城鄉交錯帶土壤氮素空間分布及其影響因素

陳青松, 李　婷,* , 張世熔, 劉續蘭, 欒明明

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

?

城鄉交錯帶土壤氮素空間分布及其影響因素

陳青松1,2, 李婷1,2,*, 張世熔1,2, 劉續蘭1,2, 欒明明1,2

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

摘要:城鄉交錯帶土壤氮素是城鄉生態系統中最重要的氮源與氮匯，但是城市化下的土壤氮素分布及其影響機制還不清楚，基于3S平臺研究了土壤氮素在成都西郊城鄉交錯帶的空間分布特征及城市化對土壤氮素的影響。結果表明，研究區內土壤全氮(STN)、硝態氮-N)和銨態氮-N)含量均值分別為(1.46±0.06) g/kg、(50.04±3.59) mg/kg和(6.72±0.53) mg/kg。區內土壤氮素含量從近郊向遠郊逐漸增高，STN和-N含量為中部高于南北部，-N含量則由西北部和東南部向中部遞增。方差分析表明，區內不同土地利用方式下-N和-N含量差異顯著(P<0.05)。回歸分析顯示STN含量與建筑密度(BD)、道路密度(RD)均呈現顯著線性負相關(P<0.05)-N含量與道路密度呈極顯著線性負相關(P=0.001)，與建筑密度關系不明顯(P=0.217)。土壤-N與建筑密度呈顯著負線性相關(P=0.001)，與道路密度呈顯著指數相關關系(P=0.021)。研究結果顯示城市發展使得城鄉交錯帶土壤氮素含量降低，這種影響伴隨著建筑面積的增加，道路長度的增加而加強。

關鍵詞：城鄉交錯帶；土壤氮素；空間分布；影響因素

城鄉交錯帶是郊區城市化逐漸演變而來的一個過渡地帶[1]，伴有強烈的土地利用變化[2- 3]，而這種農用地向非農用地快速轉化對城鄉交錯帶土壤養分產生了強烈的擾動[4- 5]，并已經影響到土壤- 大氣溫室氣體流通[5]。土壤氮素作為溫室氣體重要的源，其含量變化不僅會影響到溫室氣體排放，還會對植物氮素供給和水生生態系統造成威脅[6]。因此，了解城市擴張下土地利用變化對土壤氮素分布的影響機制是預測和管理城鄉交錯帶土壤- 大氣氮平衡，保護城市生態安全的前提。

目前，關于該區域土壤氮素的研究主要集中在森林土壤氮循環及其他不同土地利用方式下土壤全氮含量分布上，如森林土壤氮的礦化、硝化、淋失，以及季節性變動[7- 8]和不同土地利用變化對其時空變化特征的影響等方面[9]。但是，隨著郊區城市化的不斷推進，建筑用地、道路用地等非農業用地比例不斷增加，土壤氮素空間分布受非農用地增加所造成的影響機制還不夠清楚[10- 11]。因此，本研究將結合城市化過程中建筑密度(BD)和道路密度(RD)了解城市驅動土地利用變化下的城鄉交錯帶土壤氮素含量變化機制。

成都市西郊城鄉交錯帶位于成都平原國家級生態示范區腹地，近幾年來建設步伐加快，居民區、道路等增長迅速，土地利用結構變化強烈。因此，研究該地帶不同土地利用方式下土壤氮素的空間分布，弄清城市發展土地利用變化、建筑密度(BD)及道路密度(RD)對土壤氮素空間分布的影響，能夠為成都市西郊城鄉交錯帶農業氮肥施用管理，生態環境保護提供科學的基礎數據。

1材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于成都市西郊溫江城區與郫縣城區之間，位置介于30°41′46″—30°47′43″N，3°50′31″—103°52′52″E之間。其面積為41.6 km2，區內地勢平坦，平均坡降3 ‰，適宜農業耕作，年降雨量平均達966.1 mm。土壤母質屬第四系近代河流沖積物發育而成的水稻土，地下水位為1.0—2.0 m，易發生地表地下水物質遷移與交換。區內建筑面積7.41 km2，占區域總面積的17.73%，道路總長度為55.95 km(數據來源為ArcGIS 9.3統計數據)。土地利用主要以耕地、園地為主，耕地種植以大水稻、小麥、大蒜和油菜為主，經濟園林種植以苗木花卉為主，種植面積已達萬余畝。

1.2遙感影像的獲取及處理

本研究通過高分辨率SPOT遙感影像(時間為2013年4月15日，分辨率為1 m)解譯出研究區內不同土地利用方式(表1)。解譯方法選用監督分類法，對不同土地利用方式分別建立訓練樣本，經過多次訓練，直至分類精度符合要求為止，分類后處理、歸類和篩選均在Erdas 9.2中進行，最終得到不同土地利用現狀圖(圖1)。建筑面積、道路長度統計及空間分析均在ArcGIS 9.3軟件平臺中進行。

圖1　研究區位置及不同土地利用現狀圖Fig.1　Location and different land use types in the study area

不同土地利用DifferentLandUse簡碼Brief-code說明Illustration耕地CroplandCL依靠天然降雨,用于種植水旱輪作的耕地園地GardenG種植花卉等多年生作物的園地或有耕地改為苗圃,固定的林木育苗地林地WoodLandWL樹木郁閉度≥10%但<20%的疏林地棄耕地IdleLandIL表層為土質,生長雜草城市綠地UrbanGreenLandUGL城市綠化用地住宅用地ResidentialLandRL指農村宅基地

參照《全國土地分類標準》(GB/T21010-2007)及《中華人民共和國行業標準城市綠地分類標準》(CJJT85-2002)

1.3土樣采集與分析

1.4數據處理與分析

統計區域面積是通過ArcGIS 9.3緩沖分析模塊并結合實地調查，以采樣點為圓心500 m為半徑的圓形范圍，建筑面積與道路長度均以圓形范圍內總面積和總長度計算。其中建筑密度，道路密度采用如下公式計算得到[15- 16]：

建筑密度(%)=建筑面積/統計區域面積

(1)

道路密度(km/km2)=道路長度/統計區域面積

(2)

空間分布圖利用ArcGIS 9.3軟件平臺，選用空間內插方法，地統計分析模塊(Geostatistic)，普通克呂格內插法(Odinary Kriging)進行插值[17]，其中用于計算半方差值的公式如下：

(3)

式中，Z(xi)代表在xi處的氮素含量，γ(h)是以間隔滯后距離為h的增量Z(xi)與Z(xi+h)之間的半方差，N(h)是以h為間距的所有觀測點的成對數目。半方差值通過上述公示計算，根據平均預測誤差(MSE)，標準均方根預測誤差(RMSSE)選取最優擬合模型。

常規統計包括K-S(olmogorov-Smirnov)檢驗、方差分析、最小顯著差異法(Least-Significant Difference, LSD)和回歸相關分析，所有統計分析均在統計學軟件SPSS 17.0軟件包中進行。

2結果與討論

2.1描述性統計

表2　土壤氮素描述性統計

① Type of distribution；N：正態分布；S：偏峰態分布；②Standard Deviation；③Coefficient of variation

2.2半方差分析

表3　半方差分析

2.3城鄉交錯帶土壤氮素空間分布特征

通過半方差模型選取最優普通克呂格(OK)插值模型，估算區域土壤氮素含量。參照全國土壤調查1980年制定的土壤全氮分級標準，將土壤氮素分為6個等級[12，20](圖2)。

圖2　城鄉交錯帶土壤氮素空間變異Fig.2　Urban-rural ecotone the spatial variability of soil nitrogen

STN含量高低分布呈中部高南北低的態勢，城區STN含量低于近郊STN含量，這與Zhu等人的研究一致[21]，表明城市分布對土壤氮素含量有影響[8]。南北城市發展圈STN含量處于中等偏下水平(1.0—1.3 g/kg)，STN含量較高區域(>1.5 g/kg)主要分布在中部(圖2)。這是因為研究區中部多分布園地與耕地，園地多種植樹苗，而采樣期在春季之后，且園地樹木的施肥已經完成，因此全氮表現出較高水平。其中耕地為稻蒜、稻麥輪作形式，對不同輪作方式下的施肥管理是導致其表現出較高的全氮水平的原因[18]。STN呈片狀分布，由于本研究尺度相對較小[18]，片狀分布較明顯。

2.4土壤氮素空間分布的影響因素

2.4.1不同土地利用對土壤氮素的影響

城鄉交錯帶處在城市的邊緣，土地利用變化劇烈[2- 3]，這種變化會引起土壤中氮的強烈變化[9]，其過程則是通過不同的耕作、輪作管理水平以及植被覆蓋類型等造成土壤中氮素的差異分布[9，22- 23]。不同土地利用方式土壤氮素的方差分析表明(表4)，STN含量在不同土地利用方式中差異顯著(P<0.05)，其中蔬菜地STN含量最高(>1.8 g/kg)，其次是油菜地、園地和林地(1.5—1.8 g/kg)，而大蒜地和棄耕地STN含量相對適中(1.0—1.5 g/kg)，住宅用地和城市綠地中STN平均含量相對較低(<1 g/kg)。蔬菜地中STN含量最高可能是城郊大量無機肥和有機肥共同施用的結果[18]，這與孔祥斌等人的研究類似[9]。油菜地STN平均含量表現較高水平可能是因為油菜地大都臨近居民點，頻繁的耕作施肥管理使得STN水平較高。園地和林地則是因為園林花卉植物的栽種，耕作減少，土壤有機質積累，而出現相對較高的全氮含量。由于采樣期為大蒜收獲期，大蒜在起蒜期需肥量大消耗了土壤中大量氮素養分，由此出現STN含量適中的情況。而棄耕地由于研究區在城市的擴張下，臨近城市的耕地列為規劃用地，由此閑置下來成為棄耕地，多年生草本植物替代了原有大蒜、油菜等作物，且土地缺乏人為管理，植株生長矮小，有機質積累少導致STN含量較低。研究區內廢棄的宅基地上覆蓋有水泥、石板等硬覆蓋，這些硬覆蓋對土壤進行壓實，且不生長作物，所以STN的含量較低，這與Steve等人研究結果類似[11]。城市綠地土壤在形成初期混入大量建筑垃圾，使得土壤機械組成破壞嚴重[22]，且城市綠地內植被覆蓋類型單一，從而土壤中全氮含量相對較低。

表4　不同土地利用方式下土壤氮素含量

同一列不同小寫字母表示顯著水平P<0.05

2.4.2建筑密度對土壤氮素分布的影響

建筑面積的增加會對其周圍溫度[25]，植被及地表徑流[26]造成影響，使得其周圍土壤溫度，植被及水環境發生變化而影響相應土壤氮循環途徑[27]，進而影響到土壤氮素的空間分布。

圖3　建筑密度與土壤氮素的相關性Fig.3　Correlation between building density and soil nitrogen

2.4.3道路密度對土壤氮素分布的影響

研究表明，道路的分布對城鄉交錯帶土地利用及景觀生態都具有重要影響[15，28]，破碎化的景觀分布導致了植被種類的差異[29]，而這些會進一步影響到土壤氮循環及土壤氮的空間分布。

圖4　道路密度與土壤氮素的相關性Fig.4　Correlation between road density and soil nitrogen

3結論

參考文獻(References):

[1]Cash C. Towards achieving resilience at the rural-urban fringe: the case of Jamestown, South Africa. Urban Forum,2014,25(1):125- 141.

[2]Haregeweyn N, Fikadu G, Tsunekawa A, Tsubo M, Meshesha D T. The dynamics of urban expansion and its impacts on land use/land cover change and small-scale farmers living near the urban fringe: A case study of Bahir Dar,Ethiopia. Landscape and Urban Planning,2012,106(2):149- 157.

[3]Bittner C, Sofer M. Land use changes in the rural-urban fringe:An Israeli case study.Land Use Policy,2013,33:11- 19.

[5]Chen Y J, Day S D, Shrestha R K, Strahm B D, Wiseman P E. Influence of urban land development and soil rehabilitation on soil atmosphere greenhouse gasfluxes. Geoderma,2014,226- 227:348- 353.

[6]Ding Y, Wang W, Song X S, Wang Y H. Spatial distribution characteristics of environmental parameters and nitrogenous compounds in horizontal subsurface flow constructed wetland treating high nitrogen content wastewater. Ecological Engineering,2014,70:446- 449.

[7]Fan J, Wang J Y, Hu X F, Chen F S.Seasonal dynamics of soil nitrogen availability and phosphorus fractions under urban forest remnants of different vegetation communities in Southern China. Urban Forestry & Urban Greening, 2014, 13(3): 576- 585.

[8]Chen F S, Fahey T J, Yu M Y, Gan L. Key nitrogen cycling processes in pine plantations along a short urban-rural gradient in Nanchang, China. Forest Ecology and Management,2010,259(3):477- 486.

[9]孔祥斌, 張鳳榮, 王茹, 徐艷. 城鄉交錯帶土地利用變化對土壤養分的影響——以北京市大興區為例,地理研究,2005,24(2):213- 221.

[10]Raciti S M, Burgin A J, Groffman P M, Lewis D N, Fahey T J. Denitrification in suburban lawn soils. Journal of Environment Quality,2011,40(6):1932- 1940.

[11]Raciti S M, Hutyra L R, Finzi A C. Depleted soil carbon and nitrogen pools beneath impervious surfaces. Environmental Pollution,2012,164:248- 251.

[12]Hu K L, Wang S Y, Li H, Huang F, Li B G. Spatial scaling effects on variability of soil organic matter and total nitrogen in suburban Beijing. Geoderma,2014,226- 227:54- 63.

[13]于向華, 張明. 氯化鉀浸提法測定土壤中銨態氮含量條件研究.農業科技與裝備,2013,(3):11- 12.

[14]宋歌, 孫波, 教劍英. 測定土壤硝態氮的紫外分光光度法與其他方法的比較.土壤學報, 2007,44(2):288- 293.

[15]Lin S C. The ecologically ideal road density for small islands:The case of Kinmen. Ecological Engineering,2006,27(2):84- 92.

[16]李錦業, 張磊, 吳炳方, 馬新輝. 基于高分辨率遙感影像的城市建筑密度和容積率提取方法研究.遙感技術與應用,2007,22(3):309- 313.

[17]Oliver M A, Webster R.A tutorial guide to geostatistics: Computing and modelling variograms and kriging. CATENA,2014,113:56- 69.

[18]陳肖, 張世熔, 黃麗琴, 代英, 吳若玉. 成都平原土壤氮素的空間分布特征及其影響因素研究.植物營養與肥料學報,2007,13(1):1- 7.

[19]Tesfahunegn G B, Tamene L, Vlek P L G. Catchment-scale spatial variability of soil properties and implications on site-specific soil management in northern Ethiopia. Soil and Tillage Research,2011,117:124- 139.

[20]Huang H B, Ouyang W, Guo B B, Shi Y D, Hao F H. Vertical and horizontal distribution of soil parameters in intensive agricultural zone and effect on diffuse nitrogen pollution. Soil & Tillage Research,2014,144:32- 40.

[21]Zhu W X, Carreiro M M. Temporal and spatial variations in nitrogen transformations in deciduous forest ecosystems along an urban-rural gradient. Soil Biology and Biochemistry, 2004, 36(2): 267- 278.

[22]Zhao Y G, Zhang G L, Zepp H, Yang J L. Establishing a spatial grouping base for surface soil properties along urban rural gradient—A case study in Nanjing, China. CATENA ,2007,69(1):74- 81.

[23]Melero S, López-Bellido R J, López-Bellido L, Muoz-Romero V, Moreno F, Murillo J M. Long-term effect of tillage, rotation and nitrogen fertiliser on soil quality in a Mediterranean Vertisol. Soil and Tillage Research, 2011, 114(2): 97- 107.

[24]Xue Z J, Cheng M, An S S.Soil nitrogen distributions for different land uses and landscape positions in a small watershed on Loess Plateau, China. Ecological Engineering, 2013, 60: 204- 213.

[25]Perini K, Magliocco A.Effects of vegetation, urban density, building height, and atmospheric conditions on local temperatures and thermal comfort. Urban Forestry & Urban Greening, 2014, 13(3): 495- 506.

[26]Sj?man J D, Gill S E. Residential runoff—The role of spatial density and surface cover, with a case study in the H?je? river catchment, southern Sweden. Urban Forestry & Urban Greening,2014,13(2):304- 314.

[27]張甘霖, 趙玉國, 楊金玲, 趙文君,龔子同. 城市土壤環境問題及其研究進展.土壤學報,2007,44(5):925- 933.

[28]劉世梁, 溫敏霞, 崔保山, 楊敏. 基于網絡特征的道路生態干擾——以瀾滄江流域為例.生態學報,2008,28(4):1672- 1680.

[29]Hayasaka D, Akasaka M, Miyauchi D, Box E O, Uchida T. Qualitative variation in roadside weed vegetation along an urban-rural road gradient. Flora - Morphology, Distribution, Functional Ecology of Plants, 2012, 207(2): 126- 132.

[30]Spooner P G, Smallbone L. Effects of road age on the structure of roadside vegetation in south-eastern Australia. Agriculture, Ecosystems and Environment,2009,129(1/3):57- 64.

Spatial distribution of soil nitrogen in an urban-rural fringe and its influencing factors

CHEN Qingsong1,2, Li Ting1,2,*, ZHANG Shirong1,2, LIU Xulan1,2, LUAN Mingming1,2

1CollegeofResourceandEnvironment,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu611130,China2KeyLaboratoryofSoilEnvironmentProtectionofSichuanProvince,Chengdu611130,China

Abstract：Urban-rural fringe is a special zone that evolved from the suburbanization accompanying intensified land use changes from agricultural to non-agricultural land. Nitrogen in the soil of urban-rural fringe is an important nitrogen source and sink for urban and suburban ecosystems. The nitrogen content changes not only affect greenhouse gas emissions, but also threaten plant nitrogen supply and water ecosystems. However, in suburb urbanization, the proportion of non-agricultural land, construction land, and road land exhibited a successive increase. Currently, the mechanism of spatial distribution of soil nitrogen, caused by an increase in non-agricultural land, remains unclear. In the present study, the 3S platform was used to investigate the spatial distribution of soil nitrogen and its influencing factors in the urban-rural fringe of the western suburbs of Chengdu. Results showed that the average contents of soil total nitrogen (STN), nitrate -N), and ammonium -N) were (1.46±0.06) g/kg, (50.04±3.59) and (6.72±0.53) mg/kg, respectively. In the investigated region, average content of soil nitrogen gradually increased from the inner to the outer suburbs. The STN and -N distribution in the inner suburbs were higher than those of the northern and southern areas. High STN(>1.5 g/kg) and soil -N(> 62.2 mg/kg) values presented mass distribution in the eastern suburbs. In addition, -N in soil gradually increased from the northwest or southeast to the center, and the high values(> 8.5 mg/kg) presented irregular piece distribution in the eastern suburbs. Analysis of variance (ANOVA) showed that the difference of STN, NO3-N, and -N contents were significant under different land use patterns (P < 0.01). The STN content in vegetable fields was the highest (> 1.8 g/kg), followed by rape fields, gardens, and woodland (1.5—1.8 g/kg). Garlic fields and idle land were relatively moderate (1.0—1.5 g/kg), and residential land and urban green land were relatively low (< 1.0 g/kg). -N content was ranked as residential land > vegetable field > garlic field > garden > rape field > idle field > woodland > urban green land. -N content was ranked as vegetable field > woodland > garden > rape field > garlic field > residential land > idle field > urban green land. Correlation analysis indicated that average STN content and building density (BD) showed a negative linear correlation (P <0.05), and similar linear correlation was also observed between STN and road density (RD) (P < 0.05). -N content in soil and road density showed a negative correlation (P = 0.001). However, the correlation was not significant between -N and the building density (P = 0.217) after being analyzed using different curve models. -N content and building density showed a significant negative linear correlation (P = 0.001), and a significant exponential correlation existed in -N content and the road density (P = 0.021). Therefore, a significant effect on the development of urban distribution of soil nitrogen was observed, that was potentially strengthened by increasing road lengths and building areas. It can be suggested that the monitoring and management of soil nitrogen should be enhanced, and the cycling of soil nitrogen, atmospheric nitrogen, and water nitrogen should be investigated in future studies.

Key Words:urban-rural fringe; soil nitrogen; spatial distribution; influencing factors

基金項目:國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAD14B18-2)

收稿日期:2014- 10- 08; 網絡出版日期:2015- 08- 24

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: lt_sicau@163.com

DOI:10.5846/stxb201410081969

陳青松, 李婷, 張世熔, 劉續蘭, 欒明明.城鄉交錯帶土壤氮素空間分布及其影響因素.生態學報,2016,36(8):2133- 2141.

Chen Q S, Li T, Zhang S R, Liu X L, Luan M M.Spatial distribution of soil nitrogen in an urban-rural fringe and its influencing factors.Acta Ecologica Sinica,2016,36(8):2133- 2141.