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基于地統(tǒng)計學半方差函數(shù)和gis空間插值的土壤地域差異性研究小流域土壤有機質(zhì)和全磷空間變異分析以安徽省舒城縣龍?zhí)缎×饔驗槔?/p>

土壤是一個形狀和演化過程非常復(fù)雜的自然綜合體。在土壤過程中，由于氣候、母土、地形、時間和人為因素的影響，土壤異質(zhì)性高度增加，這是空間異質(zhì)性特征[1.2]。地球物理是分析土壤特性空間分布特征及其變異規(guī)律最有效的方法之一[3.4]。它不僅能揭示土壤特性分布規(guī)律及其變化特征，而且能通過分析更好地揭示自然和人為活動對土壤特性空間變異的影響。目前，國內(nèi)外土壤特征變異規(guī)律的研究涉及土壤物理和化學性質(zhì)、重量和其他方面。物理特征主要集中在土壤水分的飽和歷水率、滲透性、土壤密度、機械組成等。土壤有機質(zhì)、氮、磷、鉀等肥力屬性主要集中在土壤有機質(zhì)、氮、磷、鉀等重金屬污染上。對土壤屬性異質(zhì)性的研究有助于了解區(qū)域土壤特征的特點，為區(qū)域土壤質(zhì)量優(yōu)化提供參考依據(jù)。目前的研究大多集中在一個行政區(qū)域、一個地貌單元或者一種土地利用類型上[10~13],對小流域的研究相對較少.我們以安徽省舒城縣龍?zhí)缎×饔驗閷ο?在實地調(diào)查采樣、室內(nèi)實驗分析的基礎(chǔ)上,運用地統(tǒng)計學和GIS,研究該流域內(nèi)土壤有機質(zhì)、全磷的變異規(guī)律及空間分布特征,并深入探討了其各方向的變異函數(shù)特征,從而揭示該小流域尺度下土壤特性的變異規(guī)律,為該流域土壤信息差異性的測量和描述、開展養(yǎng)分管理的分區(qū)研究提供參考.1研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法1.1地域自然概況龍?zhí)缎×饔蛭挥诎不帐∈娉强h曉天鎮(zhèn),中心地理坐標為東經(jīng)116°36′、北緯31°12′.流域面積7.9km2,海拔100~540m.屬亞熱帶溫潤性季風氣候區(qū),年平均氣溫15.6℃,年平均降雨量1100mm,無霜期年平均224d.陽光充足,雨水豐富,土地肥沃,植被茂盛,四季分明,氣候溫和.1.2學習方法1.2.1采樣點空間條件和有機質(zhì)分析2009年4月根據(jù)龍?zhí)缎×饔虻闹脖活愋汀⑼恋乩脿顩r、地形特點,在0~20cm土壤表層隨機采集混合樣品109個,用布袋封裝,同時用GPS定位,記錄樣點的空間地理信息,采樣點分布圖見圖1.樣品經(jīng)自然風干后,挑揀出參雜的植物根系和殘體雜物,然后進行碾磨、磨碎,過10目(2mm)尼龍篩,再用四分法分別取部分碾磨過60目(0.25mm)和100目(0.149mm)尼龍篩,分別裝入封口袋中,以備不同的分析項目之用.有機質(zhì)的測定用重鉻酸鉀氧化—外加熱法,全磷的測定用硫酸—高氯酸溶液—鉬銻抗比色法,同時為保證分析結(jié)果的可靠性,每隔5個樣做2個重復(fù)實驗,相對誤差控制在5%以內(nèi).1.2.2數(shù)據(jù)處理與插值方法檢驗樣品數(shù)據(jù)先用MicrosoftExcel2003進行整理,然后用SPSS15.0進行一般統(tǒng)計分析,同時使用非參數(shù)檢驗中的單樣本K-S(Kolmogorov-Smirnov)檢驗分析數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布.不符合正態(tài)分布的經(jīng)過對數(shù)或其它方式變換成正態(tài)分布,在數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布或近似正態(tài)分布的前提下,將數(shù)據(jù)導入GS+9.0地統(tǒng)計學軟件中,進行半方差函數(shù)的擬合和地統(tǒng)計學分析.插值方法采用普通克立格、簡單克立格、泛克立格方法進行比較,根據(jù)預(yù)測表面所生成的交叉驗證參數(shù)評定標準選取最優(yōu)插值方法.2結(jié)果與分析2.1有機質(zhì)和全磷含量特征從表1可以看出,研究區(qū)域土壤有機質(zhì)和全磷樣品的含量變化范圍分別在6.12~101.91gkg-1和0.20~1.87gkg-1之間,且平均值達到36.75gkg-1和0.51gkg-1,說明該區(qū)域土壤有機質(zhì)含量較高,全磷含量適中.其中有機質(zhì)的中位數(shù)和平均值接近,且峰度達到1.31,表明樣點有機質(zhì)數(shù)據(jù)主要集中在中位數(shù)附近.有機質(zhì)的標準差和變異系數(shù)分別為18.73和50.95%,全磷的為0.31和63.99%,表明研究區(qū)土壤有機質(zhì)和全磷的變異程度較大,這是由于該區(qū)域植被類型、土地利用狀況、地形等狀況的不同導致的.經(jīng)檢驗,樣點有機質(zhì)、全磷呈正態(tài)分布,但其峰度和偏度較高,為了降低其峰度和偏度,對其進行對數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后有機質(zhì)的峰度和偏度降為0.29、-0.25,全磷的降為0.26、0.78(圖2).2.2有機質(zhì)、全磷變異的空間方差分析經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)導入GS+9.0軟件,進行半方差函數(shù)的擬合計算,計算得到的有機質(zhì)、全磷的變異統(tǒng)計特征(表2),從表中可以看出,有機質(zhì)和全磷的最佳擬合模型都為指數(shù)模型,有機質(zhì)的決定系數(shù)達到0.868,用指數(shù)模型進行擬合的程度較高,而全磷的決定系數(shù)僅為0.380,說明全磷變異的各向同性較差.塊金值分別為0.0107、0.0362,塊金值較小,說明該流域有機質(zhì)、全磷在極小范圍的空間變異很小,采樣時樣點分布應(yīng)相隔一定距離更經(jīng)濟,更合理.塊金值和基臺值的比分別為4.4%和13.8%[17~18],該流域土壤有機質(zhì)和全磷的相關(guān)性均屬于強烈空間自相關(guān),說明有機質(zhì)和全磷的變異主要是受結(jié)構(gòu)性變異制約,隨機變異帶來的影響較小.變程分別為642m和435m,說明有機質(zhì)和全磷在此范圍內(nèi)具有空間自相關(guān),超出此范圍空間自相關(guān)性消失.土壤有機質(zhì)、全磷變異的各向同性分析:經(jīng)GS+9.0軟件擬合出有機質(zhì)、全磷的各向同性半方差函數(shù)(圖3),從圖中可以看出,有機質(zhì)用指數(shù)模型的擬合程度較好,當步長大于1900m時,出現(xiàn)了較明顯的上升趨勢,但變異程度不是太大,可能是其它方向性變異造成的.而全磷整體半方差變化較明顯,變異程度較高,變異的各向同性不太顯著,在約1310~2100m步長范圍內(nèi)出現(xiàn)了上升下降趨勢,但變化不是太明顯,這是各個方向性變異強烈表現(xiàn)的結(jié)果.有機質(zhì)變異的各向異性分析:為了更加深入了解流域土壤有機質(zhì)的空間變異特征,用GS+9.0軟件繪出了0°、50°、90°、145°方向上的半方差函數(shù)圖(圖4),進一步探究了有機質(zhì)在各方向上的空間變異特征,從圖中可以看出,有機質(zhì)在南北90°方向上和東南—西北145°方向上的變異程度明顯小于東西0°方向和東北—西南50°方向上變異程度,說明0°方向和50°方向的變異比90°和145°方向復(fù)雜,可能是由于流域地形特征影響,0°和50°方向上的地形變化較復(fù)雜.在90°和145°方向上,當步長大于1000m時有機質(zhì)隨步長的變異程度大致相似,表現(xiàn)為各向同性.但當步長在300m左右時在90°方向半方差值較低.而當步長大于約1100m時,在50°方向上有機質(zhì)的變異程度有明顯的上升趨勢.在0°方向上,其變異程度復(fù)雜,變異程度較大,有多處半方差值出現(xiàn)高低交替,差別較大,這是可能是由于該方向的植被類型、施肥措施、地形等因素較復(fù)雜造成的.全磷變異的各向異性分析:從圖5可以看出,全磷在各個方向上的半方差變化明顯,各向異性較顯著,各向同性不顯著.在南北90°方向和東北—西南50°方向上的半方差值變化較小,變化相對平緩,變異程度相對較低,可能是由于90°方向尺度較小,地形變化相對較簡單,但在50°方向上,其內(nèi)部變異程度仍較顯著.在0°方向上,隨步長的增加其變異程度呈上升趨勢,但當步長在1600~2200m時,出現(xiàn)了明顯的上升和下降趨勢.在145°方向上,在步長約為800m時,半方差有明顯的上升趨勢,變異程度加大,這可能是由于0°和145°方向尺度相對較大,地形變化也相對較復(fù)雜,以及植被覆蓋狀況、土地利用狀況復(fù)雜等因素造成的.2.3土壤有機碳元素的分布根據(jù)記錄的采樣點空間地理信息,并經(jīng)Arc/Info投影轉(zhuǎn)換,在ArcGIS9.2中生成樣點點圖層(圖1),然后對該流域有機質(zhì)和全磷數(shù)據(jù)進行克立格插值,插值方法的選用根據(jù)克立格輸出預(yù)測表面所生成的交叉驗證參數(shù)評定標準:標準平均值(MS)最接近于0,均方根預(yù)測誤差(RMS)最小,平均標準誤差(ASE)最接近于均方根預(yù)測誤差(RMS),標準均方根預(yù)測誤差(RMSS)最接近于1.有機質(zhì)和全磷的幾種克立格插值交叉驗證參數(shù)比較見表3.從表中可以看出,幾種克立格插值方法中,普通克立格對有機質(zhì)和全磷的插值MS最接近于0,RMS最小,ASE最接近于RMS,RMSS也最接近于1,據(jù)此,采用普通克立格對兩種土壤屬性進行格里格插值,得出土壤有機質(zhì)、全磷含量空間分布格局(圖6),從圖中可以看出,有機質(zhì)和全磷的分布呈明顯的塊狀和帶狀,其中有機質(zhì)含量中部較高,向四周逐漸遞減,這可能是由于該流域中部常年有樹木生長,植被覆蓋度高,枯枝落葉積累多,人類活動較少,故有機質(zhì)含量較高,而東北和西部由于地勢較高,植被多為草本植物,故有機質(zhì)積累少,南部地勢相對低平,人類活動影響較大,有機質(zhì)含量相對低.而全磷含量較高的地方主要集中在南部,可能是因為南部區(qū)域地勢相對低平,淋溶作用導致土壤磷從地勢高向地勢低的地方淋溶,含量較低的東北和西部正是該流域地勢較高的地方,由此可見淋溶作用對該流域全磷的分布起主要作用.經(jīng)統(tǒng)計得出有機質(zhì)、全磷含量各占面積比,其中有機質(zhì)含量大于43.00gkg-1的,面積約為1.347km2,占總面積的17.0%;含量在33.00~43.00gkg-1之間的,面積約為3.846km2,占總面積的48.4%;含量在23.00~33.00gkg-1之間的面積約為2.281km2,占總面積的28.7%;含量小于23.00gkg-1的,面積約為0.480km2,占總面積的5.9%.全磷含量大于0.70gkg-1的,面積約為0.433km2,占總面積的5.5%;含量在0.50~0.70gkg-1之間的,面積約為2.739km2,占總面積的34.5%;含量在0.33~0.50gkg-1之間的,面積約為4.152km2,占總面積的50.8%;含量小于0.33gkg-1的,面積約為0.626km2,占總面積的9.2%.3有機質(zhì)、全磷空間分布的特征及控制指導有機質(zhì)、全磷的一般統(tǒng)計分析和半方差分析表明,龍?zhí)缎×饔蛲寥烙袡C質(zhì)和全磷具有顯著的空間異質(zhì)性,變異程度較高,變異系數(shù)分別為50.95%和60.99%,有機質(zhì)、全磷在642m、435m具有空間自相關(guān),并且兩者的空間變異性都主要受結(jié)構(gòu)變異的影響,隨即變異帶來的影響較小.其中,全磷的各項同性變異程度較劇烈,可能是由于受其他過程控制引起的.有機質(zhì)、全磷的各向異性變異都比較強烈,各向異性顯著,各向同性不太明顯,說明有機質(zhì)、全磷在各個方向上受地形、不同植被類型、不同土地利用類型的影響較大.有機質(zhì)、全磷的空間分布特征表明,