基于GIS連續(xù)種植模式下粵北紅壤有機(jī)質(zhì)變異特征研究—以乳源縣桂頭鎮(zhèn)為例

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，土壤有機(jī)質(zhì)含量是估算土壤含碳量、評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，不同區(qū)域的土壤有機(jī)質(zhì)存在異質(zhì)性[2]。研究土壤性質(zhì)空間變化及空間分布特點(diǎn)對土壤制圖、土壤調(diào)查和土地利用動態(tài)監(jiān)測具有重要意義。對影響土壤有機(jī)質(zhì)空間分布的主控因素進(jìn)行探討，進(jìn)一步研究土壤有機(jī)質(zhì)空間分布特征可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)修復(fù)等問題提供參考[3]。利用半方差函數(shù)研究土壤有機(jī)質(zhì)空間變異規(guī)律被認(rèn)為是非常有效的方法之一，結(jié)合克里格方法生成高程曲面圖進(jìn)行分析，可解決土壤有機(jī)質(zhì)空間變異的熱點(diǎn)問題[4]。

為保證耕地高效利用，探討連續(xù)種植模式下粵北紅壤有機(jī)質(zhì)變異特征。以粵北乳源瑤族自治縣桂頭鎮(zhèn)為例，通過2014年和2019年多點(diǎn)采樣實(shí)測土壤有機(jī)質(zhì)含量，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行連續(xù)種植模式下土壤有機(jī)質(zhì)空間變異性程度分析。2014年桂頭鎮(zhèn)土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為2.3 g/kg，中位數(shù)為2.3 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量偏度為 0.6，峰度值為3.6，變異系數(shù)為45%；2019年，桂頭鎮(zhèn)土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為2.5 g/kg，中位數(shù)為2.5 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量偏度為0.1，峰度值2.5，變異系數(shù)35%。2019年與2014年相比，桂頭鎮(zhèn)土壤有機(jī)質(zhì)含量均值與中位數(shù)有所提高，但連續(xù)種植模式下地勢較高區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量有明顯降低，地勢較低區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)也進(jìn)一步降低，總體土壤有機(jī)質(zhì)含量有所下降，但空間變異性降低。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

乳源瑤族自治縣位于廣東省北部、韶關(guān)市西部，西北角與湖南省宜章縣相鄰，總面積2 125.5 km2，總?cè)丝诮?0萬。全縣氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，桂頭鎮(zhèn)是乳源瑤族自治縣最大的平原鎮(zhèn)，農(nóng)業(yè)耕地面積1 900 hm2，以水稻、蔬菜、果樹種植為主（見圖1-2）。

1.2樣品采集與測試

土壤樣品主要在桂頭鎮(zhèn)農(nóng)田區(qū)域采集，2014年一共采集了138個樣點(diǎn)，2019年采集了137個樣點(diǎn)，使用手持式GPS儀記錄每個樣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。采樣分布圖如圖3-4所示。采集0～20 cm土壤樣品，經(jīng)前處理后土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化滴定法測定。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析

利用格拉布斯（Crubbs）法對所獲土壤數(shù)據(jù)作差值辨別和處理，消除異常數(shù)值，通過數(shù)據(jù)分析檢驗(yàn)篩選數(shù)據(jù)是否呈正態(tài)分布，這是進(jìn)行克里格分析的基本要求。

半方差函數(shù)是解釋土壤空間化變量隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性的一種函數(shù)，如果隨機(jī)函數(shù)均值沒變化，那么就存在有限的方差。因此可以利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的半方差函數(shù)的數(shù)量關(guān)系來表示區(qū)域化變量，也是土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行克里格空間插值的基礎(chǔ)，其表達(dá)式為：

式中：R（h）是半方差函數(shù)；h為樣點(diǎn)之間的空間間隔距離，N（h）是空間距離為h時的樣點(diǎn)數(shù)，Z（xi）和Z（xi+h）則是土壤有機(jī)質(zhì)Z（x）在空間位置和（xi+h）處的實(shí)測值，方程可以反映土壤有機(jī)質(zhì)空間變異性與各個影響因素的相互關(guān)系。

根據(jù)半方差函數(shù)的方法原理，利用Arc‐GIS10.2平臺，選擇與土壤有機(jī)質(zhì)空間變異性有關(guān)的樣品點(diǎn)作為協(xié)變量，進(jìn)行研究區(qū)域內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)的克里格方法內(nèi)插值并生成高程曲面圖。

本文協(xié)調(diào)格里克原理與參數(shù)選取要求，用誤差較少的均方根來進(jìn)行預(yù)測，標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差最接近于1為最優(yōu)差值標(biāo)準(zhǔn)，來檢驗(yàn)插值產(chǎn)生的結(jié)果的精確程度。利用spss18.0對土壤有機(jī)質(zhì)含量作描述性分析、相關(guān)性分析；采用GS+9.0進(jìn)行半方差函數(shù)分析獲得變異函數(shù)；在Arcgis10.2作普通格里克內(nèi)插值生成高程曲面圖[5]。

2結(jié)果與分析

2.1統(tǒng)計(jì)特征分析

應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對研究區(qū)域內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到土壤有機(jī)質(zhì)的描述性統(tǒng)計(jì)表（1-2）。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，2014年土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為2.3 g/kg，土壤有機(jī)質(zhì)含量屬中等偏上水平。經(jīng)處理后土壤有機(jī)質(zhì)含量中位數(shù)是2.3 g/kg，比平均值低但與平均值相近。土壤有機(jī)質(zhì)含量的偏度為0.6，所以土壤有機(jī)質(zhì)樣本含量正偏，有機(jī)質(zhì)含量峰度值3.6，數(shù)據(jù)分布符合正態(tài)分布。2019年，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為2.5 g/kg，土壤有機(jī)質(zhì)含量也是中等水平，中位數(shù)是2.5 g/kg，也比平均值低但與平均值相近，土壤有機(jī)質(zhì)含量的偏度為0.12，所以土壤有機(jī)質(zhì)樣本含量正偏，有機(jī)質(zhì)含量的峰度值2.5，符合正態(tài)分布。

變異系數(shù)cov體現(xiàn)了采樣空間參數(shù)的變異特征，展現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)變量的聚集情況。2014年土壤有機(jī)質(zhì)的變異系數(shù)是45%，其標(biāo)準(zhǔn)差為1.1 g/kg時，變異程度處于中等級別。此外，經(jīng)過K-S檢驗(yàn)后證實(shí)土壤有機(jī)質(zhì)含量變異符合正態(tài)分布（p> 0.05），符合地統(tǒng)計(jì)學(xué)原理?xiàng)l件。2019年土壤有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)35%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.9 g/kg時，變異程度也處于中等級別，經(jīng)過K-S檢驗(yàn)后研究區(qū)域內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量變異同樣符合正態(tài)分布（p> 0.05），符合地統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的條件[6]。

2.2空間變異特點(diǎn)分析

運(yùn)用GS+9.0作出在各個方向上的半方差函數(shù)圖，進(jìn)一步分析研究區(qū)域內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異特點(diǎn)。結(jié)果表明，各個方向的變異程度都比較明顯，變異主要由地質(zhì)地貌等自相關(guān)部分引起，主要原因是研究區(qū)域地勢北高南低，北部河流沉積物從東北向西南運(yùn)移。

2.3結(jié)構(gòu)性分析

普通克里格方法對研究區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行插值制圖，繪制土壤有機(jī)質(zhì)含量空間結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)誤差結(jié)構(gòu)圖（圖5-6）。圖5-6結(jié)果表明研究區(qū)域內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量空間特征很明顯，與研究區(qū)域內(nèi)各個地形變化具有相同性。土壤有機(jī)質(zhì)呈塊狀分布，2014年中北方、西北方以及西南方土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，東北方、東南方含量較高。由東北方向西北方土壤有機(jī)質(zhì)含量變異強(qiáng)烈，土壤有機(jī)質(zhì)含量大幅降低；西南方向東南方土壤有機(jī)質(zhì)含量變異程度相對穩(wěn)定，總體呈緩慢增加的趨勢[7]。而在2019年，研究區(qū)域內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量總體分布比較均勻，含量最高位于東北方，含量高于6.4 g/kg，含量最低的地方位于西北方，含量低于0.3 g/kg；西向東土壤有機(jī)質(zhì)含量變異比較明顯，含量先緩慢降低，再緩慢增加，然后趨向穩(wěn)定；這與上述土壤有機(jī)質(zhì)含量在不同方向的變異性存在明顯差異相吻合。

3討論與結(jié)論

一般而言，氣候、地貌、水文、植被等自然要素對土壤有機(jī)質(zhì)影響作用較大[5]，而自相關(guān)環(huán)境因素可以在短期內(nèi)引起土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布產(chǎn)生明顯地變異[6]。交通運(yùn)輸、居民活動等對土壤有機(jī)質(zhì)分布影響較小，地形地貌、土地利用方式、植被覆蓋度、區(qū)域方位、溫度濕度等自然要素決定土壤有機(jī)質(zhì)形成和累積[7]。本文通過多點(diǎn)混合采樣及統(tǒng)計(jì)分析等方法對連續(xù)種植模式下粵北紅壤有機(jī)含量與變異特征深入研究，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量空間變異性受地形因素影響較大，雖然2019年土壤有機(jī)質(zhì)含量均值與中位數(shù)較2014年高，但地勢較高區(qū)域2019年土壤有機(jī)質(zhì)含量與2014年土壤有機(jī)質(zhì)含量相比有明顯降低，連續(xù)種植模式下地勢較低區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)低于1.5 g/kg區(qū)域面積進(jìn)一步增加。總體而言2019年乳源縣桂頭鎮(zhèn)土壤有機(jī)質(zhì)含量較2014年有所下降，但空間變異性降低。

2014年桂頭鎮(zhèn)土壤有機(jī)質(zhì)平均含量2.3 g/kg，中位數(shù)2.3 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量偏度為0.6，峰度值3.6，含量分布符合正態(tài)分布，變異系數(shù)45%。2019年桂頭鎮(zhèn)土壤有機(jī)質(zhì)平均含量2.5 g/kg，中位數(shù)2.5 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量偏度為0.1，峰度值2.5，含量分布也符合正態(tài)分布，變異系數(shù)35%。2019年與2014年比較，土壤有機(jī)質(zhì)含量均值與中位數(shù)有所提高，但連續(xù)種植模式下地勢較高區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量有明顯降低，地勢較低區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)也進(jìn)一步降低，總體土壤有機(jī)質(zhì)含量有所下降，但空間變異性降低。

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[1廣東韶關(guān)學(xué)院英東生物與農(nóng)業(yè)學(xué)院2廣東韶關(guān)市土壤土地工程技術(shù)研究中心張宇鵬1，2，肖素芬1，林昌華1，2，陳曉遠(yuǎn)（通訊作者）1，2，高琳1，2，唐梁博1，2]