基于GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的昌圖縣表層土壤有機(jī)碳密度空間變異分析
2014-11-28 20:53:04解書華
農(nóng)業(yè)科技與裝備 2014年2期
解書華
摘要：采用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，分析昌圖縣表層土壤（0～20 cm）樣品中的有機(jī)碳密度，探討有機(jī)碳密度的空間變異特性。結(jié)果表明，表層土壤有機(jī)碳密度在0.55～3.41 g/kg之間，平均值為1.97 g/kg，具有強(qiáng)變異性；有機(jī)碳密度的理論變異函數(shù)符合線形模型，具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性。
關(guān)鍵詞：有機(jī)碳密度；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；空間變異；GIS；空間相關(guān)性
中圖分類號(hào)：S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）02-0019-03
碳循環(huán)是全球環(huán)境變化問(wèn)題的研究重點(diǎn)，而土壤呼吸作用產(chǎn)生的碳尤其是有機(jī)碳是全球碳循環(huán)總量的重要組成部分。土壤有機(jī)碳大部分集中在土壤表層，其動(dòng)態(tài)變化對(duì)大氣CO2濃度、土壤質(zhì)量及土地生產(chǎn)力有非常重要的影響，直接影響土壤肥力和作物產(chǎn)量。
昌圖縣位于遼寧省鐵嶺市北部，屬中溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)大陸性氣候，地勢(shì)平坦，土質(zhì)肥沃，年平均氣溫6～7 ℃，年平均降水量600 mm，是遼寧省的產(chǎn)糧大縣之一，也是全國(guó)著名的農(nóng)業(yè)大縣、商品糧生產(chǎn)基地。昌圖縣的主要土壤類型為棕壤、草甸土和黑土。分析當(dāng)?shù)赝寥烙袡C(jī)碳的空間變異特性，全面系統(tǒng)地了解昌圖縣土壤有機(jī)碳的密度，對(duì)指導(dǎo)昌圖地區(qū)的生產(chǎn)實(shí)踐和區(qū)域建設(shè)具有重要意義。
1 材料與方法
1.1 樣品采集與分析
根據(jù)昌圖縣土壤類型分布特點(diǎn)及土壤系統(tǒng)分類采樣原則，于2012年在昌圖縣采集70個(gè)樣點(diǎn)（0～20 cm土層）的樣品，并記錄野外樣點(diǎn)位置，根據(jù)土壤剖面特征進(jìn)行土層描述。土壤系統(tǒng)分類的采樣原則為：重要性原則（農(nóng)林牧業(yè)利用價(jià)值大）、主要性原則（分布廣，面積大）、獨(dú)特性原則（分布面積雖小但類型獨(dú)特）、均勻性原則（全縣各地盡量均勻）。
土樣經(jīng)風(fēng)干處理后，采用干燒法（元素分析儀）測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量；采用環(huán)刀法測(cè)定容重；過(guò)篩后稱定礫石質(zhì)量。
土壤有機(jī)碳密度（T0）通常是指單位面積土體中所含有的有機(jī)碳質(zhì)量，是表征土壤質(zhì)量及陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化貢獻(xiàn)大小的量度指標(biāo)。對(duì)共分為m層的某土壤剖面來(lái)說(shuō)，T0計(jì)算公式為：
T0 =Σmj=1（1-δ%）ρjcjdj/100 （1）
式中：cj表第j層中土壤有機(jī)碳平均含量，g/kg；ρj為容重，g/cm3；δj%為礫石的體積分?jǐn)?shù)；dj為厚度，cm。
1.2 研究分析方法
分別利用Excel和SPSS 13.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本處理和描述性統(tǒng)計(jì)分析，采用GS+7.0統(tǒng)計(jì)軟件和域法進(jìn)行半變異函數(shù)擬合和特異值識(shí)別，選用ArcGis9.3地理信息系統(tǒng)軟件完成土壤有機(jī)碳克里格插值的空間分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 土壤有機(jī)碳描述性統(tǒng)計(jì)
對(duì)昌圖縣的70個(gè)土壤樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行一般描述性統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布，結(jié)果見表1。
由表1可以看出，表層土壤（0～20 cm）的有機(jī)碳密度在0.55～3.41 g/kg之間，平均含量為1.97 g/kg；從反映離散程度的變異系數(shù)可以看出，有機(jī)碳密度表現(xiàn)出強(qiáng)變異性，變異程度較大。考慮到特異值對(duì)樣本數(shù)值的影響，采用域法識(shí)別特異值，確定樣本數(shù)據(jù)中無(wú)特異值出現(xiàn)。
2.2 土壤有機(jī)碳半變異結(jié)構(gòu)分析
在多種因素的共同作用下，土壤性質(zhì)具有空間分布的非均一性或空間變異性，且它們彼此不是相互獨(dú)立的，而是在一定范圍內(nèi)存在空間自相關(guān)性。地統(tǒng)計(jì)學(xué)的核心是根據(jù)樣本點(diǎn)確定研究對(duì)象（土壤性質(zhì)的某一變量）隨空間位置變化的規(guī)律，以此推算位置點(diǎn)的屬性值。檢驗(yàn)結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳密度變量服從正態(tài)分布，故進(jìn)行變異函數(shù)模型擬合，得到如圖1所示的半方差函數(shù)理論模型。
一般認(rèn)為，塊金值（C）代表隨機(jī)變異的量，如施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動(dòng)引起的變異。基臺(tái)值（C0+C）代表變量空間變異的結(jié)構(gòu)性方差，即由土壤母質(zhì)、地形、氣候等非人為因素引起的變異，是系統(tǒng)內(nèi)總的變異。塊金系數(shù)[C0/（C0+C）]則是塊金值與基臺(tái)值的比值，表示隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例。按照區(qū)域化變量空間相關(guān)程度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，塊金系數(shù)<25%時(shí)，變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；塊金系數(shù)在25%～75%之間時(shí)，變量具有中等空間自相關(guān)；塊金系數(shù)>75%時(shí)，變量的空間自相關(guān)性微弱，變異主要由隨機(jī)變異組成，不適合采用空間插值的方法進(jìn)行空間預(yù)測(cè)。根據(jù)變異函數(shù)理論模型得出的相應(yīng)參數(shù)見表2。
由表2可以看出：昌圖縣表層土壤有機(jī)碳密度的理論變異函數(shù)符合線形模型，塊金值與基臺(tái)值之比為15.18%，土壤表層有機(jī)碳密度的空間相關(guān)性較強(qiáng)，表明昌圖縣土壤有機(jī)質(zhì)具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，區(qū)域性因素引起的變異占較大比例。究其原因，可能是昌圖作為農(nóng)業(yè)大縣，土地利用、施肥、管理等隨機(jī)因素對(duì)表層土壤造成一定程度的人為干擾。
在農(nóng)業(yè)活動(dòng)中，農(nóng)民為提高糧食產(chǎn)量，常常大量使用肥料，導(dǎo)致土壤中的有機(jī)碳含量增加。另外，耕作能改變土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤生物的呼吸速率，從而使土壤中的有機(jī)碳含量減少。
2.3 土壤有機(jī)碳空間分布特征
采用ArcGis9.3地理信息系統(tǒng)軟件中的地統(tǒng)計(jì)模塊，分析土壤有機(jī)碳密度的空間分布特征，完成土壤有機(jī)碳克里格插值的空間分析。克里格插值法（Kriging）也稱空間局部估計(jì)法或空間局部插值法，它建立在半變異函數(shù)理論及結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，根據(jù)待估樣點(diǎn)（或待估地塊）有限鄰域內(nèi)若干已測(cè)定的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，在認(rèn)真考慮樣點(diǎn)的形狀、大小、空間相互位置關(guān)系以及它們與待估樣點(diǎn)間的空間位置關(guān)系，半變異函數(shù)提供的結(jié)構(gòu)信息后，對(duì)待估樣點(diǎn)進(jìn)行線性無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)，最終得出待估樣點(diǎn)某些屬性（或性狀）的空間分布插值圖。
圖2是昌圖縣表層土壤有機(jī)碳密度的空間分布插值圖，顯示了不同級(jí)別養(yǎng)分含量的分布狀況。
從圖2可以直觀地看出，昌圖縣南部和東部土壤的有機(jī)碳密度較高，多在1.98～2.70 g/kg之間；西北部有機(jī)碳密度較低，維持在1.26g～1.78 g/kg之間。總的來(lái)看，昌圖縣土壤有機(jī)質(zhì)分布呈現(xiàn)東南部向西北部遞減的規(guī)律。
3 結(jié)論與討論
從經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果來(lái)看，昌圖縣表層土壤有機(jī)碳密度表現(xiàn)出強(qiáng)度變異，可能是日益增強(qiáng)的人類活動(dòng)所致。地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果表明，昌圖縣表層土壤有機(jī)碳密度的空間變異函數(shù)可以用線性模型進(jìn)行擬合，表層土壤有機(jī)碳密度的空間相關(guān)性較強(qiáng)。Kriging插值圖直觀地描述了昌圖表層土壤有機(jī)碳密度的分布格局。總的來(lái)看，有機(jī)碳密度呈現(xiàn)從東南部向西北部遞減的規(guī)律，這與昌圖的農(nóng)田利用狀況息息相關(guān)。
同時(shí)，研究存在以下問(wèn)題：1）僅對(duì)深度0～20 cm的土層進(jìn)行分析，不能全面細(xì)致的說(shuō)明問(wèn)題。若想計(jì)算有機(jī)碳的儲(chǔ)量，則需采集剖面0～100 cm的土樣。在今后的研究中，需要進(jìn)行深層次的樣品采集。2）表層土壤有機(jī)碳密度受人為因素影響很大，要獲得更為準(zhǔn)確詳實(shí)數(shù)據(jù)，需在更多的地點(diǎn)進(jìn)行土樣采集，且采樣點(diǎn)位也需進(jìn)行進(jìn)一步確定；3）對(duì)土壤有機(jī)碳含量的研究?jī)?nèi)容不夠全面，擬在將來(lái)做更為深入的研究。
參考文獻(xiàn)
[1] 潘根興.中國(guó)土壤有機(jī)碳庫(kù)及其演變與應(yīng)對(duì)氣候變化[J].氣候變化研究進(jìn)展，2008，4（5）：282-289.
[2] 金峰，楊浩，趙其國(guó).土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及影響因素研究進(jìn)展[J].土壤，2000（1）：12-17.
[3] 薛正平，楊星衛(wèi)，段項(xiàng)鎖，等.土壤養(yǎng)分空間變異及合理取樣數(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，7（4）：86-91.
[4] 雷志棟，楊詩(shī)秀.土壤特性時(shí)空變異性初步研究[J].水利學(xué)報(bào)，1985（9）：10-21.
[5] 陳彥，呂新.基于GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的土壤養(yǎng)分空間變異特征研究——以新疆農(nóng)七師125團(tuán)為例[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通，2005，21（7）：389-
391.
摘要：采用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，分析昌圖縣表層土壤（0～20 cm）樣品中的有機(jī)碳密度，探討有機(jī)碳密度的空間變異特性。結(jié)果表明，表層土壤有機(jī)碳密度在0.55～3.41 g/kg之間，平均值為1.97 g/kg，具有強(qiáng)變異性；有機(jī)碳密度的理論變異函數(shù)符合線形模型，具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性。
關(guān)鍵詞：有機(jī)碳密度；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；空間變異；GIS；空間相關(guān)性
中圖分類號(hào)：S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）02-0019-03
碳循環(huán)是全球環(huán)境變化問(wèn)題的研究重點(diǎn)，而土壤呼吸作用產(chǎn)生的碳尤其是有機(jī)碳是全球碳循環(huán)總量的重要組成部分。土壤有機(jī)碳大部分集中在土壤表層，其動(dòng)態(tài)變化對(duì)大氣CO2濃度、土壤質(zhì)量及土地生產(chǎn)力有非常重要的影響，直接影響土壤肥力和作物產(chǎn)量。
昌圖縣位于遼寧省鐵嶺市北部，屬中溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)大陸性氣候，地勢(shì)平坦，土質(zhì)肥沃，年平均氣溫6～7 ℃，年平均降水量600 mm，是遼寧省的產(chǎn)糧大縣之一，也是全國(guó)著名的農(nóng)業(yè)大縣、商品糧生產(chǎn)基地。昌圖縣的主要土壤類型為棕壤、草甸土和黑土。分析當(dāng)?shù)赝寥烙袡C(jī)碳的空間變異特性，全面系統(tǒng)地了解昌圖縣土壤有機(jī)碳的密度，對(duì)指導(dǎo)昌圖地區(qū)的生產(chǎn)實(shí)踐和區(qū)域建設(shè)具有重要意義。
1 材料與方法
1.1 樣品采集與分析
根據(jù)昌圖縣土壤類型分布特點(diǎn)及土壤系統(tǒng)分類采樣原則，于2012年在昌圖縣采集70個(gè)樣點(diǎn)（0～20 cm土層）的樣品，并記錄野外樣點(diǎn)位置，根據(jù)土壤剖面特征進(jìn)行土層描述。土壤系統(tǒng)分類的采樣原則為：重要性原則（農(nóng)林牧業(yè)利用價(jià)值大）、主要性原則（分布廣，面積大）、獨(dú)特性原則（分布面積雖小但類型獨(dú)特）、均勻性原則（全縣各地盡量均勻）。
土樣經(jīng)風(fēng)干處理后，采用干燒法（元素分析儀）測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量；采用環(huán)刀法測(cè)定容重；過(guò)篩后稱定礫石質(zhì)量。
土壤有機(jī)碳密度（T0）通常是指單位面積土體中所含有的有機(jī)碳質(zhì)量，是表征土壤質(zhì)量及陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化貢獻(xiàn)大小的量度指標(biāo)。對(duì)共分為m層的某土壤剖面來(lái)說(shuō)，T0計(jì)算公式為：
T0 =Σmj=1（1-δ%）ρjcjdj/100 （1）
式中：cj表第j層中土壤有機(jī)碳平均含量，g/kg；ρj為容重，g/cm3；δj%為礫石的體積分?jǐn)?shù)；dj為厚度，cm。
1.2 研究分析方法
分別利用Excel和SPSS 13.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本處理和描述性統(tǒng)計(jì)分析，采用GS+7.0統(tǒng)計(jì)軟件和域法進(jìn)行半變異函數(shù)擬合和特異值識(shí)別，選用ArcGis9.3地理信息系統(tǒng)軟件完成土壤有機(jī)碳克里格插值的空間分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 土壤有機(jī)碳描述性統(tǒng)計(jì)
對(duì)昌圖縣的70個(gè)土壤樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行一般描述性統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布，結(jié)果見表1。
由表1可以看出，表層土壤（0～20 cm）的有機(jī)碳密度在0.55～3.41 g/kg之間，平均含量為1.97 g/kg；從反映離散程度的變異系數(shù)可以看出，有機(jī)碳密度表現(xiàn)出強(qiáng)變異性，變異程度較大。考慮到特異值對(duì)樣本數(shù)值的影響，采用域法識(shí)別特異值，確定樣本數(shù)據(jù)中無(wú)特異值出現(xiàn)。
2.2 土壤有機(jī)碳半變異結(jié)構(gòu)分析
在多種因素的共同作用下，土壤性質(zhì)具有空間分布的非均一性或空間變異性，且它們彼此不是相互獨(dú)立的，而是在一定范圍內(nèi)存在空間自相關(guān)性。地統(tǒng)計(jì)學(xué)的核心是根據(jù)樣本點(diǎn)確定研究對(duì)象（土壤性質(zhì)的某一變量）隨空間位置變化的規(guī)律，以此推算位置點(diǎn)的屬性值。檢驗(yàn)結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳密度變量服從正態(tài)分布，故進(jìn)行變異函數(shù)模型擬合，得到如圖1所示的半方差函數(shù)理論模型。
一般認(rèn)為，塊金值（C）代表隨機(jī)變異的量，如施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動(dòng)引起的變異。基臺(tái)值（C0+C）代表變量空間變異的結(jié)構(gòu)性方差，即由土壤母質(zhì)、地形、氣候等非人為因素引起的變異，是系統(tǒng)內(nèi)總的變異。塊金系數(shù)[C0/（C0+C）]則是塊金值與基臺(tái)值的比值，表示隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例。按照區(qū)域化變量空間相關(guān)程度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，塊金系數(shù)<25%時(shí)，變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；塊金系數(shù)在25%～75%之間時(shí)，變量具有中等空間自相關(guān)；塊金系數(shù)>75%時(shí)，變量的空間自相關(guān)性微弱，變異主要由隨機(jī)變異組成，不適合采用空間插值的方法進(jìn)行空間預(yù)測(cè)。根據(jù)變異函數(shù)理論模型得出的相應(yīng)參數(shù)見表2。
由表2可以看出：昌圖縣表層土壤有機(jī)碳密度的理論變異函數(shù)符合線形模型，塊金值與基臺(tái)值之比為15.18%，土壤表層有機(jī)碳密度的空間相關(guān)性較強(qiáng)，表明昌圖縣土壤有機(jī)質(zhì)具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，區(qū)域性因素引起的變異占較大比例。究其原因，可能是昌圖作為農(nóng)業(yè)大縣，土地利用、施肥、管理等隨機(jī)因素對(duì)表層土壤造成一定程度的人為干擾。
在農(nóng)業(yè)活動(dòng)中，農(nóng)民為提高糧食產(chǎn)量，常常大量使用肥料，導(dǎo)致土壤中的有機(jī)碳含量增加。另外，耕作能改變土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤生物的呼吸速率，從而使土壤中的有機(jī)碳含量減少。
2.3 土壤有機(jī)碳空間分布特征
采用ArcGis9.3地理信息系統(tǒng)軟件中的地統(tǒng)計(jì)模塊，分析土壤有機(jī)碳密度的空間分布特征，完成土壤有機(jī)碳克里格插值的空間分析。克里格插值法（Kriging）也稱空間局部估計(jì)法或空間局部插值法，它建立在半變異函數(shù)理論及結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，根據(jù)待估樣點(diǎn)（或待估地塊）有限鄰域內(nèi)若干已測(cè)定的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，在認(rèn)真考慮樣點(diǎn)的形狀、大小、空間相互位置關(guān)系以及它們與待估樣點(diǎn)間的空間位置關(guān)系，半變異函數(shù)提供的結(jié)構(gòu)信息后，對(duì)待估樣點(diǎn)進(jìn)行線性無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)，最終得出待估樣點(diǎn)某些屬性（或性狀）的空間分布插值圖。
圖2是昌圖縣表層土壤有機(jī)碳密度的空間分布插值圖，顯示了不同級(jí)別養(yǎng)分含量的分布狀況。
從圖2可以直觀地看出，昌圖縣南部和東部土壤的有機(jī)碳密度較高，多在1.98～2.70 g/kg之間；西北部有機(jī)碳密度較低，維持在1.26g～1.78 g/kg之間。總的來(lái)看，昌圖縣土壤有機(jī)質(zhì)分布呈現(xiàn)東南部向西北部遞減的規(guī)律。
3 結(jié)論與討論
從經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果來(lái)看，昌圖縣表層土壤有機(jī)碳密度表現(xiàn)出強(qiáng)度變異，可能是日益增強(qiáng)的人類活動(dòng)所致。地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果表明，昌圖縣表層土壤有機(jī)碳密度的空間變異函數(shù)可以用線性模型進(jìn)行擬合，表層土壤有機(jī)碳密度的空間相關(guān)性較強(qiáng)。Kriging插值圖直觀地描述了昌圖表層土壤有機(jī)碳密度的分布格局。總的來(lái)看，有機(jī)碳密度呈現(xiàn)從東南部向西北部遞減的規(guī)律，這與昌圖的農(nóng)田利用狀況息息相關(guān)。
同時(shí)，研究存在以下問(wèn)題：1）僅對(duì)深度0～20 cm的土層進(jìn)行分析，不能全面細(xì)致的說(shuō)明問(wèn)題。若想計(jì)算有機(jī)碳的儲(chǔ)量，則需采集剖面0～100 cm的土樣。在今后的研究中，需要進(jìn)行深層次的樣品采集。2）表層土壤有機(jī)碳密度受人為因素影響很大，要獲得更為準(zhǔn)確詳實(shí)數(shù)據(jù)，需在更多的地點(diǎn)進(jìn)行土樣采集，且采樣點(diǎn)位也需進(jìn)行進(jìn)一步確定；3）對(duì)土壤有機(jī)碳含量的研究?jī)?nèi)容不夠全面，擬在將來(lái)做更為深入的研究。
參考文獻(xiàn)
[1] 潘根興.中國(guó)土壤有機(jī)碳庫(kù)及其演變與應(yīng)對(duì)氣候變化[J].氣候變化研究進(jìn)展，2008，4（5）：282-289.
[2] 金峰，楊浩，趙其國(guó).土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及影響因素研究進(jìn)展[J].土壤，2000（1）：12-17.
[3] 薛正平，楊星衛(wèi)，段項(xiàng)鎖，等.土壤養(yǎng)分空間變異及合理取樣數(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，7（4）：86-91.
[4] 雷志棟，楊詩(shī)秀.土壤特性時(shí)空變異性初步研究[J].水利學(xué)報(bào)，1985（9）：10-21.
[5] 陳彥，呂新.基于GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的土壤養(yǎng)分空間變異特征研究——以新疆農(nóng)七師125團(tuán)為例[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通，2005，21（7）：389-
391.
摘要：采用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，分析昌圖縣表層土壤（0～20 cm）樣品中的有機(jī)碳密度，探討有機(jī)碳密度的空間變異特性。結(jié)果表明，表層土壤有機(jī)碳密度在0.55～3.41 g/kg之間，平均值為1.97 g/kg，具有強(qiáng)變異性；有機(jī)碳密度的理論變異函數(shù)符合線形模型，具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性。
關(guān)鍵詞：有機(jī)碳密度；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；空間變異；GIS；空間相關(guān)性
中圖分類號(hào)：S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）02-0019-03
碳循環(huán)是全球環(huán)境變化問(wèn)題的研究重點(diǎn)，而土壤呼吸作用產(chǎn)生的碳尤其是有機(jī)碳是全球碳循環(huán)總量的重要組成部分。土壤有機(jī)碳大部分集中在土壤表層，其動(dòng)態(tài)變化對(duì)大氣CO2濃度、土壤質(zhì)量及土地生產(chǎn)力有非常重要的影響，直接影響土壤肥力和作物產(chǎn)量。
昌圖縣位于遼寧省鐵嶺市北部，屬中溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)大陸性氣候，地勢(shì)平坦，土質(zhì)肥沃，年平均氣溫6～7 ℃，年平均降水量600 mm，是遼寧省的產(chǎn)糧大縣之一，也是全國(guó)著名的農(nóng)業(yè)大縣、商品糧生產(chǎn)基地。昌圖縣的主要土壤類型為棕壤、草甸土和黑土。分析當(dāng)?shù)赝寥烙袡C(jī)碳的空間變異特性，全面系統(tǒng)地了解昌圖縣土壤有機(jī)碳的密度，對(duì)指導(dǎo)昌圖地區(qū)的生產(chǎn)實(shí)踐和區(qū)域建設(shè)具有重要意義。
1 材料與方法
1.1 樣品采集與分析
根據(jù)昌圖縣土壤類型分布特點(diǎn)及土壤系統(tǒng)分類采樣原則，于2012年在昌圖縣采集70個(gè)樣點(diǎn)（0～20 cm土層）的樣品，并記錄野外樣點(diǎn)位置，根據(jù)土壤剖面特征進(jìn)行土層描述。土壤系統(tǒng)分類的采樣原則為：重要性原則（農(nóng)林牧業(yè)利用價(jià)值大）、主要性原則（分布廣，面積大）、獨(dú)特性原則（分布面積雖小但類型獨(dú)特）、均勻性原則（全縣各地盡量均勻）。
土樣經(jīng)風(fēng)干處理后，采用干燒法（元素分析儀）測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量；采用環(huán)刀法測(cè)定容重；過(guò)篩后稱定礫石質(zhì)量。
土壤有機(jī)碳密度（T0）通常是指單位面積土體中所含有的有機(jī)碳質(zhì)量，是表征土壤質(zhì)量及陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化貢獻(xiàn)大小的量度指標(biāo)。對(duì)共分為m層的某土壤剖面來(lái)說(shuō)，T0計(jì)算公式為：
T0 =Σmj=1（1-δ%）ρjcjdj/100 （1）
式中：cj表第j層中土壤有機(jī)碳平均含量，g/kg；ρj為容重，g/cm3；δj%為礫石的體積分?jǐn)?shù)；dj為厚度，cm。
1.2 研究分析方法
分別利用Excel和SPSS 13.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本處理和描述性統(tǒng)計(jì)分析，采用GS+7.0統(tǒng)計(jì)軟件和域法進(jìn)行半變異函數(shù)擬合和特異值識(shí)別，選用ArcGis9.3地理信息系統(tǒng)軟件完成土壤有機(jī)碳克里格插值的空間分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 土壤有機(jī)碳描述性統(tǒng)計(jì)
對(duì)昌圖縣的70個(gè)土壤樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行一般描述性統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布，結(jié)果見表1。
由表1可以看出，表層土壤（0～20 cm）的有機(jī)碳密度在0.55～3.41 g/kg之間，平均含量為1.97 g/kg；從反映離散程度的變異系數(shù)可以看出，有機(jī)碳密度表現(xiàn)出強(qiáng)變異性，變異程度較大。考慮到特異值對(duì)樣本數(shù)值的影響，采用域法識(shí)別特異值，確定樣本數(shù)據(jù)中無(wú)特異值出現(xiàn)。
2.2 土壤有機(jī)碳半變異結(jié)構(gòu)分析
在多種因素的共同作用下，土壤性質(zhì)具有空間分布的非均一性或空間變異性，且它們彼此不是相互獨(dú)立的，而是在一定范圍內(nèi)存在空間自相關(guān)性。地統(tǒng)計(jì)學(xué)的核心是根據(jù)樣本點(diǎn)確定研究對(duì)象（土壤性質(zhì)的某一變量）隨空間位置變化的規(guī)律，以此推算位置點(diǎn)的屬性值。檢驗(yàn)結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳密度變量服從正態(tài)分布，故進(jìn)行變異函數(shù)模型擬合，得到如圖1所示的半方差函數(shù)理論模型。
一般認(rèn)為，塊金值（C）代表隨機(jī)變異的量，如施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動(dòng)引起的變異。基臺(tái)值（C0+C）代表變量空間變異的結(jié)構(gòu)性方差，即由土壤母質(zhì)、地形、氣候等非人為因素引起的變異，是系統(tǒng)內(nèi)總的變異。塊金系數(shù)[C0/（C0+C）]則是塊金值與基臺(tái)值的比值，表示隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例。按照區(qū)域化變量空間相關(guān)程度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，塊金系數(shù)<25%時(shí)，變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；塊金系數(shù)在25%～75%之間時(shí)，變量具有中等空間自相關(guān)；塊金系數(shù)>75%時(shí)，變量的空間自相關(guān)性微弱，變異主要由隨機(jī)變異組成，不適合采用空間插值的方法進(jìn)行空間預(yù)測(cè)。根據(jù)變異函數(shù)理論模型得出的相應(yīng)參數(shù)見表2。
由表2可以看出：昌圖縣表層土壤有機(jī)碳密度的理論變異函數(shù)符合線形模型，塊金值與基臺(tái)值之比為15.18%，土壤表層有機(jī)碳密度的空間相關(guān)性較強(qiáng)，表明昌圖縣土壤有機(jī)質(zhì)具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，區(qū)域性因素引起的變異占較大比例。究其原因，可能是昌圖作為農(nóng)業(yè)大縣，土地利用、施肥、管理等隨機(jī)因素對(duì)表層土壤造成一定程度的人為干擾。
在農(nóng)業(yè)活動(dòng)中，農(nóng)民為提高糧食產(chǎn)量，常常大量使用肥料，導(dǎo)致土壤中的有機(jī)碳含量增加。另外，耕作能改變土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤生物的呼吸速率，從而使土壤中的有機(jī)碳含量減少。
2.3 土壤有機(jī)碳空間分布特征
采用ArcGis9.3地理信息系統(tǒng)軟件中的地統(tǒng)計(jì)模塊，分析土壤有機(jī)碳密度的空間分布特征，完成土壤有機(jī)碳克里格插值的空間分析。克里格插值法（Kriging）也稱空間局部估計(jì)法或空間局部插值法，它建立在半變異函數(shù)理論及結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，根據(jù)待估樣點(diǎn)（或待估地塊）有限鄰域內(nèi)若干已測(cè)定的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，在認(rèn)真考慮樣點(diǎn)的形狀、大小、空間相互位置關(guān)系以及它們與待估樣點(diǎn)間的空間位置關(guān)系，半變異函數(shù)提供的結(jié)構(gòu)信息后，對(duì)待估樣點(diǎn)進(jìn)行線性無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)，最終得出待估樣點(diǎn)某些屬性（或性狀）的空間分布插值圖。
圖2是昌圖縣表層土壤有機(jī)碳密度的空間分布插值圖，顯示了不同級(jí)別養(yǎng)分含量的分布狀況。
從圖2可以直觀地看出，昌圖縣南部和東部土壤的有機(jī)碳密度較高，多在1.98～2.70 g/kg之間；西北部有機(jī)碳密度較低，維持在1.26g～1.78 g/kg之間。總的來(lái)看，昌圖縣土壤有機(jī)質(zhì)分布呈現(xiàn)東南部向西北部遞減的規(guī)律。
3 結(jié)論與討論
從經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果來(lái)看，昌圖縣表層土壤有機(jī)碳密度表現(xiàn)出強(qiáng)度變異，可能是日益增強(qiáng)的人類活動(dòng)所致。地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果表明，昌圖縣表層土壤有機(jī)碳密度的空間變異函數(shù)可以用線性模型進(jìn)行擬合，表層土壤有機(jī)碳密度的空間相關(guān)性較強(qiáng)。Kriging插值圖直觀地描述了昌圖表層土壤有機(jī)碳密度的分布格局。總的來(lái)看，有機(jī)碳密度呈現(xiàn)從東南部向西北部遞減的規(guī)律，這與昌圖的農(nóng)田利用狀況息息相關(guān)。
同時(shí)，研究存在以下問(wèn)題：1）僅對(duì)深度0～20 cm的土層進(jìn)行分析，不能全面細(xì)致的說(shuō)明問(wèn)題。若想計(jì)算有機(jī)碳的儲(chǔ)量，則需采集剖面0～100 cm的土樣。在今后的研究中，需要進(jìn)行深層次的樣品采集。2）表層土壤有機(jī)碳密度受人為因素影響很大，要獲得更為準(zhǔn)確詳實(shí)數(shù)據(jù)，需在更多的地點(diǎn)進(jìn)行土樣采集，且采樣點(diǎn)位也需進(jìn)行進(jìn)一步確定；3）對(duì)土壤有機(jī)碳含量的研究?jī)?nèi)容不夠全面，擬在將來(lái)做更為深入的研究。
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