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認(rèn)證類型：個(gè)人認(rèn)證

認(rèn)證主體：劉**（實(shí)名認(rèn)證）

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基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)半方差函數(shù)和gis空間插值的土壤地域差異性研究小流域土壤有機(jī)質(zhì)和全磷空間變異分析以安徽省舒城縣龍?zhí)缎×饔驗(yàn)槔?/p>

土壤是一個(gè)形狀和演化過(guò)程非常復(fù)雜的自然綜合體。在土壤過(guò)程中，由于氣候、母土、地形、時(shí)間和人為因素的影響，土壤異質(zhì)性高度增加，這是空間異質(zhì)性特征[1.2]。地球物理是分析土壤特性空間分布特征及其變異規(guī)律最有效的方法之一[3.4]。它不僅能揭示土壤特性分布規(guī)律及其變化特征，而且能通過(guò)分析更好地揭示自然和人為活動(dòng)對(duì)土壤特性空間變異的影響。目前，國(guó)內(nèi)外土壤特征變異規(guī)律的研究涉及土壤物理和化學(xué)性質(zhì)、重量和其他方面。物理特征主要集中在土壤水分的飽和歷水率、滲透性、土壤密度、機(jī)械組成等。土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等肥力屬性主要集中在土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等重金屬污染上。對(duì)土壤屬性異質(zhì)性的研究有助于了解區(qū)域土壤特征的特點(diǎn)，為區(qū)域土壤質(zhì)量?jī)?yōu)化提供參考依據(jù)。目前的研究大多集中在一個(gè)行政區(qū)域、一個(gè)地貌單元或者一種土地利用類型上[10~13],對(duì)小流域的研究相對(duì)較少.我們以安徽省舒城縣龍?zhí)缎×饔驗(yàn)閷?duì)象,在實(shí)地調(diào)查采樣、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上,運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS,研究該流域內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)、全磷的變異規(guī)律及空間分布特征,并深入探討了其各方向的變異函數(shù)特征,從而揭示該小流域尺度下土壤特性的變異規(guī)律,為該流域土壤信息差異性的測(cè)量和描述、開展養(yǎng)分管理的分區(qū)研究提供參考.1研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法1.1地域自然概況龍?zhí)缎×饔蛭挥诎不帐∈娉强h曉天鎮(zhèn),中心地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°36′、北緯31°12′.流域面積7.9km2,海拔100~540m.屬亞熱帶溫潤(rùn)性季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫15.6℃,年平均降雨量1100mm,無(wú)霜期年平均224d.陽(yáng)光充足,雨水豐富,土地肥沃,植被茂盛,四季分明,氣候溫和.1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1采樣點(diǎn)空間條件和有機(jī)質(zhì)分析2009年4月根據(jù)龍?zhí)缎×饔虻闹脖活愋汀⑼恋乩脿顩r、地形特點(diǎn),在0~20cm土壤表層隨機(jī)采集混合樣品109個(gè),用布袋封裝,同時(shí)用GPS定位,記錄樣點(diǎn)的空間地理信息,采樣點(diǎn)分布圖見圖1.樣品經(jīng)自然風(fēng)干后,挑揀出參雜的植物根系和殘?bào)w雜物,然后進(jìn)行碾磨、磨碎,過(guò)10目(2mm)尼龍篩,再用四分法分別取部分碾磨過(guò)60目(0.25mm)和100目(0.149mm)尼龍篩,分別裝入封口袋中,以備不同的分析項(xiàng)目之用.有機(jī)質(zhì)的測(cè)定用重鉻酸鉀氧化—外加熱法,全磷的測(cè)定用硫酸—高氯酸溶液—鉬銻抗比色法,同時(shí)為保證分析結(jié)果的可靠性,每隔5個(gè)樣做2個(gè)重復(fù)實(shí)驗(yàn),相對(duì)誤差控制在5%以內(nèi).1.2.2數(shù)據(jù)處理與插值方法檢驗(yàn)樣品數(shù)據(jù)先用MicrosoftExcel2003進(jìn)行整理,然后用SPSS15.0進(jìn)行一般統(tǒng)計(jì)分析,同時(shí)使用非參數(shù)檢驗(yàn)中的單樣本K-S(Kolmogorov-Smirnov)檢驗(yàn)分析數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布.不符合正態(tài)分布的經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)或其它方式變換成正態(tài)分布,在數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布或近似正態(tài)分布的前提下,將數(shù)據(jù)導(dǎo)入GS+9.0地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件中,進(jìn)行半方差函數(shù)的擬合和地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析.插值方法采用普通克立格、簡(jiǎn)單克立格、泛克立格方法進(jìn)行比較,根據(jù)預(yù)測(cè)表面所生成的交叉驗(yàn)證參數(shù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)選取最優(yōu)插值方法.2結(jié)果與分析2.1有機(jī)質(zhì)和全磷含量特征從表1可以看出,研究區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)和全磷樣品的含量變化范圍分別在6.12~101.91gkg-1和0.20~1.87gkg-1之間,且平均值達(dá)到36.75gkg-1和0.51gkg-1,說(shuō)明該區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量較高,全磷含量適中.其中有機(jī)質(zhì)的中位數(shù)和平均值接近,且峰度達(dá)到1.31,表明樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)主要集中在中位數(shù)附近.有機(jī)質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別為18.73和50.95%,全磷的為0.31和63.99%,表明研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和全磷的變異程度較大,這是由于該區(qū)域植被類型、土地利用狀況、地形等狀況的不同導(dǎo)致的.經(jīng)檢驗(yàn),樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)、全磷呈正態(tài)分布,但其峰度和偏度較高,為了降低其峰度和偏度,對(duì)其進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后有機(jī)質(zhì)的峰度和偏度降為0.29、-0.25,全磷的降為0.26、0.78(圖2).2.2有機(jī)質(zhì)、全磷變異的空間方差分析經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)導(dǎo)入GS+9.0軟件,進(jìn)行半方差函數(shù)的擬合計(jì)算,計(jì)算得到的有機(jī)質(zhì)、全磷的變異統(tǒng)計(jì)特征(表2),從表中可以看出,有機(jī)質(zhì)和全磷的最佳擬合模型都為指數(shù)模型,有機(jī)質(zhì)的決定系數(shù)達(dá)到0.868,用指數(shù)模型進(jìn)行擬合的程度較高,而全磷的決定系數(shù)僅為0.380,說(shuō)明全磷變異的各向同性較差.塊金值分別為0.0107、0.0362,塊金值較小,說(shuō)明該流域有機(jī)質(zhì)、全磷在極小范圍的空間變異很小,采樣時(shí)樣點(diǎn)分布應(yīng)相隔一定距離更經(jīng)濟(jì),更合理.塊金值和基臺(tái)值的比分別為4.4%和13.8%[17~18],該流域土壤有機(jī)質(zhì)和全磷的相關(guān)性均屬于強(qiáng)烈空間自相關(guān),說(shuō)明有機(jī)質(zhì)和全磷的變異主要是受結(jié)構(gòu)性變異制約,隨機(jī)變異帶來(lái)的影響較小.變程分別為642m和435m,說(shuō)明有機(jī)質(zhì)和全磷在此范圍內(nèi)具有空間自相關(guān),超出此范圍空間自相關(guān)性消失.土壤有機(jī)質(zhì)、全磷變異的各向同性分析:經(jīng)GS+9.0軟件擬合出有機(jī)質(zhì)、全磷的各向同性半方差函數(shù)(圖3),從圖中可以看出,有機(jī)質(zhì)用指數(shù)模型的擬合程度較好,當(dāng)步長(zhǎng)大于1900m時(shí),出現(xiàn)了較明顯的上升趨勢(shì),但變異程度不是太大,可能是其它方向性變異造成的.而全磷整體半方差變化較明顯,變異程度較高,變異的各向同性不太顯著,在約1310~2100m步長(zhǎng)范圍內(nèi)出現(xiàn)了上升下降趨勢(shì),但變化不是太明顯,這是各個(gè)方向性變異強(qiáng)烈表現(xiàn)的結(jié)果.有機(jī)質(zhì)變異的各向異性分析:為了更加深入了解流域土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異特征,用GS+9.0軟件繪出了0°、50°、90°、145°方向上的半方差函數(shù)圖(圖4),進(jìn)一步探究了有機(jī)質(zhì)在各方向上的空間變異特征,從圖中可以看出,有機(jī)質(zhì)在南北90°方向上和東南—西北145°方向上的變異程度明顯小于東西0°方向和東北—西南50°方向上變異程度,說(shuō)明0°方向和50°方向的變異比90°和145°方向復(fù)雜,可能是由于流域地形特征影響,0°和50°方向上的地形變化較復(fù)雜.在90°和145°方向上,當(dāng)步長(zhǎng)大于1000m時(shí)有機(jī)質(zhì)隨步長(zhǎng)的變異程度大致相似,表現(xiàn)為各向同性.但當(dāng)步長(zhǎng)在300m左右時(shí)在90°方向半方差值較低.而當(dāng)步長(zhǎng)大于約1100m時(shí),在50°方向上有機(jī)質(zhì)的變異程度有明顯的上升趨勢(shì).在0°方向上,其變異程度復(fù)雜,變異程度較大,有多處半方差值出現(xiàn)高低交替,差別較大,這是可能是由于該方向的植被類型、施肥措施、地形等因素較復(fù)雜造成的.全磷變異的各向異性分析:從圖5可以看出,全磷在各個(gè)方向上的半方差變化明顯,各向異性較顯著,各向同性不顯著.在南北90°方向和東北—西南50°方向上的半方差值變化較小,變化相對(duì)平緩,變異程度相對(duì)較低,可能是由于90°方向尺度較小,地形變化相對(duì)較簡(jiǎn)單,但在50°方向上,其內(nèi)部變異程度仍較顯著.在0°方向上,隨步長(zhǎng)的增加其變異程度呈上升趨勢(shì),但當(dāng)步長(zhǎng)在1600~2200m時(shí),出現(xiàn)了明顯的上升和下降趨勢(shì).在145°方向上,在步長(zhǎng)約為800m時(shí),半方差有明顯的上升趨勢(shì),變異程度加大,這可能是由于0°和145°方向尺度相對(duì)較大,地形變化也相對(duì)較復(fù)雜,以及植被覆蓋狀況、土地利用狀況復(fù)雜等因素造成的.2.3土壤有機(jī)碳元素的分布根據(jù)記錄的采樣點(diǎn)空間地理信息,并經(jīng)Arc/Info投影轉(zhuǎn)換,在ArcGIS9.2中生成樣點(diǎn)點(diǎn)圖層(圖1),然后對(duì)該流域有機(jī)質(zhì)和全磷數(shù)據(jù)進(jìn)行克立格插值,插值方法的選用根據(jù)克立格輸出預(yù)測(cè)表面所生成的交叉驗(yàn)證參數(shù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn):標(biāo)準(zhǔn)平均值(MS)最接近于0,均方根預(yù)測(cè)誤差(RMS)最小,平均標(biāo)準(zhǔn)誤差(ASE)最接近于均方根預(yù)測(cè)誤差(RMS),標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測(cè)誤差(RMSS)最接近于1.有機(jī)質(zhì)和全磷的幾種克立格插值交叉驗(yàn)證參數(shù)比較見表3.從表中可以看出,幾種克立格插值方法中,普通克立格對(duì)有機(jī)質(zhì)和全磷的插值MS最接近于0,RMS最小,ASE最接近于RMS,RMSS也最接近于1,據(jù)此,采用普通克立格對(duì)兩種土壤屬性進(jìn)行格里格插值,得出土壤有機(jī)質(zhì)、全磷含量空間分布格局(圖6),從圖中可以看出,有機(jī)質(zhì)和全磷的分布呈明顯的塊狀和帶狀,其中有機(jī)質(zhì)含量中部較高,向四周逐漸遞減,這可能是由于該流域中部常年有樹木生長(zhǎng),植被覆蓋度高,枯枝落葉積累多,人類活動(dòng)較少,故有機(jī)質(zhì)含量較高,而東北和西部由于地勢(shì)較高,植被多為草本植物,故有機(jī)質(zhì)積累少,南部地勢(shì)相對(duì)低平,人類活動(dòng)影響較大,有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)低.而全磷含量較高的地方主要集中在南部,可能是因?yàn)槟喜繀^(qū)域地勢(shì)相對(duì)低平,淋溶作用導(dǎo)致土壤磷從地勢(shì)高向地勢(shì)低的地方淋溶,含量較低的東北和西部正是該流域地勢(shì)較高的地方,由此可見淋溶作用對(duì)該流域全磷的分布起主要作用.經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出有機(jī)質(zhì)、全磷含量各占面積比,其中有機(jī)質(zhì)含量大于43.00gkg-1的,面積約為1.347km2,占總面積的17.0%;含量在33.00~43.00gkg-1之間的,面積約為3.846km2,占總面積的48.4%;含量在23.00~33.00gkg-1之間的面積約為2.281km2,占總面積的28.7%;含量小于23.00gkg-1的,面積約為0.480km2,占總面積的5.9%.全磷含量大于0.70gkg-1的,面積約為0.433km2,占總面積的5.5%;含量在0.50~0.70gkg-1之間的,面積約為2.739km2,占總面積的34.5%;含量在0.33~0.50gkg-1之間的,面積約為4.152km2,占總面積的50.8%;含量小于0.33gkg-1的,面積約為0.626km2,占總面積的9.2%.3有機(jī)質(zhì)、全磷空間分布的特征及控制指導(dǎo)有機(jī)質(zhì)、全磷的一般統(tǒng)計(jì)分析和半方差分析表明,龍?zhí)缎×饔蛲寥烙袡C(jī)質(zhì)和全磷具有顯著的空間異質(zhì)性,變異程度較高,變異系數(shù)分別為50.95%和60.99%,有機(jī)質(zhì)、全磷在642m、435m具有空間自相關(guān),并且兩者的空間變異性都主要受結(jié)構(gòu)變異的影響,隨即變異帶來(lái)的影響較小.其中,全磷的各項(xiàng)同性變異程度較劇烈,可能是由于受其他過(guò)程控制引起的.有機(jī)質(zhì)、全磷的各向異性變異都比較強(qiáng)烈,各向異性顯著,各向同性不太明顯,說(shuō)明有機(jī)質(zhì)、全磷在各個(gè)方向上受地形、不同植被類型、不同土地利用類型的影響較大.有機(jī)質(zhì)、全磷的空間分布特征表明,