农田尺度下土壤养分空间变异特征研究基于地统计学的农田尺度旱地红壤养分空间变异性研究

农田尺度下土壤养分空间变异特征研究基于地统计学的农田尺度旱地红壤养分空间变异性研究

土壤的物理、化学和生物性质受到不同气候、母性、地形、时间和人为因素（内部和外部因素）的影响，具有高度的空间异质性。而土壤的理化性质是衡量作物产量和质量的一个极其重要的指标,通过分析土壤理化性质及其空间变异特征能够展示空间对土壤以及作物的不同作用,便于更好地理解空间与土壤和作物的相互关系。目前地统计学(Geostatistics)在矿藏勘探工作中的应用已达成熟阶段,由于其自身的特点,其应用范围已由当初的地质学领域逐渐推广到土壤学和生态学等领域中。在土壤科学方面,它在定量描述土壤空间域或时空域自然变量的结构性和随机性上得到了广泛的应用。毛萌等和马军花等采用地统计学对华北平原的一块面积为27m×27m,采样间距为3m的研究区,进行耕层20cm深度处的土壤水负压、水流通量和Atrazine浓度以及土壤水分运动和硝态氮淋失动态空间变异分析,得出变量的理论模型、相关距离和变异系数等。现阶段土壤养分空间变异性研究成为土壤科学研究领域的最前沿热点之一,它的强大功能不仅能揭示土壤养分特性分布规律及其变异特征,而且通过分析,能更好地解释自然和人为活动对土壤养分特性空间变异的作用。王军等在黄土高原小流域内上的67个采样点上研究养分的空间变异,掌握了该区域的养分的空间异质性特征。本文运用ArcGIS+9.3GeostatisticalAnalyst中的半方差函数和克里格(Kriging)插值法相结合的方式,选择了典型的江西旱地红壤,研究农田尺度下红壤的有机质、全氮、铵态氮、硝态氮、有效磷和CEC等6种养分的空间变异特征,揭示其空间变异规律,为研究区旱地红壤田间土壤的精确施肥、精确管理和地力的提升等提供科学依据。1材料和方法1.1低山丘陵湿地气候条件的特点研究区选择为江西省红壤研究所,其地理位置为:116°20′24″N,28°15′30″E,是典型的低山丘陵红壤区,气候条件优越,年均降雨量1549mm,年蒸发量1100~1200mm;干湿季节明显,3~6月为雨季,降雨量占全年雨量61%~69%;7~9月为旱季,蒸发量占全年蒸发量的40%~50%。供试土壤为由第四纪红色黏土发育而来的旱地红壤,其酸度高,质地黏,硬度大,土地利用率低,产出率低。1.2采样点样的测定在64m×16m(1024m2)的农田旱地红壤区域内,按4m等间距网格法,利用直径为5cm土钻在每个网格进行表层(0~15cm)和亚表层(15~30cm)5个点的混合采样,共64个采样点(如图1)。采集的土样经自然风干,过2mm和0.25mm筛。土壤有机质的测定:重铬酸钾外加热法;土壤全氮的测定:半微量开氏法;铵态氮的测定:KCl浸提—靛酚蓝比色法;硝态氮的测定:CaSO4浸提─紫外分光光度计法;土壤CEC测定:乙酸铵交换法;土壤容重的测定:环刀法;土壤机械组成和土壤结构系数的测定:吸管法;土壤总孔隙度的计算:(1-容重/比重)×100;土壤pH值的测定:pH计电位法。土壤基本物理性质见表1。1.3数据处理方法1.3.1/h值的预测(1)半方差函数:是地统计学的重要组成部分,是抽样间隔为h时样本值方差数学期望的一半。以变异函数K(h)为Y轴,抽样间隔h为x轴,可绘成变异函数曲线图。它的计算一般要求数据符合正态分布。计算公式为:其中γ(h)是观测值在距离h处的变异函数,N(h)是被向量h分隔的数据点对的数目,Z(xi)和Z(xi+h)是间隔为h的两个实测值,在一定范围内γ(h)随着h的增大而增大,反映不同间距的观测值之间的变化,而当观测点间距大于最大相关距离时,该值趋于稳定。(2)克立格插值分析:地统计学克立格(Kriging)插值法是一种最优的空间插值方法,它和GIS已成为了空间不确定性和风险性评价非常有用的研究工具。克立格插值方法是一个多元回归过程,Matheron发展了地统计的一般统计理论并将其应用于区域化变量,它是在给定的一个随机过程的实测值的条件下,来得到该过程的无偏最优估计。包括普通克立格法(OrdinaryKriging)、简单克立格法(SimpleKriging)、泛克立格法(UniversalKriging)、指示克立格法(IndictorKriging)等。要预测未采样点x0处的值,则线性Z*(x0)可表示如下:式中:λi是赋予观测值Z(xi)的权重,表示各观测值对估计值的贡献,其和为1,在保证估计值无偏性和最优性的条件下,可由变量半方差函数计算得到。本研究采用普通克立格法,它是单个变量的局部线性最优无偏估计,是最稳健最常用的方法。1.3.2数据处理与分析土壤采样点信息空间变异性的各项统计特征值(均值、标准差、峰度、偏度和变异系数等)的分析主要采用SPSS16.0和Microsoftexcel2003统计软件。2结果与分析2.1土壤有效养分cec的变异从表2可以看出,旱地红壤的有机质、全氮、铵态氮、硝态氮和有效磷平均含量均表现出表层(0~15cm)略高于亚表层(15~30cm),这主要是土壤表层受耕作施肥的影响较大,阳离子交换量(CEC)平均值表层低于亚表层,阳离子的交换反应一般需要在适宜的温度和水分状态下,旱地红壤表层易干旱,因此亚表层环境中CEC较大。由表2可知,旱地红壤表层和亚表层土壤有效养分的变异情况各不相同。变异系数(C.V.)的大小能够说明土壤特性空间变异性的大小,按变异系数的划分等级为:弱变异性:C.V.<10%;中等变异性:C.V.=10%~100%;强变异性:C.V.>100%。从表2可以看出,表层土壤有效磷的变异系数最高,达到了72.57%,其含量的最大值是最小值的39倍;其次分别为铵态氮和硝态氮,达到了中等变异强度;有机质的变异系数最低,表现出弱变异性。亚表层土壤养分变异系数情况与表层土壤一致。2.2土壤中系统空间相关分析进行半方差函数分析的数据必须符合正态分布,经ArcGIS+9.3GeostatisticalAnalyst中的Histogram正态分布检验,全氮、表层有机质、亚表层硝态氮数据符合正态分布,其余不符合正态分布的数据经logit转换后,符合峰度和偏度较小的正态分布。分析土壤养分空间关系有三个基本变量:即块金值(Nugget)C0、基台值(Sill)C0+C和变程(Range)A0。块金值反映的系统属性的随机变异,由采样尺度及系统属性本身变异特征控制,同时还受测量误差的影响;基台值表示系统属性的最大变异。块基比C0/(C0+C)为空间相关度,表示随机部分引起的空间异质性占系统总变异的比例,如果该比值高,说明样本间的变异更多的是由随机因素引起的,如果该比值接近1,则说明该变量在整个尺度上具有恒定的变异。从结构上来看,块基比C0/(C0+C)<25%,系统具有强烈的空间相关性;比值在25%~75%之间,系统具有中等的空间相关性;若>75%说明系统空间相关性很弱。变程A0提供了研究某种属性相似范围的一种尺度,与观测尺度以及在取样尺度上影响土壤养分的各种生态过程相互作用有关。由表3可知,在表层土壤中,有机质和CEC的块基比C0/(C0+C)分别为87.80%和96.24%,拟合的理论模型分别为高斯和球状模型,在变程为55m处表现较弱的空间相关性;全氮、硝态氮和有效磷的块基比C0/(C0+C)分别为68.24%、65.05%和34.66%,拟合的理论模型均为指数模型,分别在变程为55m、44m和8m处表现出中等的空间相关性;铵态氮的块基比C0/(C0+C)为0,拟合的理论模型为指数模型,在变程为15m处表现出强烈的空间相关性。在亚表层土壤中硝态氮和CEC的块基比C0/(C0+C)分别为75.77%和87.82%,拟合的理论模型分别为指数和球状模型,在变程为21m和59m处表现弱的系统空间相关性;有机质、全氮和有效磷的块基比C0/(C0+C)分别为71.43%、68.00%和74.35%,拟合的理论模型均为指数模型,分别在变程为8m、20m和55m处表现出中等的空间相关性;铵态氮的块基比C0/(C0+C)为0,拟合的模型为指数模型,在变程为15m处表现出强烈的空间相关性。2.3土壤肥力cy的时空分布特征根据记录样点的空间地理信息,利用ArcGIS+9.3Geostatisticalanalysis模块的普通克立格(OrdinaryKriging)插值法进行内插分析得出旱地红壤养分的空间分布图(图2)。克立格插值法模拟结果采用交叉检验方法进行评估,插值结果精度高的标准是:平均误差(ME)的绝对值越接近于0越好;均方根误差(RMSE)越小越好;平均标准误差(ASE)越小越好且与均方根误差(RMSE)值接近,标准化平均误差(MSE)越接近0越好,标准化均方根误差(RMSSE)越接近于1越好。由表4可知,表层和亚表层土壤中有机质、全氮、硝态氮和CEC的ME和MSE接近于0,RMSE和ASE值接近,RMSSE接近于1。因此,可以对旱地红壤中的有机质、全氮、硝态氮和CEC作普通克立格插值分析,得出有机质、全氮、硝态氮和CEC的空间分布图(图2)。从图2可看出各土壤养分在斑块大小、形状、位置等的空间分布特点各不相同。其中表层和亚表层的有机质均为不规则的斑块状分布,带状分布不明显,有机质含量最多的区域为中部偏东和西部偏北的位置,这是因为该旱地在改造过程中西南角生土较其它地方多,加上耕种熟化过程较短,因此有机质含量偏低。表层土壤的全氮空间分布图中,全氮含量大部分处于0.89~1.02gkg-1,表现出弱变异性;亚表层土壤中,全氮分布表现出条带状和块状分布,中西部的全氮含量较高,向东北部逐渐减小。在表层和亚表层的土壤中,硝态氮呈条带状和块状分布,均表现出中部偏西的含量较高,向东南部逐渐减少的趋势,这与硝态氮在土壤中随水分向下运移,造成了硝态氮的淋失,使硝态氮在土壤中分布不均匀有关。土壤阳离子交换量(cationexchangecapacity,CEC)是指土壤胶体所能吸附各种阳离子的总量,可作为评价土壤保肥能力和地力的指标,我国现行肥力指标,CEC<10cmolkg-1为低等,10~20cmolkg-1为中等,>20cmolkg-1为高等,据图2CEC的空间分布图可知,该旱地大部分地区处于中低等CEC水平,亚表层含量略高于表层含量,且表现出斑块状分布,表层土壤中,东南部CEC含量较高,北部和西部含量较低;亚表层土壤中,东南部和中部偏西的CEC含量较高,西部含量最少。3土壤理化性质的变异性(1)经地统计分析表明:研究区红壤氮、磷的变异系数较高,达到了中等变异强度,这是因为氮和磷是目前土壤养分管理中最重要的两个元素,研究区土壤中硝态氮和铵态氮含量变异系数较高,主要是施氮肥量、施肥方法、肥料种类等的不同而导致的的高变异,同时受到自然因素如降雨、干旱、坡度、地形、土壤质地和土壤的强酸性等的影响,而有效磷的高变异性不仅与不同土地利用方式下施磷肥量有关,而且与磷在土壤中的移动性小、当季利用率低等化学行为有一定的关系,同时Olsen法测定有效磷的方法适合于碱性和中性土壤,在酸性红壤上测定的变异系数大也是一个重要的原因。Chien等报道在2.5km×4.0km区域内,土壤速效磷的变异系数高达199%。有机质的变异系数最低,表现出弱变异性。(2)经半方差检验结果表明,土壤表层有机质和CEC具有较弱的空间相关性,变程均为55m,表明土壤有机质和CEC的变异主要是由随机因素(例如:施肥、耕作措施和种植制度等各种人为活动使得土壤养分的空间相关性减弱)制约,结构性因素(比如气候、母质、地形、土壤类型等自然因素可以导致土壤养分强的空间相关性)带来的影响较小;全氮、硝态氮和有效磷具有中等的空间相关性,变程分别为55m、44m和8m,表明随机因素和结构性因素共同对它们造成了影响,但有效磷仅在小尺度范围内具有空间相关性,主要是磷在土壤中的存在形式比较稳定,不易流失,积聚状况比较明显,含量较低;铵态氮具有强烈的空间相关性,变程为15m,主要受结构因素影响,这些因素包括土壤盐基强烈淋溶作用,以及由第四纪红色黏土母质决定的交换性Al含量和较低的交换性K含量。土壤亚表层中硝态氮和CEC具有弱的空间相关性,变程分别为21m和59m;有机质、全氮和有效磷具有中