土壤養(yǎng)分空間變異研究方法

摘 要 近年來，隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的專家和學(xué)者開始認(rèn)識(shí)到研究土壤養(yǎng)分空間變異對(duì)于提高單位面積農(nóng)作物產(chǎn)量以及保護(hù)農(nóng)耕生態(tài)環(huán)境的重要性。特別是隨著20世紀(jì)90年代生態(tài)農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的蓬勃興起，土壤養(yǎng)分空間變異的研究更是成為了農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究課題之一。基于此，以我國山西省運(yùn)城地區(qū)為例，引進(jìn)“土壤空間變異性”和“地統(tǒng)計(jì)學(xué)”這兩個(gè)概念，具體探究基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的本地區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異研究。

關(guān)鍵詞 土壤養(yǎng)分；空間變異；運(yùn)城市

中圖分類號(hào)：S158.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2017.09.068

1 土壤養(yǎng)分空間變異概述

土壤隨著空間位置的變化產(chǎn)生相應(yīng)的特性變化稱為土壤空間變異，土壤空間變異根據(jù)其變異元素的種類又可以分為多種，其中重要的一種就是土壤養(yǎng)分的空間變異。

土壤養(yǎng)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接決定植物的生長程度，因此，土壤養(yǎng)分不僅關(guān)系到單位面積耕地農(nóng)作物的產(chǎn)出量，還關(guān)系到我國的糧食安全問題和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。只有全面深入地認(rèn)識(shí)和分析土壤養(yǎng)分的空間變異，才能夠更好地選擇與土壤養(yǎng)分相適應(yīng)的農(nóng)作物，合理制定和適時(shí)調(diào)整施肥技術(shù)和方案，進(jìn)一步提高土壤養(yǎng)分的利用率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的更加科學(xué)有效的利用，促進(jìn)我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的順利開展。

土壤養(yǎng)分空間變異研究這一課題的重要性已得到了相關(guān)領(lǐng)域和社會(huì)各界的認(rèn)可，但由于缺乏經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)和設(shè)備等原因，土壤養(yǎng)分空間變異研究一直都是困擾我國專家學(xué)者的一大難點(diǎn)課題，例如，如何才能夠在測(cè)定土壤性質(zhì)時(shí)，確定最為合理的取樣重量和尺度等。筆者將引進(jìn)“地統(tǒng)計(jì)學(xué)”這一概念，探究其應(yīng)用于土壤養(yǎng)分空間變異研究的可行性和重要性。

2 地統(tǒng)計(jì)學(xué)概述

地統(tǒng)計(jì)學(xué)又稱地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)，該理論系統(tǒng)于20世紀(jì)60年代正式建立。克立格于1951年首先提出了礦產(chǎn)品位和儲(chǔ)量估值方法，法國學(xué)者M(jìn)atheron在其理論基礎(chǔ)之上提出區(qū)域變量理論，由此，才逐漸形成了完整的將傳統(tǒng)地學(xué)方法與統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的新型學(xué)科——地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)。地統(tǒng)計(jì)學(xué)以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)、以半方差函數(shù)為工具、以克里格插值法為輔助，因此，它能夠最大程度搜集和整合不同采樣點(diǎn)提供的信息，更好地描述研究對(duì)象在空間變異上的相關(guān)性[1-2]。

地統(tǒng)計(jì)學(xué)最初主要被廣泛使用于地質(zhì)礦產(chǎn)領(lǐng)域，直到20世紀(jì)70年代，才被引入土壤研究領(lǐng)域，隨著其在實(shí)踐中不斷取得良好效果，地統(tǒng)計(jì)學(xué)已被認(rèn)定為研究土壤空間變異規(guī)律和特征的最佳方式之一。

3 基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的土壤養(yǎng)分空間變異

3.1 運(yùn)城地區(qū)的土壤概況

運(yùn)城地區(qū)位于我國山西省運(yùn)城市，地形多樣、高差懸殊，因而既有緯度地帶性氣候，又有明顯的垂直變化，平均氣溫為4～14 ℃，年降水量偏少，非常適合各種農(nóng)作物的種植和培育。運(yùn)城地區(qū)的種植結(jié)構(gòu)較為多元化，其中占比重最大的是糧食作物，其次是經(jīng)濟(jì)作物。該地區(qū)礦產(chǎn)資源、森林資源、草場(chǎng)資源、生物資源和藥材資源等都較為豐富。受到河流沖擊力的影響，該地區(qū)的地勢(shì)較為地平，土壤種類可以分為7個(gè)土類，15個(gè)亞類，48個(gè)土屬，101個(gè)土種，其中占據(jù)比重最大的是黃壤。

3.2 運(yùn)城地區(qū)的土壤樣品采集和測(cè)定

嚴(yán)格依據(jù)農(nóng)業(yè)部門統(tǒng)一制定的測(cè)土配方施肥技術(shù)規(guī)范和要求，首先，本課題的采樣地塊以小麥田、玉米田等糧田為主，以果園和菜地為輔；其次，每個(gè)土樣的平均采集單元為6.7 hm2，并且每個(gè)土樣必須在至少15個(gè)樣點(diǎn)采集，這樣才能夠使樣土更具代表性；最后，不同地方土壤樣土的采集深度也有所不同，采集深度為0～20 cm一般是大田樣土，果園樣土必須在0～20 cm和20～40 cm兩個(gè)深度分別采集。在本課題的研究中，筆者在XX地區(qū)范圍內(nèi)一共采集了混合土樣8652個(gè)，土壤養(yǎng)分的空間變異測(cè)定項(xiàng)目包括有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷、全氮等。

3.3 山西運(yùn)城地區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異的研究方法和具體實(shí)施

3.3.1 區(qū)域化變量在土壤養(yǎng)分空間變異研究中的具體應(yīng)用

簡單來說，區(qū)域化變量就是指一個(gè)以空間X的3個(gè)直角坐標(biāo)X1，X2，X3為自變量的隨機(jī)場(chǎng)，該隨機(jī)場(chǎng)中的任意區(qū)域化變量都可以表示為：Z（X）=Z（X1，X2，X3）。

相較于普通變量，區(qū)域化變量最大的特點(diǎn)在于其特殊的取值方法。一般來說，普通變量主要按某種概率分布的變化來取值，而區(qū)域化變量則根據(jù)其在域內(nèi)不同的位置取值，即區(qū)域化變量就是一種與位置有關(guān)的隨機(jī)變量函數(shù)，其最為重要和顯著的兩大特性是隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性[3]。

3.3.2 半方差函數(shù)及其理論模型在土壤養(yǎng)分空間變異研究中的具體應(yīng)用

半方差函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)最為重要的研究工具，也是地統(tǒng)計(jì)分析所特有的函數(shù)工具。區(qū)域化變量的半方差函數(shù)是指Z（x）在點(diǎn)x和x+h處的值Z（x）與Z（x+h）差的方差的1/2，記為r（h），2r（h）稱為變異函數(shù)。

半方差函數(shù)圖像呈現(xiàn)出來的是一種用來描述區(qū)域化變量的模型，半方差函數(shù)曲線則主要反映一個(gè)采樣點(diǎn)與其相鄰采樣點(diǎn)之間的空間關(guān)系，同時(shí)它具有檢測(cè)異常采樣點(diǎn)的效果。

半方差函數(shù)包含四大重要參數(shù)，分別是基臺(tái)值（Sill）、偏基臺(tái)值（Partial Sill）、塊金值（Nugget）和變程（Range），如圖1所示。其中，基臺(tái)值是指半方差的最大值，變程則是達(dá)到基臺(tái)值時(shí)的位差，塊金值是指位差為O時(shí)的半方差值，而基臺(tái)值與塊金值的差值就是偏基臺(tái)值。這些參數(shù)均可以根據(jù)半方差函數(shù)曲線圖得以確定，并且可以用來表示在一定尺度上，區(qū)域化變量的空間變異程度及其相關(guān)性。

當(dāng)半方差函數(shù)應(yīng)用于土壤養(yǎng)分空間變異研究時(shí)，在理論上，由于土壤養(yǎng)分的空間變異具有連續(xù)性，因此，其空間變異現(xiàn)象呈現(xiàn)出來的半方差函數(shù)圖也應(yīng)是由連續(xù)不間斷的點(diǎn)組成。但由于實(shí)踐中的研究采樣并非連續(xù)的，所以，其真實(shí)的半方差函數(shù)圖由一批間斷的點(diǎn)組成，但這些點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的值能夠擬合于某些簡單曲線方程，并且擬合得到的簡單方程能夠用于估量區(qū)域內(nèi)尚未被觀測(cè)的點(diǎn)的數(shù)值，這樣的曲線方程被稱為半方差函數(shù)的理論模型。

在土壤養(yǎng)分空間變異研究中，常用到的半方差函數(shù)模型有圓形模型、球狀模型、雙曲線模型、線性模型、高斯模型和指數(shù)模型等，其中指數(shù)模型和球狀模型是使用頻率最高的兩種[4]。

3.3.3 多尺度模型套合

筆者通過實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，土壤養(yǎng)分的空間變異是一個(gè)極其復(fù)雜且多變的現(xiàn)象，因此，無法通過一個(gè)簡單理論模型對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述的復(fù)雜多變型區(qū)域化變量，通常可以采取使用兩個(gè)或者以上理論模型相互疊加形成套和結(jié)構(gòu)的形式對(duì)其進(jìn)行分析，然后用多個(gè)擬合函數(shù)之和來表示其結(jié)果。

3.3.4 克里格法

克里格法主要是指利用半方差函數(shù)與原始數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)性，對(duì)未來采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量進(jìn)行無偏估值。克里格法按照其適用范圍又可以氛圍基本克里格法和泛克里格法，當(dāng)研究對(duì)象的區(qū)域化變量符合平穩(wěn)性假設(shè)和內(nèi)蘊(yùn)假設(shè)，即能夠假設(shè)數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)且無明顯趨勢(shì)和各項(xiàng)同性時(shí)，多采用基本克里格法；當(dāng)研究對(duì)象的區(qū)域化變量數(shù)據(jù)非平穩(wěn)、有明顯趨勢(shì)和各向異性時(shí)，多采用方法較為復(fù)雜的泛克里格法。

克里格法相較于其他方法，具有以下優(yōu)勢(shì)：一是不會(huì)產(chǎn)生回歸分析的邊界效應(yīng)；二是可以使內(nèi)插中誤差易于分析；三是可以估計(jì)測(cè)定參數(shù)的空間變異分布；四是可以估算參數(shù)的方差分布[5]。因此，克里格法被廣泛應(yīng)用于土壤的空間變異分析。

3.3.5 新型輔助技術(shù)——“3S”技術(shù)

通過前人的研究和筆者的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，由于地統(tǒng)計(jì)學(xué)具有較多的限制條件，導(dǎo)致無法對(duì)一些較為復(fù)雜的土壤空間變異性質(zhì)進(jìn)行很好的研究和描述，因此，必須與時(shí)俱進(jìn)的引進(jìn)一些更高科技的輔助技術(shù)——“3S”技術(shù)。

“3S”技術(shù)是三種高新技術(shù)的簡稱，包括全球定位技術(shù)（GPS）、地理信息技術(shù)（GIS）和遙感技術(shù)（RS）。全球定位技術(shù)是指利用定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速定位和導(dǎo)航的技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用于土壤養(yǎng)分空間變異研究，可以更及時(shí)、更精準(zhǔn)地鎖定研究對(duì)象的空間位置；地理信息技術(shù)是指以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)的相關(guān)程序管理和分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)。該技術(shù)應(yīng)用于土壤養(yǎng)分空間變異研究可以將大量土壤樣點(diǎn)的屬性數(shù)據(jù)與地理數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合，更好地分析和研究土壤養(yǎng)分的空間變異情況；遙感技術(shù)是指利用人造衛(wèi)星等相關(guān)飛行器收集得到的電磁輻射信息，對(duì)研究目標(biāo)的屬性進(jìn)行判別和管理。該技術(shù)應(yīng)用于土壤養(yǎng)分空間變異研究有助于對(duì)較遠(yuǎn)距離的土壤進(jìn)行屬性分析。

3.4 運(yùn)城地區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異的研究結(jié)果

筆者通過對(duì)運(yùn)城地區(qū)大量樣土的采集、分析和整合發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)土壤養(yǎng)分的空間變異性主要受兩大因素的影響——自然因素和人為因素。其中，自然因素包括地形、成土母質(zhì)、土壤類型等，這些因素會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分的空間相關(guān)性起到增強(qiáng)的作用；人為因素則主要包括種植制度、耕作及施肥等，這些因素會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分的空間相關(guān)性起到減弱作用[6]。另外，土壤養(yǎng)分空間變異的程度主要取決于該養(yǎng)分的來源、施用率及其在土壤中的流動(dòng)性。

3.4.1 與母質(zhì)穩(wěn)定程度相關(guān)的土壤養(yǎng)分空間變異

通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)城地區(qū)土壤中的磷主要來源于巖石風(fēng)化，在運(yùn)城地區(qū)一些地勢(shì)較為平緩、成土母質(zhì)較為穩(wěn)定的地區(qū)，相較于該地地勢(shì)較為崎嶇、風(fēng)化作用較強(qiáng)的地區(qū)，其結(jié)構(gòu)性因素起到的作用相對(duì)于隨機(jī)性作用要弱得

多，因此，其土壤中有效磷的空間變異性也較大。

3.4.2 與施肥有關(guān)的土壤養(yǎng)分空間變異

當(dāng)土壤中某一養(yǎng)分的主要來源渠道是施肥時(shí)，則該養(yǎng)分的空間變異程度較大。例如：運(yùn)城地區(qū)由于很少施用磷肥，所以其土壤中有效磷的空間變異程度較低，而翻閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可以發(fā)現(xiàn)，在我國施用磷肥較多的南方地區(qū)，其土壤中的有效磷便具有較大程度的空間變異性。

3.4.3 與植物吸收量和流動(dòng)性相關(guān)的土壤養(yǎng)分空間變異

一般來說，植物吸收量越大，且在土壤中流動(dòng)性越強(qiáng)的養(yǎng)分，其空間變異程度越小。筆者取樣觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)城地區(qū)農(nóng)業(yè)耕作用土壤的氮和鉀主要來源于施肥，但這兩種養(yǎng)分的空間變異程度較小。通過實(shí)驗(yàn)研究，其原因是這兩種養(yǎng)分在土壤中的流動(dòng)性較大，且植物對(duì)其吸收量較高，這就導(dǎo)致這兩種理論上空間變異程度較大的養(yǎng)分實(shí)際上空間變異程度為中等或較低。

4 結(jié)語

土壤養(yǎng)分的空間變異研究不僅能夠?yàn)樘镩g信息差異性的測(cè)量和描述、開展養(yǎng)分管理的分區(qū)研究奠定基礎(chǔ)，而且有利于深刻認(rèn)識(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜性和時(shí)空變異性，促進(jìn)循環(huán)高效的農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)的構(gòu)建，從而推動(dòng)農(nóng)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，因此，應(yīng)予以高度重視。

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（責(zé)任編輯：趙中正）

收稿日期：2017-02-28

作者簡介：呂小娜（1986—），女，山西永濟(jì)人，碩士，助教，研究方向?yàn)橥寥郎鷳B(tài)。