全 文 ：第28卷第6期 生 态 科 学 28(6)：532．536
2009年12月 EcologicalScience Dec．2009
小尺度农田土壤有机质的空间变异性
张法升1，一，刘作新p，沈业杰1一，佟娜1，2
1．中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁省节水农业重点实验室，沈阳110016
2．中国科学院研究生院，北京l00049
【摘要】 采用lOm×10m高密度网格设计，在面积为lO．24hm2农田内取耕层土壤样本l024个，测定土壤有机质(SOM)
含量。分析该取样尺度下土壤耕层(O也0cnl)有机质空间变异性，运用地统计学方法量化土壤有机质的空间变异特征。研
究结果表明lO．24hm2取样区内，土壤有机质空间分布呈弱变异性，CV为1．84％，但整体含量偏低，sOM≤1．04％。剔除趋
势的土壤有机质变异函数具有较小的块金值0．0005、块金基台比0．135和较大的变程145．5m，l“giIlg插值的估计标准差
仅为0．00943％，表明该取样尺度下取样区土壤有机质空间分布的结构性变异比例高，土壤有机质具有高度空间相关性和较
大空间相关范围。
关键词：土壤有机质；空间变异性；变异函数；Kfiging插值
doi：10．3969／j．issn．1008．8873．2009．06．009中图分类号：S153．6+2l文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2009)06—532-05
SpatialV riabili够ofsoilorganicmatterinsmaUscaleacrossacropland
ZHANGFa．shen91一，LIUZuo．xi芏11．，SHENYe．jiel一，TONGNal，2
i．Ke)，L口bomto哆霹Li∞ni鸭张r8ter-S口vingAgricuitllre．I璐IituteⅣAppliedEcolo斟．Ch neseAcnde"ly可scienceS，She唧Qng
liool6．Cht醐
2．Grn幽nteUniverS渺巧ChineseAc翻e柞I))影sci蹦ces．Be缸伽g】o0049，Chin口
Abstract：Dataof1024sarnples(0-20cm)collected丘Dma 10．24hm2cropl锄dinadcnse鲥dof10m×10mwereusedto
锄lyze粕dq瑚nti匆spatialv撕abilityofsoilorgallicmatte“SOM)bygeostatisticalmethod．withinthestudyarea，soilo唱anic
matterhadweakvariabili锣舔CV=1．84％，butitw嬲cIltirelylowintllecontentnomoretllan1．04％．Thes mi-v撕og舢ofsoil
o唱anicmatterafterelim：iIlatingthe仃cndhadlownuggetVari孤ceO．00005，s眦llratioofnuggettosillO．135andlongmge
145．5m．Thest蚰dardv撕anceofKngingestimation0．00943％w舔alsoex仃emelylow．0urresultsshowedsoilo曙舭icmaner
hads协ongspatiaIdcpelldenceacrossttlecropland加dthesp撕alcofrelation枷gew舔VeD，large．
Keywords：soilo陷anicma仕er；spatialV撕abili够；selIli·V撕。野lm；崩gingestilna脏on
收稿日期：2009一03一10收稿，2009．04．20接受
基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向资助项目(KSCX2-YW悄_004)和辽宁省重大项目“农业节水技术集成与示范”(2008212003)。
作者简介：张法升(1984_1，男，山东临沂人，博士研究生，专业土壤学，从事土壤特性空间分析研究。E．mail：f；汕蛆906@163．com
+通讯作者：刘作新，E-mail：liu卸oxin@yah∞．co札∞
万方数据
6期 张法升，等：小尺度农田土壤有机质的空间变异性 533
l 前言(IntroduCtion)
土壤有机质是土壤的重要组成部分，是土壤肥
力核心指标之一，尽管土壤有机质只占土壤总重量
很小一部分(耕作土壤表层有机质含量通常≤5％)，
但对土壤物理、化学和生物等特性及各种过程能产
生重要影响，并在土壤肥力、植物生长等方面都有
着很重要的作用和意义【l~3J。土壤作为一个连续体，
土壤有机质的空间分布并非均一，而是呈现异质性，
传统耕作方式很难做到因地制宜的施肥管理，因此
掌握土壤有机质的空间变异规律有利于准确了解土
壤有机质空间分布状况，可为土壤农化分析取样和
农田养分的精准管理提供科学依据。
土壤有机质空间变异研究自20世纪70~80年代
开始。农田尺度上利用地统计学分析土壤有机质空
间变异特征一直是相关领域的研究热点卜91。土壤特
性(如SOM)的空间异质性与尺度有关，尺度是地
理现象的固有特征，也是生态学和地理科学的重要
概念，成为当前各学科研究的热点之一【m12】。土壤
特性空间分布在不同尺度(幅度、取样间距和支撑)
上表现出不同的格局特征，以往土壤有机质空间变
异研究多以大尺度区域为对象，但长期的农田耕作
管理措施差异性使得土壤有机质空间分布即使在很
小的幅度范围内也会存在异质性。实际研究表明，
农田土壤有机质空间分布状况的确与农田耕作管理
措施(如施肥等)密切相关【131。
本研究以农田尺度(10．24hm2)耕作土壤为研
究对象，采用10m×10m网格取样设计，运用地统
计学工具变异函数结构分析和K—ging插值估计，探
讨农田小尺度土壤有机质空间异质性，期望能得到
对取样区以后土壤有机质调查取样和养分管理工作
有意义的结论。
2材料与方法(MateriaIsandmethods)
2．1研究区域概况
研究区位于辽宁省西北部阜新市(东经
121。Ol，~1220567，北纬4104lq2056’)。阜新市受东
亚季风影响，属北温带大陆性气候，多年平均气温
7．1℃一7．6℃之间，年平均降水量480mm，且年内
分配极不均匀，60％集中在6~8月份，年平均水面
蒸发量为l746mm，属半干旱地区。粮食作物种植
面积占耕地面积75％，主要为玉米、大豆和花生，
种植方式主要为玉米轮作，部分有花生、大豆等间
作和轮作。取样区设在阜新市阜新蒙古族自治县马
蹄营子村节水农业示范区，该区域地势平坦，极端
高差小于三米，土壤为砂壤质褐土，作物主要为玉
米。由于我国土地分配制度的特点，多年来取样区
农田为若干农户自南向北依次呈带状耕作。
2．2取样方法与室内分析
2008年3月在研究区选取面积为lO．24hm 的
平坦地块作为取样区，采用10m×10m高密度网格
设计，取耕层0~20咖土壤样本l024个带回室内分
析；室内土壤有机质含量测定采用重铬酸钾氧化．比
色法【l4】。取样点分布如图1。
莒
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器
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键
姒
O 50 lOO150200250300
宽度width(m)
图l取样点分布图
Fig．1MapofsampIeloca60n摹
N
彳．
2．3地统计学
地统计学是以区域化随机变量理论为基础，变
异函数为主要工具，研究那些在空间分布上既有随
机性又有结构性或空间相关和依赖性自然现象的分
析方法。20世纪70年代后，地统计学被应用到土壤
科学，并逐渐成为描述土壤特性空间变异的有效手
段之一【15，161。
变异函数是地统计学分析区域化随机变量空间
变异结构所特有的基本工具。假设区域化随机变量
在点z和z+^处的值为Z俐与z伍+砂，那么，Z俐
关于办的变异函数瓶砂为：
1
y(x，办)=÷踟，[z(x)一z(x+^)】
万方数据
!!兰 生查型堂里121旦曼垄垒!兰!!竺堡 兰!堂
式中，JII为z似与雄+砂之间的间距，一般7似缈的
3 结果与分析(ResuIlSandanaIysis)
值随办增大而增加，如图2。
图2变异函数图
Fig．2Mapofsemi-Variogram
区域化随机变量的空间变异由自相关部分和随
机部分构成，变异函数参数基台值o+C，块金值岛
和变程口是描述区域化随机变量空间变异结构的重
要参数。K—ging插值估计是建立在变异函数理论及
其结构分析的基础之上，在有限区域内对区域化变量
的取值进行无偏最优估计的一种方法。对于任意待估
点或地块矿的实际值z删，其估计值z弋俐是通过该
待估点或待估块段影响范围内珂个已知样品值
Z伍‘)一=J，2，一：砂线性组合得到，即
z?(x)=∑乃z(一)
扛1
名为权重系数，是各已知z(一)在估计z。，(工)时所占
影响大小的系数，而估计z’，(x)的好坏主要取决于怎
样计算或选择权重系数五，足值的确定是由变异函数
妖x，^)计算出来，因此，半方差函数妖x，JII)模型的
建立是地统计学分析中至关重要的内容。
本研究土壤有机质数据分析借助软件SPSS16．0
和ArcGIS9．2的GeostatisticalAmalyst模块实现。
3．1描述性统计分析
描述性统计分析发现，土壤有机质最大含量为
1．04％，最小值为0．92％，平均值为0．976％，标准差
0．018％，变异系数1．84％，表明取样区土壤有机质空
间分布呈弱变异性【17】，但总体含量不高，≤1．04％。
Kolnlogomv-smimov正态检验As弘叩．Sig．(2一tailed)=
0．210>0．05表明土壤有机质呈正态性分布。
取样区土壤有机质含量偏低主要由气候条件导
致的成土因素和耕作管理措施所致。降水少且分布不
均，蒸发量大，土壤环境干燥不利于土壤动物、微生
物生存和代谢，腐质化过程缓慢，这是取样区土壤有
机质含量低的主要原因；此外，取样区施肥以化学肥
料为主，很少或基本不施入农家肥，而收获时也少有
秸秆还田等措施，导致进入土壤的动植物残体总量有
限，加剧了土壤有机质的损失。土壤有机质的含量低
意味着其平衡稳定性较脆弱，不利于取样区农业生产
和土壤环境保持，应采取增加农家肥施入、接杆还田
等措施，提高土壤有机质含量，改善土壤条件，确保
土壤的可持续利用。
3．2趋势分析
利用ArcGIS9．2中TrendAnalysis对土壤有机质
进行南北、东西、西南一东北和东南．西北四个方向上
的趋势分析，结果见图3。图3a显示土壤有机质在
东西方向上具有非常复杂的高次趋势，而南北方向上
基本不具备任何趋势；图3b显示东南．西北和西南一
东北方向上都具有较弱的二次趋势。土壤有机质不同
方向上的不同趋势表明其空间分布具有方向变异性。
变异函数计算需进行各个方向的趋势剔除。
3．3变异函数及其结构分析
剔除趋势的土壤有机质变异函数拟合结果及参
数见图4和表1。图4中变异函数曲线拟合度较高，
决定系数和检验结果也都验证了拟合效果的准确性。
表l中，块金基台比例Co+C0．135、变程口为145．5
m表明取样区土壤有机质具有高度的空间相关性【l引，
而且空间相关范围较大。很小的块金值Co0．0005
意味着即使小尺度上的变异也被很好的体现出来，而
基台值只有0．00037，说明土壤有机质的变异性的确
很小，与变异系数CV的结果相一致。
万方数据
6期 张法升，等：小尺度农田土壤有机质的空间变异性 535
oP助7m
图4变异函数图
Fig．4Mapofsemi-va—ogram
3．4 Kriging估计
取样区土壤有机质Kriging插值估计结果见图5。
土壤有机质含量较高的区域主要为最东和最西两个
狭长的带状区域，这两个区域自南向北分布且宽度不
一，南半部分宽度较大。另外，图5中土壤有机质含
量较低区域也可清晰呈现带状分布。这样的估计特征
与趋势分析的结果相一致，南北方向上土壤有机质变
异较小，而东西方向上土壤有机质的变异性非常复
杂，因此，可认为东南．西北和西南一东北方向上的变
异性受南北和东西方向上的变化所致。在气候条件和
成土因素等影响基本一致的情况下，取样区土壤有机
质带状分布特征主要受农户耕作管理措施的差异性
影响所致，这是因为土壤有机质对农田管理措施具有
动态响应【191。南北方向为农户的耕作方向，种植作物
和施肥等措施基本一致，土壤有机质变异性小；而东
西方向上随种植户的变化，种植作物和施肥等措施也
发生变化，土壤有机质变异性增加。
除此之外，取样区土壤有机质Kriging估计标准
差为0．00943％，表明估计结果的准确性较高。但估
计结果的最大值1．02％，最小值0．944％，说明该估
计对土壤有机质真实变异有平滑效应；趋势分析发现
的方向性变异和Kriging估计的带状分布趋势显示取
样区土壤有机质空间分布存在异向性变异特征，需要
作进一步基于各向异性条件的空间变异研究。
万方数据
!!鱼 竺查型堂皇12129i!呈!墨!!!呈!曼 !!堂
【31 KaurT，BrarBS，DhillonNS．2008．SoilorgaIlicma断
图5 Kriging估计图
Fig．5Map3ofthelmginges6matioⅡ
4讨论(Discussion)
4．1取样区土壤有机质变异性
在10m×10m采样尺度下，剔除趋势的变异函数
结构分析和陆ging估计能很好得反映土壤有机质的
空间变异性，这可由较好的变异函数拟合结果和很小
的Kri西ng估计标准差0．00943％体现出来。取样区土
壤有机质具有高度空间相关性，相关范围达145．5m；
趋势分析发现的方向性变异和Kriging估计图中的带
状分布趋势显示取样区土壤有机质空间分布存在异
向性变异特征，取样区以上土壤有机质空间变异特征
主要为空间方位上长期耕作管理措施的差异性所致。
4．2进一步研究的必要性
一般而言，如果研究的主要目的不是方向变异
性，取样区土壤有机质空间变异分析和估计可将其假
设为各向同性，但对于估计精度有特殊要求或异向性
空间变异研究，各向异性条件下基于套合模型的
Knging估计则能体现出优势。因此，取样区土壤有机
质有必要作进一步基于各向异性条件的空间变异性
研究。
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小尺度农田土壤有机质的空间变异性
作者： 张法升， 刘作新， 沈业杰， 佟娜， ZHANG Fa-sheng， LIU Zuo-xin， SHEN Ye-jie，
TONG Na
作者单位： 张法升,沈业杰,佟娜,ZHANG Fa-sheng,SHEN Ye-jie,TONG Na(中国科学院沈阳应用生态研究
所,辽宁省节水农业重点实验室,沈阳,110016;国科学院研究生院,北京,100049)， 刘作新
,LIU Zuo-xin(中国科学院沈阳应用生态研究所,辽宁省节水农业重点实验室,沈阳,110016)
刊名： 生态科学
英文刊名： ECOLOGICAL SCIENCE
年，卷(期)： 2009,28(6)

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