土壤屬性空間變異性研究概述

姚堯

[摘 要]土壤屬性空間變異性指的是在同一時間不同點上的土壤性質(zhì)存在著明顯的差異性。空間變異是土壤本身就存在的一種自然特性，無論觀測的尺度是大尺度還是小尺度，土壤屬性的空間變異性都是存在的。土壤屬性空間變異性的主要研究方法有經(jīng)典統(tǒng)計學方法、地統(tǒng)計學方法和地理信息系統(tǒng)方法（GIS）。將地統(tǒng)計學方法與GIS技術(shù)結(jié)合起來并發(fā)揮各自的優(yōu)勢，可以大大地推動土壤屬性空間變異性的研究。

[關(guān)鍵詞]土壤屬性;空間變異性;地統(tǒng)計學方法;地理信息系統(tǒng)

[中圖分類號]S152.3 [文獻標識碼]A

土壤屬性的空間變異最早是由英國土壤學家Milne在20世紀30年代首先提出的土壤系統(tǒng)性空間變異，土壤屬性在一定范圍內(nèi)會通過一個或多個過程來影響周邊土壤中一些要素的物理化學性質(zhì)，并產(chǎn)生一定的聯(lián)系。土壤屬性空間變異性指的是在同一時間不同點上的土壤性質(zhì)存在著明顯的差異性。即使在土壤質(zhì)地相同的區(qū)域內(nèi)，土壤屬性在各個空間位置上的量值也并不相等。空間變異是土壤本身就存在的一種自然特性，無論觀測的尺度是大尺度還是小尺度，土壤屬性的空間變異性都是存在的。土壤屬性空間變異性的研究已趨于成熟，本文對土壤屬性空間變異性的研究進行了梳理，并針對存在的問題進行了思考。

1 土壤屬性空間變異性的主要研究方法

1.1 經(jīng)典統(tǒng)計學

早期對土壤性質(zhì)特征的空間變異研究一般采用的是Fisher創(chuàng)立的經(jīng)典統(tǒng)計學。經(jīng)典統(tǒng)計學的原理是通過假設(shè)研究的變量為隨機變量，樣本之間是完全獨立且服從某已知的概率分布。運用計算樣本均值、標準差、方差和變異系數(shù)以及進行顯著性檢驗等統(tǒng)計學方法來描述樣本的某些規(guī)律。因此，這種方法基本只能定性地描述土壤性質(zhì)的空間變異性，概括土壤性質(zhì)變化的全貌。國外許多從事土壤性質(zhì)空間變異性規(guī)律方面的土壤科學研究者的研究發(fā)現(xiàn)，許多土壤性質(zhì)在空間上并不是獨立的，而是在一定范圍內(nèi)存在著空間相關(guān)性，不屬于純隨機變量。樣本數(shù)據(jù)除了遵循與自身的統(tǒng)計特征規(guī)律，此外還與樣本數(shù)據(jù)的空間位置有關(guān)。在運用經(jīng)典統(tǒng)計學研究土壤性質(zhì)的空間變異性時沒有將區(qū)域化變量的空間結(jié)構(gòu)考慮進去，無法準確地描述土壤性質(zhì)的空間分布狀況及特征，有關(guān)空間變異的研究在一定程度上受到限制。

1.2 地統(tǒng)計學方法

隨著研究的深入，新模型方法的建立與出現(xiàn)，尤其是地統(tǒng)計學方法的出現(xiàn)，在實際應用過程中逐漸成為土壤性質(zhì)空間變異研究的理論基礎(chǔ)。地統(tǒng)計學方法的產(chǎn)生和早期發(fā)展與南非礦山工程師克里格（D. G. Krige）有密切的關(guān)系，克里格1951年在研究南非金礦時提出了Kriging方法，后來法國學者馬特隆（G. Matheron）研究了克里格的著作，并對Kriging方法進行了完善和發(fā)展，最終形成了地統(tǒng)計學。地統(tǒng)計學方法是以區(qū)域化變量為核心和理論基礎(chǔ)，以空間相關(guān)和變異函數(shù)為基本工具的一種數(shù)學地質(zhì)方法。空間插值方法分為確定性插值法和地統(tǒng)計插值法，確定性插值方法以研究區(qū)域內(nèi)部的相似性，或以平滑度為基礎(chǔ)，由已知樣點來創(chuàng)建表面，主要有逆距離加權(quán)法、多項式插值等。以空間自相關(guān)性為基礎(chǔ)，利用原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)性，對區(qū)域化變量的未采樣點進行無偏估計的克里格插值法是地統(tǒng)計插值在土壤科學中應用的主要內(nèi)容。地統(tǒng)計學應用空間變異函數(shù)（半變異函數(shù)）模型描述土壤屬性的空間特征，并利用各種插值技術(shù)預測未采樣點的土壤屬性值，在土壤質(zhì)量演變、土壤污染、土壤屬性分布等方面得到廣泛的應用。

1.3 地理信息系統(tǒng)方法

地理信息系統(tǒng)（GIS）是可以用于處理空間信息。在土壤性質(zhì)的空間變異性研究中，GIS可以將行政區(qū)域、土壤類型、土地利用類型等每一種信息做成一個圖層來管理，不同圖層的信息可以通過疊加、組合形成新的圖層，展示新的信息。GIS在處理數(shù)據(jù)上擁有強大的數(shù)據(jù)綜合、模擬與分析評價能力，給土壤性質(zhì)的空間變異性分析帶來了很大的便利，得到常規(guī)方法或普通信息系統(tǒng)難以得到的重要信息。

2 土壤屬性空間變異研究中的應用

國內(nèi)研究土壤屬性空間變異的起步較晚，80年代起，一些科研工作者才開始應用地統(tǒng)計學方法從事這方面的研究，到90年代中后期在土壤養(yǎng)分的空間變異上做了大量的研究，一般都是采用GIS軟件提供的Kriging插值工具來實現(xiàn)地理分布圖的制作。應用GIS提供的空間分析功能和地統(tǒng)計學中的內(nèi)插方法，可以編繪出各種專題地圖，這對土壤研究是十分重要的。陳彥和呂新基于地理信息系統(tǒng)和地統(tǒng)計學，采用地統(tǒng)計分析模塊中的Kriging插值方法研究了新疆農(nóng)七師125團土壤養(yǎng)分的空間變異性。應用GIS能夠?qū)⑾到y(tǒng)變量的屬性數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)相結(jié)合，使大區(qū)域范圍內(nèi)進行地統(tǒng)計學分析變得較為方便。劉付程等在GIS的支持下，運用地統(tǒng)計學方法研究了蘇南典型地區(qū)原錫山市土壤全Zn和有效Zn的空間分布特征，并分析了土壤全Zn和有效Zn含量與土壤顆粒組成之間的關(guān)系。路鵬等應用地統(tǒng)計學和GIS的概率克里格法研究了洞庭湖平原典型區(qū)的土壤全磷的空間分布。方琳娜等運用GIS軟件和梳理統(tǒng)計分析軟件系統(tǒng)地研究了山東省茌平縣1985～2003年土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀養(yǎng)分的時空動態(tài)變化，在此基礎(chǔ)上分析了養(yǎng)分動態(tài)變化的主要原因。苑小勇采用地統(tǒng)計和GIS相結(jié)合的方法，研究了北京市平谷區(qū)農(nóng)田土壤有機質(zhì)（SOM）含量的空間分布規(guī)律及其影響因素，獲得了研究區(qū)SOM含量的空間分布圖。

3 土壤性質(zhì)空間變異研究中存在的問題

在土壤屬性空間變異性的研究應用中，地統(tǒng)計學與地理信息系統(tǒng)均能處理空間信息，既有區(qū)別，也有聯(lián)系。地統(tǒng)計學空間分析與地理信息系統(tǒng)的某些空間分析功能是不相同的。地統(tǒng)計學側(cè)重于地理計算，即進行空間自相關(guān)結(jié)構(gòu)特征、克里格插值（方差函數(shù)）和隨機模擬等方面的地理計算。而地理信息系統(tǒng)側(cè)重于圖形的顯示，對空間現(xiàn)象和與其對應的屬性之間關(guān)系的描述。當然，GIS為地統(tǒng)計學提供了一個數(shù)據(jù)顯示和可視化的有效工具，可更加方便地進行探索性數(shù)據(jù)分析，同時地統(tǒng)計學插值或模擬的結(jié)果為GIS提供了強大的數(shù)據(jù)支持。故這兩種技術(shù)是相互促進的，未來的發(fā)展將在很大程度上依賴于與功能強大的地統(tǒng)計分析模型的結(jié)合。GIS技術(shù)和地統(tǒng)計學方法結(jié)合起來并發(fā)揮各自的優(yōu)勢，可以大大地推動土壤屬性空間變異性的研究。

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