基于地统计学半方差函数和gis空间插值的土壤地域差异性研究小流域土壤有机质和全磷空间变异分析以安徽省舒城县龙潭小流域为例

基于地统计学半方差函数和gis空间插值的土壤地域差异性研究小流域土壤有机质和全磷空间变异分析以安徽省舒城县龙潭小流域为例

土壤是一个形状和演化过程非常复杂的自然综合体。在土壤过程中，由于气候、母土、地形、时间和人为因素的影响，土壤异质性高度增加，这是空间异质性特征[1.2]。地球物理是分析土壤特性空间分布特征及其变异规律最有效的方法之一[3.4]。它不仅能揭示土壤特性分布规律及其变化特征，而且能通过分析更好地揭示自然和人为活动对土壤特性空间变异的影响。目前，国内外土壤特征变异规律的研究涉及土壤物理和化学性质、重量和其他方面。物理特征主要集中在土壤水分的饱和历水率、渗透性、土壤密度、机械组成等。土壤有机质、氮、磷、钾等肥力属性主要集中在土壤有机质、氮、磷、钾等重金属污染上。对土壤属性异质性的研究有助于了解区域土壤特征的特点，为区域土壤质量优化提供参考依据。目前的研究大多集中在一个行政区域、一个地貌单元或者一种土地利用类型上[10~13],对小流域的研究相对较少.我们以安徽省舒城县龙潭小流域为对象,在实地调查采样、室内实验分析的基础上,运用地统计学和GIS,研究该流域内土壤有机质、全磷的变异规律及空间分布特征,并深入探讨了其各方向的变异函数特征,从而揭示该小流域尺度下土壤特性的变异规律,为该流域土壤信息差异性的测量和描述、开展养分管理的分区研究提供参考.1研究领域的总结和研究方法1.1地域自然概况龙潭小流域位于安徽省舒城县晓天镇,中心地理坐标为东经116°36′、北纬31°12′.流域面积7.9km2,海拔100~540m.属亚热带温润性季风气候区,年平均气温15.6℃,年平均降雨量1100mm,无霜期年平均224d.阳光充足,雨水丰富,土地肥沃,植被茂盛,四季分明,气候温和.1.2学习方法1.2.1采样点空间条件和有机质分析2009年4月根据龙潭小流域的植被类型、土地利用状况、地形特点,在0~20cm土壤表层随机采集混合样品109个,用布袋封装,同时用GPS定位,记录样点的空间地理信息,采样点分布图见图1.样品经自然风干后,挑拣出参杂的植物根系和残体杂物,然后进行碾磨、磨碎,过10目(2mm)尼龙筛,再用四分法分别取部分碾磨过60目(0.25mm)和100目(0.149mm)尼龙筛,分别装入封口袋中,以备不同的分析项目之用.有机质的测定用重铬酸钾氧化—外加热法,全磷的测定用硫酸—高氯酸溶液—钼锑抗比色法,同时为保证分析结果的可靠性,每隔5个样做2个重复实验,相对误差控制在5%以内.1.2.2数据处理与插值方法检验样品数据先用MicrosoftExcel2003进行整理,然后用SPSS15.0进行一般统计分析,同时使用非参数检验中的单样本K-S(Kolmogorov-Smirnov)检验分析数据是否符合正态分布.不符合正态分布的经过对数或其它方式变换成正态分布,在数据符合正态分布或近似正态分布的前提下,将数据导入GS+9.0地统计学软件中,进行半方差函数的拟合和地统计学分析.插值方法采用普通克立格、简单克立格、泛克立格方法进行比较,根据预测表面所生成的交叉验证参数评定标准选取最优插值方法.2结果与分析2.1有机质和全磷含量特征从表1可以看出,研究区域土壤有机质和全磷样品的含量变化范围分别在6.12~101.91gkg-1和0.20~1.87gkg-1之间,且平均值达到36.75gkg-1和0.51gkg-1,说明该区域土壤有机质含量较高,全磷含量适中.其中有机质的中位数和平均值接近,且峰度达到1.31,表明样点有机质数据主要集中在中位数附近.有机质的标准差和变异系数分别为18.73和50.95%,全磷的为0.31和63.99%,表明研究区土壤有机质和全磷的变异程度较大,这是由于该区域植被类型、土地利用状况、地形等状况的不同导致的.经检验,样点有机质、全磷呈正态分布,但其峰度和偏度较高,为了降低其峰度和偏度,对其进行对数转换,转换后有机质的峰度和偏度降为0.29、-0.25,全磷的降为0.26、0.78(图2).2.2有机质、全磷变异的空间方差分析经对数转换后符合正态分布的数据导入GS+9.0软件,进行半方差函数的拟合计算,计算得到的有机质、全磷的变异统计特征(表2),从表中可以看出,有机质和全磷的最佳拟合模型都为指数模型,有机质的决定系数达到0.868,用指数模型进行拟合的程度较高,而全磷的决定系数仅为0.380,说明全磷变异的各向同性较差.块金值分别为0.0107、0.0362,块金值较小,说明该流域有机质、全磷在极小范围的空间变异很小,采样时样点分布应相隔一定距离更经济,更合理.块金值和基台值的比分别为4.4%和13.8%[17~18],该流域土壤有机质和全磷的相关性均属于强烈空间自相关,说明有机质和全磷的变异主要是受结构性变异制约,随机变异带来的影响较小.变程分别为642m和435m,说明有机质和全磷在此范围内具有空间自相关,超出此范围空间自相关性消失.土壤有机质、全磷变异的各向同性分析:经GS+9.0软件拟合出有机质、全磷的各向同性半方差函数(图3),从图中可以看出,有机质用指数模型的拟合程度较好,当步长大于1900m时,出现了较明显的上升趋势,但变异程度不是太大,可能是其它方向性变异造成的.而全磷整体半方差变化较明显,变异程度较高,变异的各向同性不太显著,在约1310~2100m步长范围内出现了上升下降趋势,但变化不是太明显,这是各个方向性变异强烈表现的结果.有机质变异的各向异性分析:为了更加深入了解流域土壤有机质的空间变异特征,用GS+9.0软件绘出了0°、50°、90°、145°方向上的半方差函数图(图4),进一步探究了有机质在各方向上的空间变异特征,从图中可以看出,有机质在南北90°方向上和东南—西北145°方向上的变异程度明显小于东西0°方向和东北—西南50°方向上变异程度,说明0°方向和50°方向的变异比90°和145°方向复杂,可能是由于流域地形特征影响,0°和50°方向上的地形变化较复杂.在90°和145°方向上,当步长大于1000m时有机质随步长的变异程度大致相似,表现为各向同性.但当步长在300m左右时在90°方向半方差值较低.而当步长大于约1100m时,在50°方向上有机质的变异程度有明显的上升趋势.在0°方向上,其变异程度复杂,变异程度较大,有多处半方差值出现高低交替,差别较大,这是可能是由于该方向的植被类型、施肥措施、地形等因素较复杂造成的.全磷变异的各向异性分析:从图5可以看出,全磷在各个方向上的半方差变化明显,各向异性较显著,各向同性不显著.在南北90°方向和东北—西南50°方向上的半方差值变化较小,变化相对平缓,变异程度相对较低,可能是由于90°方向尺度较小,地形变化相对较简单,但在50°方向上,其内部变异程度仍较显著.在0°方向上,随步长的增加其变异程度呈上升趋势,但当步长在1600~2200m时,出现了明显的上升和下降趋势.在145°方向上,在步长约为800m时,半方差有明显的上升趋势,变异程度加大,这可能是由于0°和145°方向尺度相对较大,地形变化也相对较复杂,以及植被覆盖状况、土地利用状况复杂等因素造成的.2.3土壤有机碳元素的分布根据记录的采样点空间地理信息,并经Arc/Info投影转换,在ArcGIS9.2中生成样点点图层(图1),然后对该流域有机质和全磷数据进行克立格插值,插值方法的选用根据克立格输出预测表面所生成的交叉验证参数评定标准:标准平均值(MS)最接近于0,均方根预测误差(RMS)最小,平均标准误差(ASE)最接近于均方根预测误差(RMS),标准均方根预测误差(RMSS)最接近于1.有机质和全磷的几种克立格插值交叉验证参数比较见表3.从表中可以看出,几种克立格插值方法中,普通克立格对有机质和全磷的插值MS最接近于0,RMS最小,ASE最接近于RMS,RMSS也最接近于1,据此,采用普通克立格对两种土壤属性进行格里格插值,得出土壤有机质、全磷含量空间分布格局(图6),从图中可以看出,有机质和全磷的分布呈明显的块状和带状,其中有机质含量中部较高,向四周逐渐递减,这可能是由于该流域中部常年有树木生长,植被覆盖度高,枯枝落叶积累多,人类活动较少,故有机质含量较高,而东北和西部由于地势较高,植被多为草本植物,故有机质积累少,南部地势相对低平,人类活动影响较大,有机质含量相对低.而全磷含量较高的地方主要集中在南部,可能是因为南部区域地势相对低平,淋溶作用导致土壤磷从地势高向地势低的地方淋溶,含量较低的东北和西部正是该流域地势较高的地方,由此可见淋溶作用对该流域全磷的分布起主要作用.经统计得出有机质、全磷含量各占面积比,其中有机质含量大于43.00gkg-1的,面积约为1.347km2,占总面积的17.0%;含量在33.00~43.00gkg-1之间的,面积约为3.846km2,占总面积的48.4%;含量在23.00~33.00gkg-1之间的面积约为2.281km2,占总面积的28.7%;含量小于23.00gkg-1的,面积约为0.480km2,占总面积的5.9%.全磷含量大于0.70gkg-1的,面积约为0.433km2,占总面积的5.5%;含量在0.50~0.70gkg-1之间的,面积约为2.739km2,占总面积的34.5%;含量在0.33~0.50gkg-1之间的,面积约为4.152km2,占总面积的50.8%;含量小于0.33gkg-1的,面积约为0.626km2,占总面积的9.2%.3有机质、全磷空间分布的特征及控制指导有机质、全磷的一般统计分析和半方差分析表明,龙潭小流域土壤有机质和全磷具有显著的空间异质性,变异程度较高,变异系数分别为50.95%和60.99%,有机质、全磷在642m、435m具有空间自相关,并且两者的空间变异性都主要受结构变异的影响,随即变异带来的影响较小.其中,全磷的各项同性变异程度较剧烈,可能是由于受其他过程控制引起的.有机质、全磷的各向异性变异都比较强烈,各向异性显著,各向同性不太明显,说明有机质、全磷在各个方向上受地形、不同植被类型、不同土地利用类型的影响较大.有机质、全磷的空间分布特征表明,