全 文 ：土壤速效养分空间变异的尺度效应*
杨奇勇摇 杨劲松**摇 刘广明
(中国科学院南京土壤研究所, 南京 210008)
摘摇 要摇 在 GIS技术支持下,运用经典统计学和地统计学的方法,从经典统计分析、变异函数
和 Kriging插值图等方面探讨了禹城市耕地土壤速效磷(AP)、速效钾(AK)在县级和镇级两个
不同采样尺度下的空间变异特征. 结果表明:在两个采样尺度下,AP、AK 都服从对数正态分
布,它们的变异系数范围为 26郾 5% ~ 36郾 6% ,均属中等变异强度,随着采样尺度的缩小,土壤
AP、AK的变异系数都增大.两个采样尺度下,土壤 AP和 AK均在一定范围内存在空间相关关
系,县级采样尺度下土壤 AP和 AK的空间自相关距离较大,分别为 9郾 0 km 和 26郾 5 km,镇级
采样尺度下土壤 AP和 AK的空间自相关距离明显变小,分别为 1郾 7 km 和 2郾 8 km.两个采样
尺度下的土壤 AP和 AK受结构性因素和随机性因素的影响,表现出明显不同的分布规律.
关键词摇 土壤摇 空间异质性摇 尺度效应摇 速效养分
文章编号摇 1001-9332(2011)02-0431-06摇 中图分类号摇 S158郾 6摇 文献标识码摇 A
Scale鄄dependency of spatial variability of soil available nutrients. YANG Qi鄄yong, YANG Jing鄄
song, LIU Guang鄄ming ( Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008,
China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22(2): 431-436.
Abstract: With the support of GIS and by using classical statistics and geostatistics methods, the
spatial variability of soil available P (AP) and available K (AK) in cultivated lands in Yucheng
City of Shandong Province was approached at county and township scales. The results showed that
both the soil AP and AK followed the logarithmic normal distribution, with the coefficient of varia鄄
tion (CV) at the two scales being 26郾 5% -36郾 6% and presenting a moderate variation. With the
decrease of the scale, the CV of the soil AP and AK increased. Both the soil AP and AK were spa鄄
tially correlated with scale. At county scale, the soil AP and AK had a larger spatial correlation dis鄄
tance, being 9郾 0 km and 26郾 5 km, respectively; while at township scale, the soil AP and AK had
a smaller spatial correlation distance, being 1郾 7 km and 2郾 8 km, respectively. The spatial distribu鄄
tion of the soil AP and AK at the two scales was obviously different, which was mainly affected by
structural factors and random factors.
Key words: soil; spatial variability; scale鄄dependency; available nutrient.
*公益性行业(农业)科研专项(200903001)、中国科学院知识创新
工程重大项目(KSCX1鄄YW鄄09)、国家自然科学基金项目(40771097)
和国家高技术研究发展计划重点项目(2007AA091702)资助.
**通讯作者. E鄄mail: jsyang@ issas. ac. cn
2010鄄06鄄25 收稿,2010鄄11鄄13 接受.
摇 摇 采用 GIS与地统计学相结合的方法准确了解土
壤养分的空间分布特征及其变异规律,在农业生产
中的土壤改良、精准施肥等方面得到了越来越广泛
的应用[1-3] . 但是,很多研究表明,土壤特性的空间
变异性是尺度函数,不同尺度下同一变量的自相关
程度相差很大[4-5] . 因此,大尺度采样条件下,小尺
度下的结构特征将被掩盖,不利于深入分析土壤特
性的空间变异结构特征,而在多尺度下进行研究可
以很好地解决此问题. 国内外学者在土壤特性空间
变异的多尺度研究上取得了一定的进展,如王永东
等[6]利用地统计学方法探讨了两个取样尺度下四
川蒙顶山茶园土壤 CEC的空间变异特征;胡伟等[7]
从变异系数、相关距离和Moran爷s I相关指数 3 个方
面对黄土高原退耕坡地土壤水分空间变异性的尺度
性进行了研究;张玉铭等[8]采用地统计方法,分别
对栾城县和中国科学院栾城生态农业试验站示范区
两个尺度下农田耕层土壤养分的空间变异特征进行
了研究;Yemefack 等[9]对喀麦隆南部森林的土壤
pH、速效磷和粘粒含量进行了 4 个尺度下的空间变
异性研究;Goovaerts[10]于 2001 年运用地统计学中
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 2 月摇 第 22 卷摇 第 2 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Feb. 2011,22(2): 431-436
的 Kriging插值、序贯高斯模拟和序贯指示模拟等方
法,对耕层土壤 Ca 和水力传导参数进行了两个尺
度的对比分析.以上研究虽然揭示了不同土壤特性
在不同尺度下的空间变异特征,却很少就不同采样
尺度对土壤资源制图所产生的影响进行分析. 而土
壤资源的空间分布图是土壤属性空间变异性的直观
表达,在土壤资源开发利用中有着重要的作用. 为
此,本文以黄淮海平原典型盐渍土改良区禹城市为
研究区域,在 GIS 和 GPS 技术支持下,通过在全市
进行县级和镇级两个尺度下的布点采样,在全面野
外调查和室内化验分析以获得大量的土壤速效磷和
速效钾相关信息的基础上,以 GS+7郾 0 为操作平台,
从经典统计特征、变异函数和空间制图等方面对禹
城市 0 ~ 20 cm 耕地土壤速效磷 (AP)和速效钾
(AK)空间异质性的尺度效应进行了探讨,旨在为盐
渍土改良区障碍因子制图和障碍因子消减提供
参考.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
禹城市位于山东省西北部,处于 36毅40忆—37毅
12忆 N,116毅22忆—116毅45忆 E,全市土地总面积 990
km2,微地貌比较复杂,共有河滩高地、高坡地、平坡
地、洼坡地、浅平洼地、决口扇形地和砂质河槽地 7
种类型.该地属于暖温带半湿润季风气候,年平均气
温 13郾 1 益,全年平均降雨量 616 mm,约 76郾 4%的降
水集中在 6—9 月. 禹城市内皆平原,海拔高度
19郾 2 ~ 27郾 27 m,受地形、地貌、母质、气候等因素的
影响,全市形成了潮土和盐土两大土类. 潮土面积
7郾 3伊104 hm2,占土壤面积的 97郾 8% ,在全市广泛分
布.主要农作物为小麦、玉米、棉花.禹城市是黄淮海
平原典型的盐渍土改良区.在 20 世纪 80 年代以前,
禹城市盐渍化土地占耕地的比例一直都在 15% ~
35%之间波动,经过中国科学院和中国农业科学院
的专家及当地农户的努力,对盐渍土进行了改良,
1980 年以后盐渍化土地占耕地的比例逐渐减小.在
第二次土壤普查时,研究区土壤有机质平均含量只
有 7郾 36 g·kg-1,盐分平均含量为 3郾 13 g·kg-1;经
过长期的盐渍土改良、培肥,到 2003 年土壤有机质
平均含量增加到 12郾 47 g·kg-1,盐分平均含量下降
为 0郾 96 g·kg-1 .
1郾 2摇 土壤样品采集
以 ArcMap 9郾 2 为操作平台,通过屏幕数字化获
取了禹城市的土壤图、地形地貌图、主要河流分布
图、行政边界图和乡镇尺度下密集采样区的边界图
等矢量图.在 GIS中进行采样点室内布设,将采样点
坐标输入 GPS进行野外采样导航.
1郾 2郾 1 县级尺度下土壤样品采集摇 以禹城市为边界
在 GIS中进行 2郾 0 km伊2郾 0 km 网格布点,获取网格
中心的坐标作为准采样位置,输入 GPS 进行野外采
样导航.实际采样过程中对于落在村庄、河流、道路
等地的样点,在其附近 500 m内进行调整,并用 GPS
记下实际采样点的坐标,如不能调整,则将该采样点
删除.遵照这个原则共得到县级尺度下有效采样点
298 个(图 1).
1郾 2郾 2 镇级尺度下土壤样品采集 摇 选取新寨镇、安
仁镇和伦镇镇结合处的典型地块(图 1 中虚线框)
为密集采样区域.样点布设分为两层:一层是在典型
地块进行 0郾 5 km伊0郾 5 km 网格布点;二层是进行
1郾 0 km伊1郾 0 km 嵌套网格布点,且 1郾 0 km伊1郾 0 km
网格点处在 0郾 5 km伊0郾 5 km 4 个点的中心,与县级
采样尺度重复的样点不再采集. 将准采样坐标输入
GPS进行野外采样导航,将实际采样过程中落在村
庄、河流、道路等地的样点删除. 遵照这个原则共得
到镇级尺度下有效采样点 373 个(图 1).
1郾 3摇 土壤样品测定
土壤样品于 2008 年 5 月下旬采集,取样土层为
0 ~ 20 cm耕层土壤.土壤样品带回实验室,风干、研
磨、过筛备用.根据项目要求速效磷采用碳酸氢钠浸
提鄄钼锑抗比色法(Olsen)测定;速效钾采用乙酸铵
浸提-火焰光度法测定.具体分析方法见《土壤农业
化学分析》 [11] .
图 1摇 禹城市行政区划与土壤采样点分布
Fig. 1摇 Administrative division of Yucheng City and distribution
of soil sampling sites.
234 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
1郾 4摇 数据处理
本文采用地统计学方法,对禹城市县级和镇级
两个尺度下土壤速效养分空间变异性的尺度效应进
行研究.在地统计学中,半方差函数的块金值、基台
值和变程等参数可用来表示区域化变量在一定尺度
上的空间变异和相关程度,它们是研究土壤特性空
间变异性的关键,是 Kriging 精确插值的基础,有关
地统计学的原理和方法可参考相关文献[12] .经典统
计分析、半方差函数的模拟计算在 GS+7郾 0 中进行;
采样点位图、Kriging插值图在 ArcGIS 9郾 2 中完成.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同采样尺度下土壤速效磷和速效钾的统计
特征
由于离群值的存在会影响变量的分布特征,并
造成变量连续表面的突变,因此,在进行统计分析之
前,首先要识别离群值. 本研究采用域法[13]对离群
值进行修正,域法区间为[u-3s,u+3s] .其中,u 为样
本均值,s为样本标准差,在区间以外的数据均定义
为离群值.离群值分别用正常的最大值和最小值代
替.通过修正后,禹城市县级和镇级采样尺度下的速
效磷、速效钾的统计分析和 K鄄S 检验结果见表 1.从
偏度系数和峰度系数可以看出,在两种采样尺度下
AP和 AK含量都不服从正态分布,但是经对数转换
后服从正态分布.
摇 摇 两个采样尺度下,土壤 AP 和 AK 含量的均值、
变化幅度都存在一定差异(表 1).从土壤 AP 来看,
县级采样尺度下的变化幅度比镇级采样尺度下的变
化幅度小,其最小值较大,最大值较小;县级采样尺
度下 AP均值比镇级采样尺度大,根据全国第二次
土壤普查划分标准[14],土壤肥力属中等偏下水平;
变异系数比镇级采样尺度小,但两个采样尺度下 AP
都属中等强度变异[15-16] . 从土壤 AK 来看,县级采
样尺度下变化幅度小些,最小值和最大值都较镇级
采样尺度小;县级采样尺度下 AK 均值比镇级采样
尺度小,根据全国第二次土壤普查划分标准,土壤肥
力属中等水平;变异系数比镇级采样尺度小,都属中
等强度变异.两个尺度下,AP的变异性比 AK小.
可见,随着采样尺度的增加,AP、AK 变异系数
都减小,但是 AP含量均值增大,AK含量均值减小.
其主要原因可能有两个方面:一方面,从农户访问调
查结果来看,研究区磷的缺乏比钾的缺乏更严重.农
户普遍注重磷肥的施用,因此研究区 AP 在空间上
趋于均匀化分布;而钾肥少施甚至不施,使得 AK在
空间上的分布受施肥的影响小,变异较大. 另一方
面,AP和 AK 具有空间异质性,因此在禹城市范围
内小尺度采样区域选择的位置不同,可能导致土壤
属性值的范围和变异系数有差异,如选在大尺度的
高值区域,则小尺度土壤属性值可能偏高[17],相反
选在大尺度的低值区域,则小尺度土壤属性值可能
偏低[18] .
2郾 2摇 不同采样尺度下土壤速效养分的半方差函数
在 GS+7郾 0 中对两个采样尺度下土壤 AP和 AK
的半方差函数进行反复计算模拟,分别得到它们的
最佳半方差模型及其参数值(图 2). 两个采样尺度
下,AP和 AK的理论模型分别符合指数模型和高斯
模型,其决定系数为 0郾 547 ~ 0郾 969,说明模型的拟
合度均较高,能够较好地反映研究区两个采样尺度
下耕层土壤 AP和 AK的空间结构特征.
摇 摇 由图 2 可知,在县级和镇级两个采样尺度下,土
壤速效养分含量的空间分布都存在半方差结构,但
是不同的养分之间、同一养分的不同采样尺度之间
土壤属性的空间结构不同.图 2 中,C0 为块金值,表
示由随机部分引起的空间异质性;Sill 为基台值,表
示系统内总的变异.土壤 AP和 AK的块金值和基台
值在两个研究尺度下差异较大. C0 / Sill 表示由随机
因素所引起的异质性占总的空间异质性的程度,如
果该值较高,说明随机部分引起的空间变异起主要
作用,相反则由空间自相关引起的空间变异较
大[19-20] .镇级采样尺度下,AP和 AK的 C0 / Sill分别
表 1摇 不同采样尺度下速效养分的统计特征
Table 1摇 Statistical characteristics for soil available P and K at different sampling scales
采样尺度
Sampling scale
变量
Variable
最小值
Minimum
(mg·kg-1)
最大值
Maximum
(mg·kg-1)
平均值
Mean
(mg·kg-1)
标准差
SD
(mg·kg-1)
偏度
Skewness
峰度
Kurtosis
变异系数
CV
(% )
分布类型
Distribution
type
县级 AP 5郾 45 25郾 79 13郾 08 3郾 47 0郾 92 1郾 76 26郾 5 LN
County scale AK 43郾 55 247郾 46 113郾 69 41郾 06 1郾 11 1郾 11 36郾 1 LN
镇级 AP 4郾 29 25郾 94 11郾 39 4郾 05 1郾 40 2郾 14 35郾 5 LN
Township scale AK 54郾 17 293郾 13 117郾 28 42郾 96 2郾 14 5郾 69 36郾 6 LN
AP:有效磷 Available P; AK:有效钾 Available K; LN:对数正态分布 Lognormal distribution. 下同 The same below.
3342 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 杨奇勇等: 土壤速效养分空间变异的尺度效应摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 2摇 不同采样尺度下速效养分的变异函数
Fig. 2摇 Semivariograms of soil available P and K at different sampling scales.
a)县级 County scale; b)镇级 Township scale. 下同 The same below.
为 0郾 829 和 0郾 816,属于较弱的空间变异强度;县级
采样尺度下,AP 和 AK 的 C0 / Sill 分别为 0郾 618 和
0郾 614,属于中等强度空间变异性. 在县级采样尺度
下,采样点的地貌类型有 7 种,土属种类有 6 种;而
在镇级采样尺度下地貌类型、土壤种类都变得单一
化,地貌类型只有 2 种,土属种类也只有 2 种.因此,
随着采样尺度的缩小,结构因素影响减弱,随机因素
影响增强,使得 AP和 AK的 C0 / Sill变大.两个尺度
下 AP的 C0 / Sill都比 AK大,说明 AP受到随机性因
素的影响比 AK大,这与上面的分析结果一致.
变程 A也称为空间最大相关距离,反映了变量
空间自相关范围的大小.从图 2 可以看出,两个采样
尺度下,AP 和 AK 在一定范围内均存在空间相关
性.在县级采样尺度下,AP和 AK的变程较大,分别
为 9郾 0 km 和 26郾 5 km;在镇级采样尺度下,AP 和
AK的变程小,分别为 1郾 7 km 和 2郾 8 km. 其主要原
因是随着研究尺度的缩小,地形、母质、土壤类型等
大尺度结构因素对土壤 AP和 AK的影响逐渐减弱,
而小尺度随机因素的影响逐渐加强,导致土壤 AP
和 AK在较小尺度上发生强烈的变化,从而使它们
的变程明显变小.
2郾 3摇 不同采样尺度下速效养分的空间插值
为了更直观地反映土壤特性在不同尺度下的空
间变异特征,在 ArcMap中输入图 2 中的半方差函数
模型参数,进行 Kriging 插值,绘制了禹城市县级采
样尺度和镇级采样尺度下土壤 AP 和 AK 含量的空
间分布图,同一土壤属性采用相同的等级划分标准
进行分级(图 3).
摇 摇 从图 3 可以看出,在两个采样尺度下,禹城市耕
层土壤 AP含量空间分布总体上比 AK 含量空间分
布要破碎些,其原因主要是 AP 受随机因素的影响
大.在县级采样尺度下,土壤 AP 含量最高的区域分
布在禹城市北部的辛店镇,AP的高值中心主要分布
在西部,低值中心分布在东部.禹城市 AP 的这种空
间格局与禹城市因缺磷而重视磷肥的施用有关. 如
北部的辛店镇地势低洼,多风沙,盐碱危害较大,以
盐化潮土为主,土壤肥力低;西部的房寺镇土壤为发
育于高坡地上的轻质土壤,引黄干渠自东向西穿过
其南部,干渠附近地区地下水位较浅,次生盐渍化威
胁大,是全市低肥力土壤的集中地带,这些地区土壤
肥力低,缺磷严重.而土壤 AK含量高的区域主要分
布在东部、中部,AK 含量低的区域主要分布在北
部、西北部和南部. AK 的这种空间格局与禹城市不
重视钾肥的施用有关,其空间分布主要受土壤母质、
地形地貌等因素的影响.徒骇河呈西南-东北走向,
从禹城市的西部流向东部,地形地貌以河滩高地为
主,地势较高,地下水位多在 3 m 以下.土壤多为褐
土化潮土,土体构型良好,土壤肥力较高,是全市著
名的高产区,AK含量丰富.
镇级采样尺度下的研究区域是中国科学院禹城
试验站所在区域,过去盐碱危害非常严重,经过几十
年的土壤改良,取得较好的效果,AP、AK含量增加
434 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
图 3摇 不同采样尺度下土壤速效养分的空间分布
Fig. 3摇 Spatial distribution of soil available P and K at different sampling scales.
较快. AP 含量较高的区域呈斑块状的无规律分布,
AK含量低值区域主要集中在中部,东部和西南部
AK含量较高.
对比两个尺度下的空间分布图,发现镇级采样
尺度下研究区域处在县级尺度下 AP 含量的低值
区,AP含量区间主要为 5郾 4 ~ 12郾 6 mg·kg-1,只包
含 2 个等级图斑,但镇级采样尺度下的图斑等级比
县级尺度下多了 4郾 3 ~ 5郾 4 mg·kg-1的低等级分布
和 12郾 6 ~ 25郾 9 mg·kg-1的高等级分布,比县级采样
尺度下同一区域的图斑等级多了 5 个;同时镇级采
样尺度研究区域处在县级尺度下 AK 含量的高值
区,AK含量区间主要为 107郾 1 ~ 127郾 1 mg·kg-1,包
含 2 个等级图斑,镇级采样尺度下缺少 43郾 6 ~ 54郾 2
mg·kg-1的图斑,却多了 247郾 9 ~ 293郾 1 mg·kg-1的
图斑分布,比县级采样尺度下同一区域的图斑等级
多了 5 个.镇级尺度采样区在两个尺度下的插值图
明显不同,随着研究尺度的减小,图层更加丰富. 可
见,在较大尺度下,由于 Kriging插值的平滑作用,其
土壤属性制图会掩盖小尺度下的变异情况,小尺度
下的土壤属性制图能观测到中、大尺度下不能观测
到的细微变化.因此,在土壤资源制图过程中,对重
点区域适当进行加密采样有重要意义.
3摇 结摇 摇 论
土壤速效养分对提高当季作物的供肥强度有重
要意义.禹城市县级和镇级两个采样尺度下,土壤速
效磷和速效钾含量的空间变异性具有明显的尺度效
应.两个尺度下土壤速效磷和速效钾含量均值都处
于中下水平,但各项统计特征值均存在一定的差异.
随着采样尺度的增大,土壤速效磷和速效钾含量的
变异系数减小.从空间结构上看,两个采样尺度下耕
层土壤速效磷和速效钾含量的变程、块基比均存在
一定的差异性.随着采样尺度的减小,土壤速效磷和
速效钾含量的变程均明显变小,块基比变大,其空间
异质性受土壤母质、地形地貌等结构因素的影响减
小,而受土壤改良、田间管理等随机因素的影响增
强.从空间分布图上看,同一采样区域在不同研究尺
5342 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 杨奇勇等: 土壤速效养分空间变异的尺度效应摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
度下土壤速效磷和速效钾含量空间分布规律明显不
同,镇级尺度下的插值图破碎些,图形层次丰富些;
而县级尺度下的插值图平滑些,图形层次简单些.
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作者简介摇 杨奇勇,男,1976 年生,博士研究生.主要从事土
壤和水资源利用与管理及 GIS应用研究. E鄄mail: qyyang@ is鄄
sas. ac. cn
责任编辑摇 张凤丽
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