社會經濟因素對涪江流域土壤氮素的影響

朱林富, 李 婷, 張世熔, 楊 華, 吳建峰

(1.重慶師范大學 地理科學學院 GIS應用研究重慶市高校重點實驗室, 重慶 401331;

2.四川農業大學 資源環境學院 四川省土壤環境保護重點實驗室, 四川 成都 611130)

社會經濟因素對涪江流域土壤氮素的影響

朱林富1,2, 李 婷2, 張世熔2, 楊 華1, 吳建峰1

(1.重慶師范大學 地理科學學院 GIS應用研究重慶市高校重點實驗室, 重慶 401331;

2.四川農業大學 資源環境學院 四川省土壤環境保護重點實驗室, 四川 成都 611130)

摘要：[目的] 了解四川省射洪縣土壤氮素的空間分布特征及社會經濟因素對其的影響。[方法] 以隨機采樣的土壤樣點數據為基礎，并結合社會經濟數據，運用ArcGIS 9.3的地統計學、空間分析等方法進行分析研究。[結果] (1) 該縣土壤全氮含量1.08±0.29 g/kg，堿解氮含量100.24±34.80 mg/kg；全氮高值區(>1.4 g/kg)位于嚴家溝和向家營附近，在碾槽壩等地形成兩個低值區(<0.9 g/kg)；堿解氮高值區(>140 mg/kg)主要在萬柏山和鮮家坪，低值區(<80 mg/kg)主要位于碾槽壩等地帶； (2) 隨著距離的增加，城鎮周圍全氮先增加后減少，堿解氮逐漸減少；道路周圍全氮沒有變化，而堿解氮逐漸降低；宅基地周圍全氮沒有變化，而堿解氮逐漸增加； (3) 不同類型、不同地貌區的城鎮、道路和宅基地，對土壤氮含量的影響存在很大的區域差異； (4) 不同的氮肥、磷肥和有機肥施用量對土壤氮含量影響不同，其中氮肥對堿解氮影響明顯。[結論] 社會經濟因素對土壤氮素的影響具有明顯的區域差異性。

關鍵詞：全氮; 堿解氮; 地統計學; 緩沖區; 施肥

土壤是地球生態系統的基礎，是支撐植物生長的基底，是非常重要的一種自然資源。它與水、氣和植物相互作用，是連接無機界和有機界的樞紐。它不僅為人類農業生產和經濟活動提供物質基礎，也可以凈化、降解、消納各種污染物。但是，近年來，人類的不合理利用已經改變了生物地球化學循環，加快了土壤化學性質和組成成分變化的速度，許多地區土地退化已相當嚴重，嚴重威脅到人類賴以生存的土地資源[1]。

土壤養分是植物生長所必需的營養元素，它能被植物直接或者轉化后吸收。氮元素是植物生長發育必需的養分之一，是農業生產的重要限制因素[2-4]。它是溫室氣體的主要來源之一，同時也容易污染水體[5-6]。目前，全球環境變化問題的研究已成熱點，而土壤氮素及其影響因素便是其中之一[7]。迄今為止，有關土壤氮素的研究多采用常規試驗統計方法，研究[4,7-14]表明，土壤有機質、成土母質、地形、土地利用方式、耕作施肥等因素均在不同程度上影響著土壤氮素變化，且在不同區域各因素的影響呈現著明顯的差異。但對社會經濟因素的研究還比較少，尤其是大尺度下對社會經濟因素運用緩沖區分析和GIS統計分析等方法的研究還鮮見報道[15]。

涪江流域地處四川盆地中部，土壤肥沃、灌溉便利、農業開發歷史悠久，是我國主要的農業生產基地之一[16]。隨著西部大開發的進行，流域經濟發展迅速，但土地退化明顯，嚴重也影響著流域生態環境。本研究以射洪縣為例，運用GIS地統計學和空間統計分析等方法，分析縣域尺度條件下土壤氮素的空間分布特征，并進一步探究其與城鎮、道路、宅基地和施肥4個影響因素之間的關系，以期為涪江流域社會經濟發展、農業生產管理和生態環境保護提供一定的理論參考依據。

1研究區概況

射洪縣位于四川盆地中部，涪江中游，成渝經濟區腹心，地理坐標為北緯30°40′—31°10′，東經105°10′—105°39′，海拔最高674.4 m，最低299 m。縣境西北高，東南低，以丘陵地貌為主，丘陵地區占89.1%，涪江、梓江河谷地貌占10.9%，幅員面積1 495.97 km2。2013年射洪縣建成區面積32 km2，城區常駐人口31.42萬，已達到中等城市規模。射洪農業基礎穩定，工業基礎堅實，金華、太和、柳樹、太乙、仁和等全國、全省重點小城鎮已具相當規模。射洪縣交通便捷，以公路運輸為主。省道綿渝射洪段(S205)已建成一級公路，縣城區至30多個鄉鎮的公路已經建成了柏油路或水泥路；射洪至大英、蓬溪、西充等主要出縣通道均已經實現等級化，建成的鄉村油路及水泥路已達650 km，100%的鄉鎮和92%的村通了公路，縣鄉公路基本實現瀝青路面。

2數據來源與研究方法

2.1　數據來源與處理

研究區城鎮、道路、宅基地、施肥等數據主要來源于相關部門提供的圖件和資料。土壤樣點數據是根據區域情況，并考慮樣點的代表性和統計學的抽樣要求，再結合土壤類型、城鎮、道路、宅基地等資料進行隨機采樣獲取。采樣時利用GPS進行定位，共采集耕作層(0—20 cm)土壤樣本3 947個。土壤樣點的利用方式包括水田、旱地、林地。

2.2　研究方法

土壤全氮(TN)含量分析采用半微量開氏法；土壤堿解氮(AHN)含量分析采用堿解擴散法[17]。

運用ArcGIS 9.3進行半方差函數和普通克里格插值分析。通過生成空間實體的緩沖區，與相應圖層疊置，以此判斷空間實體影響范圍[18]。以射洪縣各要素為實體生成不同距離的緩沖區，分別與土壤全氮和堿解氮含量進行空間統計分析，獲得不同緩沖距離內全氮和堿解氮平均含量數據。

運用SPSS和Excel軟件對數據進行統計、回歸分析，得出各因素周圍的土壤氮素含量分布情況。

3結果與分析

3.1　土壤氮素空間分布特征

3.1.1常規統計分析在SPSS中采用單一樣本K—S檢驗結果表明兩者均服從正態分布，土壤全氮含量1.08±0.29 g/kg，堿解氮含量100.24±34.80 mg/kg。從偏度可以看出，兩者均呈右偏態分布；從峰度值可以看出其分布呈陡峭狀態(表1)。

表1　土壤全氮和堿解氮含量統計特征

3.1.2地統計學分析常規統計分析說明了土壤的樣點情況，但難以反映空間分布特征。本研究借助ArcGIS 9.3的地統計學方法分析不同間距的半方差，得到土壤氮含量的變異函數值，擬合效果較好的是球狀模型[19]。結果表明，全氮含量的變程為11.542 km，堿解氮含量的變程為9.335 km，兩者相差較大；全氮長軸方位角為280.9°，約為東西方向，堿解氮長軸方位角為307.9°，約為西北方向，異向性較明顯；由塊金值和基臺值的比值可知，二者空間變異中隨機變異所占比例分別為81.8%和79.7%，這表明土壤氮含量的隨機因素影響多于結構因素(表2)。

表2　土壤全氮和堿解氮含量的地統計學參數

在ArcGIS 9.3平臺上以上述半方差模型為依據，采用普通克立格法插值分別獲得土壤全氮和堿解氮含量的空間分布圖(圖1)。由圖1可以看出，土壤全氮和堿解氮含量總體上呈不規則的斑塊狀分布，總體上是從南部向北部逐漸減少。全氮高含量區(>1.4 g/kg)位于嚴家溝和向家營附近，占總面積的2.16%，中等水平區(1.0～1.2 g/kg)占總面積的68.3%，低含量區(<0.9 g/kg)分布在碾槽壩東部、方家溝西北及貓兒溝西北等地，占總面積的0.48%。堿解氮含量高含量區(>140 mg/kg)位于萬柏山南部和鮮家坪，占總面積的1.72%，中等水平區(90～110 mg/kg)占總面積的41.3%，低含量區(<80 mg/kg)分布在碾槽壩東部、木興場、桃樹灣東北、檬子南部以及方家溝—牛角溝—雙廟子附近，占總面積的8.96%。

圖1　研究區土壤全氮(TN)和堿解氮(AN)含量空間分布

3.2　影響因素分析

土壤氮素的影響因素比較多，本研究主要從城鎮、道路、宅基地和施肥等方面探討土壤全氮和堿解氮含量分布情況。

3.2.1城鎮因素城市邊緣地帶是城鄉經濟活動的交互界面，影響著土壤質量[20]。人口增長和城市化，使市中心的人口、工業、商業與住宅等要素不斷向城市邊緣地區遷移，占用了大量自然與農業土壤，對土壤質量產生了一定影響[21-22]。為了分析城鄉交錯帶土壤氮素含量的變化，以城區作為面實體影響源，運用GIS空間分析方法生成0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 km距離的緩沖區，然后與土壤全氮和堿解氮含量進行空間統計分析。結果表明，隨著距離的增加，土壤全氮含量先上升后下降，從1.10 g/kg上升到1.11 g/kg又下降到1.09 g/kg，可用二次多項式進行擬合〔R2=0.959 2，F=23.500(p<0.05)〕；堿解氮含量從105.1 mg/kg逐漸下降到102.4 mg/kg，符合線性關系〔R2=0.966 2，F=85.663(p<0.05)〕，說明土壤氮含量與城市緩沖距離之間存在明顯的相關關系。

在得到以上城鎮全氮和堿解氮總體分布后，綜合建成區面積、非農業人口比例、人口密度及人均GDP等指標分為小城市、大鎮和集鎮進一步分析土壤氮分布情況。研究表明，在太和、大榆等小城市周圍，土壤全氮含量逐漸上升，可用線性擬合〔R2=0.892 9，F=25.000(p<0.05)〕，堿解氮含量呈下降趨勢，符合線性關系〔R2=0.898 6，F=26.579(p<0.05)〕，兩者均呈現較強的相關關系。在金華、太乙、仁和、柳樹等大鎮周圍，土壤全氮含量逐漸下降，符合線性關系〔R2=0.938 3，F=45.632(p<0.05)〕，堿解氮含量逐漸下降，其符合線性關系〔R2=0.995 0，F=596.755(p<0.01)〕，兩者均呈顯著相關。在其它集鎮周圍，土壤全氮含量先平穩后下降，其符合二次多項式關系〔R2=0.857 1，F=6.000(p>0.05)〕，堿解氮含量逐漸上升，其符合線性關系〔R2=0.870 8，F=20.211(p<0.05)〕，與后者存在明顯的相關關系。由此可以得出，城鎮因素對土壤氮素含量分布產生不同的影響。

3.2.2道路因素交通運輸會對道路兩旁的土壤養分含量會產生一定影響。為了分析道路對其交錯帶土壤氮素含量的影響，選取射洪縣主要道路，以道路作為線實體影響源，運用GIS空間分析方法，以0.2，0.4，0.6和1.0 km為距離產生緩沖區，然后與土壤全氮和堿解氮含量進行空間統計分析，分析道路對其交錯帶土壤氮素含量的影響。結果表明，隨著道路緩沖區距離的增加，土壤全氮含量沒有變化，保持在1.09 g/kg水平，堿解氮含量從103.4 mg/kg下降到102.8 mg/kg，符合線性關系〔R2=0.986 8，F=225.000(p<0.01)〕，表明土壤堿解氮含量與道路緩沖距離存在顯著相關關系。

為了進一步分析不同類型道路的影響，將其分為省級公路和縣級公路進行研究。結果表明，隨著緩沖距離的增加，在省級公路中，土壤全氮含量逐漸下降，其關系可用線性擬合〔R2=0.941 2，F=48.000(p<0.05)〕，堿解氮含量逐漸下降，符合線性關系〔R2=0.907 3，F=29.348(p<0.05)〕；在縣級公路中，土壤全氮含量逐漸下降，符合二次多項式關系〔R2=0.857 1，F=6.000(p>0.05)〕，堿解氮含量逐漸上升，符合線性關系〔R2=0.989 8，F=291.947(p<0.01)〕。在不同地形區域的縣級公路里，其中高丘區大榆鎮至文升鄉段，土壤全氮含量從1.02 g/kg逐漸下降到1.00 g/kg，符合線性關系〔R2=0.800 0，F=12.000(p<0.05)〕，堿解氮含量從100.5 mg/kg逐漸下降到96.9 mg/kg，符合線性關系〔R2=0.955 3，F=64.059(p<0.05)〕，表明兩者相關明顯；中丘區金家鎮至萬林鄉段，土壤全氮含量從1.14 g/kg逐漸下降到1.13 g/kg，符合二次多項式關系〔R2=0.857 1，F=6.000(p>0.05)〕，堿解氮含量從105.8 mg/kg下降到105.6 mg/kg又上升到106.2 mg/kg，符合二次多項式關系〔R2=0.818 7，F=4.515(p>0.05)〕；低丘區青堤鄉至青崗鎮段，土壤全氮含量從1.07 g/kg逐漸上升到1.09 g/kg，符合線性關系〔R2=0.892 9，F=25.000(p<0.05)〕，堿解氮含量從87.4 mg/kg上升到89.4 mg/kg，符合線性關系〔R2=0.925 6，F=37.333(p<0.05)〕。分析表明，公路交通因素對土壤氮素含量的影響有著明顯的差異性。

3.2.3宅基地因素大量的農村宅基地對土壤元素含量會產生較大影響，它們是自然環境中人類活動相對頻繁的地方。為了研究宅基地對土壤氮素含量的影響，以宅基地為面實體產生不同距離的緩沖區，將土壤氮含量的插值圖與其進行空間統計分析。結果表明，全縣總體上，隨著距離的增加，土壤全氮含量無變化，為1.08 g/kg，堿解氮含量逐漸上升，其關系符合線性擬合〔R2=0.888 9，F=24.000(p<0.05)〕，由此表明，后者有著明顯相關關系。

為了進一步了解宅基地對土壤氮素含量的影響，分別對高丘區、中丘區和低丘區的宅基地進行研究。結果表明，隨著距離的增加，土壤全氮含量沒有變化：在高丘區，其含量為1.05 g/kg；在中丘區，其含量為1.13 g/kg；在低丘區，其含量為1.21 g/kg。土壤堿解氮含量在高丘區〔R2=0.920 5，F=34.714(p<0.05)〕，中丘區〔R2=0.692 3，F=6.750(p>0.05)〕和低丘區〔R2=0.939 0，F=46.194(p<0.05)〕均符合線性關系。由此看出，宅基地對土壤堿解氮影響較明顯。

3.2.4施肥因素肥料使用可以改善土壤供氮狀況，提高土壤氮素含量，是影響土壤氮素含量的重要因素之一[2]。為了探究在不同施肥水平下的土壤氮含量的差異，根據施肥情況，主要施用氮肥、磷肥和有機肥。數據分析可得，全氮含量與氮肥施用量〔R2=0.752 5,F=6.081(p>0.05)〕和磷肥施用量〔R2=0.890 9,F=16.337(p>0.05)〕符合線性關系，與有機肥施用量〔R2=0.777 0，F=1.742(p>0.05)〕符合二次多項式關系。堿解氮含量與氮肥施用量〔R2=0.993 3，F=297.518(p<0.01)〕、磷肥施用量〔R2=0.727 3，F=5.333(p>0.05)〕和有機肥施用量〔R2=0.622 1，F=3.292(p>0.05)〕均符合線性關系。說明土壤氮含量與施肥量有著一定的相關關系，其中堿解氮與氮肥呈現顯著相關關系，但其余的相關性并不顯著。

4結 論

(1) 在空間分布特征上，土壤全氮高值區位于嚴家溝和向家營，并向四周逐漸降低，成不規則的斑塊狀分布，低值區位于碾槽壩—方家溝—貓兒溝等地；堿解氮含量以萬柏山和鮮家坪為高值區并向北部逐漸減少，低值區較為分散，主要位于碾槽壩—木興場—桃樹灣—檬子以及方家溝—牛角溝—雙廟子等地。

(2) 影響因素分析表明，隨著距離的增加，在總體上，城市周圍全氮含量先增加后減少，堿解氮逐漸減少；道路和宅基地周圍全氮含量基本沒有變化，而堿解氮含量則前者逐漸降低，后者逐漸增加。進一步研究表明，不同類型及地形區的城鎮、道路、宅基地，對土壤氮含量產生的影響有著比較明顯的差異性。施肥量及肥料的不同，土壤氮含量出現了一定的差異。

(3)由于諸多條件限制，本研究只是簡要分析了各影響因素對土壤氮含量的影響情況，結果表明人類活動對土壤氮素含量產生的影響各不相同，尤其是施肥量與土壤氮素含量相關性不顯著，其具體的影響機制如何，還有待進一步的研究。

致謝：十分感謝李婷老師對本文從選題、設計、查找資料、實施到最后定稿方面的悉心指導和幫助！同時非常感謝張世熔教授和楊華副教授在寫作上給予的關心！

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Impact of Socio-economic Factors on Soil Nitrogen in Fujiang River Basin

ZHU Linfu1,2, LI Ting2, ZHANG Shirong2, YANG Hua1, WU Jianfeng1

(1.CollegeofGeographyScience,KeyLaboratoryofGISApplication,ChongqingNormalUniversity,Chongqing401331,China; 2.CollegeofResourcesandEnvironment,SichuanAgriculturalUniversity,KeyLaboratoryofSoilEnvironmentProtectionofSichuanProvince,Chengdu,Sichuan611130,China)

Abstract：[Objective] The spatial distribution patterns and socio-economic factors on soil nitrogen were studied in Shehong County of Sichuan Province. [Methods] Based on the random sampled soil nitrogen data, and social and economic data, geostatistics and spatial analysis of ArcGIS 9.3 were used. [Results] (1) the contents of soil total nitrogen(TN) and alkali hydrolyzable nitrogen(AHN) were 1.08±0.29 g/kg and 100.24±34.80 mg/kg respectively. The regions with highest value(>1.4 g/kg) of TN contents were mainly distributed in Yanjiagou and Xiangjiaying, the regions with lowest value(<0.9 g/kg) located in Niancaoba; The regions with highest value(>140 mg/kg) of AHN contents were mainly distributed in Wanbaishan and Xianjiaping, the regions with lowest value(<80 mg/kg) were mainly located in Niancaoba. (2) The TN contents increased firstly then decreased with the increase of distances around the towns, while the AHN contents reduced gradually; The TN contents were unchanged, while the AHN contents reduced gradually near roads; The TN contents were not changed, while the AHN contents were increased gradually in near by homesteads; (3) The contents of soil nitrogen were influenced greatly by the regional location around towns, roads and homesteads; (4) There were some differences of the contents of soil nitrogen for different nitrogenous fertilizer, phosphatic fertilizer and organic manure fertilizer, but the AHN contents were tightly tied to nitrogenous fertilizer. [Conclusion] To sum up, the impact of soil nitrogen of socio-economic factors had obvious regional difference.

Keywords:total nitrogen; alkali hydrolyzable nitrogen; geostatistics; buffer area; fertilization

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0037-05

中圖分類號：S153.61

通信作者：楊華(1963—),男(土家族),重慶市石柱縣人,碩士,副教授,主要從事巖土工程、資源遙感與GIS應用研究。E-mail:csyanghua@263.net。

收稿日期：2014-03-01修回日期：2014-04-02
資助項目：國家科技支撐計劃項目“西南地區種養業廢棄物循環利用技術集成與示范”(2012BAD14B18),“四川新農村建設技術集成與示范”(NC2010RE0057)； 國家自然科學基金項目(40771135)
第一作者：朱林富(1985—),男(漢族),四川省犍為縣人,碩士研究生,研究方向為資源環境遙感與GIS應用。E-mail:156340810@qq.com。