热带地区土壤质量指标空间变异研究

热带地区土壤质量指标空间变异研究

土壤质量定义为“特定土壤具有保持或改善的动物化学生产力、大气和水的质量，以及支持人类健康和生活的能力”。它是表征土壤运行能力的土壤内在属性,不能直接度量,只有通过对可以直接测定的土壤性质的综合评价才能间接了解。选择合适的土壤质量指标是土壤质量评价的基础,目前已经建立了一些土壤质量评价指标的最小数据集(MDS,minimumdataset)应用于土壤质量评价。土壤在空间上具有变异性,对土壤的精确管理和应用环境模型都需要对土壤质量指标的空间变异性进行分析。地统计学方法被广泛认为是研究土壤性质空间变异的较好方法,应用地统计学方法对土壤的各种物理和化学性质的空间变异特征已经进行了大量研究,并且提出了利用多变量指标克立格方法进行土壤质量评价的方法。但是目前还缺乏农场尺度各项土壤质量指标的空间变异性的全面评价。本文试图以海南儋州热带农场为典型样区,通过系统布点和采样分析,在GIS环境支持下对土壤质量评价指标的空间变异性进行综合分析,为土壤质量综合评价以及了解土壤质量的空间变异提供方法和理论依据。1自然总结与研究方法1.1土壤类型及土种研究区域位于华南热带农业大学农场内,总面积5.233km2,平均海拔157m,地形为低丘,主要成土母质是花岗岩,年平均气温23.3℃,年降雨1826mm,属于热带季风气候,常夏无冬。样区主要有三种类型的土壤,第二次土壤普查分别定为(1)耕型花岗岩砖红壤土属,红赤土地土种;(2)耕型花岗岩砖红壤土属,红沙子地土种;(3)潴育型水稻土亚类,红砂土田1。参照中国土壤系统分类第三版,该区土壤有(1)粘质高岭石高热性普通简育湿润铁铝土;(2)砂质高岭石高热性普通简育湿润铁铝土;(3)普通铁渗水耕人为土。普通简育湿润铁铝土是海南岛最主要的土壤类型,广泛分布于花岗岩或者玄武岩母质为主的低山丘陵和台地上,是该地区的代表性土壤类型(龚子同等,1999),也是我们的主要研究对象。本农场主要土地利用方式为橡胶园,其次为咖啡、香蕉、甘蔗、荔枝、龙眼、椰子、摈榔、胡椒等,以及少量的水稻田,这也是海南岛比较典型的土地利用方式。1.2采样点分布计算采用网格—系统布点法采集土壤样品,以200m×200m为一个网格,在网格内选择代表性的地形和土地利用方式采样,最后再在缺少样品的田块内补采,使每个田块均有采样点分布。每个样点采集0～20cm和20～40cm混合农化样,共计73个样点。1.3测定项目和方法土壤容重采用环刀法测定,土壤含水量采用烘干法测定。土壤粒径分析采用吸管法。电位法测定pH,水土比2.5:1。阳离子交换量(CEC)测定采用乙酸铵-EDTA(pH=7.0)交换法。交换性K测定采用乙酸铵交换-火焰光度法。土壤总有机C测定采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法。土壤有效P测定采用盐酸-氟化铵法(Bray法)。1.4样点的生成本研究在Arcview环境下数字化土壤采样点分布图,输入土壤质量调查数据,将空间数据和属性数据连接生成用于进行地统计学分析的样点分布图。采用SPSS进行各项指标的描述性分析、不同层次土壤质量指标差异性的配对t检验和Kolmogrov-Smirnov检验土壤质量指标的正态分布假设,应用VarioWin以及Geoeas地统计学软件进行半方差函数分析和Kriging内插计算。2结果与讨论2.1土壤理化性质的月际变化选择合适的土壤质量指标是土壤质量评价的基础和关键。Doran和Parkin提出了一个满足大多数农业条件下的土壤质量评价需要的最小数据集,这一数据集的内容包括:土壤质地、表土和土层深度、容重、渗透性、持水性、总有机质、pH、电导率、有效N、P、K、生物量、土壤呼吸等,他们还描述了不同指标与土壤功能的联系。我们选择了其中容重(BD),含水量,总有机C(TOC),粘粒含量(Cl),pH,阳离子交换量(CEC),Bray-P,可交换K(ExK)这七项指标进行空间变异分析。统计分析的结果表明(1),研究区域土壤表层和亚表层土壤,pH平均值分别为4.74和4.71,土壤普遍呈强酸性,CEC平均值分别为4.61cmol/kg和4.99cmol/kg,阳离子交换性能很弱,土壤表现出酸化现象;有机碳平均含量分别为8.4g/kg和5.9g/kg,有效P平均含量分别为2.20mg/kg和0.80mg/kg,土壤速效K平均含量分别为55.5mg/kg和37.1mg/kg,土壤有机质以及有效养分含量非常低,这表明研究区域存在养分贫瘠化现象;土壤粘粒平均含量分别为23.2%和27.9%,多数土壤质地为壤土,平均容重分别为1.40和1.43,多数土壤的孔隙状况比较好,土壤具有较好的物理结构。采用配对t检验的结果表明,0～20cm和0～40cm土壤之间,pH值差异不显著,容重和CEC差异达到了5%显著性水平,其他各项指标的差异都达到了1%差异显著性水平。土壤表层的有机质以及有效P、K含量都高于亚表层,而土壤表层的粘粒含量和容重低于亚表层。计算变异函数要求数据符合正态分布,采用Kolmogorov-Smirnov法检验发现,除了土壤有效磷的含量指标,其他各项指标均符合正态分布,进行对数转换之后呈正态分布。有效P变异函数的计算采用对数转换之后的数据,其他指标采用原始数据。2.2土壤质量指标的变异函数的拟合研究中用于计算半方差函数的公式是:其中h是采样距离,Z(xi)是位于位置xi的点的观测值,Z(xi+h)是与xi点相距h处的点的观测值,N(h)是距离等于h时的点对的个数。在我们的研究中,由于并不是严格按照准确间距进行采样,所以在计算中,采用相对坐标法先计算距离,再采用距离组方法,步长以200m为单位,由于变异函数只有在最大间隔的1/2内才有效,所以我们的距离组划分为:0～200m,200～400m,400～600m,600～800m,800～1000m,1000～1200m,1200～1400m7个组。对于计算得到的实验变异函数,我们分别采用球状模型(sphericalmodel)、指数模型(exponentialmodel)、高斯模型(Gaussianmodel)和线性模型(LinearModel)进行拟合,计算他们的拟合精度指数(IGF,Indicativegoodnessoffit),IGF值越小,表示函数的拟合精度越高,最后选择拟合精度最高的模型作为指标变异函数的理论模型,在拟合过程中我们也参考了以往研究确定的变异函数模型。试验变异函数的计算和理论模型的拟合是通过地统计学软件VarioWin进行的,表2是计算得到的各项土壤质量指标的变异函数的拟合模型。图2是部分土壤质量指标的试验半方差函数及理论模型。变异函数计算结果表明,pH在研究区域内基本表现为基底效应,表层土壤基底/基台值为92%,亚表层为88%,变程为1400m,是研究区域内的最大位差,这说明土壤pH值空间相关性很弱,表现出明显的空间一致性。表层和亚表层土壤pH的基底值分别为0.293和0.168,说明土壤pH值的变化幅度不是很大,亚表层土壤较表层土壤的变异小,这是因为表层土壤更容易受到各种随机因素的影响。表层和亚表层CEC的基底/基台值分别为71%,63%,呈现中等空间相关性,变程分别为840m和705m,表现了中等的自相关范围,基底值分别为1.69和1.40,基底值比较大,说明CEC的空间变异较大,亚表层土壤变异同样小于表层土壤。土壤总有机碳基底/基台值分别为53%,61%,变程分别为675m和705m,基底值分别为0.036和0.020,表现了中等的空间相关性。对经过对数转换的有效P含量的分析结果表明,基底/基台值分别为75%,31%,变程分别为345m和420m,基底值分别为0.78和0.24,说明土壤有效P含量存在一定的空间相关性,但是表层土壤由于受施肥等管理措施的影响,变异向随机变化方向发展。土壤速效K含量基底/基台值分别为31%,42%,变程分别为750m和960m,基底值分别为227和108,说明速效K的空间相关性较强,较高的基底值说明速效K存在小于我们采样距离的某种变异。土壤容重表现为明显的随机变化,不存在明显的空间相关性,表层土壤容重可以用球状模型拟合,基底/基台值为93%,亚表层土壤容重难以用四种模型中的任何一种进行拟合。土壤表层粘粒含量的变异函数可以用线性模型拟合,呈现单调递增的趋势,说明粘粒含量的变异在随距离的增加而增加,而亚表层土壤粘粒含量呈现了中等的空间相关性,基底/基台值为58%。2.3测定指标空间分布克立格法是对区域化变量进行无偏最佳估值的一种可靠方法,我们利用拟合得到的理论变异函数模型,采用块段克立格方法(blockkriging)对各项指标进行空间插值,插值的块的大小为50m×50m,每个块的估计值通过插值块中心周围2×2个点的克立格估计值计算,最后得到各项指标的空间分布图,然后从栅格形式的插值图得到了指标分布的等值线图(图3)。从插值得到的分级图上,可以直观地观察土壤质量指标的空间分布状况。克立格插值的一个优点在于它能够计算每个估值的误差大小。估值误差的大小受样点分布和变异函数模型的模拟精度的影响。从研究区域估值误差分布图(图4)上可以看出,在有采样点的位置具有最小的估值误差,在采样点比较密集的区域内估值方差都比较小,估值误差较大的区域集中在边界和采样较为稀疏的地区。整体来说,整个研究区域内的估值误差是可以接受的,克立格方法提供了一种比较稳妥的空间插值方法,在农场尺度的研究中,可以提供土壤质量指标的更为准确的信息。3土壤质量指标的空间变异采用描述性统计研究发现,土壤存在酸化和养分贫瘠化现象,表层土壤的养分含量高于亚表层土壤,容重和粘粒含量低于亚表层土壤,pH不存在明显差别。除有效P以外的各项土壤质量指标都符合正态分布,有效P经对数转化后符合正态分布。地统计学分析表明,表层土壤各项土壤质量指标的空间变异强于亚表层土壤,这是由于表层土壤受到随机因素影响更为强烈。在各项土壤质量指标中,pH和容重主要体现为基底效应,土壤总有机碳含量,阳