2019, Vol. 56
2. 土壤生态系统健康与调控福建省高校重点实验室，福州 350002;
3. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所），南京 210008
土壤氮库（N）是陆地生态系统养分库的重要组成成分，它与有机碳库相辅相成，在维持生态系统的组成、结构和功能中发挥着重要作用[1]。土壤中氮素由于植物生长、微生物活动、人为干扰及气候条件改变而发生转化，氮素的气态损失和淋溶损失也严重影响着生态环境。有研究表明，土壤氮素在反硝化作用下产生的各种含氮气体如一氧化二氮（N2O）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）等直接参与温室效应[2]。此外，氮也是水体富营养化的重要伴随因子，过量的氮素流入池塘、湖泊、河流和海洋等会造成藻类种群大爆发[3]。与自然土壤相比，农业土壤氮库受到人类活动的影响更大，其可以在较短的时间内发生转化和迁移。因此，明确农业土壤氮库的动态变化对研究陆地生态系统氮循环，以及提高氮素利用率等问题的解决均具有重要的意义[4]。
当前，基于数字化土壤图结合土壤普查资料进行氮素研究的方法越来越广泛。从全球尺度来看，Batjes[5]基于1:500万的世界土壤图和4 353个土壤剖面数据对全球氮储量进行了估算，结果表明，全球1 m土层土壤全氮储量为133~140 Pg（1 Pg= 1015 g）。从国家尺度来看，Tian等[6]基于1︰100万全国土壤空间分布图和2 480个土壤剖面对我国氮库储量进行了研究，结果表明，全国土壤氮储量为8.29 Pg。Lin等[7]利用1︰100万中国土壤图和全国第二次土壤普查1 490个水稻土剖面数据对我国水稻土全氮密度和储量进行了研究，结果表明，水稻土剖面1 m土层平均氮密度为12.4 t·hm-2，全氮储量为569 Tg。从区域尺度来看，焦闪闪等[8]基于福建省第二次土壤普查的2 021个采样点和2008年农业部测土配方施肥29 945个耕层样点对全省耕地全氮密度和储量动态变化进行了研究，结果表明，1982—2008年该地区耕地土壤全氮密度和储量均为上升趋势。代子俊等[9]基于第二次土壤普查的45个剖面资料和2015年土壤调查的61个剖面数据研究了湟水流域土壤全氮的空间变异，结果表明，近30年来湟水流域土壤全氮呈现增长趋势。
但是从以上研究来看，我国国家和区域尺度上的氮素研究多以中小比例尺数据库静态研究为主，而结合高精度土壤数据库的两期大样本实测样点动态变化研究相对较少。水稻土作为我国农业土壤的重要组成部分，耕作历史超过10 000年，面积达30 M hm2，水稻产量约占我国粮食总产量的1/2以上[10-11]。为了获得作物高产，农民往往加大氮肥的投入，这也导致我国水稻田面临着高产和生态环境保护之间矛盾的多重挑战[3]。太湖地区作为我国主要水稻产区，该地区高产稻田氮肥施用量已经达到360 kg·hm-2，氮肥的大量施用和高温多雨的特点导致土壤氮素的大量淋失，造成了该流域频繁的蓝藻爆发与水体富营养化等环境问题[3-4]。基于此，本研究选择太湖地区37个县（市、区）2.32 M hm2水稻土为研究对象，以1982年第二次土壤普查和2000年土壤质量演变与持续利用“973”项目采集的水稻土样点资料所建立1︰5万大比例尺土壤数据库为基础，揭示水稻土全氮含量的时空动态变化规律，明确整个地区和不同土壤类型、土区及行政区的全氮含量动态变化差异的主控因子，研究结果可为合理制定太湖地区和我国南方水稻田的农业管理政策提供参考依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况太湖地区（118°50′~121°54′E，29°56′~32°16′N）包括江苏省镇江、无锡、常州和苏州，浙江省嘉兴、湖州和杭州的一部分，以及整个上海市，共37个县（市、区），流域总面积达3.65 M hm2（图 1）[10]。气候类型为亚热带季风气候，温和湿润，光照充足，生长季节较长，干湿季明显，年平均气温在16℃左右，年均降水量为1 100~1 400 mm，≥10℃的积温在5 000℃左右，日照时数为1 870~2 225 h，全年无霜期230 d以上[12]。
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图 1 太湖地区地理位置和土区分布图 Fig. 1 Geographic location and paddy soil region map of the Tai-Lake Region, China |
经过长期的耕作施肥，太湖地区形成了以水稻土为主的土壤类型，面积达到2.32 M hm2，占整个研究区土壤总面积的66%[12]。该地区水稻土可划分为6个亚类（潴育型水稻土、淹育型水稻土、漂洗型水稻土、渗育型水稻土、潜育型水稻土和脱潜型水稻土）和4个土区（低山丘陵土区、太湖平原土区、冲积平原土区和低洼圩田土区）（图 1）。成土母质为黄土、冲积土和湖泊沉积物等为主。作物管理方式以水稻和冬小麦轮作为主，水稻于6月种植，10月收获，小麦于11月种植，次年5月收割[11]。
1.2 数据来源（1）土壤数据。1︰5万土壤空间数据库所需基本图鉴来自于全国第二次土壤普查成果中太湖地区37个县（市、区）1︰5万土壤图，在ArcGIS支持下采用双标准纬线等积圆锥投影，对各个县（市、区）1︰5万纸质土壤图进行数字化、编辑和修改建成，共计水稻土图斑52 031个。土壤图的基本分类单元为土种，共计622个土种，分别归属6个亚类和137个土属，所有土壤图的制图单元均采用中国土壤发生分类系统（Genetic Soil Classification of China，GSCC）[13]。
土壤属性数据库包括水稻土样点的位置描述、理化性质和肥力因子，如土壤类型名称、土层深度、剖面地点、全氮、有机质、全磷和全钾含量等，其中，土壤全氮采用重铬酸钾、硫酸硝化-蒸馏法测定（凯氏定氮法）。1982年表层样点数据来自于太湖地区37个县（市、区）在《中国土种志》、《省级土种志》、《地市级土种志》和《县级土种志》中所记录的水稻土剖面资料，共计1 096个（图 2）。2000年表层样点数据来自于土壤质量演变与持续利用“973”项目，共计1 393个（图 2）。空间数据和属性数据采用Shi等[14]提出的“PKB（Pedological Knowledge Based Method）”法[15-17]连接。
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图 2 1982年和2000年太湖地区水稻土样点分布图 Fig. 2 Distributions of paddy soil sampling sites in the Tai-Lake Region in 1982 and 2000 |
（2）气象和施肥数据。气象数据来源于太湖地区13个国家气象站数据资料，包括1982—2000年逐日降雨量、最高和最低气温[18]。农作物管理数据来源于以县（市、区）为统计单元的农村统计年鉴，包括1982—2000年37个县（市、区）水稻土年均氮肥和农家肥施用量[19]。气象数据和施肥数据均以县（市、区）为最小统计单元连接到水稻土数据库中。
1.3 数据统计分析不同土壤类型、土区和行政区面积加权平均全氮含量（STN，Soil Total Nitrogen Content，g·kg-1）、全氮含量变化量（VSTN，Variation of Soil Total Nitrogen，g·kg-1）和全氮含量变化幅度（VSTNC，Variability of Soil Total Nitrogen Content，%）计算公式如下：
| $\text{APS}=\sum\limits_{i=1}^{n}{\text{AP}{{\text{S}}_{i}}}$ | (1) |
| $ {{\text{STN}}_{f}}={\sum\limits_{i=1}^{n}{({{\text{STN}}_{i}}\times {{\text{APS}}_{i}})}}/{\sum\limits_{i=1}^{n}{{{\text{APS}}_{i}}}}\; $ | (2) |
| $ \text{VSTN}={{\text{STN}}_{2000}}-{{\text{STN}}_{1982}} $ | (3) |
| $ \text{VSTN}\text{C}=\frac{{{\text{STN}}_{2000}}-{{\text{STN}}_{1982}}}{{{\text{STN}}_{1982}}}\times 100 $ | (4) |
式中，APS为研究区水稻土总面积（hm2），APSi和STNi分别表示土壤数据库中每个图斑的面积（hm2）和表层水稻土（0~15 cm）全氮含量（g·kg-1），n代表图斑数。STNf代表水稻土1982年或2000年土壤全氮含量（g·kg-1），f代表年份（f=1982、2000）。
2 结果与讨论 2.1 1982—2000年太湖地区水稻土全氮含量变化在1︰5万土壤数据库下太湖地区水稻土图斑为52 031个，总面积为2.32 M hm2，1982年和2000年表层水稻土（0~15 cm）全氮含量分别为1.58 g·kg-1和1.79 g·kg-1，近20年的增幅为13.3%（表 1），这一结果与很多学者研究认为“第二次土壤普查以来我国表层土壤全氮含量呈上升趋势的结果一致”[8-10, 20-21]。水稻土全氮含量上升主要驱动因素为该地区氮肥和农家肥施用量的大幅度增加（图 3）[4, 8, 21-22]。据统计，1982年太湖地区氮肥和农家肥平均施用量分别为N 243 kg·hm-2和C 231 kg·hm-2，而2000年为345 kg·hm-2和270 kg·hm-2，增幅分别达37.66%和19.86%。此外，气候因子也在长期的全氮含量变化中起着重要作用，据统计，1982年和2000年太湖地区年均降雨量分别为1 102 mm和1 175 mm，该地区缓慢上升的年均降雨量有利于土壤氮素的积累[23]。
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表 1 太湖地区水稻土全氮含量统计 Table 1 Statistics of soil total nitrogen contents in paddy soils of the Tai-Lake Region, China |
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图 3 1982—2000年太湖地区氮肥和农家肥施用量的年际变化 Fig. 3 Inter-annual variation of N-fertilizer(a))and manure(b))application rates during the period from 1982 to 2000 in the Tai-Lake Region |
从全氮含量空间分布来看（图 4），1982年太湖地区水稻土全氮含量总体由南向北递减，南北差异明显。其中，全氮含量较高（> 2.0 g·kg-1）的水稻土主要分布在东部、东南部以及南部地区，面积为0.40 M hm2，占太湖地区水稻土总面积的17%，这些区域气候温和，较低的温度和较高的降雨量有利于土壤全氮的积累（表 2）。全氮含量较低（< 1.0 g·kg-1）的水稻土主要分布在太湖地区西北部地区，面积为0.12 M hm2，占水稻土的总面积的5.1%，这些区域整体温度较高，且降水量偏少，导致土壤水分不足，加速了氮素的矿化分解（表 2）[23-24]。2000年太湖地区全氮含量空间分布格局与1982年基本相同，但全氮含量较高（> 2.0 g·kg-1）的水稻土面积增加到0.61 M hm2；此外，全氮含量较低（< 1.0 g·kg-1）的面积减少至0.06 M hm2。从全氮含量变化量空间分布来看，太湖地区1982—2000年不同区域差异也较大，且增减趋势不一，约68%面积水稻土表层全氮含量有所上升，主要分布在该地区的西部、西北部和沿江流域，32%面积水稻土全氮含量有所降低，主要分布在太湖地区的东部、东南部和中部地区。其中，全氮含量上升范围在0~0.5 g·kg-1之间的最多，面积达0.92 M hm2，主要分布在太湖地区北部和西北部，而全氮含量下降主要集中在-0.5~0 g·kg-1范围内，面积为0.56 M hm2，主要分布在太湖地区的东北部和东部区域。太湖地区水稻土近20年的全氮含量变化量与初始全氮、有机碳含量呈负相关（表 2），主要是因为全氮含量较低的区域，农民会投入更多的肥料来提高作物产量，而全氮含量较高的区域农民往往会忽略培肥，影响氮素含量[25]。
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图 4 水稻土全氮含量及变化量空间分布 Fig. 4 Spatial distribution map of paddy STN and its variation in the Tai-Lake Region, China |
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表 2 不同亚类、土区和行政区水稻土的初始土壤属性、气候和施肥数据统计 Table 2 Statistics of initial paddy soil properties, climate data and fertilization data relative to soil subgroup, sub-region and administrative area |
从图 5可以看出，太湖地区不同时期各亚类全氮含量及其变化量差异很大。潴育型水稻土是太湖地区分布区域最广的亚类，主要分布在太湖平原和丘陵地区，面积为1.23 M hm2，占研究区水稻土总面积的52.8%。该亚类1982—2000年全氮含量由1.59 g·kg-1上升至1.83 g·kg-1，增幅达15.2%（图 5），这主要与其较高的氮肥和农家肥施用量及较高的降雨量有关[25]。据统计，潴育型水稻土的氮肥和农家肥年均施用量分别达N 361 kg·hm-2·a-1和C 278 kg·hm-2·a-1，且年均降雨量超过1 200 mm（表 2）。
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1 漂洗型水稻土 Bleached，2 潜育型水稻土 Gleyfied，3 渗育型水稻土 Percogenic，4 脱潜型水稻土 Degleyfied，5 淹育型水稻土 Submegenic，6 潴育型水稻土 Hydromorphic 图 5 表层水稻土（0～15 cm）各亚类全氮含量（a）及全氮含量变化幅度（b） Fig. 5 STN（a）and variability of STN（b）in the topsoil layer（0～15 cm）relative to subgroup of paddy soil in the Tai-Lake Region，China |
脱潜型水稻土起源于潜育型水稻土，经过长期的耕作施肥和治水改土形成该亚类，面积为0.41 M hm2，占研究区水稻土总面积的17.7%。该亚类全氮含量变化量是各亚类中最高的，为0.32 g·kg-1，这主要与脱潜型水稻土较高的黏粒含量、氮肥和农家肥施用量和年均降雨量有关[23-25]。据统计，脱潜型水稻土黏粒含量达30%，氮肥和农家肥施用量分别为N 386 kg·hm-2·a-1和C 267 kg·hm-2·a-1，降雨量为1 256 mm（表 2）。
渗育型水稻土多分布于地势较高的地区，耕作年限较短，面积为0.37 M hm2，占研究区水稻土总面积的15.9%，该亚类1982—2000年全氮含量由1.23 g·kg-1上升至1.41 g·kg-1，增幅为15.1%。尽管较高的温度（16.3℃）和较少的降雨量（1 146 mm）导致该亚类的1982年的土壤全氮含量较低[25-26]，但近20年较多的氮肥（N 324 kg·hm-2·a-1）和农家肥施用量（C 240 kg·hm-2·a-1）也使得该亚类全氮含量呈现缓慢增长趋势（表 2）[24-25]。
漂洗型水稻土主要分布于低山丘陵的梯田，强度淋洗作用导致黏粒淋失严重，该亚类太湖地区分布面积为0.20 M hm2，占研究区水稻土总面积的8.6%[27]。土壤砂粒多（75%）和黏粒少（16%）导致该亚类1982年全氮含量仅为1.18 g·kg-1，但1982—2000年全氮含量上升了0.24 g·kg-1，这与该亚类近20年氮肥（N 303 kg·hm-2·a-1）和农家肥（C 205 kg·hm-2·a-1）施用量相对较高有关[26]。
潜育型水稻土面积为0.10 M hm2，占研究区水稻土总面积的4.3%，是太湖地区唯一全氮含量下降的亚类。该亚类长期处于淹水还原状态，通气性不良导致土壤有机氮的矿化作用较弱而易于积累，1982年的土壤全氮含量高达2.33 g·kg-1[24]。但1982—2000年全氮含量下降了0.61 g·kg-1，变化幅度为-26.3%，这主要与该亚类较高的初始有机氮含量、年均温度和较低的农业投入有关。据统计，该亚类有机肥施用量仅为C 225 kg·hm-2·a-1，年均温度高达16.7℃（表 2）[24-26]。
淹育型水稻土在太湖地区仅有0.01 M hm2，主要分布在丘陵岗地的上部。1982年该亚类全氮含量较低为1.00 g·kg-1，主要与其高温少雨的气候条件和土壤性质有关，据统计，该亚类温度和降雨量分别为16.1℃和1 080 mm，黏粒含量仅为15%。后期增加氮肥和农家肥的投入，2000年全氮含量提高了0.22 g·kg-1[25]。
2.3 太湖地区不同土区水稻土全氮含量差异太湖地区是我国粮食高产地区，在因地制宜、合理布局方面有着丰富的经验，根据成土母质、土地利用方式、耕作制度和农业利用的特点分为4个土区：丘陵低山土区、太湖平原土区、冲积平原土区和低洼圩田土区[12]。
从图 6可以看出，太湖地区不同时期各土区水稻土全氮含量及其变化量差异也很大。低洼圩田土区位于太湖地区西北部和南部，水稻土面积为0.69 M hm2，主要土壤类型是潴育型水稻土和脱潜型水稻土，约占该土区水稻土总面积的90%。1982年和2000年土壤全氮含量均很高，分别为1.83 g·kg-1和2.01 g·kg-1，这主要是该地区较高的黏粒含量（31%）和氮肥、农家肥施用量（分别为N 385 kg·hm-2· a-1和C 249 kg·hm-2·a-1）导致了全氮的富集（表 2）[8, 24, 29]。但1982—2000年间当地农民对该土区的潜育水稻土进行治水改土，使土壤的结构和肥力等发生了较大的变化，地下水位的降低、微酸性（6.6）和很高的初始全氮含量（1.83 g·kg-1）降低了土壤全氮富集的速度，近20年全氮含量变幅在各土区中是最低的，仅为9.8%[25, 27-28]。
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1 低山丘陵土区 Low mound and hilly area，2 太湖平原土区 Tai-Lake Plain，3 冲积平原土区 Alluvial Plain，4 低洼圩田土区 Polder area 图 6 表层水稻土（0～15 cm）不同土区全氮含量（a）及全氮含量变化幅度（b） Fig. 6 STN（a）and variability of STN（b）in the topsoil layer（0～15 cm）relative to soil sub-regions in the Tai-Lake Region，China |
冲积平原土区沿长江与钱塘江呈带状分布，水稻土覆盖面积为0.64 M hm2，占研究区水稻土总面积的27.5%[13]。该土区内侧沿江过渡地区石灰性强，砂粒多，黏粒少，土壤空隙大，导致漏水漏肥较严重，初始全氮含量较低[29]。1982—2000年全氮含量富集较快，变化量为0.26 g·kg-1，变化幅度为17.9%。这主要与该土区较低的初始全氮含量及较高的氮肥和农家肥施用量有关，据统计，冲积平原土区水稻土初始全氮含量为1.45 g·kg-1，氮肥和农家肥施用量分别达N 378 kg·hm-2·a-1和C 330 kg·hm-2·a-1（表 2）[25]。
低山丘陵土区主要分布在太湖地区的西部与北部，水稻田面积为0.39 M hm2，占研究区水稻土总面积的17.0%[13]。该土区受地形的影响导致水分流失与地表侧漏，土壤质地较粗，黏粒含量仅为22%，氮素难以明显富集[31]。1982年土壤全氮含量仅为1.38 g·kg-1，低于其他3个土区，而2000年土壤全氮含量提升至1.82 g·kg-1，主要原因与该土区较低的年均温度以及较高的降雨量有关，据统计，1982—2000年该土区的年均温度和降雨量分别为16.1℃和1 217 mm（表 2）[24-25]；此外，较低的初始全氮也导致后期氮肥和有机肥的大量投入，导致近20年间全氮含量增幅达31.8%。
太湖平原土区位于太湖地区的东部和北部，水稻土面积为0.59 M hm2，占研究区水稻土总面积的25.5%[13]。该土区土壤类型以潴育型水稻土（0.28 M hm2）和漂洗型水稻土（0.13 M hm2）为主。1982—2000年该土区年均气温和年均降水量分别为16.5℃和1 154 mm，高温少雨的气候条件不利于氮素的富集，全氮含量仅上升0.04 g·kg-1[24-26]。
2.4 太湖地区不同行政区水稻土全氮含量差异从太湖地区各省份表层水稻土全氮含量变化来看（表 3），1982—2000年江苏省、上海市和浙江省全氮含量均呈富集趋势。其中，地处南部及西南部的浙江省水稻土全氮含量最高，增幅最大，由1982年的1.79 g·kg-1增长至2000年的2.22 g·kg-1，变化幅度达24.0%；而北部及西北部的江苏省水稻土全氮含量最低、增长幅度较小，由1982年的1.48 g·kg-1增长至2000年的1.59 g·kg-1，变化幅度仅为7.4%；上海市水稻土全氮含量及增长幅度位于浙江省与江苏省之间，由1982年的1.64 g·kg-1增长至2000年的1.89 g·kg-1，变化幅度为15.2%。浙江省水稻土氮素富集程度明显高于江苏省，一方面由于该省份农业投入高，据统计，浙江省氮肥和农家肥施入量分别为N 418 kg·hm-2·a-1和C 302 kg·hm-2·a-1，而江苏省氮肥和农家肥投入量仅分别为N 315 kg·hm-2·a-1和C 200 kg·hm-2·a-1；另一方面是因为二者年均降雨量和温度差异较大，浙江省年均降雨量和温度分别为1 347 mm和16.4℃，而江苏省分别为1 156 mm和16.5℃，高温少雨的气候条件会导致土壤水分不足，土壤孔隙度变大，有利于氮素的矿化分解（表 2）。
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表 3 太湖地区不同县（市）水稻土面积、土壤全氮含量、变化量及变化幅度分布 Table 3 Area of and soil total nitrogen content, variation of soil total nitrogen in content and variability of soil total nitrogen in content in paddy soil relative to administrative area in the Tai-Lake Region, China |
从太湖地区各县（市、区）表层水稻土全氮含量变化来看（表 3），1982—2000年间安吉县、长兴县、川沙县、闵行区、余杭县和崇明县全氮含量变化量大于0.6 g·kg-1，变化幅度均超过40%。这可能与闵行区、川沙县和余杭县初始土壤全氮含量较低有关，分别仅为1.24、1.41、1.55 g·kg-1，且安吉县、余杭县、长兴县、闵行区和川沙县年均降雨量超过1 200 mm，崇明县和长兴县年均氮肥施用量较高，超过N 350 kg·hm-2·a-1。相反，1982—2000年间吴县、青浦县、嘉善县和丹阳县4个县（市、区）全氮含量有所下降，变化量分别为-0.42、-0.03、-0.01和-0.004 g·kg-1。这可能与这4个县较高的初始全氮含量、初始有机碳含量及气候条件有关。据统计，吴县、嘉善县、青浦县和丹阳县初始全氮含量分别为2.18、2.17、1.98和1.36 g·kg-1，初始土壤有机碳含量分别为23.45、20.77、20.50和11.59 g·kg-1，且丹阳县年均降雨量仅为1 068 mm，年均温度达到16.2℃。有研究表明，土壤全氮变化与土壤有机碳变化趋势呈正相关关系[30]。其他各县（市、区）全氮含量变化量介于0~0.6 g·kg-1之间，变化幅度介于1%~40%之间。
总体来看，太湖地区各省份和县（市、区）全氮含量变化一方面受到土壤属性及气候条件的影响[31]；另一方面也受到化肥施用量的影响，一般情况下高的化肥施用量会导致全氮含量快速富集。相关研究表明，我国肥料利用率平均不到30%，低于世界平均水平，而过量的肥料投入会通过地表进入水体，增加水体营养化的风险[32]。因此，在今后太湖地区水稻田管理过程中，根据各个区域的土壤属性和肥料投入量制定适宜的农业管理措施十分重要。
3 结论准确评估太湖地区水稻土全氮含量动态变化及空间分布可为防控该流域水体富营养化等环境问题提供重要依据。从本研究来看，1982—2000年太湖地区表层水稻土全氮含量整体呈上升趋势，平均增加了0.21 g·kg-1，氮素富集明显。从不同水稻土亚类来看，脱潜型、潴育型、漂洗性和淹育型水稻土全氮含量增长均超过0.20 g·kg-1，而潜育型水稻土是唯一下降的亚类，减少了0.61 g·kg-1。从不同土区来看，低山丘陵土区和冲击平原土区水稻土全氮含量上升较多，分别为0.44和0.26 g·kg-1，而低洼圩田土区和太湖平原土区全氮含量增长缓慢，分别为0.18和0.04 g·kg-1。从不同行政区来看，江苏省、上海市和浙江省太湖地区水稻土全氮含量均呈不同程度的富集。由于施肥、气候和土壤理化性质等因素的共同作用，1982—2000年太湖地区土壤全氮含量产生不同程度的变化，不同亚类、土区和行政区全氮含量差异显著。因此，在今后太湖地区水稻土种植管理中，根据不同亚类、土区和行政区氮素富集程度适当减少氮肥施用量，以防止氮素流失造成的水体富营养化风险是十分必要的。
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