基于GIS連續種植模式下粵北紅壤有機質變異特征研究—以乳源縣桂頭鎮為例

土壤有機質是土壤生態系統的重要組成部分[1]，土壤有機質含量是估算土壤含碳量、評價土壤質量的重要指標，不同區域的土壤有機質存在異質性[2]。研究土壤性質空間變化及空間分布特點對土壤制圖、土壤調查和土地利用動態監測具有重要意義。對影響土壤有機質空間分布的主控因素進行探討，進一步研究土壤有機質空間分布特征可為農業生產、生態修復等問題提供參考[3]。利用半方差函數研究土壤有機質空間變異規律被認為是非常有效的方法之一，結合克里格方法生成高程曲面圖進行分析，可解決土壤有機質空間變異的熱點問題[4]。

為保證耕地高效利用，探討連續種植模式下粵北紅壤有機質變異特征。以粵北乳源瑤族自治縣桂頭鎮為例，通過2014年和2019年多點采樣實測土壤有機質含量，利用地統計學方法進行連續種植模式下土壤有機質空間變異性程度分析。2014年桂頭鎮土壤有機質平均含量為2.3 g/kg，中位數為2.3 g/kg，有機質含量偏度為 0.6，峰度值為3.6，變異系數為45%；2019年，桂頭鎮土壤有機質平均含量為2.5 g/kg，中位數為2.5 g/kg，有機質含量偏度為0.1，峰度值2.5，變異系數35%。2019年與2014年相比，桂頭鎮土壤有機質含量均值與中位數有所提高，但連續種植模式下地勢較高區域土壤有機質含量有明顯降低，地勢較低區域土壤有機質也進一步降低，總體土壤有機質含量有所下降，但空間變異性降低。

1材料與方法

1.1研究區概況

乳源瑤族自治縣位于廣東省北部、韶關市西部，西北角與湖南省宜章縣相鄰，總面積2 125.5 km2，總人口近20萬。全縣氣候屬中亞熱帶季風氣候，桂頭鎮是乳源瑤族自治縣最大的平原鎮，農業耕地面積1 900 hm2，以水稻、蔬菜、果樹種植為主（見圖1-2）。

1.2樣品采集與測試

土壤樣品主要在桂頭鎮農田區域采集，2014年一共采集了138個樣點，2019年采集了137個樣點，使用手持式GPS儀記錄每個樣點的經緯度坐標。采樣分布圖如圖3-4所示。采集0～20 cm土壤樣品，經前處理后土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化滴定法測定。

1.3數據處理與分析

利用格拉布斯（Crubbs）法對所獲土壤數據作差值辨別和處理，消除異常數值，通過數據分析檢驗篩選數據是否呈正態分布，這是進行克里格分析的基本要求。

半方差函數是解釋土壤空間化變量隨機性和結構性的一種函數，如果隨機函數均值沒變化，那么就存在有限的方差。因此可以利用地統計學中的半方差函數的數量關系來表示區域化變量，也是土壤有機質進行克里格空間插值的基礎，其表達式為：

式中：R（h）是半方差函數；h為樣點之間的空間間隔距離，N（h）是空間距離為h時的樣點數，Z（xi）和Z（xi+h）則是土壤有機質Z（x）在空間位置和（xi+h）處的實測值，方程可以反映土壤有機質空間變異性與各個影響因素的相互關系。

根據半方差函數的方法原理，利用Arc‐GIS10.2平臺，選擇與土壤有機質空間變異性有關的樣品點作為協變量，進行研究區域內土壤有機質的克里格方法內插值并生成高程曲面圖。

本文協調格里克原理與參數選取要求，用誤差較少的均方根來進行預測，標準均方根預測誤差最接近于1為最優差值標準，來檢驗插值產生的結果的精確程度。利用spss18.0對土壤有機質含量作描述性分析、相關性分析；采用GS+9.0進行半方差函數分析獲得變異函數；在Arcgis10.2作普通格里克內插值生成高程曲面圖[5]。

2結果與分析

2.1統計特征分析

應用經典統計學方法對研究區域內土壤有機質實測數據進行分析，得到土壤有機質的描述性統計表（1-2）。統計結果表明，2014年土壤有機質平均含量為2.3 g/kg，土壤有機質含量屬中等偏上水平。經處理后土壤有機質含量中位數是2.3 g/kg，比平均值低但與平均值相近。土壤有機質含量的偏度為0.6，所以土壤有機質樣本含量正偏，有機質含量峰度值3.6，數據分布符合正態分布。2019年，研究區土壤有機質平均含量為2.5 g/kg，土壤有機質含量也是中等水平，中位數是2.5 g/kg，也比平均值低但與平均值相近，土壤有機質含量的偏度為0.12，所以土壤有機質樣本含量正偏，有機質含量的峰度值2.5，符合正態分布。

變異系數cov體現了采樣空間參數的變異特征，展現研究區內變量的聚集情況。2014年土壤有機質的變異系數是45%，其標準差為1.1 g/kg時，變異程度處于中等級別。此外，經過K-S檢驗后證實土壤有機質含量變異符合正態分布（p> 0.05），符合地統計學原理條件。2019年土壤有機質變異系數35%，標準差為0.9 g/kg時，變異程度也處于中等級別，經過K-S檢驗后研究區域內土壤有機質含量變異同樣符合正態分布（p> 0.05），符合地統計學原理的條件[6]。

2.2空間變異特點分析

運用GS+9.0作出在各個方向上的半方差函數圖，進一步分析研究區域內土壤有機質的空間變異特點。結果表明，各個方向的變異程度都比較明顯，變異主要由地質地貌等自相關部分引起，主要原因是研究區域地勢北高南低，北部河流沉積物從東北向西南運移。

2.3結構性分析

普通克里格方法對研究區域土壤有機質進行插值制圖，繪制土壤有機質含量空間結構與標準誤差結構圖（圖5-6）。圖5-6結果表明研究區域內土壤有機質含量空間特征很明顯，與研究區域內各個地形變化具有相同性。土壤有機質呈塊狀分布，2014年中北方、西北方以及西南方土壤有機質含量較低，東北方、東南方含量較高。由東北方向西北方土壤有機質含量變異強烈，土壤有機質含量大幅降低；西南方向東南方土壤有機質含量變異程度相對穩定，總體呈緩慢增加的趨勢[7]。而在2019年，研究區域內土壤有機質含量總體分布比較均勻，含量最高位于東北方，含量高于6.4 g/kg，含量最低的地方位于西北方，含量低于0.3 g/kg；西向東土壤有機質含量變異比較明顯，含量先緩慢降低，再緩慢增加，然后趨向穩定；這與上述土壤有機質含量在不同方向的變異性存在明顯差異相吻合。

3討論與結論

一般而言，氣候、地貌、水文、植被等自然要素對土壤有機質影響作用較大[5]，而自相關環境因素可以在短期內引起土壤有機質的空間分布產生明顯地變異[6]。交通運輸、居民活動等對土壤有機質分布影響較小，地形地貌、土地利用方式、植被覆蓋度、區域方位、溫度濕度等自然要素決定土壤有機質形成和累積[7]。本文通過多點混合采樣及統計分析等方法對連續種植模式下粵北紅壤有機含量與變異特征深入研究，發現研究區域內土壤有機質含量空間變異性受地形因素影響較大，雖然2019年土壤有機質含量均值與中位數較2014年高，但地勢較高區域2019年土壤有機質含量與2014年土壤有機質含量相比有明顯降低，連續種植模式下地勢較低區域土壤有機質低于1.5 g/kg區域面積進一步增加?？傮w而言2019年乳源縣桂頭鎮土壤有機質含量較2014年有所下降，但空間變異性降低。

2014年桂頭鎮土壤有機質平均含量2.3 g/kg，中位數2.3 g/kg，有機質含量偏度為0.6，峰度值3.6，含量分布符合正態分布，變異系數45%。2019年桂頭鎮土壤有機質平均含量2.5 g/kg，中位數2.5 g/kg，有機質含量偏度為0.1，峰度值2.5，含量分布也符合正態分布，變異系數35%。2019年與2014年比較，土壤有機質含量均值與中位數有所提高，但連續種植模式下地勢較高區域土壤有機質含量有明顯降低，地勢較低區域土壤有機質也進一步降低，總體土壤有機質含量有所下降，但空間變異性降低。

參考文獻

[1]趙明松，張甘霖，李德成，等.江蘇省土壤有機質變異及其主要影響因素[J].生態學報，2013，33（16）：5 063.

[2]趙明松，張甘霖，王德彩，等.徐淮黃泛平原土壤有機質空間變異特征及主控因素分析[J].土壤學報，2013，50（1）：8.

[3]馬紅菊，付夢洋，代天飛，等.德陽旌陽區土壤有機質的空間變異性及其影響因素分析[J].西南農業學報，2016，29（6）：1 377.

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[5]肖怡，李珊，李啟權，等.瀘州煙區土壤有機質和全氮空間變異特征及其影響因素[J]西南農業學報，2016，29（8）：1 926.

[6]景莎，田靜，M.LukeMcCormack，等.長白山原始闊葉紅松林土壤有機質組分小尺度空間異質性[J].生態學報，2016，36（20）：6 450.

[7]張紅麗，權騰.基于遙感數據分析山西省土壤有機質空間分布[J].西部資源，2016（5）：147.基金項目：韶關市科技計劃項目（No.2018sn038，No.2018sn046）；韶關學院校級課題（No.SY2016KJ04）；韶關學院大學生創新項目（No.Sycxcy2019082）

[1廣東韶關學院英東生物與農業學院2廣東韶關市土壤土地工程技術研究中心張宇鵬1，2，肖素芬1，林昌華1，2，陳曉遠（通訊作者）1，2，高琳1，2，唐梁博1，2]