單種復(fù)合類型單元土壤全量元素空間變異的幅度效應(yīng)*

王秀虹于東升?潘 月徐志超王璽洋

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008）

（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

單種復(fù)合類型單元土壤全量元素空間變異的幅度效應(yīng)*

王秀虹1，2于東升1，2?潘 月1，2徐志超1，2王璽洋1，2

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008）

（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

土壤屬性變異性的幅度效應(yīng)研究對(duì)土壤數(shù)字制圖、土壤調(diào)查及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均具有重要意義。針對(duì)江西東鄉(xiāng)縣研究區(qū)域水田—中潴灰鱔泥田（土種）一種土地利用與土壤的復(fù)合類型單元，設(shè)定了8個(gè)土壤采樣幅度研究區(qū)，并利用多層次嵌套布點(diǎn)方法在每個(gè)采樣幅度區(qū)分別布設(shè)60個(gè)采樣點(diǎn)，共采集337個(gè)樣點(diǎn)的土壤表層（0～20cm）樣品；運(yùn)用多種函數(shù)擬合分析手段，揭示單種復(fù)合類型單元（水田—中潴灰鱔泥田）土壤全氮、全磷、全鉀含量的空間變異性隨采樣幅度的變化特征。結(jié)果表明，土壤全量元素的空間變異性均具有明顯的幅度效應(yīng)特征，全氮、全磷、全鉀含量的變異系數(shù)均隨采樣幅度的拓展而逐漸增加，而增加趨勢(shì)則逐漸變緩。不同土壤全量元素空間變異性體現(xiàn)出不同的幅度效應(yīng)特征，土壤全氮、全磷變異系數(shù)（%）的幅度效應(yīng)刻畫(huà)函數(shù)為CV = b×Da（R2＞0.87，p＜0.001），土壤全鉀為CV = e（a/D+b）（R2＞0.93，p＜0.001），D為幅度表征指標(biāo)（km）；不同土壤全量元素變異系數(shù)隨采樣幅度快速與緩慢變化的幅度分界點(diǎn)位置存在明顯差異，表明基于復(fù)合類型單元的土壤多屬性調(diào)查采樣布點(diǎn)與分析策略需要統(tǒng)籌考慮。研究結(jié)果對(duì)于紅壤丘陵區(qū)縣域土壤調(diào)查樣點(diǎn)合理布設(shè)具有重要的啟示和參考價(jià)值。

土壤全量元素；空間變異；幅度效應(yīng)；土地利用與土壤復(fù)合類型單元；紅壤丘陵區(qū)

土壤是一個(gè)不均勻變化的連續(xù)自然體，即使在土壤類型相同的區(qū)域，同一時(shí)刻土壤屬性在不同的空間位置也會(huì)表現(xiàn)出不同的特征［1-4］。我國(guó)土壤類型眾多［5］，土地利用方式多樣［6］，土壤屬性空間變異性尤為復(fù)雜［1］。研究土壤屬性空間變異性及其定量化表達(dá)，對(duì)制定合理高效的土壤野外調(diào)查采樣方案［7］，提升土壤制圖精度［8］，滿足土壤精準(zhǔn)管理要求，促進(jìn)精確農(nóng)業(yè)發(fā)展［9］等具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)土壤屬性的變異性，從田間到區(qū)域等不同幅度均開(kāi)展了許多研究工作。在田間幅度上，李彥等［10］在新疆石河子148 團(tuán)對(duì)面積為494 m × 884 m的樣地土壤含水率的空間變異進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示在不同深度上（0 ～ 20 cm、20 ～ 40 cm、40～60 cm），土壤含水率均表現(xiàn)為中等強(qiáng)度變異。在縣域幅度上，Zhang等［11］在紅壤丘陵區(qū)采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，研究分析了4種采樣分類單元（網(wǎng)格采樣單元、土壤類型分類采樣單元、土地利用類型分類單元、土地利用與土壤復(fù)合類型采樣單元）對(duì)土壤有機(jī)碳（SOC）空間變異性的影響，結(jié)果顯示不分類的網(wǎng)格采樣單元的SOC空間變異性最大，平均變異系數(shù)達(dá)到47%；土地利用與土壤復(fù)合類型單元（Lu-SoTy）的SOC平均變異系數(shù)最小。在區(qū)域幅度上，劉付程等［12］采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了太湖流域土壤全氮含量（STN）的變異性，結(jié)果顯示STN的變異系數(shù)為20.7%，屬于中等強(qiáng)度變異。顯然，這些結(jié)果均是分別基于某種單一的或固定的研究區(qū)幅度上研究獲得的，并未涉及不同幅度區(qū)域?qū)ν寥缹傩钥臻g變異性影響的研究。

近年來(lái)，土壤屬性空間變異性隨研究區(qū)幅度的變化特征研究也有報(bào)道。王美艷等［13］利用全國(guó)第二次土壤普查的1 875 個(gè)旱地土壤剖面數(shù)據(jù)，研究了黃淮海農(nóng)業(yè)區(qū)旱地土壤各深度層次SOC的空間變異性，結(jié)果顯示各層次SOC的平均變異系數(shù)均隨行政區(qū)幅度的增大而提升。王丹丹等［14］利用全國(guó)第二次土壤普查的1 041 個(gè)土壤剖面數(shù)據(jù)，研究了東北地區(qū)旱地STN空間變異性，結(jié)果也表明STN的變異性隨著研究區(qū)域幅度的增大逐漸提升（縣級(jí)＜地市級(jí)＜省級(jí)＜大區(qū)幅度），并揭示了STN平均變異系數(shù)（CV）與研究區(qū)面積（S）的數(shù)量關(guān)系，即CV = a×lnS+b（R2＞0.9，p＜0.05）。Zhang等［15］在紅壤丘陵區(qū)縣域幅度范圍內(nèi)，采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究分析結(jié)果表明，水田、旱地、林地SOC的空間變異性均隨著研究區(qū)幅度拓展呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。這些幅度變化的效應(yīng)特征均是基于某種土地利用方式下多種類型土壤空間變異影響下所帶來(lái)的，同種土地利用方式及相同類型土壤屬性的空間變異隨研究幅度的變化規(guī)律依然不十分清楚，導(dǎo)致基于土地利用與土壤復(fù)合類型單元（Lu-SoTy）布設(shè)土壤調(diào)查采樣點(diǎn)密度的確定依據(jù)明顯不足。在分析土壤屬性不同幅度的變異性時(shí)，不同幅度的土壤樣點(diǎn)數(shù)并不相同，很難說(shuō)清土壤屬性空間變異性在不同研究區(qū)幅度上的差異性，是由土壤樣點(diǎn)數(shù)還是由研究區(qū)幅度大小不同所引起。因此，本研究在我國(guó)南方紅壤丘陵區(qū)，針對(duì)同一土地利用與土壤復(fù)合類型單元（Lu-SoTy），通過(guò)多層次嵌套布點(diǎn)方法［11，15］，在確保不同研究幅度下土壤樣點(diǎn)總數(shù)一致的條件下，揭示土壤屬性空間變異性隨研究區(qū)幅度的變化特征，為基于土地利用與土壤復(fù)合類型單元（Lu-SoTy）合理布設(shè)土壤調(diào)查采樣點(diǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)幅度及采樣點(diǎn)布設(shè)方案示意圖Fig. 1 Scale of the soil sampling district and distribution of sampling points

江西省東鄉(xiāng)縣（116°20′～116°51′E，28°02′～28°30′N(xiāo)），地處江西省東北山區(qū)向鄱陽(yáng)湖平原過(guò)渡地段，總面積約為1 270 km2（圖1）。該縣屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣候溫和，光熱充足，雨量充沛，無(wú)霜期長(zhǎng)，年平均溫度18.0 ℃，年降水量2 180 mm。地形以低丘為主，南北多高丘，丘陵面積占51 %，平原崗地面積占49 %。土地利用方式以水田、旱地、林地為主（中國(guó)土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)）。土壤成土母質(zhì)有第四紀(jì)紅色黏土、泥質(zhì)巖類風(fēng)化物、紅砂巖類風(fēng)化物、石英巖類風(fēng)化物和花崗巖類風(fēng)化物等［16］。全縣土壤類型以紅壤和水稻土土類為主，其中水稻土主要包括淹育、潴育和潛育型水稻土3 個(gè)亞類，紅壤土類僅有1 個(gè)紅壤亞類［18］。2014年12月通過(guò)對(duì)研究區(qū)1∶5 萬(wàn)土地利用（主要考慮水田、旱地、林地）與土壤類型矢量圖的空間疊加分析，發(fā)現(xiàn)水田—中潴灰鱔泥田（土種）復(fù)合類型單元在研究區(qū)農(nóng)業(yè)用地類型中分布最廣，總面積可達(dá)42 km2。

1.2 樣品采集與分析

選擇研究區(qū)農(nóng)業(yè)用地類型中分布最為廣泛的水田—中潴灰鱔泥田復(fù)合類型單元作為研究單元。依據(jù)該復(fù)合類型單元的空間分布特征，在全縣設(shè)置8個(gè)幅度研究區(qū)，從小到大依次為A1～A8，其中A8為縣域幅度（圖1，表1），并且較低一級(jí)的幅度區(qū)域位于較高一級(jí)的幅度區(qū)域內(nèi)部。采用多層次嵌套布點(diǎn)方法［11，15］，充分考慮樣點(diǎn)空間分布的廣度和均勻度，在8個(gè)幅度區(qū)域的研究單元內(nèi)各布設(shè)土壤樣點(diǎn)60 個(gè)。其中，高一級(jí)幅度區(qū)域與低一級(jí)幅度區(qū)域的研究單元重疊部分的土壤樣點(diǎn)，全部作為低一級(jí)幅度單元的樣點(diǎn)；低幅度區(qū)域研究單元上的樣點(diǎn)在此基礎(chǔ)上再增補(bǔ)至60 個(gè)，這樣在全縣范圍內(nèi)共布設(shè)樣點(diǎn)337個(gè)。2014年12月份晚稻收割后采集表層（0～20 cm）土壤樣品，采集時(shí)用GPS記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度。

采集的土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、去除動(dòng)植物殘?bào)w后，研磨過(guò)100目篩備用。土壤全氮含量（TN）采用開(kāi)氏消煮法測(cè)定；土壤全磷含量（TP）采用酸溶—鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤全鉀（TK）采用氫氧化鈉熔融法測(cè)定［19］。

1.3 采樣幅度和土壤全量元素變異性表征指標(biāo)

根據(jù)不同幅度上研究單元的采樣點(diǎn)實(shí)際位置，運(yùn)用ArcGIS 10.2.2工具箱中的Calculate Distance Band from Neighbor Count分別計(jì)算每個(gè)幅度上研究單元樣點(diǎn)的最鄰近1～8點(diǎn)的平均距離（D1～D8，相當(dāng)于采樣點(diǎn)間距）；使用Point Distance工具計(jì)算每個(gè)幅度上研究單元中樣點(diǎn)的所有點(diǎn)最大距離（D0，相當(dāng)于采樣點(diǎn)區(qū)域范圍）。與幅度區(qū)域面積（S，相當(dāng)于采樣點(diǎn)區(qū)域范圍）指標(biāo)一起，作為研究單元采樣幅度的表征指標(biāo)（表1）。

表1 幅度表征指標(biāo)Table 1 Indexes of the scale description

土壤全量元素屬性的變異性表征指標(biāo)主要考慮平均值（Mean ）、標(biāo)準(zhǔn)差（SD）、方差（Var.）、峰度（Kurtosis）、偏度（Skewness）、變異系數(shù)（CV），使用SPSS 20.0的描述統(tǒng)計(jì)模塊獲得。

1.4 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用SPSS 20.0的曲線估計(jì)模塊對(duì)幅度表征指標(biāo)與變異性表征指標(biāo)進(jìn)行回歸擬合分析。采用9種分析函數(shù)：（1）y=a×x+b；（2）y=a×ln（x）+b；（3）y=a×（1/x）+b；（4）y=a×x+b×x2+c；（5）y=a×x+b×x2+c×x3+d；（6）y=e（a×x+b）；（7）y=b×xa；（8）y=e（a/x+b）；（9）y=e-（a×x+b），式中，a、b、c、d為常數(shù)；e為自然對(duì)數(shù)的底；y為變異性指標(biāo)，如變異系數(shù)（%）；x為采樣幅度指標(biāo)（km或者km2）。

通過(guò)多種幅度、變異性指標(biāo)以及函數(shù)回歸擬合分析的結(jié)果比較，選擇顯著性水平、R2均高的指標(biāo)及函數(shù)作為揭示土壤全量元素變異性隨采樣幅度變化效應(yīng)的最佳表征指標(biāo)及擬合函數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 研究單元土壤全量元素的總體性描述統(tǒng)計(jì)特征

縣域研究單元所有樣點(diǎn)表層土壤TN、TP、TK含量統(tǒng)計(jì)特征表明（表2），TN含量基本符合正態(tài)分布；而TP、TK含量不符合正態(tài)分布，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)TP、TK含量的對(duì)數(shù)基本符合正態(tài)分布。TN、TP、TK含量均值分別為2.32 g kg-1、0.63 g kg-1、14.23 g kg-1，變異系數(shù)均處在23%～32%之間，屬于中等強(qiáng)度變異。但是，這一變異性結(jié)果是基于所有采樣點(diǎn)在空間上不均勻分布情況下得到的，不能完全反映研究區(qū)域上土壤的空間變異性特征。

2.2 不同采樣幅度下研究單元土壤全量元素的變異性特征

研究單元不同采樣幅度的土壤全量元素屬性統(tǒng)計(jì)特征（表2）表明，TN、TP、TK含量的最大值、最小值、均值隨幅度變化產(chǎn)生不同程度的差異。以均值為例，TN含量在較小幅度（A1～A4）上的均值較在較大幅度（A4～A8）上的均值要大；TP含量均值在各幅度上相差不明顯；而TK含量的均值則隨著幅度的拓展呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。這表明在不同幅度空間上土壤TN、TP、TK含量均具有不同程度的空間異質(zhì)性。

各幅度研究單元中，土壤TN、TP、TK的含量基本符合正態(tài)分布（表2），土壤TN、TP、TK的含量隨著幅度的拓展，偏度值與峰度值的絕對(duì)值在整體上呈減少的趨勢(shì)。表明在較小幅度上，采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)相對(duì)集中，數(shù)據(jù)的變異程度較??；而在較大幅度上，采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)相對(duì)離散，數(shù)據(jù)變異程度相對(duì)較大。但是，土壤TN、TP、TK含量在每個(gè)幅度區(qū)域上的數(shù)據(jù)離散程度還是有差別的，土壤TN含量在整體上的數(shù)據(jù)離散程度最??；而土壤TK含量在整體上的數(shù)據(jù)離散最大；土壤TP含量數(shù)據(jù)的離散程度處于TN、TK之間。

土壤TN、TP、TK含量的方差、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)隨采樣幅度的拓展變化特征各不相同。TN含量的方差與標(biāo)準(zhǔn)差隨著幅度的拓展增大，標(biāo)準(zhǔn)差由A1幅度的0.30增加至A8幅度的0.59，方差由A1幅度的0.09增加至A8幅度的0.34；變異系數(shù)由A1幅度上11%左右快速增加至A4幅度上的22%左右，在A5～A8幅度則保持在26%～29%的范圍內(nèi)。TP在A1～A3幅度上，標(biāo)準(zhǔn)差保持在0.1左右，在A4～A8幅度上處于0.20～0.25范圍內(nèi)，但每個(gè)幅度上的方差均小于0.1；TP含量的變異系數(shù)由A1幅度的13.41%快速增加至A3幅度的18.15%，而在A4～A8幅度上則保持在30%～33%范圍內(nèi)。TK在A2幅度上標(biāo)準(zhǔn)差與方差較A1大，在A3～A8幅度上分別保持在4.6～6.2 、20～40范圍內(nèi)；變異系數(shù)由A1幅度的9.10%快速增加至A2幅度的22.27%，而在A3～A8幅度上則保持在30%～40%范圍內(nèi)。

土壤TN、TP、TK含量的方差、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)隨采樣幅度變化也具有共同特征。無(wú)論是何種幅度上，被廣泛認(rèn)為相對(duì)均質(zhì)的單一復(fù)合類型研究單元內(nèi)部，土壤TN、TP、TK含量也存在空間異質(zhì)性；且這種異質(zhì)性隨著采樣幅度拓展也具有增大趨勢(shì)，當(dāng)幅度拓展到一定程度，這種異質(zhì)性增加趨勢(shì)逐漸減弱（表2）。但是，土壤TN、TP、TK含量的異質(zhì)性隨幅度區(qū)域的拓展，各自的變化趨勢(shì)也存在明顯的差異。

本文揭示的不同幅度（最大為縣域幅度）上同一種土地利用與土壤類型復(fù)合單元的土壤全量元素的變異性規(guī)律，由于農(nóng)田管理措施（施肥、耕作、灌溉、作物品種等）的差異［15-17，20-22］，如施肥情況的不同，土壤pH就會(huì)有所不同，這就使得土壤中微生物的群落結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)產(chǎn)生差異性，這樣微生物對(duì)N、P、K這3種元素的代謝就會(huì)不同［23］，使得TN、TP、TK的各組成成分在土壤中的行為（游離、固著、沉淀、吸附等）及含量具有差異性［17］，從而宏觀上出現(xiàn)N、P、K這3種元素各自的流失、向下層土壤淋溶、及植物吸收等的量不同［17］，因而表層土壤TN、TP、TK的含量的變異性各自表現(xiàn)出不同的特征。隨著幅度的拓展，這種農(nóng)田管理措施的差異性逐漸增大，但這些差異性的增加趨勢(shì)又會(huì)變緩，因此出現(xiàn)文中所述土壤TN、TP、TK含量變異性的各自變化情況。而更大區(qū)域范圍，不同類型的土壤屬性變異性還應(yīng)歸結(jié)于環(huán)境要素差異，即土壤類型、土地利用方式、氣候、成土母質(zhì)等要素的差異［14］。在不同幅度上土壤屬性產(chǎn)生差異的主導(dǎo)因素不同，土壤調(diào)查采樣布點(diǎn)應(yīng)采取相應(yīng)策略。

表2 土壤全氮、全磷、全鉀含量在不同幅度研究單元的描述性統(tǒng)計(jì)Table 2 Descriptive statistics of TN，TP and TK in the study area relative to scale

2.3 研究單元土壤全量元素變異性與采樣幅度的函數(shù)擬合特征

研究單元土壤全量元素變異性指標(biāo)與采樣幅度指標(biāo)間9種函數(shù)的擬合分析結(jié)果顯示，土壤全量元素的變異性指標(biāo)CV與幅度指標(biāo)D1、D0、S在所有9種擬合函數(shù)中的顯著性比例最高，可達(dá)50 %以上。因此，本文選擇CV、D1、D0、S作為土壤全量變異性幅度效應(yīng)特征的表征指標(biāo)（表3），并以此進(jìn)一步判斷土壤全量變異性幅度效應(yīng)的最優(yōu)擬合函數(shù)與幅度表征指標(biāo)。

采用幅度區(qū)總面積（S）作為幅度表征的指標(biāo)，并不能完全反映研究單元的實(shí)際面積；采用幅度區(qū)最鄰近1點(diǎn)平均距離（D1）作為幅度表征的指標(biāo)，又未能充分反映采樣點(diǎn)與復(fù)合類型單元空間形狀等的相互關(guān)系；采用幅度區(qū)所有樣點(diǎn)最大距離（D0）作為幅度表征指標(biāo)，也不能反映各采樣點(diǎn)空間分布的均勻性，這三種幅度指標(biāo)在參與表征土壤全量元素空間變異的幅度效應(yīng)方面均存在一定程度的缺陷。因此，本文選取了3 種幅度指標(biāo)擬合同時(shí)顯著，且顯著性水平最高的函數(shù)；在顯著性水平一致的情況下，選擇R2數(shù)值最大的函數(shù)，作為分析揭示研究單元土壤TN、TP、TK含量變異性幅度效應(yīng)特征的最佳擬合函數(shù)。其中，土壤TN、TP變異性幅度效應(yīng)的最佳擬合分析函數(shù)為函數(shù)（7），TK為函數(shù)（8）（表3）。這與王丹丹等［14］在大區(qū)域幅度上揭示土壤屬性變異性幅度效應(yīng)采用的函數(shù)（2）具有明顯不同，本文同時(shí)考慮了三種幅度指標(biāo)反映土壤屬性變異幅度效應(yīng)的顯著性，而后者僅考慮了區(qū)域面積（S）指標(biāo)的顯著性，缺乏均勻性等樣點(diǎn)空間分布特征指標(biāo)的顯著性分析。同時(shí)，綜合考慮土壤TN、TP、TK含量的變異系數(shù)（CV）與3種幅度指標(biāo)（D1、D0、S）的擬合函數(shù)顯著性效果，因而選擇D1、D0一起作為幅度表征的指標(biāo)。

2.4 研究單元土壤全量元素變異性的幅度效應(yīng)特征

土壤全量元素變異系數(shù)CV隨幅度指標(biāo)（D1、D0）的變化曲線表明，土壤TN、TP、TK含量的變異系數(shù)在整體上隨幅度的拓展而逐漸增加，而增加的趨勢(shì)則逐漸變緩，不同土壤全量元素變異系數(shù)隨采樣幅度快速與緩慢變化的幅度分界點(diǎn)位置存在明顯差異（圖2），如TN、TP、TK分別在大于A4、A5、A3幅度之后，異質(zhì)性增加的趨勢(shì)更為緩慢。不同土壤全量元素所體現(xiàn)的變異性幅度效應(yīng)特征具有明顯差異。在變異性系數(shù)隨幅度快速變化的階段，TK變異系數(shù)變化速率最快；而在緩慢變化階段，TK變異系數(shù)變化速率最慢，甚至基本維持在34 %左右的特定水平上，但TN、TP變異系數(shù)在本研究幅度范圍并未能達(dá)到這種水平。微積分?jǐn)?shù)學(xué)分析結(jié)果表明，整個(gè)研究區(qū)域上TN、TP、TK含量的變異系數(shù)隨著幅度的拓展逐漸增加，而增加的趨勢(shì)則逐漸變緩，這與圖2所示的結(jié)果相一致；土壤全量元素變異系數(shù)隨采樣幅度快速與緩慢變化的幅度分界點(diǎn)也有差異，以D0為例，TN幅度分界點(diǎn)為D0= 6.756 km，TP為D0= 9.061 km，TK為D0= 3.408 km（此時(shí)，曲線的切線與橫軸夾角約為30°），這個(gè)幅度的分界點(diǎn)與圖2所示的結(jié)果相一致。

注：D1為所在幅度上所有采樣點(diǎn)的最鄰近1點(diǎn)平均距離，km；D0為所在幅度上所有采樣點(diǎn)的最大距離，km；S為采樣點(diǎn)所在幅度的總面積，km2Note：D1stands for the average distance from one point to all the nearest points，km；D0for maximum distance between all the sampling points，km；and S for the total area the sampling points cover relative to scale，km2

土壤TN、TP、TK含量的變異性體現(xiàn)出不同的幅度效應(yīng)，主要是由于農(nóng)田管理措施不同［15-17，20-21］，導(dǎo)致TN、TP、TK在土壤中的各種形態(tài)及其行為的不同［17］而產(chǎn)生幅度效應(yīng)的差異性。這種不同土壤全量元素變異性體現(xiàn)出的幅度效應(yīng)特征的差異，表明基于復(fù)合類型單元的土壤屬性調(diào)查采樣布點(diǎn)與分析策略需要統(tǒng)籌考慮，只考慮單屬性指標(biāo)，在變異性系數(shù)隨幅度快速變化的階段應(yīng)加強(qiáng)采樣點(diǎn)的布設(shè)，而在緩慢變化階段可以適當(dāng)減弱采樣點(diǎn)的布設(shè)；若同時(shí)考慮多屬性指標(biāo)，由于每個(gè)土壤屬性指標(biāo)的幅度效應(yīng)規(guī)律不同，先考慮每個(gè)土壤屬性指標(biāo)的采樣點(diǎn)布設(shè)情況，之后統(tǒng)籌布設(shè)完整的采樣點(diǎn)，并根據(jù)幅度效應(yīng)規(guī)律做出土壤樣品的分析。

3 結(jié) 論

基于單一的土地—土壤復(fù)合類型單元的土壤全量元素的變異性均具有明顯的幅度效應(yīng)特征，土壤全氮、全磷、全鉀含量的變異系數(shù)均隨采樣幅度拓展而逐漸增加，但增加趨勢(shì)則逐漸變緩。不同土壤全量元素變異系數(shù)隨采樣幅度快速與緩慢變化的幅度分界點(diǎn)位置也有差異，基于復(fù)合類型單元的土壤多屬性調(diào)查采樣布點(diǎn)與分析策略需要統(tǒng)籌考慮。本文所揭示的單一的土地利用—土壤復(fù)合類型單元下土壤全量元素的空間變異性隨幅度變化的特征，對(duì)于縣域土壤調(diào)查的樣點(diǎn)合理布設(shè)具有重要的啟示和參考價(jià)值。本文僅探討了研究區(qū)水田—中潴灰鱔泥田這一種復(fù)合類型單元的土壤全量元素的變異系數(shù)在縣域范圍內(nèi)隨幅度拓展的變化特征，其他復(fù)合類型單元是否也具有同樣變化特征還需驗(yàn)證；由于充分考慮研究單元的空間分布形態(tài)，幅度選取的連續(xù)性規(guī)則不十分清晰，在一定程度影響了幅度效應(yīng)特征分析。如何利用多種幅度表征指標(biāo)（D1、D0、S）共同表達(dá)和揭示土壤全量元素變異的幅度效應(yīng)，克服單一指標(biāo)幅度效應(yīng)表征缺陷問(wèn)題，還需進(jìn)一步研究。

［1］ Davis A A，Stolt M H，Compton J E，et al. Spatial distribution of soil carbon in southern New England hardwood forest landscapes. Soil Science Society of America Journal，2004，68（3）：895—903

［2］ Guo Y Y，Amundson R，Gong P，et al. Quantity and spatial variability of soil carbon in the conterminous united states. Soil Science Society of America Journal，2006，70（2）：590—600

［3］ Lugato E，Simonetti G，Morari F，et al. Distribution of organic and humic carbon in wet-sieved aggregates of different soils under long-term fertilization experiment. Geoderma，2010，157（3）：80—85

［4］ Zhang S L，Ted H，Zhang X Y，et al. Spatial distribution of soil nutrient at depth in black soil of Northeast China：A case study of soil available phosphorus and total phosphorus. Journal of Soils and Sediments，2014，14（11）：1775—1789

［5］ 全國(guó)土壤普查辦公室. 中國(guó)土種志（第一卷）. 北京：農(nóng)業(yè)出版社，1993：前言1—5

State Soil Survey Office of China. China Soil Series（The First Volume）（In Chinese）. Beijing：Chinese Agriculture Press，1993：objective 1—5

［6］ 中國(guó)自然資源叢書(shū)編撰委員會(huì). 中國(guó)自然資源叢書(shū)（土地卷）. 北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1996：49—61

China Books Compiling Committee of Natural Resources. China natural resources series（The Volume of Land）（In Chinese）. Beijing：Chinese Environmental Science Press，1996：49—61

［7］ 李哈濱，王政權(quán)，王慶成. 空間異質(zhì)性定量研究理論與方法. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1998，9（6）：651—657

Li H B，Wang Z Q，Wang Q C. Theory and methodology of spatial heterogeneity quantification（In Chinese）. Chinese Journal of Applied Ecology，1998，9（6）：651—657

［8］ 郭旭東，傅伯杰，馬克明，等. 基于GIS 和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的土壤養(yǎng)分空間變異特征研究——以河北省遵化市為例.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2000，11（4）：557—563

Guo X D，F(xiàn)u B J，Ma K M，et al. Spatial variability of soil nutrients based on geostatistics combined with GIS A case study in Zunghua City of Hebei Province（In Chinese）. Chinese Journal of Applied Ecology，2000，11（4）：557—563

［9］ Nanni M R，Povh F P，Dematte J A，et al. Optimum size in grid soil sampling for variable rate application in site-specific management. Scientia Agricola，2011，68（3）：386—392

［10］ 李彥，雷曉云，申祥民，等. 膜下滴灌土壤水分監(jiān)測(cè)合理采樣數(shù)目的初步研究. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2011，30（2）：46—48

Li Y，Lei X Y，Shen X M，et al. Rational sampling numbers of soil moisture monitoring for cotton with film mulched drip irrigation system（In Chinese）. Journal of Irrigation and Drainage，2011，30（2）：46—48

［11］ Zhang Z Q，Yu D S，Shi X Z，et al. Effect of sampling classification patterns on SOC variability in the red soil region，China. Soil & Tillage Research，2010，110（1）：2—7

［12］ 劉付程，史學(xué)正，于東升，等. 太湖流域典型地區(qū)土壤全氮的空間變異特征. 地理研究，2004，23（1）：63—70

Liu F C，Shi X Z，Yu D S，et al. Characteristics of spatial variability of total soil nitrogen in the typical area of Taihu Lake basin（In Chinese）. Geographical Research，2004，23（1）：63—70

［13］ 王美艷，史學(xué)正，于東升. 等 黃淮海農(nóng)業(yè)區(qū)旱地土壤有機(jī)碳變異性的空間尺度效應(yīng). 土壤，2013，45（4）：648—654

Wang M Y，Shi X Z，Yu D S，et al. Scale effects of soil organic carbon variability of uplands in Huang-Huai-Hai agriculture region of China（In Chinese）. Soils，2013，45（4）：648—654

［14］ 王丹丹，岳書(shū)平，林芬芳，等. 東北地區(qū)旱地土壤全氮空間變異性對(duì)幅度拓展的響應(yīng). 土壤學(xué)報(bào)，2012，49（4）：625—635

Wang D D，Yue S P，Lin F F，et al. Response of spatial variablity of soil total nitrogen to expansion of uplands in scale in northeast China（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，2012，49（4）：625—635

［15］ Zhang Z Q，Yu D S，Shi X Z，et al . Priority selection rating of sampling density and interpolation method for detecting the spatial variability of soil organic carbon in China. Environment Earth Science，2015，73（5）：2287—2297

［16］ 胡敏，任濤，廖世鵬，等. 不同含鉀物料對(duì)土壤鉀素含量動(dòng)態(tài)變化影響. 土壤，2016，48（1）：48—52

Hu M，Ren T，Liao S P，et al. Effects of K-bearing materials on dynamic changes of soil K contents（In Chinese）. Soils，2016，48（1）：48—52

［17］ Davies J，Tipping E，Rowe E，et al. Long-term P weathering and recent N deposition control contemporary plant-soil C，N，and P. Global Biogeochemical Cycles，2016，30（2）：231—249

［18］ 江西省土地利用管理局，江西省土壤普查辦公室. 江西土壤. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，1991：10—14

The Land-use Authority in Jiangxi Province，Jiangxi Province，Soil Survey Office. Soils in Jiangxi Province（In Chinese）. Beijing：Agricultural Science and Technology Press，1991：10—14

［19］ 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，2000：12—228

Lu R K. Analytical methods for soil and agro-chemistry（In Chinese）. Beijing：Chinese Agricultural Science and Technology Press，2000：12—228

［20］ 胡克林，李保國(guó)，林啟美，等. 農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間變異性特征. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1999，15（3）：33—38

Hu K L，Li B G，Lin Q M，et al. Spatial variability of soil nutrient in wheat field（In Chinese）. Transactions of the CSAE，1999，15（3）：33—38

［21］ 楊奇勇，楊勁松. 不同尺度下耕地土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間變異特征. 水土保持學(xué)報(bào)，2010，24（3）：100—104

Yang Q Y，Yang J S. Spatial variability of soil organic matter and total nitrogen at different scales（In Chinese）. Journal of Soil and Water Conservation，2010，24（3）：100—104

［22］ 李典友，潘根興，陳良松，等. 安徽六安市表層土壤有機(jī)碳的空間分布及尺度變異分析. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2008，24（4）：37—41

Li D Y，Pan G X，Chen L S，et al. Spatial distribution and variability of topsoil organic carbon content at different scales in Liuan City，Anhui Province，China（In Chinese）. Journal of Ecology and Rural Environment，2008，24（4）：37—41

［23］ 夏昕，石坤，黃欠如，等. 長(zhǎng)期不同施肥條件下紅壤性水稻土微生物群落結(jié)構(gòu)的變化. 土壤學(xué)報(bào)，2015，52（3）：697—705

Xia X，Shi K，Huang Q R，et al. The changes of microbial community structure in red paddy soil under long-term fertilization（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，2015，52（3）：697—705

Scale Effect on Spatial Variability of Soil Total Elements in Single Complex Type Unit of Land Use-Soil Type

WANG Xiuhong1，2YU Dongsheng1，2?PAN Yue1，2XU Zhichao1，2WANG Xiyang1，2
（1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture，Institute of Soil Science，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，China）
（2 University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

【Objective】Effects of sampling scale on spatial variability of soil properties are of great significance to soil digital mappings，soil survey，and agricultural production. So，in this study，a tract of the grey eel-mud field（Soil Species），a special land use—soil type complex unit（Lu-SoTy），in Dongxiang County，Jiangxi Province，a hilly red soil region in South China was selected as an object. Using the multilevel nesting sampling protocol to ensure that the total number of soil sampling points remains unchanged whatever sampling scale is used，the study is to exposit characteristics of spatial variability of soil total element concentrations with soil sampling scale and provide important implications and scientific references for rationalizing layout of sampling points based on Lu-SoTy.【Method】In the light of spatial distribution of soil sampling points，eight soil sampling scales（from the smallest to the largest is coded in turn as A1～A8）were designed with smaller scales located inside larger ones. By taking into full account vastitude and uniformity of spatial distribution of the sampling points，each soil sampling scale had 60 points distributed evenly. Using the multi-level nesting sampling protocol，337 sampling points were laid out across the County. In December 2014 after the crop of late rice was harvested，soil samples were collected from the 0～20 cm topsoil layer at all the sampling points for analysis of soil total element concentrations. Scale characterization indices were calculated using ArcGIS 10.2.2，variability characterization indices using SPSS 20.0，and regression fitting analysis of scale characterization indices and variability characterization indices，using SPSS 20.0. Based on the level of significance and R2of the regression，the best characterization indices and the best fitting functions were screened out. 【Result】Results show that the scale effects on spatial variation of soil total elements are obvious；and coefficients of variation（CV）of TN，TP and TK go up with expansion of the sampling scale，but the increasing rates display a decreasing trend；the scale effects on the spatial variability differed with soil total element：the best fitting function for charactering the scale effects on CV（%）is CV = b×Dafor TN and TP（R2＞0.87，p＜0.001），and CV = e（a/D+b）（R2＞0.93，p＜0.001）for TK（D is a scale index of sampling points；namely：average distance to the nearest one point or maximum distance（km）of all the sampling points）；the shifting points of scale effects between rapid and slow changes of CV varied with soil total element，for example，the shifting point of TN，TP and TK is D0= 6.756 km，D0= 9.061 km and D0= 3.408 km，respectively（at this point，the angle between the tangent to the curve and the horizontal axis is about 30°）. All the findings demonstrate that independent sampling protocols and analysis skills need to be considered in studying spatial distribution of different soil total elements. 【Conclusion】The scale effects characteristic of spatial variability of soil total elements in soil of a special complex Land Use-Soil Type unit，could provide important implications and scientific references for laying sampling points at county scale soil surveys in hilly red soil regions.

Soil total elements；Spatial variability；Scale effect；Complex type unit of Land Use-Soil Type；Hilly red soil region

S159.2

A

（責(zé)任編輯：檀滿枝）

10.11766/trxb201612270467

* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)（2016YFD0200301）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41571206）和國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)（2015FY110700-S2）資助 Supported by Special Project of the National Key Research and Development Program（No.2016YFD0200301），the National Natural Science Foundation of China（No. 41571206）and Special Project of the National Science and Technology Basic Work（No.2015FY110700-S2）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：dshyu@issas.ac.cn

王秀虹（1990—），女，河北張家口人，碩士研究生，主要從事土壤空間變異性研究。E-mail：wangxiuhongshuibao@163.com

2016-12-27；

2017-03-13；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2017-03-30