基于地統(tǒng)計學的山西省不同類型土壤有機質空間變異分析研究

申若禹 張吳平 王國芳 張茜 喬磊

摘要：為了展示山西省不同土壤類型條件下耕層土壤有機質含量的空間變異性以及影響因素，實現(xiàn)土壤肥力高效利用，進一步指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式改良以及精準施肥。本研究以褐土、黃綿土、栗褐土、栗鈣土四種山西省常見土壤類型進行研究，分別選取區(qū)位臨近的縣市采樣，得到耕層土壤有機質含量數(shù)據(jù)，采用GIS與地統(tǒng)計學方法相結合的方法，研究不同土壤類型的土壤有機質含量的空間變異性，通過對比從三種函數(shù)模型（指數(shù)模型、球狀模型、高斯模型）中選取最優(yōu)擬合模型，并采用最優(yōu)擬合模型進行插值制圖以及趨勢分析。結果表明，褐土平均有機質含量最高，其塊金系數(shù)為25%，具有較強的空間結構性;黃綿土平均有機質含量最低，其塊金系數(shù)為50%，具有中等強度的空間結構性;栗褐土平均有機質含量僅次于褐土，其塊金系數(shù)為49%，具有中等強度的空間結構性;栗鈣土平均有機質含量略低于栗褐土，其塊金系數(shù)為32%，具有中等強度的空間結構性。由以上分析結果可以看出，土壤類型是土壤有機質含量空間變異的重要影響因素，除此之外，海拔、地形地貌、人為活動等因素同樣對有機質空間變異會產(chǎn)生一定的影響。本研究可以為提高山西省土壤肥力、精準施肥、改良農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施提供依據(jù)。

關鍵詞：土壤有機質;土壤類型;地統(tǒng)計學;空間變異

中圖分類號：S153.6+21文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2019）04-0110-07

Abstract To demonstrate the spatial variability and influencing factors of organic matter content in different soil types in Shanxi Province， achieve high-efficient use of soil fertility， and further guide the improvement of agricultural production methods and precision fertilization， the organic matter content data of cultivated soil samples were obtained from the neighboring counties and cities with four soil types including cinnamon soil， loess soil， chestnut brown soil and chestnut soil as test materials.The spatial variability of soil organic matter content was analyzed by GIS and geostatistical methods. The optimal fitting model was selected from three functional models （Exponential model， Spherical model， Gaussian model）， and used for interpolation mapping and trend analysis. The results showed that the average organic matter content of cinnamon soil was the highest with the nugget coefficient as 25%， and it had strong spatial structure. The average organic matter content of loess soil was the lowest with the nugget coefficient as 50%， and it had medium-strength spatial structure. The average organic matter content of chestnut brown soil was next to that of cinnamon soil with the nugget coefficient as 49%，and it had medium-strength spatial structure. The average organic matter content of chestnut soil was slightly lower than that of chestnut brown soil， and its nugget coefficient was 32%. It also had medium-strength spatial structure. It was concluded that soil type was an important factor affecting the spatial variability of soil organic matter content. The factors such as elevation， topography and human activities also had a certain impact on the spatial variation of organic matter. This study could provide references for improving soil fertility， precision fertilization and agricultural production measures in Shanxi Province.

Keywords Soil organic matter; Soil type; Geostatistic; Spatial variability

土壤有機質是土壤養(yǎng)分的主要組成部分，也是在土壤肥力與土壤質量評價中極為重要的一環(huán)。土壤有機質含量降低，會導致土壤肥力下降。在綠色農(nóng)業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，土壤有機質也逐步成為土壤學等學科的研究熱點，揭示土壤空間變異規(guī)律并掌握其分布狀況是提高土壤肥力以及發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)的前提。

隨著地統(tǒng)計學與GIS技術的快速發(fā)展，越來越多的研究者使用地統(tǒng)計學研究各種不同尺度下土壤有機質的空間分布規(guī)律。其中，胡克林等[1]探究了北京市大興區(qū)田地尺度上土壤有機質的空間變異規(guī)律，張建杰等[2]探究了太原市土壤養(yǎng)分空間變異特征及影響因素，龍軍等[3]研究了省級不同地貌特征下土壤有機質的空間插值方法，趙松明等[4]研究了徐淮黃泛平原的大范圍空間變異特征及影響因素。以上研究結果表明：土壤有機質含量在不同空間位置有著巨大的差異，大多具有中等程度的空間變異性，同時揭示了氣候、土壤類型、地貌特征、人為活動等因素對于土壤有機質空間變異的影響。這些研究主要集中在地勢相對平坦、土壤類型單一的區(qū)域，少有人研究不同土壤類型間土壤有機質含量的空間結構性差異。

土壤類型是土壤有機質的重要影響因素，不同類型土壤的有機質含量以及空間分布規(guī)律也不相同。而且土壤演變過程較長，不會在短時間內發(fā)生較大的變化，研究不同類型土壤有機質空間分布規(guī)律有助于指導未來較長一段時間內土壤有機質的高效利用。本研究以山西省為研究區(qū)域，選取四種較為常見的土壤類型，通過野外采樣調查分析樣點數(shù)據(jù)，結合地統(tǒng)計學的空間分析方法建立半方差函數(shù)與擬合模型，最終采用克里格插值法分析山西省不同類型土壤有機質的空間變異性。通過研究結果來對比不同類型土壤有機質含量差異，揭示土壤有機質空間分布規(guī)律，同時列出影響土壤有機質空間分布的主要因素，以指導土壤肥力提高，促進精準施肥。

1 材料與方法

1.1 土壤類型資料收集

根據(jù)全國第二次土壤普查結果可知，山西省幅員遼闊，全省共有11個土壤大類，26個土壤亞類，其中尤其以褐土所占面積最大，其次為栗褐土，再次為黃綿土、潮土、栗鈣土等其余土壤類型。

山西省土壤類型豐富，多種類型土壤復域分布。而在山西省西北部，一縣一種土類的情況較為明顯。因此，以褐土、栗褐土、栗鈣土、黃綿土四種在山西西北部較為常見的土壤類型進行研究，并選取山西省西北部區(qū)域位置接近的幾個縣市進行采樣，采樣選取縣市見表1。

2.1

1.2 研究區(qū)概況

選取靜樂縣作為褐土土類采樣點，靜樂縣地處晉西北黃土高原，位于忻州地區(qū)南部，太原市西北，隸屬于忻州市管轄，國土面積2 058 km2，轄4鎮(zhèn)10鄉(xiāng)，共采樣489個點;選用保德縣作為黃綿土土類采樣點，保德縣隸屬于山西省忻州市，地處呂梁山北、黃土高原東部邊緣地帶，總面積為997.4 km2，保德縣共有4鎮(zhèn)9鄉(xiāng)，共采樣488個點;選用岢嵐縣作為栗褐土土類采樣點，岢嵐縣隸屬于山西省忻州市，位于晉西北黃土高原中部，轄區(qū)國土面積1 984 km2，有2鎮(zhèn)10鄉(xiāng)，共采樣471個點;選用懷仁市作為栗鈣土土類采樣點，懷仁市由山西省直轄，朔州市代管，位于山西省北部，地處山西省雁門關外、大同盆地中部，總面積為1 234 km2，下轄4鎮(zhèn)6鄉(xiāng)，共采樣484個點，具體采樣點分布如圖1。

1.3 樣點采集與數(shù)據(jù)測量

四個縣市均按照“隨機、多點混合”的原則[5]，每個采樣點采10次土樣，取土0～20 cm，將10次土樣混合并根據(jù)GPS定位其坐標、海拔、土地利用類型、植被等信息。

采回土樣在室內自然風干，剔除植物殘余與石塊，并研磨過土篩，然后裝袋備用。土壤有機質含量采用重鉻酸鉀氧化容量法——外加熱法測定[6]。

1.4 研究方法

在收集采樣數(shù)據(jù)后，進行半方差函數(shù)計算，探究其空間變異規(guī)律[6，7]。半方差函數(shù)是地統(tǒng)計學中極為重要的研究工具，表達式如下：

[JZ（]rh=12nhΣn（h）i=1zx-zx-h2[JZ）]。

式中，r（h）表示距離為h時的半方差，n（h）表示樣本間所有距離為h的點的對數(shù)，z（x）、z（x-h）分別代表距離為h時兩點的有機質含量。

距離h與r（h）之間的函數(shù)關系稱為半變異函數(shù)。半變異函數(shù)主要有3個參數(shù)：基臺值（sill）、變程（range）、塊金值（nugget）。這3個參數(shù)決定著半變異函數(shù)的主要結構[7-12]。其中，塊金值指的是當間隔距離為零時的半變異函數(shù)的值，常用C0表達;基臺值指的是半變異函數(shù)隨著距離h的增加，從某一個非零值達到一個相對穩(wěn)定的常數(shù)時的值，常用C+C0表達;變程指的是半變異函數(shù)達到基臺值時的間隔距離h;此外，塊金系數(shù)也是常用的半變異函數(shù)重要參數(shù)，表達式如下：

P=C0C0+C[JZ）] 。

式中，P為塊金系數(shù)，C0為塊金值，C+C0為基臺值。一般塊金系數(shù)越小，空間相關性越大;塊金系數(shù)越大，空間相關受隨機性影響越大[12-14]。在地統(tǒng)計學領域中，半方差函數(shù)通?？梢员荒承┣€方程所擬合，這些曲線方程稱為半方差函數(shù)的理論模型，其中以指數(shù)模型、高斯模型、球狀模型最為常見。

本研究使用GS+軟件進行地統(tǒng)計學空間分析， GS+軟件主要優(yōu)點在于能夠通過輸入的數(shù)據(jù)根據(jù)設定步長與組間距離自動分組，校驗正態(tài)分布，并自動擬合半方差函數(shù)。

通過GS+軟件創(chuàng)建并擬合地統(tǒng)計模型、繪制半反差函數(shù)后，通過ARCGIS軟件進交叉驗證以及插值分析。交叉驗證結果越好，模型精度就越高。在交叉驗證后，通過ARCGIS軟件進行克里格插值?？死锔癫逯凳强臻g插值中最為廣泛的插值方法，其以區(qū)域化變量為核心，半變異函數(shù)為基礎，用已知點值估算未知點值，得到土壤有機質含量的空間分布情況[15，16]，本研究采用普通克里格插值法進行插值。

2 結果與分析

2.1 不同類型土壤采樣點有機質特征

采樣點有機質含量整理匯總結果見表2。

2.2 土壤有機質空間變異與結構性分析

根據(jù)GS+軟件統(tǒng)計分析結果，得到四個縣市三種不同的模型參數(shù)，結果見表3。擬合模型的選擇以決定系數(shù)大、殘差RRS小為依據(jù)。靜樂縣三種模型中，高斯模型決定系數(shù)R2最大達到0.952，RRS最小為47.70，變程為60 340 m，故選用高斯模型作為靜樂縣擬合模型，同時計算其塊金系數(shù)為25%;保德縣三種模型中，球狀模型決定系數(shù)R2最大達到0.803，RRS最小為1.85，變程為51 100 m，故選用球狀模型作為保德縣擬合模型，同時計算其塊金系數(shù)為50%;岢嵐縣三種模型中，球狀模型決定系數(shù)R2最大達到0.909，RRS為1.37，變程為89 440 m，故選用球狀模型作為岢嵐縣擬合模型，同時計算其塊金系數(shù)為49%;懷仁市三種模型中，球狀模型決定系數(shù)R2最大達到0.836，RRS最小為29.40，變程為5 420 m，故選用球狀模型作為懷仁市擬合模型，同時計算其塊金系數(shù)為32%。

2.3 不同類型土壤有機質空間分布特征

2.3.1 插值模型驗證 使用ARCGIS對四個縣市的插值結果進行交叉驗證，得到表5。

在進行驗證結果分析時，標準平均數(shù)越接近于0，預測結果無偏性越強;標準均方根越接近1，標準誤差結果越準確;均方根與平均標準誤差越接近，則預測值與測量值偏離越小。由交叉驗證結果可以看出，四個縣市無偏性均較強，保德縣、岢嵐縣、懷仁市標準誤差結果較為準確，預測值與測量值的偏差結果也較小，靜樂縣標準誤差結果準確性較低，預測值與測量值偏差結果相對較大。

2.3.2 模型插值及插值結果分析 驗證模型后，在ARCGIS中采用普通克里格法插值，套用擬合模型與采樣數(shù)據(jù)，得到圖3。由插值結果可以看出，保德縣土壤有機質空間差異性較小，全縣大部分區(qū)域有機質含量低于7 g/kg，唯有東關鎮(zhèn)與孫家溝鄉(xiāng)少部分區(qū)域土壤有機質含量處于7～12 g/kg之間。其中，東關鎮(zhèn)為保德縣政府駐地，鎮(zhèn)內農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較少，土壤受水蝕與風蝕影響較縣內其他區(qū)域更小，土壤有機質含量高于縣內其他區(qū)域。

懷仁市土壤有機質含量空間差異較大，大部分區(qū)域土壤有機質含量處于5～7 g/kg之間，云中鎮(zhèn)、柯家堡、新家園鄉(xiāng)土壤有機質含量較高。懷仁市地形呈西北、東南傾斜，東西高、中間低，西北為山區(qū)，中部東部為平川，土壤有機質含量受地形影響明顯，西北山區(qū)部分海拔高人為活動較少，土壤有機質含量較高，而云中鎮(zhèn)作為懷仁市政府駐地，鎮(zhèn)內農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較少，土壤有機質含量相對于市內其他區(qū)域更高，中部平川區(qū)域則因耕作活動較多，土壤有機質含量普遍偏低。

岢嵐縣土壤有機質含量空間差異較小，全縣所有區(qū)域土壤有機質含量均在5～12 g/kg之間。岢嵐縣地勢東高西低，西部與西北部為黃土丘陵區(qū)，有機質含量受地形地貌條件影響明顯，東南山區(qū)部分海拔高人為活動少，土壤有機質含量較高，西北部分的黃土丘陵區(qū)水土流失嚴重[17，18]，土壤有機質含量較低，嵐漪鎮(zhèn)作為岢嵐縣政府駐地，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較多，廣泛種植以紅蕓豆為首的豆類小雜糧，有機質含量低于縣內其他區(qū)域。

靜樂縣土壤有機質含量空間差異較大，全縣所有區(qū)域土壤有機質含量均高于5 g/kg，如堂爾上鄉(xiāng)、娑婆鄉(xiāng)兩個鄉(xiāng)土壤有機質含量甚至均高于12 g/kg。靜樂縣東、南、北三面環(huán)山，尤其東部山脈較高，中西部為黃土丘陵區(qū)且地形破碎，有機質含量受到地形條件影響明顯，東部高山地帶人為活動少，有機質含量較高，中西部黃土丘陵區(qū)土壤有機質含量相對較低，鵝城鎮(zhèn)作為靜樂縣政府駐地，鎮(zhèn)內廣泛種植玉米、大豆等傳統(tǒng)作物，有機質含量低于縣內其他區(qū)域。

3 討論與結論

摸清土壤有機質含量的變異情況以及分布狀況是提高土壤肥力以及精準施肥的關鍵，也是減施增效、防止農(nóng)田環(huán)境污染的主要步驟。本研究結果表明：

（1）褐土、黃綿土、栗褐土、栗鈣土表層土壤有機質平均含量分別為10.03、6.33、8.20、7.93 g/kg，褐土有機質平均含量最高，黃綿土有機質平均含量最低，栗褐土與栗褐土平均有機質含量接近且栗褐土略高;而褐土、黃綿土、栗褐土、栗鈣土采樣點表層有機質含量變異系數(shù)分別為51.4%、49.4%、39.0%、52.3%，栗鈣土有機質含量離散程度最高，栗褐土有機質含量離散程度最低，褐土有機質含量的離散程度略高于黃綿土。

（2）在半變異函數(shù)中，常用塊金系數(shù)來表示空間結構性，塊金值來表示隨機性因素引起的變異程度，常用基臺值來表示空間總變異程度。褐土、黃綿土、栗褐土、栗鈣土擬合模型塊金系數(shù)分別為25%、50%、49%、32%，褐土具有較為強烈的空間結構性，黃綿土、栗褐土、栗鈣土均具有中等程度的空間結構性， 其中黃綿土空間結構性最弱，栗鈣土空間結構性強于栗褐土;褐土、黃綿土、栗褐土、栗鈣土塊金值分別為15.70、7.06、7.95、5.22，褐土隨機性變異程度最大，栗鈣土隨機性變異程度最小，栗褐土隨機性變異程度大于黃綿土;褐土、黃綿土、栗褐土、栗鈣土基臺值分別為62.40、14.12、16.02、16.44，褐土總變異程度最大，黃綿土總變異程度最小，栗鈣土總變異程度大于栗褐土。

（3）由交叉驗證結果以及實測值與模型值對比結果可以看出，四種土壤類型中，褐土插值精度最低，其余三種土壤類型插值結果精度較為接近。由插值結果分析以及趨勢分析可以看出，土壤類型是土壤有機質含量的重要影響因素，不同土壤類型的四個縣市土壤有機質含量差異較大，除土壤類型之外，地形地貌、海拔高度、耕作環(huán)境、人為活動也是土壤有機質含量空間變異的影響因素。

土壤有機質含量空間變異分析是研究土壤有機質的重要課題，而土壤類型是這種空間變異形成的重要原因，雖然四種土壤類型選取的擬合模型均不相同，但其塊金系數(shù)均不大于50%，卻又不小于25%，表明在這四種土壤類型中土壤有機質含量存在中等程度的空間自相關性，這種相關性會受到結構性與隨機性要素的共同影響。對于不同的土壤類型，耕作方式也應有所差異，對于黃綿土與栗鈣土等[19，20]土壤有機質含量較低的區(qū)域，應多施用農(nóng)家肥才能在保證作物產(chǎn)量的基礎上逐步提升土壤有機質含量以及提高土壤肥力;而對于褐土與栗褐土等土壤有機質含量較高的區(qū)域[21]，實行減投增效的策略，以避免肥料的浪費和環(huán)境污染。

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