基于地統(tǒng)計學(xué)和GIS的湖北省土壤有機(jī)質(zhì)空間變異性研究

于芳 李海明

摘要：基于湖北省157個土壤樣品數(shù)據(jù)，分析土壤有機(jī)質(zhì)含量特征，并應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)研究其空間變異性，利用相關(guān)分析和回歸分析探討其變異性的影響因素。結(jié)果表明，湖北省土壤有機(jī)質(zhì)含量為 （23.04±6.39） g/kg，變異系數(shù)達(dá)27.73%，屬中等程度變異;土壤有機(jī)質(zhì)以高斯模型擬合最佳，塊金比為0.33，呈中等程度空間自相關(guān)性，表明以結(jié)構(gòu)變異為主。研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量總體上呈條帶狀分布，由鄂中向鄂西和鄂東增加，其中東西方向上變異性高于南北方向。研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量空間變異是地形、化學(xué)養(yǎng)分指標(biāo)、土地利用類型、土壤質(zhì)地等因素綜合作用的結(jié)果，其中海拔、土壤質(zhì)地分別解釋了41.5%、22.1%的變異信息，是其主控因素。

關(guān)鍵詞：土壤有機(jī)質(zhì);地統(tǒng)計學(xué);空間變異;影響因素

中圖分類號： S127;S153.6+21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）15-0282-05

有機(jī)質(zhì)是維系土壤生命機(jī)能的核心指標(biāo)之一，對于保持土地生產(chǎn)力、促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義，同時作為地球生態(tài)系統(tǒng)重要的碳庫，有機(jī)質(zhì)在土體中的遷移轉(zhuǎn)化速率影響著全球碳循環(huán)的平衡[1]。受成土環(huán)境因素與人為干擾影響，土壤有機(jī)質(zhì)含量在不同時空尺度呈不恒定分布，這種非均質(zhì)特性不僅增加了耕作過程中養(yǎng)分精確管理的難度，還導(dǎo)致了碳素遷移轉(zhuǎn)化過程模擬的不確定性[2]。研究土壤有機(jī)質(zhì)空間分布格局，可為科學(xué)保護(hù)土壤資源和生態(tài)過程建模提供基礎(chǔ)信息。

國內(nèi)外農(nóng)業(yè)歷史上很早就關(guān)注到土壤肥力質(zhì)量差別，但直到地統(tǒng)計學(xué)和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)得到應(yīng)用后，土壤屬性分布格局及其影響因素得以可視化與定量表達(dá)[3]，隨著研究的深入，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)，其空間異質(zhì)性受結(jié)構(gòu)性、隨機(jī)性因素控制。如Schulp對荷蘭農(nóng)業(yè)景觀土壤有機(jī)質(zhì)時空變異研究發(fā)現(xiàn)，土地利用的變遷能夠很好地解釋有機(jī)質(zhì)的總體變化[4];Hu等研究表明，在相同土地利用條件下，土壤質(zhì)地對有機(jī)物質(zhì)積累具有顯著影響[5];陳洋等在長三角地區(qū)的研究中指出，土壤有機(jī)質(zhì)含量與母質(zhì)類型存在良好的空間相關(guān)性[6];Huang等探究了江蘇沿江地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量的歷史變化，認(rèn)為耕作制度與施肥管理是其主控因素[2];吳昊等分析了秦嶺山地地形因子對土壤有機(jī)質(zhì)的積累效應(yīng)，結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)含量與海拔呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與坡向呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[7]。這些研究大多基于中微觀尺度，著重分析了某一類型因子對土壤有機(jī)質(zhì)空間變異的影響機(jī)制，而對省域尺度上復(fù)雜環(huán)境因素影響下有機(jī)質(zhì)變異性的研究較少。湖北省是我國重要的水源供應(yīng)和糧食生產(chǎn)基地，隨著城鎮(zhèn)化與工業(yè)化的推進(jìn)，土地資源開發(fā)利用強(qiáng)度增大，局部土壤面臨著退化、污染的風(fēng)險。基于此，本研究以土壤普查和相關(guān)文獻(xiàn)資料為基礎(chǔ)，運(yùn)用地統(tǒng)計學(xué)和GIS技術(shù)初步揭示土壤有機(jī)質(zhì)空間分異特征，旨在為省域土壤肥力調(diào)控、土地利用規(guī)劃提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

湖北省位于我國中部秦巴與大別山斷連交匯處，地理坐標(biāo)為29°05′～33°20′N、108°21′～116°07′E，區(qū)域面積為1859萬km2。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫暖濕潤、雨熱同期，年平均氣溫與降水量分別為12～16 ℃、800～1 600 mm。境內(nèi)地勢由東西兩側(cè)向中南部傾斜，高程為20～3 105 m，形成了山地、丘陵、平原等階梯狀地貌。省域?qū)匍L江與漢江匯流區(qū)，河網(wǎng)密度、湖泊星羅，水資源豐富，是全國重要的水利發(fā)展基地。植被以亞熱帶常綠闊葉林為主，具有垂直地帶性分布特征。第2次土壤普查表明，全省主要存在水稻土、潮土、黃棕壤、黃褐土、石灰?guī)r土、紅壤、黃壤、紫色土等8個土類，其中前三者為主要耕作土壤。

1.2 數(shù)據(jù)來源

以湖北省表層土壤有機(jī)質(zhì)含量為研究對象，土壤數(shù)據(jù)一部分根據(jù)《湖北土種志》整理得到，另外部分出自2000年以來相關(guān)研究文獻(xiàn)，有效樣點(diǎn)共計157個（圖1）。輔助數(shù)據(jù)有DEM（digital elevation model）和MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）遙感影像數(shù)據(jù)，分別由地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站和美國航空航天局（NASA）網(wǎng)站提供，前者空間分辨率達(dá)30 m，后者采用的是2016年逐月歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，簡稱NDVI）數(shù)據(jù)，產(chǎn)品編號為MOD13Q1，空間分辨率為1 km。

1.3 研究方法

1.3.1 地統(tǒng)計學(xué) 地統(tǒng)計學(xué)是Matheron創(chuàng)立的一種空間統(tǒng)

計方法，其通過鄰近度觀測檢測空間連續(xù)性變量的隨機(jī)不恒定變化與空間位置之間的關(guān)系，以界定其影響因素的重要性并估測土壤各屬性變量在空間分布特征[8]。半方差函數(shù)（semivariogram）是地統(tǒng)計學(xué)的理論基礎(chǔ)，本研究主要應(yīng)用其中的面域模式解釋土壤空間變異結(jié)構(gòu)，其計算公式如下：

式中：r（h）表示距離為h時的半方差;h為空間間距;N（h）表示間距為h的所有觀測點(diǎn)對數(shù);Z（xi）是空間位置xi上的實(shí)測值，Z（xi+h）是空間位置（xi+h）上的實(shí)測值。設(shè)定h=0時，r（h）的值為塊金值C0;隨著h的增大，r（h）維持在穩(wěn)定水平時，該處r（h）為基臺值C0+C;此時點(diǎn)對間距為變程A0，變量在變程范圍內(nèi)的臨近空間上具有良好自相關(guān)性，超出變程，自相關(guān)性消失。塊基比C0/（C0+C）可度量變量空間不恒定性影響因素的作用大小，即空間結(jié)構(gòu)。根據(jù)變量在局部存在空間自相關(guān)性，可對其廣域特征使用Kriging插值法進(jìn)行估算，具體公式如下：

式中：Z（x0）表示變量在x0處的估計值、實(shí)測值;λi為加權(quán)系數(shù);λ表示臨近點(diǎn)對其影響程度，即權(quán)值。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理 將土壤樣品數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS 10.3平臺中，與DEM和遙感數(shù)據(jù)統(tǒng)一導(dǎo)入WGS-84投影系統(tǒng)。以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用Surface模塊計算研究區(qū)坡度、坡向、坡位等地形指數(shù)。對MODIS逐月數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值合成，用以表示區(qū)域NDVI整體水平。在此基礎(chǔ)上，采取將值提取至點(diǎn)的方法，提取各樣方的地形和NDVI信息。運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法，于SPSS 21.0軟件中對土壤有機(jī)質(zhì)含量的均值、極值、標(biāo)準(zhǔn)差等特征進(jìn)行統(tǒng)計，通過LSD單因素方差多重比較法分析其與土地利用類型、土壤質(zhì)地之間的關(guān)系，采用Person雙變量相關(guān)性分析檢驗其與地形因子的相關(guān)性。半方差函數(shù)模式擬合與參數(shù)計算在GS+9.0地統(tǒng)計軟件中進(jìn)行，基于模型參數(shù)，使用ArcGIS軟件中的Geostatistical Analysis模塊對土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行空間插值，并生成空間趨勢面。

2.5.4 土壤有機(jī)質(zhì)與土壤質(zhì)地的關(guān)系 土體中的顆粒組成影響著土壤持水性、孔隙度等物理特性，而有機(jī)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化對其具有敏感響應(yīng)[14]。由圖8可知，不同質(zhì)地土壤中有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為黏土>壤土>沙土，并且其差異達(dá)到顯著水平（F=4.74，P<0.05）。這與趙明松等的研究[15]結(jié)果一致，黏土顆粒細(xì)小、黏粒組分居多，對礦化分解物質(zhì)具有較好的吸附性;沙土中沙質(zhì)成分較多、孔隙大、透水性強(qiáng)，不利于有機(jī)質(zhì)的固結(jié)。另外，黏土中有機(jī)質(zhì)含量的變異性最小，變異系數(shù)為15.32%，壤土次之，變異系數(shù)為24.73%，沙土變異性最大，變異系數(shù)達(dá)46.81%。

2.5.5 不同因素對有機(jī)質(zhì)變異性的影響程度 前述定性分析了不同因子對有機(jī)質(zhì)含量的影響，卻不能定量描述其影響程度的大小。以海拔、坡度、坡向、NDVI、土地利用類型、土壤質(zhì)地為解釋變量，以土壤有機(jī)質(zhì)含量為目標(biāo)變量，通過逐步回歸分析識別各因子對有機(jī)質(zhì)變異性的貢獻(xiàn)力，結(jié)果如表5所示。當(dāng)特征參數(shù)R2ξ越小、ΔR2越大或R2偏越大時，表示該變量相對重要性越大?？芍０我蜃营?dú)立解釋了 41.5% 的變異信息，是湖北省土壤有機(jī)質(zhì)空間變異的主要因子，土壤質(zhì)地次之，達(dá)22.1%，而其他環(huán)境變量的獨(dú)立解釋能力較小，表明它們是次要因素。

3 結(jié)論

研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量為8.52～42.95 g/kg，平均值為23.04 g/kg，變異系數(shù)達(dá)27.73%，屬中等差異。土壤有機(jī)質(zhì)擬合最適模型為高斯模型，塊基比為0.33，呈中等程度空間自相關(guān)性，其空間變異以結(jié)構(gòu)性為主。

研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量總體上呈條帶狀分布。有機(jī)質(zhì)含量低值區(qū)（小于13.78 g/kg）出現(xiàn)在江漢平原東南部和襄陽盆地，并以此為中心向鄂西、鄂東呈增加趨勢，鄂西地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量最高，為21.60～43.55 g/kg，鄂東地區(qū)次之，為 19.16～30.49 g/kg。土壤有機(jī)質(zhì)在各方向上均存在空間變異，其中東西方向上變異性高于南北方向。

研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量與海拔呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與坡度、NDVI呈顯著正相關(guān)關(guān)系，并且不同土地利用類型和土壤質(zhì)地對土壤有機(jī)質(zhì)含量具有顯著影響。為提升土壤有機(jī)質(zhì)涵養(yǎng)能力，需要加強(qiáng)養(yǎng)分分區(qū)管理，鄂中丘陵、江漢平原和襄陽盆地區(qū)應(yīng)注重耕作強(qiáng)度調(diào)整，堅持秸稈還田或生物堆肥，并防治土壤污染;鄂西地區(qū)應(yīng)加強(qiáng)水利建設(shè)和水土流失治理;鄂東地區(qū)主要應(yīng)合理開發(fā)利用土地資源，兼顧生態(tài)環(huán)境保護(hù)，增強(qiáng)養(yǎng)分保持能力。

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