熟的種植制度，通常種植水稻，土地利用方式為水田，長期的滯水條件使土壤SOC和TN分解緩慢，易于積累。一年兩熟和一年三熟通常為油菜、紅薯、小麥之間的旱地輪作，旱地SOC和TN利用率較低，這是由于旱作方式下土壤處于好氣環(huán)境，SOC和TN礦化速度較快；而且由于地表作物大多被人為收獲，歸還量小[13]，導致SOC和TN積累量少且慢。同時，該區(qū)水田多為水稻土而旱地多為紫色土，且東、西、南部分布有較多塊狀的水稻土和紫色土。進而形成了該區(qū)SOC和TN主要受土壤類型和耕作制度共同影響并形成了這種空間分布格局。

表7 研究區(qū)不同種植制度下SOC和TN含量統(tǒng)計特征

表8 研究區(qū)不同因素對SOC和TN的回歸分析結果

川中丘陵-盆周山地過渡帶土壤SOC和TN均主要受結構性因素和隨機性因素共同影響，這與川中丘陵和盆周山地有所不同。有研究表明，盆周山地SOC空間分布主要受結構性因素和隨機性因素共同影響而TN主要受結構性因素影響[15]；川中丘陵SOC和TN則均傾向于受到隨機性因素影響[13,18]。同時，川中丘陵-盆周山地過渡帶土壤SOC、TN空間自相關距離(7.0、5.0 km)略低于川中丘陵區(qū)(8.0、9.5 km)而高于盆周山地(4.5、3.6 km)。這主要是因為盆周山地農業(yè)生態(tài)區(qū)以山地為主，土地利用程度相對較低，受人為耕作活動相對較??；而川中丘陵區(qū)是典型的丘陵農耕區(qū)，人口密集且土地墾殖率高，土壤受人為耕作活動影響強烈。而過渡帶則處于川中丘陵和盆周山區(qū)之間，土壤受人為耕作影響的程度略低于川中丘陵區(qū)而高于盆周山地，故而形成這種SOC和TN均受結構性因素(土壤類型)和隨機性因素(耕作制度)共同影響的特征。這也反映出過渡帶這一區(qū)域土壤碳氮空間變異的特殊性，今后可考慮采用空間換時間的方法實現(xiàn)土壤碳氮時空動態(tài)變化及高精度模擬預測研究。

4 結 論

研究區(qū)SOC和TN的含量范圍分別1.94～29.17、0.52～2.42 g·kg-1，平均含量分別為11.23、1.45 g·kg-1。變異系數(shù)為54 %和28 %，均屬中等程度的空間變異性。

土壤SOC、TN的空間自相關范圍分別為7.0、5.0 km，塊金效應分別為52.5 %、56.3 %，SOC、TN均主要受結構性因素和隨機性因素共同影響。空間分布上，SOC和TN顯示出東南部高，中北部低的趨勢，但兩者高、低值區(qū)的分布范圍有所差異且SOC空間分布斑塊較為破碎，因而，對整個區(qū)域內的SOC和TN的調控應有針對性地分區(qū)進行。

土壤類型、土壤質地、灌溉水源、侵蝕等級、種植制度對SOC和TN的含量均由極顯著影響(P<0.01)。各因素對SOC、TN影響程度不同，其中土壤類型和種植制度對SOC的影響達到50.1 %和56.0 %，對TN的影響作用分別達到37.6 %和39.9 %，遠高于其它影響因素，因而種植制度和土壤類型共同控制著該過渡地區(qū)SOC和TN的空間變異。

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(責任編輯 李 潔)

Spatial Variability of Soil Organic Carbon and Total Nitrogen and Its Controlling Factors at Ecotone of Hilly Area to Mountain Area in Sichuan Basin

HUANG Wan-ting1, LUO You-lin1, LI Qi-quan1,2, WANG Chang-quan1*, ZHANG Xin-wen1, DU Xuan-yan1, XIN Zhi-yuan1, CHEN Lin1

(1. College of Resources, Sichuan Agricultural University, Sichuan Chengdu 611130, China; 2. Institute of Resources and Geography Information Technology, Sichuan Agricultural University, Sichuan Chengdu 611130, China)

Based on the soil samples collected from Yibin county, Sichuan province, the Hilly - Mountainous Basin transitional space of soil organic carbon (SOC) and total nitrogen(TN) distribution characteristics and main controlling factor were analyzed by using the means of geostatistics, variance analysis, regression analysis. The results showed that: SOC and TN content mean respectively 11.23,1.45 g·kg-1, were moderate spatial variability. The content of SOC and TN in the southern and eastern area was much higher than that in the northern and central region. Analysis of variance showed that the effects of soil type, soil texture, irrigation water, the degree of soil erosion, cropping systems on SOC and TN were significant (P<0.01). Cropping systems and soil types together dominated the spatial variability of SOC and TN in the region.

Soil organic carbon; Total nitrogen; Spatial variability; Controlling factors; Transition zone

1001-4829(2016)09-2193-08

10.16213/j.cnki.scjas.2016.09.031

2015-08-26

中國煙草總公司四川省公司重點科技項目(SCYC201402006)；四川省煙草公司重點項目(201202004、201202005)

黃婉婷(1993-),女, 四川德陽人，研究方向為土地資源管理，E-mail: hwt18227553349@163.com，*為通訊作者：E-mail：wchangquan@126.com。

S151.39;S154.1

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