基于地統(tǒng)計學的土壤團聚體空間變異研究進展

葉露萍, 譚文峰, 方臨川， 趙 巍

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，712100，陜西楊凌；2.中國科學院大學，100049，北京；3.華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點實驗室，430070，武漢)

土壤團聚體是土壤基本結(jié)構(gòu)單元，猶如生物體細胞，決定著土壤水分運動、通氣性、溶質(zhì)遷移、保水保肥能力、土壤抗蝕和固碳能力等[1]。氣候、生物、母質(zhì)、地形、時間、人為活動等成土因素的綜合作用致土壤具高度時空異質(zhì)性，嚴重阻礙了土壤學的定量、動態(tài)研究及其實際應用。Burrough研究表明，土壤空間格局分析是對土壤由經(jīng)驗認識上升到理性認識、由概念模型發(fā)展到機理模型的必要條件[2]。由圖1可見，在宏觀尺度上，團聚體形成是環(huán)境要素、人為因素和土壤本身特性共同驅(qū)動的；但微觀尺度上僅體現(xiàn)在土壤本身特性[3]，其微觀尺度的研究還不能完全理解團聚體在生態(tài)系統(tǒng)中的作用與功能；因此，其空間變異和驅(qū)動機制研究，有助于揭示團聚體空間分布規(guī)律和內(nèi)在驅(qū)動機制，區(qū)分出土壤屬性與外源因子的貢獻，為全面理解團聚體形成和穩(wěn)定機制打下良好基礎；進而明確揭示出土壤穩(wěn)定性差異的根本原因，這將有助于培育良好團聚體、提升土壤肥力、改善土壤質(zhì)量、構(gòu)建土壤安全等，同時還可為建立更精確的土壤侵蝕模型和水土流失綜合治理提供科學依據(jù)。

以往針對團聚體空間變異的研究多采用Fisher創(chuàng)立的經(jīng)典統(tǒng)計學，概括性描述其全貌，未考慮各樣本的空間位置，不能反映局部空間特征，更不能反映自然狀態(tài)下團聚體的空間格局；同時，其測定對象與空間位置無關的假設與實際情況不符。地統(tǒng)計學是由D. G. Krige于20世紀50年代提出，G. Matheron于60年代創(chuàng)立。1978年，Campbell首次將其引入土壤性質(zhì)空間變異研究中，分析了土壤砂粒含量和pH的空間分布[4]，推動了土壤空間格局研究的進度[5]。將地統(tǒng)計方法應用到土壤空間變異研究中可從不同空間尺度上全面、準確地揭示出其空間信息，已被證明是分析土壤空間變異性特征及其自然規(guī)律最為有效的方法之一，并已得到廣泛應用[6]；但在團聚體相關研究中還不多見，因此，筆者綜述團聚體空間變異的定量方法、影響因素、空間分布預測模型構(gòu)建及其可視化表達，總結(jié)當前研究的不足，并展望其研究前景。

圖1 不同尺度下的團聚體影響因素Fig.1 Factors affecting soil aggregation at micro and macro scale

1 土壤團聚體空間變異的定量分析方法

土壤性質(zhì)空間分析中的地統(tǒng)計方法主要包括半變異函數(shù)和克里格插值[6]。半變異函數(shù)反映土壤性質(zhì)在一定空間尺度上的變異特征和相關程度，克里格插值是利用原始數(shù)據(jù)結(jié)合半變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)性，對未采樣區(qū)變量展開無偏估計。半變異函數(shù)和克里格插值作為地統(tǒng)計學中最基礎的方法，已被應用于團聚體空間變異特征研究中：團聚體質(zhì)量分維數(shù)、最大土粒粒徑的空間分布特征[7]；不同土地利用類型中水穩(wěn)性團聚體含量[8]、平均重量直徑等的空間分布差異性[9]；土壤黏粒含量、土壤有機碳(SOC)含量、土地利用類型對水穩(wěn)性團聚體含量空間分布的影響等[10]。不同研究區(qū)或不同空間尺度下，團聚體空間相關性差異顯著，但主要呈現(xiàn)出中等強度的空間相關性[11-12]；另外，Kriging空間插值能夠獲取團聚體空間變異，其精度相對于趨勢面法提高了32%[13]，且高于線性內(nèi)插法和線性回歸法[14]，這歸因于Kriging充分考慮空間變異[15-16]；另外，插值精度比較發(fā)現(xiàn)：CoKriging內(nèi)插明顯優(yōu)于普通Kriging[17]，當土壤性質(zhì)間高度相關性時，CoKriging效果更佳[17]。研究區(qū)樣點數(shù)、樣點空間距離、塊金值和選用的半方差模型均會影響到Kriging的估計方差：采樣點越多，采樣點空間距離越小、塊金值越小、半方差模型越合適，Kriging估計方差就越小[8]。

2 土壤團聚體空間變異的影響因素

土壤團聚體是在一系列物理、化學、生物的綜合作用下形成的，既受到土壤本身性質(zhì)的作用，也受到外界自然因素、人為因素和成土過程的影響(圖1)[18]。由圖1可見，宏觀因子對團聚體的影響歸根結(jié)底是通過宏觀過程影響其微觀尺度上的團粒形成過程，宏觀與微觀有機結(jié)合，相互作用、相互反饋：如大氣CO2濃度增加使得植被光合作用增強、根系發(fā)達、微生物群落增加、SOC增加、叢枝菌根增加等，對團聚體穩(wěn)定性具有正效應；但也可能因為溫室效應導致溫度上升及微生物活動增強，使得SOC分解加快，從而產(chǎn)生負效應。土壤團聚體結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性及其影響因素研究受到廣泛關注，傳統(tǒng)上通過經(jīng)典統(tǒng)計中的描述性統(tǒng)計研究團聚體空間變異，即計算團聚體穩(wěn)定性系數(shù)的樣本均值、標準差、方差、變異系數(shù)來反映其空間變異強弱，并利用經(jīng)典統(tǒng)計學方法確定團聚體在不同土壤環(huán)境、外界環(huán)境因素、土地利用方式和耕作干擾等因素下的差異性[19-20]及其與土壤其它性質(zhì)間的關聯(lián)[21]，通過統(tǒng)計特征值建立團聚體穩(wěn)定性的半定量認知。為定量描述團聚體空間分異特征，更好地反映自然狀態(tài)下團聚體的空間結(jié)構(gòu)，引入地統(tǒng)計學[8]。

2.1 土壤本質(zhì)特征與團聚體空間變異

團聚體結(jié)構(gòu)與土壤性質(zhì)緊密關聯(lián)，傳統(tǒng)上研究團聚體與土壤性質(zhì)間的關系主要采用經(jīng)典統(tǒng)計學方法[22]，該方法忽略土壤性質(zhì)的空間格局特征和土壤性質(zhì)間的空間相關性；因此，產(chǎn)生了對土壤性質(zhì)空間格局和過程定量研究的地統(tǒng)計方法，以提高土壤空間變異的定量研究程度，反映出自然狀態(tài)下土壤性質(zhì)的空間格局和空間相關性。現(xiàn)應用地統(tǒng)計方法主要研究了團聚體空間格局與土壤質(zhì)地、類型[9]、有機質(zhì)含量、黏土礦物結(jié)晶度[23]、微生物特性[24]等土壤性質(zhì)的空間關系。研究表明，土壤機械組成是控制團聚體穩(wěn)定性的關鍵因素[25]：團聚體穩(wěn)定性與砂粒(-0.132*)和黏粒含量(-0.351*)呈顯著負相關，與粉粒含量(0.153*和0.436*)則呈正相關[17,25]，其相關程度在不同區(qū)域表現(xiàn)不同；但?zta等發(fā)現(xiàn)團聚體含量與土壤黏粒含量呈顯著正相關(0.76*和0.91**)[26]；這種相反的結(jié)果主要是土壤鹽度和交換性Na+含量不同所致[27]。同時，黏粒和粉粒對團聚體空間變異的作用方式也不同：粉粒直接作用于大團聚體的空間變異；而黏粒則通過對微團聚體的影響間接影響大團聚體，其直接作用較小[13]。在SOC含量與團聚體空間關系的研究中，主要采用空間插值獲取團聚體與SOC空間分布圖以確定它們的空間相關性[27-30]：土壤肥力越高，團聚體空間異質(zhì)性越大，大團聚體穩(wěn)定性越強[27]，這是由于肥力高的土壤中具有高含量的SOC[31-32]，導致SOC對大團聚體空間變異的直接作用大于其間接作用[13]。

2.2 自然因素與團聚體空間變異

顯著影響團聚體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的自然要素主要包括地形地貌、氣候因素、植被因素和土地覆被；這些要素通過影響土壤的5大成土因素來控制土壤形成過程，進而影響SOC含量、土壤呼吸、土粒的重排等方面，從而調(diào)控團聚體的結(jié)構(gòu)(圖1)。地形地貌能夠影響土壤水熱條件和成土物質(zhì)再分配，不同地形部位的團聚體有著不同的空間特征，其中線性地形(曲率幾乎為0)較凹面地形(碗狀地形、且碗口朝上[33])更益于大團聚體的形成[11]；凹面地形較凸面地形(碗狀地形、且碗口朝下)更益于穩(wěn)定性團聚體的形成[34]；Zadorova等[35]也發(fā)現(xiàn)相同結(jié)果，進一步研究發(fā)現(xiàn)坡度與團聚體穩(wěn)定性的相關性較低，說明該研究區(qū)，坡度對土壤物質(zhì)的再分配作用較弱。此外，團聚體穩(wěn)定性的空間相關性分析表明凸面地形的團聚體空間相關性強于凹面的，說明凸面地形的團聚體主要受到土壤本質(zhì)因素的作用，相比之下凹面團聚體受外在因素的影響更強[36]。這可能因為相比于凹面，凸面地形土壤含有較低的SOC、鐵和錳，不益于團聚體的穩(wěn)定，且土壤較為貧瘠，非農(nóng)用地首選，因此受到人為干擾作用的概率會更小[34]。植被生長演替會影響SOC的數(shù)量與質(zhì)量，從而影響團聚體的空間變異。不同植被類型下，土壤團聚體穩(wěn)定性空間相關和自相關的差異性源自于土壤內(nèi)外因素的共同作用[30,37]。有研究表明，團聚體穩(wěn)定性主要由地形、植被類型和植被恢復年限等內(nèi)在因素共同決定，但耕作、放牧的作用也不容忽視，尤其是對土壤可蝕性[8]；而團聚體穩(wěn)定性的極值分布主要由土地利用、高程和土壤本身特性決定，由于步長對團聚體空間分布影響較弱，暗示著土壤母質(zhì)、氣候等外界因素影響顯著[38]。氣候因素對團聚體穩(wěn)定性的影響主要通過氣溫、降水、干濕交替和凍融交替影響土壤顆粒的重新排列，從而影響團聚體穩(wěn)定性(圖1)；溫度和濕度影響著土壤生物和微生物活性，從而影響腐殖質(zhì)的分解速率，導致團聚體穩(wěn)定性發(fā)生變化[39]。

2.3 人為因素與團聚體空間變異

人為因素主要包括農(nóng)業(yè)管理措施、土地利用方式、耕作干擾、施肥、放牧[40]等，對團聚體形成和結(jié)構(gòu)影響顯著。耕作主要通過改變土壤中SOC數(shù)量、質(zhì)量和微生物活動生境對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[41]。耕作區(qū)種植作物不同，團聚體等土壤性質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)差異性顯著，如甘蔗地團聚體穩(wěn)定性空間異質(zhì)度較木薯地和農(nóng)林業(yè)區(qū)更高[42]；同時，耕作強度的增加促進SOC周轉(zhuǎn)，減少土壤團聚，導致土壤質(zhì)地粗糙，團聚體穩(wěn)定性降低，土壤密度(BD)增加[43]；不同耕作模式下團聚體穩(wěn)定性的空間變異具有顯著差異，這主要歸因于機械操作在作物生長季節(jié)影響土壤結(jié)構(gòu)：機械壓實會導致土壤抗解聚力增強，大團聚體含量增加[10]。為驗證機械壓實對土壤性質(zhì)空間變異的影響，Barik等比較分析重型機械操作前后土壤理化性質(zhì)的空間分布差異，結(jié)果表明重型機械操作對各土層土壤性質(zhì)影響不同，越接近于表層影響越大；壓實前后團聚體空間分布差異增大，說明機械壓實顯著影響團聚體空間變異[12]。可見，耕作對土壤結(jié)構(gòu)具有較大負作用，且該作用符合“就近原則”規(guī)律[44]。土地利用方式顯著影響作物生產(chǎn)力和土壤理化性質(zhì)[45]，尤其是對團聚體[46]、SOC[47]、陽離子交換量[48]、土壤孔隙度[49]、土壤密度、抗剪強度、BD、土壤滲水性等[50]。不同土層團聚體穩(wěn)定性差異不顯著，但不同土地利用表層團聚體具顯著差異，這進一步印證了土地利用對團聚體的影響：不當?shù)母鞣绞剑绕涫乔鹆甑貛У纳舷缕赂?、林地到牧場轉(zhuǎn)變、濫伐均是小流域團聚體穩(wěn)定性下降的主要原因[48]。農(nóng)用地和草地不同土層土壤團聚體的空間相關性不同，說明人為管理對團聚體空間變異的顯著影響，尤其是對表層土；考慮到采樣區(qū)地形條件、土壤質(zhì)地、母質(zhì)和氣候條件均相似，土地利用方式的不同則是導致土壤質(zhì)量空間差異的關鍵原因[29]。

3 土壤團聚體空間變異預測模型構(gòu)建及可視化分析

環(huán)境系統(tǒng)是由多因素耦合而成的復雜非線性系統(tǒng)，并具有隨機行為。土壤系統(tǒng)的空間變異也具有復雜性，建模是定量刻畫土壤性質(zhì)空間變異的有效手段[34,51]。GIS所具有的強大空間分析和可視化表達能力，為表征土壤性質(zhì)空間變異對相關環(huán)境因素的響應提供了強有力的工具。在其應用過程中，通常將土壤性質(zhì)的影響因素進行量化作為輸入集，結(jié)合不同算法構(gòu)建模型。當前，以團聚體為對象的模型構(gòu)建研究并不多見，現(xiàn)有研究利用遙感數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型(DEM)提取環(huán)境數(shù)據(jù)，構(gòu)建團聚體穩(wěn)定性反演模型[51-52]；其反演模型精度較高(0.34≤R2≤0.69)[34]。進一步，將回歸克里格引入反演較高精度的團聚體穩(wěn)定性空間分布[53]。這些研究表明，地統(tǒng)計學和GIS的結(jié)合可快速獲取土壤團聚體穩(wěn)定性空間格局，更好的反映自然狀態(tài)下團聚體的空間結(jié)構(gòu)，從宏觀尺度上探究團聚體在生態(tài)系統(tǒng)中的作用與功能。

4 研究展望

當前地統(tǒng)計在土壤團聚體空間變異上取得一定進展，但由于在區(qū)域尺度上，土壤特性、氣候、地形、植被因素和人類活動的時空變異快速、復雜，使得相關領域還有待深入研究：1)不同空間尺度上，土壤性質(zhì)、自然要素、人為活動與團聚體穩(wěn)定性空間變異的貢獻大小尚不清楚；2)目前已有少量研究將遙感、DEM等易于獲取的數(shù)據(jù)用于團聚體空間變異的反演，但數(shù)據(jù)分辨率較低，不能很好地反映其空間變異，因此，需進一步提高數(shù)據(jù)分辨率。

隨著大量新技術(shù)、新方法不斷應用到土壤科學，以及地統(tǒng)計學自身的不斷完善，這為團聚體研究帶來廣闊空間：1)引入因子克里格將系統(tǒng)總變異劃分到不同空間尺度上，研究土壤性質(zhì)與不同因素間的尺度依賴性關系；由于土壤是一個開放、動態(tài)的多組分體系，許多土壤性質(zhì)都會發(fā)生時空變異，引入時空克里格模擬土壤性質(zhì)的時空行為，有助于理解土壤時空變異規(guī)律。2)基于遙感、DEM、氣候數(shù)據(jù)等易于獲取的宏觀數(shù)據(jù)，衍生出影響團聚體穩(wěn)定性的環(huán)境數(shù)據(jù)，如植被覆蓋、地形因子、景觀結(jié)構(gòu)、水熱條件等，進而利用偏最小二乘法和結(jié)構(gòu)方程模型量化各因素對團聚體穩(wěn)定性空間變異的貢獻大小。3)基于宏觀數(shù)據(jù)構(gòu)建團聚體空間分布預測模型，實現(xiàn)快速分析不同空間尺度上，團聚體穩(wěn)定性空間變異與影響因素的空間關聯(lián)。當前模型構(gòu)建常用的有廣義線性回歸和多元線性回歸模型，這些模型多為靜態(tài)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和有關數(shù)學理論的日趨成熟，將不同建模方法(模糊推理系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機等)與模型精度進行權(quán)衡，使得模型更為精確，更能反映土壤團聚體空間變異特征。從宏觀尺度研究團聚體形成過程、影響因素及其各因素貢獻率，對推進團聚體形成機理的理解，準確的探討團聚體形成和穩(wěn)定性影響因素具有重要意義。