漢中盆地耕地土壤有機質(zhì)的空間特征

班松濤，常慶瑞，趙業(yè)婷，姜 悅

(西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100)

漢中盆地耕地土壤有機質(zhì)的空間特征

班松濤，常慶瑞，趙業(yè)婷，姜 悅

(西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100)

【目的】 研究漢中盆地耕地土壤有機質(zhì)的空間自相關(guān)性、空間變異特征以及空間分布規(guī)律?！痉椒ā?根據(jù)地貌特征，以位于漢中盆地中部的平壩區(qū)作為研究區(qū)，于2010-2011年共采集土樣3 568個，測定土樣有機質(zhì)含量，對獲得的有機質(zhì)含量原始數(shù)據(jù)進行處理后，綜合運用傳統(tǒng)統(tǒng)計、地統(tǒng)計和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，研究漢中盆地耕地土壤有機質(zhì)空間特征?！窘Y(jié)果】 研究區(qū)耕地土壤有機質(zhì)含量為7.20～38.00 g/kg，平均值為21.53 g/kg，變異系數(shù)為24.48%，屬中等強度變異；研究區(qū)耕地土壤有機質(zhì)為空間聚集式分布，呈顯著的正空間自相關(guān)，空間自相關(guān)尺度為 4.70 km；耕地土壤有機質(zhì)含量的塊金系數(shù)為0.55，表現(xiàn)為中等強度空間相關(guān)性；研究區(qū)61.13%的耕地土壤有機質(zhì)含量較高(≥20～<30 g/kg)，整體分布格局為西高東低、南高北低，其中自東北向西南方向土壤有機質(zhì)含量呈增加趨勢。【結(jié)論】 研究區(qū)大部分耕地土壤有機質(zhì)含量較高，能夠滿足農(nóng)作物生長的需要。

土壤有機質(zhì)；地統(tǒng)計；地理信息系統(tǒng)；空間自相關(guān)性；漢中盆地

有機質(zhì)是土壤的重要組成部分，在土壤肥力、環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面有著重要作用和意義，是評價土壤質(zhì)量的重要指標[1-2]。通過研究土壤有機質(zhì)(SOM)的空間特征，掌握其在區(qū)域內(nèi)分布特點及規(guī)律，可以為合理制定農(nóng)田管理措施和農(nóng)業(yè)種植規(guī)劃提供依據(jù)。結(jié)合地統(tǒng)計學和GIS技術(shù)對SOM空間特征進行定量化研究在國內(nèi)外已有很多成果，從農(nóng)田尺度到區(qū)域尺度都有涉及[3-17]。當前大部分研究只使用地統(tǒng)計中的半方差函數(shù)來提供插值依據(jù)并分析SOM空間變異特征，另有少量研究對SOM空間自相關(guān)進行分析[18]，但結(jié)合兩者描述SOM空間特征的研究比較少。漢中是陜西省重要的糧食產(chǎn)區(qū)，水稻種植面積和總產(chǎn)約占全省水稻種植面積和總產(chǎn)的70%以上[19]，地處漢中盆地中心地帶的平壩區(qū)又是漢中耕地分布最集中、面積最多、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件最優(yōu)的區(qū)域，這一區(qū)域SOM空間特征的相關(guān)研究還未見報道。本研究嘗試根據(jù)地形地貌劃分該研究區(qū)，使用高密度采樣結(jié)果，研究單一地形條件、單一氣候條件區(qū)域內(nèi)SOM空間特征，以期得到更為精確的SOM空間特征和分布規(guī)律，進而為該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

漢中盆地位于陜西省漢中市，其中平壩區(qū)地理坐標為106°36′～107°39′E，32°52′～33°17′N，包括勉縣、漢臺、南鄭、城固、洋縣的漢江沿岸灘地和一、二級階地[20]。土地面積1 515.1 km2。該區(qū)地處北亞熱帶和暖溫帶的過渡地帶，年均溫14～15 ℃，年降水量869.6 mm，地勢平坦，資源豐富，水、土、光、熱等自然條件優(yōu)越，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動十分有利，是陜西省重要的糧食生產(chǎn)基地之一。耕地土壤以水稻土為主(占總耕地面積的73.42%)。農(nóng)作物以水稻、油菜為主，另有部分果園等。

1.2 土樣的采集、測定與資料收集

按照中國耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程，在2010-2011年作物收獲后、施肥前，根據(jù)研究區(qū)地形地貌、土壤性質(zhì)和管理水平等特點，按照全面性、均衡性、客觀性和可比性的原則確定采樣單元，每一采樣單元選擇有代表性的田塊，用不銹鋼土鉆，在每個田塊采用“S”形法隨機取8個樣點，采集0～20 cm土層的土樣，將各采樣點土壤混勻后用四分法留取1 kg土樣裝袋以備分析，并用GPS定位儀記錄采樣點的坐標數(shù)據(jù)。共采集土樣3 568個。土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量外加熱法測定[21]。

收集、整理研究區(qū)1∶5萬地形圖和土地利用現(xiàn)狀圖，將紙質(zhì)圖件數(shù)字化，建立空間數(shù)據(jù)庫。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

1.3.1 特異值處理 異常值的存在會影響變量分布特征，導致變異函數(shù)的隨機成分增加，以及空間自相關(guān)成分減弱，增加估計誤差[22]。本研究使用域法識別特異值，再結(jié)合局部Moran指數(shù)[23-24]，剔除特異值。由于采樣點密度較高，樣點間距差異較大，樣點的不均勻分布會導致插值結(jié)果誤差較大；土壤養(yǎng)分空間變異性特征具有尺度效應(yīng)，因此本研究根據(jù)實際采樣間隔情況，以300 m空間等間距進行抽稀處理，最終保留有效樣點2 975個。

1.3.2 正態(tài)分布檢驗 地統(tǒng)計學要求原始數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，否則會產(chǎn)生比例效應(yīng)，使變異函數(shù)值產(chǎn)生畸變，降低估計精度，導致某些結(jié)構(gòu)特征不明顯[25]。對剔除特異值后的原始數(shù)據(jù)在SPSS 19軟件中進行Kolmogorov-Smironov 單樣本正態(tài)檢驗(K-S檢驗)，發(fā)現(xiàn)其存在左偏斜效應(yīng)，故需對其進行轉(zhuǎn)換。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過Box-Cox轉(zhuǎn)換(λ=0.45)后符合正態(tài)分布，即PK-S=0.081，大于0.05，其正態(tài)分布曲線見圖1。

Box-Cox轉(zhuǎn)換是一種冪轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理方法，其轉(zhuǎn)換公式為：

(1)

式中：λ是原始數(shù)據(jù)xi經(jīng)冪轉(zhuǎn)換后最接近正態(tài)分布時的參數(shù)。當λ=0時，Box-Cox轉(zhuǎn)換即為對數(shù)轉(zhuǎn)換。λ值可通過Minitab 15軟件分析得到。

1.3.3 空間自相關(guān)性分析 空間自相關(guān)性是指某一變量在不同位置上的相關(guān)性，是空間單元屬性值聚集程度以及聚集方式的一種度量[26]。全局Moran指數(shù)(I)是衡量空間自相關(guān)性的常用指標之一，反映的是空間鄰接或鄰近區(qū)域單元屬性值的相似程度。I的計算公式為：

(2)

I的取值范圍為[-1,1]，當I值接近于1時，表明具有相似的屬性聚集在一起；當I值接近于-1時，表明具有相異的屬性聚集在一起；當I值接近于0時，則表示屬性是隨機分布或不存在空間自相關(guān)性[27]。通常將I標準化為Z值，以檢驗空間自相關(guān)性的顯著性和正負性。Z值計算公式為：

(3)

(4)

V[I]=E[I2]-E[I]2。

(5)

對空間自相關(guān)性進行檢驗時，以正態(tài)分布95%置信區(qū)間雙側(cè)檢驗的閾值1.96為界線，當Z>1.96時，表示有顯著的正空間自相關(guān)性，相鄰近觀測點的屬性相近，即空間聚集；當Z<-1.96時，表示有顯著的空間負相關(guān)性，相鄰近觀測點的屬性差異較大，即空間分散；當Z為≥-1.96～≤1.96時，則表示空間相關(guān)性不顯著，變量呈隨機分布[28]。

1.3.4 空間變異與空間分布特征分析 地統(tǒng)計學是以具有空間分布特點的區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，借助變異函數(shù)，研究自然現(xiàn)象的空間變異與空間結(jié)構(gòu)[29]。半方差函數(shù)是地統(tǒng)計分析的核心工具之一，分析區(qū)域化變量的空間變異結(jié)構(gòu)特征，是Kriging 插值的基礎(chǔ)。半方差函數(shù)的計算公式為：

(6)

式中：γ(h)為空間間隔h的半方差，N(h)是具有相同空間間隔h的離散點對數(shù)，Z(xi)和Z(xi+h)分別為點xi和xi+h的實測值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機質(zhì)的基本統(tǒng)計學特征

對2 975個土樣有機質(zhì)含量進行統(tǒng)計分析，結(jié)果(表1)顯示，研究區(qū)耕地土壤有機質(zhì)含量為7.20～38.00 g/kg，平均值為21.53 g/kg，變異系數(shù)為24.48%，屬于中等強度變異，不同地區(qū)土壤有機質(zhì)含量差異比較大，需分區(qū)差異化管理與施肥。

2.2 土壤有機質(zhì)的空間自相關(guān)性

在ArcGIS 9.3中使用空間自相關(guān)工具計算耕地土壤有機質(zhì)I及Z值，結(jié)果顯示，研究區(qū)耕地土壤有機質(zhì)I值為0.35，Z值為8.46，表明研究區(qū)內(nèi)耕地土壤有機質(zhì)呈空間聚集式分布，且呈顯著的正空間自相關(guān)。

使用地統(tǒng)計軟件GS+9.0進一步對耕地土壤有機質(zhì)I與采樣點間隔距離關(guān)系進行分析，結(jié)果(圖2)顯示，采樣點間隔距離為0～4.70 km時，I值隨距離的增大明顯減小，表明土壤有機質(zhì)的空間自相關(guān)程度隨著采樣點之間的距離增大明顯減弱；采樣點間隔距離大于4.70 km后，I值隨間隔距離的增加變化不明顯，表明在超過一定間隔距離后，土壤有機質(zhì)空間自相關(guān)程度不顯著，可知其自相關(guān)尺度為4.70 km。

2.3 土壤有機質(zhì)的空間變異特征

運用地統(tǒng)計軟件GS+9.0對處理過的數(shù)據(jù)進行半方差函數(shù)分析，通過對步長間距和擬合參數(shù)調(diào)整，使理論模型逼近試驗半方差函數(shù)，確定步長間距(Uniform interval)為450 m，有效滯后距(Active lag distance)為10.80 km，最后選擇函數(shù)模型為指數(shù)模型，得到半方差函數(shù)模型及其參數(shù)如表2所示。軟件分析顯示，在最優(yōu)的半方差函數(shù)擬合條件下，有機質(zhì)分布沒有顯著的各向異性?？臻g變異性強弱可根據(jù)塊金值(C0)與基臺值(C0+C)的比值，即塊金系數(shù)(C0/(C0+C))進行劃分。塊金系數(shù)表示由隨機部分引起的空間變異性占總體變異的比例[24]。在此模型中，研究區(qū)耕地土壤有機質(zhì)含量的塊金系數(shù)為0.55，表現(xiàn)為中等強度空間相關(guān)性，其空間變異是結(jié)構(gòu)性(自然)因素和隨機(人為)因素共同作用的結(jié)果。

2.4 土壤有機質(zhì)的空間分布格局

根據(jù)2.3中獲得的耕地土壤有機質(zhì)半方差函數(shù)最優(yōu)模型——指數(shù)模型，在ArcGIS 9.3地統(tǒng)計模塊中，采用普通Kriging插值方法，并使用交叉驗證參數(shù)評價插值精度[29]，獲得研究區(qū)耕地土壤有機質(zhì)含量的空間分布圖(圖3)。依據(jù)陜西省第2次土壤普查有機質(zhì)分級標準及其豐缺指標，統(tǒng)計耕地土壤各等級有機質(zhì)含量的面積(表3)。

由表3可知，研究區(qū)內(nèi)有61.13%的耕地土壤有機質(zhì)含量處于3級水平，即適宜水平(≥20～<30 g/kg)；有37.94%的耕地土壤有機質(zhì)含量處于4級，即低水平(≥15～<20 g/kg)；有機質(zhì)含量處于高(2級)和偏低(5級)水平的耕地面積都很少?？傮w上，漢中盆地平壩區(qū)耕地土壤有機質(zhì)含量總體較高，能夠滿足農(nóng)作物生長的需求。

由圖3可知，研究區(qū)耕地土壤有機質(zhì)含量空間差異較為明顯，整體空間分布為西高東低、南高北低，其中東北-西南方向遞增變化趨勢明顯。行政區(qū)劃上，勉縣、南鄭縣大部分地區(qū)耕地土壤有機質(zhì)含量為≥20～<30 g/kg，有機質(zhì)含量水平適宜，其中勉縣的勉陽鎮(zhèn)、南鄭的陽春鎮(zhèn)分別是以上2個縣、也是整個研究區(qū)土壤有機質(zhì)含量高值聚集的地區(qū)，陽春鎮(zhèn)東南部有機質(zhì)含量可達≥30～<40 g/kg。漢臺區(qū)土壤有機質(zhì)含量為≥20～<30 g/kg以及≥15～<20 g/kg的耕地面積所占比例分別為60.96%和39.04%。城固縣和洋縣耕地土壤有機質(zhì)含量相對較低，有機質(zhì)含量為≥15～<20 g/kg的耕地面積所占比例較高；在城固縣土壤有機質(zhì)含量較高的耕地主要集中在沙河營鎮(zhèn)、博望鎮(zhèn)、五郎廟鎮(zhèn)三鎮(zhèn)交界區(qū)，其次是老莊鎮(zhèn)南部、文川鎮(zhèn)北部以及上元觀鎮(zhèn)大部分地區(qū)；洋縣土壤有機質(zhì)含量較高的耕地主要集中在湑水鎮(zhèn)南部、漢江北岸。

3 結(jié) 論

本研究應(yīng)用傳統(tǒng)統(tǒng)計、地統(tǒng)計和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的方法，對漢江盆地平壩區(qū)耕地土壤有機質(zhì)的空間特征進行了定量分析，主要結(jié)論如下：

1)對2 975個土樣進行了分析，可知研究區(qū)耕地土壤有機質(zhì)含量為7.20～38.00 g/kg，平均值為21.53 g/kg，變異系數(shù)為24.48%，屬于中等強度變異。

2)空間自相關(guān)性分析結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)耕地土壤有機質(zhì)含量呈空間聚集式分布，且具有顯著的正空間自相關(guān)特征。當采樣點間隔距離大于4.70 km時，土壤有機質(zhì)的空間自相關(guān)程度不顯著。

3)地統(tǒng)計分析結(jié)果顯示，在最優(yōu)半方差函數(shù)擬合條件下，研究區(qū)土壤有機質(zhì)分布無顯著各向異性，具有中等強度空間相關(guān)性，其空間變異是自然因素和人為因素共同作用的結(jié)果。

4)采用普通Kriging插值方法獲得研究區(qū)土壤有機質(zhì)空間分布圖，對其分析可知，研究區(qū)內(nèi)大部分耕地土壤有機質(zhì)含量較高，能夠滿足農(nóng)作物生長的需要，土壤有機質(zhì)含量整體分布格局為西高東低、南高北低，其中由東北向西南方向遞增趨勢明顯。

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Spatial characteristics of soil organic matter in cultivated land in Hanzhong Basin

BAN Song-tao,CHANG Qing-rui,ZHAO Ye-ting,JIANG Yue

(CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 This study analyzed the spatial autocorrelation,variability and distribution of soil organic matter (SOM) in Hanzhong Basin,Shaanxi Province.【Method】 The plain area in Hanzhong Basin was chosen as the study area according to the geomorphological characteristics.Based on SOM contents of 3 568 soil samples collected in Hanzhong Basin from 2010 to 2011,traditional statistics,geostatistics and geographical information system technology were used to analyze the spatial characteristics of SOM in cultivated land.【Result】 SOM contents of soil samples in the study area ranged from 7.20 g/kg to 38.00 g/kg with the average of 21.53 g/kg and the variation coefficient of 24.48%, indicating moderate variability.The spatial autocorrelation of SOM content was positive and strong with the active range of 4.70 km.The nugget coefficient of SOM content was 0.55,indicating medium spatial correlation.61.13% of the study area had high contents of SOM (≥20-<30 g/kg).Overall,SOM content was high in the west and south and low in the east and north.There was a significant variation trend from northeast to southwest.【Conclusion】 SOM contents in most cultivated land were high and enough to supply the needs of crops.

soil organic matter;geostatistics;geographical information system;spatial autocorrelation;Hanzhong Basin

2013-09-29

國家“863”計劃項目(2013AA102401)

班松濤(1989-)，男，河南杞縣人，碩士，主要從事遙感與GIS的應(yīng)用研究。E-mail：songtao.ban@gmail.com

常慶瑞(1959-)，男，陜西子洲人，教授，博士生導師，主要從事資源環(huán)境與“3S”技術(shù)應(yīng)用研究。 E-mail:changqr@nwsuaf.edu.cn

時間:2015-01-05 08:59

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.02.020

S153.6+21

A

1671-9387(2015)02-0159-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150105.0859.020.html