張少良，張海軍，肖梓良，曲鳳娟，王雪珊，霍紀(jì)平，張興義，劉曉冰

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，哈爾濱 150081）

土壤養(yǎng)分異質(zhì)性具有普遍性，土壤養(yǎng)分時(shí)空分布格局和主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制是土壤養(yǎng)分管理重要依據(jù)[1-2]。研究表明土壤養(yǎng)分異質(zhì)性給農(nóng)田施肥帶來(lái)困難，施肥不足降低作物產(chǎn)量和品質(zhì)，施肥過(guò)量不利于作物生長(zhǎng)，增加養(yǎng)分流失風(fēng)險(xiǎn)，特別是N、P流失對(duì)水環(huán)境質(zhì)量構(gòu)成威脅[3-4]。土壤養(yǎng)分時(shí)空異質(zhì)性規(guī)律和主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制成為土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)和地理學(xué)等領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。土壤養(yǎng)分異質(zhì)性程度，除與土壤養(yǎng)分自身性質(zhì)有關(guān)，與外界自然環(huán)境和人文環(huán)境密切相關(guān)，特別是不同區(qū)域土壤類型、地形、氣候和水文過(guò)程不同，異質(zhì)性程度和主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制不同[5-6]。因此，不同區(qū)域土壤養(yǎng)分時(shí)空分布規(guī)律和主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究尤為必要。

黑土區(qū)以水蝕為主，長(zhǎng)期面蝕和溝蝕嚴(yán)重影響區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)性。黑土土壤質(zhì)量降低主要原因之一是土壤侵蝕，據(jù)報(bào)道每形成1 cm厚黑土至少需300～400年，而典型黑土區(qū)年均土壤流失量即達(dá)0.3～1.0 cm[7]。研究證實(shí)坡度、坡位、坡向均影響侵蝕過(guò)程，受侵蝕和沉積過(guò)程影響，部分地塊露出黃土母質(zhì)，土壤質(zhì)量較差，土壤淤積較深改善或惡化土壤質(zhì)量，改變土壤養(yǎng)分時(shí)空分布格局[8]。土地利用類型不同，地表覆蓋和管理方式差異較大，影響土壤理化性質(zhì)時(shí)空變化，如耕地比林地耕作頻繁且施肥量高，林地和草地相對(duì)耕地有更好保土、保水效果[9]。耕作方式和作物種類影響坡地土壤理化性質(zhì)異質(zhì)性，如水保耕作方式和傳統(tǒng)耕作方式下保土、保肥效果不同，如種植玉米和種植大豆其耕作方式、施肥量和施肥方式不同[10]。研究表明，不同尺度條件下景觀異質(zhì)性表現(xiàn)規(guī)律不同，異質(zhì)性規(guī)律在各尺度之間相互推譯關(guān)系存在不確定性[11]。因此，應(yīng)充分考慮侵蝕、地形、土地利用、耕作方式、作物種類等因素作用，系統(tǒng)總結(jié)不同尺度條件下土壤養(yǎng)分時(shí)空分布規(guī)律和主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制，探索養(yǎng)分異質(zhì)性尺度效應(yīng)和影響機(jī)制。

本文系統(tǒng)分析當(dāng)前黑土區(qū)不同尺度條件下土壤養(yǎng)分時(shí)空分異變化規(guī)律及其主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究進(jìn)展，并展望未來(lái)黑土區(qū)土壤養(yǎng)分異質(zhì)性研究需開(kāi)展工作，旨在為黑土區(qū)土壤養(yǎng)分管理和區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)等提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 典型黑土養(yǎng)分異質(zhì)性研究進(jìn)展

東北典型黑土帶跨越黑龍江、吉林和遼寧三?。ㄒ?jiàn)圖1），總面積17萬(wàn)km2，開(kāi)墾年限30～100年[12]。典型黑土區(qū)地勢(shì)東北部高于西南部，海拔高度相差最高達(dá)200 m，典型地形為漫川漫崗；主要種植玉米和大豆；年均溫度1.5℃，最高溫度32℃，最低溫度-37℃，年均降雨量500 mm，降雨集中在6～8月，因6月耕地植被覆蓋度低，高強(qiáng)度降雨易發(fā)生強(qiáng)度土壤侵蝕；春季凍融頻繁，積雪融化持續(xù)時(shí)間短（7～10 d），易發(fā)生融雪侵蝕[13]。開(kāi)墾前典型黑土區(qū)黑土層厚度約80 cm，SOM含量60～120 g·kg-1，開(kāi)墾后土層平均厚度約30 cm，耕層土壤SOM和土壤養(yǎng)分含量大幅下降[8,12]。

1.1 典型黑土帶尺度土壤養(yǎng)分空間分異特征

典型黑土區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）、速效氮（AN）、速效鉀（AK）從南向北呈逐漸增高趨勢(shì)；除全鉀（TK）屬于中等空間自相關(guān)強(qiáng)度外，其他指標(biāo)均表現(xiàn)出較強(qiáng)空間自相關(guān)水平（表1）[14]；除TK屬于弱空間變異程度外，其他養(yǎng)分均處于中度空間變異程度（0.1＜CV＜1.0）[15]。由于黑土區(qū)東西和南北海拔高度相差較?。?00 m），南北跨度較大（900 km），垂直地帶性可忽略。因此，典型黑土帶SOM、TN、TP、AN、AK空間分布主要受太陽(yáng)輻射影響，即呈現(xiàn)緯度地帶性規(guī)律[16-17]。研究發(fā)現(xiàn)典型黑土帶TK和速效磷（AP）未表現(xiàn)出明顯緯度地帶性規(guī)律，Zhang等認(rèn)為主要受施肥歷史影響，與土壤理化性質(zhì)有關(guān)，如黑土成土母質(zhì)中富含鉀[14]，張少良等認(rèn)為還與土地利用方式、種植作物種類和開(kāi)墾年限等因素有關(guān)[18]，特別是黑土區(qū)鉀肥用量較低，種植作物種類和年限差異較大，導(dǎo)致TK相對(duì)其他土壤養(yǎng)分表現(xiàn)出受隨機(jī)因子影響更強(qiáng)特征。

1.2 市、縣轄區(qū)尺度典型黑土養(yǎng)分空間分異特征

市、縣轄區(qū)尺度，以黑龍江省哈爾濱市轄區(qū)（2×104km2）研究結(jié)果為例[19]（見(jiàn)表1），除AK屬于強(qiáng)空間自相關(guān)強(qiáng)度外，SOM、TN、AN和AP均表現(xiàn)中等強(qiáng)度空間自相關(guān)水平[20]，相對(duì)黑土帶尺度養(yǎng)分空間自相關(guān)程度減弱，受隨機(jī)因子影響增強(qiáng)；SOM、TN、AN、AP和AK空間變異情況均處于中等強(qiáng)度水平（0.1＜CV＜1.0）[15]。分析認(rèn)為除受太陽(yáng)輻射影響（緯度地帶性）外，還受季風(fēng)等氣候因素作用。研究區(qū)冬季刮西北風(fēng)，夏季東南風(fēng)，降水從西北向西南逐漸增加，導(dǎo)致哈爾濱市轄區(qū)土壤SOM和TN從西南向東北方向逐漸升高，呈現(xiàn)緯度地帶性和海陸季風(fēng)地帶性交互特征。哈爾濱市轄區(qū)全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分（AN、AP、AK）表現(xiàn)明顯非地帶性規(guī)律，呈現(xiàn)養(yǎng)分“斑塊化”特征，越靠近城市或鄉(xiāng)鎮(zhèn)，特別是靠近耕作歷史較長(zhǎng)城鎮(zhèn)其速效養(yǎng)分含量較高，即“城市效應(yīng)”，主要因?yàn)樵缙谵r(nóng)民運(yùn)輸肥料移動(dòng)半徑有限，越靠近城市或鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地開(kāi)墾越早，施肥量和頻率越高。海倫市土壤SOM和速效養(yǎng)分在部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)附近也表現(xiàn)出明顯“斑塊化”特征[21]。因此，局部氣候變化和土地耕作管理年限等改變土壤養(yǎng)分分布緯度地帶性規(guī)律；養(yǎng)分分布在靠近城市或鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域農(nóng)田土壤N和P存在較高流失風(fēng)險(xiǎn)，是農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)及水體富營(yíng)養(yǎng)化需要重點(diǎn)監(jiān)管區(qū)域。

表1 不同尺度土壤養(yǎng)分含量、空間變異特征和空間自相關(guān)（所有樣品均秋季采樣）Table 1 Content,spatial variance,spatial autocorrelation of soil nutrients at various scales

1.3 村域尺度典型黑土養(yǎng)分空間分異特征

村域尺度，以黑龍江省綏化市前進(jìn)鄉(xiāng)光榮村（6.55 km2）研究結(jié)果為例[8]（見(jiàn)表1），研究表明，除耕層（0～20 cm）SOM呈強(qiáng)空間自相關(guān)水平外，TN和TP均表現(xiàn)中等強(qiáng)度空間自相關(guān)水平；村域尺度SOM和TN相對(duì)黑土帶尺度養(yǎng)分空間自相關(guān)強(qiáng)度減弱，但相對(duì)市轄區(qū)尺度略有增強(qiáng)；SOM、TN和TP空間變異情況均處于中等程度變異水平（0.1＜CV＜1.0）[15]，低于黑土帶尺度，卻高于市轄區(qū)尺度。土壤SOM、TN和TP均表現(xiàn)出很強(qiáng)相關(guān)性，其空間分布規(guī)律相近，靠近流域地勢(shì)較高區(qū)域含量相對(duì)較高。但由于村域尺度未考慮包含完全匯水單元（流域），地形（如坡向）和匯水通道等，難以從地形、水文和侵蝕沉積角度系統(tǒng)深入分析[22]。基于3個(gè)不完全匯水面積流域大量數(shù)據(jù)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)同時(shí)考慮坡度和坡向時(shí)，研究區(qū)地形因子對(duì)土壤養(yǎng)分驅(qū)動(dòng)作用更顯著；相對(duì)坡度較陡區(qū)域，朝南坡向0～2%坡度區(qū)域和朝北坡向0～4%坡度區(qū)域養(yǎng)分含量相對(duì)較高，橫坡壟作區(qū)域可顯著提高土壤養(yǎng)分含量[8]。

1.4 流域尺度典型黑土養(yǎng)分空間分異特征

流域是相對(duì)完整匯水單元，幾乎包含所有坡向和坡度，且可系統(tǒng)研究水文過(guò)程對(duì)養(yǎng)分異質(zhì)性驅(qū)動(dòng)作用[23]。以黑龍江省海倫市前進(jìn)鄉(xiāng)光榮小流域（1.86 km2）為例，利用隨機(jī)采樣法，分別研究0～20、20～30、30～40、40～50 和50～60 cm 土壤 SOM和土壤養(yǎng)分空間分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)相對(duì)黑土帶、市轄區(qū)、村域尺度，流域內(nèi)土壤養(yǎng)分空間分布規(guī)律和主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制改變（見(jiàn)表1）。0～60 cm土層土壤養(yǎng)分平均值在所有尺度中含量最低，其變異系數(shù)也處于較高水平。當(dāng)僅考慮0～20 cm土層時(shí)，SOM、TP和AK平均值相對(duì)其他尺度略高，主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)位于典型黑土帶高緯度區(qū)域；TP和AK變異系數(shù)增加，因?yàn)榱饔虺叨瑞B(yǎng)分異質(zhì)性主要驅(qū)動(dòng)因子不完全同于其他尺度。P在土壤中移動(dòng)性弱，施入土壤中P多數(shù)被固定[24]，黑土富含K素，當(dāng)?shù)睾底鬓r(nóng)業(yè)K肥使用量極低，K的有效性與土壤黏粒含量和水熱分布密切相關(guān)[25]，因此可推斷流域尺度TP和AK主要受侵蝕和沉積影響，說(shuō)明流域尺度水文過(guò)程對(duì)土壤養(yǎng)分異質(zhì)性影響權(quán)重較大。各土壤養(yǎng)分在不同土層深度空間分布情況見(jiàn)表2。

表2 流域尺度土壤養(yǎng)分含量、空間變異特征和空間自相關(guān)（N=122）Table 2 Content,spatial variance,spatial autocorrelation of soil nutrients at the watershed scale.

流域除50～60 cm土層SOM和0～30 cm土層TN處于中度自相關(guān)水平外，SOM、TN和AN在其他土層均處于強(qiáng)空間自相關(guān)水平，且SOM和AN空間自相關(guān)水平隨土層深度增加而降低，而TN則呈相反趨勢(shì)[25]，說(shuō)明表土層TN受人為因素影響更大[26]。SOM、TN和AN空間變異強(qiáng)度多隨土層深度增加而增加（見(jiàn)表2），主要受侵蝕和沉積影響[22-23]。研究區(qū)SOM和TN總體上處于較高水平，含量從表土層向深土層逐漸降低，表土層含量（0～20 cm）接近深土層含量（50～60 cm）2倍。受土壤侵蝕和沉積影響，水平方向上坡頂0～30 cm土層SOM和TN較高，坡中和部分坡底處較低，坡中處30～60 cm土層SOM和TN較低，而坡底，特別是靠近流域出口處最高。耕作方式和土地利用方式顯著影響流域SOM和TN異質(zhì)性，橫坡壟作SOM和TN含量分別比順坡壟作高34%和23%；退耕還林表層土壤SOM和TN小于耕地，但深土層高于耕地。道路和居民點(diǎn)也對(duì)SOM和TN分布影響顯著，但影響權(quán)重小于地形因子。同樣坡度是影響流域尺度SOM和TN主要因子，坡度對(duì)SOM和TN影響也與坡向有關(guān)。通常坡中處C和N儲(chǔ)量最低，坡底處相對(duì)較高，特別是受沉積效應(yīng)作用靠近流域出口處達(dá)到峰值[16]。C∶N影響土壤微生物活性進(jìn)和土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，改變土壤養(yǎng)分時(shí)空分布[24]。流域尺度C∶N空間異質(zhì)性主要受結(jié)構(gòu)因子影響，且C∶N與海拔高度呈正比，沿侵蝕溝或水道方向逐漸降低，在流域出口處達(dá)到谷值。C∶N同樣受地形因子、耕作措施和土地利用等因素影響，通常C∶N在所有坡位均表現(xiàn)為隨土層深度增加而增加，其中坡中處C∶N值相對(duì)較高，而坡頂和坡底較低。耕地深土層C∶N高于次生林地，大豆田深土層C∶N高于玉米田。橫坡壟作同樣因改變N流失過(guò)程，其C∶N通常高于順坡壟作。研究區(qū)AN含量總體上處于較低水平，但在生態(tài)交錯(cuò)帶附近（如，林地和耕地）及靠近侵蝕溝附近較高，橫坡壟作區(qū)域AN顯著增加。通常坡度與AN負(fù)相關(guān)；坡頂AN含量最高，其次為坡底；深土層AN受坡向影響較大。小流域坡中位置SOM和TN含量較低，而C∶N較高，需重點(diǎn)防控土壤退化，特別是土壤侵蝕的防控，還應(yīng)結(jié)合水保措施綜合增施N肥[16,22-23]。但在流域出口處養(yǎng)分含量較高，C∶N較低，特別是深土層SOM和TN含量高，C∶N較低，N存在較大流失風(fēng)險(xiǎn)[28]。

不同于SOM、TN和AN，流域尺度除0～20 cm土層AP處于中等強(qiáng)度空間自相關(guān)強(qiáng)度外，其他各土層TP和AP均處于強(qiáng)空間自相關(guān)水平，且TP空間自相關(guān)性強(qiáng)于AP[17]，由于P易被土壤固定、有效性低和移動(dòng)性差[24]，區(qū)域以玉米和大豆種植為主，P肥施用量不高。耕地TP和AP通常從表土層向深土層逐漸降低，特別是耕層（0～20 cm）AP是深土層2倍；受土壤侵蝕影響TP空間變異程度從表土層向深土層逐漸增加，而AP空間變異程度則從30～40 cm土層分別向深土層和表土層降低，這與犁底層對(duì)土壤水和P遷移影響有關(guān)[17,26]。研究發(fā)現(xiàn)TP水平空間分布主要受結(jié)構(gòu)因子影響，如受地形因子影響土壤侵蝕和沉積因子等，坡頂含量相對(duì)較高，坡中處最低，沿河道方向逐漸增加，在流域出口處達(dá)到峰值[17]。由于朝南坡向坡度較大，侵蝕程度相對(duì)較高[22-23]，導(dǎo)致朝南坡向TP含量總體低于朝北坡向。AP水平空間分布主要受土壤侵蝕、沉積、土壤水分、溫度影響，南朝向坡面通常含量較高，沿坡向向下逐漸降低。同時(shí)由于施肥和入滲等在一定程度上影響AP縱向分布，必然也影響P水平分布[24]。土地利用和耕作措施均顯著影響P空間分布，耕地表土層（0～20 cm）TP和AP均高于次生林地，而深土層則均低于林地；橫坡壟作區(qū)域TP比順坡壟作區(qū)域高22%。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)AP（Olsen-P）含量超過(guò)25～27 mg·kg-1時(shí)存在潛在流失風(fēng)險(xiǎn)，特別是靠近流域出口P流失風(fēng)險(xiǎn)最大[17,29]。

不同于SOM、TN、AN、TP和AP，受成土母質(zhì)和地形因子等結(jié)構(gòu)因子影響，流域尺度除30～40 cm土層AK處于中等自相關(guān)水平外，其他各土層均表現(xiàn)出強(qiáng)空間自相關(guān)水平，特別是靠近表土層和深土層處最高[25]。侵蝕和土地利用等因子顯著影響流域AK空間分布，AK與侵蝕負(fù)相關(guān)，但與DEM呈正相關(guān)關(guān)系[25]。AK空間變異程度均處于中等水平，受作物吸收和土壤侵蝕沉積影響通常表土層和深土層空間變異程度相對(duì)較大。受地表水文過(guò)程影響[22-23]，流域內(nèi)AK從林地向周邊減小，沿侵蝕溝和水道方向減小，在流域出口處達(dá)最低。同時(shí)受太陽(yáng)輻射影響[24]，北朝向坡面從坡頂向坡底處逐漸增加，南朝向坡面從坡頂向坡底逐漸降低。垂直方向上，AK通常從表土層向30 cm土層降低，然后又逐漸升高。由于區(qū)域施用K肥有限[8]，退耕還林地（20yr）0～60 cm土層AK含量均高于耕地。黑土區(qū)K含量豐富，根據(jù)其成土母質(zhì)元素儲(chǔ)量，土壤侵蝕損耗速率，作物生長(zhǎng)消耗速率，K通常不作為多數(shù)作物生長(zhǎng)限制因子[25]。

1.5 坡面尺度典型黑土養(yǎng)分時(shí)空分異特征

當(dāng)研究幅度進(jìn)一步降低時(shí)發(fā)現(xiàn)坡面尺度土壤TN處于中等和強(qiáng)度空間自相關(guān)水平，AN主要處于強(qiáng)空間自相關(guān)水平[30]。TN和AN多屬于低等和中等程度空間變異水平。當(dāng)僅施用底肥N，不施用追肥N時(shí)，作物生育期內(nèi)NH4-N與NO3-N在不同坡位呈相反變化趨勢(shì)；施用底肥和追肥時(shí)，作物生育期內(nèi)NH4-N與NO3-N在不同坡位呈相近變化趨勢(shì)；無(wú)論春季施足量N（超過(guò)120 kg·hm-1）底肥還是夏季施足量N（超過(guò)120 kg·hm-1）追肥，經(jīng)歷降水后，通常坡頂AN含量顯著增加；生育期內(nèi)AN峰值從坡頂向坡底逐漸運(yùn)動(dòng)，秋季后坡底AN含量最高，坡背最低[26]。生育期內(nèi)AN異質(zhì)性程度較高，特別是夏季降雨頻繁季節(jié)最高。生育期內(nèi)AN主要受結(jié)構(gòu)因子影響，其分布主要受侵蝕和沉積影響，而侵蝕沉積主要受地形因子影響[24]，其次是不同坡位水熱差異，以及作物生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分吸收作用差異[24,31]?？紤]到夏季降雨頻繁，特別是作物覆蓋度較低季節(jié)（6～7月），AN含量通常也處于較高水平，是水土流失防治關(guān)鍵時(shí)期[9]，作物生育期內(nèi)坡頂和坡底通常需施用足量N追肥，坡背處應(yīng)該采用合理水土保持措施（如免耕、秸稈還田、生物黑炭還田、等高壟作等）后增加N肥投入，可有效提高黑土區(qū)坡耕地產(chǎn)量[30]。由于種植大豆施用N肥量較少，相對(duì)玉米連作，玉米-大豆輪作通常降低坡面土壤AN（低于3.6%）；受微生物對(duì)土壤C、N利用關(guān)系影響，秸稈還田通常降低坡面土壤AN含量[31]。

不同于TN和AN，作物生長(zhǎng)期內(nèi)坡面尺度土壤TP處于中等空間自相關(guān)水平，除施肥后AP異質(zhì)性主要受隨機(jī)因子影響外，其他時(shí)期AP空間分布主要受結(jié)構(gòu)因子影響，空間自相關(guān)性較強(qiáng)[33]。TP和AP多處于低等和中等空間變異程度。作物生長(zhǎng)期AP空間分布受施肥、作物種類、作物生長(zhǎng)過(guò)程、降雨、侵蝕等多因子影響[31]，特別是6～7月主要受侵蝕影響，8～10月主要受作物生長(zhǎng)影響，通常在作物生長(zhǎng)末期坡底AP含量較低。春季坡頂AP含量較低，受土壤水熱影響，作物生長(zhǎng)中期（7～8月）各坡位和處理土壤AP含量顯著高于苗期和成熟期，但各坡位和各處理間差異較小[32]。作物生長(zhǎng)期內(nèi)，秸稈還田和輪作措施對(duì)坡面AP時(shí)空分布影響較弱或在短時(shí)期內(nèi)影響不顯著。種植玉米施用N肥較多，受微生物活性影響，比種植大豆能更有效提高坡面土壤AP含量[33]。

綜上所述，水土流失是作物生長(zhǎng)期坡面尺度N、P流失主要原因，7月份是土壤N、P流失重點(diǎn)防治時(shí)期，坡面均存在較大N、P流失風(fēng)險(xiǎn)。

2 凍融驅(qū)動(dòng)下典型黑土養(yǎng)分時(shí)空分異特征

2.1 凍融驅(qū)動(dòng)下流域尺度典型黑土養(yǎng)分時(shí)空分異特征

凍融增強(qiáng)流域尺度0～20 cm土壤TN空間自相關(guān)性，但對(duì)空間變異影響較小，增加AN空間自相關(guān)性與空間變異性[27]。研究發(fā)現(xiàn)凍融后流域TN主要在3個(gè)區(qū)域明顯增加:①靠近流域出口，特別是0～5 cm和5～10 cm土層，②流域部分坡頂坡度較緩和位置，③農(nóng)林交錯(cuò)帶部分位置。AN在3個(gè)區(qū)域明顯增加:①沿侵蝕溝兩側(cè)位置至流域出口，②林地種植區(qū)附近，③ 坡底位置。流域尺度平均值分析表明，凍融后，0～20 cm土壤TN減少5.7%，而AN減少7.6%且達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。凍融后，除坡下0～10 cm土壤AN上升1.1-8%外，土壤TN和AN元素在坡上、坡中、坡下均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。凍融后，TN和AN在面南和面北坡面0～20 cm均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。與面南坡面對(duì)比，凍融后面北坡向土壤TN下降1.8%，而AN則相反；面南坡向AN相對(duì)較高，相比于面北坡高5.5%。與凍融前相比較，凍融后0～5、5～10和10～20 cm土壤中TN和AN平均值表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，分別下降4.6%～6.4%和4.7%～10.1%。凍融后林地0～20 cm土壤TN下降幅度高于農(nóng)田7.5%，農(nóng)田AN減少10.3%，而林地AN卻上升3.7%。凍融后，大豆田和玉米田TN和AN均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，除玉米田0～5 cm外，兩者AN下降幅度均高于TN。凍融后，無(wú)論橫坡還是順坡耕作方式下，土壤TN和AN平均值均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，其中AN下降幅度高于TN。相比于順坡，橫坡壟作在0～10 cm可減少2.7%～8%AN和1.1%～3.5%TN流失或轉(zhuǎn)化[27]?？傮w來(lái)說(shuō)，凍融減少流域土壤N含量，其中融雪侵蝕、徑流輸運(yùn)以及氮轉(zhuǎn)化在凍融過(guò)程中具有重要作用。

流域尺度，凍融后除5～10 cm土壤AP空間自相關(guān)性呈微弱下降趨勢(shì)（5.7%）外，其他土層TP和AP空間自相關(guān)性均存在不同程度增加[34]。凍融過(guò)程增加TP空間變異，且變化幅度隨深度增加而增加；而凍融后除10～20 cm土層外，AP空間變異呈下降趨勢(shì)。凍融過(guò)程減少流域尺度下0～20 cm耕層TP（9.52%）和AP（3.79%）含量；在垂直方向上，通常凍融前TP隨土層深度增加而升高，而凍融后則相反；凍融前后AP含量均隨土層深度增加而遞減。研究發(fā)現(xiàn)在空間上凍融后流域部分區(qū)域TP和AP均有不同程度增加或降低。凍融后TP主要在流域3個(gè)區(qū)域明顯增加:①靠近流域侵蝕溝附近區(qū)域，②農(nóng)林交錯(cuò)帶，③流域南部部分橫坡壟作區(qū)域。AP在3個(gè)區(qū)域明顯增加:①流域沿侵蝕溝附近位置，②林地種植區(qū)附近，③居民點(diǎn)附近區(qū)域。這一變化主要受融雪侵蝕、土地利用類型、地形因子、土壤性質(zhì)以及凍融環(huán)境等共同影響。凍融后不同坡位P均存在不同程度減少，其中坡上和坡下是凍融過(guò)程P主要流失風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，流失量分別為0.087和0.065 g·kg-1。不同土地利用類型下，農(nóng)田TP減少0.09 g·kg-1，而林地增加0.04 g·kg-1。此外，凍融過(guò)程增加林地AP釋放和沉積，凍融后0～20 cm AP增加5.98 mg·kg-1。流域尺度下，順坡耕作，玉米種植區(qū)、南向坡、低植被覆蓋區(qū)以及高積雪覆蓋區(qū)是凍融過(guò)程P流失重點(diǎn)防控區(qū)域[25]。

2.2 凍融驅(qū)動(dòng)下坡面尺度典型黑土養(yǎng)分時(shí)空分異特征

坡面尺度凍融前TN處于中度或強(qiáng)空間自相關(guān)水平，除個(gè)別年份無(wú)覆蓋10～20 cm土層變化較大外，凍融后有覆蓋（土壤表層被帶有透氣、防降水、侵蝕圓柱型小桶覆蓋，排除大氣沉降，排除水土流失，驗(yàn)證凍融過(guò)程養(yǎng)分二次遷移結(jié)果）或無(wú)覆蓋處理土壤TN通常仍處于中度或強(qiáng)空間自相關(guān)水平，且兩者間因年份不同規(guī)律也不同[23]。凍融前AN處于中度或強(qiáng)空間自相關(guān)水平，凍融后無(wú)覆蓋或有覆蓋處理土壤AN通常仍處于中度或強(qiáng)空間自相關(guān)水平，同樣兩者間因年份不同規(guī)律也不同。凍融前，典型坡面土壤TN和AN主要受到地形因子影響，旋翻起壟降低土壤0～10 cm土層中TN和AN空間自相關(guān)性。受侵蝕和硝化反硝化作用，凍融通常降低坡面AN含量，但TN因年降雪量和氣溫等因素影響年際間差異較大，各坡位間差異也較大。覆蓋條件通?？捎行p少N流失，增加土壤N有效性，徑流、土壤侵蝕和水分垂直方向上二次遷移是凍融過(guò)程影響坡面N增減主要因子[23,26]。

凍融前坡面TP表現(xiàn)為中等強(qiáng)度空間自相關(guān)水平，覆蓋改變各土層TP空間自相關(guān)程度[24]。凍融后，覆蓋可增加或維持TP空間自相關(guān)性，而無(wú)覆蓋則相反。凍融前TP主要受結(jié)構(gòu)因子影響，凍融后有覆蓋主要受結(jié)構(gòu)因子影響，而無(wú)覆蓋表土層0～5和10～20 cm TP主要受隨機(jī)因子影響。凍融前AP表現(xiàn)出純塊金效應(yīng)，覆蓋降低AP空間自相關(guān)，而無(wú)覆蓋增加AP空間自相關(guān)；凍融后除有覆蓋0～5 cm土層處于強(qiáng)空間自相關(guān)水平外，其他土層無(wú)變化。因?yàn)閮鋈谇案刈餍饓牛藭r(shí)AP主要受隨機(jī)因子影響，但凍融后無(wú)覆蓋0～20 cm和有覆蓋0～5 cm土層主要受結(jié)構(gòu)因子影響，但有覆蓋5～10 cm仍主要受隨機(jī)因子影響。凍融后除輪作不還田坡頂外，土壤AP含量普遍高于凍融前土壤AP含量，特別是輪作不還田-無(wú)覆蓋-坡腳處理處高出1倍，凍融增加耕層P有效性。凍融結(jié)束后所有處理無(wú)覆蓋土壤坡頂TP降低，其他所有處理各坡位均增加，有覆蓋土壤TP顯著增加（37.1%）。這是由于凍融過(guò)程中，增大蒸發(fā)量以及合適土壤含水量有利于土壤P向上運(yùn)動(dòng)，但受侵蝕和沉積影響表層土壤TP含量在部分區(qū)域降低或增加。坡背處土壤P含量增加，因土壤容重較大，適當(dāng)增加容重有利于P向表土層運(yùn)移。覆蓋（秸稈還田和小桶覆蓋）雖可減少蒸發(fā)（減少空氣流動(dòng)，但增加土壤溫度），防止大氣沉降，但因無(wú)侵蝕或侵蝕量少而降低土壤P流失。無(wú)覆蓋蒸發(fā)量雖大，P向上遷移量大，但侵蝕嚴(yán)重降低表土層P含量。耕種方式即玉米大豆輪作和玉米連作對(duì)凍融期間耕層土壤TP動(dòng)態(tài)變化影響較小[24]。

野外觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，凍融過(guò)程多數(shù)坡位細(xì)菌和真菌生物多樣性降低，特別是坡頂和坡底細(xì)菌多樣性，坡頂和部分坡背真菌多樣性均降低；凍融過(guò)程優(yōu)勢(shì)科細(xì)菌數(shù)量降低，如Pseudomonadaceae和Bacillaceae數(shù)量均顯著降低，優(yōu)勢(shì)科真菌數(shù)量降低，如Cystofilobasidiaceae，凍融過(guò)程降低微生物分解土壤有機(jī)物能力，特別是坡頂細(xì)菌對(duì)N、P循環(huán)作用，為凍融后坡頂N、P通常向上遷移量較少原因[35]。綜合不同尺度野外觀測(cè)以及室內(nèi)模擬結(jié)果，初步結(jié)論證實(shí)凍融后通常降低大部分區(qū)域土壤TN、TP、AN和AP含量，但增加局部區(qū)域TN、TP、AN和AP含量，如橫坡壟作、林地和部分坡頂位置，蒸發(fā)和凍融過(guò)程毛管力作用下土壤水勢(shì)發(fā)生變化，引起養(yǎng)分向上遷移，通常水分含量越高養(yǎng)分向上運(yùn)動(dòng)越劇烈，而水土流失嚴(yán)重降低土壤養(yǎng)分，特別是坡中位置。土壤N硝化-反消化過(guò)程也增加凍融過(guò)程N(yùn)損失[36]。

3 典型黑土養(yǎng)分空間分異特征研究方法進(jìn)展

以往土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性分析多是針對(duì)某個(gè)區(qū)域先采樣，測(cè)定養(yǎng)分指標(biāo)如滿足正態(tài)分布和二階平穩(wěn)假設(shè)便可作克里格插值和空間分析，當(dāng)數(shù)據(jù)無(wú)法滿足正態(tài)分布，即使通過(guò)不同方法轉(zhuǎn)換也很難得到準(zhǔn)確空間插值或分析結(jié)果，受時(shí)間限制也很難再次補(bǔ)充采樣。因此，空間土壤采樣原則上應(yīng)增加采樣點(diǎn)，但采集土樣過(guò)多，增加勞動(dòng)強(qiáng)度、采樣和分析成本。為此，有必要優(yōu)化特定區(qū)域土壤采樣方法，即明確采樣最佳樣本量、粒度或密度閾值，優(yōu)化采樣路徑；有必要改進(jìn)空間插值方法，借助相關(guān)技術(shù)和算法提高有限樣本插值精度。

3.1 典型黑土養(yǎng)分異質(zhì)性調(diào)查采樣方法

研究表明，黑土區(qū)采樣過(guò)程結(jié)合網(wǎng)格采樣法和隨機(jī)采樣法可有效減少采樣過(guò)程損失空間信息。當(dāng)研究區(qū)面積較小，地形復(fù)雜，土地利用類型多，異質(zhì)性程度高時(shí)，可采用標(biāo)準(zhǔn)和分層網(wǎng)格采樣法；當(dāng)采樣幅度較大時(shí)，異質(zhì)性程度較低，土地利用類型單一，地形起伏變化較小，可采用隨機(jī)采樣法，需注意樣點(diǎn)均勻度。黑土區(qū)采樣粒度通常不應(yīng)低于0.025 km2，樣本容量多于120個(gè)；當(dāng)研究區(qū)面積增大時(shí)采樣粒度可適當(dāng)降低，但樣本容量不應(yīng)減少，值得注意的是，當(dāng)采樣幅度和粒度增加時(shí)反映異質(zhì)性結(jié)果通常也發(fā)生變化[37]。關(guān)于采樣路線設(shè)計(jì)和布點(diǎn)方位，要根據(jù)土地利用、地形、特殊環(huán)境位置等實(shí)際情況綜合設(shè)計(jì)；因典型黑土主要分布在漫川漫崗地區(qū)，不同區(qū)域坡度、坡長(zhǎng)、海拔、水系密度、水流方向等均不同，特別是坡度較大區(qū)域不同坡位侵蝕和沉積效果不同，設(shè)計(jì)采樣路線時(shí)在縮短采樣路線距離、降低風(fēng)險(xiǎn)、降低難度、提高效率前提下，還應(yīng)兼顧坡頂、坡背和坡底3個(gè)關(guān)鍵位置作系統(tǒng)采樣[37]（見(jiàn)圖2）；采樣深度通常依據(jù)調(diào)查目的而定，如調(diào)查耕層土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性時(shí)，要依據(jù)犁底層位置確定耕層深度，多數(shù)區(qū)域?yàn)?～20 cm，部分區(qū)域?yàn)?～15或0～25 cm[36-37]。

3.2 典型黑土養(yǎng)分異質(zhì)性統(tǒng)計(jì)分析方法和空間插值方法

普通克里格、簡(jiǎn)單克里格、反距離權(quán)重等插值方法是早期常見(jiàn)插值方法，特別是普通克里格（OK，Ordinary kriging）方法，因其建立在半方差函數(shù)基礎(chǔ)上，提高土壤養(yǎng)分空間模擬和預(yù)測(cè)精度，應(yīng)用廣泛。隨著統(tǒng)計(jì)學(xué)方法革新膠土壤養(yǎng)分空間插值精度要求不斷提高，出現(xiàn)一些新土壤養(yǎng)分空間插值方法，如協(xié)克里格（CK）、多線性回歸（MLR）、地理回歸（GWR）、回歸克里格（RK）、地理加權(quán)回歸克里格（GWRK）等方法，但在不同區(qū)域，不同插值方法效果存在較大差異。以AN、AK和AP為例，利用其與SOM和TN顯著回歸關(guān)系，借助CK插值方法在一定程度上提高速效養(yǎng)分空間插值精度[20]；以TP空間插值為例，在典型黑土區(qū)4個(gè)不同區(qū)域（土地利用結(jié)構(gòu)、地形復(fù)雜程度、樣點(diǎn)分布等均不同），借助坡度或亮度指數(shù)作為輔助變量，利用RK和GRK插值方法，顯著提高土壤TP空間插值精度。在插值過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)地形起伏、采樣點(diǎn)均勻度、采樣點(diǎn)密度等均不同程度影響插值結(jié)果。研究結(jié)果同時(shí)證實(shí)，在典型黑土區(qū)開(kāi)展土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性分析過(guò)程中，當(dāng)樣點(diǎn)數(shù)量足夠多，樣點(diǎn)分布足夠均勻，通常應(yīng)用OK插值方法也可獲得較高模擬精度，不需輔助變量，分析過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單[38]。

4 展望

在長(zhǎng)期人為因素作用下，典型黑土區(qū)耕地土壤養(yǎng)分時(shí)空異質(zhì)性與尺度密切相關(guān)，不同尺度條件下土壤養(yǎng)分異質(zhì)性格局、變異和主要驅(qū)動(dòng)過(guò)程不一致，證實(shí)黑土區(qū)土壤養(yǎng)分模擬過(guò)程中不同尺度之間具有不可直接推繹性。黑土帶尺度主要受太陽(yáng)輻射影響。市縣轄區(qū)尺度受太陽(yáng)輻射和海陸季風(fēng)影響。村域尺度主要受土地利用、坡度、坡向和坡位等地形因子影響。流域尺度除受土地利用、地形因子影響外，還受與耕作、侵蝕、沉積、水文過(guò)程等因子影響。作物生長(zhǎng)期，受施肥、降雨、侵蝕、水熱、作物生長(zhǎng)等因素綜合作用，坡面尺度土壤速效N和P呈周期性變化。凍融過(guò)程，受耕作措施、地形、侵蝕、沉積、土壤水分和容重等多因素影響，坡面尺度土壤N、P時(shí)空格局成規(guī)律性變化，流域尺度上表現(xiàn)出局部增加或降低現(xiàn)象。闡明不同尺度土壤養(yǎng)分空間分布格局和主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制，是正確認(rèn)識(shí)土壤養(yǎng)時(shí)空分異格局變化本質(zhì)需求，也是合理施肥和環(huán)境質(zhì)量管理重要依據(jù)。

當(dāng)前典型黑土土壤養(yǎng)分時(shí)空分異規(guī)律和主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究取得重要進(jìn)展，但仍有待深入研究:①較大時(shí)間尺度上，特別是跨越幾年或幾十年尺度土壤養(yǎng)分空間分異規(guī)律和主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制；②較小空間尺度上，特別是不同作物根際范圍土壤養(yǎng)分時(shí)空變化規(guī)律和主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究；③特定環(huán)境下或復(fù)雜環(huán)境背景下土壤養(yǎng)分時(shí)空分異規(guī)律和主要驅(qū)動(dòng)機(jī)研究，如特殊地理位置:農(nóng)林交錯(cuò)帶、水陸交錯(cuò)帶、侵蝕溝影響環(huán)境條件下等，以及氣候變化背景下土壤養(yǎng)分時(shí)空變化特征和驅(qū)動(dòng)機(jī)制；④多尺度土壤養(yǎng)分時(shí)空分布特征和主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究取得一系列進(jìn)展，但如何精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)空間異質(zhì)性時(shí)間序列模擬和預(yù)測(cè)還需深入研究；⑤土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性變化空間統(tǒng)計(jì)方法和模型還需進(jìn)一步改善，應(yīng)重點(diǎn)研究降低采樣樣本數(shù)前提下構(gòu)建更簡(jiǎn)單、高效、精準(zhǔn)、通用的空間插值方法。