基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)農(nóng)田不同土層土壤容重的空間變異特征分析

張舜凱　劉繼龍　劉海岳

摘要：利用烘干法測(cè)定玉米地0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm土層土壤容重，運(yùn)用半方差函數(shù)和克立格插值等方法對(duì)農(nóng)田土壤容重空間變異特征隨土層深度的變化規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明，不同土層土壤容重平均值介于1.23～1.33 g/cm3，均為弱變異，空間相關(guān)范圍介于20.40～75.64 m，空間相關(guān)程度介于28.89%～73.55%，空間分布圖中均存在明顯的斑塊結(jié)構(gòu);隨土層深度的增加，土壤容重平均值呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，變異程度呈先降低后升高的變化趨勢(shì)，半方差函數(shù)擬合模型由指數(shù)模型變?yōu)榫€性模型，空間相關(guān)范圍先增加后保持不變，空間相關(guān)程度未呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化趨勢(shì)，土壤容重低值區(qū)和高值區(qū)的分布數(shù)量和位置有所差異。

關(guān)鍵詞：地統(tǒng)計(jì)學(xué);農(nóng)田;土壤容重;空間變異

中圖分類號(hào)：S152.5? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）15-0030-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.007? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Spatial variability of soil bulk density in different soil layers based on geostatistics

ZHANG Shun-kai，LIU Ji-long，LIU Hai-yue

（School of Water Conservancy and Civil Engineering，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

Abstract： Based on soil bulk density in 0～5 cm， 5～10 cm， 10～15 cm and 15～20 cm soil layers measured with oven drying method， the changing trend of spatial variability of soil bulk density with increasing soil depth was studied using semi-variance and Kriging interpolation methods. The results showed that， for different soil layers， the average value of soil bulk density ranged from 1.23 g/cm3 to 1.33 g/cm3， its degree of variation was weak， its spatial correlation range was between 20.40 m and 75.64 m， its spatial correlation degree changed from 28.89% to 73.55%， and there were obvious patch structure in its spatial distribution. As soil depth increased， the average value of soil bulk density firstly increased and then decreased， its degree of variation increased after fell first， its fitted model of semi-variance changed from exponential model to linear model， its spatial correlation range increased at first and remained unchanged later， its spatial correlation degree did not present a regular changing trend， and there were differences in number and location of its high and low value area.

Key words： geostatistics; farmland; soil bulk density; spatial variability

土壤容重是土壤的一個(gè)重要物理性質(zhì)，對(duì)土壤肥力發(fā)揮和作物生長(zhǎng)具有重要影響，受外界自然因素和人為活動(dòng)的影響，土壤容重具有空間變異性。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已從很多方面對(duì)土壤容重的空間變異性進(jìn)行了研究，也取得了很多成果，如：連綱等[1]的研究發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型之間，土壤容重的變異大小為灌木林地>荒草地>梯田>壩地>林地>坡耕地，在不同景觀位置，土壤容重的變異大小為坡頂>溝平地>坡下>坡上>坡中;耿韌等[2]的研究發(fā)現(xiàn)隨著采樣間隔的增大，土壤容重變異函數(shù)理論模型、塊金值、基臺(tái)值和變程各不相同;于冬雪等[3]的研究發(fā)現(xiàn)不同土層土壤容重均為中等程度變異;鄭紀(jì)勇等[4]的研究表明土壤容重具有明顯的空間結(jié)構(gòu)和自相關(guān)特征;徐翠蘭等[5]的研究發(fā)現(xiàn)明農(nóng)田土壤容重為弱變異，由空間自相關(guān)部分引起的異質(zhì)性程度很大;李曉曉等[6]的研究表明農(nóng)田表層土壤容重屬于弱變異，土壤質(zhì)地和土地利用方式是影響其空間分布的主要因素;馮強(qiáng)等[7]發(fā)現(xiàn)土地利用、坡度與植被蓋度是影響土壤容重的主要因素，能夠解釋58.15%的土壤容重變異;易小波等[8]的研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域0～20 cm深度土壤容重為中等程度變異，20～40 cm深度為弱變異;孫國(guó)軍等[9]的研究發(fā)現(xiàn)表層土壤容重屬于弱變異，氣候、母質(zhì)等自然因素是表層土壤容重變化的內(nèi)在因素，土地利用加速土壤容重的變化。目前關(guān)于東北黑土區(qū)農(nóng)田不同土層土壤容重空間變異性的研究較少，為此，本試驗(yàn)以黑土區(qū)玉米地為例，研究分析了不同土層土壤容重的空間變異及其隨土層深度的變化規(guī)律，以期為黑土區(qū)農(nóng)田土壤管理提供基本參數(shù)和依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 取樣點(diǎn)布置

土壤容重采樣農(nóng)田位于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽(yáng)試驗(yàn)示范基地，采樣農(nóng)田種植作物為玉米，采樣區(qū)域包括64個(gè)12 m×12 m的正方形網(wǎng)格，采樣點(diǎn)位于每個(gè)12 m×12 m正方形網(wǎng)格的中心位置，利用環(huán)刀采集每個(gè)采樣點(diǎn)0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm土層的原狀土，帶回實(shí)驗(yàn)室，利用烘干法測(cè)得每個(gè)采樣點(diǎn)不同土層的土壤容重。

1.2? 數(shù)據(jù)處理

土壤容重的傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)特征采用SPSS軟件計(jì)算，土壤容重半方差函數(shù)的參數(shù)利用GS軟件進(jìn)行求解，土壤容重的空間等值線圖通過(guò)Surfer軟件繪制。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 不同土層土壤容重的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征

傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)首先求解土壤容重的平均值和變異系數(shù)（CV）等統(tǒng)計(jì)學(xué)特征參數(shù)，然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)特征參數(shù)分析土壤容重的空間變異性，其中CV≤0.1表示弱變異，0.1

2.2? 不同土層土壤容重的空間變異結(jié)構(gòu)

半方差函數(shù)是分析空間變異性的有力工具，通過(guò)計(jì)算土壤容重的半方差函數(shù)，可以確定土壤容重的空間變異結(jié)構(gòu)，半方差函數(shù)主要包括塊金值（C0）、變程（？琢）和基臺(tái)值（C0+C）等。塊金值表示由非采樣間隔所造成的變異;隨著間隔距離的增大，半方差函數(shù)從非零值達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的常數(shù)稱為基臺(tái)值;變程表示半方差函數(shù)達(dá)到基臺(tái)值時(shí)的間隔距離，間隔距離大于變程，空間相關(guān)性消失。C0/（C0+C）小于25%說(shuō)明空間相關(guān)性強(qiáng)烈;C0/（C0+C）大于75%說(shuō)明空間相關(guān)性弱;C0/（C0+C）介于25%～75%說(shuō)明空間相關(guān)性中等[11]。

由表2可知，0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm土層土壤容重的空間相關(guān)范圍介于20.40～75.64 m，隨著土層深度的增加，土壤容重的空間相關(guān)范圍先增加后保持不變;0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm土層土壤容重的空間相關(guān)程度介于28.89%～73.55%，說(shuō)明不同土層土壤容重的空間相關(guān)程度均為中等，隨著土層深度的增加，土壤容重的空間相關(guān)程度未呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化趨勢(shì)。由圖1可知，0～5 cm土層土壤容重半方差函數(shù)的擬合模型為指數(shù)模型，5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm土層土壤容重半方差函數(shù)的擬合模型均為線性模型。

2.3? 不同土層土壤容重的空間等值線

0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm土層土壤容重的空間等值線如圖2所示。不同土層土壤容重的空間等值線圖中分布著明顯的斑塊結(jié)構(gòu)，隨著土層深度的增加，土壤容重低值區(qū)和高值區(qū)的分布數(shù)量和位置存在差異，這說(shuō)明雖然采樣區(qū)域較小，土壤容重的空間分布中仍存在一定的異質(zhì)性，而且土層深度不同，土壤容重空間分布中的異質(zhì)性特征有所差異。

3? 結(jié)論

不同土層土壤容重的平均值介于1.23～1.33 g/cm3，均為弱變異，隨土層深度增加，土壤容重平均值呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，土壤容重變異程度呈先降低后升高的變化趨勢(shì);除0～5 cm土層土壤容重半方差函數(shù)的擬合模型為指數(shù)模型外，其余土層擬合模型均為線性模型，不同土層土壤容重的空間相關(guān)范圍介于20.40～75.64 m，空間相關(guān)程度介于28.89%～73.55%，隨土層深度增加，土壤容重的空間相關(guān)范圍先增加后保持不變，空間相關(guān)程度未呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化趨勢(shì);不同土層土壤容重的空間等值線圖中分布著明顯的斑塊結(jié)構(gòu)，隨土層深度增加，土壤容重低值區(qū)和高值區(qū)的分布數(shù)量和位置有所差異。

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