吳炳孫,孫 勇,王桂花,王晶晶
(1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所,海南 海口 571101;2.海南大學(xué)林學(xué)院,海南 海口 570228)
【研究意義】玉米南繁基地是以玉米為主的加代育種、繁種、制種、種子鑒定等工作的重要場(chǎng)所,土壤精準(zhǔn)施肥是玉米良好生長(zhǎng)的重要基礎(chǔ)。土壤速效氮是表征近期內(nèi)土壤氮素動(dòng)態(tài)與供氮能力的重要指標(biāo)[1],對(duì)植物的氮利用和吸收起直接作用[2-3],氮元素過(guò)少或過(guò)多均不利于植物生長(zhǎng)和根系發(fā)育,了解土壤速效氮含量的空間變異與分布,是氮肥精準(zhǔn)施肥的關(guān)鍵[4-6],也是玉米良好生長(zhǎng)的根本保障。土壤采樣是研究土壤速效氮含量空間變異的重要基礎(chǔ),其中根據(jù)不同間距布點(diǎn)采樣是土壤采樣的重要方法,采樣間距大小的設(shè)定直接影響土壤速效氮含量的空間變異表達(dá),合理的土壤采樣間距能反映土壤速效氮含量實(shí)際的空間變異性,并以此探明其空間分布。
【前人研究進(jìn)展】土壤是地球表面覆蓋的一層具有肥力、能使植物生長(zhǎng)的復(fù)雜體[7],由于受到自然因素和人為因素的影響,土壤屬性的空間分布極為復(fù)雜,具有空間變異性,且這種變異性具有尺度效應(yīng)。不同采樣間距或密度下所表征的空間變異特征不同,影響空間預(yù)測(cè)的精確性。在土壤養(yǎng)分方面,主要針對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)[8-11]和全氮[12-14]展開(kāi)研究,相關(guān)研究表明隨著采樣密度減少或采樣間距增大,采樣點(diǎn)減少,土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間自相關(guān)性呈減小變化,由隨機(jī)因素所引起的空間變異性逐漸增強(qiáng),結(jié)構(gòu)變異逐漸減弱,空間預(yù)測(cè)精度逐漸降低;且當(dāng)小于最佳采樣密度或大于采樣間距時(shí),空間變異的局部細(xì)節(jié)信息易被過(guò)濾,不能準(zhǔn)確地表現(xiàn)實(shí)際空間變異特征,同時(shí)空間預(yù)測(cè)精度有所下降。此外,土壤水分的相關(guān)研究也表明,土壤采樣間距或密度對(duì)土壤水分的空間變異解析和空間預(yù)測(cè)精度均有顯著影響。趙文舉等[15]分析了土壤采樣間距對(duì)壓砂地棗樹(shù)土壤水分空間變異解析的影響,發(fā)現(xiàn)隨著采樣間距增大,采樣點(diǎn)減少,土壤含水量的塊金值(Nugget,C0)不斷增大,變程(Range)不斷減小,空間分布形態(tài)逐漸平坦化,空間預(yù)測(cè)不確定性增大;張?jiān)娖畹龋?6]發(fā)現(xiàn)隨著采樣密度的增大,土壤含水量的空間分布特征趨于明顯,更能體現(xiàn)實(shí)際空間分布情況。【本研究切入點(diǎn)】目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮及水分等土壤屬性空間變異表達(dá)與采樣間距或密度關(guān)系展開(kāi)了大量研究,明確了合理的采樣間距或密度能夠反映土壤屬性實(shí)際空間變異規(guī)律,并以此繪制出土壤屬性精確的空間分布圖,節(jié)省人力、財(cái)力與物力[15],目前采樣間距對(duì)土壤速效氮空間變異解析影響的相關(guān)研究仍鮮有報(bào)道。位于海南三亞的玉米南繁基地是我國(guó)重要的玉米研究基地,該基地常年以玉米南繁育種為主,在生產(chǎn)上具有耕作單一、田塊連片和土壤管理統(tǒng)一等特點(diǎn),亟需確定合理的采樣間距,以真實(shí)反映其土壤速效氮含量空間變異性。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以海南三亞典型玉米南繁基地土壤速效氮為例,以10 m 采樣間距為原始尺度,依次設(shè)置20、30、40 m 不同采樣間距,探討采樣間距對(duì)土壤速效氮含量空間變異特征與空間預(yù)測(cè)精度的影響,確定合理的采樣間距,旨在為玉米南繁基地土壤采樣布置提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)地為海南省三亞崖州區(qū)的吉林省南繁基地(18°22′55″N、109°12′13″E)。基地位于海南島南端,寧遠(yuǎn)河下游開(kāi)闊地帶,地勢(shì)平坦,土壤類型為磚紅壤,屬熱帶海洋季風(fēng)氣候,光熱條件優(yōu),年平均氣溫25.4 ℃,年平均日照2 572.8 h,年均降水量為1 200 mm,干濕季明顯,11 月—4 月為干旱季,7—10 月為雨季。在基地選取連片常年玉米南繁地塊為試驗(yàn)樣地,面積為3.28 hm2。
試驗(yàn)采用網(wǎng)格法將樣地劃分為10 m×10 m 樣方進(jìn)行采集土樣。2021 年3 月,在玉米收獲后,以每個(gè)樣方的中心點(diǎn)為圓心,1 m 為半徑,按四等份用土鉆采集4 個(gè)點(diǎn)位土壤表層(0~ 20 cm)土樣,并充分混合,形成各樣方的土壤樣本,共采集313 個(gè)土壤樣本,同時(shí)在樣地均勻布置驗(yàn)證樣點(diǎn),共采集20 個(gè)驗(yàn)證樣點(diǎn)土壤表層(0~20 cm)土樣(圖1)。土樣經(jīng)自然風(fēng)干后研磨過(guò)篩用于測(cè)定土壤速效氮指標(biāo),土壤速效氮含量采用堿解蒸餾法測(cè)定[1]。

圖1 樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of sampling points
地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析發(fā)現(xiàn),如果采樣間距過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致采樣點(diǎn)過(guò)少,導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析不可靠。因此本試驗(yàn)設(shè)置采樣間距為10、20、30、40 m,并分析其對(duì)土壤速效氮含量空間變異的影響,即在采樣間距為10 m、313 個(gè)原始采樣點(diǎn)的基礎(chǔ)上分別在東西南北4 個(gè)方向,依次按間距20、30、40 m 抽取采樣點(diǎn),樣點(diǎn)數(shù)目分別為81、42、25 個(gè),形成不同采樣間距數(shù)據(jù)集。
1.4.1 變異函數(shù)及分形維數(shù) 變異函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用最廣泛的空間格局描述的基本工具[17-19]。通過(guò)半方差函數(shù)與取樣間隔可獲得某研究要素的變異函數(shù)圖,擬合理論模型便得到基臺(tái)值(Sill,C0+C)、塊金值、塊基比[C0/(C0+C)]和變程等描述空間變異重要參數(shù),其中基臺(tái)值表示變量在空間上的總變異性大小,塊金值反映隨機(jī)因素引起的空間變異,變程表示空間變異的范圍,塊基比可衡量變量的空間結(jié)構(gòu),該比值<0.25 時(shí),表明變量空間相關(guān)性較強(qiáng);在0.25~0.75 之間時(shí),表明變量空間相關(guān)性中等;當(dāng)>0.75 時(shí),表明變量空間相關(guān)性較弱。其半方差函數(shù)計(jì)算公式如下:
式中,r(h)為半方差函數(shù)值;N(h)為間距為向量h的點(diǎn)對(duì)總數(shù);Z(xi)為區(qū)域化變量Z在xi處的實(shí)測(cè)值;Z(xi+h)是與xi距離為向量h處樣點(diǎn)的值。
分形維數(shù)(Fractal dimension,D)是度量土壤變量空間異質(zhì)性特征的重要參數(shù),用來(lái)表示變異函數(shù)曲線的曲率,可作為樣本隨機(jī)變異的度量。D值越小,表示土壤特性之間的隨機(jī)變異越小;D值越大,表示土壤特性之間的隨機(jī)變異越大。分形維數(shù)D 計(jì)算公式如下[20]:
式中,m為半方差曲線圖的斜率。
1.4.2 空間自相關(guān)分析 空間自相關(guān)是指一定空間區(qū)域內(nèi)某事物同一屬性值之間的空間相關(guān)性,全局莫蘭指數(shù)(Moran′s Index,Moran′sI)是空間自相關(guān)分析的重要指數(shù),可反映土壤速效氮含量在整個(gè)試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)的空間聚集程度,計(jì)算公式如下[21]:
式中,I為莫蘭指數(shù);n為土壤速效氮含量空間的區(qū)域數(shù);xi為第i個(gè)區(qū)域內(nèi)的土壤速效氮含量;xj為第j個(gè)區(qū)域內(nèi)的土壤速效氮含量;為研究區(qū)域的土壤速效氮含量的平均值;wij為空間權(quán)重矩陣。
Moran′sI經(jīng)過(guò)方差歸一化之后,其值范圍在[-1,1]之間。若Moran′sI>0,表示土壤速效氮含量在研究區(qū)域存在空間正相關(guān),其值越大,表示空間相關(guān)性越明顯;Moran′sI<0,表示土壤速效氮含量在研究區(qū)域存在空間負(fù)相關(guān),其值越小,表示空間差異越大;Moran′sI=0,表示土壤速效氮含量在研究區(qū)域不存在空間自相關(guān)性,呈隨機(jī)分布。
1.4.3 空間預(yù)測(cè)精度分析 為定量評(píng)價(jià)不同采樣間距下的空間插值效果,統(tǒng)一采用驗(yàn)證樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,即以不同采樣間距的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)驗(yàn)證樣點(diǎn)土壤速效氮含量進(jìn)行空間預(yù)測(cè),對(duì)比驗(yàn)證樣點(diǎn)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的偏離程度,評(píng)價(jià)不同采樣間距的空間預(yù)測(cè)精度。選擇均方根誤差(Root mean square error,)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),值越小,表明預(yù)測(cè)的精度越高。
式中,為預(yù)測(cè)值,yi為實(shí)測(cè)值,n為樣本數(shù)量。
采用±3S 法剔除異常值(為原始數(shù)據(jù)平均值,S 為標(biāo)準(zhǔn)差),異常值分別用正常最大值和最小值代替;數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)、方差分析、正態(tài)分布檢驗(yàn)等采用SPSS13.0 軟件;利用GS+9.0 軟件進(jìn)行空間變異特征分析及半方差函數(shù)擬合;利用ArcGIS10.4 進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間預(yù)測(cè)分析;利用GeoDa 1.18.0 軟件進(jìn)行空間自相關(guān)分析。
不同采樣間距條件土壤速效氮含量的描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示,本試驗(yàn)區(qū)所有樣點(diǎn)土壤速效氮的平均含量為90.24 mg/kg,按全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[22],介于90.00~120.00 mg/kg之間,屬中等水平;變異系數(shù)為19.77 %,依變異系數(shù)劃分等級(jí)[23],處于10 %~100 %中等變異范圍。各采樣間距土壤速效氮含量平均值存在一定差異,介于86.97~90.24 mg/kg,整體上隨著采樣間距增大而減少,但經(jīng) SPSS 單因素均值比較發(fā)現(xiàn),不同采樣間距土壤速效氮的均值含量差異不顯著;各采樣間距土壤速效氮的變異系數(shù)存在一定的差異,其中以20 m 采樣間距的變異系數(shù)最大、為29.37 %,而其他采樣間距的變異系數(shù)較為集中,介于19.77 %~24.14 %。采用S-W 方法檢驗(yàn)不同采樣間距土壤速效氮含量的正態(tài)分布性發(fā)現(xiàn),除20 m 采樣間距呈近正態(tài)分布外,其他采樣間距呈正態(tài)分布,說(shuō)明20 m 采樣間距對(duì)采樣數(shù)據(jù)的變異有較大影響。

表1 不同采樣間距的土壤速效氮含量Table 1 Soil available nitrogen contents at different s ampling intervals
不同采樣間距的土壤速效氮含量全局自相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)表2。采用蒙特卡洛迭代法(迭代次數(shù)為999 次)對(duì) Moran'sI系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)10 m 和20 m 的采樣間距Z值均大于 1.96,P值均小于 0.01,而其他采樣間距Z值均小于 1.96,P值均大于 0.05,說(shuō)明僅10、20 m 的采樣間距 Moran’sI系數(shù)達(dá)到極顯著性,表現(xiàn)出0.01 顯著的空間聚集性。10、20 m 的采樣間距條件下的土壤速效氮含量的Moran’sI均大于0,從全局角度來(lái)看,土壤速效氮含量在不同采樣間距的空間尺度內(nèi)具有一定的空間正相關(guān)分布,即土壤速效氮含量高的土壤周圍土壤速效氮含量也較高。此外,土壤速效氮的 Moran’sI值隨著采樣間距增大呈減少趨勢(shì),說(shuō)明在本研究中,隨采樣間距增大,采樣點(diǎn)減少,土壤速效氮含量的空間自相關(guān)性呈減小變化,其空間聚集性變?nèi)酢?/p>

表2 不同采樣間距土壤速效氮含量 Moran’s I 和蒙特卡洛假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 Moran’s I of soil available nitrogen contents at different sampling intervals and results of Monte Carlo hypothesis test
根據(jù)決定系數(shù)(r2)較大原則[23],分別對(duì)不同采樣間距土壤速效氮含量的半方差函數(shù)模型進(jìn)行最優(yōu)擬合,不同采樣間距下土壤速效氮含量的半方差函數(shù)及分形維數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。在不同采樣間距下,土壤速效氮含量的半方差函數(shù)理論模型均符合指數(shù)模型;土壤速效氮含量的塊金值隨著采樣間距增大而呈增加趨勢(shì),即由隨機(jī)因素(人為施肥、耕作等)引起的空間變異也隨之增加,表明隨著采樣點(diǎn)減少,采樣間距增大,土壤速效氮含量的小尺度(采樣密度大)空間結(jié)構(gòu)逐漸被大尺度(采樣密度小)所掩蓋;在不同采樣間距下,土壤速效氮含量空間變異的變程介于40~60 m 之間,總體相差不大,且均大于采樣間距,說(shuō)明在本研究中采樣間距對(duì)土壤速效氮含量空間變異的變程沒(méi)有顯著影響,且所設(shè)定的采樣間距均在空間相關(guān)距離范圍內(nèi),具有統(tǒng)計(jì)分析的意義;土壤速效氮含量的塊基比隨著采樣間距增大而升高,在原始尺度10 m 采樣間距下最小、僅為13.51 %,具有較強(qiáng)空間結(jié)構(gòu)性,而在40 m 采樣間距最大尺度下最大、為 26.56 %,空間相關(guān)性為中等。表明隨著采樣間距的增大,其隨機(jī)因素所引起的空間變異逐漸增多,當(dāng)總變異變化不大時(shí),隨機(jī)因素逐漸削弱結(jié)構(gòu)因素(土壤母質(zhì)、地形等自然因素)引起的空間變異,使空間相關(guān)性逐漸變?nèi)酢?/p>

表3 不同采樣間距土壤速效氮含量的半方差函數(shù)及分形維數(shù)Table 3 Semi-variogram and fractal dimension of soil available nitrogen contents at different sampling intervals
除空間自相關(guān)和變異函數(shù)外,不同采樣間距土壤速效氮含量的空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還可采用分形維數(shù)定量描述。由表3 可知,土壤速效氮含量的D值隨著采樣間距的增大而呈現(xiàn)增大變化,介于1.838~1.982,以10 m 采樣間距原始尺度下D值最小,該尺度下主要反映結(jié)構(gòu)因子引起的空間變異,隨機(jī)變異比例較少,而較大采樣間距尺度的D值均比原始尺度大,表明隨機(jī)因素所引起的空間變異比例增大,逐漸削弱結(jié)構(gòu)因素引起的空間變異,這與上述土壤速效氮含量的塊基比研究結(jié)果類似。
根據(jù)各采樣間距半方差模型擬合參數(shù),采用 Kriging 插值法得到不同采樣間距下的土壤速效氮含量空間分布圖(圖2)及面積占比結(jié)果(表4),表明不同采樣間距下的空間分布總體趨勢(shì)相同,但隨著采樣間距的增大,低值與高值趨向中值,其分布態(tài)趨于“向中心化”。采樣間距為20 m 時(shí),除了高值與低值分布面積略高外,整體與采樣間距為 10 m 的空間分布一致,可以較好地表征土壤速效氮的空間分布特征,而當(dāng)采樣間距為 30 m 和40 m 時(shí),相較于前兩個(gè)采樣間距,其分布特征更趨向中值化,不能表征土壤速效氮含量的實(shí)際空間變異特征。如圖3 所示,隨著采樣間距的增加,散點(diǎn)分布越遠(yuǎn)離1∶1 線,值逐漸增大,預(yù)測(cè)值越遠(yuǎn)離實(shí)測(cè)值,其中采樣間距20 m 的值最小(18.14 mg/kg),說(shuō)明短采樣間距下的預(yù)測(cè)精度比長(zhǎng)采樣間距下預(yù)測(cè)精度高,其中采樣間距為20 m 的預(yù)測(cè)精度最高,表明本研究中采樣間距以20 m 為最優(yōu)。

表4 不同采樣間距土壤速效氮含量面積比例統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of area of soil available nitrogen contents at different sampling intervals

圖2 不同采樣間距土壤速效氮含量空間分布Fig.2 Spatial distribution of soil available nitrogen contents at different sampling intervals

圖3 不同采樣間距下驗(yàn)證點(diǎn)土壤速效氮含量的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比Fig.3 Comparison of measured and predicted values of soil available nitrogen contents in verification points at different sampling intervals
本研究探討了不同采樣間距對(duì)玉米南繁基地土壤速效氮含量空間變異性的影響,結(jié)果表明采樣間距變化對(duì)土壤速效氮樣本數(shù)據(jù)、空間變異及空間預(yù)測(cè)等方面均有影響。本研究中采樣間距變化對(duì)土壤速效氮含量均值、最大值、最小值等樣本數(shù)據(jù)集參數(shù)的影響較小,這與以往對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)[7-11]、全氮[12-14,24]等土壤養(yǎng)分的研究結(jié)果一致,但對(duì)變異系數(shù)的影響有別于土壤有機(jī)質(zhì)、全氮等土壤養(yǎng)分研究結(jié)果,這可能與研究尺度及采樣數(shù)量有關(guān),土壤有機(jī)質(zhì)、全氮等研究尺度為縣域以上區(qū)域,采樣數(shù)量大,樣品數(shù)據(jù)集量大,變異系數(shù)更趨向穩(wěn)定,而本研究樣地為田間地塊,面積小,采樣數(shù)量相對(duì)小,樣品數(shù)據(jù)集小、易變異。
不同采樣間距或采樣密度條件下土壤屬性空間變異解析具有差異性[14-16,24],且存在空間變異尺度效應(yīng)。本研究結(jié)果表明,隨采樣間距增大,采樣點(diǎn)減少,Moran'sI值呈減少趨勢(shì),土壤速效氮含量的空間自相關(guān)性呈減小變化,其空間聚集性變?nèi)酰@與張世文等[8]、陳濤等[14]對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的研究結(jié)果一致,土壤養(yǎng)分的空間自相關(guān)性隨著采樣間距增大逐漸變?nèi)酰煌瑯樱S采樣間距增大,基臺(tái)值圍繞固定值波動(dòng),塊金值、變程、塊基比和分形維數(shù)等變異參數(shù)呈增大趨勢(shì),說(shuō)明總體變異變化不大時(shí),其隨機(jī)因素所引起的空間變異逐漸增多,隨機(jī)因素逐漸削弱結(jié)構(gòu)因素引起的空間變異,使空間相關(guān)性逐漸變?nèi)酰@與大部分研究成果一致[8-11,14-15,24-25],隨著采樣間距增大,反映隨機(jī)因素所引起的空間變異的比重逐漸增大,結(jié)構(gòu)變異比重有所降低。
一般來(lái)說(shuō),土壤采樣間距越小,所得結(jié)果越能準(zhǔn)確揭示土壤屬性空間變異的信息,其空間預(yù)測(cè)精度越高[26-29],但受人力和物力等因素影響,采樣間距不可能無(wú)限縮小,因此需尋求既能反映實(shí)際空間變異又能兼顧空間預(yù)測(cè)精度的合理采樣間距。土壤屬性合理采樣間距的大小與研究區(qū)域尺度關(guān)系密切。趙倩倩等[30]研究表明,土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀在縣域尺度的合理采樣間距分別為1 352、1 500、1 354 m;在田塊尺度上,趙文舉等[15]研究表明,在田間小尺度土壤含水量的合理采樣間距為8 m。本研究為南繁田塊小尺度,其20 m 采樣間距的土壤速效氮含量空間變異特征和空間分布與10 m 采樣間距原始尺度相似,且空間預(yù)測(cè)精度最高,是本研究表征土壤速效氮含量空間變異較為合理的采樣間距,相比10 m 采樣間距原始尺度可大大減少采樣工作量。
(1)研究區(qū)域的土壤速效氮平均含量為90.24 mg/kg,屬中等水平,變異系數(shù)為19.77 %,屬中等變異范圍;在各采樣間距中,20 m 采樣間距的土壤速效氮含量變異系數(shù)最大,對(duì)采樣數(shù)據(jù)的變異有較大的影響,而其他采樣間距的變異系數(shù)基本未變,對(duì)采樣數(shù)據(jù)的變異影響較小。
(2)隨著采樣間距的增大,采樣點(diǎn)減少,Moran'sI值逐漸降低,土壤速效氮含量的空間自相關(guān)性呈減小變化,其空間聚集性變?nèi)酰煌寥浪傩У康膲K金值、塊基比與分形維數(shù)呈增加趨勢(shì),其隨機(jī)因素所引起的空間變異逐漸增多,隨機(jī)因素逐漸削弱結(jié)構(gòu)因素引起的空間變異,使空間相關(guān)性逐漸變?nèi)酢?/p>
(3)在各采樣間距中,20 m 采樣間距的土壤速效氮含量空間分布圖與10 m 采樣間距原始尺度一致,可以較好地表征土壤速效氮含量的空間分布特征,同時(shí)RMSE值為最小,空間預(yù)測(cè)精度最高,表明20 m 是本研究中玉米南繁基地較為合理的采樣間距。本研究明確了玉米南繁基地合理的土壤速效氮采樣間距,有效提高了土壤速效氮含量空間預(yù)測(cè)精度,為氮肥精準(zhǔn)施用提供數(shù)據(jù)支撐。