土壤硝酸鹽氮的空間變異特征及影響因素分析

張玉玲，司超群，陳志宇，初文磊，陳在星，王 璜

吉林大學環(huán)境與資源學院/水資源與環(huán)境研究所，長春 130021

0 引言

近年來，隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)生的環(huán)境污染問題(如：工業(yè)廢水和生活污水的排放、農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥的使用、人畜糞便的排放、污染物填埋、化石燃料的泄漏等)日益嚴重，導致土壤和地下水中硝酸鹽的濃度不斷增加[1-5]，進而對生態(tài)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生嚴重的影響[6-7]。土壤硝酸鹽氮的分布一般具有空間變異性，系統(tǒng)地研究土壤硝酸鹽氮的空間變異特征，對于農(nóng)業(yè)施肥及地下水-土生態(tài)安全具有重要的現(xiàn)實意義。

土壤的空間變異性研究興起于20世紀70年代，Burgess等[7]將地統(tǒng)計學的方法引入土壤科學研究領域，其研究理論基礎為地質統(tǒng)計學。隨后土壤空間變異性研究經(jīng)歷了從土壤物理性質逐步擴展至化學性質以及其他相關方面研究的變化[8-11]。目前常用的空間變異分析方法主要包括描述性統(tǒng)計分析、變異特征分析、趨勢及插值圖分析等[12]。地質統(tǒng)計學分析擁有將土壤性質與其地理位置坐標組合分析的功能，通過變異函數(shù)模擬出土壤理化性質的空間分布模型，并預測其他未知區(qū)域的相關狀況，從而揭示出土壤理化性質的區(qū)域化空間分布特征[13-14]。但是對于相對復雜的土壤變異系統(tǒng)，常規(guī)的空間變異分析手段往往無法準確模擬這類土壤理化特性多尺度、多過程的空間變異性，尤其是局部的變異信息，而分形理論被認為可作為復雜土壤空間變異性定量化描述的有效工具[15-16]。基于以上考慮，本文通過結合常規(guī)空間變異分析方法與分形理論分析方法對比分析東北某農(nóng)灌區(qū)土壤中硝酸鹽氮空間變異性特征，從而更加科學地分析土壤硝酸鹽氮空間變異規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于我國東北地區(qū)南部，總體地勢由東北向西南逐漸降低，地面高程平均為 35～50 m，屬于溫帶季風氣候，年平均氣溫6.2～9.7 ℃。區(qū)內(nèi)地貌類型東部為丘陵地貌，其他地區(qū)均為第四系松散堆積物所覆蓋。第四系堆積物自東向西逐漸增厚，顆粒由礫石逐漸變?yōu)榇稚啊⒅猩啊⒓毶啊Ｑ芯繀^(qū)內(nèi)廣泛分布第四系松散巖類孔隙水，含水巖組主要包括上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)沖洪積層兩部分含水層[17-18]。全新統(tǒng)沖洪積含水層主要分布于渾河高低漫灘區(qū)，巖性為砂礫石、砂卵石，平均厚度為 20～50 m；地下水位埋深在靠近渾河地區(qū)為5.0～7.0 m，市區(qū)則多為 12.0～22.0 m，單位涌水量為10.0～30.0 L/(s·m)；其補給主要來源于渾河滲透、大氣降水與地下徑流，該層位地下水也是城市供水的主要開采層位。上更新統(tǒng)沖洪積砂礫石孔隙微承壓水含水層主要分布于渾河的南、北一級階地，巖性為砂礫石、砂卵石，厚度為10.0～28.0 m；其地下水位埋深在渾河北岸的東部普遍為 12.0～16.0 m，西部為8.0～26.0 m，南岸為 5.0～9.0 m；單位涌水量10.0～15.0 L/(s·m)；其補給主要來源于地下徑流、大氣降水和灌溉水入滲。

2 樣品采集和分析

2.1 樣品采集和分析測試方法

本次采樣斷面共有5個，編號分別為斷面1—斷面5，采樣位置均勻分布在整個斷面上。采樣分為4層，第一、二、三、四層對應深度分別為0～1、1～2、2～3、3～4 m。采樣過程為避免時間影響，對不同類型土壤的采樣工作在4—11月完成。采樣點位置分布如圖1所示，每個斷面具體采樣如圖2所示，采樣點標號N-1-1-1為第一斷面渾河北側第一采樣點第一層土壤樣品，其余編號類推。采樣工具：麻花鉆、汽油沖擊鉆(沈陽地調中心)、鐵鍬、鐵鏟、小鏟以及適合特殊采樣要求的工具等。每個樣品采集1.0 kg左右，裝入樣品布袋，潮濕樣品可內(nèi)襯塑料袋或將樣品置于玻璃瓶內(nèi)。

土壤硝酸鹽氮測試方法采用ISO/TS14265-1∶2003土壤硝酸鹽氮-氯化鉀溶液提取-分光光度法[19]，其中采用的分光光度計檢出限為0.250 mg/kg。

2.2 土壤硝酸鹽氮空間變異及影響因素分析方法

通過選用極小值、極大值、平均值、標準差、變異系數(shù)、偏差、峰度的描述統(tǒng)計方法，描述不同層位土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)的分布，其中標準差與變異系數(shù)可反映出數(shù)據(jù)的變異程度，平均值與偏差則可描述出數(shù)據(jù)的中心趨向及分布概況。選擇半方差分析中擬合最好的理論模型進一步獲取不同層位土壤硝酸鹽氮的地統(tǒng)計參數(shù)。采用GS+9.0軟件對不同層位土壤硝酸鹽氮數(shù)據(jù)進行分形分析，通過三維透視圖從不同視角分析采樣數(shù)據(jù)集的全局趨勢，通過Arcgis10.0的克里格插值圖分析土壤硝酸鹽氮的平面分布特征，并與趨勢分析進行對比；在此基礎上，分析有機質、土地利用類型、土壤質地對土壤硝酸鹽氮空間變異性的影響。

圖1 研究區(qū)土壤采集點和土地利用類型分布特征Fig.1 Distribution characteristics of soil sampling sites and land use types in the study area

圖2 細河和渾河剖面上的采樣點斷面圖Fig.2 Sampling point section map of Xihe River and Hunhe River

3 結果與討論

3.1 土壤硝酸鹽氮空間變異分析

3.1.1 分層描述統(tǒng)計

土壤科學中一般采用變異系數(shù)值對土壤性質變異程度進行分類：變異系數(shù)≤10%，表明空間相關性強、變異性弱；變異系數(shù)為10%～100%，表明空間相關性中等、變異性中等；變異系數(shù)>100%，表明空間相關性較弱、變異性強。

由表1可知:第一層位土壤的硝酸鹽氮質量分數(shù)為0.13～15.47 mg/kg，平均值為5.23 mg/kg，變異系數(shù)為82.88%，屬中等變異性，表明硝酸鹽氮質量分數(shù)存在一定的變異性；同理其他各層數(shù)據(jù)都表明土壤硝酸鹽氮數(shù)據(jù)存在中等變異性。運用地統(tǒng)計學測算變異函數(shù)時，數(shù)據(jù)一般要求符合正態(tài)分布[20]。因此先對分層數(shù)據(jù)進行頻率直方圖分析，分析是否符合正態(tài)分布規(guī)律。結果表明，原始數(shù)據(jù)所形成的直方圖對稱性不明顯，土壤硝酸鹽氮數(shù)據(jù)的峰度與偏差值均較大，需對數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉換。對數(shù)轉換后的硝酸鹽氮質量分數(shù)服從正態(tài)分布，因此可以進行地學統(tǒng)計分析。

3.1.2 變異特征分析

通過對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計描述可知，土壤硝酸鹽氮具有較強的空間變異性，選擇半方差分析中擬合最好的理論模型(圖3)，獲得不同層位土壤硝酸鹽氮地統(tǒng)計參數(shù)(表2)。

塊金值反映的是最小抽樣尺度以下變量的變異性及測量誤差；基臺值表示變量的最大變異程度，這種變異通常來自于系統(tǒng)內(nèi)部；塊金值/基臺值表示空間相關性[12,21-22]。由表2可知，不同層位的土壤硝酸鹽氮在其最優(yōu)擬合模型下的塊金值/基臺值多數(shù)小于25.0%(第四層略大)，顯示出強烈的空間相關性，表明土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)的空間變異主要受結構性因素的影響。

3.1.3 分形分析

通過G3+9.0軟件的分形分析，不同層位土壤硝酸鹽氮數(shù)據(jù)及不同角度的分形維度如表3所示。

由表3可知：第一層土壤硝酸鹽氮在南北方向上(0°)接近于1.000，這說明該層位土壤硝酸鹽氮在南北向空間上存在嚴格的自相關性，空間變異的結構性成分比例較高，而其他方向上分形維數(shù)均大于1.500，表明硝酸鹽氮在這些方向上的具有較高的隨機性；第二、三層位土壤硝酸鹽氮分形維數(shù)在南北向上則接近1.500，表明該方向上的土壤硝酸鹽氮空間變化接近分形布朗運動，同理其他方向上硝酸鹽氮空間變化具有較高的隨機性；第四層土壤硝酸鹽氮在各方向上都具有較高的隨機性。分形分析得到的一個重要結論是，土壤硝酸鹽氮的空間變化同時受到結構性因素和隨機性因素的共同影響，而隨機性因素主要來源于人類活動，同時也表明了土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)的強烈各向異性。

表1 土壤硝酸鹽氮數(shù)據(jù)分層描述統(tǒng)計結果

圖3 不同層位土壤硝酸鹽氮半方差分布Fig.3 Distribution of nitrate nitrogen in different horizons

層位模 型塊金值/10-3基臺值/10-3塊金值/基臺值/%決定系數(shù)/10-2變程一spherical球形模型0.1198.00.525.123.5二spherical球形模型31.8316.610.021.320.6三exponential指數(shù)模型27.5234.011.74.319.2四exponential指數(shù)模型117.0454.025.739.91232.0

表3不同層位土壤硝酸鹽氮的不同角度分形維度

Table3Nitratedataindifferenthorizonsanddifferentfractaldimensions

層位分形維數(shù)0°45°90°135°一1.0221.9311.6521.758二1.3471.8551.9801.835三1.4071.7681.9871.673四1.6921.9721.6971.912

3.1.4 趨勢分析

趨勢分析可以提供研究區(qū)采樣點及以其屬性值為高度的三維透視圖，從不同視角分析采樣數(shù)據(jù)集的全局趨勢，結果如圖4所示。由圖4可知，4層都表現(xiàn)為由西向東遞減、南北向向中間遞增的特點。由西向東遞減是由于研究區(qū)以東為城區(qū)，以西主要為農(nóng)業(yè)區(qū)；南北向特點可能是由于渾河中下游、細河水質中氨氮以及亞硝酸鹽超標，因而導致其附近土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)偏大。不同層位土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)趨勢統(tǒng)一性表明其主要的控制因素是一致的。

藍線和綠線分別為南北向和東西向土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)變化的趨勢線。東方向與x軸正方向一致，北方向與y軸正方向一致，z軸代表硝酸鹽氮質量分數(shù)大小。圖4 不同層位土壤硝酸鹽氮趨勢分析圖Fig.4 Analysis of nitrate trend in different horizons

3.1.5 克里格插值圖分析

通過對土壤硝酸鹽氮數(shù)據(jù)進行插值圖分析，可以從平面上更直觀地反映土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)的分布。由于不同層位的趨勢是類似的，選取表層土壤硝酸鹽氮數(shù)據(jù)做克里格插值，如圖5所示。由圖5可知：總體土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)由西側農(nóng)田向東側城區(qū)逐漸遞減；由南向北，在渾河中下游以及細河附近土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)偏高，與趨勢分析相互印證。

3.2 土壤硝酸鹽氮空間變異性影響因素分析

3.2.1 有機質質量分數(shù)

土壤中有機質質量分數(shù)增多，有助于提高土壤凈化能力和土壤的團聚性，增加土壤環(huán)境容量。土壤的吸附量與有機質質量分數(shù)顯著相關[23]。本文對土壤有機質質量分數(shù)進行趨勢性分析，結果如圖6所示。由圖6可知，不同層位土壤有機質空間變化與土壤硝酸鹽氮空間趨勢比較一致：由西向東降低、由南北兩側向中間遞增。結合研究區(qū)土地利用類型分析土壤中硝酸鹽氮的主要來源，其主要有兩個方面：1)有機氮降解形成銨鹽經(jīng)過硝化作用生成硝酸鹽；2)直接通過氮肥硝化作用形成。因此在有機質質量分數(shù)高的地方硝酸鹽氮質量分數(shù)往往也較高，同時硝酸鹽在土壤中經(jīng)歷反硝化生物化學作用，消耗有機質，硝酸鹽氮轉化為氮氣。

3.2.2 土地利用

土地利用類型是人們根據(jù)自身生產(chǎn)生活的需要，對土地進行不同用途開發(fā)利用的社會產(chǎn)物[24-25]。其在改造土地自然屬性的同時，不同的土地利用類型對土壤理化性質的影響也存在差異。根據(jù)不同樣點以及不同層位的土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)，結合土地利用類型，對土壤硝酸鹽氮進行分析，結果如表4所示。

選取研究區(qū)46個采樣點，所涉及到的土地利用類型有水田、旱田、工業(yè)用地、林地，其中以旱田取樣點最多，工業(yè)用地最少。不同的土地利用類型中,土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)平均值差異表現(xiàn)為水田中硝酸鹽氮質量分數(shù)小于其余類型(表4)，這可能與水流遷移特征有關：在水田區(qū)由于大量灌溉水形成徑流，土壤中硝酸鹽氮也隨著水流而遷移，從而表現(xiàn)為水田灌區(qū)土壤硝酸鹽氮低值，這也是目前農(nóng)業(yè)面臨的氮流失導致的面源污染問題；其余土壤類型中以工業(yè)用地土壤中硝酸鹽氮質量分數(shù)最高，這可能與工業(yè)污、廢水以及廢渣堆放有關。

通過描述不同土地利用類型垂向上土壤硝酸鹽氮的分布特征，可以更加清晰地對比出不同類型的土地利用會影響其土壤中硝酸鹽氮的分布及運移特征(圖7)：水田環(huán)境中的土壤硝酸鹽氮總體隨著深度呈線性遞減，在第四層土壤處個別數(shù)據(jù)略有回升；旱田和工業(yè)用地環(huán)境中的土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)在表層向下遞減后有明顯回升現(xiàn)象；林地環(huán)境中的土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)總體隨深度向下遞減。這與它們各自所處的環(huán)境特點有關：水田處于長時間蓄水狀態(tài)，近表層土壤都處于飽和狀態(tài)，因而一定時期處于還原環(huán)境，在還原狀態(tài)下，氮肥中無機氮幾乎全部以氨態(tài)氮存在，容易被土壤膠體吸附，不易流失，即使存在的少量硝酸鹽氮也會隨著灌溉水流流失；旱田及林地皆為地表面不蓄水狀態(tài)，因而在近表層土壤中硝酸鹽氮質量分數(shù)比水田要高；工業(yè)用地受工業(yè)活動污染，因而近表層土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)較高，受反硝化作用影響隨深度向下遞減，在第四層土壤微生物活動受抑制以及累積作用有明顯回升現(xiàn)象。

圖5 表層土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)分布圖Fig.5 Plane distribution of nitrate data in surface soil

藍線和綠線分別為南北向和東西向土壤有機質質量分數(shù)變化的趨勢線。東方向與x軸正方向一致，北方向與y軸正方向一致，z軸代表有機質質量分數(shù)大小。圖6 不同層位有機質趨勢分析Fig.6 Trend analysis of organic matter in different horizons

表4不同層位以及不同土地利用類型土壤中硝酸鹽氮質量分數(shù)平均值

Table4Averagenitratenitrogeninsoilsofdifferenthorizonsanddifferentlandusetypes

土地利用類型取樣點數(shù)平均硝酸鹽氮質量分數(shù)/(mg/kg)一層二層三層四層水田102.853.181.282.65旱田195.744.013.844.46工業(yè)用地57.724.614.166.69林地125.823.873.843.03

3.2.3 土壤質地

土壤質地是根據(jù)土壤顆粒組成劃分的土壤類型。土壤質地一般分為砂土、壤土和黏土3類，其類別和特點主要是繼承了成土母質的類型和特點。本次對取樣點不同層位所處的土壤質地進行統(tǒng)計，如表5所示。砂土缺少黏粒和有機質，保持氮肥的能力弱，且施用的氮肥料易隨雨水流失，因此，在砂土上種植農(nóng)作物一般都會增施有機肥，并且由于砂土通透性好，有機氮肥易氧化形成硝酸鹽；黏土則有機質質量分數(shù)較高，大多土壤養(yǎng)分不易被雨水和灌溉水淋失，保持氮肥性能好，但由于遇雨或灌溉時，往往水分在土體中難以下滲而導致排水困難形成還原條件，加上有機質質量分數(shù)豐富，使得硝酸鹽氮容易被還原；而壤土則兼有砂土和黏土的優(yōu)點，有利于保持硝酸鹽氮。

對幾個穿過不同土壤質地取樣點土壤硝酸鹽氮做垂向分布圖，結果如圖8所示：土壤硝酸鹽氮在壤土與黏土相交的界面達到極大值，以上為硝酸鹽氮累積的結果，以下則由于黏土的滲透性弱加之處于還原條件，硝酸鹽氮無法得到累積(圖8a)；而壤土與砂土交互的土層，垂向上隨深度增大，土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)雖略有回升，但總體上呈向下遞減的趨勢，證明了壤土由于自身特性具有保持硝酸鹽氮的能力(圖8b)。

表5 不同土壤質地硝酸鹽氮質量分數(shù)平均值

圖7 不同土地利用類型的土壤硝酸鹽氮的垂向分布Fig.7 Vertical distribution of nitrate in different land use types

圖8 不同土壤質地的取樣點土壤硝酸鹽氮的垂向分布圖Fig.8 Vertical distribution map of nitrate in soil samples of different soil textures

4 結論

1)土壤硝酸鹽氮的空間變異性顯著。4層中第一層土壤的硝酸鹽氮質量分數(shù)較高，為0.13 ～ 15.47 mg/kg，平均值為5.23 mg/kg；整體上，從上到下，變異系數(shù)增大，在82.88%以上，分析其正態(tài)分布性時，可以利用地學統(tǒng)計分析法，對數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉換。

2)土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)的空間變異特征同時受到了結構性因素和一定的隨機因素的影響，土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)的空間變化具有強烈的各向異性。第一層土壤硝酸鹽氮在南北向空間上存在嚴格的自相關性，空間變異的結構性成分比例較高；第二、三層位土壤硝酸鹽氮空間變化接近分形布朗運動；第四層位土壤硝酸鹽氮在各方向上都具有較高的隨機性。總體土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)由西側農(nóng)田向東側城區(qū)逐漸遞減；由南向北，在渾河中下游以及細河附近土壤硝酸鹽氮質量分數(shù)偏高。

3)不同影響因素對于土壤硝酸鹽氮的空間變異特征影響不一致。土壤有機質與硝酸鹽氮質量分數(shù)的空間分布趨勢相吻合，有機質質量分數(shù)高的地區(qū)在土壤通透性良好的情況下硝酸鹽氮質量分數(shù)也相應較高；不同土地利用類型分析表明土壤中硝酸鹽氮質量分數(shù)受到土地使用過程中的施肥以及灌溉特點影響；土壤質地的不同導致其保持硝酸鹽氮能力不同，并且由于質地不同通透性差異也會導致硝酸鹽氮含量的差異。

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