基于空間統(tǒng)計(jì)學(xué)的坡耕地土壤空間soc分析

基于空間統(tǒng)計(jì)學(xué)的坡耕地土壤空間soc分析

土壤中的有機(jī)碳（si）是土壤肥料的重要物質(zhì)，影響著土壤的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)。土壤侵蝕一方面造成侵蝕的景觀部位SOC含量減少,同時(shí)遷移的SOC在低洼的景觀部位發(fā)生累積。與土壤侵蝕過(guò)程相對(duì)應(yīng),SOC含量變化通過(guò)土壤團(tuán)聚體的破壞和重新形成來(lái)影響土壤侵蝕和溫室氣體CO2的釋放。為了弄清楚土壤再分布過(guò)程對(duì)大氣CO2的凈效應(yīng),需要研究不同景觀單元SOC的空間分布特征。SOC作為土壤的一個(gè)特性值,是一個(gè)不均一和變化的連續(xù)體,即使在土壤質(zhì)地相同的區(qū)域內(nèi),SOC在不同空間位置上也具有明顯差異,即SOC存在明顯的空間變異性。經(jīng)典Fister統(tǒng)計(jì)方法在研究土壤屬性的變化時(shí)通常假定研究對(duì)象是純隨機(jī)變量,可以無(wú)限次重復(fù)實(shí)驗(yàn)或大量觀測(cè),樣本之間完全獨(dú)立且服從正態(tài)分布。近年研究表明許多土壤參數(shù)在—定范圍內(nèi)存在空間相關(guān)性。因此僅運(yùn)用經(jīng)典的Fister統(tǒng)計(jì)方法已不能滿足土壤空間異質(zhì)性研究的需要。地統(tǒng)計(jì)學(xué)是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門新的空間分析方法,適于區(qū)域化變量空間分布特征的描述。并且地統(tǒng)計(jì)學(xué)提供了一種最優(yōu)的空間插值方法,它是基于對(duì)空間結(jié)構(gòu)特征充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,優(yōu)于其它插值方法(如幾何插值、趨勢(shì)面分析、普通滑動(dòng)平均等),廣泛應(yīng)用于土壤和生態(tài)因子分布圖的繪制。近年來(lái)對(duì)SOC空間分異及影響因素的研究多集中于平坦區(qū)域不同土地利用方式和土壤管理措施方面,而對(duì)坡耕地土壤侵蝕和再分布過(guò)程引起的SOC空間分異研究較少。本文根據(jù)地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和方法(半方差函數(shù)和Kriging插值),分析東北黑土典型漫崗地形SOC在小尺度上的空間分異,用以說(shuō)明土壤侵蝕和再分布過(guò)程對(duì)SOC空間分異的影響。1材料和方法1.1研究區(qū)地貌類型采樣區(qū)位于東北黑土區(qū)的中部,行政區(qū)屬于吉林省德惠市松花江鎮(zhèn)西南5km的沫石河小流域(44°43′N,125°51′1″E)。研究區(qū)為中溫帶半濕潤(rùn)氣候,年均溫4.4℃,年均降水528.3mm,降水主要集中在6—8月。研究區(qū)面積84855.6m2。采樣區(qū)位于小流域的北坡,地形為典型的漫崗臺(tái)地,包括各種典型的地貌類型:坡頂、坡肩、坡背、坡腳和坡足。利用日本Topcon公司生產(chǎn)的地球同步技術(shù)衛(wèi)星自動(dòng)聚焦水準(zhǔn)儀GTSAF601(GeostationaryTechnologySatelliteAutofocus601)進(jìn)行采樣點(diǎn)位置和坡度的測(cè)量,得出坡頂坡度在0°～4.08°,平均2.6°;坡肩坡度最大,2.44°～5°,平均為3.53°;坡背在0.82°～3.47°,平均為2.23°;坡腳和坡足部位坡度最小,在0°～2.35°之間,平均為1.14°。土壤屬于典型黑土亞類中的中層黑土。采樣區(qū)為農(nóng)田,玉米連作、順向打壟和耕翻一直是該區(qū)的主要土壤管理方式。1.2土柱的土壤劃分在250m×100m范圍內(nèi)的典型黑土坡耕地上,以10m間隔進(jìn)行規(guī)則網(wǎng)格采樣。利用直壓式取土器(內(nèi)徑為5cm)取表層30cm土壤,取出的土柱分為0—10,10—20和20—30cm層。每層采樣數(shù)為168個(gè),共504個(gè)土樣。土壤樣品磨碎過(guò)100目篩,SOC含量用重鉻酸鉀—硫酸容量法測(cè)定。1.3半方差圖的繪制許多學(xué)者對(duì)半方差函數(shù)及克立格插值理論都作了詳細(xì)的描述。本文應(yīng)用STATISTICA6.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Kolomogorov—Smironov(K—S)正態(tài)檢驗(yàn)和基本統(tǒng)計(jì)分析,以GS+forwindows5.0地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件包進(jìn)行半方差計(jì)算和半方差圖的繪制。為了定量地確定研究對(duì)象的空間自相關(guān)性以及空間內(nèi)插計(jì)算,GS+軟件提供了5種數(shù)學(xué)模型即線性模型、帶閾值的線性模型、球面模型、指數(shù)模型和高斯模型供半方差圖擬合選擇。在此基礎(chǔ)上利用Sufer7.1軟件進(jìn)行塊段克立格(blockKriging)插值。半方差函數(shù)γ(h)一般有3個(gè)重要參數(shù):塊金值(C0)、基臺(tái)值(C0+C)和變程(a)。另外分維數(shù)(D)也是評(píng)價(jià)區(qū)域化變量變異程度的一個(gè)重要參數(shù)。2結(jié)果與討論2.1采用kolmolov—數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗(yàn)和最大分析尺度的確定半方差函數(shù)通過(guò)測(cè)定區(qū)域化變量分隔等距離的樣點(diǎn)間的差異來(lái)研究變量的空間相關(guān)性和空間結(jié)構(gòu)。進(jìn)行空間相關(guān)分析的變量必須滿足正態(tài)分布,并且由隨機(jī)抽樣的方式而獲得。數(shù)據(jù)的非正態(tài)分布會(huì)使方差函數(shù)產(chǎn)生比例效應(yīng),抬高基臺(tái)值和塊金值,降低估計(jì)精度,使某些潛在的特征表現(xiàn)不明顯,甚至?xí)谏w其固有的結(jié)構(gòu)。為了檢驗(yàn)這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合半方差函數(shù)分析的條件,我們用Kolmogorov—Smironov(K—S)正態(tài)分布檢驗(yàn)概率(PK—S)對(duì)它們進(jìn)行了檢驗(yàn)。檢驗(yàn)時(shí)取顯著性水平α=0.05,若PK—S>0.05,則認(rèn)為數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。由表1可以得出,0—10,10—20和20—30cm層SOC含量在0.05水平上都表現(xiàn)正態(tài)分布,并且下面2層數(shù)據(jù)優(yōu)于0—10cm層。另外數(shù)據(jù)還表現(xiàn)出SOC平均含量由表層向下減少,10—20cm土層變異最小,20—30cm土層有機(jī)碳含量變異最大。這主要與測(cè)定區(qū)域耕作措施和種植制度有關(guān),20cm以下土壤受耕作活動(dòng)影響微弱,原始土壤的高變異得以繼承。用規(guī)則網(wǎng)格采集土壤樣品,樣點(diǎn)間的最大長(zhǎng)度是給定的,隨著間隔距離h的增大,點(diǎn)對(duì)的數(shù)量N(h)逐漸變小,并且某些依賴變量不再對(duì)γ(h)有貢獻(xiàn)。因此作為統(tǒng)計(jì)量,γ(h)應(yīng)該有一定的范圍限定。一般認(rèn)為當(dāng)γ(h)取樣線長(zhǎng)度的1/3或1/2時(shí),γ(h)才具有統(tǒng)計(jì)意義上的代表性;同時(shí),步長(zhǎng)h不能小于相鄰兩點(diǎn)間的最小距離。故本研究在應(yīng)用這個(gè)方法進(jìn)行分析時(shí),取樣點(diǎn)距離的一半,即12個(gè)距離單位120m作為最大分析尺度。取步長(zhǎng)為1個(gè)距離單位10m,這樣就可劃分為11個(gè)距離段。2.2空間相關(guān)因素區(qū)域化變量的結(jié)構(gòu)分析是以變異函數(shù)模型為基礎(chǔ),這也是變異函數(shù)的主要功能之一。球形半方差函數(shù)表明的是聚集分布,它的空間結(jié)構(gòu)是當(dāng)樣點(diǎn)間隔距離達(dá)到變程之前時(shí),樣點(diǎn)的空間依賴性隨樣點(diǎn)的距離增大而逐漸減低。指數(shù)型與球形模型類似但其基臺(tái)值是漸變線,非水平狀直線,其半方差函數(shù)表明數(shù)據(jù)是中等程度的聚集分布,空間依賴范圍超過(guò)研究尺度。隨機(jī)分布中的γ(h)隨距離沒有一定規(guī)律的變化,為完全隨機(jī)或均勻的數(shù)據(jù),γ(h)呈直線或者稍有斜率,塊金值等于其基臺(tái)值,這就表明在抽樣尺度下沒有空間相關(guān)性。由表2可以看出,這3層土壤SOC的基臺(tái)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于塊金值,表明在全方向上SOC具有明顯的空間結(jié)構(gòu)。0—10cm土層SOC半方差函數(shù)與步長(zhǎng)h的關(guān)系符合指數(shù)模型,而10—20cm和20—30cm土層SOC半方差函數(shù)與步長(zhǎng)h關(guān)系符合球狀模型,并且隨著步長(zhǎng)h的增大,差異也逐漸增大。0—10,10—20和20—30cm這3個(gè)土壤層的變程分別為42.3,49.1和69.1m,SOC變異范圍隨深度增加而增大,超過(guò)變程范圍有機(jī)碳區(qū)域化變量空間相關(guān)性不存在。塊金方差與基臺(tái)值之比C0/(C0+C)反映的是隨機(jī)因素引起的空間異質(zhì)性SHR占總空間異質(zhì)性的百分比。如果這個(gè)值較大,相應(yīng)塊金效應(yīng)就較小,說(shuō)明在小尺度空間中被研究對(duì)象變化較小,亦說(shuō)明當(dāng)前的采樣密度對(duì)于所進(jìn)行的研究是足夠的。塊金值、塊金方差與基臺(tái)值之比C0/(C0+C)隨深度的增加,說(shuō)明隨機(jī)因素對(duì)空間異質(zhì)性的貢獻(xiàn)沿深度增加(表2),分別占總空間異質(zhì)性的15.2%,36.67%和43.24%,并且主要表現(xiàn)在10m以下的小尺度范圍內(nèi)。如果比例<25%,說(shuō)明變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性;比例在25%～75%之間,變量具有中等的空間相關(guān)性;比例>75%時(shí),變量空間相關(guān)性很弱?？梢?0—10cm層SOC具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性,而10—20cm和20—30cm層SOC具有中等程度的相關(guān)性,空間相關(guān)性隨深度增加減弱,隨機(jī)性增強(qiáng)。說(shuō)明了表層20cm土壤受土壤侵蝕及再分布的影響,坡腳和坡足等沉積部位表層土壤來(lái)源于坡上部位,有機(jī)碳含量較低。20cm以下影響減弱。分維數(shù)D的大小表示變異函數(shù)的曲率。變量D值之間的比較可以確定空間異質(zhì)性程度。一般分維數(shù)D越大,它所表現(xiàn)的空間分布越復(fù)雜。由表2可以看出20—30cm土層的SOC含量明顯比0—10cm和10—20cm土層的SOC含量分布趨向于簡(jiǎn)單,這種趨勢(shì)在圖2也可以看出?？臻g結(jié)構(gòu)的變化可以描述為:上層SOC含量受土壤耕作及土壤侵蝕作用的影響,其分布為較大尺度聚集型,隨著土壤深度的增加,土壤耕作及土壤侵蝕作用對(duì)SOC含量的影響減弱,其分布轉(zhuǎn)化為大尺度上隨機(jī)型分布。R2和RSS是用來(lái)說(shuō)明模型對(duì)被研究對(duì)象的解釋效率?？梢娫酵聦覵OC的變異函數(shù)越接近球狀模型。為研究半方差函數(shù)在不同方向上的特點(diǎn),即各向異性,對(duì)不同方向的半方差函數(shù)也進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)將全方位平均分為4個(gè)角度:0°,45°,90°和135°分別代表東—西,東北—西南,南—北,西北—東南方向。同樣根據(jù)表3各向異性模型可以看出,變程和C0/(C0+C)隨深度的變化和各向同性相同,空間自相關(guān)性隨深度增加而減弱。另外,由圖1可知南—北(90°)方向即順坡方向,與壟向平行,其半方差隨空間距離h的增大呈指數(shù)遞增,無(wú)基臺(tái)值和變程,表明土壤侵蝕和再分布過(guò)程在SOC空間分異中起著主導(dǎo)作用。東—西(0°)方向上SOC半方差函數(shù)基本上符合球狀模型,有基臺(tái)值和變程,表現(xiàn)出與全方向相似的空間相關(guān)性和變異特征。SOC的空間相關(guān)性隨土壤深度減弱,隨機(jī)性增強(qiáng)。這是因?yàn)镾OC分布是由結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同作用的結(jié)果。結(jié)構(gòu)性因素如氣候、母質(zhì)、地形、土壤類型等可以導(dǎo)致SOC強(qiáng)的空間相關(guān)性。而隨機(jī)性因素如施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動(dòng)使得土壤養(yǎng)分的空間相關(guān)性減弱,朝均一化方向發(fā)展。表層SOC空間相關(guān)性較強(qiáng),可能的原因是土壤侵蝕及遷移的土壤物質(zhì)在不同地貌部位發(fā)生再分布。另外,土壤侵蝕導(dǎo)致侵蝕區(qū)土壤水分及養(yǎng)分條件比沉積區(qū)差,進(jìn)而影響歸還到土壤中的植物殘?bào)w數(shù)量和有機(jī)碳含量。其它2個(gè)方向表現(xiàn)強(qiáng)烈的隨機(jī)性。2.3坡體及坡體各部位的soc含量土壤特性的空間變異性,取決于土壤母質(zhì)的性質(zhì)和地形位置,并與氣候、降雨和農(nóng)業(yè)措施等有關(guān)。地形影響水熱條件和成土物質(zhì)的再分配,因而不同地形位置有著不同的土壤特性。通過(guò)塊段Kriging插值后,我們發(fā)現(xiàn)0—10,10—20和20—30cm這3個(gè)土層的SOC含量表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)(圖2),即坡肩部位SOC含量最低,其次為坡腳和坡足,坡頂和坡背SOC含量較大。這是因?yàn)槠录缥挥谄马敽推卤车霓D(zhuǎn)折點(diǎn),坡度最大,土壤侵蝕也最為強(qiáng)烈,SOC大量流失;同時(shí)也與該部位長(zhǎng)期惡劣的土壤條件(如水分、溫度及營(yíng)養(yǎng)元素)有關(guān)。坡頂和坡背坡度相近,因坡度相似的位置土壤特性趨于一致,SOC含量比較相近。坡腳和坡足部位的SOC含量低于坡頂部位,正好說(shuō)明其表層土壤物質(zhì)來(lái)源于坡上部位的侵蝕物質(zhì),同時(shí)說(shuō)明坡上部位暴露出較低的土壤層次;另外,因坡腳和坡足部位的水分和溫度條件優(yōu)于侵蝕部位,所以SOC易于累積,比坡肩部位略高。0—10cm層SOC等值線較密,SOC梯度變化明顯。隨著土壤深度的增加,SOC含量等值線變得稀疏,說(shuō)明SOC隨土壤深度增加變異逐漸減小。這與半方差函數(shù)中參數(shù)C0/(C0+C)的變化趨勢(shì)相一致。我們將SOC含量分為高含量(>1.5%),中等含量(1%～1.5%)和低含量(<1%)3個(gè)等級(jí)。由表4可以看出,高含量的SOC隨深度增加下降,而中等含量的SOC先增加后下降,低含量SOC有增加的趨勢(shì)。這種現(xiàn)象說(shuō)明耕層SOC變化可能是由高含量的SOC正在轉(zhuǎn)變?yōu)橹械群康挠袡C(jī)碳,同時(shí)低含量SOC也表現(xiàn)有增加的趨勢(shì)。3土壤深度、地質(zhì)及上向的垂直分布及影響因素基于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論基礎(chǔ)上的坡耕地黑土有機(jī)碳空間分布特征研究發(fā)現(xiàn),不同土層深度SOC都表現(xiàn)明顯的空間相關(guān)性,說(shuō)明SOC作為土壤屬性之一,不是純隨機(jī)變量,是具有隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性的區(qū)域化變量。SOC在不同方向上的半方差函數(shù)表明,隨土壤深度增加,空間自相關(guān)性減弱,隨機(jī)性增強(qiáng)。說(shuō)明結(jié)構(gòu)性因素如土壤發(fā)