鐘文挺,李 浩，謝麗紅，孫 娟，何玉亭，王 科

(成都市農業(yè)技術推廣總站，四川 成都 610041)

【研究意義】土壤養(yǎng)分含量水平是衡量耕地質量的重要指標，對農業(yè)生產活動影響巨大[1]。由于耕地土壤是長期人類活動與多種自然因素綜合作用的產物，其養(yǎng)分特征普遍會產生明顯的空間變化[2-6]。在影響耕地土壤養(yǎng)分的眾多因素當中，高程被認為是最關鍵的因素之一[7]。不同高程帶來水熱資源變化，這些變化會影響耕地土壤養(yǎng)分的礦化、積累和遷移，從而使耕地土壤養(yǎng)分表現出特有的空間變異趨勢[8]?！厩叭搜芯窟M展】近年來，國內外學者針對耕地土壤養(yǎng)分空間變異特征及其與高程的關系做了大量研究，如李超[9]以高原耕地為研究對象分析了土壤養(yǎng)分空間分布與高程的相關性，結果表明堿解氮(Alkali-hydrolyzable nitrogen, AN)、速效鉀(Available potassium, AK)、土壤有機質(Soil organic matter, SOM)與高程呈顯著正相關，有效磷(Available phosphorus, AP)與高程呈顯著負相關；趙越等[10]對峽江縣耕地土壤養(yǎng)分空間特征及與地形因子的相關性分析表明，高程與土壤養(yǎng)分之間均為顯著正相關關系；徐莉等[11]從察布查爾縣耕層土壤養(yǎng)分空間特征研究中發(fā)現，高程是影響該區(qū)域土壤養(yǎng)分空間分布的主要地形因子。上述研究說明，深入了解不同高程影響下的耕地土壤養(yǎng)分空間異質性，對于實現精準施肥以及促進耕地資源可持續(xù)利用十分必要。成都平原總面積約1.881萬 km2，是中國西南地區(qū)最大的平原。成都平原土壤肥沃，水渠縱橫，農業(yè)發(fā)達，是我國重要的糧油及果蔬生產區(qū)，自古有“天府之國”的美譽。關于成都平原核心區(qū)域的耕地土壤養(yǎng)分變化狀況已有較多的研究[12-13]，然而隨著人類活動不斷向平原邊緣方向擴張，作為面臨農業(yè)發(fā)展和生態(tài)保護雙重挑戰(zhàn)的敏感區(qū)域——成都平原-山地過渡帶的耕地土壤養(yǎng)分變異特征更加值得我們關注[14-15]。目前國內外對這一典型特殊區(qū)域的研究較少?！颈狙芯康那腥朦c】因此本文選擇成都平原與龍門山之間的過渡地帶——彭州市為研究區(qū)，以高程為主要影響因子，通過相關分析、單因素方差分析、半變異函數模型優(yōu)化以及協(xié)同克里格 (Co-Kriging)插值法，探索該區(qū)域AN、AP、AK、SOM 4種耕地土壤養(yǎng)分的變異特征。【擬解決的關鍵問題】為防止養(yǎng)分水土流失、制定科學施肥方案、防范耕地土壤環(huán)境惡化以及保障我國西南地區(qū)糧食安全提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

彭州市位于成都市北部，介于東經103°10′～103°40′和北緯30°54′～31°26′之間，總面積1421 km2，土壤類型以水稻土、黃壤、紫色土、潮土為主，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年均氣溫15.9 ℃，年均降水量867 mm，無霜期長，日照偏少，高溫期與多雨期同季。彭州市地質構造上跨“東部四川中臺坳”和“西部龍門山褶斷帶”兩種構造單元，其地勢西北高、東南低，大體上北部為山地，中部為丘陵，南部為平原，其面積依次占全市總面積的50 %、11 %、39 %。彭州市耕地面積509 km2，以水稻-蔬菜、水稻-藥材(川芎)種植模式為主，是全國五大商品蔬菜生產基地之一，也是全國最大的川芎生產基地。

1.2 土樣采集與檢測

本次土樣采集在充分考慮土地利用類型及高程兩大影響因子的前提下進行室內布點，通過GPS定位，運用S形取樣法在研究區(qū)作物收獲時節(jié)的耕層土壤上多點取樣。土樣于2017年5-12月采集完成，每個樣點均記錄其經緯度坐標、土壤類型、高程、土地利用類型及對應農作物等信息。土樣共計1142個，其土壤類型主要為水稻土和黃壤，對應的主要農作物為水稻、油菜及各種蔬菜。以成都市2017年土地利用類型分布圖為底圖，樣點在水田、旱地上的分布狀況如圖1所示。研究區(qū)土壤樣點在不同高程、坡度、坡向、pH下的分布狀況如圖2所示。以不同高程劃分，樣點分布于443～1371 m的高程區(qū)間內(圖2A)；以不同坡度劃分，樣點主要分布在0 ～ 10°的緩坡上(圖2B)；以不同坡向劃分，樣點主要分布在45 ～ 135°的半陽坡與135 ～ 275°的陽坡上(圖2C)[16-17]；以不同pH劃分，樣點主要分布在4.5 ～ 5.5的酸性與5.5 ～ 6.5的弱酸性土壤上(圖2D)。土樣經過雜物剔除、風干、磨碎、過尼龍篩后分別裝入瓶中待測。AN采用堿解擴散法，AP采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，AK采用乙酸銨浸提—火焰光度法，SOM采用重鉻酸鉀容量法，由具備省級以上計量認證資質的檢測機構完成上述項目的測定。

圖1 研究區(qū)不同土地利用類型下土壤樣點分布狀況Fig.1 Distribution of soil sampling points under different land use types in the study area

圖2 研究區(qū)不同高程、坡度、坡向、pH下土壤樣點分布狀況Fig.2 Distribution of soil sampling points under different elevation, slope, slope aspect and pH in the study area

1.3 數據處理與分析方法

運用SPSS22.0的箱型圖分析，初步篩查出耕地土樣養(yǎng)分數據中大于3倍標準差的系統(tǒng)離群值，再根據《耕地地力評價指南》與成都市耕地基礎養(yǎng)分評價指標體系[18-19]，結合樣點土壤類型特征、種植模式、施肥習慣等進一步識別離群值并予以剔除或保留。利用SPSS22.0的Pearson相關性分析判別耕地土壤養(yǎng)分、高程、坡度、坡向以及土壤pH之間的相互影響程度。通過ArcGIS10.2的自然斷點法分級功能將高程數據分組，并以該分組結果為基礎與耕地土壤養(yǎng)分數據相結合，采用SPSS22.0的單因素方差分析進行差異性檢驗。應用GS+10.0對耕地土壤養(yǎng)分數據進行描述性統(tǒng)計，并通過調整模型類型、有效滯后距、間距、塊金值、基臺值以及變程，擬合出決定系數與殘差均表現良好的半變異函數模型。以上述模型的相關參數為基礎，以高程為主要影響因子，導入ArcGIS10.2進行協(xié)同克里格插值分析，生成不同高程下的耕地土壤養(yǎng)分含量空間分布圖。

表1 耕地土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計特征Table 1 Descriptive statistical characteristics of soil nutrients of cultivated land

2 結果與分析

2.1 耕地土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計特征分析

研究區(qū)耕地土壤AN、AP、AK、SOM 4種養(yǎng)分數據經過箱型圖分析，分別有10、21、0、9個離群值。通過對樣點土壤類型特征、種植模式、施肥習慣以及相關耕地土壤養(yǎng)分評價體系等方面的進一步識別，將其中的12個離群值作為真實值保留，最終確定1114個有效耕地土壤樣點數。用傳統(tǒng)統(tǒng)計方法對樣本數據進行描述性統(tǒng)計分析，其統(tǒng)計結果見表1。研究區(qū)4種耕地土壤養(yǎng)分均呈中等變異性，變異程度由大到小依次為AP>AN>AK>SOM。AN、AP、AK作為速效態(tài)養(yǎng)分，由于遷移性強，相對于受自然因素影響更大的SOM均表現出更不穩(wěn)定的特征。其中AP的變異性最大，這可能還與磷肥當季利用效率較低有關[20]。未經轉換的4種耕地土壤養(yǎng)分數據均顯示出一定的偏態(tài)效應，而地統(tǒng)計學分析的前提是數據須服從正態(tài)分布，因此本研究對4種耕地土壤養(yǎng)分數據均進行了轉換。由偏度系數和峰度系數檢驗結果可知，經轉換后的數據均呈對數正態(tài)分布。

2.2 高程與耕地土壤養(yǎng)分的相關性分析

高程與耕地土壤養(yǎng)分含量的Pearson相關分析結果見表2。高程與AN、AP呈極顯著負相關，即隨著高程的升高，AN、AP含量逐漸降低。其主要原因是低高程區(qū)域以水稻-蔬菜種植模式為主，普遍重施氮肥、磷肥。高程與AK、SOM呈極顯著正相關，即高程越大，AK、SOM含量越高。其主要原因一是溫度隨高程升高而降低，土壤礦化作用又隨溫度的降低而減弱，從而促進了土壤養(yǎng)分的累積；二是高高程區(qū)域土壤大多為黃壤，而黃壤SOM含量通常較高；三是高高程土壤pH較大(圖2D)，而通常AK與pH呈明顯的正相關性；四是低高程區(qū)域的水稻土在淹水條件下，其AK容易受到Fe2+等陽離子的影響產生置換淋失。

2.3 不同高程下耕地土壤養(yǎng)分的方差分析

將高程數據按照自然斷點法分為<565、565 ～ 637、638 ～ 749、750 ～ 913以及>913 m 5組，以全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準為參考，分別對每個組別下的耕地土壤養(yǎng)分進行單因素方差分析(表3)，進一步探索它們之間的關系。

(1)5個組別的AN平均含量均在較豐富水平以上，其中1組最高，達到豐富水平。在高程≤913 m的4個組別范圍內，AN的均值隨高程的升高而減小，其中2、3、4組處于同一水平，且與1組存在極顯著差異。5組的AN平均含量明顯回升，可能是該組的溫度最低，而土壤養(yǎng)分積累效率隨溫度下降而上升的特點在此區(qū)域開始有明顯體現。不同組別的AN含量均為中等變異且其變異系數不具有明顯的變化趨勢。

(2)5個組別的AP平均含量均為豐富水平，其中1組最高。AP與AN相似，在高程≤913 m的4個組別范圍內，AP的均值隨高程的升高而減小，其中3、4組處于同一水平，且與1、2組存在極顯著差異。不同組別的AP含量雖然均為中等變異，但其變異系數具有明顯的隨高程升高而增大的趨勢，其中4、5組的變異系數已接近于強變異。這在一定程度上說明高高程區(qū)域的AP受到更為復雜的自然因素和人類活動的綜合作用，容易引起含量的波動。

表2 高程與耕地土壤養(yǎng)分的相關性Table 2 Correlation between elevation and soil nutrients of cultivated land

注：**表示極顯著相關(P<0.01)。

Note: ** shows extremely significant correlation(P<0.01).

表3 不同高程組別下耕地土壤養(yǎng)分差異Table 3 Difference of soil nutrients of cultivated land under different elevation groups

注：LSD多重比較，同一行中有相同字母表示均值差異未達到極顯著(P<0.01)。

Note: Values in each row with the same letter was not sigificantly different(P<0.01, LSD).

(3)5個組別的AK平均含量處于中等至較豐富水平，其中5組最高。在高程≥565 m的4個組別范圍內，AK的均值隨高程的升高而增大，其中2、3組處于同一水平，且與4、5組存在極顯著差異。1組的AK平均含量極顯著地高于2、3組，可能跟該區(qū)域更重視鉀肥施用有關。不同組別的AK含量均為中等變異且其變異系數不具有明顯的變化趨勢。

(4)5個組別的SOM平均含量均在較豐富水平以上，其中4、5組的SOM平均含量最高，達到豐富水平。SOM均值大致上隨高程升高而增大，其中1、2、3組處于同一水平，且與4、5組存在極顯著差異。不同組別的SOM含量雖然均為中等變異，但其變異系數具有明顯的隨高程升高而增大的趨勢，其中變異系數最大的區(qū)域為地帶過渡性較為明顯的4組。

2.4 耕地土壤養(yǎng)分空間變異分析

為使空間變異分析結果更加準確，運用GS+10.0對耕地土壤養(yǎng)分數據的半變異函數模型進行優(yōu)化，擬合結果見表4。AN、AP的模型類型以指數為最佳，AK、SOM的最適模型分別為球狀模型和高斯模型。AK、SOM的模型擬合效果更好，其決定系數均在0.9以上。研究區(qū)SOM的塊金值最小，表明SOM由實驗誤差和由小于實際取樣尺度下的人為因素所引起的隨機誤差較??；AP的塊金值最大，表明AP受實驗誤差和受到小于實際取樣尺度下的人為因素的影響較大。4種耕地土壤養(yǎng)分均表現為中等空間變異性，說明自然因素和人為因素對其空間變異性的影響比較均衡，其中AN、AP、AK的塊基比均高于SOM，說明它們相較于SOM可能更傾向于受人為因素的影響。SOM的變程為38.192 km，是AN、AP、AK的3倍以上，說明SOM在較大空間變異尺度范圍內自相關性較強。

表4 耕地土壤養(yǎng)分半變異函數模型參數Table 4 Semi-variance model parameters of soil nutrients of cultivated land

表5 耕地土壤養(yǎng)分空間插值交叉驗證結果Table 5 Cross-validation results of spatial estimation of soil nutrients of cultivated land

2.5 不同高程下耕地土壤養(yǎng)分空間插值分析

根據前文耕地土壤養(yǎng)分數據的半變異函數模型優(yōu)化結果，利用ArcGIS10.2的協(xié)同克里格插值法生成不同高程下的耕地土壤養(yǎng)分含量空間分布圖(圖3)。協(xié)同克里格插值法的交叉驗證結果(表5)表明4種耕地土壤養(yǎng)分的平均值、標準平均值均接近于0，標準均方根均接近于1，總體上該插值結果較為可信。參考全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準，研究區(qū)5個高程組別下的4種耕地土壤養(yǎng)分含量分布狀況顯示：AN含量為中等～豐富水平的耕地土壤面積最大，其豐富水平主要集中分布在<565 m的低高程區(qū)域內，中等及以下水平主要集中分布在地帶過渡性最大的638 ～ 913 m高程范圍之間。AP含量為較豐富～豐富水平的耕地土壤面積最大，其豐富水平約占總面積的50 %，主要集中分布在<750 m的中、低高程區(qū)域內。AP含量為中等及以下水平的耕地土壤主要集中分布在地帶過渡性最大的638 ～ 913 m高程范圍之間。AK含量為較缺乏～中等水平的耕地土壤面積最大，超過總面積的50 %，主要集中分布在<750 m的中、低高程區(qū)域內。AK含量為較豐富及以上水平的耕地土壤主要集中分布在>913 m的高高程區(qū)域。SOM含量為較豐富～豐富水平的耕地土壤面積最大，超過總面積的80 %，其豐富水平主要集中分布在>913 m的高高程區(qū)域內。SOM含量為中等及以下水平的耕地土壤主要集中分布在地帶過渡性最大的638 ～ 913 m高程范圍之間。另外SOM含量在該過渡性地帶還表現出突變性的分布特征。

3 討 論

3.1 彭州市耕地土壤養(yǎng)分在高程影響下的變異特征

彭州市作為典型成都平原-山地過渡帶，其高程是地形地貌、氣候、水文、植被、成土過程以及土地利用類型等的主控因素之一，其耕地土壤養(yǎng)分含量隨高程發(fā)生變化的狀況十分突出，具體表現如下。

(1)彭州市耕地土壤SOM含量總體均在較豐富水平以上。其主要原因一是高高程區(qū)域土壤大多為SOM含量普遍較高的地帶性黃壤；二是高高程區(qū)域的年均氣溫遠低于全市，為12.6 ℃左右，同時其降水量又遠高于全市，為1300 mm左右，在這種局部氣候條件下土壤微生物的活性會受到明顯抑制，從而造成該區(qū)域植被殘體的礦化速率明顯減弱，SOM積累效率更高[7-10,14]；三是根據2018年成都市第二次全國農業(yè)污染源普查結果，彭州市擁有165家規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場，其中大部分畜禽糞便經處理后施入了中、低高程區(qū)域的耕地土壤當中，從而提升了該區(qū)域的SOM含量。SOM的變異程度隨高程的升高在的750 ～ 913 m這一地帶過渡性較為明顯的區(qū)域猛增至最大，且其含量相對較低的耕地土壤也主要集中分布在該區(qū)域，該養(yǎng)分流失現象需要我們重點關注。

(2)彭州市耕地土壤AN含量總體均在較豐富水平以上。低高程區(qū)域AN含量較為豐富主要是由于該區(qū)域大多為水稻-蔬菜種植模式，普遍重視氮肥的施用；高高程區(qū)域AN含量由于作為氮素養(yǎng)分重要來源之一的SOM較為豐富，從而得到了一定補充。一般而言，高程與AN呈正相關關系[9-10]，而本文中高程與AN呈極顯著負相關，可見低高程區(qū)域在“稻-菜”，特別是在部分地區(qū)“稻-菜-菜”這類復種指數較高的種植模式下，施肥等人為因素對耕地土壤AN含量影響很大。AN含量隨高程的升高在750 ～ 913 m的區(qū)域內降至最低，再在>913 m的區(qū)域明顯回升，這一現象與梁濤等[21]對重慶2個區(qū)土壤養(yǎng)分狀況與海拔高度的關系分析結果大體一致。

(3)彭州市耕地土壤AP含量總體均在較豐富水平以上，其主要原因一是化肥及規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場為其帶來了大量磷源；二是分屬于岷江水系的蒲陽河，是該區(qū)域主要灌溉河流之一，而岷江沖積物大多磷素含量較高，故其AP含量可能受其影響而整體較高[22]。AP的變異程度從638 ～ 749 m的中高程區(qū)域開始明顯增大，其變異系數在750 ～ 913 m、>913 m的高高程區(qū)域分別達到了83.54 %和82.56 %，接近于強變異，這可能是因為高程較高區(qū)域其降水量與坡度(圖2B)較大造成的局部范圍土壤侵蝕。

圖3 不同高程下耕地土壤養(yǎng)分空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil nutrients of cultivated land at different elevation

(4)彭州市耕地土壤AK含量總體上處于中等水平，這主要是由于該區(qū)域土壤pH大多為4.5 ～ 6.5(圖2D)[23-24]。低高程區(qū)域pH值較低的主要原因一是長期的水旱輪作模式造成該區(qū)域耕地土壤干濕交替頻繁，而水稻土在排水過程中會呈現pH值偏離中性范圍的趨勢[25]，同時本次土樣采集正處于排水不久后的作物收獲期；二是隨著種植年份的增加，氮肥、有機肥使耕地土壤酸根離子越積越多。高高程區(qū)域pH值相對較高主要由于該區(qū)域較為豐富的SOM對土壤酸化產生了一定的緩沖作用。故而AK含量與此相對應，隨高程的升高而增加。

3.2 彭州市耕地土壤不同高程下的管理建議

高程與耕地土壤養(yǎng)分變異情況十分密切，深入分析高程對耕地土壤養(yǎng)分的影響可以幫助我們以不同高程帶為基礎，為該區(qū)域的耕地地力評價、耕地承載力評價、耕地利用潛力評價以及耕地土壤保護等提供依據。大體上，彭州市分為<638 m的平壩高程帶、638 ～ 913 m的過渡高程帶以及>913 m的山地高程帶。本文從彭州市不同高程帶的耕地土壤養(yǎng)分變異特征出發(fā)，提出相應管理建議如下。

(1)平壩高程帶的耕地土壤AN、AP含量較高，特別是AP含量已達到極高水平。根據2018年成都市農業(yè)源氨排放清單數據統(tǒng)計結果，彭州市規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場較多，平壩區(qū)農業(yè)種植面積及耕作強度較大，氮肥、磷肥、有機肥施入較多，這在提升耕地土壤AN、AP含量的同時，也使該區(qū)域的氨排放量增大，磷素集中過剩，從而可能造成大氣氨污染、土壤酸化以及土壤重金屬污染。故該區(qū)域在今后的農業(yè)生產過程中應注意在局部突出地區(qū)合理減少氮肥、磷肥的施用，提高肥料有效利用率。平壩高程帶的耕地土壤AK含量偏低，該區(qū)域除了需要通過增施鉀肥補充鉀素以外，施肥時應盡量避開高溫多雨天氣，以免土壤溶液中的鉀素和交換性鉀素因淋溶作用迅速流失，同時還應大力推廣鉀肥后移技術，進行土壤酸化治理，提高鉀肥利用效率。

(2) 過渡高程帶存在一定的耕地土壤養(yǎng)分流失現象，體現了這一區(qū)域的農業(yè)生態(tài)敏感性與脆弱性。相對于其他穩(wěn)定性較強的區(qū)域，該區(qū)域耕地若采取合理的工程措施與農藝措施加以改造，努力消除制約因素，其在耕地地力的提高上見效更快。彭州市蔬菜品種繁多，當中不乏適合高高程地區(qū)種植的特色品種。但若將這類品種全部安排至山地高程帶種植，其人力、灌溉以及交通運輸等成本的增加顯而易見。過渡高程帶一定程度上擁有山地高程帶的自然條件，同時在很多方面又與平壩高程帶相近，故發(fā)展特色蔬菜種植具有較大的利用潛力。彭州市主要中藥材生產基地覆蓋了過渡高程帶50 %以上的區(qū)域，故該高程帶應利用好藥材產業(yè)發(fā)展的驅動力提高自身耕地土壤綜合生產能力。

(3)山地高程帶的耕地土壤AK、SOM含量較高，特別是局部區(qū)域的SOM含量已經達到了極高的水平。該區(qū)域主要應防范降水量與坡度(圖2B)較大造成的局部范圍土壤侵蝕和水土流失，在生態(tài)風險較嚴重的區(qū)域可以考慮轉變耕地利用類型，同時應在平整田面、筑牢田埂與護坡、修建排灌水設施、實現梯格化等方面進一步加強。另外鑒于該高程帶農業(yè)生產成本較高，更應利用其土壤養(yǎng)分含量優(yōu)勢選擇合適的高商品性作物進行精心栽培和管理，從而帶動該區(qū)域農業(yè)產業(yè)發(fā)展，提高農民收入水平。

4 結 論

本文利用SPSS22.0、GS+10.0以及ArcGIS10.2對彭州市這一典型成都平原-山地過渡帶不同高程下的耕地土壤養(yǎng)分變異特征進行分析，研究結果表明：

彭州市耕地土壤AN、AP、SOM含量較為豐富，均值分別為142.19 mg/kg、39.55 mg/kg及33.53 g/kg；AK含量為中等水平，均值為111.83 mg/kg。

高程與AK、SOM呈極顯著正相關，其相關系數分別為0.259、0.416；高程與AN、AP呈極顯著負相關，其相關系數分別為-0.092和-0.095；高程與坡度、坡向、pH呈極顯著正相關，其相關系數分別為0.894、0.564及0.303。AN、AP含量在彭州市低高程區(qū)域形成連片高值帶；AK、SOM含量在高高程區(qū)域形成相對破碎的連片高值帶；AN、AP、SOM含量相對較低的耕地土壤主要集中分布在地帶過渡性最大的638 ～ 913 m高程范圍之間，其中SOM含量在該區(qū)域表現出突變性的分布特征。