农田-草地镶嵌体土壤水分空间异质性.doc

农田-草地景观界面的土壤水分空间异质性摘 要利用经典统计与地统计学方法, 对农牧交错带农田-草地界面不同采样粒度土壤水分的空间异质性进行了分析. 结果表明: 研究区农田、草地、农田-草地界面土壤水分均属中等变异,草地的水分变异系数较农田的高，土壤水分含量越低其变异系数越高，且在0.5X0.5的采样粒度下农田-草地界面的水分的空间异质性明显高于农田、草地，变现为强度自相关性，变程16.56m；在1X1粒度农田-草地界面、草地变现为中、强度自相关性，空间异质性强于农田，农田自相关性弱，其空间异质性受随机因子影响较大；在2X2粒度下，农田-草地界面具有强空间自相关性，变程在18.43m，草地和农田中、强度空间自相关性；从整体数据来看农田到农田草地界面再到草地水分过度并且水分含量降低，说明在农田-草地界面的土壤水分分布存在一定的界面效应,且这种界面效应表现为过渡类型.克立格图可以分析出球状模型和指数模型的曲线切合程度较高，其中的数据又由变异系数的大小来决定，线状模型切合程度最低，所应用所建立的理论模型进行克立格估计值的精度最低.关键词： 农田-草地界面 空间异质性 土壤水分 界面效应Farmland, grassland landscape interface of the soil moisture spatial heterogeneityUse of classical statistics and geostatistics method, the agriculture and animal husbandry, giving farmland, grassland interface different sample size of soil moisture spatial heterogeneity was analyzed. The results show that the area of farmland, grassland and farmland, grassland interface soil moisture belong to the medium variation, grassland moisture variation coefficient is farmland soil water content is high, the lower the coefficient of variation is higher, and in 0.5 X0.5 sampling size the farmland - grass interface of water space heterogeneity is obviously higher than that of the farmland, grassland, realizable for strength from correlation, variation of 16.56 m; In 1 x1 size farmland, grassland interface, grass for cash, strength from correlation, spatial heterogeneity stronger than farmland, farmland from weak correlation, the spatial heterogeneity of random factors by bigger; In 2 x2 size, farmland, grassland interface strong space since the correlation, variation in 18.43 m, grassland and farmland, and strength from space correlation; From the whole data to see farmland to farmland grass interface to grass over water and moisture content is reduced, shows that the farmland, grassland interface of the soil moisture distribution has certain interface effect, and the interface effect for the performance of the transitional type. G made case diagram can be analyzed into ball model and exponential model the curve of the high degree of suit, in which the data but also by the size of the coefficient of variation to the lowest degree, linear model, the application of the established theory model g made case the estimate of the minimum accuracy.keyword: Farmland, grassland interface Spatial Heterogeneity Soil Moisture Interfacial Effect目 录1.引言22.试验方法32.1样地介绍32.2采样方法32.3 土壤样品分析项目及方法32.4 研究方法42.41经典统计42.42地统计学分析42.5 数据处理53.实验结果53.1 经典统计学53.2地统计学64.讨论10参 考 文 献11谢 词131.引言近年来，不同生态系统内的土壤水分空间异质性研究受到广泛的关注。土壤水分空间异质性及分布格局是土壤的重要属性之一。它是指水分在土壤不同空间位置的分布和变化规律，反映着土壤在不同空间位置上的特征与功能，而且在不同尺度上研究土壤水分空间格局，对于了解植被与土壤水分的关系具有重要的参考价值。界面的概念是起源于20世纪初美国生态学家引入生态学并将其定义为两个相邻群落之间的交错区， 现已扩展到广义的生态界面。目前，关于水分空间异质性的研究只局限于在同一生态系统内或不同生态系统之间的比较，如森林、农田、草地、沙地等，而对农田-草地界面的水分空间异质性和空间格局的研究少之又少,如界面的水分分布情况是怎样的？土壤水分的生态梯度是怎样变化的，有没有明显的土壤水分的生态界面效应？等问题还待研究；目前对界面的土壤水分的空间异质性的研究较少，为此，我们通过对农田-草地界面进行不同粒度尺度的采样试验，对农田与草地的景观界面上土壤020 cm水分空间格局进行研究，测定和分析农田-草地界面土壤水分空间格局异质性为丰富与完善该地区的草原农田景观格局与其生态过程研究提供科学依据,应用了地统计学和经典统计学对数据进行处理，去完善实验的准确性。2.试验方法2.1样地介绍在河北沽原东部选取农田-草地景观界面实验样地，该站地处于内蒙古典型草原东南舌延伸地带，11614E,4137N,属半干旱大陆季风气候带，除夏季受东南暖湿气流的影响外，较长时间收内蒙古高压寒冷的气候控制，年均温1C，无霜期85d，平均年降水量430.7mm，主要集中在7、8、9月份，占全年的79，年蒸发量1735.7mm，年日照时数2930.9h，主要的土壤类型为栗钙土；样地选取的是人工草地和玉米地的界面来作为实验用地。采用样线法与栅格法结合取样。2.2采样方法首先在每一个实验地的采样点设置3-5条样线，在农田-草地边界分别向农田、草地内部分别以0.5米（0-10米），1米（10-40米或更远处）间隔进行采样如图1；然后利用嵌套栅格分别在农田、草地、农田-草地界面以0.5mx0.5m，1mx1m，2mx2m不同粒度进行采样如图1。2.3 土壤样品分析项目及方法 土壤水分采用烘干法。2.4 研究方法 2.41经典统计采用经典的统计方法计算农田、草地、农田-草地界面各土层土壤水分的平均值、方差和变异系数, 以此来衡量各类型的土壤水分平均状况和总变异程度. 变异系数(CV )的大小可反映特征变量的空间变异度, 一般认为, CV 1.0为强变异。2.42地统计学分析采用经典的统计方法计算出农田、草地、农田草地界面土壤水分平均值、方差和变异系数, 用此来衡量各类型的土壤水分平均状况和总变异程度。对各类型土壤水分含量和空间位置数据, 用变异函数分析方法建立变异函数理论模型。变异函数的计算公式如下: 式中,是变异函数,为区域化随机变量,和分别为变量在空间位置和上的取值,是取样间隔为h 时的样本对总数3。本文变异函数拟合成球状理论模型(Spherical model)、指数模型（exponential model）、线性模型（linear model）, 计算可得到4个重要的参数, 即基台值C0+C (Sill)、块金值C0 (Nugget)、结构方差比C/(C0+ C) (Structural variance ratio) 和变程A0 (Range)。基台值表示样本总变异，块金值表示区域变量在比采样尺度更小尺度上的随机变异, 主要来源小于抽样尺度的空间结构变异和测量随机误差, 结构方差比则可用来衡量空间自相关结构因素对变量总变异的影响程度其可作为研究变量空间相关的分类依据, 该值大于75%属于强空间自相关, 说明变量具有很好的空间结构性,该值在25% 75%属于中等程度的空间自相关, 小于25%属于弱空间自相关, 说明随机变异是引起空间异质性的主要作用，变程为研究变量存在空间自相关特性的平均最大距离。通过变异函数模型参数, 可以比较不同采样粒度下，不同景观类型的土壤020cm各层水分空间异质性特征。采用块段克立格（Blocking kriging）进行局部插值估计，模拟和比较土壤020cm各层水分空间分布特征。本文的数据处理分别用EXCEL、SPSS12.0、和地统计学软件GS+5.1进行。2.5 数据处理采用Ex cel软件计算不同采样粒度、不同景观类型土壤水分的平均值、方差和变异系数, 使用地统计学软件GS+ 5.1对不同粒度的农田-草地界面土壤水分空间特征进行模拟和比较。3.实验结果3.1 经典统计学 在粒度0.5X0.5的样方，研究区域的水分总体较低，农田土壤水分9.3%较草地高7.0%高，农田、草地、农田-草地界面的水分变异范围在0.100.29这个范围，属中等变异，且草地的变异高于农田的变异，农田-草地界面的变异较农田草地的变异程度都高，研究表明这部分变异全部为中等变异。 粒度1X1的样方，研究区域的水分总体较高，农田土壤水分10.2%较草地高7.9%高，农田、草地、农田-草地界面的水分变异范围在0.180.26这个范围，属中等变异，且草地的变异高于农田的变异，农田-草地界面的变异较农田草地的变异程度都高，研究表明这部分变异全部为中等变异。 粒度2X2的样方，研究区域的水分总体较高，农田土壤水分10.2%较草地高7.6%高，农田、草地、农田-草地界面的水分变异范围在0.160.24这个范围，属中等变异，且农田的变异高于草地的变异，农田-草地界面的变异较农田草地的变异程度都高，研究表明这部分变异全部为中等变异。表1 研究区农田-草地界面土壤含水量的统计特征粒度G rain size景观类型Landscap e type 土壤深度Soil d epth 0 20cm0.5x0.5农田Crop land均值M ean (%变异系数CV 9.3 0.10草地G rassland均值变异系数7.0 0.11农田-草地界面 C rop land-grassland boundary均值M ean (%变异系数CV 9.1 0.291x1农田Crop land均值M ean (%变异系数CV 10.2 0.18草地G rassland均值M ean (%变异系数CV 7.9 0.22农田-草地界面 C rop land-grassland boundary 均值M ean (%变异系数CV 10.0 0.262x2农田Crop land均值M ean (%变异系数CV 10.2 0.22草地G rassland均值M ean (%变异系数CV 7.6 0.16农田-草地界面 C rop land-grassland boundary均值M ean (%变异系数CV 10.2 0.243.2地统计学经典统计分析过程中,对研究区农田、草地、农田-草地界面不同土层土壤水分含量进行了非参数的K-S正态分布检验，所得数据均符合正态分布,满足地统计学对于平稳假设条件的要求,可直接进行地统计学分析.采样粒度0.5m0.5m，0-20cm土深的土壤水分,农田-草地界面符合球状模型，对于土壤水分 0-20cm土深 r2 为0.855；自相关距离土壤水分分别是16.56m；空间的异质性大小土水为0.708。农田符合线状模型， r2 为0.204；自相关距离土壤水分分别是2.107m；空间的异质性大小土水为0.00。草地符合指数模型， r2 为0.357；自相关距离土壤水分分别是6.009m；空间的异质性大小土水为0.537；农田-草地界面的自相关最大，草地次之农田最小，说明界面水分的自相关性最强，自相关的水分变程最大；空间异质性农田-草地界面最大，草地次之，农田的异质性为0自相关性较弱，表现为随机性。（表2）采样粒度1m1m，农田-草地界面0-20cm土深的土壤水分符合球状模型。对于土壤水分 0-20cm土深 r2 为0.945；自相关距离土壤水分19.84m ；空间的异质性大小土水为0.618。农田符合线状模型，土壤水分 0-20cm土深 r2 为0.375；自相关距离土壤水分5.27m ；空间的异质性大小土水为0.00。草地符合球状，土壤水分 0-20cm土深 r2 为0.827；自相关距离土壤水分20.99m ，空间的异质性大小土水为0.883；草地的自相关性最大，农田-草地界面次之，农田的自相关性最差；从空间异质性来说，草地的值最大，农田-草地界面次之，农田的值为0且自相关性较弱，呈随机性。（表2）采样粒度2m2m，农田-草地界面 0-20cm的土壤水分符合球状模型，土壤水分0-20cm土深 r2 为0.954，；自相关距离土壤水分分别是18.43m ；空间的异质性大小土水为0.859。农田符合球状模型，土壤水分0-20cm土深 r2 为0.917；自相关距离土壤水分距离是30.99m ；空间的异质性大小土水为0.714。草地符合球状模型，土壤水分0-20cm土深 r2 为0.870，；自相关距离土壤水分分别是27.84m ；空间的异质性大小土水为0.581。农田的自相关性最强，草地也表现较强的自相关性，农田-草地界面的自相关性最弱；从异质性来说，农田-草地界面最强，农田中等，草地最低。（表2）农田-草地界面的r2 的值0.6180.859，变程（自相关性）在16.5619.84之间，结构方差/基台值（异质性）在0.8550.954之间，都符合球状模型，表现为强度的空间自相关性，变量具有很好的空间结构性；异质性由结构因素引起，其中的2X2力度空间自相关性最强，1X1粒度下的变程最广。（表2）农田的r2 的值0.2040.917范围，变程（自相关性）在2.10730.99之间，结构方差/基台值（异质性）在0.000.714之间，粒度0.5X0.5、1X1符合线状模型，表现为弱的自相关性，是由随机因素引起的异质性，粒度2X2符合球状模型，属于中等强度空间自相关，变程范围广。由此可以看农田内部取样粒度的越大水分的空间异质性越强。（表2）草地的r2 的值0.3570.870范围，变程（自相关性）在6.00927.84之间，结构方差/基台值（异质性）在0.5370.883之间，粒度0.5X0.5模型符合指数模型，其它两种粒度下的符合球状模型，表现中、强度空间自相关性。（表2）表2 研究区农田-草地界面土壤含水量的半变异函数理论模型及相关参数粒度景观类型土层深度块金值基台值变程机构方差/基台值决定系数模型0.5x0.5农田-草地界面20cm 20cm20cm20cm20cm 20cm 20cm20cm20cm0.0004 0.00137 16.56 0.708 0.855 球状模型0.00007 0.00007 2.107 0.00 0.204 线状模型0.00005 0.0001 6.009 0.537 0.357 指数模型0.00036 0.00093 19.84 0.618 0.945 球状模型0.00033 0.00033 5.27 0.00 0.375 线状模型0.00011 0.0009 20.99 0.883 0.827 球状模型0.00011 0.00078 18.43 0.859 0.954 球状模型0.00029 0.00103 30.99 0.714 0.917 球状模型0.00010 0.00024 27.84 0.581 0.870 球状模型农田草地1x1农田-草地界面农田草地2x2农田-草地界面农田草地 2-1.农田-草地界面0.5X0.5粒度水分 2-2.农田草地界面1X1粒度水分 2-3.农田草地界面2X2粒度水分 2-4.玉米地0.5X0.5粒度水分 2-5.玉米地1X1粒度水分 2-6.玉米地2X2粒度水分 2-7.草地1X1粒度水分 2-8.草地2X2粒度水分 2-9.草地2X2粒度水分图2 研究区农田-草地界面、农田、草地土壤水分的空间分布 从上图中可以看出农田的含水量高于草地的含水量且界面从农田到草地过度水分降低；研究区农田-草地界面的土壤水分都有逐渐降低或升高过程,而草地和农田的土壤水分均呈现斑块状, 说明农田-草地界面上土壤水分的空间分布不同于农田和草地. 说明农田-草地界面的土壤水分分布存在一定的界面效应,且这种界面效应表现为过渡类型.（图2） 3-1.界面0.5X0.5克立格图 3-2. 界面1X1克立格图 3-3.界面2X2克立格图 3-4.玉米地0.5X0.5克立格图 3-5.玉米地1X1克立格图 3-6.玉米地2X2克立格图 3-7.草地0.5X0.5克立格图 3-8.草地1X1克立格图 3-9.草地2X2克立格图图3、研究区农田-草地界面、农田、草地土壤水分的克里克制图克立格图是根据决定系数r2值得变化情况所拟定的一条拟合水分曲线和实际水分曲线的进行对比得出结论而得出结论，3-2曲线切合程度,较大变异系数值最大为0.945，说明应用所建立的理论模型进行克立格估计值的精度较高. 3-1（0.5X0.5粒度）和3-2（2X2粒度）的曲线切近程度3-2的比较大，变异系数大越大切合程度越大（2X2粒度大于0.5X0.5粒度的变异系数 0.9170.855），说明应用所建立的理论模型进行克立格估计值的精度较高.玉米地3-4（0.5X0.5粒度）、3-3（1X1粒度）属于线状模型，且0.5X0.5粒度的变异系数大于1X1粒度的变异系数，0.3750.204,1X1粒度的曲线切近程度大些，说明应用所建立的理论模型进行克立格估计值的精度较低；3-6（2X2粒度）为球状模型，且变异系数为0.917值较大，且样点水分值较均匀基本重合，说明应用所建立的理论模型进行克立格估计值的精度较高. 草地3-1（0.5X0.5粒度）水分模型指数模型，变异系数值为0.357,3-8（1X1粒度）、3-9（2X2粒度）均是球状模型，其变异系数值0.8270.870，但是1X1粒度水分值较均匀，曲线切合较近，说明应用所建立的理论模型进行克立格估计值的精度较高. 从上述数据情况来看，球状模型和指数模型的曲线切合程度较高，其中的数据又由变异系数的大小来决定，线状模型切合程度最低，所应用所建立的理论模型进行克立格估计值的精度最低.（图3）4.讨论研究区土壤水分数据的地统计学分析结果表明，三种不同生态类型的水分的含量、空间自相关性、变异程度的都不相同所以异质性的考察结果也不同；地统计学方法可定量解决如下问题: 具有重要生物学意义的变量的变化范围、空间因素占总变异的比例、特定的空间格局所对应的尺度以及空间格局，所以在研究中应用统计学。农田-草地界面的水分模型是符合球状模型且水分都是中等变异，其中的2X2力度空间自相关性最强，1X1粒度下的变程最广，变量具有很好的空间结构性；水分含量的变异值从采样小粒度到大粒度变异程度有所降低且水分含量增加，说明较低的土壤水分含量低有较高的变异程度，取样粒度不同的变异程度有明显差异，一般是大粒度取样的变程范围广。土壤性质的空间异质性一般是结构性因子(如土壤形成过程中的成土母质、地形、地下水位及形成的土壤类型等)和随机因子(如植物生长过程中人为的干扰措施、测量中产生的误差以及在小于采样尺度上空间变量的自相关结构等)共同作用的结果。在农田粒度0.5X0.5、1X1符合线状模型，表现为弱的自相关性，是由随机因素引起的异质性，粒度2X2符合球状模型，属于中等强度空间自相关，变程范围广；草地粒度0.5X0.5模型符合指数模型，其它两种粒度下的符合球状模型，表现中、强度空间自相关性；可以得出农田受随机因子影响和结构因子共同作用引起的空间异质性，而草地受随机因子影响较小，其主导因子是结构因子引起空间异质性。农田-草地界面的水分过度，从其水分过度的含量的变化来看-土壤水分分布存在一定的界面效应,且这种界面效应表现为过渡类型.从克立格数据分析得到的图中可以得出球状模型和指数模型的曲线切合程度较高，其中的数据又由变异系数的大小来决定，线状模型切合程度最低，所应用所建立的理论模型进行克立格估计值的精度最低.参 考 文 献1 王政权. 地统计学及在生态学中的应用.北京: 科学出版社, 1999.2 Cadenasso ML, Pickett STA, Weathers K C et al. A framework for a theory of ecological boundary. BioScience, 2003, 53(8): 750-758.3 Cademasso ML, Traynor MM, Pickett STA, et al. Functional location of forest edges: gradients of multiple physical factors. Canadian Journal of Forest Research, 1997, 27(5): 774-782.4 Bowersox MA, Brown DG. Measuring the abrupt of pathy ecotone. Plant Ecology, 2001, 156 (1): 89-1035 Fagan WF, FortinMJ, Soykan C, et al. Intergrating edge detection and dynamics modeling in quantitative analyses of ecological boundaries. BioScience, 2003, 53(8): 730-738.6张永，宋西德，叶彦辉等渭北黄土高原刺槐林草地景观界面土壤水分影