地统计分析土壤有机碳含量分布-统计学

地统计分析土壤有机碳含量分布-统计学

土壤特性的空间变异研究一直是个被关注的热点，但对土壤物理性质、土壤盐

分变化问题的研究较多[1,2],对土壤养分空间变异性的研究则相对较少。90年

代，随着发达国家精确农业技术的发展和GIS的广泛应用[3,4],土壤特性的空间

变异研究得到了众多学者的关注。邛海盆地是凉山彝族自治州所在地，农业人口约

占总人口的乐土地肥沃，自流灌溉便利，是国家和四川省农业综合开发重点区。

因此，如何合理利用土地和如何进行生态环境保护是该区经济发展面临的重大课

题。本研究通过分析该区土壤有机碳含量的影响因子，旨在为优化土地资源管理措

施和保护生态环境提供参考。

1材料与方法

研究区基本概况

邛海盆地地处川西高原，属亚热带高原季风气候，年平均气温？，日照充足，

雨量充沛;该区以红壤、黄红壤为主，局部地区的红壤达海拔2100m以上。

数据来源与预处理

数据源于西昌xx年测土配方施肥国家补贴项目土样化验分析汇总表，共提取

392个采样点。基于生成样点分布图如图1所示。

常规统计分析

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利用中地统计模块，统计出土壤有机碳含量的基本特征性数据。

地统计学基本理论

传统统计学理论是纯随机变量，但许多土壤性质在空间上并不完全独立，而在

一定范围内存在着空间相关性。地统计学方法以半方差函数和Kriging插值为基本

工具，能对既具有随机性又具有结构性的各种变量在空间上的分布进行研究［日。

半方差函数能较好地描述区域化变量的空间分布结构性和随机性，其中一些重要参

数，可反映区域化变量在一定尺度上的空间变异和相关程度，是研究土壤特性空间

变异性的关键，同时也是进行精确Krigking插值的基础［6］,式中，r为半方差函

数;h为样点空间间隔间距，即步长;N为间隔距离为h时的所有观察样点的成对

数;Z和Z分别是区域化变量Z在空间位置xi和xi+h的实测值。若h为横坐标，r

为纵坐标绘制函数曲线图，称为半方差函数曲线图，它可直接展示Z的空间变异特

点。克里格插值，是地统计学的主要内容，它是通过对已知样本点赋权重来求得未

知点的值。式中，Z为天知采样点的值;Z为未知样点周围的已知样本点的值；i为

第i个已知样本点对位置样点的权重;n为已知样本点的个数。

空间分布特征分析

缓冲区分析是通过生成相关空间实体的缓冲区，以判断

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空间实体影响范围的过程［8］。本研究以土壤质地、城镇、邛海和河流为影响

源，建立不同距离的缓冲区，以分析有机碳含量的变化情况。

2结果与分析

常规统计分析

基于的地统计模块，对采样数据进行常规描述性统计。从偏度上看，呈右偏态

分布。变异系数反映空间变异性程度，通常认为变异系数CV?10,为弱变异性，10,

空间变异分析

半方差分析

上述分析只能反映采样点中有机碳含量特征，底以完全反映整个研究区的空间

分布信息，即空间结构性、随机性、相关性和独立性等。运用地统计学方法可以较

好地弥补上述缺陷［10］。根据球状理论模型得出相应参数如表2所示。土壤养分分

布由结构性因素和随机性因素决定。结构性因素，如气候、母质、地形、土壤类

型、自然因素等;随机性因素，如施肥、耕作措施、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，朝均一化方向发展。从结构性因素的角度来看，块

金值与基台值的比例可以表明系统变量的空间相关性程度，比例75,时,系统空间

相关性很弱［11］。由表2可知，块金值与基台值之比为，由此可见，邛海盆地土壤

有机碳空间变异体现为中等强度的空间相关性,且以随机变

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异为主。

空间分布特征

在以上分析的基础上，采用Kriging法进行最优内插，得到土壤有机碳分级

图。高值区位于西昌市主城区东南部和邛海海域东南部，且以斑块形式存在。低值

区位于邛海海域东北部，并由该低值中心向西北方向递增。

土壤有机碳影响因素分析

土壤质地

由表3可知，土壤有机碳含量表现为中壤＞重壤）轻壤＞砂＞砂土，经方差检验其

差异均达极显著水平。其中重壤、轻壤、中壤中有机碳含量明显高于砂土和砂壤，

重壤、轻壤、中壤中有机碳含量差异未达明显水平，砂土和砂壤中有机碳含量差异

也均未达显著水平。不向质地的土壤，肥力特性不问，因此有机碳含量也不相同。

土壤pH值

土壤pH值常通过影响微生物的活动显著影响土壤有机碳的含量及空间分布，

微生物最适宜中性环境下活动，强酸或强碱条件下其活动受到抑制。从研究区不同

pH的土壤有机碳含量来看，中性土壤》微酸性土壤）微碱性土壤》酸性土壤。经方差

检验，其差异达极显著水平。其中，中性条件下土壤有机碳含量明显高于其他范围

pH值的有机碳含量。主要是由于土壤pH值在左右，微生物较活跃，有利于分解有

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机质，促进了土壤碳素的释放。土壤pH值过高或过低，都限制了微生物分解

有机质的能力，从而土壤中有机碳含量偏低。

西昌市影响分析

为分析西昌市城市化进程对其城乡交错带土壤碳素含量的影响，选取最具典型

的西昌市主城区为例，采用GIS空间分析中的缓冲区分析方法进行了研究。其具体

做法是以西昌市主城区作为面实体影响源，分别建立、、、和的缓冲区，探讨主城

区对城乡交错带土壤碳素含量的影响。通常，相关系数在为极强相关，为强相关，

为中等程度相关，为弱相关，为极弱相关或无相关。分析显示城镇对土壤有机碳含

量影响属于强相关性。这主要是由于在城市周边人为因素造成的，如生活垃圾、工

矿业废渣、污泥、塑料废弃物等，对土壤资源侵占、污染，而使土壤养分遭到破

坏。

邛海影响分析

作为四川第二大淡水湖的邛海对西昌市的降雨、气温、土地利用等也有较大的

影响。以邛海作为面实体影响源，分别建立、、、和的缓冲区，分析显示呈现极强

的相关性。总体水平上随着缓冲区距离的增加，其含量也增加。这主要是由于大量

侵蚀、搬运、沉积作用使得较大的土壤颗粒堆积在湖岸，一般来说土壤颗粒越大保

肥性越弱，从而土壤有机碳含量低。河流影响分析该区水系相对密集，为反映河流

对土壤

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有机碳含量的影响，以河流作为线实体影响源，分别建立、、、和的缓冲区，

分析显示其呈极强的正相关。随着缓冲区距离的增加，其含量也明显增加。这主要

是由于河流流水搬运、沉积作用使得土壤表现近河岸粗远河岸细。一般来说颗粒大

的土壤保水性差，吸附、保持养分能力差，