尺度尺度對耕地土壤有機碳空間變異的高效表征

尺度尺度對耕地土壤有機碳空間變異的高效表征

土壤中有機碳（tc）的空間變化對土壤資源的調(diào)查、正確的農(nóng)業(yè)和土壤中的有機碳研究具有重要意義。如何高效布設(shè)土壤采樣點從而減少采樣誤差是開展土壤學研究的基礎(chǔ)性問題。在不同尺度下同時研究高效表征土壤有機碳空間變異性的樣點布設(shè)方式和密度,比較不同尺度間的結(jié)果差異及內(nèi)在聯(lián)系,進而提出相應的采樣策略,有助于提高土壤有機碳相關(guān)研究成果的準確性,具有重要的理論和實踐應用價值。姜城、王坷等人通過區(qū)域范圍內(nèi)的取樣調(diào)查研究表明,在影響土壤養(yǎng)分空間變異特征的各類因素中,最重要的是受樣點布設(shè)方式的影響。在諸多樣點布設(shè)的方法中,格網(wǎng)法是最廣泛使用的樣點布設(shè)方法。李菊梅、王宏庭等人的研究表明,網(wǎng)格法一般適用于采樣總體分布隨機、變化連續(xù)的區(qū)域。其優(yōu)點是簡單易行且比隨機布設(shè)方法和嵌套布設(shè)方法精確得多。就樣點密度對于表征土壤有機碳的空間變異性而言,學者們的研究多集中于就不同的采樣密度對表征研究區(qū)土壤有機碳空間變異的影響。Kerry等在英國南部兩個農(nóng)場利用網(wǎng)格采樣,通過重采樣獲得不同密度等級,發(fā)現(xiàn)兩個農(nóng)場的粘粒含量變異系數(shù)均隨采樣密度的降低呈增加趨勢。目前國內(nèi)外對于土壤有機碳的空間變異研究多集中于田塊、縣市或區(qū)域的單一尺度,缺乏多尺度的比較研究[7～13]。因此,本研究以福建省漳州市為典型區(qū),在漳州全市(地級市)、漳州市所轄龍海市(縣級)和龍海市所轄程溪鎮(zhèn)(鄉(xiāng)鎮(zhèn)級)三種行政區(qū)尺度上,以耕地中耕層土壤有機碳為研究對象,研究不同尺度下高效表征耕層土壤有機碳含量空間變異的樣點布設(shè)方式和密度。1材料和方法1.1土壤類型及分布特點漳州市位于福建東南沿海(圖1),地處北緯23°33′～25°12′,東經(jīng)116°54′～118°15′,總面積1.26×104km2,全市各類土壤的分布,因受各種成土因素的影響,呈現(xiàn)隨海拔升高的垂直分布規(guī)律及因區(qū)域性成土條件變化的影響而呈區(qū)域性分布規(guī)律。根據(jù)漳州市第二次土壤普查資料,漳州市土壤類型共有8個土類,22個亞類,67個土屬,70個土種。龍海市位于漳州市東部沿海,閩南經(jīng)濟區(qū)東南部,位于東經(jīng)117°29′～118°14′,北緯24°11′～24°36′,全市總面積1289.72km2。根據(jù)第二次土壤普查資料,龍海市土壤分為6個土類,16個亞類,52個土屬,70個土種。程溪鎮(zhèn)位于龍海市西部,地處東經(jīng)117.5°,北緯24.25°,全鎮(zhèn)面積247.3km2。程溪鎮(zhèn)土層深厚,土壤肥沃,土壤多為酸性鐵鋁土。1.2學習方法1.2.1樣品的采集和測定考慮到格網(wǎng)法是有關(guān)土壤屬性調(diào)查樣點布設(shè)的最常用方法且能夠較為準確地表征土壤屬性的空間變異,本研究根據(jù)前人相關(guān)研究成果和研究區(qū)域的大小,采用的格網(wǎng)密度為:地級市2km×2km、4km×4km、6km×6km、8km×8km四種;縣級0.5km×0.5km、1km×1km、2km×2km、4km×4km四種;鄉(xiāng)鎮(zhèn)級0.2km×0.2km、0.4km×0.4km、0.6km×0.6km、0.8km×0.8km四種。各個研究尺度均以最大格網(wǎng)密度進行采樣,如:地級市在2km×2km基礎(chǔ)上取樣,縣級在0.5km×0.5km網(wǎng)格基礎(chǔ)上取樣,鄉(xiāng)鎮(zhèn)級則在0.2km×0.2km網(wǎng)格基礎(chǔ)上取樣。土壤采樣點的選取方法為:在土地利用現(xiàn)狀圖上選取研究區(qū)域內(nèi)的所有耕地圖斑,將格網(wǎng)與所選取的耕地圖斑套疊,若在格網(wǎng)中心有耕地圖斑,則采用格網(wǎng)中心點作為采樣點;若格網(wǎng)中心無耕地圖斑,則在靠近格網(wǎng)中心的圖斑上選取采樣點;若格網(wǎng)內(nèi)無耕地圖斑,則不取采樣點。根據(jù)樣點布設(shè)的原則,各行政區(qū)級別在不同的格網(wǎng)密度下所布設(shè)的農(nóng)田土壤中的樣點數(shù)分別為:市級,n=1743,640,313,180;縣級,n=1133,544,219,82;鄉(xiāng)鎮(zhèn)級,n=140,134,122,103。土壤樣品采集的具體做法是在樣點附近20m的范圍內(nèi)用土鉆取5個耕作層(0～20cm)土樣,然后混合成一個土壤樣品,用四分法取1kg帶回實驗室,采用常規(guī)的低溫外加熱重鉻酸鉀氧化-滴定法測定土壤有機碳含量。在采樣的同時,用GPS記錄每個樣點的經(jīng)緯度信息,并描述各樣點的土壤、土地利用、地貌及相關(guān)環(huán)境信息。所有土壤樣品采集在2009年11～12月農(nóng)作物收割完成后進行。1.2.2樣點布設(shè)方式研究采用變異系數(shù)(CV)來表征SOC的空間變異性。共設(shè)計六種土壤樣點分類方式,通過對比各分類方式的平均變異系數(shù),研究不同行政區(qū)幅度表征土壤有機碳含量空間變異性的最佳土壤樣點布設(shè)方式,進而分析其對土壤有機碳野外調(diào)查的采樣效率。本研究設(shè)計的六種分類方式主要有:(1)對按格網(wǎng)法(KYJZ)選取的樣點不進行分類;(2)按土壤類型分類(KTR),將所有樣點按土壤類型分為土類、亞類和土屬三個級別;(3)按地貌類型分類(KDM),將所有樣點根據(jù)其地貌分為丘陵山地區(qū)、低丘臺地區(qū)、山間盆地區(qū)、沿海平原區(qū)和濱海圍墾區(qū)五種;(4)按土地利用類型分類(KDL),將所有樣點分為水田、旱地和水改旱(利用現(xiàn)狀為旱地而土壤類型為水稻土的圖斑)3種;(5)按地貌類型結(jié)合土壤類型分類(KDMTR),將樣點在按地貌類型分類的基礎(chǔ)上,再按土壤類型細分到土類、亞類和土屬;(6)按土地利用類型結(jié)合土壤類型分類(KDLTR),將樣點在利用現(xiàn)狀分類的基礎(chǔ)上,再按土壤類型劃分出土類、亞類和土屬。通過比較不同分類方法的土壤有機碳含量平均變異系數(shù),分析各樣點布設(shè)方式的效率,確定適合不同行政區(qū)級別的高效率的樣點布設(shè)方式。為進一步說明不同樣點布設(shè)方式在一定尺度上的空間變異和相關(guān)程度,本研究利用ArcGIS軟件的地統(tǒng)計模塊,擬合出各種樣點布設(shè)方法下的最佳半變異函數(shù),并分析該函數(shù)的塊金值(C0)、基臺值(C0+C)和變程(range)的差異。1.2.3耕層土壤有機碳的變化在不同行政區(qū)尺度上分別采用研究所得到的最高效的樣點分類法,將各密度等級的土壤樣品進行分類,對比分析耕層土壤有機碳的變異系數(shù)隨密度等級的變化特征。研究不同行政區(qū)尺度下,為高效表征耕層土壤有機碳空間變異所需的樣點密度。2結(jié)果與討論2.1南方丘陵區(qū)農(nóng)田土壤有機碳含量在市級尺度上,采用2km×2km規(guī)則格網(wǎng)布設(shè)樣點,土壤有機碳含量最小值為0.80gkg-1,最大值為52.90gkg-1,兩者相差近62倍,說明南方丘陵區(qū)農(nóng)田土壤有機碳含量變異很大。典型市的土壤有機碳含量均值為23.31gkg-1,變異系數(shù)為49.34%(見表1)?？h級尺度上,采用規(guī)則格網(wǎng)(0.5km×0.5km)在典型縣耕地圖斑上布設(shè)土壤調(diào)查樣點。在所有樣點中,土壤有機碳含量值最小的為3.50gkg-1,最大值為86.70gkg-1,兩者相差近23倍,說明南方丘陵區(qū)農(nóng)田土壤有機碳含量變異較大。典型縣的土壤有機碳含量均值為24.45gkg-1,變異系數(shù)為43.35%。(見表1)鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上,利用規(guī)則格網(wǎng)(0.2km×0.2km)對典型鎮(zhèn)耕地土壤進行采樣分析。在所有樣點中,土壤有機碳含量值最小的為5.00gkg-1,最大值為40.50gkg-1,兩者相差7倍多,說明南方丘陵區(qū)農(nóng)田土壤有機碳含量即使到了鄉(xiāng)鎮(zhèn)級別,其變異仍較大。典型鎮(zhèn)的土壤有機碳含量均值為20.23gkg-1,變異系數(shù)為35.57%。(見表1)。2.2不同行政區(qū)域的分類方法對土壤有機碳空間變異的影響的分析2.2.1結(jié)合地貌類型的格網(wǎng)采樣在市級尺度上采用研究設(shè)計的6種分類方法,其對耕層土壤有機碳含量空間變異的表征效果如圖2所示。不同的樣點分類方式不同程度上影響著土壤有機碳變異性的表達。綜合各種分類方式可以看出(圖2),在地級市尺度上按土地利用方式或地貌類型進行分類可以使樣點所表征的土壤有機碳空間變異系數(shù)分別減小6%和12%。按土壤類型劃分到土屬后,土壤有機碳的空間變異系數(shù)減小近11%。將土地利用方式和土壤類型結(jié)合后,不同土地利用方式下的土壤劃分到土屬級別時變異系數(shù)下降了10%。而按地貌類型結(jié)合土壤類型進行分類時,當土壤類型劃分到土屬級別時變異系數(shù)總體下降了近20%。造成上述差異的原因,可能是格網(wǎng)采樣是一種系統(tǒng)隨機、空間均勻的采樣方法,在田塊尺度有較好的應用效果,但在土壤類型多樣、利用現(xiàn)狀復雜的南方沿海丘陵區(qū),應用格網(wǎng)法會受到一定的制約。由于傳統(tǒng)的格網(wǎng)采樣未考慮土壤、地貌、土地利用現(xiàn)狀等因素對土壤屬性空間變異性的影響,因此采樣的效率相對也最低。根據(jù)以上分析,在漳州市尺度下,當土壤類型僅劃分到土類時,采用結(jié)合地貌類型信息的格網(wǎng)法進行采樣,對于耕層土壤有機碳空間變異的表達最為高效;當土壤類型劃分到亞類或土屬時,采用地貌類型結(jié)合土壤類型進行分類的樣點布設(shè)方式最為高效。利用ArcGIS軟件中的地統(tǒng)計分析模塊,通過不斷的參數(shù)擬合,擬合出各分類方法下,樣點最佳的半變異函數(shù),其參數(shù)如表2所示。從表2中可看出,原始數(shù)據(jù)的半方差函數(shù)具有較高的基臺值和變程。各樣點密度中KDMTR法的基臺值(C0+C)和變程(range)值最小。由于各樣點的實測數(shù)值是一樣的,因此其測量誤差一樣,基臺值的差異主要由其空間變異引起。采用地貌—土壤類型分類后,各土壤類型間的空間變異變小,其自相關(guān)距離也較小,表明該方法對地貌類型、土壤類型等因子變化引起的土壤有機碳含量變化的細部特征的表征較為詳細。2.2.2樣點布設(shè)方式的確定在縣級尺度上,采用同樣的分類方法進行樣點布設(shè),其對耕層土壤有機碳含量空間變異的表征效果如圖3所示。綜合各種分類布點方式可以看出(圖3),在縣級尺度上按土地利用方式或按地貌類型進行樣點分類與未分類時相比,土壤有機碳含量空間變異系數(shù)僅分別減小1%和3%。按土壤類型分類到土屬后可以減小土壤有機碳變異系數(shù)近14%。將土地利用方式和土壤類型結(jié)合后,不同利用方式下的土壤劃分到土屬級別時變異系數(shù)下降了11%。而按不同地貌類型下結(jié)合土壤類型劃分到土屬級別時變異系數(shù)總體下降了近12%?？梢钥闯?與整個漳州市尺度相比由于研究的區(qū)域范圍減小,按地貌類型劃分對于表征土壤有機碳空間變異的效率大幅下降,而采用土壤類型法進行采樣,無論土壤類型劃分到土類、亞類還是土屬其對耕層土壤有機碳的表征均是所有分類方式中最為高效的布點方式。這說明對于縣級尺度,按土壤類型進行分類的格網(wǎng)法是最有效的樣點布設(shè)方式。各種分類方法下,樣點最佳半變異函數(shù)的參數(shù)如表3所示:原始數(shù)據(jù)的半方差函數(shù)具有較高的基臺值(C0+C)和變程(range)。各樣點密度中KTR法的基臺值和變程值最小。由于各樣點的實測數(shù)值是一樣的,因此其測量誤差一樣,基臺值的差異主要由其空間變異引起。采用按土壤類型分類后,各土壤類型間的空間變異變小,其自相關(guān)距離也較小,表明結(jié)合土壤類型信息后的樣點分組對龍海市的土壤有機碳含量變化的細部特征的表征較為詳細。2.2.3土壤有機碳變異系數(shù)的變化在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上,采用市級和縣級尺度相同的分類方法研究各種分類法對土壤有機碳空間變異的表征效果(圖4)。如圖4所示,綜合各種分類布點方式可以看出,在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上按土地利用方式或地貌類型進行分類與未分類格網(wǎng)相比,土壤有機碳變異系數(shù)反而增大2.5%和0.5%。按土壤類型劃分、土壤類型結(jié)合地貌類型、土地利用方式結(jié)合土壤類型劃分的表征效果與未分類格網(wǎng)法的表征效果也相差無幾?？梢钥闯?隨著研究區(qū)范圍的減小,未分類格網(wǎng)和采用分類格網(wǎng)后,樣點對于土壤有機碳變異的表征效果差異并不明顯,某些情況下格網(wǎng)法取樣的效率反而更高。這可能是因為格網(wǎng)采樣是一種系統(tǒng)隨機、空間均勻的采樣方法,在較小的尺度有很好的應用效果。因此,在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上,直接采用未分類格網(wǎng)采樣相對來說是表征土壤有機碳空間變異較為高效的樣點布設(shè)方式。2.3不同規(guī)模下的采樣點密度對表示土壤中有機碳的空間變異的影響2.3.1土壤有機碳空間變異根據(jù)前面研究結(jié)果,漳州市(市級尺度)按地貌類型結(jié)合土壤類型進行劃分對于耕層土壤有機碳空間變異的表征較為高效。在這種樣點布設(shè)方式下,不同大小格網(wǎng)(樣點密度)的土壤有機碳變異情況如圖5所示。當研究不同格網(wǎng)密度下各土類有機碳空間變異時,2km×2km、4km×4km和6km×6km三種密度格網(wǎng)表征的變異系數(shù)幾乎沒有差異,8km×8km格網(wǎng)與其他格網(wǎng)間差異比較大,與2km×2km格網(wǎng)相差近15%。當土壤類型劃分到亞類和土屬時,格網(wǎng)間變異情況同劃分到土類時的情況相似。這說明按地貌類型結(jié)合土壤類型進行劃分后,格網(wǎng)在小于6km×6km時土壤有機碳的變異程度相差不大。與未分類格網(wǎng)相比,經(jīng)過地貌類型結(jié)合土壤類型分類后,土壤有機碳變異系數(shù)均明顯下降,除8km×8km下降幅度較小外,其他變異系數(shù)都下降了20%。這說明在地級市尺度上,按地貌類型結(jié)合土壤類型劃分進行樣點布設(shè)時,格網(wǎng)密度接近6km時是最節(jié)省的樣點布設(shè)方法。2.3.2亞類情況下格網(wǎng)變異最小,中強變異系數(shù)1.5km根據(jù)前面研究結(jié)果,龍海市(縣級尺度)按土壤類型進行劃分對于耕層土壤有機碳空間變異的表征較為高效。在這種樣點布設(shè)方式下,不同大小格網(wǎng)(樣點密度)的土壤有機碳變異情況如圖6所示。從圖6可以看出,按土壤類型劃分后,不同大小格網(wǎng)的土壤有機碳變異情況有所不同。按土類進行劃分時1km×1km格網(wǎng)的變異最小,格網(wǎng)越大變異系數(shù)也越大,4km×4km格網(wǎng)變異系數(shù)與1km×1km格網(wǎng)相差近12.86%。0.5km×0.5km和1km×1km格網(wǎng)間變異系數(shù)差異很小。劃分到亞類時,0.5km×0.5km與1km×1km格網(wǎng)間,2km×2km與4km×4km格網(wǎng)間變異系數(shù)的差異相對較大,而1km×1km與2km×2km格網(wǎng)間的變異系數(shù)基本沒有差異。劃分到土屬時,各格網(wǎng)間的變異系數(shù)差異程度基本相似,平均相差3.56%。這說明按土壤類型進行劃分時,根據(jù)細分的土壤分類級別不同,各格網(wǎng)密度對于土壤有機碳變異性的表征效果不同。與未分類的格網(wǎng)相比,土壤類型劃分到土屬的方法可使有機碳變異系數(shù)下降7%以上,其中0.5km×0.5km格網(wǎng)下降最大,達到13%。這說明在縣級尺度下,所有格網(wǎng)密度下的樣點按土壤類型進行分類均可降低土壤有機碳的變異系數(shù),只是降低的幅度有所不同。2.3.3樣點標準偏差程溪鎮(zhèn)(鄉(xiāng)鎮(zhèn)級尺度)不同格網(wǎng)密度下樣點土壤有機碳描述統(tǒng)計見表4。劃分的格網(wǎng)大小從0.2×0.2km上升到0.8×0.8km