• ISSN 1008-505X
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南方典型丘陵区耕地土壤全氮、有机碳和碳氮比空间变异特征及其影响因素

熊杏 熊清华 郭熙 韩逸 朱青 陈蕾 余慧敏

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南方典型丘陵区耕地土壤全氮、有机碳和碳氮比空间变异特征及其影响因素

    作者简介: 熊杏E-mail:Xiongxing1106@163.com;
    通讯作者: 郭熙, E-mail:guoxi@jxau.edu.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2017YFD0301603)。

Spatial variation characteristics of total nitrogen, organic carbon and ratio of carbon to nitrogen of cultivated land in typical hilly areas in south China and its influencing factors

    Corresponding author: GUO Xi, E-mail:guoxi@jxau.edu.cn ;
  • 摘要:   【目的】  了解土壤全氮、有机碳和碳氮比空间变异及其影响因素是进行土壤碳氮调控的前提和基础。  【方法】  以江西省丰城市为案例区,通过实地采样获取2018年139个表层土壤数据,运用地统计学、普通克里格插值等方法对南方丘陵区县域尺度下耕地土壤全氮、有机碳和碳氮比的空间变异特征及其影响因素进行系统的分析。  【结果】  研究区土壤全氮 (TN) 含量介于0.74~3.80 g/kg、土壤有机碳 (SOC) 含量介于8.14~36.67 g/kg、土壤碳氮比 (C/N) 介于6.31 ~15.15,均值分别为2.24 g/kg、22.52 g/kg和10.15,变异系数分别为25.45%、26.24%、14.38%,均呈中等程度的空间变异。半方差分析结果显示,TN、SOC、C/N的块金效应分别为44.44%、56.97%、19.57%,这表明TN、SOC和C/N的空间分布受结构性因素和随机性因素共同影响。普通克里格插值结果显示,在空间分布上,研究区土壤TN和SOC具有相似性,总体表现出由中部向南北递减的趋势;土壤C/N空间分布与TN和SOC有所不同,总体呈现出西高东低的趋势。逐步回归分析结果显示,成土母质、土壤类型、土壤pH、氮肥施用量和土壤质地对土壤全氮,成土母质、土壤类型、土壤pH对土壤有机碳,土壤类型对土壤碳氮比影响极显著 (P<0.01)。  【结论】  成土母质对土壤TN和SOC的独立解释能力最高,分别为28.1%和23.2%;土壤类型对研究区土壤C/N的独立解释能力达到了13.2%。因此,成土母质是引起研究区土壤全氮、有机碳空间变异的主要因素,土壤类型则是引起研究区土壤碳氮比空间变异的主要因素。
  • 图 1  研究区成土母质图 (a)、土壤类型图 (b)、土地利用类型图 (c) 和样点分布图 (d)

    Figure 1.  Soil parent material (a), soil type (b), land use type (c) and sample distribution (d) in the study area

    图 2  研究区土壤全氮 (a)、有机碳 (b) 和碳氮比 (c) 半方差函数图

    Figure 2.  Semi-variance function of soil total nitrogen (a), organic carbon (b) and carbon to nitrogen ratio (c) in the study area

    图 3  研究区土壤全氮 (TM)、有机碳 (SOC)和碳氮比 (C/N)空间分布

    Figure 3.  Spatial distribution of soil total nitrogen (TN), organic carbon (SOC) and carbon to nitrogen ratios (C/N) in the study area

    表 1  土壤全氮、有机碳、碳氮比的描述性统计

    Table 1.  Descriptive statistics of soil total nitrogen,organic carbon and carbon to nitrogen ratio

    指标
    Index
    Df最小值
    Min
    最大值
    Max
    平均值
    Mean
    SDCV
    (%)
    偏度
    Skewness
    峰度
    Kurtosis
    K-S/sign分布类型
    Distribution type
    TN (g/kg)1360.74 3.80 2.240.5725.45–0.200.010.20正态分布Normal
    SOC (g/kg)1368.1436.6722.525.9126.24–0.13–0.23 0.20正态分布Normal
    C/N1366.3115.1510.151.4614.38 0.811.200.20对数正态Lognormal
    注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon.
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    表 2  土壤全氮、有机碳、碳氮比的半方差函数参数

    Table 2.  Semi-variance function parameters of soil total nitrogen, organic carbon and carbon to nitrogen ratio

    指标
    Index
    模型
    Model
    块金值
    Nugget value
    基台值
    Base stations values
    块金效应 (%)
    Nugget effect
    变程 (km)
    Variation
    拟合系数
    Fitting coefficient
    残差
    Residual
    TN 指数Exponential0.120.2744.4416.040.9840.0001
    SOC 线性Linear23.7841.7456.9729.930.9726.84
    C/N 球面Spherical0.00450.02319.572.550.6160.00005
    注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon.
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    表 3  普通克里格插值结果交叉验证

    Table 3.  Cross validation of ordinary Kriging interpolation results

    指标Index均方根误差RMSE平均误差ME
    TN0.12–0.02
    SOC1.36–0.19
    C/N0.12 0.03
    注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon.
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    表 4  土壤全氮、有机碳、碳氮比与相关因素的相关性统计

    Table 4.  Correlation statistics of soil total nitrogen, organic carbon, carbon to nitrogen ratio and related factors

    指标
    Index
    高程
    Elevation
    氮肥施用量
    N application rate
    土壤质地
    Soil texture
    土壤类型
    Soil type
    成土母质
    Parent material
    土地利用方式
    Land use pattern
    土壤pH
    Soil pH
    TN –0.1020.213*0.0120.215*0.1570.214*–0.482**
    SOC–0.1080.118–0.0180.0950.1110.256**–0.414**
    C/N 0.118–0.074–0.115–0.169*–0.059–0.194*–0.002
    注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon. *—P < 0.05;**—P < 0.01.
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    表 5  不同成土母质类型土壤全氮、有机碳含量及碳氮比描述统计

    Table 5.  Description and statistics of total N, organic carbon content and C/N in different parent material types of soil

    成土母质
    Parent material
    样点数
    Sample No.
    TNSOCC/N
    均值
    Mean
    (g/kg)
    SD
    (g/kg)
    CV
    (%)
    均值
    Mean
    (g/kg)
    SD
    (g/kg)
    CV
    (%)
    均值
    Mean
    SDCV
    (%)
    第四纪红色黏土
    Quaternary red clay
    65 2.19 b0.4420.0922.34 a5.0122.4310.24 a1.6015.62
    河湖沉积物
    Lake and river sediments
    24 1.99 b0.7437.1819.60 a7.5438.479.97 a1.5815.85
    红砂岩类风化物
    Red sandstone-like weathering
    82.04 b0.6833.3320.85 a6.5731.5110.52 a2.2621.48
    泥质岩类风化物
    Argillaceous rock weathering
    31 2.46 a0.4618.7024.70 a6.1224.7810.12 a2.1020.75
    石英岩类风化物 Quartzite weathering62.32 ab0.6025.8622.76 a6.1727.109.84 a1.4414.63
    酸性结晶岩类风化物
    Acid crystalline rock weathering
    32.18 b0.4822.0121.48 a0.964.4710.09 a1.7717.54
    注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon. 数据后不同小写字母表示不同土壤母质间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column mean significant difference among different soil parent materials (P < 0.05).
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    表 6  不同类型土壤全氮、有机碳含量及碳氮比描述统计

    Table 6.  Description and statistics of total nitrogen, organic carbon content and carbon to nitrogen ratio in different soil types

    土壤类型
    Soil type
    亚类
    Subclass
    土属
    Genus
    样点数
    Sample No.
    TNSOCC/N
    均值
    Mean
    (g/kg)
    SD
    (g/kg)
    CV
    (%)
    均值
    Mean
    (g/kg)
    SD
    (g/kg)
    CV
    (%)
    均值
    Mean
    SDCV
    (%)
    潮土
    Alluvial soil
    灰潮土
    Calcareous alluvial soil
    潮沙土
    Tidal sandy soil
    11.62 19.30 11.91
    红壤
    Red soil
    红壤
    Red soil
    红砂泥红壤
    RSMRS
    51.58 a0.4830.3717.98 a5.7632.0311.38 a1.5213.35
    黄泥红壤
    Yellow red earth
    11 2.10 a0.3818.0923.02 a5.5924.2810.87 a1.1910.94
    黄泥土
    Yellow soil
    32.38 a0.6627.7323.71 a8.5235.93 9.87 a0.85 8.61
    鳝泥红壤
    Eel red mud
    52.41 a0.3414.1124.75 a1.77 7.1510.46 a1.8217.40
    均值 Mean24 2.12 a0.4722.5822.37 a5.4124.8510.65 a1.3512.58
    水稻土
    Paddy soil
    潜育型水稻土
    Gley paddy soil
    潜育型黄沙泥田
    GYSMF
    52.17 a0.6931.8021.90 a6.9631.7810.15 a1.3313.10
    淹育型水稻土
    Submerged paddy soil
    淹育型黄泥田
    FYMF
    42.39 a0.4418.4120.58 a3.4416.72 8.64 a0.26 3.00
    潴育型水稻土
    Tufted paddy soil
    潴育型潮沙泥田
    TYTSMF
    27 2.08 a0.7335.1020.32 a7.5036.91 9.87 a1.7117.33
    潴育型黄泥田
    ZHYMF
    50 2.20 a0.4520.4522.21 a4.8721.9310.16 a1.6816.54
    潴育型黄沙泥田
    ZYTYSMF
    31.97 a0.7035.5318.19 a8.6947.77 9.04 a1.2013.27
    潴育型鳝泥田
    STEMD
    23 2.54 a0.4116.1425.49 a6.1824.2410.13 a2.2422.11
    均值Mean112 2.25 a0.5726.2421.45 a6.2729.89 9.67 a1.4 14.23
    注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon. RSMRS—红砂泥红壤 Red sand mud red soil;GYSMF—潜育型黄沙泥田 Gleyic yellow sand mud;TYTSMF—潴育型潮沙泥田 Tuyu-type tidal sand mud field;ZHYMF—潜育型黄沙泥田 Zhuyu type yellow mud field;FYMF—淹育型黄泥田 Flooded yellow mud field;ZYTYSMF—潴育型黄沙泥田 Zhuyu type yellow sand mud field;STEMD—潴育型鳝泥田 Sow type eel mud field. 数据后不同小写字母表示同类土壤不同属类间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column mean significant difference among different genus in the same soil type (P < 0.05).
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    表 7  不同pH土壤全氮、有机碳含量及碳氮比描述统计

    Table 7.  Description and statistics of total nitrogen, organic carbon content and carbon to nitrogen ratio in soil with different pH values

    pH样点数
    Sample No.
    TNSOCC/N
    均值 (g/kg)
    Mean
    SD
    (g/kg)
    CV
    (%)
    均值 (g/kg)
    Mean
    SD
    (g/kg)
    CV
    (%)
    均值
    Mean
    SDCV
    (%)
    < 4.532.66 a0.4416.5425.62 a8.7734.2310.77 a0.343.15
    4.5~5.5127 2.24 a0.5524.5522.58 a6.0526.7910.19 a1.7817.47
    5.5~6.591.86 a0.3820.4318.09 b3.8421.23 9.75 a0.9 9.23
    注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon. 同列数据后不同小写字母表示不同土壤 pH 间差异显著 (P < 0.05) Different small letters in a column mean significant difference among different soil pH values (P < 0.05).
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    表 8  不同氮肥施用量土壤全氮、有机碳含量及碳氮比描述统计

    Table 8.  Description and statistics of total nitrogen, organic carbon content and carbon to nitrogen ratio of soil under different nitrogen fertilizer application rates

    氮施用量
    N rate
    (kg/hm2)
    样点数
    Sample No.
    TNSOCC/N
    均值 (g/kg)
    Mean
    SD
    (g/kg)
    CV
    (%)
    均值 (g/kg)
    Mean
    SD
    (g/kg)
    CV
    (%)
    均值
    Mean
    SDCV
    (%)
    < 200131.83 a0.3921.3117.90 a4.5525.419.80 a1.8418.77
    200~300522.21 a0.5424.4323.34 a6.1326.2610.61 b1.8617.53
    300~400452.25 a0.5023.2521. 09 a6.5431.009.86 c1.6416.63
    400~500212.49 a0.3815.2624.56 a3.7215.149.83 c1.5115.20
    > 500 62.50 b0.4016.1924.04 b3.9516.439.78 d1.0911.14
    注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon. 同列数据后不同小写字母表示不同施氮量间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column mean significant difference among different N application rates (P < 0.05).
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    表 9  不同质地土壤全氮、有机碳含量及碳氮比描述统计

    Table 9.  Description and statistics of total nitrogen, organic carbon content and carbon to nitrogen ratio in different soil textures

    质地
    Texture
    样点数
    Sample No.
    TNSOCC/N
    均值
    Mean
    (g/kg)
    SD
    (g/kg)
    CV
    (%)
    均值
    Mean
    (g/kg)
    SD
    (g/kg)
    CV
    (%)
    均值
    Mean
    SDCV
    (%)
    粉砂质黏壤土Silty clay loam512.19 a0.4520.5422.16 a4.8321.7910.19 a1.6716.38
    壤黏土Soil clay 32.38 a0.6527.3123.71 a8.5235.93 9.87 a0.85 8.61
    壤质黏土Loamy clay192.19 a0.3716.8923.05 a4.7720.6910.54 a1.4313.57
    砂质黏壤土Sandy clay loam42.53 a0.3513.8324.37 a5.1321.05 9.79 a2.7327.89
    黏壤土Clay loam612.21 a0.6529.4122.02 a7.2332.8310.05 a1.8418.30
    注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon. 同列数据后不同小写字母表示不同土壤质地间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters mean significant difference among the soil textures (P < 0.05).
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    表 10  不同影响因素对土壤全氮、有机碳、碳氮比的回归分析

    Table 10.  Regression analysis of soil total nitrogen, organic carbon and carbon to nitrogen ratio by different influencing factors

    项目
    Item
    TNSOCC/N
    FR2A-R2PFR2A-R2PFR2A-R2P
    母质SPM54.2320.2870.281< 0.0155.930.2420.232< 0.01////
    土壤类型 Soil type182.77 0.1960.176< 0.0181.390.1520.136< 0.0131.110.1510.132< 0.01
    pH42.5150.1020.098< 0.0124.580.0620.058< 0.01////
    N15.56 0.0310.026< 0.01////////
    质地Texture18.6840.0130.010< 0.01////////
    注(Note):SPM—成土母质 Soil parent material;N—氮肥施用量 Nitrogen application rate; TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon;A-R2—调整后决定系数 Adjusted R2;"/"—无显著影响 No significant effect.
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    表 11  土壤全氮、有机碳、碳氮比之间的相关系数

    Table 11.  Correlation coefficients among soil total N, organic carbon and C/N

    指标IndexTNSOCC/N
    TN 1.000
    SOC 0.798**1.000
    C/N –0.183* 0.374**1.000
    注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon. *—P < 0.05;**—P < 0.01.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-13
  • 网络出版日期:  2020-10-19
  • 刊出日期:  2020-09-25

南方典型丘陵区耕地土壤全氮、有机碳和碳氮比空间变异特征及其影响因素

    作者简介:熊杏E-mail:Xiongxing1106@163.com
    通讯作者: 郭熙, guoxi@jxau.edu.cn
  • 1. 江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室,江西南昌 330045
  • 2. 江西农业大学国土资源与环境学院,江西南昌 330045
  • 3. 江西省丰城市农业技术推广中心,江西丰城 331100
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2017YFD0301603)。
  • 摘要:   【目的】  了解土壤全氮、有机碳和碳氮比空间变异及其影响因素是进行土壤碳氮调控的前提和基础。  【方法】  以江西省丰城市为案例区,通过实地采样获取2018年139个表层土壤数据,运用地统计学、普通克里格插值等方法对南方丘陵区县域尺度下耕地土壤全氮、有机碳和碳氮比的空间变异特征及其影响因素进行系统的分析。  【结果】  研究区土壤全氮 (TN) 含量介于0.74~3.80 g/kg、土壤有机碳 (SOC) 含量介于8.14~36.67 g/kg、土壤碳氮比 (C/N) 介于6.31 ~15.15,均值分别为2.24 g/kg、22.52 g/kg和10.15,变异系数分别为25.45%、26.24%、14.38%,均呈中等程度的空间变异。半方差分析结果显示,TN、SOC、C/N的块金效应分别为44.44%、56.97%、19.57%,这表明TN、SOC和C/N的空间分布受结构性因素和随机性因素共同影响。普通克里格插值结果显示,在空间分布上,研究区土壤TN和SOC具有相似性,总体表现出由中部向南北递减的趋势;土壤C/N空间分布与TN和SOC有所不同,总体呈现出西高东低的趋势。逐步回归分析结果显示,成土母质、土壤类型、土壤pH、氮肥施用量和土壤质地对土壤全氮,成土母质、土壤类型、土壤pH对土壤有机碳,土壤类型对土壤碳氮比影响极显著 (P<0.01)。  【结论】  成土母质对土壤TN和SOC的独立解释能力最高,分别为28.1%和23.2%;土壤类型对研究区土壤C/N的独立解释能力达到了13.2%。因此,成土母质是引起研究区土壤全氮、有机碳空间变异的主要因素,土壤类型则是引起研究区土壤碳氮比空间变异的主要因素。

    English Abstract

    • 土壤全氮 (soil total nitrogen,TN) 和有机碳 (soil organic carbon,SOC) 是植物生长发育的关键性因素,同时也是陆地上土壤碳库和氮库的重要组成部分,其转化和迁移在一定程度上将对全球碳氮循环和气候变化产生直接影响[1-3]。土壤氮素是构成一切生命体的重要元素之一,是植物吸收氮的主要来源;土壤有机碳对缓解全球气候变暖、提高土壤肥力、保障粮食安全等方面有着重要作用[4-5];土壤碳氮比 (carbon-nitrogen ratio,C/N) 既是评价土壤质量的重要因素,也是衡量土壤碳、氮营养平衡状况的重要指标[6]。因此,土壤碳氮的空间变异及其影响因素分析已经成为农业资源可持续发展和全球气候变化背景下国内外学者关注的焦点之一。近年来,各学者对不同区域、不同尺度下土壤碳氮的空间变异及驱动因素进行了广泛地研究,也取得了一些研究成果。Jiang等[7]分析了1982和2012年江西省余干县土壤氮素时空分布情况,研究结果表明人类活动是导致研究区氮素时空变化的主要因素;Guo等[8]研究鄱阳湖平原农田中土壤碳、氮、磷的空间异质性,发现土壤碳氮比和氮磷比变化主要受氮肥施用量的影响。Brovelli等[9]对河岸土壤碳氮的动态变化展开分析时,发现土壤碳氮含量随着气候条件的变化以及地表植被输入吸收的不同而在时间尺度上发生变化。目前,关于土壤碳氮空间变异特征的研究多集中于海洋、湿地、草地和林地等生态系统中[10-12],对南方丘陵区耕地土壤碳氮空间变异以及影响因素的研究相对较少[6]。同时,对土壤TN、SOC和C/N空间变异影响因素的研究多集中于单因素的定性描述以及各类之间土壤碳氮含量差异的比较[13-14],而综合分析土壤全氮、有机碳和碳氮比三者之间的差异及相关性的研究较为缺乏,并且在前人的研究中较少考虑pH、土壤质地、成土母质等因素对土壤碳氮空间变异的影响。因此,对定性因素的定量化研究,以及综合分析土壤全氮、有机碳和碳氮比三者之间的相互关系,对优化利用区域资源、掌握土壤养分变异信息、准确估算土壤碳氮库以及生态地球化学循环等方面具有重要的指导作用。

      丰城市位于江西省中部,低山、丘陵面积约占全市总面积的76%,是典型的南方丘陵区。耕地总面积约10.87万hm2,为人口密集型农业区。水稻是该区域主要的粮食作物,种植面积约为9.4万hm2,占区域耕地总面积的86.5%;花生、大豆等经济作物种植面积占总面积的12.36%。耕地质量与粮食产量密切相关,土壤TN、SOC和C/N含量是影响耕地质量的重要因素[15]。本研究基于2018年野外实地采集的139个样点数据,结合成土母质、土壤类型、土壤pH、氮肥施用量和土壤质地等因素,运用地统计分析和普通克里格插值等方法,对江西省丰城市耕地表层土壤TN、SOC和C/N的空间变异特征及影响因素进行分析,以期为研究区土壤养分管理、碳氮调控、土壤可持续利用等方面提供科学依据。

      • 丰城市位于江西省中部,地处赣江中下游,鄱阳湖盆地南端,地理坐标115°25′~116°27′E、27°42′~28°27′N,总面积2845 km2,全市人口148万,现辖20个建制镇,7个乡。丰城市属于亚热带湿润季风气候,年平均降水量约1552.1 mm,全年平均气温为15.3℃~17.7℃,无霜期约274天。丰城市是典型的南方丘陵区,总体呈南高北低的趋势,由西南向东北倾斜;南部低山区约占总面积的17%,中部平原区约占总面积的24%,西北和东南多为丘陵地区,约占总面积的59%。成土母质 (图1a) 主要为泥质岩类风化物 (36.4%)、第四纪红色黏土 (29.5%)、河湖沉积物 (15.4%)、红砂岩类风化物 (6%)、石英岩类风化物 (5.5%) 等。土壤类型 (图1b) 主要有红壤 (52.2%)、水稻土 (43.4%)、河湖沉积物 (2%) 和潮土 (1.6%)。研究区土地利用方式 (图1 c) 主要有林地 (41.9%)、水田 (33.1%)、旱地 (4.7%)、水浇地 (0.4%),其中水田、旱地和水浇地平均氮肥施用量分别为N327、310.5、280.5 kg/hm2。土壤pH处于4.4~5.9,普遍呈酸性。土壤质地主要为黏壤土 (44.52%)、粉砂质黏壤土 (37.22%)、壤质黏土 (13.86%)、砂质黏壤土 (2.91%) 和壤黏土 (1.45%) 等。

        图  1  研究区成土母质图 (a)、土壤类型图 (b)、土地利用类型图 (c) 和样点分布图 (d)

        Figure 1.  Soil parent material (a), soil type (b), land use type (c) and sample distribution (d) in the study area

      • 于2017年12月至2018年2月在农作物收获后进行土壤样本采集,采样时根据区域实际情况,选择具有代表性的连片耕地,综合考虑成土母质、土壤类型、土地利用方式等因素,设置具有代表性的样点。采用多点混合的方法采集耕层0―20 cm土壤样本139个 (图1d),每个样点采集4份土样,田块近似长方形时,采用“S”法选择分样点,田块为正方形时,采用“X”法确定分样点,将所有采集土样碾碎,剔除根茎、石块等杂物,充分混合后采用四分法留取1000 g土样以备分析。同时,记录每个样点的地理坐标和海拔等相关地表环境信息。土壤样本采集后,经室内自然风干、研磨过筛等前期处理后,采用半微量凯氏定氮法测定TN含量[16],SOC采用重铬酸钾法测定[17],pH采用玻璃电极法测定[18]

      • 为了确保数据的准确性,采用拉依达准则法[19]剔除了2个异常样点,后续利用剩余的137个样点展开本研究相关内容的分析。丰城市成土母质和土壤类型来自第二次全国土壤普查数据,氮肥施用量数据源自采样点现场调查。数字高程模型 (digital elevation model,DEM) 数据来源于地理空间数据云 (http://www.gscloud.cn/),高程 (H) 依据研究区30 m分辨率的DEM数据在ArcGIS10.2软件中提取,具体计算公式见文献[20]。由于土地利用方式、成土母质、土壤质地、土壤类型等均为定性变量,在研究中采用虚拟变量对其进行赋值[21]。描述性统计、Pearson相关性分析、回归分析等常规统计性分析均在SPSS 22.0软件中完成;半方差分析及最优模型拟合在GS+7.0中处理得出;在ArcGIS10.2中运用普通克里格插值方法得出研究区土壤TN、SOC和C/N的空间分布特征。

      • 描述性统计结果 (表 1) 表明,丰城市土壤全氮 (TN) 含量为0.74~3.80 g/kg,土壤有机碳 (SOC) 含量为8.14~36.67 g/kg、土壤碳氮比 (C/N) 为6.31~15.15,平均值分别为2.24 g/kg、22.52 g/kg和10.15。其中,TN较全国平均水平 (1.54 g/kg)[22]高0.7 g/kg,SOC较全国平均水平 (17.53 g/kg)[22]高4.99 g/kg,C/N较全国平均水平 (11.38) 低1.23[23]。根据全国第二次土壤普查土壤养分分级标准,研究区土壤TN含量处于一级水平,研究区土壤有机碳含量处于二级水平,土壤TN、SOC和C/N的变异系数分别为25.45%、26.24%和14.38%,均属中等程度的空间变异性,其中,C/N的变异系数要略低于SOC和TN。K-S检验表明TN和SOC均服从正态分布 (P > 0.05),C/N经过对数转换后服从正态分布,可进行地统计学分析。

        表 1  土壤全氮、有机碳、碳氮比的描述性统计

        Table 1.  Descriptive statistics of soil total nitrogen,organic carbon and carbon to nitrogen ratio

        指标
        Index
        Df最小值
        Min
        最大值
        Max
        平均值
        Mean
        SDCV
        (%)
        偏度
        Skewness
        峰度
        Kurtosis
        K-S/sign分布类型
        Distribution type
        TN (g/kg)1360.74 3.80 2.240.5725.45–0.200.010.20正态分布Normal
        SOC (g/kg)1368.1436.6722.525.9126.24–0.13–0.23 0.20正态分布Normal
        C/N1366.3115.1510.151.4614.38 0.811.200.20对数正态Lognormal
        注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon.
      • 为了更好地描述TN、SOC和C/N的空间变异性,运用GS+软件对其进行半方差函数的拟合,依据拟合模型的拟合系数和残差来确定最优模型。半方差拟合结果 (表2图2) 表明,研究区土壤TN的最优模型为指数模型,SOC的最优模型均为线性模型,土壤C/N的最优模型为球面模型,土壤C/N的拟合系数为0.6,TN、SOC的拟合系数均在0.9以上,说明模型拟合度较好。土壤TN、SOC的块金效应为25%~75%,均呈中等程度的空间自相关性,土壤C/N的块金效应为19.57%,呈较强程度的空间自相关性。同时也表明土壤TN、SOC、C/N的空间变异性是由随机性因素和结构性因素共同引起的。土壤TN、SOC和C/N的变程分别为16.04、29.93、2.55 km,表明TN和SOC空间自相关范围较大而C/N空间自相关范围较小。

        表 2  土壤全氮、有机碳、碳氮比的半方差函数参数

        Table 2.  Semi-variance function parameters of soil total nitrogen, organic carbon and carbon to nitrogen ratio

        指标
        Index
        模型
        Model
        块金值
        Nugget value
        基台值
        Base stations values
        块金效应 (%)
        Nugget effect
        变程 (km)
        Variation
        拟合系数
        Fitting coefficient
        残差
        Residual
        TN 指数Exponential0.120.2744.4416.040.9840.0001
        SOC 线性Linear23.7841.7456.9729.930.9726.84
        C/N 球面Spherical0.00450.02319.572.550.6160.00005
        注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon.

        图  2  研究区土壤全氮 (a)、有机碳 (b) 和碳氮比 (c) 半方差函数图

        Figure 2.  Semi-variance function of soil total nitrogen (a), organic carbon (b) and carbon to nitrogen ratio (c) in the study area

      • 为直观地反映土壤TN、SOC和C/N的空间分布特征,选取最优的半方差函数模型及其参数,在ArcGIS10.2软件中对研究区土壤TN、SOC和C/N进行普通克里格插值。普通克里格插值交叉验证结果 (表3) 显示,三者均方根误差分别为0.12、1.36和0.12,平均误差为–0.02、–0.19和0.03;表明预测的精度较高,插值的结果较为可靠。输出的研究区土壤TN、SOC和C/N的空间分布图如图3所示;从图3可以看出,丰城市土壤TN和SOC在空间分布上有一定的相似性,高低值分布较为类似,这表明SOC和TN具有较强的相关性,这与其他学者的研究结果较为一致[24]。研究区土壤TN和SOC在空间分布上表现出由中部向南北递减的趋势,且高值区均呈块状分布于西北、中部及南部地区,主要为水稻土和红壤;低值区分布于东北部,主要为潮土、新积土和河湖沉积物等。研究区土壤TN在2.10~2.22 g/kg含量之间的面积分布最广,SOC在 21.67~23.37 g/kg含量之间的面积分布最广。土壤C/N分布与TN、SOC有所不同,高值区分布于西北和南部地区,多为红壤和黄壤,大部分区域土壤C/N为9.59~10.17。不同土壤类型之间土壤碳氮含量差异较大,这可能是由于水稻土是经过长期人为耕作、施肥、灌溉而形成的土壤,肥料施用量大,显著提高了土壤TN、SOC养分含量[25]。同时,研究区西北和南部多为林地,大量森林、灌丛等植物凋落物的输入会增加土壤有机质含量[26];而研究区东北部成土母质大多为河湖沉积物,土质疏松多孔、通气透水,土壤养分易于矿化和随淋溶作用流失,因此研究区东北部土壤碳氮含量普遍偏低。

        表 3  普通克里格插值结果交叉验证

        Table 3.  Cross validation of ordinary Kriging interpolation results

        指标Index均方根误差RMSE平均误差ME
        TN0.12–0.02
        SOC1.36–0.19
        C/N0.12 0.03
        注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon.

        图  3  研究区土壤全氮 (TM)、有机碳 (SOC)和碳氮比 (C/N)空间分布

        Figure 3.  Spatial distribution of soil total nitrogen (TN), organic carbon (SOC) and carbon to nitrogen ratios (C/N) in the study area

      • 影响土壤TN、SOC和C/N空间变异的因素主要有结构性因素和随机性因素。半方差分析结果表明,研究区土壤TN、SOC和C/N受结构性因素和随机性因素共同影响,其中各因素的影响程度尚不明确,需进一步分析。本研究以高程、土壤类型、成土母质、土壤质地和土壤PH为结构性因素,以氮肥施用量、土地利用方式为随机性因素,分析各因素对土壤TN、SOC和C/N空间变异的独立解释能力。相关性分析结果 (表4) 表明,研究区土壤TN 与氮肥施用量、土壤类型和土地利用方式呈显著正相关 (P < 0.05),相关系数分别为0.213、0.215和0.214;与pH呈极显著负相关 (P < 0.01),相关系数为–0.482;与高程、土壤质地等无显著相关性。SOC与土地利用方式呈极显著正相关 (P < 0.01),相关系数为0.256;与土壤pH呈极显著负相关 (P < 0.01),相关系数为–0.414;土壤C/N与土壤类型、土地利用方式均呈显著负相关 (P < 0.05),相关系数分别为–0.169和–0.194。

        表 4  土壤全氮、有机碳、碳氮比与相关因素的相关性统计

        Table 4.  Correlation statistics of soil total nitrogen, organic carbon, carbon to nitrogen ratio and related factors

        指标
        Index
        高程
        Elevation
        氮肥施用量
        N application rate
        土壤质地
        Soil texture
        土壤类型
        Soil type
        成土母质
        Parent material
        土地利用方式
        Land use pattern
        土壤pH
        Soil pH
        TN –0.1020.213*0.0120.215*0.1570.214*–0.482**
        SOC–0.1080.118–0.0180.0950.1110.256**–0.414**
        C/N 0.118–0.074–0.115–0.169*–0.059–0.194*–0.002
        注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon. *—P < 0.05;**—P < 0.01.
      • 成土母质对土壤的形成具有十分重要的作用,它是构成土壤矿物质的基础又是植物矿质养分元素的来源[27]。由表 5可知,不同成土母质间土壤TN、SOC含量和C/N差异较为明显,SOC的变异系数位于4.47%~38.47%,属于弱变异和中等变异程度;土壤TN、C/N的变异系数分别为18.70%~33.33%和14.63%~21.48%,均处于中等变异程度。从土壤TN含量均值来看,泥质岩类风化物土壤TN含量最高,河湖沉积物土壤TN含量最低,两者差值为0.47 g/kg。研究区土壤SOC均值高低含量与TN相似,以泥质岩类风化物最高 (24.7 g/kg),河湖沉积物最低 (19.6 g/kg),两者差值为5.1 g/kg。从土壤C/N均值来看,红砂岩类风化物 (10.52) > 第四纪红色黏土 (10.24) > 泥质岩类风化物 (10.12) > 酸性结晶岩类风化物 (10.09) > 河湖沉积物 (9.97) > 石英岩类风化物 (9.84),其最大值与最小值的差值为0.68。

        表 5  不同成土母质类型土壤全氮、有机碳含量及碳氮比描述统计

        Table 5.  Description and statistics of total N, organic carbon content and C/N in different parent material types of soil

        成土母质
        Parent material
        样点数
        Sample No.
        TNSOCC/N
        均值
        Mean
        (g/kg)
        SD
        (g/kg)
        CV
        (%)
        均值
        Mean
        (g/kg)
        SD
        (g/kg)
        CV
        (%)
        均值
        Mean
        SDCV
        (%)
        第四纪红色黏土
        Quaternary red clay
        65 2.19 b0.4420.0922.34 a5.0122.4310.24 a1.6015.62
        河湖沉积物
        Lake and river sediments
        24 1.99 b0.7437.1819.60 a7.5438.479.97 a1.5815.85
        红砂岩类风化物
        Red sandstone-like weathering
        82.04 b0.6833.3320.85 a6.5731.5110.52 a2.2621.48
        泥质岩类风化物
        Argillaceous rock weathering
        31 2.46 a0.4618.7024.70 a6.1224.7810.12 a2.1020.75
        石英岩类风化物 Quartzite weathering62.32 ab0.6025.8622.76 a6.1727.109.84 a1.4414.63
        酸性结晶岩类风化物
        Acid crystalline rock weathering
        32.18 b0.4822.0121.48 a0.964.4710.09 a1.7717.54
        注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon. 数据后不同小写字母表示不同土壤母质间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column mean significant difference among different soil parent materials (P < 0.05).
      • 不同类型的土壤有着不同的成土过程、矿物组成和发育程度,其对土壤TN、SOC含量和C/N有不同的影响[27]。土壤类型对研究区土壤TN、C/N的空间变异影响极显著 (P < 0.01,表6),从表6可以看出,3个土壤类型中,水稻土TN含量最高 (2.25 g/kg),潮土最低 (1.62 g/kg),变异系数为14.11%~35.53%,均属中等变异程度。从土属来看,红壤中各土属TN均值为1.58 ~2.41 g/kg,水稻土各土属中TN均值以潴育型鳝泥田最高 (2.54 g/kg),潴育型黄沙泥田最低 (1.97 g/kg),均值差异较小。研究区土壤SOC含量在3种类型土壤中均值大小依次为红壤 (22.37 g/kg) > 水稻土 (21.45 g/kg) > 潮土 (19.30 g/kg),变异系数为7.15%~47.77%,属弱和中等变异程度,其中水稻土的变异程度要大于红壤的变异程度,各土属之间SOC含量均值为17.98~25.49 g/kg。研究区不同类型土壤之间潮土C/N均值最高 (11.91),其次为红壤 (10.65),水稻土C/N均值最低 (9.67),各土属均值范围为8.64 ~11.91,以潮沙土最高,淹育型黄泥田最低,变异系数为3%~22.11%,属弱变异和中等变异程度。

        表 6  不同类型土壤全氮、有机碳含量及碳氮比描述统计

        Table 6.  Description and statistics of total nitrogen, organic carbon content and carbon to nitrogen ratio in different soil types

        土壤类型
        Soil type
        亚类
        Subclass
        土属
        Genus
        样点数
        Sample No.
        TNSOCC/N
        均值
        Mean
        (g/kg)
        SD
        (g/kg)
        CV
        (%)
        均值
        Mean
        (g/kg)
        SD
        (g/kg)
        CV
        (%)
        均值
        Mean
        SDCV
        (%)
        潮土
        Alluvial soil
        灰潮土
        Calcareous alluvial soil
        潮沙土
        Tidal sandy soil
        11.62 19.30 11.91
        红壤
        Red soil
        红壤
        Red soil
        红砂泥红壤
        RSMRS
        51.58 a0.4830.3717.98 a5.7632.0311.38 a1.5213.35
        黄泥红壤
        Yellow red earth
        11 2.10 a0.3818.0923.02 a5.5924.2810.87 a1.1910.94
        黄泥土
        Yellow soil
        32.38 a0.6627.7323.71 a8.5235.93 9.87 a0.85 8.61
        鳝泥红壤
        Eel red mud
        52.41 a0.3414.1124.75 a1.77 7.1510.46 a1.8217.40
        均值 Mean24 2.12 a0.4722.5822.37 a5.4124.8510.65 a1.3512.58
        水稻土
        Paddy soil
        潜育型水稻土
        Gley paddy soil
        潜育型黄沙泥田
        GYSMF
        52.17 a0.6931.8021.90 a6.9631.7810.15 a1.3313.10
        淹育型水稻土
        Submerged paddy soil
        淹育型黄泥田
        FYMF
        42.39 a0.4418.4120.58 a3.4416.72 8.64 a0.26 3.00
        潴育型水稻土
        Tufted paddy soil
        潴育型潮沙泥田
        TYTSMF
        27 2.08 a0.7335.1020.32 a7.5036.91 9.87 a1.7117.33
        潴育型黄泥田
        ZHYMF
        50 2.20 a0.4520.4522.21 a4.8721.9310.16 a1.6816.54
        潴育型黄沙泥田
        ZYTYSMF
        31.97 a0.7035.5318.19 a8.6947.77 9.04 a1.2013.27
        潴育型鳝泥田
        STEMD
        23 2.54 a0.4116.1425.49 a6.1824.2410.13 a2.2422.11
        均值Mean112 2.25 a0.5726.2421.45 a6.2729.89 9.67 a1.4 14.23
        注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon. RSMRS—红砂泥红壤 Red sand mud red soil;GYSMF—潜育型黄沙泥田 Gleyic yellow sand mud;TYTSMF—潴育型潮沙泥田 Tuyu-type tidal sand mud field;ZHYMF—潜育型黄沙泥田 Zhuyu type yellow mud field;FYMF—淹育型黄泥田 Flooded yellow mud field;ZYTYSMF—潴育型黄沙泥田 Zhuyu type yellow sand mud field;STEMD—潴育型鳝泥田 Sow type eel mud field. 数据后不同小写字母表示同类土壤不同属类间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column mean significant difference among different genus in the same soil type (P < 0.05).
      • 土壤pH不仅对土壤微生物的活性、有机质的合成与分解产生影响,而且与土壤养分的形成、转化、释放和有效性都有密切的关系[28]。研究区土壤pH与土壤TN、SOC有着极显著的负相关性 (P < 0.01,表4),相关系数分别为–0.482和–0.414,表明酸度越高的土壤中,土壤TN、SOC的含量也越高。从不同土壤pH描述性统计结果来看,土壤TN含量呈现出强酸土壤 (2.66 g/kg) > 酸性土壤 (2.24 g/kg) > 微酸性土壤 (1.86 g/kg) 的特点,SOC含量与土壤TN有着相似的规律,不同土壤pH环境条件下,TN、SOC的变异系数分别在16.54%~24.55%和21.23%~34.23%,均表现为中等程度变异(表7)。

        表 7  不同pH土壤全氮、有机碳含量及碳氮比描述统计

        Table 7.  Description and statistics of total nitrogen, organic carbon content and carbon to nitrogen ratio in soil with different pH values

        pH样点数
        Sample No.
        TNSOCC/N
        均值 (g/kg)
        Mean
        SD
        (g/kg)
        CV
        (%)
        均值 (g/kg)
        Mean
        SD
        (g/kg)
        CV
        (%)
        均值
        Mean
        SDCV
        (%)
        < 4.532.66 a0.4416.5425.62 a8.7734.2310.77 a0.343.15
        4.5~5.5127 2.24 a0.5524.5522.58 a6.0526.7910.19 a1.7817.47
        5.5~6.591.86 a0.3820.4318.09 b3.8421.23 9.75 a0.9 9.23
        注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon. 同列数据后不同小写字母表示不同土壤 pH 间差异显著 (P < 0.05) Different small letters in a column mean significant difference among different soil pH values (P < 0.05).
      • 氮肥施用量对土壤全氮含量起着较为重要的作用,氮肥施用量不仅可以调节土壤氮素的供需状况,对土壤氮的积累和转化速度也会产生影响。氮肥施用量与研究区土壤TN有显著相关性 (P < 0.05,表4)。从表8可以看出,随着氮肥施用量的增加,土壤TN均值含量呈逐步上升趋势。同时,氮肥施用量对土壤C/N也有一定的影响,氮肥施用量越大,土壤C/N均值含量越低,这主要是由于氮肥施用量的增加不但会直接提高土壤TN含量,也会降低土壤酸碱度,使有机质易于分解。土壤TN、SOC和C/N的变异系数分别为15.26%~24.43%、15.14%~31.00%和11.14%~18.77%,为中等变异程度。

        表 8  不同氮肥施用量土壤全氮、有机碳含量及碳氮比描述统计

        Table 8.  Description and statistics of total nitrogen, organic carbon content and carbon to nitrogen ratio of soil under different nitrogen fertilizer application rates

        氮施用量
        N rate
        (kg/hm2)
        样点数
        Sample No.
        TNSOCC/N
        均值 (g/kg)
        Mean
        SD
        (g/kg)
        CV
        (%)
        均值 (g/kg)
        Mean
        SD
        (g/kg)
        CV
        (%)
        均值
        Mean
        SDCV
        (%)
        < 200131.83 a0.3921.3117.90 a4.5525.419.80 a1.8418.77
        200~300522.21 a0.5424.4323.34 a6.1326.2610.61 b1.8617.53
        300~400452.25 a0.5023.2521. 09 a6.5431.009.86 c1.6416.63
        400~500212.49 a0.3815.2624.56 a3.7215.149.83 c1.5115.20
        > 500 62.50 b0.4016.1924.04 b3.9516.439.78 d1.0911.14
        注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon. 同列数据后不同小写字母表示不同施氮量间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column mean significant difference among different N application rates (P < 0.05).
      • 土壤质地与土壤的通透性、保蓄性具有十分密切的关系,同时土壤质地通过影响土壤养分的转化和有效性[29-30],进而影响土壤TN、SOC的含量和C/N。研究区土壤质地以黏壤土、粉砂质黏壤土和壤质黏土为主,零星分布少量的壤黏土和砂质黏壤土。由表9可以看出,研究区不同质地土壤之间TN、SOC含量和C/N差异较大,在砂质黏壤土、壤黏土和黏壤土中土壤TN含量较高,低TN含量值则主要分布于壤质黏土和粉砂质黏壤土中;土壤SOC含量高值集中于砂质黏壤土、壤黏土和壤质黏土中,低值分布于黏壤土和粉砂质黏壤土中,与土壤TN含量较为相似,这主要是由于砂质黏壤土和壤黏土粒间空隙小,通气透水性差,吸附能力强,保水保肥能力好,土壤TN和SOC易于积累和储存,砂土较黏土通气性好,养分含量易于矿化,不利于积累和储存,这与胡嗣佳[31]的研究结果基本一致。研究区不同质地土壤之间C/N分布与TN、SOC分布差异较大,从C/N均值可以看出壤质黏土 (10.54) > 粉砂质黏壤土 (10.19) > 黏壤土 (10.05) > 壤黏土 (9.87) > 砂质黏壤土 (9.79)。不同质地土壤中TN和SOC的变异系数分别为13.83%~29.41%和20.69%~35.93%,属中等变异程度,土壤C/N变异系数为8.61%~27.89%,属弱变异和中等变异程度。

        表 9  不同质地土壤全氮、有机碳含量及碳氮比描述统计

        Table 9.  Description and statistics of total nitrogen, organic carbon content and carbon to nitrogen ratio in different soil textures

        质地
        Texture
        样点数
        Sample No.
        TNSOCC/N
        均值
        Mean
        (g/kg)
        SD
        (g/kg)
        CV
        (%)
        均值
        Mean
        (g/kg)
        SD
        (g/kg)
        CV
        (%)
        均值
        Mean
        SDCV
        (%)
        粉砂质黏壤土Silty clay loam512.19 a0.4520.5422.16 a4.8321.7910.19 a1.6716.38
        壤黏土Soil clay 32.38 a0.6527.3123.71 a8.5235.93 9.87 a0.85 8.61
        壤质黏土Loamy clay192.19 a0.3716.8923.05 a4.7720.6910.54 a1.4313.57
        砂质黏壤土Sandy clay loam42.53 a0.3513.8324.37 a5.1321.05 9.79 a2.7327.89
        黏壤土Clay loam612.21 a0.6529.4122.02 a7.2332.8310.05 a1.8418.30
        注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon. 同列数据后不同小写字母表示不同土壤质地间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters mean significant difference among the soil textures (P < 0.05).
      • 为定量分析各因素分别对研究区土壤TN、SOC、C/N空间变异的影响程度,将成土母质、土壤类型、耕层质地、土壤pH、氮肥施用量和土地利用方式分别与研究区土壤TN、SOC和C/N进行回归分析,从分析结果中可以看出 (表10),成土母质、土壤类型、pH、氮肥施用量和耕层质地对研究区土壤TN、SOC、C/N的空间变异有着不同程度地影响。在结构性因素中,耕层质地对土壤TN的独立解释能力较低,仅为1%,且其对土壤SOC和C/N并无显著影响,pH对土壤TN、SOC空间变异的独立解释能力分别为9.8%和5.8%,对土壤C/N无显著影响,土壤类型对研究区土壤TN、SOC和C/N均有极显著影响,独立解释能力分别为17.6%、13.6%和13.2%,成土母质对土壤TN、SOC空间变异的独立解释能力最高,分别为28.1%和23.2%,远远高于其他因素。在选取的随机性因素中,氮肥施用量对土壤TN的独立解释能力为2.6%,对土壤SOC和C/N无显著影响。土地利用方式对土壤TN、SOC、C/N均无显著性影响。由此可知,成土母质和土壤类型是引起研究区土壤TN、SOC和C/N空间变异的主要因素,与表2半方差分析结果较为一致。

        表 10  不同影响因素对土壤全氮、有机碳、碳氮比的回归分析

        Table 10.  Regression analysis of soil total nitrogen, organic carbon and carbon to nitrogen ratio by different influencing factors

        项目
        Item
        TNSOCC/N
        FR2A-R2PFR2A-R2PFR2A-R2P
        母质SPM54.2320.2870.281< 0.0155.930.2420.232< 0.01////
        土壤类型 Soil type182.77 0.1960.176< 0.0181.390.1520.136< 0.0131.110.1510.132< 0.01
        pH42.5150.1020.098< 0.0124.580.0620.058< 0.01////
        N15.56 0.0310.026< 0.01////////
        质地Texture18.6840.0130.010< 0.01////////
        注(Note):SPM—成土母质 Soil parent material;N—氮肥施用量 Nitrogen application rate; TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon;A-R2—调整后决定系数 Adjusted R2;"/"—无显著影响 No significant effect.
      • 分析土壤碳氮的空间变异特征及其影响因素,是进行耕地土壤碳氮调控的基础。从研究结果来看,成土母质和土壤类型对研究区土壤碳氮空间变异影响较大,这主要是由于成土母质对土壤的形成和发育过程有着极其重要的作用,成土母质直接决定着土壤的矿物和颗粒组成,研究区的成土母质主要为第四纪红色黏土和泥质岩类风化物,大部分是由砂岩、砾岩等组成,各岩类之间由于风化和迁移速度的不同,使得土壤在机械组成上也会有所差异[32],因此,成土母质主要通过影响土壤的机械组成对土壤TN、SOC含量及C/N造成影响。红黏土天然含水量比较高,多处于饱和状态,粘粒含量较高,透水性弱,该类成土母质发育而来的土壤吸附能力强,保水保肥能力好,土壤养分富集[33];同时,由泥质岩发育而来的土壤较为黏重,透水性差,土壤养分不易于受矿化和淋溶作用流失,易于积累。在本研究结果中,成土母质在所有影响因素中对土壤TN和SOC空间变异独立解释程度最高,分别为28.1%和23.2%,是引起研究区土壤TN和SOC空间变异的重要因素之一。土壤类型也是引起研究区土壤碳氮空间变异的另一重要因素,研究区土壤类型主要为红壤和水稻土,由于水稻土人为耕作程度高,伴随20世纪80年代家庭联产承包责任制的推行,农户为提高产量,无机肥和有机肥配合施用,同时,江西省近年来大力推广秸秆还田等政策,也是使研究区土壤有机质和氮素含量较为丰富的重要原因之一。氮肥施用量与土壤TN呈显著正相关,这表明增加氮肥施用量会提高土壤TN含量,同时,增施氮肥会通过影响土壤理化性状和微生物活性等对SOC和土壤C/N产生不同程度的影响。施用氮肥会降低土壤pH[34],增大有机碳的溶解性,导致有机碳易于流失,使得土壤有机碳含量减少[35]。本研究结果中,土地利用方式对土壤TN、SOC、C/N无显著影响,这与张忠启等[36]、罗由林等[37]研究结果有所不同,其原因可能是本研究仅针对耕地,土地利用方式比较单一,相对于林地、园地等地表散落的凋落物较少,有机物不足,并且人们为提高产量,在多数地区都进行了施肥调节,导致土地利用方式对土壤碳氮的空间变异解释程度较低。

        从土壤TN、SOC和C/N相关系数分析结果 (表 11) 可以看出,土壤TN、SOC、C/N之间存在显著相关性,TN和SOC相关系数为0.798 (P < 0.01),由于土壤TN和SOC与土壤中的有机质有着十分密切的关系,其动态变化均受有机质影响[38],土壤中大部分氮素以有机氮的形式存在于有机质中[39],有机碳又是土壤有机质的重要组成部分,同时,各影响因素中,全氮和有机碳均值高低分布也呈现出相同的趋势,因此,研究区土壤TN和SOC表现出相似的空间分布特点,这与其他区域研究结果[40]基本一致。土壤TN、SOC和C/N的相关系数分别为–0.183和0.374,为显著负相关和极显著正相关,表明研究区土壤C/N的变化主要受TN和SOC的影响,土壤TN含量的升高或降低会使C/N含量产生差异。尽管土壤TN和SOC在空间分布上具有相似性,但各影响因素对其作用程度尚有不同,从而导致土壤C/N空间分布与土壤TN和SOC有所不同。土壤C/N是衡量土壤肥力的重要指标之一。提高土壤C/N能够在一定程度上对土壤微生物分解碳氮的能力起到抑制作用,并且对土壤的矿化速度也会产生影响[10],从而提升土壤碳氮含量。保持合理的C、N含量和C/N是提高土壤固碳、固氮能力以及实现土壤碳氮耦合平衡的重要途径。首先,要保持合理的氮肥施用量,提升氮肥利用效率和施肥管理水平,过度的施用氮肥不仅会破坏土壤碳氮耦合平衡,也会加剧土壤酸化和板结等农业污染问题[41];其次,应大力推广种植绿肥、秸秆还田等技术,鼓励多施有机肥,改善土壤理化性质和土壤碳氮含量,实现粮食产量提高和农业可持续发展。

        表 11  土壤全氮、有机碳、碳氮比之间的相关系数

        Table 11.  Correlation coefficients among soil total N, organic carbon and C/N

        指标IndexTNSOCC/N
        TN 1.000
        SOC 0.798**1.000
        C/N –0.183* 0.374**1.000
        注(Note):TN—全氮 Total N;SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon. *—P < 0.05;**—P < 0.01.
      • 研究区土壤表层全氮、有机碳、C/N均值分别为2.24 g/kg、22.52 g/kg和10.15,其中全氮和有机碳平均值高于全国平均水平。研究区土壤全氮和有机碳在空间分布上具有相似的特征,表现出由中部向南北递减的趋势,土壤C/N空间分布与全氮、有机碳有差异,总体呈现出西高东低的趋势;全氮和有机碳高值多分布于研究区西北、中部及南部地区,C/N高值集中于西北和南部地区。氮肥施用量对TN,土壤类型对TN、SOC,土地利用方式对TN、SOC、C/N及土壤pH对TN、SOC均具有显著影响。在所有因素中成土母质对土壤全氮和有机碳的独立解释能力最高,分别为28.1%和23.2%,是引起研究区土壤全氮和有机碳空间变异的主要因素,这是由于成土母质直接决定着土壤的机械组成,因此其与土壤养分含量有着十分密切的关系;土壤类型对研究区土壤C/N的独立解释能力最大,达到了13.2%,是引起研究区土壤C/N空间变异的主要因素。

    参考文献 (41)

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