全 文 ：江门市新会区耕地土壤养分空间变异特征*
甘海华* *
彭凌云
(华南农业大学资源环境学院, 广州 510642)
摘要
运用地统计学方法, 结合 GIS 技术研究了江门市新会区土壤 pH 值、有机质、阳离子交换量、全
氮、有效磷和缓效钾 6 种养分要素的空间分布特征.结果表明, 各变量符合正态分布或经对数转换后符合
正态分布.半方差函数分析结果显示,除全氮具有强空间相关外, 其余均具有中等空间相关性. K riging 插
值结果表明, 研究区域耕地土壤 pH 值和阳离子交换量在东北部最高, 有机质含量在中部和东北部较高;
全氮含量在 1. 5~ 2. 0 g!kg - 1的面积占研究区域耕地面积的 74. 7% , 主要分布于研究区域西部和东部地
区;有效磷含量> 40 mg!kg- 1的面积占研究区域耕地面积的 48. 7% ,主要分布于研究区域东北部和西部;
缓效钾含量在 160~ 350 mg!kg - 1的面积占研究区域耕地面积的 48. 1% , 主要分布于研究区域东部、东北
部和中部.
关键词
土壤养分
空间变异
地统计学
Krig ing
文章编号
1001- 9332( 2005) 08- 1437- 06
中图分类号
S158. 6
文献标识码
A
Spatial variability of nutrients in cultivated soils of Xinhui District, Jiangmen City. GAN Haihua, PENG
L ingyun( College of Resource and Environmental Science, South China Agriculture University , Guangz hou
510642, China) .
Chin . J . A pp l. Ecol . , 2005, 16( 8) : 1437~ 1442.
Employing geostatistical methods and G IS technolog y, this paper studied the spatial distribution characterist ics of
pH, or ganic matter , CEC, total nitrog en, available phosphorus and slowly available potassium in cultivated soils of
Xinhui Distr ict , Jiangmen City. All the test variables were normally or log normally distributed. Semivariogram
analysis show ed that soil nutr ients w ere moderately spatially
dependent in a given spatial range, ex cept that soil
total nitro gen was strong ly spatially
dependent. It was show n from Kriging analysis that soil pH and CEC was the
highest in the nor theast, and soil org anic matter content w as higher in the middle and no rtheast investigation re

gion. The area wit h 1. 5~ 2. 0 g! kg- 1 soil total nitrogen content accounted for 75. 7% of the investigated re

gion, mainly distributed in the w est and east, that w ith > 40 mg!kg- 1 soil available phosphorus content was ac

counted for 48. 7% , mainly distr ibuted in the west and nor theast, and the area that slowly available potassium
content w as 160~ 350 mg!kg- 1 accounted for 48. 1% , mainly distr ibuted in the east, northeast and the middle.
Key words
Soil nutr ient, Spat ial variability, Geostatistics, Krig ing.
* 国家自然科学基金项目( 40235054 )和广东省科技基金资助项目
( 2004B33301012) .
* * 通讯联系人.
2004- 07- 28收稿, 2004- 12- 01接受.
1
引

言
土壤是不均一和变化的连续体, 即使在相同土
壤质地的区域内,同一时刻土壤特性值(物理、化学、
生物性质等)在不同空间位置上也具有明显差异, 这
种属性称为土壤特性的空间变异性[ 1, 2, 12] . 土壤的
空间变异性研究越来越受到国内外学者的关注, 其
研究方法也由经典的 Fisher 统计发展到地统计分
析.关于土壤养分空间变异的地统计学研究已有很
多较详细报道[ 5, 8, 13, 18~ 25] ,但在大尺度下对土壤养
分进行空间变异研究还不多见.在农田生态系统中,
土壤具有高度的空间变异性[ 4, 8, 10, 16] , 监测养分的
空间分布特征对农田水肥的精确管理具有重要意
义.本文应用地统计学原理, 结合 GIS 技术研究了
新会区耕地土壤养分的空间变异特征, 并绘制了土
壤养分含量的空间分布图.
2
研究区域与研究方法
2 1
自然概况
新会区位于广东省珠江三角洲西南部 ( 22∀05#~ 22∀48#
N, 112∀47#~ 113∀15#E) ,地处西江、潭江下游, 全区土地面积
1 38702 km2, 其中耕地面积 27 080 hm2. 平原占 4341% ,
丘陵山地占 33 18% , 水域占 17 0% . 新会区位于北回归线
以南, 属南亚热带季风气候, 年降雨量 1 7846 mm, 年平均
气温 21 8 ∃ .
地势自西北向东南倾斜, 丘陵山地主要分布在西北、西
南部, 有圭峰、古斗儿和牛牯岭山地. 平原主要分布在东南、
中南、中西部,有海湾、三角洲和山谷冲积平原. 耕地土壤成
土母质主要有花岗岩风化物、砂页岩风化物、洪积物、宽谷冲
积物和河流冲积物等五种类型. 花岗岩风化物主要分布于新
应 用 生 态 学 报
2005 年 8 月
第 16 卷
第 8 期






























CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Aug . 2005, 16( 8)%1437~ 1442
会区东南和西南部的赤红壤地区,砂页岩风化物主要分布于
新会区北部的砂页岩赤红壤地区;丘陵小山丘下的峡谷地母
质多为坡积物或洪积物, 间有谷底冲积物; 潭江和西江两岸
为河流冲积物.
22
研究方法
221 土样的采集和测定
2003 年 10 月在研究区域内选取
代表性耕地土壤样点 196 个,用 GPS 定位, 五点法采混合样
(图 1) . 采样深度为 0~ 20 cm, 分别测定 pH 值、有机质、阳离
子交换量、全氮、有效磷和缓效钾 6 种土壤养分要素.
图 1
研究区域和土壤样点分布图
Fig. 1 Locat ions of studied region and sampling sites.
T J: T anjiang River; XJ: Xijiang River; GDS: Gudou Mountain; YZH:
Yinzhou Lake; NGL: Niugu Ridge; SZT : S hizitou; HMH: Huangmao
S ea.下同 Th e same below .


pH 值采用玻璃电极法,有机质采用重铬酸钾
硫酸溶液

油浴法, 阳离子交换量采用乙酸铵交换
原子吸收光谱法,
全氮采用加速剂催化消煮
自动定氮仪法, 有效磷采用 Olseu
法, 缓效钾采用硝酸提取
火焰光度法测定.
2 2 2 地统计学方法
采用 SPSS11 0 经典统计学分析, 地
统计学中的半方差函数及其模型、分数维计算采用 ArcG IS
8 1 和 GS+ for w indows 软件.假设区域化变量满足二阶平稳
假设和本征假设, 变异函数可用下式表示:
r ( h) = { & [ z ( x i) - z ( x i + h ) ] 2} / 2N( h)
式中, r ( h) 为半方差变异函数, h 为样点的空间间隔距离,
称为步长, N ( h) 为间隔距离为 h的样点数, z ( x i) 和 z ( x i+
h) 分别是区域化变量 z ( x ) 在空间位置 x i 和 x i + h 处的实
测值[ 7, 17] .
地统计学步骤如下: 1)将带有经纬度及 pH 值、有机质、
阳离子交换量、全氮、有效磷和缓效钾的属性表分别输入
GS+ for w indows 中; 2)用 GS+ 做半方差分析, 选取最优模
型,得到参数值, 做出半方差图并进行分维数分析; 3) 将
GS+ for w indows 中得到的参数带入 ArcGIS 8 1 中用克立格
法( K rig ing )分别对 pH 值、有机质、阳离子交换量、全氮、有
效磷和缓效钾的分布进行插值,得到插值图, 并用研究区域
的耕地现状图进行裁剪.
为了检验这些实验数据是否符合地统计学插值条件, 用
Kolmogorov
Smironov( K
S)正态分布检验概率对它们进行检
验[ 6, 11] .由于特异值的存在会造成连续表面的中断, 直接影
响变量的分布特征, 致使变异函数失去结构性.因而,本研究
采用域法识别特异值, 即按标准方差的倍数来识别特异值,
一般特异值定为样品均值 m 加减 3 倍均方差
, 即 m ∋ 3
,
然后用正常值的最大值、最小值替代特异值[ 11] . 从表 1 可以
看出, 本研究的 pH 值、有机质和全氮服从正态分布, 阳离子
交换量、有效磷和缓效钾在取对数后也服从正态分布 .在 6
种养分要素中有效磷的变异系数最高, 为 10413% . 这是由
于该地区的磷肥施用不均匀, 特别是在以蔬菜种植为主的区
域,磷肥施用量较大; pH 值的变异系数最低, 为 14 63% . 这
是由于研究对象为珠江三角洲的耕地,且主要为水稻土, 土
壤 pH 的变幅不大.
表 1
土壤养分的描述性统计结果
Table 1 Descriptive statistics of soil nutrients
变量
Variables
样本数
Number
最大值
Max 最小值Min 平均值Mean 中数Median 标准差SD 变异系数CV( % ) K
S值K
S value 分布类型Dist ribution
types
pH 196 778 385 547 529 080 1463 0050 正态a
有机质1( g!kg- 1) 196 5040 447 2423 2410 1058 4366 0293 正态
阳离子交换量2( cmol!kg- 1) 196 4638 229 1598 1325 1013 6342 0000 对数正态b
全氮3( g!kg- 1) 196 333 032 168 166 052 3095 0709 正态
有效磷4( mg!kg- 1) 196 19392 110 4531 2693 4718 10413 0000 对数正态
缓效钾5( mg!kg- 1) 196 68334 430 24907 23086 14219 5709 0047 对数正态
1) Organic matter; 2) Cat ion exchange capacity; 3) Total N; 4) Available P; 5) Slowly available potassiuma) Normal dist ribution; b) Log nomal dist ribu

t ion.下同 T he same below
3
结果与讨论
31
地统计学分析
表 2是根据各养分要素变异函数理论模型得出
的相应参数, pH 值和有效磷的理论模型与指数模型
拟和较好,其决定系数分别为 0914和 0498;有机
质、阳离子交换量、全氮和缓效钾的理论模型与球状
模型拟和较好, 其决定系数分别为 0960、0983、
0578和 0983. 6种土壤养分要素决定系数的 F 检
验均达极显著水平.从元素变异函数曲线图形状(图
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态
学
报

















16卷
图 2
土壤养分的理论模型及半方差图
Fig. 2 T heory model and semivariograms for soil nutrients.
A : pH ; B:有机质 Organ ic matter; C:阳离子交换量 CEC;D:全氮 Total N; E: 有效磷 Available P; F: 缓效钾 Slow ly available K.下同 T he same be

low .
2)看, 土壤 pH 值、有机质、阳离子交换量和缓效钾
曲线图形状有相似之处, 试验变异函数曲线与理论
模型曲线拟和性较好, 很好地符合指数模型或球状
模型. pH 值、有机质、阳离子交换量和缓效钾的空间
变异随距离增大而增强. 不过,由于变异函数图的最
大间隔距离为 24 115 m, 小于相应理论模型的变程
(28 630、36 510、34 100和 29 870 m ) , 所以图示不
是一般标准的指数模型和球状模型曲线图, 但这并
不影响理论模型的可信度. 土壤 pH 值、有机质、阳
离子交换量和缓效钾曲线变化较平稳, 说明在整个
尺度上各种因素同样重要(图 2A、2B、2C、2F) ; 土壤
全氮、土壤有效磷曲线变化较为剧烈,说明小尺度上
的影响因子对这 2 种土壤要素的影响较大(图 2D、
2E) .
块金值与基台值的比值 C0/ ( C0+ C1)表示随机
部分引起的空间变异占系统总变异的比例, 如果该
值较低,表明结构性因素引起的空间变异起主要作
用.如果该值较高,说明随机部分在引起空间异质性
程度中起主要作用. 从表 2 可以看出, pH 值、有机
质、阳离子交换量、有效磷和缓效钾的块金值/基台
值分别介于 25% ~ 75%之间, 说明它们都具有中等
空间相关性;而全氮的块金值/基台值为 199%, 小
于25%, 具有强空间相关性, 这是由于土壤养分分
布是由结构性因素和随机性因素共同作用的结果.
结构性因素,如气候、母质、地形、土壤类型等自然因
素可以导致土壤养分强的空间相关性; 而随机性因
素,如施肥、耕作措施和种植制度等人为活动使得土
壤养分的空间相关性减弱, 朝均一化方向发展[ 9] .
变程表明属性因子空间自相关范围的大小,它
与观测尺度以及在取样尺度上影响土壤养分的各种
生态过程、人为因素、自然条件等作用都有关[ 14, 23] .
在变程之内具有空间相关性, 反之则不存在[ 15] . 研
究区域中 6种土壤养分要素的空间自相关范围具有
明显差异(表 2) , 变程在 750~ 36 510 m 范围内变
化,说明影响这 6种土壤指标的影响因素在不同的
尺度上起作用.有机质的变程最大, 为 36 510 m ;阳
离子交换量次之, 为 34 100 m ; 其次是缓效钾、pH
值和全氮,变程分别为 29 870 m、28 630 m 和 2 110
m;速效磷的变程最小, 为 750 m. 可见,速效磷的分
布只在小范围内存在一定的空间自相关, 在小尺度
上有很多影响其空间分布的因素, 说明影响其空间
分布的因素在小范围内趋于复杂. 这可能是由于农
田生态系统中施用磷素化肥的区域性差异,或不同
土壤类型施用磷肥后其土壤中的残留量或形态不
同, 导致土壤有效磷含量的空间自相关距离较
小[ 3] ; 另一方面, 氮是植物重要的营养元素, 植物对
14398 期












甘海华等:江门市新会区耕地土壤养分空间变异特征











表 2
土壤养分要素的理论模型和相应的参数
Table 2 Best fi tted semivariogrammodels of soi l nutrients and corresponding parameters
变量
Variables
理论模型
T heory model
块金值
Nugget
基台值
Sill
变程
Range( m)
块金值/基台值
Nugget/ S ill( % )
决定系数R 2 残差RSS F 检验F test
pH 指数模型1 0434 0870 28630 499 0914 5765E- 03 11691* *
有机质( g!kg- 1) 球状模型2 0612 1608 36510 381 0960 6856E- 03 19200* *阳离子交换量( cmol!kg- 1) 球状模型 0181 0453 34100 400 0982 1095E- 03 54556* *
全氮( g!kg- 1) 球状模型 0201 1011 2110 199 0578 00626 2055* *
有效磷( mg!kg- 1) 指数模型 0252 0897 750 281 0498 00124 1127* *
缓效钾6( mg!kg- 1) 球状模型 0211 0579 29870 364 0938 9836E- 03 24526* *
* * P< 001; 1) Exponent ial model; 2) Spherical model
表 3
不同方向上土壤养分空间属性参数
Table 3 Spatial attribute parameters of soil nutrients in different directions
土壤养分
S oil nutrients
全方向
D R 2
S
N
D R 2
NE
SW
D R 2
E
W
D R 2
NW
SE
D R 2
pH 1930 0854 1984 0101 1903 0455 1899 0540 1931 0402
有机质 1910 0887 1919 0912 1929 0778 1939 0572 1881 0749
阳离子交换量 1860 0928 1898 0636 1890 0629 1809 0847 1819 0800
全氮 1973 0212 1941 0413 1980 0047 1980 0036 1989 0032
有效磷 1983 0300 1970 0204 1968 0120 1967 0297 1924 0802
缓效钾 1853 0848 1869 0516 1843 0618 1832 0776 1817 0844
氮素的吸收利用(需求)明显大于对磷素的吸收, 研
究区域内不同植物的空间分布格局将影响土壤氮素
的分布,植物以及土壤氮肥使用量的差异,均会造成
土壤氮素的空间自相关减弱, 致使土壤全氮的空间
相关尺度减小.
步长和半方差的双对数曲线具有良好的线性相
关,这可以通过由双对数半方差图所计算的分形维
数 D 和决定系数 R 2来比较不同方向上各土壤养分
的空间分布格局. D 的几何意义是空间相关性(空
间异质性)程度的度量, R 2 是用来说明这个模型对
被研究对象的解释. D 越小, 被研究对象的空间相
关程度越高.由表 3可以看出, pH 值、阳离子交换量
在 E
W方向上的分形维数 D 值最小,分别为 1899
和1809,说明它们在 E
W方向上的空间相关性较
强,其变异要大于其它方向上的变异;这主要是由于
研究区东西两侧主要为丘陵山地,潭江和西江由北
向南流经该区域中部, 土壤成土母质在南部为花岗
岩风化物,北部为砂页岩风化物,在中部的潭江和西
江的两岸成土母质为河流冲积物,说明土壤母质是
影响其空间相关性的主要因素.而有机质、有效磷和
缓效钾在 NE
SE 方向上的分形维数 D 值最小, 分
别为 1881、1924和 1817, 说明它们在此方向上
的空间变异性具有相对优势;全氮在 S
N 方向上的
D 值为 1941,说明它在此方向上的空间相关性较
强,这主要是由于研究区地势自西北向东南倾斜, 潭
江和西江由北向南流经该区域中部,这说明地形是
决定土壤性质空间相关间距的重要因素.
32
Kriging 插值分析
根据所得到的半方差函数模型, 应用普通克立
格法( Ordinary Kriging)进行最优内插, 绘制了各种
土壤养分含量的插值图(图 3) .
研究区耕地土壤 pH 值在 45~ 55的面积最
大(图 3A) , 为 15 827 hm2, 占研究区耕地面积的
584% ,主要分布于研究区西部和中部偏南的丘陵
地区;耕地土壤 pH 值在 65~ 75 的面积最小, 面
积仅为 1 139 hm2, 占研究区耕地面积的 42%, 主
要分布于研究区东部的大敖镇. 这是由于研究区耕
地土壤在西部丘陵地区主要为旱地和园地,且西部
靠近古斗山脉,基本上都是花岗岩发育的土壤, 故其
pH 值相对较低;中部和东部的大部分地区都属于三
角洲沉积土田,以水田为主,由于人为耕作因素的影
响, pH 值相对较高.
研究区耕地土壤有机质含量在 20~ 30 g!kg- 1
的面积最大(图 3B) ,面积为 14 502 hm2, 占研究区
耕地面积的 535% ,主要分布于研究区中部和东南
部;其次为 10~ 20 g!kg- 1, 面积为 7 746 hm2,占研
究区耕地面积的 286% , 主要分布于西部和西北
部,有机质含量最高值分布在研究区东北部的大敖
镇,可见有机质整体水平处于中等偏上,这与该区的
土地利用现状多为水田和菜地, 有机肥施用量较高
有关.
研究区耕地土壤阳离子交换量> 200 cmol!
kg- 1的面积最大(图 3C) , 为 9 504 hm2, 占研究区耕
地面积的 350%,主要分布于研究区中部、东部、东
北部和南部的大部分地区; 阳离子交换量在 62~
105 cmol!kg- 1的面积为 5 206 hm2, 占研究区耕地
面积的 192% ,主要分布在西部和西北部.土壤 pH
值与阳离子交换量的分布图有一定的相似性,最高
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16卷
图 3
土壤养分要素的插值图
Fig. 3 Kriging maps for soil nut rents.
值和最低值都分别出现在研究区的东北部和西北
部,说明土壤 pH 值和阳离子交换量有较好的相关
性.这与研究区中部、东部、东北部和南部的大部分
地区为河流冲积母质发育成的水稻土有关.
研究区耕地土壤全氮含量在 15~ 20 g!kg- 1
的面积最大(图 3D) ,为 20 231 hm2,占研究区耕地
面积的 747% , 主要分布于研究区西部和东部地
区;据调查, 研究区东部、西部和北部的部分镇氮肥
施用量很高,分别为 9915、900和 834 kg!hm- 2. 其
次在 10~ 15 g!kg- 1的面积为4 376 hm2, 占研究
区耕地面积的 162% ,主要分布在南部.
研究区耕地土壤有效磷含量> 40 mg!kg- 1的
面积最大(图 3E) ,为 13 193 hm2, 占研究区耕地面
积的 487%, 主要分布于研究区东北部和西部; 其
次含量在 20~ 40 mg!kg- 1, 面积为 12 156 hm2, 占
研究区耕地面积的 449%,主要分布于中部和东南
部;这与土壤有机质的分布规律较一致.调查发现在
该区的司前、双水和三江等镇的磷肥施用量较大,所
以西部和西北部以及东部和东北部的有效磷含量较
高.总体而言, 研究区有效磷含量非常高, 处于极丰
富水平. 这与研究区内的农民田间耕作普遍习惯施
用磷肥及土壤对磷的固定有关.
研究区耕地土壤缓效钾含量在 160~ 350 mg!
kg
- 1的面积最大(图 3F) , 为 13 033 hm2, 占研究区
耕地面积的 481%, 主要分布于研究区东部、东北
部和中部;含量在 350~ 500 mg!kg- 1为其次, 面积
为 8 578 hm2,占研究区耕地面积的 317%, 主要分
布在中部和南部的少量地区.这主要是因为中部地
区主要以蔬菜种植为主, 农民长期大量施用钾肥导
致土壤缓效钾的含量较高.
14418 期












甘海华等:江门市新会区耕地土壤养分空间变异特征











4
结

论
41
耕地土壤养分要素表现出明显的空间相关性,
较好地拟合了地统计学模型.其中 pH 值和有效磷
理论模型与指数模型拟和较好, 其决定系数分别为
0914* * 和 0506* * ; 有机质、阳离子交换量、全氮
和缓效钾的理论模型与球状模型拟和较好, 其决定
系数 分 别 为 0960* * 、0982* * 、0578* * 和
0946* * , F 检验均达到显著水平.除全氮具有强空
间相关性,其余均具有中等空间相关性.
42
不同方向上耕地土壤养分的空间分布格局可
以通过分形维数 D 和决定系数 R 2 来比较. pH 值、
阳离子交换量在 E
W方向上空间相关性较强;有机
质、有效磷和缓效钾在 NE
SW 方向上空间相关性
强于其它方向; 而全氮在 S
N 方向上空间相关性最
强.地形和成土母质是决定土壤养分空间相关间距
的重要因素.
43
从 Krig ing 插值结果可知, 研究区耕地土壤
pH 值和阳离子交换量在研究区东北部最高, 有机质
的含量在中部和东北部较高, 耕地土壤全氮含量在
15~ 20 g ! kg- 1的面积占研究区耕地面积的
747%,主要分布于研究区西部和东部地区; 耕地土
壤有效磷含量> 40 mg!kg - 1的面积占研究区耕地
面积的 487% , 主要分布于研究区东北部和西部;
耕地土壤缓效钾含量在 160~ 350 mg!kg- 1的面积
占研究区耕地面积的 481% , 主要分布于研究区东
部、东北部和中部.
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作者简介
甘海华, 男, 1966 年生,副教授. 主要从事土地资
源评价与 GIS 应用研究, 发表论文 10 余篇. E
mail: haihgan
@ scau. edu. cn
1442 应
用
生
态
学
报

















16卷