東北黑土區農田土壤有機質的空間變異性及適宜樣本容量研究

張舜凱 劉繼龍

摘要：利用經典統計學和地統計學方法研究64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積土壤有機質含量的空間變異特征及其適宜樣本容量。結果表明，不同取樣面積土壤有機質含量均具有中等變異程度，隨取樣面積增加，土壤有機質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范圍分別為66.69、85.02和12.00 m，空間相關性均為中等，隨取樣面積增加，空間相關范圍先增加后減小，空間相關程度先降低后增加;精度系數相同時，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，隨精度系數增大，適宜樣本容量逐漸減小，且減小幅度較大。

關鍵詞：土壤有機質含量;空間變異性;黑土區;適宜樣本容量

中圖分類號：S153.6? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）16-0038-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.16.009? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（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科研究的一個熱點。土壤有機質作為土壤肥力的重要指標，是土壤特性的一個重要組成部分，因而土壤有機質也具有明顯的空間變異性，土壤有機質的空間變異規律和分布狀況是實現土壤可持續利用和區域可持續發展的前提[6]。因此，國內外學者對土壤有機質的空間變異性進行了大量研究。馮娜娜等[7]對不同尺度下低山茶園土壤有機質含量的空間變異進行了研究;張娜等[8]研究分析了不同土層有機質含量的空間變異性;孟紅旗等[9]對不同土地利用類型土壤有機質的空間變異性進行了研究;張帥普等[10]研究分析了綠洲邊緣土壤有機質的空間分布及變異特征;江葉楓等[11]對南方紅壤區不同侵蝕程度下土壤有機質的空間變異及其影響因素進行了研究;王超等[12]研究分析了壓砂地土壤有機質的空間變異性。從國內外開展的研究來看，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質含量的空間變異性研究，并取得了很多成果。東北黑土區是中國重要商品糧生產基地，研究黑土區農田土壤有機質含量的空間變異性對于該區土壤資源的可持續利用具有重要意義，為此，對東北黑土區農田土壤有機質含量的空間變異性進行了研究，以期揭示東北黑土區農田土壤有機質含量的空間變異性機理，同時為該區土壤資源的高效可持續利用提供理論依據和參考。

1? 材料與方法

1.1? 取樣點布置

試驗地位于東北農業大學向陽試驗示范基地，試驗地面積為112 m×112 m，取樣點間距為8 m×8 m，共布設225個取樣點，取樣點空間分布如圖1所示。采集每個取樣點表層土壤，帶回實驗室風干后過0.25 mm土壤篩，利用稀釋熱法測定每個取樣點的土壤有機質含量。為了研究土壤有機質含量空間變異性隨取樣面積變化的規律，將試驗地劃分為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

變異函數γ（h）的計算公式[13]如下：

式中，N（h）為間距為h的數值對數;Z（xi）為區域化變量在點xi處的值;Z（xi+h）為區域化變量在點xi+h處的值。

1.3? 適宜樣本容量計算公式

適宜樣本容量（N）的計算公式[14]如下：

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

2? 結果與分析

2.1? 不同尺度土壤有機質含量的經典統計特征分析

不同取樣面積土壤有機質含量的經典統計特征值如表1所示。由表1可以看出，64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積土壤有機質含量的變異系數分別為0.459 0、0.476 4和0.483 3，均介于0.1～1.0，根據變異系數與變異程度的對應關系，不同取樣面積土壤有機質含量的變異程度均為中等變異;隨取樣面積的增加，土壤有機質含量的平均值先增加后降低，變異系數逐漸增加，相對于64 m×64 m取樣面積，80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積土壤有機質平均含量分別增加4.80%和2.62%，變異程度分別增加3.79%和5.29%，土壤有機質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? 不同尺度土壤有機質含量的變異函數分析

不同取樣面積土壤有機質含量的變異函數參數值見表2。由表2可知，64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積土壤有機質含量的塊金值分別為0.805、0.830和0.251，均大于0。根據地統計學原理可知，不同取樣面積土壤有機質含量均存在由小于取樣尺度和試驗誤差導致的變異;64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積土壤有機質含量的變程分別為66.69、85.02和12.00 m。也就是說，不同取樣面積土壤有機質含量的空間相關范圍分別為66.69、85.02和12.00 m;64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積土壤有機質含量的塊金值與基臺值之比分別為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取樣面積土壤有機質含量均具有中等空間相關性，不同取樣面積土壤有機質含量空間變異性均由結構因子和隨機因子共同作用導致。隨著取樣面積的增加，土壤有機質含量的塊金值、變程、塊金值與基臺值之比均呈現先增加后降低的趨勢，也就是說，由小于取樣尺度和試驗誤差導致的變異以及空間相關范圍先增加后減小，空間相關程度先降低后增加。

2.3? 不同尺度土壤有機質含量的適宜樣本容量分析

置信水平取90%和95%，精度系數（k）分別為0.04、0.08、0.12時，64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積土壤有機質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%，精度系數相同時，隨著取樣面積的增加，土壤有機質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，隨著精度系數的增大，土壤有機質含量適宜樣本容量的減小幅度較大。置信水平取90%，精度系數分別為0.04、0.08、0.12時，相對于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%，精度系數分別為0.04、0.08、0.12時，相對于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，相對于精度系數為0.04的適宜樣本容量，0.08和0.12精度系數對應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，相對于精度系數為0.04的適宜樣本容量，0.08和0.12精度系數對應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現，在本研究設定的取樣面積和精度系數范圍內，精度系數變化對土壤有機質含量適宜樣本容量的影響遠大于取樣面積變化對適宜樣本容量的影響。

3? 小結

1）64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取樣面積土壤有機質含量的變異程度均為中等變異;隨取樣面積的增加，土壤有機質含量的平均值先增加后降低，變異程度逐漸增加，土壤有機質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取樣面積土壤有機質含量均存在由小于取樣尺度和試驗誤差導致的變異，空間相關范圍分別為66.69、85.02和12.00 m，均具有中等空間相關性，空間變異性均由結構因子和隨機因子共同作用導致。隨著取樣面積的增加，由小于取樣尺度和試驗誤差導致的變異以及空間相關范圍先增加后減小，空間相關程度先降低后增加。

3）精度系數相同時，隨著取樣面積的增加，土壤有機質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，隨著精度系數的增大，土壤有機質含量適宜樣本容量逐漸減小，且減小幅度較大。

參考文獻：

[1] 王衛華，王全九.黑河中游綠洲麥田土壤導氣率空間變異尺度性研究[J].農業機械學報，2014，45（4）：179-183.

[2] WANG Y Q，ZHANG X C，HUANG C Q. Spatial variability of soil total nitrogen and soil total phosphorus under different land uses in a small watershed on the Loess Plateau，China[J].Geoderma，2009，150（1-2）：141-149.

[3] PENNA D，BORGA M，NORBIATO D，et al. Hillslope scale soil moisture variability in a steep alpine terrain[J].Journal of hydrology，2009，364（3-4）：311-327.

[4] 劉繼龍，任高奇，付? 強，等.黑土區玉米地土壤水分的時空變異性研究[J].應用基礎與工程科學學報，2016，24（6）：1087-1099.

[5] LIU J L，ZHANG L L，FU Q，et al. Spatial variability of soil particle-size distribution heterogeneity in farmland[J].Transactions of the ASABE，2018，61（2）：591-601.

[6] 胡克林，余? 艷，張鳳榮，等.北京郊區土壤有機質含量的時空變異及其影響因素[J].中國農業科學，2006，39（4）：764-771.

[7] 馮娜娜，李廷軒，張錫洲，等.不同尺度下低山茶園土壤有機質含量的空間變異[J].生態學報，2006，26（2）：349-356.

[8] 張? 娜，張棟良，屈忠義，等.不同土層土壤粒徑及有機質含量空間變異的相關性研究[J].節水灌溉，2016（12）：1-7，14.

[9] 孟紅旗，熊仁鵬，王? 崇，等.采煤沉陷區不同土地利用類型土壤水分、有機質和質地的空間變異性[J].土壤學報，2018，55（4）：911-922.

[10] 張帥普，邵明安.綠洲邊緣土壤水分與有機質空間分布及變異特征[J].干旱區研究，2014，31（5）：812-818.

[11] 江葉楓，孫? 凱，郭? 熙，等.南方紅壤區不同侵蝕程度下土壤有機質空間變異的影響因素研究[J].自然資源學報，2018，33（1）：149-160.

[12] 王? 超，王建宇，王? 菲，等.中衛市壓砂地土壤有機質空間變異特點研究[J].土壤通報，2016，47（2）：287-293.

[13] MATHERON G. Principles of geostatistics[J].Economic geology，1963，58（8）：1246-1266.

[14] 邵明安，王全九，黃明斌.土壤物理學[M].北京：高等教育出版社，2006.