北方土石山区横坡垄作坡面土壤氮的空间分布特征.pdf

69中国土壤与肥料2023（7）doi：10.11838/sfsc.1673-6257.22326北方土石山区横坡垄作坡面土壤氮的空间分布特征安娟1*，宋红丽1，类宏程2，窦永辉1，周旭1（1山东省水土保持与环境保育重点实验室，临沂大学资源环境学院，山东 临沂 276005；2蒙阴县云蒙湖生态区管理委员会，山东 临沂 276005）摘要：横坡垄作是坡耕地广泛采用的水土保持措施，垄沟内雨水的汇聚和泥沙沉积，使得土壤氮的空间分布特征明显有别于传统耕作坡面。以北方土石山区横坡垄作坡面为研究对象，样带法采集土壤样品，基于经典统计、地统计学、Kriging 插值等方法，分析垄面、垄沟等特征点位全氮（TN）、硝态氮（NO3-N）、铵态氮（NH4+-N）含量沿坡位变化及其剖面分布，明晰横坡垄作坡面土壤氮的空间分布特征。结果表明：北方土石山区土壤氮含量属于中低水平，变异系数介于 17.64%33.60%，但垄面土壤氮的变异水平高于垄沟。TN 含量沿坡位的变异最为显著，表现为坡下 坡脚 坡中 坡上；仅垄沟 NO3-N、NH4+-N 含量沿坡位存在显著变化，坡脚 NO3-N、NH4+-N 含量较其他坡位显著增加 66.30%83.85%。垄面与垄沟间氮含量的差异在坡上、坡下和坡脚体现的较为明显；与垄沟相比，垄面坡上 TN 含量减少 21.34%，坡脚 NO3-N 和 NH4+-N 含量减少 17.42%37.47%，坡下土壤氮含量增加 21.56%38.16%。TN 剖面分布与坡位和特征点位有关，NO3-N、NH4+-N 的剖面分布主要受控于特征点位，但氮含量剖面分布符合指数函数关系。综上，横坡垄作坡面土壤氮空间异质性明显，且主要受控于特征点位和坡位。研究结果可为提高横坡垄作措施下氮肥利用效率、精准农业的顺利推广提供技术支撑。关键词：土壤氮；垄面与垄沟；坡位；空间分布；横坡垄作收稿日期：2022-05-26；收稿日期：2022-06-16基金项目：水利部黄土高原水土保持重点实验室开放课题（WSCLP202103）；国家自然科学基金面上项目（41977067）。作者简介：安娟（1982-），教授，博士，主要从事土壤侵蚀机理研究。E-mail：。同时为通讯作者。横坡垄作是在坡耕地上沿等高线耕作，沟垄相间，因能拦蓄雨水、增加就地入渗、减少地表径流和土壤流失1，成为东北黑土区、北方土石山区、西南土石山区、南方红壤丘陵区等区域广泛分布的耕作措施2。但横坡起垄时，垄沟方向会偏离等高线，致使垄沟内易形成低洼区域，从而诱发垄沟内雨水的汇聚和泥沙沉积。积水引发侧向二维入渗，致使土壤氮发生垂直和侧向运移。同时，垄沟内低洼处泥沙沉积导致土壤氮的“富集”，但在径流作用下会被再次侵蚀与输移，形成“富集”与“迁移”交替局面。横坡垄作坡面土壤氮迁移的二维性、富集/迁移的交替性，可造成垄面、垄沟等特征点位土壤氮分布的差异，进而使得土壤氮空间分布特征明显有别于传统耕作坡面。此外，土壤氮作为表征耕地质量和土壤肥力的关键指标之一，易受到坡位、坡度等地形因素的影响3-4，而呈现出高度的空间变异特性。这使得横坡垄作坡面土壤氮的空间异质性更为复杂。明确横坡垄作坡面土壤氮空间分布特征是实现该措施下精准农业的基础5，同时可为土壤质量的改良和恢复提供重要理论依据。目前，国内学者主要是利用地统计学、地理信息系统（GIS）等手段解析土壤氮在区域尺度上的空间分布异质性，如：黄土高原区、东北黑土区、紫色丘陵区、沙漠地带、喀斯特地区等6-11，并探析了田间管理（施肥、耕作方式）、土地利用方式、地形等因素对土壤氮空间分布的影响12-17，但忽略了小尺度微地形下的土壤氮的空间差异性。针对坡面尺度上土壤氮的研究主要集中于土壤氮随径流、泥沙的迁移规律与流失形态18-21，关于横坡垄作措施下坡面尺度上土壤氮的空间异质性尚不明确。鉴于中国坡耕地面临的土壤质量下降的严峻形势及田间精准农业的全面推广，急需针对坡耕地小尺度上土壤氮的空间变异进行深入研究，尤其是被广泛应用的横坡垄作措施下土壤氮的空间异质性。北方土石山区地表土石混杂、石多土少，地面极易砂砾化或石化，渗透性强、土壤涵蓄水能力差，土壤养分贫瘠，山丘区耕地土层一半以上不到 50cm22，是中国水土流失治理的重点区域23。70中国土壤与肥料2023（7）此外，为获取农业高产，该区农民大量添加以 N、P 为主的肥料，化肥年平均施用水平达 482kg/hm2，远超发达国家设置的 225kg/hm2安全上限。因此，本研究以北方土石山区横坡垄作坡面为研究对象，样带法采样，采用经典统计学、地统计学相结合的方法，探究垄面、垄沟等特征点位不同坡位处全氮（TN）、硝态氮（NO3-N）、铵态氮（NH4+-N）水平和垂直方向上的分布规律，揭示横坡垄作坡面土壤氮的空间分布特征，以便为北方土石山区农业生产的精细化提供理论依据和科学指导。1 材料与方法1.1 研究区概况北方土石山区主要包括海河流域和淮河流域，总面积约为 58 万 km2，山地丘陵面积达 48%。其中，淮河流域的坡耕地达 84 万 hm2，区内 15 以上的坡耕地平均每年流失 0.5 1.0cm 表土24。沂蒙山区是北方土石山区的典型代表，位于山东省鲁中南低山丘陵区，丘陵山地占 84%25，隶属于淮河流域。研究区位于山东省蒙阴县双河峪小流域（118 7 30 E，35 38 26 N），地处沂蒙山区重要水源地-云蒙湖库区。该小流域总面积2.50hm2，属暖温带大陆季风气候，多年平均气温12.8，平均年降水量 820mm，降雨主要集中于69 月。地貌以低山丘陵为主，土壤以花岗岩发育下的棕壤为主。耕地、园地、林地、荒坡地是该流域主要的土地利用方式，其中耕地占流域总面积的 27.5%。流域内 80%以上的坡耕地采取横坡垄作耕作措施，该措施下的垄宽约为 80cm、垄间距 20cm。流域内广泛采用的横坡垄作措施为沂蒙山区乃至北方土石山区花生、地瓜的典型种植模式。1.2 土壤样品采集及处理以双河峪小流域内典型横坡垄作花生种植坡面为采样对象，该坡面南北长 35m、东西宽 46m。花生收获后，按照条带法在 10、22.5、36m 处设置 3 条采样带，分别在每条采样带的坡上、坡中、坡下和坡脚 4 个坡位相邻50cm的垄沟和垄面处采样。每个样点分7层深度采样：0 5、5 10、10 15、15 20、20 30、30 40 和 40 50cm，并利用罗盘仪测定采样点的坡度。具体采样布设如图 1 所示。采集样品去除地表枯落物、石块等杂质且自然风干后，分别研磨过 0.1 和 0.25mm 筛。过筛后，样品中的TN采用凯氏定氮法测定，NO3-N和NH4+-N经 1mol/LKCl 提取后，在紫外分光光度计上分别采用双波长系数法和氨氮-钠氏比色法进行测定。1.3 数据处理基于 SPSS22.0 对研究区 TN、NO3-N 和 NH4+-N含量进行经典统计学分析，并利用该软件中的方差分析（ANOVA）对坡位间土壤氮含量进行显著性检验，基于最小显著差数法（LSD）开展多重比较，并检验在 0.05 水平上的显著性。采用 Origin8.6 中的单样本非参数检验（Shapiro-Wilk）对采样点土壤氮含量数据进行正态性检验，并利用此软件绘制柱状图和散点图。利用 Surfer12.0（美国 GoldenSoftware）中的克里格方法（Kriging）进行插值，生成土壤氮空间分布等值线图，并绘制土壤氮 3D 曲面图。2 结果与分析2.1 横坡垄作坡面土壤氮的描述性统计特征基于采样点 020cm 土层深度内 TN、NO3-N和 NH4+-N 的含量进行经典统计学分析，获取横坡垄作坡面、垄面、垄沟等特征点位土壤氮的描述性统计特征。分析发现，垄面土壤氮含量的变化明显有别于垄沟。垄面 TN、NO3-N 和 NH4+-N 的含 量 分 别 为 0.39 1.03g/kg、2.88 8.63mg/kg和 7.03 13.31mg/kg（表 1），而垄沟相应含量分别为 0.48 0.86g/kg、3.12 8.07mg/kg 和 5.46 13.54mg/kg。垄面 TN、NO3-N 和 NH4+-N 的平均含量分别为 0.68g/kg、5.06mg/kg 和 9.92mg/kg，较垄沟分别增加 3.67%、5.19%和 7.23%。参照全国土壤养分含量分级标准（TN 中水平 0.75 1.00g/kg，低水平 0.5 0.75g/kg），北方土石山区横坡垄作坡面 TN 含量处于中低水平。因此，北方土石山区 垄面采样点 垄沟内采样点图 1 横坡垄作坡面采样布设 71中国土壤与肥料2023（7）棕壤分布地带需增施氮肥。变异系数可直观反映样本变异大小。垄面 TN、NO3-N 和 NH4+-N 含 量 的 变 异 系 数 为 17.64%33.60%，略高于垄沟（18.10%28.29%），两个特征点位土壤氮的变异均属于中等变异水平（10%CV 50%或相对极差 1.00）。进一步分析发现，垄面 NO3-N 的变异程度最大、TN 次之、NH4+-N 最小；垄沟土壤氮的变异为 NH4+-NNO3-NTN。对于整个坡面，土壤氮的变异隶属于中等变异，且变异程度表现为 NO3-NTNNH4+-N。以上分析说明，横坡垄作坡面TN、NO3-N和NH4+-N均具有一定的空间变异性，且变异程度主要取决于垄面这一特征点位。表 1 土壤氮的统计分析特征点位指标最小值最大值平均值标准差变异系数（%）Shapiro-Wilk（P=0.05）垄面TN（g/kg）0.391.030.680.2028.580.86NO3-N（mg/kg）2.888.635.061.7033.600.46NH4+-N（mg/kg）7.0313.319.921.7517.640.99垄沟TN（g/kg）0.480.860.660.1218.100.76NO3-N（mg/kg）3.128.074.811.2726.400.06NH4+-N（mg/kg）5.4613.549.252.6228.290.55全坡面TN（g/kg）0.391.030.670.1623.650.87NO3-N（mg/kg）2.888.634.941.4729.810.08NH4+-N（mg/kg）5.4613.549.592.2123.010.592.2 横坡垄作坡面土壤氮的空间分布垄面、垄沟内及整个坡面表层 0 20cm 土层土壤 TN、NO3-N 和 NH4+-N 含量的 Shapiro-Wilk检验（表 1）表明，横坡垄作坡面土壤氮含量呈正态分布。因此，可基于有效样点垄面和垄沟 TN、NO3-N 和 NH4+-N 含量，绘制土壤氮的空间分布等值线图和 3D 曲面图（图 2），以此探析横坡垄作坡面土壤氮的空间变异特征。横坡垄作坡面 TN、NO3-N 和 NH4+-N 的 平 均 含 量 分 别 为 0.65g/kg、4.90mg/kg 和 9.47mg/kg。虽然沂蒙山区棕壤土质疏松多孔，易使土壤中的部分铵态离子氧化成硝态离子，但 NO3-N 易随径流迁移且可被入渗水大量淋失，从而导致 NH4+-N 含量高于 NO3-N。空间分布上，南北方向（垂直距离）TN、NO3-N 和 NH4+-N含量沿坡面呈不同的变化趋势，且 TN 的变异最大（18.92%），其 次 为 NH4+-N（10.51%）和 NO3-N（10.09%）。东西向（水平距离），TN、NO3-N 和NH4+-N 含量表现为自东向西逐渐减少的趋势，变异系数分别为 8.35%11.85%、4.20%26.75%和3.82%21.02%，且在坡脚部位土壤氮东西向的变异最大。可见，南北向、东西向土壤氮的空间分布均存在异质性，且坡面西北部应重点加强氮肥的管理。2.3 横坡垄作措施下坡面土壤氮的空间分布影响因素横坡垄作系统沟垄相间，垄沟内积水和泥沙沉积的发生，可导致垄面和垄沟间氮含量的差异，且土壤氮随垄面侵蚀泥沙、垄沟内沉积泥沙的迁移会造成其沿坡位分布的变异。为进一步探析土壤氮的空间分布特征，分析了坡位和垄面、垄沟等特征点位对表层 0 20cm 土层土壤 TN、NO3-N 和NH4+-N 空间分布异质性的影响。2.3.1 坡位对土壤氮空间分布的影响垄面特征点位处，TN 含量表现为坡下 坡脚 坡中 坡上（图 3），但坡下和坡脚间无显著性差异。坡下、坡脚和坡中的 TN 含量较坡上分别显著增加 111.81%、75.06%和 55.15%。垄沟、坡脚 TN含量最大，但与坡下无显著性差异，且坡中与坡上之间差异不显著；坡脚 TN 含量较坡上显著增加37.70%。可见，垄面 TN 含量沿坡位的变化趋势与垄沟特征点位相同，但垄面特征点位处 TN 含量的变异更为明显。垄面特征点位处，4 个坡位间 NO3-N 和 NH4+-N含量均无显著性差异。垄沟处，坡上、坡中、坡下间的 NO3-N 含量差异不显著，但坡脚 NO3-N含量较其他 3 个坡位显著增加 68.60%83.85%；NH4+-N 含量坡脚与坡上、坡下与坡中之间均差异不显著，而坡脚 NH4+-N 含量较坡中显著增加66.30%。可见，NO3-N 和 NH4+-N 含量沿坡位的变异在垄沟特征点位体现的更为明显。2.3.2 垄沟系统特征点位对土壤氮空间分布的影响垄面与垄沟间 TN 含量的差异在坡上、坡下体 72中国土壤与肥料2023（7）图 2 表层土壤全氮、硝态氮、铵态氮的空间分布图 3 垄面、垄沟不同坡位处全氮、硝态氮 和铵态氮含量注：图中不同小写字母表示同一特征点位处坡位间氮含量在 P0.05 水平差异显著；不同大写字母表示垄面和垄沟间氮含量在 P 坡中 坡下，撂荒地则为坡下 坡上 坡中6；黄土高原地区果园地土壤氮含量沿坡面呈逐渐降低趋势7；毛乌素地区人工林地土壤氮含量从大到小依次为坡顶、坡中、坡下33，而西南紫色土区坡耕地、人工林、荒草地的土壤氮含量均表现为坡下 坡中坡上34。本研究中，横坡垄作坡面土壤氮沿坡位的变化与垄面、垄沟等特征点位相关（图 3）。可见，土壤氮的空间分布受控于土地利用方式。同时，垄面与垄沟间土壤氮含量空间分布的差异主要反映在侵蚀强度较低的坡上、坡下和泥沙易沉积的坡脚部位（图 3），即垄面坡上、坡脚 TN 含量较垄沟减少 21.34%和 17.42%37.47%，但坡下较垄沟增加 21.56%38.16%。这是因为坡上垄面土壤氮易随径流、泥沙发生迁移，且雨水的汇聚将部分土壤氮携带进入垄沟，从而增加了垄沟内土壤氮的含量。坡下侵蚀强度低于坡上、坡中35-36，23，且坡下地势平缓，使雨水极易在垄沟内发生汇聚，加之坡上部径流的汇入，从而增加了入渗深度，减少了土壤水的无效蒸发37，进而提高了垄沟内土壤含水量。这可加速垄沟内 NO3-N 和 NH4+-N 的淋溶损失38-39、提高土壤氮素的矿化速率、促进土壤氮的侧向迁移，从而降低了垄沟内土壤氮的含量。坡脚部位易发生泥沙沉积，尤其在垄沟部位，且沉积泥沙中土壤团聚体粒径较小，易造成土壤氮的富集4，40-41，进而提高了垄沟内土壤氮含量。因此，可选择在侵蚀部位的垄面、泥沙沉积区垄沟内种植作物，从而提高横坡垄作措施下氮肥利用效率、增加作物产量。3.2 横坡垄作坡面土壤氮的垂直分布土壤氮在土壤剖面上的盈余分布，直接影响氮向地下水的迁移42。土壤氮输入和输出的平衡决定了其剖面分布盈余。动植物残体的分解、氮沉降、根系分泌物的分解是土壤氮的主要来源，而输出量主要涉及有机物质的分解与土壤侵蚀43。所以，一般认为，平坡坡面土壤氮主要集中于土壤表层，土壤氮含量随土层深度增加呈减少趋势13-14，44。本文研究中横坡垄作坡面垄面、垄沟土壤氮随土层深度的增加均呈波动变化，尤其在垄面 0 30cm 和垄沟 0 20cm（图 4），这可能与花生根系分布一般不超过 30cm 土层深度有关。说明土壤氮的剖面分布与耕作方式密切相关。进一步分析发现，垄面与垄沟间土壤氮的剖面分布存在明显差异。土壤氮含量在 10 15cm 土层深度出现峰值，而垄沟土壤氮含量在 0 5 和15 20cm 出现极值。但是垄面与垄沟内土壤氮的来源相同，说明二者的差异主要与土壤氮的输出方式有关。本研究中横坡垄作措施中垄高约为 15cm，表明垄沟内的土壤氮可随土壤入渗水侧向淋溶至垄面10 15cm 土层深度。同时，垄面表层土壤氮可随雨水的汇集、径流而迁移至邻近垄沟。然而，垄沟土壤氮含量随土层深度增加而减小的趋势较垄面更为明显（表 2）。由此可见，垄沟内土壤氮侧向迁移于垄面的含量大于垄面土壤氮的径流流失量。由于本研究中垄间距较小（10cm），导致土壤氮侧向淋溶范围有限。可见，增大垄间距在一定程度上可提高土壤氮的利用效率，减少氮流失，进而提高作物产量。4 结论基于样带法采样，利用经典统计、地统计学方法，解析了横坡垄作坡面 TN、NO3-N 和 NH4+-N的空间变异性及其影响因素。主要结论如下：（1）北方土石山区土壤氮含量属于中低水平，TN、NO3-N 和 NH4+-N 变异均处于中等变异水平（17.64%33.60%），但垄面土壤氮的变异高于垄沟。（2）TN 含 量 表 现 为 坡 下 坡 脚 坡 中 坡上，且在垄面其含量沿坡位的变异更明显；垄沟 NO3-N、NH4+-N 含量沿坡位的变化较垄面明显，表现为坡脚较坡上、坡中、坡下显著增加66.30%83.85%。（3）垄面与垄沟间土壤氮含量的差异主要反映在坡上、坡下和坡脚。其中，垄面坡下土壤氮含量较垄沟增加 21.56%38.16%，坡上、坡脚相应的分别减少 21.34%和 17.42%37.47%。（4）TN 含量的剖面分布受坡位和特征点位的影响，而 NO3-N、NH4+-N 的剖面分布主要受控于特征点位，但 TN、NO3-N、NH4+-N 的剖面分布符合指数函数关系。参考文献：1 JinYH，ZhouDW，JiangSCComparisonofsoilwatercontentandcornyieldinfurrowandconventionalridgesownsystemsinasemiaridregionofChinaJ AgriculturalWaterManagement，76中国土壤与肥料2023（7）2010，97（2）：326-3322 郭乾坤，刘宝元，朱少波，等中国主要水土保持耕作措施因子J 中国水土保持，2013，10：22-263 宋轩，李立东，寇长林，等黄水河小流域土壤养分分布及其与地形的关系J 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ChinaANJuan1*，SONGHong-li1，LEIHong-cheng2，DOUYong-hui1，ZHOUXu1（1ShandongProvincialKeyLaboratoryofWaterandSoilConservationandEnvironmentalProtection，CollegeofResourcesandEnvironment，LinyiUniversity，LinyiShandong276005；2YunmengLakeEcologicalRegionManagementCommittee，LinyiShandong276005）Abstract：Contourridgingisawidelyusedsoilconservationpracticeforslopefarmland.Rainwaterfromsideslopespondinganddepositionsedimentinthefurrowareascouldinducethespatialdistributionofsoilnitrogenonslopewithincontourridgesystemdifferfromthatontraditionalslope.Basedonlinesamplingmethod，thisstudyanalyzedthecontentsoftotalnitrogen（TN），NO3-NandNH4+-NandtheirprofilesdistributioninridgesandfurrowsalongwithslopepositionsinordertodeterminethespatialdistributionofsoilnitrogenwithincontourridgesysteminrockymountainousareasofNorthernChinabytheclassicalstatisticalandgeostatisticalmethods.ResultsshowedthatsoilnitrogencontentintopsoilofrockymountainousareasofNorthernChinawasatthemiddlelevel.Thevariationcoefficientsofsoilnitrogenrangedfrom17.64%to33.60%，andthevariationinridgeswasgreaterthanthatinfurrows.ThevariationofTNcontentwasthemostsignificantwiththechangeofslopepositons，andwasinorderofdownslopetoeslopemiddleslopeupslope.However，thecontentofNO3-NandNH4+-Ninfurrowsattoeslopestatisticallyincreasedby66.30%83.85%relativetootherthreeslopepositions，andnosignificantdifferenceinridgeswasobservedamongslopepositions.Inaddition，thedifferenceinsoilnitrogencontentsbetweenridgesandfurrowsmainlyreflectedatupslope，downslope，andtoeslope.Comparedtofurrows，TNcontentinridgesatupslopedecreasedby21.34%，andNO3-NandNH4+-Ninridgesattoeslopedecreasedby17.42%37.47%，butsoilnitrogencontentinridgesatdownslopeincreasedby21.56%38.16%.Furthermore，theprofiledistributionofTNwasrelatedtoslopepositionandfeaturepoint，butNO3-NandNH4+-Nprofilesdistributionweremainlycontrolledbyfeaturepoints.Meanwhile，exponentfunctionfittedtherelationshipbetweensoilnitrogencontentandsoildepth.Thus，thepronouncedheterogeneityexistedforthespatialdistributionofsoilnitrogenwithincontourridgesystem，whichwasdeterminedbyfeaturepointsandslopepositions.Thesefindingssupplytechnologicalguidancefortheimprovementofnitrogenuseefficiencywithincontourridgesystemandthesmoothpromotionofprecisionagriculture.Key words：soilnitrogen；ridgeandfurrow；slopeposition；spatialdistribution；contourridgesystem