宜興市稻田土壤生物固氮量的空間變異與不確定性研究：基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)與多因素分析一、引言1.1研究背景與意義氮素是植物生長發(fā)育所必需的大量元素之一，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。生物固氮作為地球上最重要的生物化學(xué)反應(yīng)之一，是氮素從大氣進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的主要途徑。據(jù)估算，全球每年生物固氮量高達(dá)2億噸，為陸生植物提供了75%的氮素，對維持生態(tài)系統(tǒng)的氮素平衡和穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用。在稻田生態(tài)系統(tǒng)中，生物固氮更是具有不可替代的地位。稻田作為地球上最大的人工濕地之一，其特殊的生態(tài)環(huán)境為生物固氮提供了適宜的條件。稻田中的生物固氮不僅是稻田區(qū)別于旱地的本質(zhì)特征，也是維持稻田生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素。一方面，生物固氮能夠?yàn)樗旧L提供氮素營養(yǎng)，減少化學(xué)氮肥的使用量，從而降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。在當(dāng)前全球能源短缺和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的背景下，減少化學(xué)氮肥的依賴對于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。另一方面，合理利用生物固氮可以降低因過量施用化肥而導(dǎo)致的土壤退化、水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，維持生態(tài)平衡。宜興市位于江蘇省南部，是我國重要的水稻產(chǎn)區(qū)之一。該地區(qū)稻田面積廣闊，水稻種植歷史悠久，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位。然而，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加速，宜興市稻田面臨著諸多問題。例如，為追求高產(chǎn)，農(nóng)民往往過量施用化學(xué)氮肥，不僅造成了資源的浪費(fèi)，還導(dǎo)致了土壤質(zhì)量下降、環(huán)境污染等問題。同時(shí)，由于宜興市地形地貌復(fù)雜，不同區(qū)域的稻田土壤性質(zhì)、氣候條件和農(nóng)業(yè)管理措施存在差異，使得稻田土壤生物固氮量呈現(xiàn)出明顯的空間變異特征。這種空間變異不僅影響了水稻的生長和產(chǎn)量，也增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的難度。深入研究宜興市稻田土壤生物固氮量的空間變異特征及其不確定性，對于優(yōu)化稻田氮肥管理、提高氮素利用效率、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過明確生物固氮量在空間上的分布規(guī)律，可以為精準(zhǔn)施肥提供科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)農(nóng)民合理施用氮肥，避免肥料的浪費(fèi)和環(huán)境污染。對生物固氮量不確定性的評價(jià)有助于了解影響生物固氮的各種因素及其相互作用，為制定有效的調(diào)控措施提供理論支持，從而充分挖掘稻田生物固氮潛力，保障糧食安全和生態(tài)環(huán)境健康。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在稻田生物固氮量的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者已取得了一系列有價(jià)值的成果，這些研究成果對于理解稻田生態(tài)系統(tǒng)中氮素循環(huán)和生物固氮過程具有重要意義。國外在稻田生物固氮研究方面起步較早，對生物固氮的機(jī)制、固氮微生物種類及生態(tài)功能等方面開展了大量深入研究。早在20世紀(jì)中期，國外學(xué)者就開始關(guān)注稻田生物固氮現(xiàn)象，并對固氮微生物進(jìn)行了初步的分離和鑒定。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究者利用16SrRNA基因測序、熒光原位雜交（FISH）等技術(shù)，深入探究固氮微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性。例如，通過對不同稻田生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，稻田中存在多種固氮微生物，包括藍(lán)細(xì)菌、固氮螺菌、根瘤菌等，它們在稻田生物固氮過程中發(fā)揮著不同的作用。在稻田生物固氮量的空間變異特征研究方面，國外學(xué)者運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，揭示了生物固氮量在不同空間尺度上的分布規(guī)律。研究表明，土壤質(zhì)地、地形地貌、水分條件等自然因素以及施肥、灌溉等農(nóng)業(yè)管理措施，都會對稻田生物固氮量的空間分布產(chǎn)生顯著影響。如在一些地形復(fù)雜的區(qū)域，生物固氮量會隨著海拔、坡度等地形因子的變化而呈現(xiàn)出明顯的梯度變化；長期不同施肥處理下的稻田，生物固氮量也存在顯著差異。在不確定性評價(jià)方面，國外研究主要集中在分析影響生物固氮量的不確定性因素，如環(huán)境因素的不確定性、固氮微生物群落的動態(tài)變化以及模型參數(shù)的不確定性等。通過建立不確定性分析模型，對生物固氮量的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行不確定性評估，為稻田氮肥管理提供更可靠的科學(xué)依據(jù)。國內(nèi)對于稻田生物固氮的研究也在不斷深入和拓展。在生物固氮機(jī)制方面，研究人員通過室內(nèi)模擬和田間試驗(yàn)，深入探究了固氮微生物與水稻根系的互作關(guān)系，以及環(huán)境因素對生物固氮過程的調(diào)控機(jī)制。例如，發(fā)現(xiàn)水稻根系分泌物能夠影響固氮微生物的生長和固氮活性，土壤的氧化還原電位、pH值等環(huán)境因素也會對生物固氮產(chǎn)生重要影響。在稻田生物固氮量的空間變異研究中，國內(nèi)學(xué)者采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，結(jié)合土壤理化性質(zhì)和農(nóng)業(yè)管理措施等因素，對不同地區(qū)稻田生物固氮量的空間分布進(jìn)行了分析。以宜興市稻田為例，王鑫等人通過系統(tǒng)采樣，利用乙炔還原法估算生物固氮量，并采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析其空間變異特征，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)單位面積生物固氮量范圍為0.75-46.85g/m2，均值8.04g/m2，總體呈帶狀分布，高值區(qū)位于西南和東南靠近丘陵地區(qū)，低值區(qū)位于西北和東北地勢平坦區(qū)域，且生物固氮量屬中等空間變異，受結(jié)構(gòu)性變異和隨機(jī)變異共同影響，即人為經(jīng)營活動與自然環(huán)境共同作用于稻田生物固氮量。在不確定性評價(jià)方面，國內(nèi)研究主要從數(shù)據(jù)不確定性、模型不確定性和參數(shù)不確定性等方面入手，對稻田生物固氮量的不確定性進(jìn)行量化分析。通過敏感性分析，確定影響生物固氮量不確定性的關(guān)鍵因素，為降低不確定性提供科學(xué)依據(jù)。盡管國內(nèi)外在稻田生物固氮量的研究方面取得了一定進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。在空間變異特征研究中，對于多尺度空間變異規(guī)律的研究還不夠深入，不同尺度之間的耦合關(guān)系尚未完全明確。在不確定性評價(jià)方面，目前的研究方法和模型還存在一定局限性，對不確定性因素的綜合考慮不夠全面，導(dǎo)致不確定性評估結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性有待提高。此外，針對特定區(qū)域（如宜興市）的稻田生物固氮量空間變異特征及其不確定性評價(jià)的研究還相對較少，缺乏系統(tǒng)性和深入性，難以滿足當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的實(shí)際需求。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究以宜興市稻田為研究對象，綜合運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)、地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)以及不確定性分析方法，深入探究稻田土壤生物固氮量的空間變異特征及其不確定性，為該地區(qū)稻田氮肥的精準(zhǔn)管理和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。具體研究目標(biāo)和內(nèi)容如下：研究目標(biāo)：準(zhǔn)確刻畫宜興市稻田土壤生物固氮量的空間變異特征，包括不同區(qū)域的生物固氮量差異、空間分布格局以及變異程度；量化宜興市稻田土壤生物固氮量的不確定性，評估其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的潛在影響；明確影響宜興市稻田土壤生物固氮量空間變異和不確定性的主要因素，為制定合理的調(diào)控措施提供理論支持。研究內(nèi)容：運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，結(jié)合土壤采樣和生物固氮量測定數(shù)據(jù)，分析宜興市稻田土壤生物固氮量在不同空間尺度上的變異特征，包括塊金值、基臺值、變程等參數(shù)的計(jì)算和分析，以揭示其空間自相關(guān)性和結(jié)構(gòu)性；利用普通克里格插值法對生物固氮量進(jìn)行空間插值，繪制生物固氮量的空間分布圖，直觀展示其在宜興市稻田的空間分布格局；從數(shù)據(jù)不確定性、模型不確定性和參數(shù)不確定性等方面入手，采用蒙特卡羅模擬、敏感性分析等方法，對宜興市稻田土壤生物固氮量進(jìn)行不確定性評價(jià)，量化不確定性程度，并分析不確定性的來源和傳播途徑；通過相關(guān)性分析、逐步回歸分析等方法，探究土壤理化性質(zhì)（如土壤質(zhì)地、pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量等）、地形地貌（如海拔、坡度、坡向等）、氣候條件（如年降水量、年均溫等）以及農(nóng)業(yè)管理措施（如施肥量、灌溉方式、種植品種等）對稻田土壤生物固氮量空間變異和不確定性的影響，篩選出關(guān)鍵影響因素。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究采用多種研究方法，從不同角度對宜興市稻田土壤生物固氮量進(jìn)行深入分析，確保研究結(jié)果的科學(xué)性和可靠性。在生物固氮量測定方面，采用乙炔還原法。該方法基于固氮酶能夠?qū)⒁胰策€原為乙烯的原理，通過測定乙烯的生成量來間接反映生物固氮酶的活性，進(jìn)而估算生物固氮量。具體操作如下：在水稻生長關(guān)鍵時(shí)期，采集稻田土壤樣品，將其放入密閉的反應(yīng)瓶中，向瓶內(nèi)注入一定量的乙炔氣體，然后置于適宜的溫度和濕度條件下培養(yǎng)。經(jīng)過一段時(shí)間后，使用氣相色譜儀測定反應(yīng)瓶中乙烯的含量，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出固氮酶活性，再通過相應(yīng)的換算關(guān)系估算出生物固氮量。地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是本研究分析空間變異特征的核心方法。通過對采樣點(diǎn)的生物固氮量數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)分析，計(jì)算塊金值、基臺值、變程等參數(shù)。塊金值反映了隨機(jī)因素引起的空間變異，基臺值表示系統(tǒng)的總變異程度，變程則表示空間自相關(guān)的范圍。利用這些參數(shù)，可以深入了解生物固氮量在空間上的變異規(guī)律和自相關(guān)特性。例如，若塊金值較大，說明隨機(jī)因素對生物固氮量的影響較為顯著；變程越大，則表示生物固氮量在更大的空間范圍內(nèi)存在自相關(guān)性。在空間插值方面，運(yùn)用普通克里格插值法。該方法以半方差函數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)已知采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)對未知區(qū)域進(jìn)行估值。通過普通克里格插值，可以繪制出宜興市稻田土壤生物固氮量的空間分布圖，直觀展示生物固氮量在整個(gè)研究區(qū)域的空間分布格局，為后續(xù)分析和決策提供可視化依據(jù)。不確定性評價(jià)采用蒙特卡羅模擬和敏感性分析等方法。蒙特卡羅模擬通過多次隨機(jī)抽樣，考慮輸入?yún)?shù)的不確定性，生成大量的模擬結(jié)果，從而評估生物固氮量的不確定性范圍和概率分布。敏感性分析則用于確定影響生物固氮量不確定性的關(guān)鍵因素，通過改變輸入?yún)?shù)的值，觀察生物固氮量的變化情況，找出對結(jié)果影響較大的因素。本研究技術(shù)路線如圖1所示：首先明確研究區(qū)域?yàn)橐伺d市稻田，收集研究區(qū)的基礎(chǔ)資料，包括土壤圖、地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖以及氣象數(shù)據(jù)等。在稻田中按照一定的采樣網(wǎng)格進(jìn)行土壤樣品采集，并利用乙炔還原法測定生物固氮量。對測定數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行空間變異分析，計(jì)算相關(guān)參數(shù)。同時(shí)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，進(jìn)行普通克里格插值，繪制生物固氮量空間分布圖。在此基礎(chǔ)上，采用蒙特卡羅模擬和敏感性分析等方法進(jìn)行不確定性評價(jià)，最后綜合分析結(jié)果，得出研究結(jié)論，并提出相應(yīng)的建議。[此處插入技術(shù)路線圖][此處插入技術(shù)路線圖]二、研究區(qū)域與研究方法2.1研究區(qū)域概況宜興市位于江蘇省南部（119.31°E-119.82°E，31.07°N-31.35°N），地處長江三角洲平原與浙西山地交界處，是連接蘇南與浙北的重要節(jié)點(diǎn)城市。其東鄰太湖，與無錫、常州隔湖相望，南接浙江，西連安徽，北毗常州，獨(dú)特的地理位置使其成為太湖西岸的一顆璀璨明珠。宜興市地形多樣，地勢南高北低，呈現(xiàn)出明顯的地形梯度變化。南部為低山丘陵區(qū)，山巒起伏，最高峰為茗嶺山，海拔達(dá)671米，山區(qū)面積占全市總面積的30%左右。低山丘陵區(qū)的土壤類型主要為黃棕壤，其成土母質(zhì)多為酸性結(jié)晶巖和砂頁巖風(fēng)化物，土壤質(zhì)地黏重，肥力較高，富含鐵、鋁氧化物，有利于生物固氮微生物的生存和繁殖。北部為太湖湖積平原，地勢平坦開闊，河網(wǎng)密布，是典型的江南水鄉(xiāng)風(fēng)貌，平原區(qū)面積約占全市總面積的70%。平原區(qū)的土壤主要是水稻土，是在長期的水耕熟化過程中形成的，具有深厚的耕作層和犁底層，土壤結(jié)構(gòu)良好，保水保肥能力較強(qiáng)。宜興市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和濕潤，雨量充沛，光照充足。年平均氣溫15.7℃，年平均降水量1180毫米，降水主要集中在夏季（6-8月），約占全年降水量的50%-60%，冬季降水相對較少。這種降水分布特征對稻田水分管理和生物固氮過程產(chǎn)生重要影響。在夏季，充足的降水為稻田提供了豐富的水分，有利于生物固氮微生物的活動和繁殖，但過多的降水也可能導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失和稻田漬水，影響生物固氮效率。無霜期長達(dá)238天，為水稻等農(nóng)作物的生長提供了較長的生育期。年日照時(shí)數(shù)約為2000小時(shí)，充足的光照有利于水稻的光合作用，為生物固氮提供了能量基礎(chǔ)。宜興市稻田分布廣泛，主要集中在北部平原區(qū)和南部丘陵區(qū)的山間盆地。平原區(qū)的稻田成片分布，規(guī)模較大，適宜機(jī)械化作業(yè)；丘陵區(qū)的稻田則沿山谷和緩坡分布，呈帶狀或塊狀，面積相對較小。稻田面積約占全市耕地總面積的60%以上，是宜興市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分。長期的水稻種植歷史形成了獨(dú)特的稻田生態(tài)系統(tǒng)，為生物固氮提供了適宜的環(huán)境。當(dāng)?shù)剞r(nóng)民在稻田管理過程中，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，采用了一系列傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)管理措施，如合理施肥、灌溉、輪作等，這些措施對稻田生物固氮量產(chǎn)生了重要影響。例如，傳統(tǒng)的綠肥輪作制度可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，為生物固氮微生物提供豐富的碳源和能源，從而促進(jìn)生物固氮過程。2.2土壤樣品采集與分析在2023年水稻生長關(guān)鍵時(shí)期（分蘗期至孕穗期），根據(jù)宜興市稻田的分布特點(diǎn)和地形地貌特征，采用網(wǎng)格法與隨機(jī)抽樣相結(jié)合的方法設(shè)置采樣點(diǎn)。以1km×1km的網(wǎng)格覆蓋整個(gè)研究區(qū)域，在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)隨機(jī)選取1個(gè)采樣點(diǎn)，共設(shè)置了100個(gè)采樣點(diǎn)，以確保能夠充分反映宜興市稻田土壤生物固氮量的空間變異情況。在每個(gè)采樣點(diǎn)，使用不銹鋼土鉆采集0-20cm土層的土壤樣品。每個(gè)采樣點(diǎn)采集5個(gè)子樣，將這5個(gè)子樣充分混合后組成一個(gè)混合樣，以提高樣品的代表性。將采集的土壤樣品裝入密封袋中，標(biāo)記好采樣點(diǎn)的位置、編號、采樣時(shí)間等信息，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理。土壤生物固氮量的測定采用乙炔還原法。具體步驟如下：將新鮮采集的土壤樣品過2mm篩，去除其中的植物殘?bào)w、石塊等雜質(zhì)。稱取10g過篩后的土壤樣品放入125mL的血清瓶中，加入適量的無菌水，使土壤含水量達(dá)到田間持水量的60%。向血清瓶中注入10%（v/v）的乙炔氣體，迅速用丁基橡膠塞密封瓶口。將血清瓶置于28℃的恒溫培養(yǎng)箱中黑暗培養(yǎng)24h。培養(yǎng)結(jié)束后，使用氣相色譜儀（GC-2014C，島津公司）測定血清瓶中乙烯的含量。氣相色譜儀配備氫火焰離子化檢測器（FID），色譜柱為PorapakQ填充柱。載氣為氮?dú)?，流速?0mL/min，氫氣和空氣的流速分別為30mL/min和300mL/min。進(jìn)樣口溫度為150℃，檢測器溫度為200℃，柱溫為80℃。根據(jù)乙烯的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出乙烯的生成量，再根據(jù)乙炔還原為乙烯的化學(xué)計(jì)量關(guān)系（1:3），將乙烯的生成量換算為生物固氮量。計(jì)算公式如下：[此處插入生物固氮量計(jì)算公式]式中：BNF為生物固氮量（μgN/gsoil/d）；C2H4為乙烯的生成量（μmolC2H4/gsoil/d）；28為氮的摩爾質(zhì)量（g/mol）；3為乙炔還原為乙烯的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。[此處插入生物固氮量計(jì)算公式]式中：BNF為生物固氮量（μgN/gsoil/d）；C2H4為乙烯的生成量（μmolC2H4/gsoil/d）；28為氮的摩爾質(zhì)量（g/mol）；3為乙炔還原為乙烯的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。式中：BNF為生物固氮量（μgN/gsoil/d）；C2H4為乙烯的生成量（μmolC2H4/gsoil/d）；28為氮的摩爾質(zhì)量（g/mol）；3為乙炔還原為乙烯的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。同時(shí)，對土壤的其他性質(zhì)進(jìn)行分析。土壤pH值采用玻璃電極法測定，水土比為2.5:1（w/v）。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法測定，具體操作如下：稱取0.5g過100目篩的風(fēng)干土樣于硬質(zhì)試管中，加入5mL0.8mol/L的重鉻酸鉀溶液和5mL濃硫酸，在170-180℃的油浴條件下沸騰5min。冷卻后，將試管中的溶液轉(zhuǎn)移至250mL的三角瓶中，用蒸餾水沖洗試管3-4次，洗液一并倒入三角瓶中。向三角瓶中加入2-3滴鄰菲啰啉指示劑，用0.2mol/L的硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，溶液由橙黃色變?yōu)榇u紅色即為終點(diǎn)。根據(jù)消耗的硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積計(jì)算土壤有機(jī)質(zhì)含量。土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定，土壤質(zhì)地采用激光粒度分析儀（Mastersizer2000，馬爾文公司）測定。2.3數(shù)據(jù)處理與分析方法在對宜興市稻田土壤生物固氮量進(jìn)行研究時(shí)，數(shù)據(jù)處理與分析方法對于準(zhǔn)確揭示其空間變異特征和不確定性至關(guān)重要。本研究采用了一系列科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)處理與分析方法，確保研究結(jié)果的可靠性和有效性。在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，主要對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清理和轉(zhuǎn)換，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，為后續(xù)分析奠定基礎(chǔ)。由于野外采樣過程中可能受到各種因素的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺失值或異常值。對于缺失值，采用均值填充法進(jìn)行處理。均值填充法是基于數(shù)據(jù)的整體分布特征，用該變量的平均值來填補(bǔ)缺失值。這種方法在一定程度上能夠保留數(shù)據(jù)的整體趨勢，但可能會對數(shù)據(jù)的變異性產(chǎn)生一定影響。在處理土壤生物固氮量數(shù)據(jù)時(shí)，若某采樣點(diǎn)的生物固氮量數(shù)據(jù)缺失，通過計(jì)算其他采樣點(diǎn)生物固氮量的平均值，將該平均值填充到缺失值位置。對于異常值，采用IQR（四分位距）方法進(jìn)行檢測和處理。IQR方法是利用數(shù)據(jù)的四分位數(shù)來定義異常值范圍，對于非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)具有較好的適用性。首先計(jì)算數(shù)據(jù)的第一四分位數(shù)（Q1）和第三四分位數(shù)（Q3），然后確定異常值的下界為Q1-1.5*IQR，上界為Q3+1.5*IQR。將超出這個(gè)范圍的數(shù)據(jù)視為異常值，并進(jìn)行修正或剔除。在分析土壤pH值數(shù)據(jù)時(shí)，通過IQR方法檢測出部分異常值，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)這些異常值是由于采樣過程中的操作失誤導(dǎo)致，因此將這些異常值剔除，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是分析空間變異特征的核心方法，其中半方差函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的關(guān)鍵工具之一。半方差函數(shù)能夠描述空間數(shù)據(jù)的變異性和結(jié)構(gòu)特征，通過計(jì)算采樣點(diǎn)之間的半方差值，反映生物固氮量在空間上的變化情況。其計(jì)算公式為：[此處插入半方差函數(shù)計(jì)算公式]式中，γ(h)為半方差值，h為空間距離（步長），N(h)為間距為h的樣本對數(shù)，Z(xi)和Z(xi+h)分別為空間位置xi和xi+h處的生物固氮量觀測值。在計(jì)算半方差函數(shù)時(shí)，選擇合適的步長至關(guān)重要。步長過大可能會忽略數(shù)據(jù)的局部變異信息，步長過小則會增加計(jì)算量且可能導(dǎo)致結(jié)果不穩(wěn)定。本研究根據(jù)研究區(qū)域的范圍和采樣點(diǎn)的分布密度，經(jīng)過多次試驗(yàn)和分析，確定了合適的步長為500m。通過計(jì)算半方差函數(shù)，可以得到塊金值、基臺值和變程等重要參數(shù)。塊金值表示當(dāng)采樣點(diǎn)間距為0時(shí)的半方差值，反映了隨機(jī)因素引起的空間變異，如采樣誤差、微地形變化等。基臺值是半方差函數(shù)隨著間距增大趨于穩(wěn)定時(shí)的值，代表了系統(tǒng)的總變異程度，包括結(jié)構(gòu)性變異和隨機(jī)性變異。變程則是半方差函數(shù)達(dá)到基臺值時(shí)的間距，它表示空間自相關(guān)的范圍，即在變程范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)點(diǎn)之間存在空間自相關(guān)性，超出變程，空間自相關(guān)性消失。[此處插入半方差函數(shù)計(jì)算公式]式中，γ(h)為半方差值，h為空間距離（步長），N(h)為間距為h的樣本對數(shù)，Z(xi)和Z(xi+h)分別為空間位置xi和xi+h處的生物固氮量觀測值。在計(jì)算半方差函數(shù)時(shí)，選擇合適的步長至關(guān)重要。步長過大可能會忽略數(shù)據(jù)的局部變異信息，步長過小則會增加計(jì)算量且可能導(dǎo)致結(jié)果不穩(wěn)定。本研究根據(jù)研究區(qū)域的范圍和采樣點(diǎn)的分布密度，經(jīng)過多次試驗(yàn)和分析，確定了合適的步長為500m。通過計(jì)算半方差函數(shù)，可以得到塊金值、基臺值和變程等重要參數(shù)。塊金值表示當(dāng)采樣點(diǎn)間距為0時(shí)的半方差值，反映了隨機(jī)因素引起的空間變異，如采樣誤差、微地形變化等。基臺值是半方差函數(shù)隨著間距增大趨于穩(wěn)定時(shí)的值，代表了系統(tǒng)的總變異程度，包括結(jié)構(gòu)性變異和隨機(jī)性變異。變程則是半方差函數(shù)達(dá)到基臺值時(shí)的間距，它表示空間自相關(guān)的范圍，即在變程范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)點(diǎn)之間存在空間自相關(guān)性，超出變程，空間自相關(guān)性消失。式中，γ(h)為半方差值，h為空間距離（步長），N(h)為間距為h的樣本對數(shù)，Z(xi)和Z(xi+h)分別為空間位置xi和xi+h處的生物固氮量觀測值。在計(jì)算半方差函數(shù)時(shí)，選擇合適的步長至關(guān)重要。步長過大可能會忽略數(shù)據(jù)的局部變異信息，步長過小則會增加計(jì)算量且可能導(dǎo)致結(jié)果不穩(wěn)定。本研究根據(jù)研究區(qū)域的范圍和采樣點(diǎn)的分布密度，經(jīng)過多次試驗(yàn)和分析，確定了合適的步長為500m。通過計(jì)算半方差函數(shù)，可以得到塊金值、基臺值和變程等重要參數(shù)。塊金值表示當(dāng)采樣點(diǎn)間距為0時(shí)的半方差值，反映了隨機(jī)因素引起的空間變異，如采樣誤差、微地形變化等。基臺值是半方差函數(shù)隨著間距增大趨于穩(wěn)定時(shí)的值，代表了系統(tǒng)的總變異程度，包括結(jié)構(gòu)性變異和隨機(jī)性變異。變程則是半方差函數(shù)達(dá)到基臺值時(shí)的間距，它表示空間自相關(guān)的范圍，即在變程范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)點(diǎn)之間存在空間自相關(guān)性，超出變程，空間自相關(guān)性消失。克里格插值是基于半方差函數(shù)進(jìn)行空間插值的一種方法，它能夠利用已知采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)對未知區(qū)域進(jìn)行最優(yōu)無偏估計(jì)，從而繪制出生物固氮量的空間分布圖。普通克里格插值是最常用的克里格插值方法之一，其基本原理是通過對周圍已知采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，來估計(jì)未知點(diǎn)的值。權(quán)重的確定基于半方差函數(shù)和采樣點(diǎn)之間的空間距離，距離未知點(diǎn)越近的采樣點(diǎn)，其權(quán)重越大。在進(jìn)行普通克里格插值時(shí)，首先根據(jù)半方差函數(shù)模型確定權(quán)重系數(shù)，然后利用這些權(quán)重系數(shù)對周圍采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和，得到未知點(diǎn)的估計(jì)值。通過普通克里格插值得到宜興市稻田土壤生物固氮量的空間分布圖后，可以直觀地看到生物固氮量在整個(gè)研究區(qū)域的分布情況。從圖中可以清晰地分辨出高值區(qū)和低值區(qū)的位置和范圍，以及生物固氮量的空間變化趨勢。結(jié)合研究區(qū)域的地形、土壤類型等信息，可以進(jìn)一步分析生物固氮量空間分布與這些因素之間的關(guān)系。不確定性評價(jià)是本研究的重要內(nèi)容之一，它有助于了解生物固氮量預(yù)測結(jié)果的可靠性和潛在風(fēng)險(xiǎn)。蒙特卡羅模擬是一種常用的不確定性分析方法，它通過多次隨機(jī)抽樣，考慮輸入?yún)?shù)的不確定性，生成大量的模擬結(jié)果，從而評估生物固氮量的不確定性范圍和概率分布。在進(jìn)行蒙特卡羅模擬時(shí)，首先確定輸入?yún)?shù)，如土壤理化性質(zhì)、氣候條件等參數(shù)的不確定性范圍和概率分布。可以通過歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、專家經(jīng)驗(yàn)等方式來確定這些參數(shù)的不確定性信息。然后，利用這些輸入?yún)?shù)進(jìn)行多次模擬計(jì)算，每次模擬都從參數(shù)的不確定性范圍內(nèi)隨機(jī)抽取一組參數(shù)值，代入到生物固氮量的計(jì)算模型中，得到一個(gè)模擬結(jié)果。經(jīng)過大量的模擬計(jì)算后，得到一系列的生物固氮量模擬值，通過對這些模擬值的統(tǒng)計(jì)分析，可以得到生物固氮量的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最小值、最大值等統(tǒng)計(jì)量，以及不同取值范圍的概率分布情況。敏感性分析則用于確定影響生物固氮量不確定性的關(guān)鍵因素，通過改變輸入?yún)?shù)的值，觀察生物固氮量的變化情況，找出對結(jié)果影響較大的因素。本研究采用局部敏感性分析方法，即固定其他參數(shù)不變，每次只改變一個(gè)參數(shù)的值，觀察生物固氮量的變化幅度。通過計(jì)算參數(shù)的敏感性系數(shù)，來衡量參數(shù)對生物固氮量的影響程度。敏感性系數(shù)越大，說明該參數(shù)對生物固氮量的影響越顯著。三、宜興市稻田土壤生物固氮量空間變異特征3.1生物固氮量的描述性統(tǒng)計(jì)分析對宜興市100個(gè)稻田土壤采樣點(diǎn)的生物固氮量數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。生物固氮量的最小值為0.56μgN/gsoil/d，出現(xiàn)在北部平原區(qū)的某采樣點(diǎn)，該區(qū)域地勢平坦，土壤質(zhì)地較為均一，可能由于長期高強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，導(dǎo)致土壤中固氮微生物的生存環(huán)境受到一定破壞，從而使生物固氮量較低。最大值達(dá)到50.23μgN/gsoil/d，位于南部丘陵區(qū)的一個(gè)采樣點(diǎn)，該區(qū)域土壤肥力較高，且周邊植被豐富，為固氮微生物提供了良好的棲息環(huán)境和豐富的碳源，有利于生物固氮過程的進(jìn)行。均值為8.65μgN/gsoil/d，標(biāo)準(zhǔn)差為10.23，表明數(shù)據(jù)離散程度較大，不同采樣點(diǎn)之間的生物固氮量存在明顯差異。變異系數(shù)（CV）是衡量數(shù)據(jù)離散程度的重要指標(biāo)，通常認(rèn)為CV＜10%為弱變異，10%≤CV＜100%為中等變異，CV≥100%為強(qiáng)變異。宜興市稻田土壤生物固氮量的變異系數(shù)為118.27%，屬于強(qiáng)變異，這進(jìn)一步說明宜興市稻田土壤生物固氮量在空間上的分布極不均勻，受到多種因素的綜合影響。偏度和峰度是描述數(shù)據(jù)分布形態(tài)的參數(shù)。偏度值為3.15，表明生物固氮量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)右偏態(tài)分布，即數(shù)據(jù)的右側(cè)（較大值一側(cè)）有較長的尾巴，說明研究區(qū)域內(nèi)存在一些生物固氮量較高的異常值，這些異常值可能與局部特殊的土壤環(huán)境、地形條件或農(nóng)業(yè)管理措施有關(guān)。峰度值為13.28，遠(yuǎn)大于正態(tài)分布的峰度值3，說明數(shù)據(jù)分布的峰態(tài)較為陡峭，數(shù)據(jù)集中在均值附近的程度較高，同時(shí)也反映出數(shù)據(jù)中存在較多的極端值。通過對生物固氮量數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其K-S檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為0.23，P值＜0.01，表明生物固氮量數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布。這可能是由于生物固氮過程受到多種復(fù)雜因素的交互作用，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的分布偏離了正態(tài)分布。為了滿足后續(xù)地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析對數(shù)據(jù)正態(tài)性的要求，對生物固氮量數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換。對數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)K-S檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為0.08，P值=0.12＞0.05，服從正態(tài)分布，可用于進(jìn)一步的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。[此處插入描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表]3.2空間自相關(guān)分析運(yùn)用GeoDa軟件計(jì)算宜興市稻田土壤生物固氮量的全局Moran'sI指數(shù)，以判斷其在空間上的自相關(guān)程度。Moran'sI指數(shù)的計(jì)算公式為：[此處插入Moran'sI指數(shù)計(jì)算公式]式中，n為樣本數(shù)量；xi和xj分別為空間位置i和j處的生物固氮量；Wij為空間權(quán)重矩陣，表示空間位置i和j之間的鄰接關(guān)系。若i和j相鄰，則Wij=1；否則Wij=0。[此處插入Moran'sI指數(shù)計(jì)算公式]式中，n為樣本數(shù)量；xi和xj分別為空間位置i和j處的生物固氮量；Wij為空間權(quán)重矩陣，表示空間位置i和j之間的鄰接關(guān)系。若i和j相鄰，則Wij=1；否則Wij=0。式中，n為樣本數(shù)量；xi和xj分別為空間位置i和j處的生物固氮量；Wij為空間權(quán)重矩陣，表示空間位置i和j之間的鄰接關(guān)系。若i和j相鄰，則Wij=1；否則Wij=0。計(jì)算結(jié)果顯示，宜興市稻田土壤生物固氮量的全局Moran'sI指數(shù)為0.25，Z得分=3.25，P值=0.002＜0.05。Moran'sI指數(shù)大于0，表明宜興市稻田土壤生物固氮量在空間上存在正自相關(guān)，即生物固氮量高的區(qū)域傾向于與生物固氮量高的區(qū)域相鄰，生物固氮量低的區(qū)域傾向于與生物固氮量低的區(qū)域相鄰。Z得分大于1.96，且P值小于0.05，通過了95%置信度檢驗(yàn)，說明這種空間自相關(guān)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，并非由隨機(jī)因素導(dǎo)致。為了更直觀地展示生物固氮量的空間自相關(guān)特征，繪制Moran散點(diǎn)圖（圖2）。Moran散點(diǎn)圖以標(biāo)準(zhǔn)化后的生物固氮量為橫坐標(biāo)，以其空間滯后向量（即相鄰區(qū)域的生物固氮量均值）為縱坐標(biāo)。在Moran散點(diǎn)圖中，位于第一象限（HH）的點(diǎn)表示高生物固氮量的區(qū)域被高生物固氮量的區(qū)域所包圍，呈現(xiàn)出高高集聚的特征；第三象限（LL）的點(diǎn)表示低生物固氮量的區(qū)域被低生物固氮量的區(qū)域所包圍，呈現(xiàn)出低低集聚的特征；第二象限（LH）的點(diǎn)表示低生物固氮量的區(qū)域被高生物固氮量的區(qū)域所包圍，為低高異常值；第四象限（HL）的點(diǎn)表示高生物固氮量的區(qū)域被低生物固氮量的區(qū)域所包圍，為高低異常值。從Moran散點(diǎn)圖可以看出，大部分采樣點(diǎn)分布在第一象限和第三象限，其中第一象限的采樣點(diǎn)數(shù)量相對較多。這進(jìn)一步證實(shí)了宜興市稻田土壤生物固氮量在空間上存在明顯的正自相關(guān)，且高高集聚和低低集聚的現(xiàn)象較為突出。在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，這意味著如果某一區(qū)域的生物固氮量較高，那么其周邊區(qū)域的生物固氮量也很可能較高；反之，如果某一區(qū)域的生物固氮量較低，其周邊區(qū)域的生物固氮量也往往較低。這種空間自相關(guān)特征對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理具有重要的指導(dǎo)意義，例如在施肥管理中，可以根據(jù)生物固氮量的空間集聚特征，對不同區(qū)域進(jìn)行差異化施肥，對于生物固氮量高的區(qū)域，可以適當(dāng)減少氮肥的施用量，而對于生物固氮量低的區(qū)域，則需要增加氮肥的投入，以確保水稻生長對氮素的需求。同時(shí)，在農(nóng)田規(guī)劃和土地利用布局中，也可以考慮生物固氮量的空間自相關(guān)特征，將生物固氮量相近的區(qū)域進(jìn)行合理劃分，便于統(tǒng)一管理和調(diào)控。[此處插入Moran散點(diǎn)圖]3.3半方差函數(shù)分析運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對宜興市稻田土壤生物固氮量進(jìn)行半方差函數(shù)分析，結(jié)果如圖3所示。通過對不同模型的擬合效果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)高斯模型能夠較好地?cái)M合生物固氮量的半方差函數(shù)，其擬合參數(shù)如表2所示。從半方差函數(shù)圖可以看出，宜興市稻田土壤生物固氮量的半方差值隨著空間距離（步長）的增加而逐漸增大，當(dāng)步長達(dá)到一定距離后，半方差值趨于穩(wěn)定，此時(shí)對應(yīng)的半方差值即為基臺值。塊金值（C0）為10.56，反映了由隨機(jī)因素（如采樣誤差、微地形變化、土壤微生物的隨機(jī)分布等）引起的空間變異。在采樣過程中，雖然盡量保證采樣的隨機(jī)性和代表性，但仍可能存在一些無法避免的隨機(jī)因素，這些因素導(dǎo)致了生物固氮量在小尺度上的變異?；_值（C0+C）為35.68，表示系統(tǒng)的總變異程度，包括結(jié)構(gòu)性變異和隨機(jī)性變異。結(jié)構(gòu)比（C/（C0+C））為70.41%，表明結(jié)構(gòu)性因素（如土壤類型、地形地貌、氣候條件等自然因素以及長期的農(nóng)業(yè)管理措施等）對生物固氮量的空間變異起主導(dǎo)作用。這說明宜興市稻田土壤生物固氮量的空間分布并非完全隨機(jī)，而是受到一些相對穩(wěn)定的因素的影響，具有一定的空間結(jié)構(gòu)。變程（a）為12.5km，即當(dāng)采樣點(diǎn)之間的距離大于12.5km時(shí)，生物固氮量的空間自相關(guān)性消失，超出這個(gè)范圍，生物固氮量的變化主要受隨機(jī)因素影響。這意味著在12.5km的范圍內(nèi)，生物固氮量具有相似的變化趨勢，而超過這個(gè)范圍，生物固氮量的變化不再具有明顯的相關(guān)性。在宜興市稻田中，這可能與土壤類型的分布范圍、地形地貌的變化尺度以及農(nóng)業(yè)管理措施的實(shí)施范圍等因素有關(guān)。例如，土壤類型在一定區(qū)域內(nèi)相對穩(wěn)定，當(dāng)采樣點(diǎn)跨越不同土壤類型區(qū)域時(shí)，生物固氮量可能會發(fā)生較大變化；地形地貌的變化也會影響土壤的水分、養(yǎng)分分布以及光照條件等，從而對生物固氮量產(chǎn)生影響，而這些地形地貌因素的影響范圍可能在12.5km左右；農(nóng)業(yè)管理措施如施肥、灌溉等通常在一定區(qū)域內(nèi)具有相似性，當(dāng)超出這個(gè)區(qū)域時(shí)，管理措施的差異可能導(dǎo)致生物固氮量的變化不再具有相關(guān)性。通過半方差函數(shù)分析，明確了宜興市稻田土壤生物固氮量的空間變異結(jié)構(gòu)和影響范圍，為后續(xù)的空間插值和不確定性評價(jià)提供了重要依據(jù)。在進(jìn)行空間插值時(shí)，需要考慮生物固氮量的空間自相關(guān)性和變程，以提高插值結(jié)果的準(zhǔn)確性；在分析影響生物固氮量的因素時(shí)，也可以根據(jù)變程范圍，確定與生物固氮量具有相關(guān)性的因素的影響范圍，從而更有針對性地探究影響因素與生物固氮量之間的關(guān)系。[此處插入半方差函數(shù)圖][此處插入半方差函數(shù)擬合參數(shù)表][此處插入半方差函數(shù)擬合參數(shù)表]3.4空間插值與分布特征基于半方差函數(shù)分析結(jié)果，利用ArcGIS軟件中的普通克里格插值工具對宜興市稻田土壤生物固氮量進(jìn)行空間插值，得到生物固氮量的空間分布圖（圖4）。從圖中可以清晰地看出，宜興市稻田土壤生物固氮量呈現(xiàn)出明顯的空間分布差異，總體上呈現(xiàn)出從南部丘陵區(qū)向北部平原區(qū)逐漸遞減的趨勢。生物固氮量高值區(qū)主要分布在南部丘陵區(qū)，尤其是在茗嶺山周邊以及東南方向靠近丘陵的區(qū)域。這些地區(qū)生物固氮量普遍在15μgN/gsoil/d以上，部分區(qū)域甚至超過30μgN/gsoil/d。這主要是因?yàn)槟喜壳鹆陞^(qū)土壤類型多為黃棕壤，其成土母質(zhì)富含鐵、鋁氧化物，土壤肥力較高，能夠?yàn)楣痰⑸锾峁┴S富的養(yǎng)分和適宜的生存環(huán)境。黃棕壤中的鐵、鋁氧化物可以作為電子供體或受體，參與固氮微生物的代謝過程，促進(jìn)生物固氮作用的進(jìn)行。該區(qū)域地形起伏較大，相對高差明顯，形成了多樣的微地形和微氣候條件，有利于不同生態(tài)位的固氮微生物生長繁殖。如在山谷和山坡的陰面，土壤濕度相對較高，溫度較為穩(wěn)定，適合一些對水分和溫度要求較為嚴(yán)格的固氮微生物生存。此外，南部丘陵區(qū)周邊植被豐富，植物殘?bào)w和根系分泌物為固氮微生物提供了充足的碳源和能源，進(jìn)一步促進(jìn)了生物固氮過程。例如，落葉喬木和灌木的落葉在分解過程中會釋放出大量的有機(jī)物質(zhì)，這些有機(jī)物質(zhì)可以被固氮微生物利用，為其生長和固氮活動提供能量。生物固氮量低值區(qū)主要集中在北部平原區(qū)，特別是西北和東北方向地勢較為平坦的區(qū)域。這些區(qū)域生物固氮量大多在5μgN/gsoil/d以下，部分區(qū)域甚至低于1μgN/gsoil/d。北部平原區(qū)土壤類型主要為水稻土，雖然土壤結(jié)構(gòu)良好，保水保肥能力較強(qiáng)，但長期高強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，如頻繁的耕作、大量施用化肥等，導(dǎo)致土壤中固氮微生物的生存環(huán)境受到一定破壞，從而使生物固氮量較低。頻繁的耕作會破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，使土壤通氣性和透水性發(fā)生改變，影響固氮微生物的生存空間和代謝活動。大量施用化肥會導(dǎo)致土壤中氮素含量過高，抑制固氮微生物的固氮活性，使生物固氮量降低。北部平原區(qū)地勢平坦，河網(wǎng)密布，地下水位較高，土壤長期處于淹水狀態(tài)，土壤中的氧氣含量較低，不利于一些需氧型固氮微生物的生長繁殖，這也是導(dǎo)致生物固氮量較低的原因之一。在一些低洼地區(qū)，土壤淹水時(shí)間較長，缺氧環(huán)境嚴(yán)重，固氮微生物的種類和數(shù)量明顯減少，生物固氮量也相應(yīng)降低。通過對生物固氮量空間分布與地形、土壤類型等因素的疊加分析發(fā)現(xiàn)，地形和土壤類型對生物固氮量的空間分布具有顯著影響。在地形方面，隨著海拔的升高，生物固氮量呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。這是因?yàn)楹０蔚淖兓瘯?dǎo)致氣溫、降水、光照等氣候條件以及土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響生物固氮過程。在海拔較高的地區(qū)，氣溫相對較低，土壤有機(jī)質(zhì)分解速度較慢，有利于有機(jī)質(zhì)的積累，為固氮微生物提供了豐富的碳源和能源。海拔較高地區(qū)的降水相對較多，土壤濕度適宜，也有利于固氮微生物的生長繁殖。在土壤類型方面，黃棕壤上的生物固氮量明顯高于水稻土。這主要是由于黃棕壤和水稻土的理化性質(zhì)存在差異，黃棕壤的酸性較強(qiáng)，鐵、鋁氧化物含量較高，這些特性有利于固氮微生物的生存和固氮活性的發(fā)揮。而水稻土在長期的水耕熟化過程中，土壤的酸堿度、氧化還原電位等發(fā)生了改變，對固氮微生物的種類和數(shù)量產(chǎn)生了一定影響，導(dǎo)致生物固氮量相對較低。[此處插入生物固氮量空間分布圖]四、宜興市稻田土壤生物固氮量不確定性評價(jià)4.1不確定性來源分析在宜興市稻田土壤生物固氮量的研究中，深入剖析不確定性來源對于準(zhǔn)確評估生物固氮量具有關(guān)鍵意義。不確定性來源廣泛且復(fù)雜，主要涵蓋采樣誤差、測定誤差、模型誤差以及環(huán)境因素的不確定性等多個(gè)方面。采樣誤差是導(dǎo)致生物固氮量不確定性的重要因素之一。在實(shí)際采樣過程中，盡管采用了網(wǎng)格法與隨機(jī)抽樣相結(jié)合的科學(xué)方法，但由于稻田生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，仍難以完全避免采樣誤差的產(chǎn)生。稻田中土壤性質(zhì)在空間上存在微觀差異，即使在同一采樣點(diǎn)附近，土壤的質(zhì)地、酸堿度、有機(jī)質(zhì)含量等也可能有所不同，這使得采集的土壤樣品難以完全代表整個(gè)采樣區(qū)域的真實(shí)情況。在一些稻田中，由于長期的耕作活動，土壤可能存在局部的肥力斑塊，導(dǎo)致不同位置的生物固氮量存在較大差異。如果采樣點(diǎn)未能準(zhǔn)確覆蓋這些斑塊，就會使采樣結(jié)果產(chǎn)生偏差。采樣的時(shí)間也會對結(jié)果產(chǎn)生影響。生物固氮量在水稻生長的不同階段會發(fā)生變化，若采樣時(shí)間選擇不當(dāng)，可能無法捕捉到生物固氮量的峰值或谷值，從而引入誤差。在水稻分蘗期和孕穗期，生物固氮量可能會因?yàn)樗旧L需求的變化以及固氮微生物群落的動態(tài)演替而有所不同。測定誤差同樣不可忽視。本研究采用乙炔還原法測定生物固氮量，雖然該方法具有成本低、操作相對簡便等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也存在一定的局限性。固氮量的計(jì)算依賴于乙烯和氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化比例，而在不同的固氮體系下，實(shí)際轉(zhuǎn)化系數(shù)與理想條件下固氮量和乙烯1：3的比例存在極大變異。在一些特殊的稻田環(huán)境中，由于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的特殊性，固氮酶的活性可能受到抑制或增強(qiáng)，導(dǎo)致乙烯的產(chǎn)生量與固氮量之間的關(guān)系偏離理想比例。測定過程中的儀器精度、操作誤差等也會對結(jié)果產(chǎn)生影響。氣相色譜儀的檢測精度有限，可能無法準(zhǔn)確測定極低或極高濃度的乙烯，從而影響生物固氮量的計(jì)算準(zhǔn)確性。操作人員在樣品處理、進(jìn)樣等環(huán)節(jié)的操作差異，也可能導(dǎo)致測定結(jié)果的波動。模型誤差是不確定性的另一個(gè)重要來源。在對生物固氮量進(jìn)行空間分析和預(yù)測時(shí)，使用了地統(tǒng)計(jì)學(xué)模型和空間插值模型，這些模型是基于一定的假設(shè)和理論建立的，與實(shí)際情況可能存在偏差。地統(tǒng)計(jì)學(xué)模型中的半方差函數(shù)假設(shè)空間變異具有平穩(wěn)性和各向同性，但在實(shí)際的稻田生態(tài)系統(tǒng)中，這種假設(shè)往往難以完全滿足。稻田的地形地貌、土壤類型等因素會導(dǎo)致生物固氮量的空間變異呈現(xiàn)出非平穩(wěn)性和各向異性。在山區(qū)稻田，由于地形起伏較大，生物固氮量在不同方向上的變化可能存在差異，而地統(tǒng)計(jì)學(xué)模型可能無法準(zhǔn)確捕捉這種復(fù)雜的空間變異特征?？臻g插值模型在進(jìn)行預(yù)測時(shí)，是基于已知采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，對于未知區(qū)域的預(yù)測存在一定的不確定性。如果采樣點(diǎn)的分布不均勻或數(shù)量不足，插值結(jié)果可能無法準(zhǔn)確反映生物固氮量的真實(shí)空間分布。環(huán)境因素的不確定性對生物固氮量的影響也十分顯著。稻田生態(tài)系統(tǒng)受到多種環(huán)境因素的綜合作用，如溫度、水分、光照、土壤養(yǎng)分等，這些因素的微小變化都可能對生物固氮過程產(chǎn)生影響，且它們之間還存在復(fù)雜的相互作用。溫度是影響生物固氮的重要環(huán)境因素之一，適宜的溫度范圍有利于固氮微生物的生長和固氮酶的活性發(fā)揮。在宜興市，夏季高溫多雨，冬季低溫少雨，氣溫的季節(jié)性變化較大。如果在生物固氮量測定期間遇到異常的高溫或低溫天氣，可能會導(dǎo)致固氮微生物的代謝活動受到抑制，從而降低生物固氮量。土壤水分狀況對生物固氮也至關(guān)重要，過多或過少的水分都會影響固氮微生物的生存環(huán)境和固氮活性。在雨季，稻田可能會出現(xiàn)積水現(xiàn)象，導(dǎo)致土壤缺氧，抑制需氧型固氮微生物的生長；而在干旱季節(jié)，土壤水分不足，會使固氮微生物的生理活動受到限制。光照條件通過影響水稻的光合作用，間接影響生物固氮過程。充足的光照可以為水稻提供更多的光合產(chǎn)物，這些產(chǎn)物可以作為碳源和能源被固氮微生物利用，從而促進(jìn)生物固氮。土壤養(yǎng)分的含量和比例也會影響生物固氮量，例如，土壤中磷、鉀等元素的缺乏可能會限制固氮微生物的生長和固氮活性。4.2不確定性評價(jià)方法選擇在對宜興市稻田土壤生物固氮量進(jìn)行不確定性評價(jià)時(shí)，需綜合考量研究目標(biāo)、數(shù)據(jù)特性以及研究的可操作性等因素，從而選取適宜的評價(jià)方法。常見的不確定性評價(jià)方法包括蒙特卡羅模擬、貝葉斯分析等，它們各自具有獨(dú)特的原理、優(yōu)勢和適用場景。蒙特卡羅模擬是一種基于概率統(tǒng)計(jì)理論的數(shù)值計(jì)算方法，其基本原理是通過對輸入?yún)?shù)進(jìn)行大量隨機(jī)抽樣，模擬系統(tǒng)的多種可能狀態(tài)，進(jìn)而得到輸出結(jié)果的概率分布。在稻田土壤生物固氮量不確定性評價(jià)中，蒙特卡羅模擬具有顯著優(yōu)勢。它能夠充分考慮輸入?yún)?shù)的不確定性，通過多次隨機(jī)抽樣，生成大量的模擬結(jié)果，從而全面評估生物固氮量的不確定性范圍和概率分布。這種方法對輸入?yún)?shù)的分布形式?jīng)]有嚴(yán)格要求，無論是正態(tài)分布、均勻分布還是其他復(fù)雜分布，都能進(jìn)行有效的模擬。它還可以直觀地展示生物固氮量在不同概率水平下的取值情況，為決策者提供豐富的信息。在分析土壤質(zhì)地、pH值等參數(shù)對生物固氮量的影響時(shí)，蒙特卡羅模擬可以根據(jù)這些參數(shù)的不確定性范圍，隨機(jī)生成大量的參數(shù)組合，代入生物固氮量計(jì)算模型中，得到一系列的生物固氮量模擬值，進(jìn)而分析這些模擬值的統(tǒng)計(jì)特征，確定生物固氮量的不確定性范圍。貝葉斯分析則是基于貝葉斯定理，將先驗(yàn)信息與樣本數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過不斷更新先驗(yàn)分布來得到后驗(yàn)分布，從而對不確定性進(jìn)行評估。貝葉斯分析的優(yōu)點(diǎn)在于能夠充分利用先驗(yàn)知識，在樣本數(shù)據(jù)有限的情況下，通過合理的先驗(yàn)假設(shè)，可以得到較為準(zhǔn)確的不確定性評估結(jié)果。它還可以對模型參數(shù)進(jìn)行不確定性估計(jì)，同時(shí)考慮模型結(jié)構(gòu)的不確定性。在稻田生物固氮研究中，如果有關(guān)于生物固氮過程的先驗(yàn)知識，如前人的研究成果、專家經(jīng)驗(yàn)等，貝葉斯分析可以將這些先驗(yàn)信息融入到不確定性評價(jià)中，提高評價(jià)結(jié)果的可靠性。綜合考慮本研究的實(shí)際情況，選擇蒙特卡羅模擬作為宜興市稻田土壤生物固氮量不確定性評價(jià)的主要方法，主要基于以下理由：本研究擁有較為豐富的采樣數(shù)據(jù)，通過大量的土壤樣品采集和生物固氮量測定，能夠?yàn)槊商乜_模擬提供充足的數(shù)據(jù)支持。利用這些數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確地確定輸入?yún)?shù)的不確定性范圍和概率分布，從而提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。蒙特卡羅模擬的計(jì)算過程相對簡單，易于實(shí)現(xiàn)，且結(jié)果直觀易懂。對于復(fù)雜的稻田生態(tài)系統(tǒng)，蒙特卡羅模擬能夠直觀地展示生物固氮量的不確定性范圍和概率分布，便于理解和解釋。在實(shí)際應(yīng)用中，決策者可以根據(jù)蒙特卡羅模擬得到的結(jié)果，直觀地了解生物固氮量在不同概率水平下的取值情況，從而制定更加科學(xué)合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策。本研究的重點(diǎn)在于全面評估生物固氮量的不確定性范圍和概率分布，蒙特卡羅模擬在這方面具有明顯的優(yōu)勢，能夠滿足研究需求。通過多次隨機(jī)抽樣，蒙特卡羅模擬可以生成大量的模擬結(jié)果，從而全面地評估生物固氮量的不確定性，為后續(xù)的分析和決策提供有力支持。4.3不確定性結(jié)果分析與可視化運(yùn)用選定的蒙特卡羅模擬方法對宜興市稻田土壤生物固氮量進(jìn)行不確定性評價(jià)。通過10000次的隨機(jī)抽樣模擬，得到生物固氮量的不確定性結(jié)果。模擬結(jié)果顯示，宜興市稻田土壤生物固氮量的均值為8.65μgN/gsoil/d，與之前描述性統(tǒng)計(jì)分析得到的均值一致，這表明蒙特卡羅模擬在一定程度上能夠反映實(shí)際數(shù)據(jù)的集中趨勢。標(biāo)準(zhǔn)差為1.56μgN/gsoil/d，表明生物固氮量的模擬結(jié)果存在一定的離散程度，即不確定性。為了更直觀地展示生物固氮量的不確定性，繪制不確定性分布圖（圖5）。從圖中可以看出，不確定性在空間上呈現(xiàn)出明顯的分布差異。在南部丘陵區(qū)，不確定性相對較小，大部分區(qū)域的不確定性范圍在±1.0μgN/gsoil/d以內(nèi)。這可能是因?yàn)槟喜壳鹆陞^(qū)的土壤類型相對單一，主要為黃棕壤，土壤理化性質(zhì)較為均一，且地形地貌相對穩(wěn)定，環(huán)境因素對生物固氮量的影響較為一致，從而使得生物固氮量的不確定性較小。南部丘陵區(qū)的植被覆蓋度較高，生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定，固氮微生物群落結(jié)構(gòu)也較為穩(wěn)定，這也有助于降低生物固氮量的不確定性。例如，在茗嶺山周邊的稻田，由于植被豐富，為固氮微生物提供了穩(wěn)定的生存環(huán)境，生物固氮量的波動較小，不確定性較低。北部平原區(qū)的不確定性相對較大，部分區(qū)域的不確定性范圍超過±2.0μgN/gsoil/d。北部平原區(qū)地勢平坦，河網(wǎng)密布，土壤類型主要為水稻土，但由于長期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，如頻繁的耕作、不同的施肥方式和灌溉制度等，導(dǎo)致土壤性質(zhì)在空間上存在較大差異，這使得生物固氮量受到多種復(fù)雜因素的影響，從而增加了不確定性。在一些靠近河流的稻田，由于河水的灌溉和排水，土壤的水分和養(yǎng)分狀況變化較大，生物固氮量的不確定性也相應(yīng)增大。北部平原區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施的多樣性也會導(dǎo)致生物固氮量的不確定性增加。不同農(nóng)戶的施肥習(xí)慣和灌溉時(shí)間不同，會使稻田的土壤環(huán)境和微生物群落發(fā)生變化，進(jìn)而影響生物固氮量，導(dǎo)致不確定性增大。在不確定性較高的區(qū)域，可能會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言，生物固氮量的不確定性增加了氮肥管理的難度。如果不能準(zhǔn)確掌握生物固氮量的實(shí)際情況，可能會導(dǎo)致氮肥施用過多或過少。氮肥施用過多會造成資源浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本，還可能導(dǎo)致土壤和水體污染；氮肥施用過少則會影響水稻的生長和產(chǎn)量。在不確定性較高的區(qū)域，農(nóng)民難以確定合理的氮肥施用量，可能會根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施肥，這就容易出現(xiàn)施肥不合理的情況。對于生態(tài)環(huán)境來說，生物固氮量的不確定性可能會影響稻田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。生物固氮是稻田生態(tài)系統(tǒng)中氮素循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，其不確定性可能會導(dǎo)致氮素的不平衡，進(jìn)而影響其他生物的生存和繁殖。如果生物固氮量波動較大，可能會使稻田中的氮素供應(yīng)不穩(wěn)定，影響水稻和其他生物的生長，破壞生態(tài)系統(tǒng)的平衡。[此處插入不確定性分布圖]五、影響稻田土壤生物固氮量空間變異的因素分析5.1自然因素5.1.1土壤性質(zhì)土壤性質(zhì)是影響稻田土壤生物固氮量空間變異的重要因素之一，其中土壤質(zhì)地、pH值、有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量等對生物固氮過程起著關(guān)鍵作用。土壤質(zhì)地決定了土壤的通氣性、透水性和保肥保水能力，進(jìn)而影響固氮微生物的生存環(huán)境和代謝活動。在宜興市稻田中，質(zhì)地較黏重的土壤，如黏土，其通氣性和透水性較差，但保肥保水能力強(qiáng)，有利于一些厭氧型固氮微生物的生長繁殖。這些厭氧型固氮微生物在黏土中能夠利用土壤中豐富的有機(jī)質(zhì)作為碳源和能源，進(jìn)行生物固氮活動。而質(zhì)地較輕的土壤，如砂土，通氣性和透水性良好，但保肥保水能力較弱，適合一些需氧型固氮微生物生存。需氧型固氮微生物在砂土中能夠充分利用土壤孔隙中的氧氣進(jìn)行代謝活動，從而促進(jìn)生物固氮。通過對不同質(zhì)地土壤采樣點(diǎn)生物固氮量的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，黏土上的生物固氮量均值為10.23μgN/gsoil/d，而砂土上的生物固氮量均值為6.54μgN/gsoil/d，黏土上的生物固氮量顯著高于砂土，表明土壤質(zhì)地對生物固氮量有顯著影響。土壤pH值對生物固氮量的影響也十分顯著。適宜的pH值能夠?yàn)楣痰⑸锾峁┝己玫纳姝h(huán)境，促進(jìn)固氮酶的活性。研究表明，大多數(shù)固氮微生物適宜在中性至微酸性的土壤環(huán)境中生長，當(dāng)土壤pH值偏離這個(gè)范圍時(shí)，固氮微生物的生長和固氮活性會受到抑制。在宜興市稻田中，土壤pH值的范圍為4.5-7.5。對土壤pH值與生物固氮量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示兩者呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（r=0.56，P＜0.01）。當(dāng)土壤pH值在6.0-7.0之間時(shí)，生物固氮量較高，均值達(dá)到9.87μgN/gsoil/d；而當(dāng)土壤pH值小于5.0或大于7.5時(shí)，生物固氮量明顯降低，均值分別為5.23μgN/gsoil/d和6.15μgN/gsoil/d。這是因?yàn)樵谒嵝暂^強(qiáng)的土壤中，鋁、鐵等金屬離子的溶解度增加，可能對固氮微生物產(chǎn)生毒害作用，抑制其生長和固氮活性；在堿性土壤中，一些營養(yǎng)元素的有效性降低，也不利于固氮微生物的生存和固氮過程的進(jìn)行。土壤有機(jī)質(zhì)是固氮微生物的重要碳源和能源，其含量的高低直接影響生物固氮量。豐富的有機(jī)質(zhì)能夠?yàn)楣痰⑸锾峁┏渥愕哪芰浚龠M(jìn)其生長和繁殖，從而提高生物固氮量。在宜興市稻田中，土壤有機(jī)質(zhì)含量與生物固氮量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（r=0.78，P＜0.01）。當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量大于25g/kg時(shí)，生物固氮量較高，均值為12.35μgN/gsoil/d；而當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量小于15g/kg時(shí)，生物固氮量較低，均值僅為4.86μgN/gsoil/d。這是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)在分解過程中會釋放出各種有機(jī)物質(zhì)，如糖類、氨基酸等，這些物質(zhì)可以被固氮微生物利用，為其固氮活動提供能量和營養(yǎng)。土壤有機(jī)質(zhì)還可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度，提高土壤的通氣性和透水性，為固氮微生物創(chuàng)造良好的生存環(huán)境。土壤全氮含量與生物固氮量之間存在復(fù)雜的關(guān)系。一方面，當(dāng)土壤全氮含量較低時(shí)，固氮微生物為了滿足自身生長和代謝的需要，會積極進(jìn)行生物固氮活動，從而使生物固氮量增加。在一些貧瘠的稻田中，土壤全氮含量較低，固氮微生物會利用大氣中的氮?dú)膺M(jìn)行固氮，以補(bǔ)充土壤中的氮素。另一方面，當(dāng)土壤全氮含量過高時(shí)，會對固氮微生物的固氮活性產(chǎn)生反饋抑制作用，導(dǎo)致生物固氮量降低。長期大量施用氮肥的稻田，土壤全氮含量過高，固氮微生物的固氮活性會受到抑制，生物固氮量相應(yīng)減少。對宜興市稻田土壤全氮含量與生物固氮量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.35，P＜0.05），表明土壤全氮含量過高會抑制生物固氮量。這可能是由于土壤中高含量的氮素會使固氮微生物的固氮基因表達(dá)受到抑制，從而降低固氮酶的活性，減少生物固氮量。5.1.2地形地貌地形地貌是影響稻田土壤生物固氮量空間變異的重要自然因素之一，其通過影響水熱條件、土壤理化性質(zhì)和生物群落分布，對生物固氮過程產(chǎn)生顯著影響。地形起伏和海拔高度的變化會導(dǎo)致水熱條件的差異，進(jìn)而影響生物固氮量。隨著海拔的升高，氣溫逐漸降低，降水逐漸增多，這種水熱條件的變化會對固氮微生物的生長和固氮活性產(chǎn)生影響。在宜興市南部丘陵區(qū)，海拔相對較高，氣溫較低，土壤有機(jī)質(zhì)分解速度較慢，有利于有機(jī)質(zhì)的積累，為固氮微生物提供了豐富的碳源和能源。低溫環(huán)境也會使固氮微生物的代謝活動減緩，但其固氮效率可能會相對提高。研究表明，在海拔50-200m的區(qū)域，生物固氮量隨著海拔的升高而逐漸增加，海拔每升高100m，生物固氮量增加約1.5μgN/gsoil/d。這是因?yàn)樵谳^高海拔地區(qū)，土壤濕度相對較高，溫度較為穩(wěn)定，適合一些對水分和溫度要求較為嚴(yán)格的固氮微生物生存。高海拔地區(qū)的植被類型和覆蓋度也與低海拔地區(qū)不同，植被殘?bào)w和根系分泌物為固氮微生物提供了更多的有機(jī)物質(zhì)，進(jìn)一步促進(jìn)了生物固氮過程。坡度對生物固氮量的影響主要體現(xiàn)在土壤侵蝕和水分分布方面。在坡度較大的區(qū)域，土壤侵蝕較為嚴(yán)重，土壤中的養(yǎng)分容易流失，這會影響固氮微生物的生存環(huán)境和生物固氮量。坡度較大的稻田，在降雨時(shí)容易發(fā)生水土流失，導(dǎo)致土壤中的有機(jī)質(zhì)、氮、磷等養(yǎng)分被帶走，使固氮微生物缺乏必要的營養(yǎng)物質(zhì)，從而降低生物固氮量。坡度還會影響土壤水分的分布，在坡度較陡的地方，水分容易流失，土壤含水量較低，不利于固氮微生物的生長繁殖。對宜興市不同坡度稻田的生物固氮量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡度大于15°時(shí)，生物固氮量明顯降低，均值為6.23μgN/gsoil/d；而當(dāng)坡度小于5°時(shí)，生物固氮量較高，均值為9.87μgN/gsoil/d。這表明坡度對生物固氮量有顯著影響，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對于坡度較大的稻田，需要采取有效的水土保持措施，如修建梯田、種植防護(hù)林等，以減少土壤侵蝕，提高生物固氮量。為了更直觀地展示地形地貌對生物固氮量空間變異的影響，結(jié)合空間分析方法，將生物固氮量數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析。利用ArcGIS軟件的空間分析工具，計(jì)算不同地形單元（如不同海拔區(qū)間、不同坡度等級）內(nèi)的生物固氮量均值，并繪制專題地圖。從專題地圖中可以清晰地看出，生物固氮量在不同地形單元上呈現(xiàn)出明顯的分布差異。在高海拔、緩坡的區(qū)域，生物固氮量較高；而在低海拔、陡坡的區(qū)域，生物固氮量較低。這種空間分布差異與地形地貌對水熱條件、土壤性質(zhì)的影響密切相關(guān)。通過空間分析，還可以進(jìn)一步確定地形地貌因素對生物固氮量影響的具體范圍和程度，為針對性地制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施提供科學(xué)依據(jù)。在高生物固氮量的區(qū)域，可以適當(dāng)減少氮肥的施用，充分利用生物固氮的作用；而在低生物固氮量的區(qū)域，則需要加強(qiáng)土壤改良和施肥管理，以滿足水稻生長對氮素的需求。5.1.3氣候條件氣候條件在時(shí)間和空間上的變化對宜興市稻田土壤生物固氮量有著深遠(yuǎn)影響，其中溫度、降水和光照是關(guān)鍵的氣候因子。溫度是影響生物固氮的重要因素之一，它對固氮微生物的生長、繁殖以及固氮酶的活性都有著顯著影響。在宜興市，年平均氣溫為15.7℃，但在水稻生長季（一般為4-10月），氣溫變化較大。研究表明，固氮微生物在適宜的溫度范圍內(nèi)，其生長和固氮活性較高。一般來說，固氮微生物的最適生長溫度在25-30℃之間。當(dāng)溫度低于20℃時(shí)，固氮微生物的代謝活動減緩，固氮酶的活性降低，生物固氮量也隨之減少。在早春時(shí)節(jié)，氣溫較低，稻田中的生物固氮量相對較低。當(dāng)溫度高于35℃時(shí)，固氮酶的結(jié)構(gòu)可能會受到破壞，導(dǎo)致其活性下降，生物固氮量也會受到抑制。在夏季高溫時(shí)段，如果稻田水溫過高，會影響固氮微生物的生存和固氮過程。對宜興市不同溫度條件下的稻田生物固氮量進(jìn)行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在溫度為25-30℃的時(shí)間段內(nèi)，生物固氮量均值為10.56μgN/gsoil/d；而當(dāng)溫度低于20℃或高于35℃時(shí)，生物固氮量均值分別降至6.23μgN/gsoil/d和7.15μgN/gsoil/d。這表明溫度對生物固氮量的影響呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，適宜的溫度是保證生物固氮高效進(jìn)行的重要條件。降水對稻田土壤生物固氮量的影響主要體現(xiàn)在土壤水分狀況和養(yǎng)分淋溶方面。宜興市年平均降水量為1180毫米，降水主要集中在夏季（6-8月）。適量的降水能夠保持稻田土壤濕潤，為固氮微生物提供適宜的生存環(huán)境。土壤水分充足時(shí)，固氮微生物能夠更好地吸收土壤中的養(yǎng)分，其代謝活動也更為活躍，從而促進(jìn)生物固氮。如果降水過多，會導(dǎo)致稻田積水，土壤通氣性變差，氧氣含量降低，這對一些需氧型固氮微生物的生長和固氮活性產(chǎn)生抑制作用。在暴雨過后，稻田長時(shí)間積水，會使土壤中的氧氣被消耗殆盡，需氧型固氮微生物的生存受到威脅，生物固氮量會明顯下降。降水還會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的淋溶，使土壤中的氮、磷、鉀等養(yǎng)分流失，影響固氮微生物的營養(yǎng)供應(yīng)，進(jìn)而降低生物固氮量。在降水較少的干旱季節(jié)，土壤水分不足，固氮微生物的生理活動受到限制，生物固氮量也會減少。對宜興市不同降水條件下的稻田生物固氮量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在降水量適中（月降水量為100-200毫米）的月份，生物固氮量較高，均值為9.87μgN/gsoil/d；而在降水過多（月降水量大于300毫米）或過少（月降水量小于50毫米）的月份，生物固氮量均值分別降至7.56μgN/gsoil/d和5.89μgN/gsoil/d。這說明降水對生物固氮量的影響較為復(fù)雜，需要合理調(diào)控稻田水分，以維持較高的生物固氮量。光照通過影響水稻的光合作用，間接影響稻田土壤生物固氮量。水稻是光合自養(yǎng)植物，充足的光照能夠促進(jìn)水稻的光合作用，產(chǎn)生更多的光合產(chǎn)物。這些光合產(chǎn)物一部分用于水稻自身的生長和發(fā)育，另一部分則通過根系分泌物的形式釋放到土壤中，為固氮微生物提供碳源和能源。在光照充足的條件下，水稻根系分泌物中含有更多的糖類、氨基酸等有機(jī)物質(zhì)，這些物質(zhì)能夠刺激固氮微生物的生長和繁殖，提高其固氮活性。研究表明，在光照強(qiáng)度為300-500μmol?m?2?s?1的條件下，稻田生物固氮量較高。當(dāng)光照強(qiáng)度低于200μmol?m?2?s?1時(shí)，水稻光合作用受到抑制，根系分泌物減少，生物固氮量也會隨之降低。在陰天或遮蔭條件下，水稻的光合產(chǎn)物減少，固氮微生物的營養(yǎng)供應(yīng)不足，生物固氮量會明顯下降。光照時(shí)間也會影響生物固氮量，較長的光照時(shí)間有利于水稻積累更多的光合產(chǎn)物，從而促進(jìn)生物固氮。在宜興市，夏季日照時(shí)間較長，此時(shí)稻田生物固氮量相對較高；而在冬季，日照時(shí)間較短，生物固氮量較低。5.2人為因素5.2.1施肥管理施肥管理是影響稻田土壤生物固氮量的重要人為因素之一，其中化肥和有機(jī)肥的施用量、施用時(shí)間以及施用方式都會對生物固氮過程產(chǎn)生顯著影響。化肥的施用量與生物固氮量之間存在復(fù)雜的關(guān)系。當(dāng)化肥施用量較低時(shí)，土壤中的氮素供應(yīng)相對不足，固氮微生物為了滿足自身和水稻生長對氮素的需求，會積極進(jìn)行生物固氮活動，從而使生物固氮量增加。在一些貧瘠的稻田中，適量施用化肥可以促進(jìn)水稻生長，同時(shí)也為固氮微生物提供了更多的能量和營養(yǎng)，進(jìn)而提高生物固氮量。隨著化肥施用量的增加，土壤中的氮素含量逐漸升高，當(dāng)超過一定閾值時(shí)，會對固氮微生物的固氮活性產(chǎn)生反饋抑制作用。高濃度的氮素會抑制固氮微生物中固氮酶的合成和活性，使生物固氮量降低。研究表明，當(dāng)化肥施用量超過300kg/hm2時(shí)，生物固氮量開始顯著下降?；实氖┯脮r(shí)間也會影響生物固氮量。在水稻生長前期，適量早施化肥可以促進(jìn)水稻根系的生長和發(fā)育，為固氮微生物提供更多的碳源和能源，有利于生物固氮。若在水稻生長后期大量施用化肥，會導(dǎo)致土壤中氮素濃度過高，抑制生物固氮過程。有機(jī)肥的施用對生物固氮量具有積極的促進(jìn)作用。有機(jī)肥中含有豐富的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，以及大量的微生物和有益菌群。這些有機(jī)質(zhì)可以為固氮微生物提供充足的碳源和能源，促進(jìn)其生長和繁殖。有機(jī)肥中的微生物和有益菌群還可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度，提高土壤的通氣性和透水性，為固氮微生物創(chuàng)造良好的生存環(huán)境。在宜興市稻田中，長期施用有機(jī)肥的區(qū)域，生物固氮量明顯高于未施用有機(jī)肥的區(qū)域。有機(jī)肥的施用量也會影響生物固氮量，當(dāng)有機(jī)肥施用量達(dá)到15t/hm2以上時(shí)，生物固氮量顯著增加。不同的施肥模式對生物固氮量的影響存在差異?；逝c有機(jī)肥配合施用的模式，既能滿足水稻生長前期對速效養(yǎng)分的需求，又能在后期為固氮微生物提供穩(wěn)定的碳源和能源，有利于維持較高的生物固氮量。研究發(fā)現(xiàn)，化肥與有機(jī)肥按照1:1的比例配合施用時(shí)，生物固氮量比單施化肥提高了30%左右。而長期單一施用化肥的模式，容易導(dǎo)致土壤中氮素比例失調(diào)，抑制生物固氮過程，使生物固氮量降低。在一些長期單施化肥的稻田中，生物固氮量僅為化肥與有機(jī)肥配合施用稻田的50%左右。5.2.2灌溉排水灌溉量和灌溉頻率對稻田土壤水分狀況和生物固氮量有著重要影響。適宜的灌溉量能夠保持稻田土壤處于濕潤但不過濕的狀態(tài)，為固氮微生物提供良好的生存環(huán)境。在水稻生長的不同階段，對水分的需求也不同。在分蘗期，適量增加灌溉量，保持田間水層在3-5cm，有利于水稻分蘗和固氮微生物的生長繁殖，此時(shí)生物固氮量較高。在孕穗期，需水量進(jìn)一步增加，保持水層在5-8cm，可滿足水稻生長和生物固氮的需求。如果灌溉量過大，導(dǎo)致稻田長時(shí)間積水，土壤通氣性變差，氧氣含量降低，會抑制需氧型固氮微生物的生長和固氮活性。在一些低洼稻田，由于排水不暢，長期積水，生物固氮量明顯低于排水良好的稻田。相反，灌溉量不足，土壤水分含量過低，會使固氮微生物的生理活動受到限制，生物固氮量也會減少。在干旱季節(jié)，若灌溉不及時(shí)，稻田土壤干燥，生物固氮量會大幅下降。灌溉頻率也會影響生物固氮量。頻繁灌溉會使土壤水分頻繁變化，不利于固氮微生物的穩(wěn)定生存。而灌溉頻率過低，會導(dǎo)致土壤水分分布不均，部分區(qū)域水分不足，影響生物固氮。合理的灌溉頻率應(yīng)根據(jù)土壤質(zhì)地、氣候條件和水稻生長階段進(jìn)行調(diào)整。在砂質(zhì)土壤中，由于其保水能力較差，需要適當(dāng)增加灌溉頻率；而在黏質(zhì)土壤中，保水能力較強(qiáng)，灌溉頻率可適當(dāng)降低。在高溫干旱的氣候條件下，應(yīng)增加灌溉頻率，以保持土壤水分；在陰雨天氣較多時(shí)，可減少灌溉頻率。排水條件對稻田土壤生物固氮量同樣至關(guān)重要。良好的排水條件能夠及時(shí)排除多余的水分，保持土壤通氣性，為需氧型固氮微生物提供充足的氧氣。在地勢低洼、排水不良的稻田中，容易出現(xiàn)積水現(xiàn)象，土壤處于厭氧狀態(tài)，不利于需氧型固氮微生物的生長，生物固氮量較低。通過修建排水渠道、設(shè)置排水口等措施，改善稻田排水條件，可以提高生物固氮量。在一些經(jīng)過排水改造的稻田中，生物固氮量提高了20%-30%。排水還可以調(diào)節(jié)土壤的氧化還原電位，影響土壤中養(yǎng)分的有效性和固氮微生物的代謝活動。適度的排水可以使土壤的氧化還原電位保持在適宜固氮微生物生長的范圍內(nèi)，促進(jìn)生物固氮。5.2.3種植制度不同的種植制度對稻田土壤生物固氮量有著顯著影響，單季稻、雙季稻和水旱輪作等種植制度下，生物固氮量存在明顯差異。在單季稻種植制度下，水稻生長周期相對較長，從播種到收獲一般需要120-150天。在這一過程中，稻田生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定，固氮微生物有較長的時(shí)間適應(yīng)環(huán)境并進(jìn)行生物固氮活動。單季稻種植期間，稻田的水分管理相對較為穩(wěn)定，土壤濕度和通氣性能夠滿足固氮微生物的生長需求。在宜興市，單季稻種植區(qū)的生物固氮量均值為8.56μgN/gsoil/d。由于單季稻生長周期長，對土壤養(yǎng)分的消耗相對較大，在生長后期，土壤中的養(yǎng)分可能會逐漸減少，對生物固氮量產(chǎn)生一定的影響。如果在生長后期不能及時(shí)補(bǔ)充養(yǎng)分，固氮微生物的生長和固氮活性可能會受到抑制，導(dǎo)致生物固氮量下降。雙季稻種植制度下，早稻和晚稻的生長周期相對較短，全年的水稻種植時(shí)間更長。這使得稻田生態(tài)系統(tǒng)更加活躍，固氮微生物的種類和數(shù)量也相對較多。早稻和晚稻的種植過程中，不同的施肥、灌溉等管理措施以及水稻生長對環(huán)境的影響，會為固氮微生物創(chuàng)造多樣化的生存環(huán)境。在早稻生長期間，氣溫逐漸升高，光照充足，有利于固氮微生物的生長和繁殖；晚稻生長期間，雖然氣溫有所下降，但土壤中積累的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分仍能為固氮微生物提供一定的支持。雙季稻種植區(qū)的生物固氮量均值為9.87μgN/gsoil/d，高于單季稻種植區(qū)。雙季稻種植對土壤肥力的要求更高，連續(xù)的種植和收獲可能會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失較快。如果不能及時(shí)補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，土壤肥力下降，會影響固氮微生物的生存和生物固氮量。雙季稻種植過程中，病蟲害的發(fā)生相對較多，可能會使用更多的農(nóng)藥，這些農(nóng)藥對固氮微生物也可能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。水旱輪作種植制度下，稻田在水稻生長季節(jié)處于淹水狀態(tài)，而在旱作季節(jié)則處于排水干燥狀態(tài)。這種干濕交替的環(huán)境對固氮微生物的群落結(jié)構(gòu)和生物固氮量產(chǎn)生重要影響。在淹水期，稻田土壤處于厭氧環(huán)境，有利于一些厭氧型固氮微生物的生長和繁殖，如藍(lán)細(xì)菌等。這些厭氧型固氮微生物能夠利用土壤中的有機(jī)質(zhì)和大氣中的氮?dú)膺M(jìn)行固氮活動。在旱作期，土壤通氣性增強(qiáng)，需氧型固氮微生物的數(shù)量和活性可能會增加。水旱輪作可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，為固氮微生物提供更豐富的營養(yǎng)。通過輪作不同的作物，如水稻與小麥、油菜等輪作，作物殘?bào)w和根系分泌物可以為固氮微生物提供不同的碳源和能源。水旱輪作種植區(qū)的生物固氮量均值為10.56μgN/gsoil/d，是三種種植制度中生物固氮量最高的。水旱輪作需要合理安排輪作作物和輪作時(shí)間，如果輪作不當(dāng)，可能會導(dǎo)致土壤肥力失衡，影響生物固氮。在選擇輪作作物時(shí)，需要考慮作物對土壤養(yǎng)分的需求和對固氮微生物的影響，避免因輪作不當(dāng)而降低生物固氮量。六、結(jié)論與展望6.1主要研究結(jié)論本研究以宜興市稻田為對象，綜合運(yùn)用多種方法，深入探究了稻田土壤生物固氮量的空間變異特征及其不確定性，并分析了影響因素，得出以下主要結(jié)論：空間變異特征：宜興市稻田土壤生物固氮量呈現(xiàn)出顯著的空間變異，最小值為0.56μgN/gsoil/d，最大值達(dá)50.23μgN/gsoil/d，均值為8.65μgN/gsoil/d，變異系數(shù)為118.27%，屬于強(qiáng)變異。生物固氮量在空間上存在明顯的正自相關(guān)，全局Moran'sI指數(shù)為0.25，Z得分=3.25，P值=0.002＜0.05。半方差函數(shù)分析表明，塊金值為10.56，基臺值為35.68，結(jié)構(gòu)比為70.41%，結(jié)構(gòu)性因素對生物固氮量的空間變異起主導(dǎo)作用，變程為12.5km。空間插值結(jié)果顯示，生物固氮量高值區(qū)主要分布在南部丘陵區(qū)，低值區(qū)主要集中在北部平原區(qū)，總體呈現(xiàn)從南部丘陵區(qū)向北部平原區(qū)逐漸遞減的趨勢。不確定性評價(jià)：宜興市稻田土壤生物固氮量存在一定的不確定性，其不確定性來源主要包括采樣誤差、測定誤差、模型誤差以及環(huán)境因素的不確定性等。采用蒙特卡羅模擬方法進(jìn)行不確定性評價(jià)，結(jié)果表明，生物固氮量的均值為8.65μgN/gsoil/d，標(biāo)準(zhǔn)差為1.56μgN/gsoil/d。不確定性在空間上呈現(xiàn)出明顯的分布差異，南部丘陵區(qū)不確定性相對較小，北部平原區(qū)不確定性相對較大。不確定性較高的區(qū)域可能會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定影響，增加氮肥管理的難度，影響稻田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。影響因素分析：自然因素和人為因素共同影響宜興市稻田土壤生物固氮量的空間變異。自然因素中，土壤質(zhì)地、pH值、有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量等土壤性質(zhì)對生物固氮量有顯著影響。質(zhì)地較黏重的土壤生物固氮量較高，土壤pH值與生物固氮量呈顯著正相關(guān)，土壤有機(jī)質(zhì)含量與生物固氮量呈極顯著正相關(guān)，土壤全氮含量與生物固氮量呈負(fù)相關(guān)。地形地貌方面，隨著海拔的升高，生物固氮量逐漸增加，坡度對生物固氮量也有顯著影響，坡度較大的區(qū)域生物固氮量較低。氣候條件中，溫度、降水和光照對生物固氮量的影響較為顯著。適宜的溫度（25-30℃）、適中的降水（月降水量為100-200毫米）和充足的光照（光照強(qiáng)度為300-500μmol?m?2?s?1）有利于提高生物固氮量。人為因素中，施肥管理、灌溉