氮是植物生长需求量最大的元素，土壤全氮含量是衡量土壤肥力的重要指标。近年来，研究人员开展了大量关于成土母质、气候、种植制度以及施肥等与土壤氮含量变化有关的研究。张浩等^[1]研究表明，成土母质和土地利用方式是土壤全氮空间变异的显著影响因子，且成土母质的影响大于土地利用方式。气候同样是影响土壤氮素的重要因子，温度升高会增加土壤N₂O的排放，不利于土壤氮素的积累^[2]；在降雨较多的年份土壤氮素损失较往年增加10%左右^[3]。此外，氮肥作为土壤氮素最主要的来源^[4]，影响土壤的氮素循环。陈浮等^[5]研究表明，江苏无锡土壤全氮含量的增加与氮肥使用量不断上升密切相关，然而过量的氮肥投入会造成氮肥损失的增加，进而导致土壤全氮含量的降低^[6-7]。前人的研究大多是针对土壤氮的空间变异或氮含量变化的单一影响因子，对不同影响因子之间的交互作用，特别是自然因素与施肥等人为因素之间的交互效应探讨较少。

本文基于2008和2015年江苏省基本农田质量长期监测点土壤全氮含量的实测数据，探讨成土母质、气候、种植制度、化肥施用对土壤全氮含量变化的影响及不同影响因子间的交互效应，为江苏省农田土壤肥力资源高效利用提供科学依据。

江苏省位于我国东部(东经116°22′~121°55′、北纬30°46′~35°07′)，地处长江、淮河下游，主要由苏南平原、江淮平原、黄淮平原和东部滨海平原组成。全省成土母质按其成因可分为9类，分别为残积母质、坡积母质、河流冲积母质、黄土和黄土状堆积母质、第四纪红土母质、火山喷发堆积母质、泻湖相沉积母质、三角洲相沉积母质和海相沉积母质^[8]。根据热量和降水量的地区分布差异，全省农业气候区划可划分为湿润亚热带、湿润温暖带和半湿润温暖带3个气候带类型^[9]。江苏经济发达，耕地资源约束矛盾突出，农业集约化程度高，化肥单位面积投入是全国平均水平的1.5倍^[10]；随着现代农业发展，全省农业种植结构发生了显著变化，粮食种植面积比例有所下降，蔬菜、瓜果种植面积比例上升较快^[11]。

数据来源于300个江苏省基本农田质量长期监测点2008和2015年的监测数据。监测点设在永久性耕地的典型地块上，中心点用GPS定位(图 1)。每年最后1季作物收获后，在监测地块采集土壤样品进行测试分析，每个样品由20个以上取样点采土混合。采用硫酸-硫酸钾-硫酸铜消煮蒸馏滴定法测定土壤全氮含量。

	图 1 江苏省基本农田质量监测点分布 Figure 1 Location of soil monitoring sites of the basic farmland in Jiangsu Province
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每个监测点的采集内容还包括成土母质、种植制度、气候类型和化肥投入等肥力影响因子信息。全省300个监测点的主要成土母质可分为泻湖相沉积母质、三角洲相沉积母质、黄土和黄土状堆积母质、河流冲击母质和海相沉积母质5类(残积母质、坡积母质、第四纪红土母质、火山喷发堆积母质发育的土壤监测点均少于3个，予以舍去)，样本数分别为65、58、34、106和29。种植制度分为稻麦轮作、棉玉旱作、蔬菜、茶果4类，样本数分别为185、56、37和22。气候类型依据监测点的GPS经纬度^[12]对江苏省气候带划分，将300个监测点分类为湿润亚热带、湿润温暖带和半湿润温暖带，样本数分别为172、111和17。化肥投入的等级以全省稻麦轮作化肥投入量为参考，运用统计软件SPSS 23.0的“可视分箱”功能对监测点的化肥投入量进行等级自动划分(表 1)。为保证分析结果的可靠性，用“平均值+2倍标准差法”剔除异常值，最终用于分析的样点数为299个。

采用GS⁺9.0软件对全氮含量进行半方差分析，运用ArcGIS 10.1软件进行基本克里金插值。采用多因素方差分析对土壤全氮含量变化的影响因子进行研究。以实测点2008和2015年全氮含量的变化值为因变量，以成土母质、气候类型、种植制度、化肥施用为自变量，运用SPSS 23.0软件中一般线性模型TypeⅢ平方和分析模型，在全变量模型的基础上，依据F测验，采用显著水平α=0.05，逐步淘汰不显著的影响因子，直至模型中所含因子均显著为止，得到最终的优化模型^[12]。

从表 2可知：2008和2015年江苏农田土壤全氮含量总体呈正态分布，正态性检验达到显著水平。2008年土壤全氮含量为1.35 g · kg^-1，变异系数为26.2%；2015年土壤全氮含量为1.47 g · kg^-1，比2008年增加8.9%(P < 0.01)，变异系数为23.8%。

从表 3可知：拟合决定系数均达到显著水平。2008和2015年土壤全氮块金值(C_o)和基台值(C_o+C)差异较小。块金/基台[C_o/(C_o+C)]几乎相等，均接近90%，这说明2个时期土壤全氮含量的空间相关性无变化，均具有较弱的空间自相关性。

从图 2可知：2008—2015年间土壤全氮的空间分布特征保持相对稳定。江苏苏南地区农田土壤全氮含量高于苏北地区(里下河地区除外)，西部地区高于东部地区，沿海地区土壤全氮含量最低，全氮含量高于1.56 g · kg^-1的土壤集中在里下河与太湖地区。2008—2015年除了赣榆、洪泽、金湖、射阳等少数地区土壤全氮含量下降，全省绝大多数地区土壤全氮含量均不同程度增加。其中，从泰兴、靖江、张家港到无锡、苏州沿线以及灌云地区土壤全氮含量增加达0.25~0.42 g · kg^-1，其他均为0.01~0.25 g · kg^-1。

	图 2 江苏省农田土壤全氮空间分布及变化示意图 Figure 2 Spatial distribution and change map of total nitrogen(TN)in farmland soil in Jiangsu Province a. 2015年土壤全氮分布图；b. 2008年土壤全氮分布图；c.土壤全氮含量变化图(2008—2015年) a. Spatial distribution map of TN in 2015;b. Spatial distribution map of TN in 2008;c. Spatial distribution map of the changes in TN(2008-2015).
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从表 4可知：氮肥施用、氮肥施用×气候对土壤全氮含量的变化影响显著。作为协变量的土壤有机质含量变化值对土壤全氮含量的变化有显著影响。从模型中各因子的Ⅲ类平方和来看，各因子对土壤全氮含量变化的影响力从大到小依次为：土壤有机质含量变化值、氮肥施用量×气候、氮肥施用量。

氮肥施用量和气候对土壤全氮含量变化的影响存在交互效应，氮肥施用量和气候对土壤全氮的影响会因彼此的不同水平或者不同类型组合而产生差异。除了在湿润亚热带氮肥低投入下土壤全氮含量降低，其他氮肥投入和气候类型组合下土壤全氮含量均不同程度增加。在同一气候类型下，土壤全氮含量的变化值随氮肥投入的增加而逐渐增加。氮肥中等投入和高投入条件下，不同气候类型的土壤全氮含量变化值无显著差异；氮肥低投入条件下，湿润亚热带土壤全氮含量增加值显著高于湿润温暖带；氮肥超高投入条件下，半湿润温暖带的土壤全氮含量增加值显著高于湿润亚热带和湿润温暖带(图 3)。

图 3 氮肥和气候对2008—2015年土壤全氮含量变化的影响 Figure 3 Effects of nitrogen fertilizer and climate on soil total nitrogen content(2008-2015) a：估算边际平均值是指因变量受多个自变量交互影响的情况下，控制其他自变量，单纯在一个自变量作用下的因变量均值[13]。湿润亚热带气候类型下的氮肥低投入监测点不足3个，无法进行统计分析，予以舍去。 a:Estimated marginal mean value refers to the mean value of dependent variable that controls other independent variables and determines solely by one independent variable under the interaction of multiple independent variables. There are less than three monitoring points for nitrogen fertilizer low input under the humid subtropical climate zone, due to the data statistical analysis, and therefore be rejected.

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本研究结果显示，2008—2015年江苏省农田土壤全氮含量普遍增加，这与郁洁等^[14]的研究结果相一致。江西省和成都平原地区土壤全氮具有中等程度的空间自相关性^{[1, 15]}，而江苏农田土壤全氮的空间自相关性较弱，说明江苏农田土壤全氮的空间变异主要由施肥等人为随机性因素决定，受成土母质、气候等结构性因素影响较小，与该地区土壤全氮含量变化多因素方差分析结果较为一致。

成土母质是土壤的物质基础，不同成土母质的矿物组成是土壤养分含量存在差异的重要影响因素^[16]。江叶枫等^[15]研究表明，成土母质对土壤全氮含量影响显著。杨艳丽等^[17]研究同样认为在江苏泻湖相沉积母质发育的土壤全氮含量最高。这与本研究的结果不一致。这可能是因为成土母质是土壤有机质含量的重要影响因子^[18]，而土壤有机质的累积与矿化与土壤氮素的贮存和转化紧密相关，与土壤全氮之间呈显著正相关关系^[19]，而江叶枫等^[15]的研究没有考虑土壤有机质对全氮含量的影响，从而造成成土母质显著影响全氮含量的假象。江苏省里下河、太湖地区主要为泻湖相沉积母质，该类型母质发育的土壤主要为水稻土，有机质含量普遍较高^[8]；沿海地区主要是海相沉积母质，该母质上发育的土壤主要为盐土和潮土，熟化程度不高，有机质含量较低^[8]。土壤有机质的空间分布特征与本研究中江苏省土壤全氮的空间分布基本一致。本研究中，将土壤有机质含量的变化值作为协变量与成土母质、气候、化肥等影响因子共同分析显示，土壤有机质含量的变化对土壤全氮含量的变化解释率最高，从统计学的角度进一步证明成土母质对土壤全氮含量无直接影响。

过量施用氮肥会导致土壤氮素出现盈余^[20]。当季肥料残留在土壤中的氮通常占总施氮量的15%~30%^[21]；另一方面，氮肥投入的增加会提高作物的生物量，增加土壤有机质，从而间接提高土壤全氮含量^[19]。江苏省里下河和太湖地区是水稻主产区，农民普遍重视氮肥的施用，以里下河地区为例，该地区2008—2015年氮肥年均投入折纯达451.5 kg · hm^-2，高出全省平均投入量37.5 kg · hm^-2，这是该地区土壤全氮含量较高的重要原因之一。

气候(降雨和气温)对土壤氮的淋洗和反硝化作用存在直接影响^[22]，气候也可以通过影响土壤有机质的矿化来影响土壤全氮含量^[23]。本研究中，气候对土壤全氮含量变化影响的主效应不显著，而与氮肥存在交互效应，这可能与本研究区域气候因子的地带性差异较小有关^[24]。本研究中，氮肥低投入条件下湿润亚热带土壤全氮含量的增加值显著高于湿润温暖带。随氮肥施用量的增加，这种差异不显著。在低氮投入下，外源氮肥不能满足作物的吸收需要，此时土壤有机氮的矿化成为作物氮素需求的重要来源，温度较高的气候条件下有利于促进土壤有机质的矿化^[25]，从而增加土壤氮的含量；氮肥超高投入条件下，半湿润温暖带土壤全氮含量增加值显著高于湿润亚热带和湿润温暖带，而在氮肥高投入及以下投入水平不存在这种差异。这是因为在低温和半湿润条件下，土壤氮的反硝化作用和氨挥发水平较低^{[1, 15]}，此时氮肥量投入越高其土壤残留量越大。

不同种植制度下土壤的水、气、热等物理性状的差异直接影响土壤有机氮的矿化和积累^[26]。不同作物的需氮量不同，也会影响氮肥在土壤中的残留量。此外，不同作物根际微生物组成上的差异，也是影响土壤氮素循环和转化的重要因素^[27]。申小冉等^[28]对我国34个国家级耕地质量监测点20多年的监测数据分析表明，常规施肥方式下旱地、水旱轮作和稻田系统表层土壤全氮的演变存在差异。本研究中，种植制度对2008—2015年江苏农田土壤全氮的含量变化影响不显著，这可能是因为种植制度对土壤氮的影响较为复杂，需要较长时间才能有显著效果。