（作物栽培学与耕作学专业论文）基于GIS的冀西北高原土壤性状空间变异及作物优化配置研究.pdf

摘要 冀西北坝上高原地势波状起伏，存在质地、养分等土壤理化性状的空间分异，为 进一步提高土地生产能力，必须科学认识土壤各主要特性在空间的变异特征，以优化 布局作物。本项目在前人研究基础上，运用地理信息系统( g i s ) 技术和地统计学方 法，分析了冀西北坝上波状高原地貌下小流域农田土壤肥力因素和质地的空间变异 性，探讨了海拔、坡度、坡向等地形因子与土壤各种理化性状分布的相关关系，并在 此基础上结合田间测产数据对研究样区的土地利用进行了尝试性规划，为区域合理进 行土地保护与作物配置提供了理论及技术依据。 主要研究结果如下： 1 对研究样区土壤肥力因素和质地进行了传统统计分析，并与全国第二次土壤 普查的养分分级标准比较结果表明，采样区主要肥力因素量值多集中在中等及较缺水 平；速效磷含量更低，样区土壤较为贫瘠。有机质、全氮、速效磷和速效钾四种肥力 因素的变异系数均为中等强度。采样区土壤质地总体表现出在0 - - 4 0c i l l 范围内随土层 的加深而变细，保水保肥性逐渐增强。0 - - 6 0t i n 各土层物理性粘粒含量的变异系数也 均为中等强度，但随土层的加深变异系数逐渐增大。由分形维数表征的质地状况经典 统计结果与物理性粘粒比例状况相近。 2 研究明确了样区土壤肥力因素和质地的空间变异特征。采用地统计学方法分 析表明，研究区有机质、全氮和速效磷的理论模型很好的符合指数模型，速效钾很好 的符合球状模型，残差值均较小。四种土壤肥力因素除速效磷为中等空间自相关且与 海拔相关性差外，其余均具有强烈的空间自相关性并与海拔存在很强的负相关关系， 均达极显著水平。四者与坡度及坡向的相关性很小且不显著，变程范围均大于取样间 距。 同一土层，除粒径2 1i n l t l 的砾石外，其它各粒级土壤颗粒的空间分布均与海 拔存在较强的相关关系，且均达极显著水平。不同土层，同一粒径颗粒随着土层的加 深，其与海拔变化的相关系数绝对值变小，相关性变差。土壤中各粒径砾石的空间分 布与坡度和坡向的相关性很小且不显著。物理性粘粒含量，除肛1 0c n l 土层的理论模 型很好的符合指数模型外，其余各层都很好的符合球状模型，残差值均接近零。除 2 0 , , - 3 0 、3 0 - , 4 0c m 两层为中等程度，其它各层均具有强烈的空间自相关性。各土层的 变程随土层的加深逐渐增大并均大于取样间距。物理性粘粒含量变化均与海拔存在较 大的负相关关系并均达极显著水平，同坡度和坡向的相关性很小。土壤分形维数的空 间变异也与土壤物理性粘粒的情况相似。 3 对研究区作物分布与规划配置分析表明，在2 1 9 9h m 2 样区总耕地面积中，当 前种植的甜菜、莜麦、马铃薯、饲用玉米和红芸豆五种作物所占的比重分别为3 2 9 3 、 3 6 8 8 、5 3 9 、5 6 1 和1 9 1 9 ；选择区域标志性土壤肥力指标i f , d 0c m 表层土壤 的物理性粘粒含量进行农田区划共分为4 级：第1 级，土壤物理性粘粒含量 3 0 ； 第2 级，2 5 3 0 ：第3 级，2 0 - - , 2 5 ；第4 级， 3 0 ；t h e2 n dl e v e l ，2 5 - 3 0 ；t h e3 r dl e v e l ，2 0 , - - 2 5 ； t h e4 t hl e v e l ， 2 0 ，s h o w e dt h a tt h ep l o t s1 4t h ep r o p o r t i o no fc u l t i v a t e dl a n dw e r e 3 3 2p e r c e n ta n d2 6 3 9p e r c e n t 3 2 16p e r c e n ta n d3 8 13p e r c e n t b e e t , n a k e do a t sa n d f o r a g em a i z ec r o py i e l dw i t ht h es e al e v e lr i s e ，d e c l i n ei na r a b l el a n df e r t i l i t y , r e d u c i n g o u t p u t r e dk i d n e yb e a n sa n dp o t a t o e so ft h e1 2 i g h e s ty i e l di nt w oo fa r a b l el a n d ，a n db y1 ， 3a n d4w e r el o w e r c o m p a r a t i v es t u d i e so f c r o pa r o u n dt h ea l l o c a t i o no fp l o t so ft h et o t a l n e ti n c o m e s h o w e dt l l a tt h ef i t n e s so fc r o p ss u i t a b l ef o rl a r g e s c a l ep r o d u c t i o nw i t h4 8 5 4 p e r c e n to f t h es y n e r g i s t i cp o t e n t i a l k e yw o r d ：n o r t h w e s to fh c b e i ；t e r r a i nf a c t o r , s p a t i a lv a r i a t i o n ；g e o s t a t i s t i c ；s o i lp a r t i c l e n u t r i e n t ；c r o pd i s p o s i t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特i i j i i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑皇垦壅些盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：认当炭永 签字日期： 力口矿年舌月j 7 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑皇垦盔些盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑皇垦壅些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：认多良东 签字日期：如睁月j 2 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师躲嘶浒 签字日期：炒子年6 月f 易日 电话： 邮编： 基于g i s 的冀两北高原十壤性状空间变异及作物优化配置研究 1 1 选题背景与目的意义 1 引言 土地资源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，是进行农业生产的最基本物质条件，同时 土地又是一种增量刚性限制的资源，一个国家或地区的土地数量是一定的。随着世界人口的不断 膨胀和人们生活水平的不断提高，人类对农产品的需求量也在不断增加，粮食危机时刻牵动着世 界的神经。 扩大耕地面积和提高单位面积产量一直是增加农产品供应的两个主要手段。由于各国的国情 不同，所采取的举措也各异。其中广大发展中国家由于人口迅速增长造成的对粮食的大量需求， 及相对落后的科技水平，迫使他们主要通过不断扩大耕地面积来满足人民的需求，这导致大量森 林、草原等自然植被的损耗，破坏了生态平衡，进一步导致洪涝、干旱等自然灾害频繁发生，土 地沙漠化愈演愈烈。而依靠科技的力量，谋求对土地资源的高效利用是减少破坏，实现人与自然 和谐共存、可持续发展的必然要求。本试验选定的研究区域冀西北高原就是一个人类发展同 生态平衡矛盾尖锐的地区。 冀西北高原土地超载运行，资源低效利用，经济贫困落后。坝上地区目前人口密度为每平方 公里6 0 , - 8 0 人，超过国际资源人口承载力标准中半干旱地区人口密度每平方公里2 0 2 5 人的 1 4 - - 3 0 倍。畜群存栏量3 2 0 万个羊单位，超过该地区理论载畜量的l 3 。农业生产粗放经营、广 种薄收：牧业生产以放牧为主，草场退化严重。人畜超载的直接后果是对土地的强度耗取式利用， 以满足当前该地区经济社会的发展。这种不合理的生产方式及土地强度利用直接造成土地资源退 化、生态环境恶化【1 】。据陈志清，朱震达的研究结果：河北坝上地区从1 9 7 8 年到1 9 9 6 年1 8 年间， 土地沙化面积增加了近一倍。从2 0 0 0 年起国家为治理风沙改善生态环境在这一地区大力开展了 退耕还林还草工程，计划退耕还林还草3 0 0 余万亩，近区域耕地面积的4 0 t 2 1 。退耕还林还草工 程使环境得到改善的同时，农民的人均耕地数量却减少了，从一定程度上影响了他们的收入。退 耕还林还草工程存在着局部经济效益与全局生态效益的矛盾，这个矛盾如果不能很好的解决，就 势必影响“一退双还”的实施效果。解决这个矛盾的出发点就是以科学的手段合理利用当地的土 地资源特别是耕地资源，使其在数量减少的情况下，产值降低较少甚至不降低，真正做到“退得 下、还得上、稳得住、能致富” 3 1 。 一个区域的土地资源特点是对其进行合理利用的基础。冀西北高原位于内蒙古高原南缘，地 势波状起伏，存在海拔、坡度和坡向等地形差异，这必然导致质地、养分等土壤理化性状的空间 分异。同时当地种植的各种作物对土壤特性的要求又不尽相同，这就需要对其进行合理配置。而 当地从事农耕的历史不过百年，大规模的垦殖更只有几十年。当地农民主要通过多年总结的经验 从事农业生产，这种生产方式是数代劳动人民智慧的结晶，大体上符合当地耕地资源特点，有其 科学性，但要进一步提高土地生产能力，就必须科学认识土壤各主要特性在空间的变异情况，按 照土壤特性精准布局作物生产。伴随现代科技的发展，以3 s 技术为基础的精准农业的兴起，为 这一方面的研究与生产实践提供了手段。 本试验在前人研究的基础上，运用地理信息系统( g i s ) 技术和地统计学方法，研究冀西北 1 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 坝上波状高原地貌下小流域农田土壤养分和质地的空间变异性，探讨海拔、坡度、坡向等地形因 子与土壤各种理化性状分布的相关关系，以为土壤养分综合管理、土壤改良和作物配置提供决策 支持，并在此基础上结合田间测产数据对研究区的土地规划做出新的尝试。 1 2 国内外相关领域研究进展 1 2 1 土壤养分空间变异的研究进展 土壤养分空间变异是精准农业发展的基础与技术需求的来源。精准农业( p r e c i s i o na 咖c u l t u r e ) 是二十世纪九十年代以来由发达国家首先提出的，其含义是针对田间每一操作单元的具体情况， 因地制宜、精细准确地调整土壤和作物管理措施，最大限度地优化各项农业投入，以获取最佳的 产量和效益，保护农业生态环境，促进农业可持续发展。 近年来，随着精准农业的发展，要求快速、有效地采集和描述影响作物生长环境的空间变异 信息 4 1 。土壤空间变异的研究，可以为提高田间信息采集精度，减少采样数目和降低采样成本提 供理论基础和方法指导：同时，通过研究不同尺度下土壤特性的空间变异，阐述其空间变异的尺 度效应，实现不同空间尺度的转化，为进一步提高田间采集信息的效率、改善农田质量和实现农 田的精细管理提供依据。 土壤特性变异是普遍存在的，其变异来源包括系统变异和随机变异两种。其中，自然过程( 地 形、母质、土壤类型) 是土壤特性空间变异的内在驱力，它有利于土壤属性空间变异结构性的加强 和相关性的提高，尤其是在较大的尺度水平上表现更为明显；而人为过程如施肥、耕作措施、种 植制度则是土壤特性变异的外在影响因素，表现为较大的随机性，它往往对变量空间变异的结构 性和相关性具有削弱作用，使土壤特性的空间分布朝均一方向发展，尤其是在小尺度水平上更为 强烈。 一些研究结果表明，土壤中大量和微量元素的空间变异性。取决于土壤母质的性质和地形位 置，并与气候、大气沉降、降雨和农业措施等有关。母质差异在解释土壤空间变异性时较地形位 置更为重要。土壤母质对土壤特性变异有较大影响。土壤母质是土壤形成的基础，往往由于母质 的差异而致使土壤特性存在着较大的变异，母质差异小，土壤特性空间变异也小。一般认为，在 没有人为因素影响的情况下，母质养分含量高，土壤中养分含量也会较高。但在特定区域内，由 于气候条件等比较一致，经过长期比较一致的种植和管理后，土壤特性空间变异将趋于缓和，即 由于母质差异等引起的变异逐渐减小，可形成表面上大致一致的区域。 地形与土壤特性变异有直接的关系。地形影响水热条件和成土物质的再分配，因而不同地形 位置有着不同的土壤特性。目前的研究结果表明，地形对土壤肥力和有效水有较大影响，在坡度 相似的位置，土壤特性趋于相似。在复杂的丘陵地区，土壤物理特性如粘粒含量、砂粒含量和p h 与地形位置均有高度的相关性；土壤有机质随山坡位置变化而变化。地形是影响n 0 3 - n 的重要因 素，相比较而言，土壤中的磷与地形的相关性较差p j 。 人类活动对土壤特性变异也有较大影响。农业生产中的施肥( 化肥或有机肥) 、作物品种、灌 溉及其它的一些生产管理措施都是使土壤特性产生较大变异的因素。作物对养分的吸收、养分本 身在土壤剖面中的淋洗及土壤酸碱调节剂的应用都会引起土壤特性的空间变异。在土壤免耕和肥 2 基于g i s 的冀西北高原土壤性状空间变异及作物优化配置研究 料条施情况下，由于作物残茬、相对不易移动的磷等肥料及养分残留在土壤中分布不均匀性的增 加，致使土壤肥力特性变异增大；对于己知或未知的肥料条施位置的土壤，采取充分代表小范围 ( 如几米) 的土壤样品趋于困难。沿着平行磷肥条_ 施带采集土壤样品，土壤磷测试值比较一致；而 沿着垂直磷肥条施带采集土壤样品，土壤磷测试值的变异较大，这取决于肥料用量和磷肥条施的 带距。在上述情况下，完全随机取样能充分反映地块中磷的肥力状况，并可避免过高估计磷肥条 施带的影响及降低成本，而j a m e s 和h u r s t 认为，不宜采取完全随机取样方法，合理的取样方法 应是权衡分配带内和带间的取土钻数。对于种植和施肥历史长的表面上一致的大地块，按土壤类 型和以前的管理措施( 如耕作制度、化肥或有机肥用量) 把该地块划分成若干取土单元，然后从每 个取土单元内采取1 个混合土壤样品，不过这种采样方法对于p 来说代表性不够强。 1 2 2 分形理论在土壤颗粒组成研究中的进展 从2 0 世纪8 0 年代起。分形理论作为研究不规则物体的有力工具而被应用到土壤学科，它解 决了许多微观和宏观领域中的复杂问题。土壤由于内部的物理、化学、生物等过程的相互影响以 及各种地质过程和人为措施的干扰，导致土壤在形态、结构、功能等方面表现为复杂的自然体。 研究【l 表明，土壤是具有分形特征的系统，由形状和大小各异的颗粒组成的土壤结构，表观上反 映出不规则的几何形体。近十多年来，国内外学者应用分形理论对土壤结构的研究己取得了很大 进展【9 - 1 4 1 。 1 2 2 1 国外研究进展 土壤颗粒机械组成是土壤最基本的物理属性之一，常被用来描述土壤质地状况结构性质、预 测和模拟土壤水力特性参数。t u r c o t t e t s l 等( 1 9 8 6 ) 研究了土壤颗粒分形现象，提出了分散介质颗粒 的数量与介质粒径的分形关系为： n rf d _ c o n s t a n t 式中，届为第f 粒级的颗粒半径；为粒径大于冠颗粒的数目；d 为分形维数。在1 9 8 6 年t u r c o t t e 分析了2 1 种土壤样品，d 值都接近3 。t y l e r 和w h e a t c r a f t 于1 9 8 9 年应用土壤机械分析的数据， 对上式求导，得出了i n n 和l n r ，的关系曲线，并确定出土壤分形维数d ，同时还得到了粒径分形 维数d 较和孔隙分形维数d 孔的关系d 往= 2 + d 孔。t y l e r 和w h 既t c r a n 【t 6 等进一步对土壤特性的分 形特征进行了研究，提出了改进的粒径分布分形模型，采用粒径的重量分布来表征土壤的分形， 从而大大简化了参数的测定，增强了模型的实用性。其土壤粒径分布分形模型为： 僻肛。j 所俄 式中用、兄。分别为第f 粒级和最大粒级土壤颗粒的平均直径；孵、昵分别为f 粒级土粒的重量 和各粒级重量总和。这一关系简化了土壤粒径分布分形维数的计算，并通过分析可得出分形维数 的物理意义：0 d 3 ；当d = 0 时，土壤由单一尺寸的颗粒组成；d 越大表明土壤质地越细。 c o h e n 和k n i g h t 量测了7 种土的表面面积和其尺寸分布，研究表明土壤颗粒表面具有很好的 分形特征。s e r r a 经对放大的粘土图片分析，得到了土壤颗粒表面分形维数值为2 5 4 到2 8 0 之间。 p f e i f e r 和a v n i r 等将分形理论用于颗粒材料和多孔材料表面几何特征的描述，揭示了颗粒材料表 面的分形现象，找到了吸附法测量其表面分形维数的方法，证实了土壤颗粒表面在一定微观尺度 下具有自相似分形结构。a l e x a n d r ak r a v e h e n k o 和r e n d u oz h a n g i i t 根据土壤孔隙与土粒之间关系 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 以及分形学原理，采用积分法推导出了土壤的颗粒粒级质量、粒径与土粒表面分形维数的关系式 0 s q 9 为： 形( r ) = c x r 5 d43d 1 3 d1 4 d 。一+ z 一+ 式中，r 为土粒直径，形为粒径小于等于r 的土粒的累积质量，c 为系数，d 是土粒表面的分形 维数。该方法的优点是求出的分形维数d 有明确的分形学意义，是土粒表面的分形维数( 其拓扑 维数为2 ) 应介于2 3 之间。以上所述分形理论都是对土壤结构( 孔隙、粒径、颗粒表面或体积) 的 分形描述，土壤结构决定着一系列土壤物理性质的特征与变化，分形理论的应用为定量描述土壤 结构提供了一种新的方法。 1 2 2 2 国内研究进展 我国对分形理论及其在土壤科学中应用的研究虽然比国外晚几年，但也取得了很大的成果。 杨培岭【9 1 等将k a t z 的计算方法进行了改进，通过粒径分布与对应的重量分布相联系，提出了用粒 径重量分布资料表征的土壤分形模型，其关系式为： 略 d m a x 式中，d f 是第f 个粒级土粒的平均直径：d 一是最大粒级土粒的平均直径；d 是土壤颗粒分布分 形维数；6 是表示测量土粒直径大小的码尺；w ( 6 d f ) 是土粒直径小于第f 个粒级土粒平均直 径的累积重量；是全部各粒级土粒的重量。将公式取对数线性化后代入颗粒组成分析数据，即 可求得土壤颗粒的分形维数。杨培岭应用此模型对华北地区四种典型质地的土壤和二个典型剖面 进行了分形维的研究，并对它们的结构特征做了进一步的分析与探讨。 佟金等依据t y l e r 和w h e a t c r a f l 推导的土壤颗粒累积质量尺寸标度的关系，计算了我国主要 土壤的颗粒尺寸分布( p s d ) 分维，并研究了土壤颗粒尺寸分布分形和土壤颗粒表面分形的特征， 结合土壤颗粒表面的分形特性及土壤粘附的基本原理，探讨了土壤p s d 分维和土壤颗粒表面分维 对土壤固体表面粘附行为的影响【2 0 j 。鲁植雄、张维强等对水田土壤强度的分形特征进行了研究， 分别利用半方差法和p s d 法估算了各层土壤强度的分维值，研究了土壤强度随空间历程的变化情 况，并深入探讨了水田土壤强度分维计算中的若干问题1 2 1 - 2 2 。 总之，分形理论在土壤科学研究中的应用，已经涉及到土壤科学的诸多方面，在土壤的机械 组成、土壤水分特征曲线、土壤结构、溶质运移以及与土壤科学相关领域等，都表现出了诱人的 应用前景。说明分形理论已经成为解决土壤科学中复杂性问题的有力工具之一。 1 2 3 土壤空间变异性的国内外研究进展： 1 2 3 1 国外研究进展： 对于土壤空间变异性的研究，以往多采用f i s h e r 所创立的传统统计方法来进行分析。对每一 个观测值的空间位置并未重视，因此在很多情况下很难确切地描述土壤特性的空间分布。从2 0 4 掣 d 基于g i s 的冀两北高原土壤性状空间变异及作物优化配置研究 世纪7 0 年代开始，随着地统计方法的发展，国外许多学者将地统计学理论用于对土壤特性空间 变异性规律的研究。b u r g e s s 与w e b s t e r 等进行了较为成功的探索，推动了土壤特性空间变异性的 研究。随着土壤特性空间变异研究的不断深入，地统计学逐步被证明是分析土壤特性空间分布 特征及其变异规律的最为有效的方法之一。地统计学方法具有提高采样效率和节省人力物力，可 允许在空间上不规则地采样，且可进行优化插值计算等优点。c a m p b e l l 在研究两个土壤制图单元 中砂粒含量和p h 空间变异时，首先采用了地统计学方法 2 4 1 。2 0 世纪8 0 年代以来，利用地统计 学方法来研究土壤特性空间变异已成为土壤科学研究的热点之一l z 引。w e b s t e r 和n o r t c l i f f 研究发 现，lh n l 2 农田内的f e 和m n 有相当强的空间依赖性，空间相关距离在8 0 1 0 0m 之间，但乙 和c l l 则几乎没有【2 6 1 。还有一些研究指出，土壤养分空间变异可存在于几个毫米的空间上。由此 也证明了土壤养分空间变异性的普遍存在。由于地统计学通常要求均匀取样，这给较大区域范围 的土壤养分空间变异定量研究带来一定的困难，因此以往大多数有关土壤养分的空间变异研究往 往局限于小尺度范围。较早应用地统计学方法研究较大尺度下土壤养分空间变异的是y o s t 等人， 他们进行了夏威夷岛土壤养分的空间相关性研究，结果表明土壤p 、k 、c a 和m g 含量的空间相 关距离在3 2 - 4 2k m 之间【2 刀。近年来，土壤科学家已开始关注较大范围内土壤养分的空间变化。 y i j u c h i e n 等研究了台湾中部土壤养分的空间变化【2 引。w h i t e 等分析了美国土壤全z n 含量的空 间变异，其含量的相关距离达到4 8 0k m ，并绘制了土壤全z n 含量的等值线刚2 9 1 。s m h a e f e l e l 和m c s w o p e r e i s 等对西非塞内加尔谷地的大面积水稻田区域开展了研究，发现各种营养元素 在空间上存在明显的变异，并以此为依据，对采用推荐施肥，减少单位面积化肥旖用所带来的经 济效益进行了估算1 3 0 。 1 2 3 2 国内研究进展 国内对于土壤空间变异研究的起步较晚。2 0 世纪8 0 年代中期以来，我国一些学者针对土壤 的某些特性，采用半方差图和克里格插值法进行土壤特性研究。而对土壤养分空间变异的定量研 究起步更要晚一些，主要是在2 0 世纪9 0 年代中期以后一些科学工作者应用地统计学方法从事了 这方面的研究。与此同时，随着发达国家精准农业的开展，土壤特性空间变异的研究方法和手段 得到了进一步的发展，主要表现为地统计学和地理信息系统的有效结合【3 卜3 2 j ，由此极大地促进了 土壤特性尤其是土壤养分空间变异性研究的发展。张有山等对北京昌平县南邵乡2 6 4 0h m 2 土地上 的土壤有机质、全氮、有效氮、有效磷和有效钾的空间分布特征进行了探讨，并绘制了它们的等 值线图f 3 3 j 。李菊梅和李生秀采用以5m 距离为间隔的网格法采取了红油土耕层土壤1 4 7 个样点， 探讨了铵态氮、硝态氮、有效磷、水溶性钾、水溶性钙、水溶性镁等在空间的变异规律川；胡克 林等对一块面积为lh m 2 麦田内的9 8 个观测点取样分析，讨论了两个时期不同含水率情况下土壤 养分空间变异特征，绘制了土壤养分含量等值线图【3 2 1 。郭旭东等运用地统计学方法，结合g i s 技 术研究了河北省遵化市土壤表层0 - - 2 0c n l 碱解氮、全氮、速效钾、速效磷和有机质等的空间变异 规秽3 4 1 。李世清等通过对澄城、杨陵两地田块的均匀布点采样，从水平和垂直方向上分析了土壤 有机质、硝态氮、铵态氮等的空间变异规律p 5 1 。白由路、金继运等通过土壤网格取样、室内分析 及a s i 施肥推荐等方法，在地理信息系统支持下，建立了地块和村级农田土壤养分分区管理模型， 并在河北省辛集市马兰试验区进行了实施和验证，取得了良好的效果【3 6 】。程先富、史学正等在地 统计和g i s 的支持下，以变异函数为工具，初步分析了江西省兴国县土壤全氮和有机质的空间变 异特征，并应用克里格法进行最优无偏线性插值，得出全氮和有机质含量的分布格局p 丌。姜丽娜、 5 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 符建荣等通过对绍兴独树养分监测村土壤1 0 种养分元素空间变异性的研究，明确了水网平原水 稻土养分空间变异规律，并进一步用各向异性变异模型分析了土壤养分空间变异，表明土壤c a 、 m g 、k 、c u 存在一定的带状异质性，经不同采样距离下“g i n g 内插十字交叉验证，明确了可用 土壤养分空间相关距离确定方格取样法来确定最大取样距副强j 。黄绍文等对乡( 镇) 级和县级区域 粮田土壤养分空间变异与分区管理技术进行了研究，明确了土壤养分的空间变异规律与空间分布 格局，并发现小规模分散经营体制下对主要土壤养分n 、p 、k 、m 。和z n 进行乡( 镇) 级和县级分 区管理均可行，形成了适合我国小规模分散经营体制下养分资源持续高效利用的土壤养分分区管 理和作物优质高产分区平衡施肥技术p 9 j 。 1 2 4 地形因子与植被配置研究概况 农田中各种作物构成了一个人工植物群落，植物群落的本质特征之一是群落中的植物和环境 之间存在一定的相互关系【加】。为了获得更好的经济效益就必须认真研究这种关系，以便科学的布 局各种作物。在诸环境因子中地形通过地貌过程，对植被产生直接作用。此外，它还通过形态( 如 起伏等) 的变化控制资源因子的空间再分配。景观尺度上的大量研究表明，地形是环境时空异质性 的主要来源，它直接影响着植被的空间分布、种子传播等，进而影响整个群落的结构、格局及动 态，并为群落中的多物种共存提供了更多的可能性。地形差异是景观结构和格局空间分异的重要 影响因子，特别是在人为活动占优势的景观中，地形特征通常成为大尺度人为干扰活动地域分布 格局的基本骨架。基于这一原因，无论景观组分类型还是各种生态过程，在地形梯度上往往表现 出规律性的分布特征。地形梯度的各个方面对光、热、水、养分等植物生态因子梯度具有潜在的 表征意义1 4 2 1 。地形差异行成的异质的生境为物种提供了共存的条件。环境的异质性越高，物种 也越丰富。因此，地形是为植物群落提供生境多样性的最重要的环境梯度之一【4 4 i 。鉴于地形是 景观尺度环境特征的控制性、综合性和直观易得的因子，研究植物分布与地形特征之间的关系具 有很大的意义【4 5 1 。植被格局与地形格局密切相关，在植被格局研究中，地形因素的作用己逐渐成 为研究的热点m j 。 异质的环境因子是大量物种得以在群落中稳定共存的重要因素，而地形作为一种异质性因素 正在逐步受到重视。地貌单元和局部的地形变化限制及影响着其他环境因子的分布与组合，景观 尺度上它造成环境的时空异质性，影响植被分布及群落的组成。在大的气候相对一致的情况下， 生境异质性是形成群落及物种多样性的决定因子。地形的差异形成的异质生境，要求其上要分布 有不同的植被并合理配置。地形差异是景观结构和割据空间分异的重要影响因子【47 姗，高程、坡 度和坡向是衡量地形分异的3 个主要属性特征，也是决定植被生境其他要素分异的主导因子i 。引。 地形影响一方面可以表现在植被垂直带谱、群落分布和种群分布等不同生物组建层次上：另一方 面也可以表现在生物多样性分布、群落结构甚至物种的能量结构上【 捌】，是山区植被空间分异的 主要因子。此外，地形分异还对山区人为活动产生显著的影响，特别是在人为活动占优势的景观 中，地形特征通常成为大尺度人为干扰活动地域分布格局的基本骨架【4 9 】。基于这一原因，无论景 观组分类型还是各种生态过程，在地形梯度上往往表现出规律性的分布特征。 地形因子对植被的作用可以分为直接作用和间接作用。地形通过地貌过程( 搬运、崩塌和堆积 等) ，对植被产生直接作用【5 5 1 。此外，它还通过形态( 如起伏等) 的变化控制了资源因子的空间再分 6 基于g i s 的冀两北高原土壤性状空间变异及作物优化配置研究 配。在气候没有明显差别的小流域区，地形的异质性可能是决定群落格局最重要的因子1 4 引。对小 尺度地形梯度上植被来说，气候没有明显的差别，因此，土壤和干扰作用可能是决定植被格局 的最重要的因子。 植物和土壤之间的关系应该比植物与地形之间的关系更为直接，因为植物通过土壤吸收养分 和水分冈。各微地形之间由于不同的水文条件和地貌过程，其土壤形成过程以及水分和养分等有 明显的差异。从上到下，是土壤养分和水分从源到汇的过程。上部坡面土层较薄，而下部坡面较 为肥沃和湿润。在不稳定的立地，植被格局往往与土壤条件并无很好的相关性，这可能是由于频 繁的干扰导致的地表不稳定，阻碍了土壤条件对植被的影响，干扰成为比土壤更为重要的形成不 同植被格局的原因，因此，地形是影响植被格局的最重要的也是做基本的生境因子1 57 | 。 1 3 研究方法 1 3 1 土壤特性空间变异的研究方法 1 3 1 1 传统统计分析法 关于土壤特性的空间变异的研究，过去多采用f i s h e r 所创立的传统统计方法。这种方法的统 计原理是假设研究的变量为纯随机变量，样本之间是完全独立且服从某已知的概率分布，其统计 方法是按质地将土壤在平砸上划分为若干较为均一的区域，在深度上划分为不同土层。通过计算 样本的均值、标准差、方差、变异系数以及进行显著性检验来描述土壤特性的空间变异。该方法 在土壤科学工作中己经取得了一定的成功，但由于其对土壤空间变异的研究基本上是定性描述， 只概括了土壤特性变化的全貌，而不能反映其局部的变化特征，同时这种方法对每一个观测值的 空间位置不予重视，因此在很多情况下很难确切具体地描述土壤特性的空间分布，给合理利用或 改造土壤带来困难。国外许多土壤科学工作者的研究表明，许多土壤特性在空间上并不是独立的， 不属于纯随机变量，而是在一定范围内存在空间上的相关性，这种属性是由于土壤形成过程的连 续性、气候带的渐变性等所造成的。土壤特性的空间相关性的发现，对传统f i s h e r 统计原理的适 用范围提出了质疑，土壤学家必须探索新的方法定量分析土壤特性的空间变异f 5 引。 1 3 1 2 地统计学方法 地统计学( g e o s t a t i s t i c ) ，也称地质统计学，起源于2 0 世纪6 0 年代，是地质部门在探矿和采 矿时采用的一种先进的空间变异分析方法【5 9 1 ，其要点是根据地面不同选点钻井所获得的不同深度 的数据资料，寻求数据信息与采样点的位置和采样深度的统计关系，来对矿产进行空间结构分析 与数量估计。其创始人m a t h e r o n 将其简单定义为：随机函数在自然现象勘察及估计中的应用， 主要是利用随机函数对不确定的现象进行探索分析，并结合采样点提供的信息对未知点进行估计 和模拟，且提高采样效率和节省人力物力，可允许在空间上进行不规则采样，且可以进行优化插 值计算等优点。地统计学最初主要用于采矿业和石油勘探中，由于传统统计学方法在空间数据分 析上的局限性，越来越多涉及到空间分析的学科求助于地统计学的研究工具。如今，地统计学已 经被广泛用于地理学、生态学、环境科学和土壤学等诸多领域的研究中。特别是g i s 的发展带来 的空间数据极大丰富，越来越多的科学家求助于地统计学来分析空间数据。 1 3 1 2 1 地统计学的总体框架 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 地统计学方法是基于区域化变量理论基础上的一种空间分析方法。地统计学研究的对象为区 域化变量，即在空间分布的变量。通常一个区域化变量具有两个性质：在局部的某一点，区域 化变量的取值是随机的；对整个区域而言，存在一个总体或平均的结构，相邻区域化变量的取 值具有该结构所表达的相关关系。区域化变量的两大特点是随机性和结构性。基于此，地统计学 引入随机函数及其概率分布模型作为理论基础，对区域化变量加以研究。区域化变量可以看作是 随机变量的一个现实( r e a l i z a t i o n ) 。对于随机变量而言，必须在已知多个现实的前提下，才可以总 结出其随机函数的概率分布。对地学数据来讲，我们往往只有一些采样点，它们可以看作随机变 量的一个现实，但无法来推断整个概率分布情况。为此，必须制定一些假设，即平稳性假设，假 定在某个局部范围内空间分布是均匀的。 ( 1 ) 假定的局部范围内，变量的数学期望值为常数，不依赖于点的空间位置： e 俐2 现￥工 ( 2 ) 协方差存在，且依赖于两点之间的距离h c ( h ) = e z ( x + h ) z ( x ) - m ￥x 这样，在空间某一局部范围内，对空间某一点j c o ，相距为 的多个点，可以看作是点z ( x 9 的多个实现，即可进行统计推断及估值预测。 1 3 1 2 2 理论核心 半方差函数也称为半变异函数，它是地统计学中研究土壤变异性的关键函数，反映了不同距 离的观测值之间的变化，所谓半方差函数就是两点间差值的方差的一半，即： “h ) = 蒜警 z ( ) c i ) - z ( x l + h ) 3 2 v a d o g r a m p a r a m e t e r s 图1 球面模型半方差函数曲线示意图 f i g 1s p h e r i c a ls u r f a c em o d e ls e 耋n i v a r i a n c ef u n c t i o nc ：u r v es c h e m a t i cd r a w i n g 式中删为间距为h 的半方差，f 夥是以h 为间距的所有观测点的成对数目，某个特定方向 的半方差函数图通常是由删对h 作图而得。在通常情况下，半方差函数值都随着样点间距的增 加而增大，并在一定的间距( 称为变程，r a n g e ) 爿- 大到一个基本稳定的常数( 称为基台，s i l lo 当测 8 ，tac口ijie嚣 基于g i s 的冀西北高原土壤性状空间变异及作物优化配置研究 点间距大于变程时，该值趋于稳定。 半方差函数模型有球状( s p h e r i c a l ) 、高斯( g a u s s i a n ) 、指数( e x p o n e n t i a l ) 和线性( l i n - e a r ， l i n e a r t o s i l l ) 等模型，它们的数学表达式如下： ( 1 ) 球状模型： 厂0 h = o 吖砂2 o 当j i = 3 a o 5 * a o 时，r f h ) c o + c ，该模型的变程为3 0 5 。 以上各式中c 0 表示块金方差，即间距为0 时的半方差，是由实验误差和小于实验取样尺度 上施肥、作物、管理水平等随机因素引起的变异。较大的块金方差表明较小尺度上的某种过程不 容忽视；c 表示结构方差，是由土壤母质、地形、气候等非人为的区域因素( 空间自相关部分) 引 起的变异；c o + c 为基台值( 即半方差函数随间距递增到一定程度后出现的平稳值) ，表示系统内总 的变异；为变程，即半方差达到基台值的样本间距。对于球状和线性模型，表示观测点之 间的最大相关距离，而高斯模型的最大相关距离为3 0 5 ，指数模型的最大相关距离为3 。 最大相关距离表示土壤某特性观测值之间的关系，当距离例大于该值时，则它们之间是相互独立 的；若小于该值时，则说明它们之间存在着空间相关性。 另外，块金方差基台值之比( c o ，( c o + c ) ) 可表示空间变异性程度，即由随机部分引起的空间 变异性占系统总变异的比例，如果该比值较高，说明由随机部分引起的空间变异性程度较大：相 反，则由空间自相关部分引起的空间变异性程度较大；如果该比值接近l ，则说明该变量在整个 9 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 尺度上具有恒定的变异。从结构性因素的角度来看，c o ( c o + c ) 的比例可表示系统变量的空间相 关性程度，如果比例 7 5 时，变量的空间相关性很弱旧j 。 一些研究指出，土壤特性空间变异性是尺度的函数，不同尺度上同一变量的空间相关程度相 差甚大，随着样点问的距离加大，样点间的变异函数值的随机成分也在不断增加，小尺度结构特 征将被掩盖f 6 1 1 。在土壤特性空间变异的研究中，准确估算土壤某一特性的半方差函数模型是关键 的问题，因为半方差函数反映了土壤特性的空间变异结构，并直接影响土壤特性l “g 洫g 插值计 算。在实际研究中，由于半方差模型的选择常受样本的半方差形状、调查者对某一土壤特性的了 解程度、调查目的等方面的影响，选定一个模型来描述所测定土壤特性的半方差并拟合一条曲线 是有争议的问题。 尽管如此，半方差分析确实为土壤特性空间变异提供了一个定量工具，它可以将士壤某一性 质的变异与成土因子和成土过程联系起来，可加深成土过程对土壤的作用后果的了解【6 2 】，是使土 壤过程的预测和模拟进一步逼近田间实际的有效途径 6 3 】。 1 3 1 3 克里格( k r i g i n g ) 空间插值法 克里格法( i c a i g i n g ) 也称空间局部估计或空间局部插值法，它是建立在半变异函数理论及结构 分析基础上，在有限区域内对区域化变量的取值进行无偏最优估计的一种方法，最早是由南非工 程矿业工程师在2 0 世纪5 0 年代提出的，其实质是利用区域化变量的原始数据和半变异函数的结 构特点，对未采样的区域化变量的取值进行线性无偏最优估计。具体来讲，它是根据待估样点( 或 待估地块) 有限邻域内若干已测定的样点数据，在认真考虑了样点的形状、大小和空间相互位置关 系，它们与待估样点间的空间位置关系，以及半变异函数提供的结构信息后，对待估样点进行的 一种线性无偏最优估计。可表示为： 幽 z ( u ) 哪( 妒厶b ( u ) 【z ( u a ) - m ( 1 l a ) 】 与传统的估计方法相比，克里格法的优点在于它最大限度地利用了空间取样所提供的各种信 息，在估计未知样点的数值时，它不仅考虑了落在该样点的数据，而且还考虑了邻近样点的数据， 不仅考虑了待估样点与邻近已知样点的空间位置关系，而且还考虑了各邻近样点彼此之间的位置 关系。同时，它还利用了已有观测值空间分布的结构特征，从而使这种估计方法比其他传统的估 计方法更精确、更符合实际，并且可以避免系统误差的出现，给出估计的误差和精度。然而，克 里格法适用的前提在于半变异函数和相关分析的结果表明区域化变量的空间相关性存在，如果没 有这种空间相关性的存在，那么空间局部插值的方法就不能适用。 克里格法有多种类型，针对不同的目的和不同的条件，可以采用不同的克里格法，这样可以 取得更好的效果。在满足二阶平稳假设时，可以采用普通克里格法( o r d i n a r yr a i g i n g ) ；在非平稳( 或 有漂移存在) 现象时，可应用泛克里格法；在计算局部估值时要用到非线性估计量，就可采用析取 克里格法。此外，当区域变量服从对数正态分布时，可用对数正态克里格法；对有多个变量的协 同区域化现象，可采用协同克里格法，其中最常用的是普通克里格法。 1 3 1 4g i s 与地统计学相结合的分析方法 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) ，起源于2 0 世纪6 0 年代，是一 1 0 基于g i s 的冀西北高原土壤性状空间变异及作物优化配置研究 种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的 通用技术。g i s 技术作为有关空间数据管理、空间信息分析及其传播的计算机系统，在其4 0 多 年的发展历程中己经取得了很大的成就，并广泛应用于土地利用、资源管理、环境监测、城市规 划、经济建设以及政府各职能部门。空间分析功能是g i s 区别于其它系统的本质特征之一。将地 统计学的分析方法与g i s 软件相链接，从而将地统计学方法融合为g i s 的空间分析方法。 运用g i s 和地统计学结合的方法，在研究土壤养分的空间分异特征和规律时，具有较强的优 势。g i s 具有较强的空间数据管理功能，而空间分析能力相对比较薄弱；而地统计学则具有较强 的空间分析能力，但在空间数据管理功能方面表现不足。二者结合可以取长补短，可以充分发挥 各自的优势。地统计学通常要求规则取样，但规则的网格法在研究面积较大的区域时取样产生的 样点数过多，需要耗费大量的人力和物力，这给野外采样和实验室分析带来了较大的负担。而结 合地理信息系统( g i s ) 可以有效地将较大区域范围内的土壤样点的属性数据同地理数据结合起来， 再利用地统计学方法进行分析，从而使对土壤养分的时空变异研究变得较为方便。 1 3 2 土壤颗粒的分形特征 1 3 2 1 土壤颗粒分形维数求解模型 t u r c o t