林建平 鄧愛(ài)珍 趙小敏 江葉楓 韓 逸 謝 雨

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 南昌 330045； 2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)江西省鄱陽(yáng)湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330045；3.江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院測(cè)繪地理信息學(xué)院， 贛州 341000)

0 引言

耕地土壤養(yǎng)分是農(nóng)作物生長(zhǎng)的必要條件，是表征耕地質(zhì)量與肥力的重要指標(biāo)，其含量直接影響作物的整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程[1]。高程被認(rèn)為是影響土壤養(yǎng)分流失與累積的關(guān)鍵因素之一[2]。高程變化導(dǎo)致水熱資源在空間分布上存在差異，這些差異會(huì)影響土壤養(yǎng)分的礦化、降解、遷移和累積，進(jìn)而導(dǎo)致不同高程下土壤養(yǎng)分含量存在較大空間異質(zhì)性[3-4]。具體地，在低海拔地區(qū)，水熱條件優(yōu)越，土壤物質(zhì)循環(huán)加速，養(yǎng)分的利用率高而沉積較少；在高海拔地區(qū)，氣溫下降，微生物分解速度減慢，造成有機(jī)質(zhì)以及氮、鉀等養(yǎng)分含量累積較多[5]。因此，深入了解土壤養(yǎng)分空間變異與高程的耦合關(guān)系，對(duì)于實(shí)現(xiàn)土壤養(yǎng)分的精準(zhǔn)管理和耕地地力的提升具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同高程土壤屬性空間變異特征做了大量研究，研究尺度主要集中在縣域、小流域和一些特定山區(qū)，土地利用類(lèi)型包括森林[6]、草地[7]和農(nóng)田土壤[8]，研究?jī)?nèi)容包括不同高程土壤理化性質(zhì)[9-10]、土壤侵蝕[11]和土壤微生物及酶活性變化[12]等。如TANG[13]在對(duì)峨眉山的研究發(fā)現(xiàn)，不同高程下植被和土壤性質(zhì)均存在一定差異。叢靜等[14]以神農(nóng)架自然保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象，研究發(fā)現(xiàn)，高程上升，土壤微生物和微生物生物量碳、氮增加。黃婷等[15]對(duì)云南省曲靖縣植煙區(qū)不同高程下土壤屬性分析表明，土壤pH值及土壤養(yǎng)分與高程顯著相關(guān)。吳崇書(shū)等[16]分析了杭州市濱海平原、水網(wǎng)平原、河谷平原和丘陵山地4個(gè)地貌區(qū)耕地地力，結(jié)果顯示，不同高程地貌區(qū)耕地土壤肥力差異明顯。上述結(jié)果表明，高程對(duì)土壤屬性空間變異會(huì)產(chǎn)生重要影響。

南方紅壤丘陵區(qū)是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，該區(qū)土地總面積約占全國(guó)土地面積的1/5，人口占全國(guó)的40%，耕地占全國(guó)的30%，負(fù)擔(dān)了我國(guó)近一半人口的糧食[17]，耕地分布具有明顯的垂直地帶性特征，揭示該區(qū)不同高程下耕地土壤養(yǎng)分的空間變異特征及其影響因素，對(duì)保障我國(guó)糧食安全、防止水土和養(yǎng)分流失、實(shí)現(xiàn)土壤養(yǎng)分的精細(xì)管理具有重要參考意義。為此，本文以我國(guó)南方典型紅壤丘陵區(qū)——江西省贛州市為研究區(qū)，基于2012—2013年測(cè)土配方項(xiàng)目不同高程采集的3 098個(gè)耕層(0～20 cm)土壤數(shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)(Soil organic matter，SOM)、全氮(Total nitrogen，TN)、全磷(Total phosphorus，TP)、有效磷(Available phosphorus，AP)、全鉀(Total potassium，TK)、有效鉀(Available potassium，AK)養(yǎng)分含量，運(yùn)用相關(guān)分析、單因素方差分析和協(xié)同克里格(Co-Kriging)插值法，探討不同高程耕地土壤養(yǎng)分含量空間變異特征，以期為南方丘陵地區(qū)耕地表層土壤養(yǎng)分調(diào)控和耕地的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

贛州市位于江西省南部，又稱“贛南”，地理坐標(biāo)介于24°29′～27°09′N(xiāo)，113°54′～116°38′E之間，土地總面積39 362.96 km2，轄18個(gè)縣(市、區(qū))。贛州市屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)型氣候，氣候溫和，日照充足，雨量充沛，年平均氣溫18.9℃，年平均日照時(shí)數(shù)1 748.7 h，年降雨量1 639.8 mm。研究區(qū)土地利用類(lèi)型主要為林地、耕地和園地(圖1a)。地形地貌以山地、丘陵為主，總體格局為周高中低、南高于北，四周群山環(huán)繞，中部丘陵與平原交錯(cuò)分布。全市耕地空間分布存在明顯的垂直地帶性，主要分布在100～650 m高程范圍內(nèi)(圖1b)。研究區(qū)成土母質(zhì)主要為酸性結(jié)晶巖類(lèi)風(fēng)化物、石英巖類(lèi)風(fēng)化物和泥質(zhì)巖類(lèi)風(fēng)化物(圖1c)；土壤類(lèi)型主要為水稻土、紅壤、草甸土、石灰(巖)土、紫色土和山地黃壤6個(gè)土類(lèi)(圖1d)。作為典型的紅壤區(qū)，該區(qū)水土流失較為嚴(yán)重，土壤侵蝕以水力侵蝕為主(圖1e)。

圖1 研究區(qū)土地利用類(lèi)型、樣點(diǎn)分布、成土母質(zhì)、土壤類(lèi)型和土壤侵蝕程度圖Fig.1 Distribution maps of land use type, soil sampling site and digital elevation model (DEM) data, parent material, soil types and soil erosion

1.2 樣品采集及分析

土壤樣品采集按照NY/T 1634—2008《全國(guó)耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》要求，在考慮研究區(qū)地形地貌、土壤類(lèi)型和成土母質(zhì)等自然條件的前提下確定采樣點(diǎn)位(圖1b)。2012—2013年，通過(guò)實(shí)地采集0～20 cm耕層土樣，每個(gè)采樣點(diǎn)采集4個(gè)點(diǎn)，充分混勻后按照四分法留取1 kg樣品，初始采集表層土壤樣點(diǎn)3 098個(gè)，每個(gè)采樣點(diǎn)均以GPS記錄其經(jīng)緯度坐標(biāo)，并詳細(xì)記錄該點(diǎn)的高程、成土母質(zhì)、土地利用類(lèi)型和土壤類(lèi)型等信息。土壤樣品經(jīng)室內(nèi)自然風(fēng)干、剔除雜物和研磨，統(tǒng)一過(guò)0.25 mm尼龍篩。分別采用高溫重鉻酸鉀氧化容量法測(cè)定SOM含量；全自動(dòng)凱氏定氮儀(Kjeltec8400型，F(xiàn)oss，瑞典)測(cè)定TN含量；鉬銻抗比色法測(cè)定TP、AP含量；火焰光度法測(cè)定TK、AK含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

受采樣及實(shí)驗(yàn)室分析誤差的影響，土壤養(yǎng)分含量測(cè)量結(jié)果可能存在離群值，本文采用域值法(3倍標(biāo)準(zhǔn)差)[18]對(duì)離群值進(jìn)行剔除，剔除后總樣點(diǎn)為2 928個(gè)。采用SPSS 22軟件，將高程與土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析[19]；采用單因素方差分析(One-way ANOVA)進(jìn)行差異性檢驗(yàn)；采用GS+7.0進(jìn)行半變異函數(shù)計(jì)算和模型擬合；運(yùn)用ArcGIS 10.2進(jìn)行協(xié)同克里格插值生成土壤養(yǎng)分含量空間分布圖。高程數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)下載的贛州市30 m的數(shù)字高程模型(Digital elevation model，DEM)數(shù)據(jù)。土壤侵蝕圖由水利部調(diào)查的江西省土壤侵蝕圖處理提取。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量描述性統(tǒng)計(jì)

對(duì)照第二次全國(guó)土壤普查土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從表1可以看出，總體上，研究區(qū)AP含量處于2級(jí)(0.02～0.04 g/kg)豐富水平，養(yǎng)分含量均值0.02 g/kg，值域范圍為0.003～0.08 g/kg；SOM、TN含量處于3級(jí)(20～30 g/kg、1～1.5 g/kg)中等水平，均值分別為28.91、1.47 g/kg，值域范圍分別為12.10～61.10 g/kg、0.33～3.52 g/kg；TP、TK、AK含量處于4級(jí)(0.4～0.6 g/kg、10～15 g/kg、0.05～0.1 g/kg)缺乏水平，均值分別為0.51、11.16、0.07 g/kg，值域范圍分別為0.22～1.04 g/kg、2.70～22.80 g/kg、0.02～0.26 g/kg。

從變異系數(shù)看，土壤養(yǎng)分呈中等變異[20]，養(yǎng)分變異系數(shù)由大到小依次為AP(66.47%)、AK(56.86%)、TK(39.61%)、TN(31.97%)、SOM(31.68%)、TP(31.37%)?？傮w上，TP相對(duì)穩(wěn)定，變異系數(shù)較小，受成土母質(zhì)的影響較大；而AP和AK變異系數(shù)最大，這可能與AP和AK為速效態(tài)養(yǎng)分有關(guān)。郭宏等[21]研究表明，速效態(tài)養(yǎng)分由于遷移性強(qiáng)和穩(wěn)定性較差的特性，導(dǎo)致其變異程度較大。從分布類(lèi)型看，TN養(yǎng)分分布的K-S檢驗(yàn)系數(shù)為0.24，符合正態(tài)分布；SOM、TP、AP、TK、AK對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后K-S檢驗(yàn)系數(shù)分別為0.19、0.17、0.09、0.11、0.21，也符合正態(tài)分布，滿足地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究要求。

表1 贛州市土壤養(yǎng)分含量(質(zhì)量比)描述性統(tǒng)計(jì)特征Tab.1 Descriptive statistics of soil nutrient content in Ganzhou City

2.2 土壤養(yǎng)分含量與高程的相關(guān)性分析

將高程與土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行Pearson相關(guān)分析(表2)，結(jié)果表明，高程與SOM、TN、TK呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.159(p<0.01)、0.156(p<0.01)、0.048(p<0.01)，可解釋為海拔越高，SOM、TN、TK含量越高，這主要是海拔越高、溫度越低，低溫阻礙了土壤礦化作用，為養(yǎng)分的累積提供了條件。江葉楓等[22]對(duì)南方丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分的研究也得出了類(lèi)似結(jié)果。高程與TP、AP呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.090(p<0.01)和-0.222(p<0.01)，表明地勢(shì)越低，TP、AP含量越高，這主要是由于磷含量隨高程受成土母質(zhì)和施肥水平共同影響，易在低洼處積累[23]。高程與AK相關(guān)性不強(qiáng)，AK作為易淋溶養(yǎng)分，受人為活動(dòng)干擾較大。

表2 土壤養(yǎng)分與高程Pearson相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis between elevation and soil nutrients

注：** 表示極顯著相關(guān)(p<0.01)。

2.3 不同高程分組土壤養(yǎng)分含量的方差分析

高程與土壤養(yǎng)分含量相關(guān)性分析雖然能在總體上反映土壤養(yǎng)分隨高程的變化關(guān)系，但局部信息描述不夠。為詳細(xì)地分析高程與耕地土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系，利用DEM數(shù)據(jù)，按照自然斷點(diǎn)法，將高程由低至高分成6個(gè)組別：0～150 m、150～200 m、200～250 m、250～300 m、300～350 m和大于350 m，分別對(duì)不同高程組別下的土壤養(yǎng)分均值進(jìn)行單因素方差分析(表3)。從表3可以看出：

(1)SOM、TN養(yǎng)分含量均值隨高程組別上升而增加，與表2相關(guān)性分析結(jié)果一致。SOM、TN養(yǎng)分含量在小于150 m組別最小，均值分別為26.88、1.36 g/kg，隨著高程的增加，SOM、TN均值在大于350 m組別時(shí)達(dá)到最大，均值分別為32.26、1.62 g/kg，分別比最低高程組別(0～150 m)均值高5.38、0.26 g/kg。從不同組別養(yǎng)分含量變異系數(shù)看，SOM、TN變異系數(shù)分別為28.11%～33.56%、28.65%～33.24%，屬中等變異。方差分析結(jié)果表明，當(dāng)高程小于250 m時(shí)，SOM和TN含量隨高程上升而呈上升趨勢(shì)，但大于250 m時(shí)，差異性并不顯著。

(2)TP和AP養(yǎng)分含量均值隨高程上升呈先下降后上升趨勢(shì)，與表2結(jié)果較為一致。其中，TP在小于300 m各組別養(yǎng)分含量均值隨高程上升而下降，在250～300 m高程組別達(dá)最低值，為0.48 g/kg；當(dāng)高程達(dá)到300～350 m和大于350 m組別時(shí)，養(yǎng)分均值又分別上升至0.50、0.52 g/kg；AP與TP類(lèi)似，小于350 m各組別養(yǎng)分均值隨高程上升而下降，在300～350 m高程組別達(dá)最低值，為17.80 mg/kg，當(dāng)大于350 m時(shí)，養(yǎng)分均值又上升至18.90 mg/kg。從變異系數(shù)看，TP、AP變異系數(shù)分別為26.65%～32.27%、50.85%～72.77%，屬中等變異。方差分析結(jié)果表明，當(dāng)高程小于200 m時(shí)，TP和AP含量隨高程上升而呈下降趨勢(shì)，但大于200 m時(shí)，差異性并不顯著。

(3)TK和AK養(yǎng)分含量均值隨高程組別上升有所波動(dòng)。TK養(yǎng)分總體隨高程組別上升而上升，養(yǎng)分均值由高至低依次為大于350 m(12.65 g/kg)、300～350 m(11.90 g/kg)、0～150 m(11.42 g/kg)、200～250 m(11.20 g/kg)、150～200 m(10.79 g/kg)、250～300 m(10.64 g/kg)；AK養(yǎng)分均值隨高程組別上升波動(dòng)較大。從變異系數(shù)看，TK、AK變異系數(shù)分別為32.07%～42.91%、49.22%～57.91%，屬中等變異。方差分析結(jié)果表明，TK在200～350 m高程范圍內(nèi)組間有顯著差異，而在0～150 m、150～200 m和大于300 m組間無(wú)顯著差異；AK在高程大于350 m與其他高程組間均有顯著差異。

2.4 不同高程下土壤養(yǎng)分的空間分布特征分析

為直觀反映土壤養(yǎng)分含量在不同高程的空間分布，首先進(jìn)行半方差函數(shù)分析，確定土壤養(yǎng)分變異的最優(yōu)理論空間插值模型；其次，根據(jù)最優(yōu)理論空間插值模型，以高程為協(xié)變量進(jìn)行協(xié)同克里格插值，得到土壤養(yǎng)分空間分布預(yù)測(cè)圖；最后，將預(yù)測(cè)圖與高程圖進(jìn)行疊加分析，得到不同高程土壤養(yǎng)分分布圖。

表3 不同高程組土壤養(yǎng)分含量均值統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of mean value of soil nutrient contents in different elevation groups

注：同一列平均值后的小寫(xiě)字母相同，表示數(shù)據(jù)間未達(dá)到p=0.01水平上的顯著性差異，下同。

2.4.1土壤養(yǎng)分含量空間分布擬合模型

半方差函數(shù)能夠很好地反映引起土壤養(yǎng)分空間變異的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性特征。結(jié)構(gòu)性因素主要是指高程、成土母質(zhì)、土壤類(lèi)型等自然環(huán)境因素，隨機(jī)性因素則是指土地利用方式等人為活動(dòng)因素。通常用塊金效應(yīng)值(C0/(C0+C))說(shuō)明樣本間空間的相關(guān)性及由隨機(jī)性因素引起的空間變異程度[24]。從圖2可看出，TP、TK的最優(yōu)模型分別為高斯模型和球狀模型，其他養(yǎng)分最優(yōu)模型均為指數(shù)模型。從模型的參數(shù)來(lái)看(表4)，研究區(qū)SOM、TN塊金效應(yīng)小于25%，說(shuō)明其具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，空間變異主要由高程等結(jié)構(gòu)因素引起；TK、AK、TP、AP塊金效應(yīng)在25%～75%之間，具有中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性，變異由隨機(jī)和結(jié)構(gòu)因素共同引起，結(jié)構(gòu)因素大于隨機(jī)因素。模型決定系數(shù)均在0.72以上，模型總體擬合較好。SOM、TN、TP、AP、TK、AK的變程分別為15.00、16.20、22.52、39.60、41.80、34.50 km，變程相對(duì)較大，這與贛州山地丘陵復(fù)雜的地形地貌空間結(jié)構(gòu)相符合。

表4 土壤養(yǎng)分半方差函數(shù)模型參數(shù)Tab.4 Parameters of semi-variogram models for soil nutrients

2.4.2不同高程下土壤養(yǎng)分的空間分布

將土壤養(yǎng)分進(jìn)行協(xié)同克里格插值，交叉驗(yàn)證結(jié)果表明(表5)：SOM、TN、TP、AP、TK、AK預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)R分別為0.713、0.676、0.899、0.864、0.962、0.853，相關(guān)系數(shù)越大，表明預(yù)測(cè)精度越高[25]。均方離比差(MSDR)分別為1.395、1.814、1.072、0.950、0.839、0.963，MSDR系數(shù)越接近于1，說(shuō)明精度越高[26]。總體上，協(xié)同克里格插值結(jié)果較為可信。土壤養(yǎng)分含量插值后，按照第二次全國(guó)土壤普查土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重分類(lèi)并與高程進(jìn)行疊加，得到不同高程土壤養(yǎng)分含量分布圖(圖3)。從圖3可以看出：①不同土壤養(yǎng)分各等級(jí)分布面積不同。SOM、TN、AP集中分布在2～3級(jí)(豐富～中等)，分別占研究區(qū)總面積的95.69%、95.46%、93.46%；TP養(yǎng)分含量主要集中在3～4級(jí)(中等～缺乏)，占研究區(qū)總面積的80.95%。TK、AK集中分布在 4～5級(jí)(缺乏～很缺乏)，分別占研究區(qū)總面積的80.70%、86.30%，與表1分析結(jié)果一致。②不同高程土壤養(yǎng)分含量有不同的空間分布格局。SOM、TN、TK養(yǎng)分含量高值區(qū)主要分布在高海拔地區(qū)，養(yǎng)分含量分布格局由外向內(nèi)隨高程降低呈周邊高、中間低、逐漸下降的分布趨勢(shì)。而TP、AP正好相反，養(yǎng)分含量總體隨高程上升而下降，分布格局由外向內(nèi)隨高程降低呈周邊低、中間高、逐漸上升的分布趨勢(shì)。AK養(yǎng)分含量隨高程分布規(guī)律不明顯，這與表3分析結(jié)果比較一致。其中，SOM和TN的空間分布較為相似(圖3a、3b)，高低分布趨勢(shì)相當(dāng)，這主要是因?yàn)閮烧哂休^強(qiáng)的空間耦合關(guān)系[27]。同時(shí)，大部分土壤養(yǎng)分含量的空間分布為突變而非漸變，能在一定程度上體現(xiàn)養(yǎng)分含量分布的空間異質(zhì)性。

表5 土壤養(yǎng)分含量空間插值交叉驗(yàn)證結(jié)果Tab.5 Cross-validation results of spatial estimation of soil nutrients

圖3 不同高程土壤養(yǎng)分含量分布圖Fig.3 Soil nutrient distribution maps at different elevations

3 討論

3.1 丘陵山區(qū)土壤養(yǎng)分的空間變異

受地形、母質(zhì)、氣候、生物和人類(lèi)活動(dòng)等因素的共同影響，丘陵山區(qū)土壤養(yǎng)分存在空間變異性。從研究區(qū)來(lái)看， SOM、TN均處3級(jí)中等水平，這與南方長(zhǎng)期高溫多雨的亞熱帶季風(fēng)氣候環(huán)境一致，這種氣候條件有利于植物生長(zhǎng)并促進(jìn)植物凋落物轉(zhuǎn)化為SOM，潮濕的空氣也易產(chǎn)生嫌氣條件，使微生物的活動(dòng)降低，促進(jìn)SOM、TN的累積；TP、TK、AK普遍處于4級(jí)缺乏水平，TP、TK剔除人為因素的影響，主要來(lái)源于土壤中含磷、鉀礦物，南方磚紅壤和紅壤粘粒中含磷、鉀礦物以高嶺石為主[28]，磷、鉀含量和釋放量較低，加上南方地區(qū)高溫高濕多雨易造成鉀素的大量流失；AP處于2級(jí)含量豐富水平，一個(gè)重要原因可能是水田較多，占研究區(qū)耕地的80%。在淹水條件下，磷的釋放率提高且不易淋失，與楊文等[29]對(duì)脫甲河小流域土壤碳氮磷研究結(jié)論一致；同時(shí)，研究區(qū)磷肥和有機(jī)肥(如豬糞等)施用量增加也是AP含量累積的重要原因。從半方差函數(shù)分析可以看出，土壤養(yǎng)分的塊金值與基臺(tái)值之比由小到大分別為SOM(12.130%)、TN(12.775%)、TK(25.189%)、AK(29.143%)、 TP(40.741%)、AP(42.744%)，其中，土壤SOM、TN塊金效應(yīng)均小于25%，說(shuō)明兩者含量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，其空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因子影響；而TK、AK、TP、AP塊金效應(yīng)在25%～75%之間，說(shuō)明其具有中等空間相關(guān)性，其空間變異受結(jié)構(gòu)性因子和隨機(jī)性因子共同影響，但受高程等結(jié)構(gòu)因素影響更大。從變異系數(shù)看，土壤養(yǎng)分變異系數(shù)由大到小依次為AP(66.47%)、AK(56.86%)、TK(39.61%)、TN(31.97%)、SOM(31.68%)、TP(31.37%)，其中以AP和AK變異系數(shù)最大，這可能與AP和AK均為速效態(tài)養(yǎng)分遷移性強(qiáng)和穩(wěn)定性較差的特性有關(guān)。

3.2 高程對(duì)土壤養(yǎng)分空間變異的影響

不同高程土壤養(yǎng)分空間變異規(guī)律和程度存在差異，影響因素也不同，可能的原因如下：

(1)高程對(duì)SOM、TN含量的影響。南方丘陵山區(qū)耕層土壤SOM、TN含量隨海拔升高而增加，養(yǎng)分含量在大于350 m高程組平均值達(dá)到最大值。究其原因，主要是SOM、TN含量主要受植物殘?bào)w、動(dòng)物廢棄物歸還量和礦化速率的影響：①不同高程下秸稈還田量不同。秸稈作為植物殘?bào)w是農(nóng)田有機(jī)物來(lái)源的重要組成部分，還田后可積累土壤有機(jī)質(zhì)。但不同高程耕地秸稈還田量不一，海拔較低處，耕地集中連片程度高，耕作、交通等條件較海拔較高處要好，因而，大量秸稈收集用于工業(yè)造紙或喂養(yǎng)牲畜，而海拔較高處田塊分散且細(xì)碎，加上交通不便，根茬殘留量和秸稈就地還田量要比海拔較低處要多，從而使更多秸稈轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)。②不同高程植物殘?bào)w礦化的速率不同。植物殘?bào)w礦化的速率受溫度、濕度和微生物等的影響較大，而高程通過(guò)影響光、溫、水、熱資源的分配，導(dǎo)致局部小氣候發(fā)生變化，從而影響土壤中SOM、TN的分解和積累。一般而言，海拔越高，土壤溫度越低，土壤濕度越大，土壤微生物活動(dòng)會(huì)受到抑制，分解速度減慢，從而礦化作用減弱，因而，海拔較高處有利于有機(jī)質(zhì)的積累。李丹維等[30]對(duì)太白山以及陳桂秋等[31]對(duì)湖南省、廣西壯族自治區(qū)不同溫度長(zhǎng)期定位實(shí)驗(yàn)也得出相似結(jié)論。③少耕、免耕技術(shù)的推廣，也是農(nóng)田土壤SOM、TN增加的重要原因。吳建富等[32]對(duì)江西省南部稻區(qū)的研究表明，免耕1年后，較翻耕處理土壤有機(jī)質(zhì)含量增加1.22 g/kg。研究區(qū)海拔較高處，很多耕地由于氣溫及人類(lèi)活動(dòng)的影響，只種植一季水稻，減少了耕作次數(shù)，因而有利于有機(jī)質(zhì)的累積。

(2)高程對(duì)TP、AP含量的影響。研究區(qū)TP、AP含量隨高程上升而下降， TP、AP養(yǎng)分均值均在小于150 m達(dá)到最大值。出現(xiàn)上述規(guī)律的可能原因是：①不同高程成土母質(zhì)不同，高程與成土母質(zhì)存在一定的耦合關(guān)系。從圖1c可以看出，贛南土壤成土母質(zhì)主要為酸性結(jié)晶巖類(lèi)、泥質(zhì)巖類(lèi)風(fēng)化物，紫色巖類(lèi)、紅砂巖類(lèi)、石英類(lèi)風(fēng)化物以及第四紀(jì)紅色粘土。研究表明，不同成土母質(zhì)含磷量變化較大，并隨巖土酸性程度的增加而下降[33]。將高程(圖1b)與成土母質(zhì)圖(圖1c)進(jìn)行疊加分析得出，不同高程成土母質(zhì)分布存在明顯差異，研究區(qū)海拔較高的地區(qū)，廣泛分布著花崗巖及石灰性巖類(lèi)母質(zhì)，由于含云母、長(zhǎng)石礦物較多，且土壤質(zhì)地較粗，因此，磷的含量較低。研究區(qū)海拔較低的中部地區(qū)，由河湖沉積物發(fā)育形成的土壤磷含量顯著高于第四紀(jì)紅土和泥質(zhì)巖類(lèi)風(fēng)化殘積—坡積物發(fā)育形成的土壤，贛州市土壤志表明該類(lèi)成土母質(zhì)含磷量較多，由此形成的土壤熟化程度也較高，且質(zhì)地為壤土，對(duì)磷的富集起著一定作用?？傮w上，不同高程成土母質(zhì)發(fā)育的土壤磷含量均表現(xiàn)出明顯的從上往下依次遞減規(guī)律，并具有較強(qiáng)的表聚性。②不同高程下土地利用方式不同，對(duì)土壤磷的分布產(chǎn)生重要影響[34]。研究區(qū)耕地的土地利用方式主要為水旱輪作、一季旱地、兩季旱地、一季水田和兩季水田，耕地的土地利用方式與高程密切相關(guān)，隨著高程的上升，研究區(qū)土地利用方式逐漸由兩季水田、兩季旱地或水旱輪作過(guò)渡到一季旱地或一季水田。相比兩季種植，一季種植施肥量少，田間管理措施、投入管理水平?jīng)]有兩季精細(xì)，且一季種植撂荒時(shí)易生長(zhǎng)雜草，通過(guò)雜草生長(zhǎng)也帶走部分養(yǎng)分，因而，總體上，研究區(qū)磷的含量表現(xiàn)出隨高程增加而逐漸降低的趨勢(shì)。

(3)高程對(duì)TK、AK含量的影響。研究區(qū)TK含量隨高程上升而增加，可能原因?yàn)椋翰煌叱贪l(fā)育不同土壤類(lèi)型、成土母質(zhì)和土壤類(lèi)型對(duì)鉀含量的影響較大，從圖1d可以看出，研究區(qū)土壤類(lèi)型主要有水稻土、紅壤、草甸土、石灰(巖)土、紫色土和山地黃壤，各種土壤的供鉀能力大小不一[35]。從高程與土壤類(lèi)型疊加分析結(jié)果可以看出，海拔較低處，分布著一定數(shù)量的花崗巖紅壤和第四紀(jì)紅土紅壤，花崗巖土壤砂性強(qiáng)、保水保肥能力較弱、鉀離子相對(duì)容易淋失，第四紀(jì)紅土紅壤雖然粘性強(qiáng)、土壤吸附性能好，但由于土壤膠體幾乎全部被H+或AL3+飽和，從而使鹽基離子很難在土壤膠體中保持下來(lái)，土壤對(duì)鉀素養(yǎng)分的保持能力亦相對(duì)較弱。在海拔較高處，分布著一定數(shù)量的微堿性紫色土，該土壤陽(yáng)離子交換量較大、交換性鹽基離子含量較高，對(duì)鉀素的保持和供應(yīng)能力亦較強(qiáng)，故土壤中出現(xiàn)了鉀的累積。AK含量隨高程變異較大，規(guī)律性不明顯，主要原因是AK為易淋溶養(yǎng)分，易受到施肥、水流和土壤侵蝕的影響。南方丘陵區(qū)是典型的紅壤區(qū)，降雨充沛且汛期集中，是我國(guó)水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一[36]，土壤侵蝕帶走大量泥土的同時(shí)，也帶走了土壤養(yǎng)分。將DEM高程圖與土壤侵蝕圖(圖1e)進(jìn)行空間疊加分析可以看出，隨著高程的增加，高程與土壤侵蝕大致呈倒“U”形關(guān)系，即隨著高程的上升，土壤侵蝕加劇，上升到一定高度后又下降，由于南方丘陵山區(qū)復(fù)雜的地形地貌，以及速效鉀的易淋溶特征，使AK含量隨高程變化規(guī)律異常復(fù)雜，與趙明松等[37]對(duì)安徽省速效鉀養(yǎng)分流失評(píng)估、鄧歐平等[38]對(duì)四川省紫色土速效鉀的研究結(jié)論基本一致。

3.3 高程對(duì)土壤養(yǎng)分含量空間變異影響的啟示

高程是土壤養(yǎng)分含量空間變異的重要影響因素之一，高程通過(guò)改變生態(tài)環(huán)境的光、熱、水、氣等條件，影響土壤的物理、化學(xué)和微生物性質(zhì)，從而使不同高程土壤養(yǎng)分含量存在明顯的差異并呈現(xiàn)一定的規(guī)律變化。研究高程與耕地土壤養(yǎng)分的相關(guān)性及其垂直分布特性，分析海拔高度對(duì)土壤養(yǎng)分的影響，可為不同地形地貌耕地地力評(píng)價(jià)、農(nóng)用地分等定級(jí)、土地利用潛力評(píng)價(jià)、土壤改良措施制定、水土流失評(píng)價(jià)等提供依據(jù)。從不同高程土壤養(yǎng)分空間變異特征分析，可以得出如下啟示和建議：①根據(jù)山地丘陵區(qū)不同海拔高程耕地土壤養(yǎng)分分異結(jié)果，可對(duì)土壤養(yǎng)分實(shí)行分高程梯度精準(zhǔn)管理，不斷提升耕地質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。②土壤侵蝕在研究區(qū)大于350 m高程帶以中度及以上侵蝕為主，易淋溶養(yǎng)分流失最嚴(yán)重，是土壤侵蝕治理的重點(diǎn)區(qū)域，建議對(duì)該區(qū)域耕地土地利用方式進(jìn)行轉(zhuǎn)型，如將坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@、林地，或在耕作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步采取坡改梯等工程措施和生物等水保措施，防止水土和養(yǎng)分流失。③為進(jìn)一步細(xì)化高程對(duì)土壤養(yǎng)分的影響，掌握不同高程耕地土壤養(yǎng)分的運(yùn)移及累積規(guī)律，建議在以后的研究中，在不同高程建立土壤養(yǎng)分含量長(zhǎng)期定位調(diào)查，并與土地利用方式、土壤類(lèi)型等相結(jié)合， 針對(duì)土壤養(yǎng)分變化與作物生長(zhǎng)狀況，制定適宜的耕地利用方式，維持山地丘陵區(qū)耕地土壤養(yǎng)分和生態(tài)平衡。

4 結(jié)論

(1)統(tǒng)計(jì)分析表明，南方丘陵山區(qū)AP養(yǎng)分含量豐富，均值為0.02 g/kg；SOM、TN 含量處中等水平，均值分別為28.91、1.47 g/kg；TP、TK、AK含量缺乏，均值分別為0.51、11.16、0.07 g/kg。

(2)相關(guān)分析結(jié)果表明，高程與SOM、TN、TK養(yǎng)分含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.159(p<0.01)、0.156(p<0.01)、0.048(p<0.01)；與TP、AP呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.090(p<0.01)和-0.222(p<0.01)；與AK顯著性不明顯。

(3)方差分析結(jié)果表明，不同高程分組下土壤養(yǎng)分含量均值存在顯著差異。SOM、TN、TK養(yǎng)分含量隨高程組上升而增加；TP、AP養(yǎng)分含量均值隨高程上升而降低；AK隨高程分組無(wú)明顯規(guī)律性。

(4)空間插值與高程疊加分析表明，SOM、TN和TK養(yǎng)分含量高值區(qū)分布在研究區(qū)周邊高海拔區(qū)形成的連片區(qū)域；TP、AP養(yǎng)分含量高值主要分布在研究區(qū)中部低海拔區(qū)域；AK養(yǎng)分含量分布規(guī)律不明顯。