東北黑土區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異性及適宜樣本容量研究

張舜凱 劉繼龍

摘要：利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間變異特征及其適宜樣本容量。結(jié)果表明，不同取樣面積土壤有機(jī)質(zhì)含量均具有中等變異程度，隨取樣面積增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量平均值先增加后降低，變異程度逐漸增加，但兩者變化幅度較小;不同取樣面積空間相關(guān)范圍分別為66.69、85.02和12.00 m，空間相關(guān)性均為中等，隨取樣面積增加，空間相關(guān)范圍先增加后減小，空間相關(guān)程度先降低后增加;精度系數(shù)相同時(shí)，隨取樣面積增加，適宜樣本容量逐漸增加，但增加幅度較小，取樣面積相同時(shí)，隨精度系數(shù)增大，適宜樣本容量逐漸減小，且減小幅度較大。

關(guān)鍵詞：土壤有機(jī)質(zhì)含量;空間變異性;黑土區(qū);適宜樣本容量

中圖分類號(hào)：S153.6? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）16-0038-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.16.009? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： The spatial variability of soil organic matter content in sampling areas of 64 m×64 m， 80 m×80 m and 112 m×112 m and its suitable sample size were studied with classical statistics and geostatistics methods. The results showed that the soil organic matter content in different sampling area had moderate variation degree， as sampling area increased， the mean of soil organic matter content first increased and then decreased， and the variation degree of soil organic matter content gradually increased， but their change was small; Spatial correlation ranges of soil organic matter content in different sampling area respectively were 66.69， 85.02 and 12.00 m， their spatial correlation degree were moderate， as sampling area increased， spatial correlation range of soil organic matter content first increased and then decreased， and its spatial correlation degree first decreased and then increased; When precision coefficient was the same， as sampling area increased， suitable sample size of soil organic matter content gradually increased， but increasing degree was small; When sampling area was the same， as precision coefficient increased， suitable sample size of soil organic matter content gradually decreased， and decreasing degree was large.

Key words： soil organic matter content; spatial variability; black soil region; suitable sample size

土壤特性具有明顯的空間變異性[1-5]，目前土壤特性的空間變異性研究已成為水土學(xué)科研究的一個(gè)熱點(diǎn)。土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤肥力的重要指標(biāo)，是土壤特性的一個(gè)重要組成部分，因而土壤有機(jī)質(zhì)也具有明顯的空間變異性，土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異規(guī)律和分布狀況是實(shí)現(xiàn)土壤可持續(xù)利用和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的前提[6]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異性進(jìn)行了大量研究。馮娜娜等[7]對(duì)不同尺度下低山茶園土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間變異進(jìn)行了研究;張娜等[8]研究分析了不同土層有機(jī)質(zhì)含量的空間變異性;孟紅旗等[9]對(duì)不同土地利用類型土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異性進(jìn)行了研究;張帥普等[10]研究分析了綠洲邊緣土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布及變異特征;江葉楓等[11]對(duì)南方紅壤區(qū)不同侵蝕程度下土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異及其影響因素進(jìn)行了研究;王超等[12]研究分析了壓砂地土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異性。從國(guó)內(nèi)外開展的研究來(lái)看，涉及不同尺度、不同土層、不同土地利用類型和不同土壤類型等條件下土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間變異性研究，并取得了很多成果。東北黑土區(qū)是中國(guó)重要商品糧生產(chǎn)基地，研究黑土區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間變異性對(duì)于該區(qū)土壤資源的可持續(xù)利用具有重要意義，為此，對(duì)東北黑土區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間變異性進(jìn)行了研究，以期揭示東北黑土區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間變異性機(jī)理，同時(shí)為該區(qū)土壤資源的高效可持續(xù)利用提供理論依據(jù)和參考。

1? 材料與方法

1.1? 取樣點(diǎn)布置

試驗(yàn)地位于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽(yáng)試驗(yàn)示范基地，試驗(yàn)地面積為112 m×112 m，取樣點(diǎn)間距為8 m×8 m，共布設(shè)225個(gè)取樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)空間分布如圖1所示。采集每個(gè)取樣點(diǎn)表層土壤，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后過0.25 mm土壤篩，利用稀釋熱法測(cè)定每個(gè)取樣點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)含量。為了研究土壤有機(jī)質(zhì)含量空間變異性隨取樣面積變化的規(guī)律，將試驗(yàn)地劃分為64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m等3種取樣面積。

1.2? 變異函數(shù)

變異函數(shù)γ（h）的計(jì)算公式[13]如下：

式中，N（h）為間距為h的數(shù)值對(duì)數(shù);Z（xi）為區(qū)域化變量在點(diǎn)xi處的值;Z（xi+h）為區(qū)域化變量在點(diǎn)xi+h處的值。

1.3? 適宜樣本容量計(jì)算公式

適宜樣本容量（N）的計(jì)算公式[14]如下：

式中，CV為變異系數(shù);k為精度系數(shù);？姿2？琢.f為t分布特征值，由顯著水平？琢=1-Pl和自由度f(wàn)=N-1，查t分布表得出。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 不同尺度土壤有機(jī)質(zhì)含量的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)特征分析

不同取樣面積土壤有機(jī)質(zhì)含量的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)特征值如表1所示。由表1可以看出，64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積土壤有機(jī)質(zhì)含量的變異系數(shù)分別為0.459 0、0.476 4和0.483 3，均介于0.1～1.0，根據(jù)變異系數(shù)與變異程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不同取樣面積土壤有機(jī)質(zhì)含量的變異程度均為中等變異;隨取樣面積的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量的平均值先增加后降低，變異系數(shù)逐漸增加，相對(duì)于64 m×64 m取樣面積，80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積土壤有機(jī)質(zhì)平均含量分別增加4.80%和2.62%，變異程度分別增加3.79%和5.29%，土壤有機(jī)質(zhì)平均含量與變異程度隨取樣面積變化而變化的幅度較小。

2.2? 不同尺度土壤有機(jī)質(zhì)含量的變異函數(shù)分析

不同取樣面積土壤有機(jī)質(zhì)含量的變異函數(shù)參數(shù)值見表2。由表2可知，64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積土壤有機(jī)質(zhì)含量的塊金值分別為0.805、0.830和0.251，均大于0。根據(jù)地統(tǒng)計(jì)學(xué)原理可知，不同取樣面積土壤有機(jī)質(zhì)含量均存在由小于取樣尺度和試驗(yàn)誤差導(dǎo)致的變異;64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積土壤有機(jī)質(zhì)含量的變程分別為66.69、85.02和12.00 m。也就是說，不同取樣面積土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間相關(guān)范圍分別為66.69、85.02和12.00 m;64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積土壤有機(jī)質(zhì)含量的塊金值與基臺(tái)值之比分別為68.39%、71.24%和25.10%，均介于25%～75%，即64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積土壤有機(jī)質(zhì)含量均具有中等空間相關(guān)性，不同取樣面積土壤有機(jī)質(zhì)含量空間變異性均由結(jié)構(gòu)因子和隨機(jī)因子共同作用導(dǎo)致。隨著取樣面積的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量的塊金值、變程、塊金值與基臺(tái)值之比均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，也就是說，由小于取樣尺度和試驗(yàn)誤差導(dǎo)致的變異以及空間相關(guān)范圍先增加后減小，空間相關(guān)程度先降低后增加。

2.3? 不同尺度土壤有機(jī)質(zhì)含量的適宜樣本容量分析

置信水平取90%和95%，精度系數(shù)（k）分別為0.04、0.08、0.12時(shí)，64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積土壤有機(jī)質(zhì)含量的適宜樣本容量如表3所示。從表3可以看出，置信水平取90%和95%，精度系數(shù)相同時(shí)，隨著取樣面積的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量的適宜樣本容量逐漸增加，但增加幅度較小，取樣面積相同時(shí)，隨著精度系數(shù)的增大，土壤有機(jī)質(zhì)含量適宜樣本容量的減小幅度較大。置信水平取90%，精度系數(shù)分別為0.04、0.08、0.12時(shí)，相對(duì)于64 m×64 m取樣面積的適宜樣本容量，80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積適宜樣本容量的增加幅度依次為5.98%、8.97%，5.43%、8.70%，4.88%、9.76%;置信水平取95%，精度系數(shù)分別為0.04、0.08、0.12時(shí)，相對(duì)于64 m×64 m取樣面積的適宜樣本容量，80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積適宜樣本容量的增加幅度依次為5.50%、8.54%，5.30%、8.33%，5.08%、8.47%。置信水平取90%，取樣面積分別為64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m時(shí)，相對(duì)于精度系數(shù)為0.04的適宜樣本容量，0.08和0.12精度系數(shù)對(duì)應(yīng)適宜樣本容量的減小幅度依次為75.00%、88.86%，75.13%、88.97%，75.06%、88.78%;置信水平取95%，取樣面積分別為64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m時(shí)，相對(duì)于精度系數(shù)為0.04的適宜樣本容量，0.08和0.12精度系數(shù)對(duì)應(yīng)適宜樣本容量的減小幅度依次為74.95%、88.80%，75.00%、88.85%，75.00%、88.81%。通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在本研究設(shè)定的取樣面積和精度系數(shù)范圍內(nèi)，精度系數(shù)變化對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量適宜樣本容量的影響遠(yuǎn)大于取樣面積變化對(duì)適宜樣本容量的影響。

3? 小結(jié)

1）64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積土壤有機(jī)質(zhì)含量的變異程度均為中等變異;隨取樣面積的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量的平均值先增加后降低，變異程度逐漸增加，土壤有機(jī)質(zhì)平均含量與變異程度的變化幅度較小。

2）64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積土壤有機(jī)質(zhì)含量均存在由小于取樣尺度和試驗(yàn)誤差導(dǎo)致的變異，空間相關(guān)范圍分別為66.69、85.02和12.00 m，均具有中等空間相關(guān)性，空間變異性均由結(jié)構(gòu)因子和隨機(jī)因子共同作用導(dǎo)致。隨著取樣面積的增加，由小于取樣尺度和試驗(yàn)誤差導(dǎo)致的變異以及空間相關(guān)范圍先增加后減小，空間相關(guān)程度先降低后增加。

3）精度系數(shù)相同時(shí)，隨著取樣面積的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量的適宜樣本容量逐漸增加，但增加幅度較小，取樣面積相同時(shí)，隨著精度系數(shù)的增大，土壤有機(jī)質(zhì)含量適宜樣本容量逐漸減小，且減小幅度較大。

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