全 文 ：第 35 卷第 9 期
2015年 5月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.9
May,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金项目(31160263, 31360311); 贵州省农业科技攻关项目(黔科合 NY[2011]3005 号; 黔科合 NY[2013]3005 号);
贵州省科学技术基金项目(黔科合 J字[2011]2139)
收稿日期:2014鄄04鄄30; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄12鄄09
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: fengyuehua2006@ 126.com
DOI: 10.5846 / stxb201404300863
王小艳, 冯跃华, 李云, 武彪, 陈山, 李香玲, 王旭, 莫银化, 宋碧.黔中喀斯特山区村域稻田土壤理化特性的空间变异特征及空间自相关性.生
态学报,2015,35(9):2926鄄2936.
Wang X Y, Feng Y H, Li Y, Wu B, Chen S, Li X L, Wang X, Mo Y H, Song B. Spatial variability of soil physiochemical properties and their
autocorrelations at village鄄region in karst mountainous area, Guizhou Province.Acta Ecologica Sinica,2015,35(9):2926鄄2936.
黔中喀斯特山区村域稻田土壤理化特性的空间变异特
征及空间自相关性
王小艳, 冯跃华*, 李摇 云, 武摇 彪, 陈摇 山, 李香玲, 王摇 旭, 莫银化, 宋摇 碧
贵州大学农学院, 贵阳摇 550025
摘要:以贵州省安顺市西秀区旧州镇文星村为研究区域,采用地统计学方法,研究了黔中喀斯特山区土壤容重、总孔隙度、毛管
持水量、毛管孔隙度、通气孔隙度等物理特性与土壤 pH、有机质、速效养分(S、Si、N、P、K、Fe、Zn、Cu、Mn)、全量养分(N、P、K)、
交换性盐(Ca、Mg)及阳离子交换量等化学特性的空间变异特征及自相关性。 在土壤各特征值中,pH、毛管孔隙度变异系数分
别为 4.59%、8.28%、9.83%,为弱变异;其他变异系数在 10%—100%之间,为中等程度变异。 半方差分析表明,土壤毛管持水量、
通气孔隙度、毛管孔隙度、速效养分(S、Si、Cu、Mn)、全量养分(N、P、K)、交换性盐(Ca、Mg)及阳离子交换量的 C0 / (C0 +C) <
25%,表现为强烈的空间自相关性;容重、pH、速效养分(N、P、K、Fe、Zn)及有机质的 C0 / (C0+C)在 25%—75%之间,表现为中等
空间自相关性,而 Moran忆s I指数分析表明,除毛管孔隙度、有效 S、速效 P 及有效 Mn的空间自相关性较弱外,其他均呈正的显
著空间自相关性。 根据克里金插值图,在研究区域内土壤毛管孔隙度及毛管持水量与 pH、速效养分(S、Si、Zn、Cu、)全 P、全 N、
有机质、交换性 Ca、Mg及阳离子交换量在东北方向和西北角分布较低,在西南角方向土壤容重及通气孔隙度分布较低,而 pH、
速效 K、有效 Cu、全 P、全 K、有机质、阳离子交换量分布较高,且速效养分(N、K、S、Cu)、全 P、有机质的含量及阳离子交换量均
存在从西南向东北方向递减的趋势。
关键词:土壤理化特性; 空间变异性; 地统计学; 克里金插值; 空间自相关
Spatial variability of soil physiochemical properties and their autocorrelations at
village鄄region in karst mountainous area, Guizhou Province
WANG Xiaoyan, FENG Yuehua*, LI Yun, WU Biao, CHEN Shan, LI Xiangling, WANG Xu, MO Yinhua, SONG Bi
College of Agronomy, Guizhou University, Guiyang 550025, China
Abstract: Using the geo鄄statistical method, we investigated spatial variability and autocorrelation of 5 soil physical
properties ( including soil bulk density, total porosity, capillary water holding capacity, capillary porosity, aeration
porosity), 17 nutrient elements ( including pH, available N,S, Si, P, K, Cu, Zn, Fe, Mn, total K, P, N, organic
matter, exchangeable Ca, Mg and CEC) in Wenxing village, Anshun city in Guizhou province. First, our results showed
that the Cv of soil pH and capillary porosity were lower than 10%, indicating their weak variation. In contrast, others had a
variation coefficient between 10% —100% for moderate variation. Next, our semi鄄variogram analysis showed that the ratios
of nugget to sill for soil capillary water holding capacity, aeration were lower than 25%, demonstrating their strong spatial
auocorrelations. Contrarily, soil bulk that the capillary porosity, available P, S, Mn have a weak spatial correlation, the
others displayed positive significant spatial autocorrelation. Finally, from the kriging interpolation maps at the study area,
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soil total porosity, capillary porosity, available S, Si, Cu, Mn, total N, P, K, exchangeable Ca, Mg and CEC porosity,
capillary porosity, capillary water holding capacity, and pH, available S, Si, Zn, Cu, total P, N, organic matter,
exchangeable Ca, Mg and CEC were lower in northeast and northwest area, whereas the soil bulk density, aeration porosity
were lower in southwest area, and pH, available K, Cu, total P, K, organic matter, CEC were higher in the southwest
direction. Furthermore, the contents of available nutrients (N, K, S, Cu), total P and organic matter and CEC displayed a
decreasing trend from southwest to northeast area.
Key Words: soil physiochemical properties; spatial variation; geo鄄statistics; Kriging interpolation; spatial autocorrelation
随着地理信息技术的不断发展,用地统计学和 GIS技术相结合的方法研究土壤特性的空间变异已成为目
前相关领域研究的热点之一[1鄄4]。 国内外学者从 20世纪 70年代末开始将地统计学应用于土壤特性的空间变
异研究。 如 Javed Iqbal等[5]采用了地统计学的方法分析了冲积土容重、饱和导水率、田间含水量、有效含水量
等物理特性的空间变异特征,但未涉及到毛管孔隙度、通气孔隙度,且研究对象均为旱地土壤; C. A.
Cambardella等[6]对爱荷华洲中部田间尺度土壤特性的空间变异性做了研究,且涉及的土壤特性参数较多,但
研究对象亦为旱地土壤;杨奇勇[7]等采用地统计学的方法,探讨了禹城市耕地土壤在县级和镇级两个不同采
样尺度下的空间变异特征,但研究对象只涉及土壤速效磷和速效钾;高照祥等[8],张婵婵[9]等对不同尺度土
壤速效养分和有机质等特性的空间变异做了研究,但未涉及土壤物理性质;彭志良等[10]以贵州省平坝县马场
镇栗木村为研究区域,对喀斯特山区村级尺度农田土壤养分的空间变异特性进行了研究,虽然其研究尺度为
村级尺度,但研究的土壤特性仅为有机质、氨态氮、速效磷、速效钾 4种土壤养分,且同样未涉及土壤物理特性
空间变异性研究。 以往,在村级尺度下研究喀斯特山区稻田土壤理化特性的空间变异特征,且用 Moran忆s I 指
数法研究稻田土壤空间自相关性的报道较少。 为此,本研究在村域尺度条件下,以贵州省安顺市西秀区文星
村为研究区域,对 22个稻田土壤理化特性的空间变异性进行了研究,用半方差函数和 Moran忆s I 指数法分别
对其空间自相关性进行分析,并采用克里格法对稻田土壤理化特性进行插值,阐明了稻田土壤特性的空间变
异分布,有利于更好的了解该区稻田土壤的理化特性,以期为合理利用及管理稻田土壤资源,实现养分分区管
理和有效控制养分流失提供理论依据。
1摇 研究地区与研究方法
1.1摇 研究区域概况
研究区域为贵州省安顺市西秀区旧州镇文星村(26毅14忆49.8义—26毅15忆52.3义N,106毅08忆00.7义—106毅09忆25.1义
E),属北亚热带季风性气候,年平均气温 14.3益,无霜期 269.8d,年均降雨量 1360 mm,平均海拔 1390 m,海拔
高低差 54.2 m,土壤类型主要有砂页岩风化物发育的潴育黄泥田、黄泥田,石灰岩风化物发育的大眼泥田、大
泥田,泥页岩风化物发育的白胶泥田,河流冲积物发育的潮泥田,水田面积 120.5 hm2。 该村常年采用一年两
熟的水稻鄄油菜(Oryza.sativa L.鄄Brassica campestris L.)复种方式,本研究对象为稻田土壤。
1.2摇 样品采集
2013年 5月在研究区域内采用系统抽样方法进行样点的布设,样点间距约 60 m,用 GPS 仪定位,考虑土
壤类型、取样的均匀性和田块的大小,共设计采样点 80 个。 在水稻种植前,采集 0—20 cm 的耕作层土壤样
品,取样方法为混合取样法,即以样点为中心,再以中心为圆心,在半径为 5 m的圆周上随机取 4个样本,再加
上圆心的 1个样本,共 5 个样本混合后形成一个样本,作为该点的样本。 利用 ArcGIS 制作样点分布图
(图 1)。 摇
1.3摇 测定项目与方法
用环刀法测定土壤容重、环刀浸泡法测毛管孔隙度和毛管持水量,用经验公式 Tp(%)= 93.947-32.995Bd
7292摇 9期 摇 摇 摇 王小艳摇 等:黔中喀斯特山区村域稻田土壤理化特性的空间变异特征及空间自相关性 摇
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图 1摇 样点图
Fig.1摇 Map of sampling sites
(Tp为总孔隙度,Bd为容重)计算总孔隙度,通气孔隙度为总孔隙度与毛管孔隙度之差[11];电极电位法测定
pH值;扩散法测定土壤碱解氮、全氮含量;磷酸盐鄄乙酸法测定有效硫;柠檬酸浸提鄄硅钼蓝比色法测定有效
硅;NH4OAc浸提鄄火焰光度法测定土壤速效钾含量;碳酸氢钠浸提鄄钼锑抗比色法测土壤有效磷含量;DTPA
浸提鄄原子吸收分光光度法测定土壤有效铜、有效锌、有效铁和有效锰含量;NaOH 熔融鄄钼锑抗比色法测定全
磷含量;重铬酸钾容量法鄄外加热法测定土壤有机质含量;NaOH 熔融鄄火焰光度法测定全钾含量;原子吸收分
光光度法测定交换性钙、交换性镁的含量;EDTA鄄乙酸铵盐交换法测定阳离子交换量[12鄄13]。
1.4摇 数据处理
首先采用 SAS9.0软件对土壤理化特性进行描述性统计及相关性分析,并利用 Shapiro鄄Wilk 的 W 检验法
进行正态性检验;利用 GS+9.0对土壤理化特性半方差函数[14]及最优办方差模型[15]进行分析;普通克里格插
值及空间自相关的分析分别采用 ArcGIS9.3 中地统计模块和空间统计工具进行,并通过 Excel2003 对空间自
相关图进行绘制。
2摇 结果与分析
2.1摇 土壤理化特性的经典统计分析
由表 1可以看出,土壤通气孔隙度、pH、有效 Si、有效 Zn、全 K、全 P、有机质及交换性 Mg 的 P>0.05,服从
正态分布;其他的 P<0.05,均不服从正态分布,但非正态分布的指标经对数或其他形式转换后亦呈正态分布。
由表 1可知,土壤理化物特性各组分的特征参数表现出一定的差异性。 土壤物理特性中容重含量最大值
是最小值的 2.41倍,总孔隙度、毛管孔隙度、毛管持水量、通气孔隙度的最大值与最小值之比分别为 1.57、
1郾 71、4.52、123.95,其中通气孔隙度的变幅最大;土壤速效养分中,碱解氮、速效 P、速效 K 最大值与最小值之
比分别为 2.54、51.94、5.75,其中速效 P 的变幅最大,有效养分 S、Si、Fe、Zn、Cu、Mn 的最大值与最小值之比分
别为 20.67、14.94、78.49、5.85、4.08、19.12,其中速效 S、Fe、Mn的变幅较有效 Si、Zn、Cu大;全量养分中全 N、全
P、全 K最大与最小值之比分别为 2.14、3.81、3.07,其变幅比速效 N、P、K小;有机质、交换性 Ca、Mg,阳离子交
换量的最大与最小值之比分别为 2.27、10.48、5.51、2.27,变幅均不大;土壤 pH 均值 6.73<7,说明该试验区土
壤偏酸性。
从变异系数上看,按照反映离散程度的变异系数的大小可以将空间变异性的大小进行粗略的分级(Cv<
10%为弱变异性,Cv= 10%—100%为中等变异性,Cv>100%为强变异性[16] )。 在土壤各特征值中,pH、毛管孔
隙度和总孔隙度的变异系数<10%,为弱变异;容重、毛管持水量、通气孔隙度,速效 N、P、K、S、Si、Fe、Zn、Cu、
Mn,全量 N、P、K,有机质、交换性 Ca、Mg 及阳离子交换量的变异系数均在 10%—100%之间,属于中等变异,
其中有效 S、有效 Fe及有效 Mn的变异程度稍高(变异系数分别为 77.92%、82.29%和 90.22%)。
8292 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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表 1摇 土壤理化特性的经典统计分析
Table 1摇 Classical statistical results of soil physiochemical properties
项目
Item
变幅
Range
均值
Mean
标准差
SD
偏度
Kurtosis
峰度
Skewness
变异系数
CV / %
分布类型
Distribution
tipe
P
容重 Bd / (g / cm3) 0.58—1.40 1.11 0.14 -0.83 1.66 12.95 非正态 0.0237
总孔隙度 Tp / % 47.64—74.68 57.30 4.75 0.83 1.66 8.28 非正态 0.0237
毛管孔隙度 Cp / % 43.46—74.17 52.22 5.13 1.43 4.19 9.83 非正态 <0.0001
毛管持水量 Cw / % 31.29—89.87 48.22 14.59 3.82 21.13 30.26 非正态 <0.0001
通气孔隙度 Ap / % 0.09—10.66 5.08 2.39 0.26 -0.41 47.12 正态 0.3436
pH 5.97—7.36 6.73 0.31 -0.1 -0.24 4.59 正态 0.6366
碱解氮 AN / (mg / kg) 95.09—241.92 138.46 27.29 1.14 1.82 19.71 非正态 0.0006
速效磷 AP / (mg / kg) 0.78—40.51 16.36 8.66 1.07 0.81 52.93 非正态 <0.0001
速效钾 AK / (mg / kg) 36.46—209.69 95.98 40.30 0.78 -0.04 41.99 非正态 0.0006
有效硫 AS / (mg / kg) 31.40—649.01 149.54 116.52 2.52 7.15 77.92 非正态 <0.0001
有效硅 ASi / (mg / kg) 19.20—286.94 130.54 55.84 0.35 -0.19 42.77 正态 0.5159
有效铁 AFe / (mg / kg) 1.00—78.49 21.83 17.96 1.21 0.72 82.29 非正态 <0.0001
有效锌 AZn / (mg / kg) 0.26—1.52 0.77 0.28 0.45 0.02 36.61 正态 0.1635
有效铜 ACu / (mg / kg) 2.72—11.09 5.63 1.85 0.77 0.58 32.78 非正态 0.0074
有效锰 AMn / (mg / kg) 3.70—70.74 17.30 15.60 1.74 2.59 90.22 非正态 <0.0001
全氮 TN / (g / kg) 1.95—4.18 2.75 0.50 0.64 0.12 18.18 非正态 0.0127
全磷 TP / (g / kg) 0.42—1.60 0.97 0.27 -0.02 -0.87 28.58 正态 0.1039
全钾 TK / (g / kg) 6.35—19.52 12.45 2.95 0.47 -0.19 23.68 正态 0.1379
有机质 OM / (g / kg) 20.53—46.60 34.42 6.63 -0.07 -0.68 19.26 正态 0.1276
交换性钙 ECa / (g / kg) 0.63—6.60 2.82 1.61 0.72 -0.53 57.15 非正态 0.0001
交换性镁 EMg / (g / kg) 0.098—0.54 0.30 0.1 0.10 -0.53 32.10 正态 0.6447
阳离子交换量 CEC / (cmol / kg) 12.06—27.36 19.01 3.49 -0.21 -0.32 18.35 非正态 0.0415
摇 摇 Bd:Bulk density; Tp:Total porosity; Cp:Capillary porosity; CwCapillary water holding capacity; Ap:Aeration porosity; AN:Available N; AP:
Available P; AK:Available K; AS: Available S; ASi: Available Si; AFe:Available Fe; AZn: Available Zn; ACu:Available Cu; AMn:Available Mn;
TN:Total N; TP:Total P; TK :Total K; OM:Organic matter; ECa:exchangeable Ca; EMg:exchangeable Mg; CEC: Cation exchange capacity
2.2摇 土壤理化特性的偏相关分析
在进行相关分析时采用偏相关分析的方法来描述 2 个变量间的相关程度,不仅符合实际情况,准确性还
高[14]。 采用 SAS9.0统计分析对土壤理化特性的相关性分析得到的偏相关系数如表 2所示。
表 2摇 土壤理化特性的偏相关系数
Table 2摇 Partial correlation coefficients of soil physiochemical properties
项目
Item pH AN AS ASi AP AK AFe AZn ACu AMn TK TP TN OM ECa EMg CEC
Bd
-0.12
(0.28)
-0.44
(a)
-0.29
(0.01)
-0.19
(0.10)
0.17
(0.13)
0.04
(0.73)
0.24
(0.03)
-0.16
(0.15)
-0.54
(a)
-0.21
(0.60)
0.24
(0.03)
-0.16
(0.16)
-0.56
(a)
-0.59
(a)
-0.17
(0.14)
-0.32
(0.00)
-0.33
(0.00)
Tp 0.12(0.28)
0.44
(a)
0.29
(0.01)
0.19
(0.10)
-0.17
(0.13)
-0.04
(0.73)
-0.24
(0.03)
0.16
(0.15)
0.54
(a)
0.21
(0.06)
-0.24
(0.03)
0.16
(0.16)
0.56
(a)
0.59
(a)
0.17
(0.14)
0.32
(0.00)
0.33
(0.00)
Cp 0.18(0.10)
0.46
(a)
0.32
(0.00)
0.18
(0.12)
-0.24
(0.03)
0.03
(0.82)
-0.29
(0.01)
0.20
(0.08)
0.62
(a)
0.12
(0.30)
-0.19
(0.10)
0.16
(0.17)
0.57
(a)
0.65
(a)
0.24
(0.03)
0.24
(0.03)
0.32
(0.00)
Cw 0.09(0.44)
0.37
(0.00)
0.21
(0.06)
0.14
(0.23)
-0.20
(0.08)
-0.04
(0.72)
-0.14
(0.21)
0.07
(0.56)
0.61
(a)
0.10
(0.37)
-0.14
(0.23)
0.11
(0.33)
0.47
(a)
0.53
(a)
0.13
(0.26)
0.18
(0.11)
0.27
(0.01)
Ap
-0.15
(0.19)
-0.11
(0.31)
-0.12
(0.30)
0
(0.97)
0.18
(0.10)
-0.14
(0.23)
0.14
(0.21)
-0.10
(0.39)
-0.26
(0.02)
0.18
(0.12)
-0.07
(0.53)
-0.02
(0.87)
-0.11
(0.35)
-0.22
(0.04)
-0.19
(0.08)
0.12
(0.31)
-0.03
(0.76)
摇 摇 括号内为 P值,a表示 P<0.0001
由表 2可知,土壤 pH、有效 Si、Zn、Mn、全 P 与土壤物理特性之间的偏相关系数均未达显著水平。 碱解氮
与容重、总孔隙度、毛管孔隙度,有效 Cu、全 N、有机质与容重、总孔隙度、毛管孔隙度、毛管持水量,它们的偏
9292摇 9期 摇 摇 摇 王小艳摇 等:黔中喀斯特山区村域稻田土壤理化特性的空间变异特征及空间自相关性 摇
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相关系数相关性显著,其偏相关系数绝对值接近 1,且 P<0.0001;碱解氮与毛管孔隙度,有效 S、交换性 Mg 与
容重、总孔隙度、毛管孔隙度,阳离子交换量与容重、总孔隙度、毛管孔隙度、毛管持水量,全 K 与容重、总孔隙
度,有效 P 与毛管孔隙度,它们的偏相关系数均较小,相关性不显著。 通气孔隙度除与有机质及有效 Cu 表现
出微弱的相关性外,与其他化学特性均无相关性。
由此可知,在剔除其他变量影响的情况下,众多土壤化学特性中,除碱解氮、有效 Cu、全 N 及有机质对土
壤的物理特性影响很大外,其他土壤化学特性与土壤物理特性的关系并不大。
2.3摇 土壤理化特性的空间自相关性分析
2.3.1摇 土壤理化特性的半方差分析
利用地统计学软件 GS+9.0,根据多个样点多项指标的数据,计算出实际半方差函数值 r(h),绘制实际半
方差函数曲线,选择最优模型。 表 3为根据各要素半方差函数模型得出的相应参数。
表 3摇 土壤理化特性的半方差模型类型及其参数值
Table 3摇 The semi鄄variogram model types of soil physiochemical properties
项目
Item
模型
Model
C0 C0+C C0 / C0+C
变程
Range
决定系数
R2
转换
Transformation
Bd 玉 0.01 0.04 0.26 1497 0.73 未转换 None
Tp 玉 3.530伊10-3 8.240伊10-3 0.43 1515 0.73 对数 log
Cp 玉 2.0960伊10-3 1.182伊10-2 0.18 1451 0.86 对数 log
Cw 玉 0.01 0.08 0.19 1489 0.78 对数 log
Ap 玉 0.0001 0.05 0.002 165 0.40 未转换 None
pH 芋 0.02 0.06 0.25 375 0.82 未转换 None
AN 玉 0.01 0.04 0.40 507 0.52 对数 log
AP 域 0.58 1.19 0.49 226 0.72 平方根 Squere鄄root
AK 芋 0.08 0.16 0.49 336 0.86 对数 log
AS 玉 0.001 0.35 0.003 265 0.65 对数 log
ASi 芋 1.01 6.63 0.15 143 0.69 未转换 None
AFe 玉 0.44 0.87 0.50 684 0.46 对数 log
AZn 玉 0.01 0.03 0.33 985 0.76 平方根 Squere鄄root
ACu 域 0.01 0.11 0.13 156 0.66 对数 log
AMn 域 0.05 0.59 0.09 74 0.35 对数 log
TN 玉 0.0006 0.03 0.02 293 0.68 对数 log
TP 玉 0.001 0.05 0.02 354 0.57 未转换 None
TK 芋 0.03 0.17 0.17 2596 0.80 对数 log
OM 芋 0.02 0.07 0.28 172 0.76 未转换 None
ECa 域 0.001 0.38 0.003 147 0.54 对数 log
EMg 域 0.0001 0.05 0.002 164 0.74 未转换 None
CEC 玉 0.002 0.05 0.03 307 0.80 未转换 None
摇 摇 玉:球状模型 Spherical model;域:指数模型 Exponential model;芋:高斯模型 Gaussian model
C0表示块金值;C0+C表示基台值;C0 / (C0+C)为块基比,可表示空间变异程度(即由随机部分引起的空间
变异占系统总变异的比例),如果该值较高,说明由随机部分引起的空间变异性程度较大,相反,则由空间自
相关部分引起的空间变异性程度较大,如果该值接近 1,则说明该变量在整个尺度上具有恒定的变异[6,17]。
从结构因素角度看,C0 / (C0+C)可以表示系统变量的空间相关性程度,若比例<25%,说明变量具有强烈的空
间自相关性;在 25%—75%之间,变量具有中等的空间自相关性;>75%时,变量空间自相关性很弱[18鄄20]。 变
程表示半方差达到基台值的样本间距,若某变量观测值之间的距离大于该值,则说明它们之间是相互独立的,
无空间相关性;若小于该值,则说明它们之间存在一定的空间相关性。
根据表 3,在各土壤理化特征值中,毛管持水量、通气孔隙度、毛管孔隙度、速效养分(S、Si、Cu、Mn)、全量
养分(N、P、K)、交换性 Ca、Mg及阳离子交换量的块基比分别为 19%、0.2%、18%、0.3%、15%、13%、9%、17%、
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2%、20%、0.3%、0.2%和 3%,均表现为强烈的空间相关性,表明其主要受到土壤类型、母质、地形等结构性因
素的影响;容重、总孔隙度、pH、速效养分(N、P、K、Fe、Zn)和有机质的块基比分别为 26%、43%、25%、40%、
49%、49%、50%、33%和 28%,表现为中等空间相关性,表明其受到结构性因素和随机性因素(施肥、耕作措施
等)的共同影响。 容重、总孔隙度、毛管持水量、通气孔隙度、毛管孔隙度、速效养分(N、S、Fe、Zn)、全 P、全 N、
阳离子交换量的半方差最优模型均为球状模型;pH、有效 Si、速效 K、全 K、有机质的半方差最优模型为高斯模
型;速效 P、有效 Cu、有效Mn、交换性 Ca、Mg的半方差最优模型为指数模型;各观测点的空间相关距离在 74—
2596m之间,大于实际采样间距 60m,故各取样点均在空间变异范围内,具有代表性。
2.3.2摇 土壤理化特性的 Moran忆s I指数分析
空间自相关是指同一个变量在不同空间位置上的相关性[21],其中最常用的是 Moran忆s I 全局关联指数,
可全面的反应研究区土地利用结构的空间自相关性,其值介于-1—1,大于 0为正相关,且越接近 1,正相关性
越强,即邻接相似观测值之间具有很强的相似性;反之亦然[22]。 通常将 I 标准化为 Z ,以判断相关的正负性
与显著性[23],当 Z>1.96为显著的正空间自相关,表示某观测点与周围观测点的值相似;Z<-1.96 为显著的负
空间自相关,表示某观测点与周围观测点的值差异程度显著较大;若 Z 值介于-1.96—1.96 之间,则空间自相
关不显著,变量呈随机分布[24]。 采用 ArcGIS9.3中的模式分析工具集进行数据的 Moran忆s I分析,结果见表 4。
根据表 4,土壤理化特性的全局 Moran忆s I 值都大于 0,说明其呈正的空间自相关性。 通气孔隙度、有效
硫、速效磷和有效锰的 Z值在-1.96—1.96之间(分别为 1.7073、0.8193、0.9472和 1.1408),其空间自相关性不
显著;其他均大于 1.96,呈正的显著空间自相关性。
表 4摇 土壤理化特性的空间自相关参数
Table 4摇 Spatial intercorrelation between soil physiochemical properties
项目
Item I Z
项目
Item I Z
项目
Item I Z
项目
Item I Z
项目
Item I Z
Bd 0.08 2.22 pH 0.33 8.41 AK 0.29 7.34 TK 0.46 11.61 EMg 0.19 4.89
Cw 0.06 1.98 AN 0.26 6.63 AFe 0.21 4.91 TP 0.21 5.44 CEC 0.17 4.47
Ap 0.06 1.70 AS 0.02 0.82 AZn 0.22 5.68 TN 0.08 2.19
Cp 0.12 3.39 ASi 0.09 2.52 ACu 0.15 3.46 OM 0.14 3.77
Tp 0.78 2.24 AP 0.03 0.95 AMn 0.03 1.14 ECa 0.16 4.26
为进一步描述土壤理化特性的空间自相关性随样点距离的变化关系,利用其空间自相关分析结果,绘制
了土壤理化特性空间自相关 Moran忆s I指数随距离的变化图(图 2,图 3)。
图 2摇 土壤物理特性的空间自相关图
Fig.2摇 Spatial intercorrelograms of soil physical properties
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由图 2可看出,在 0—300m范围内,土壤物理特性的自相关指标值均逐渐减弱,在 0—600m范围内,除通
气孔隙度外,其他物理自相关指标值均大于零,呈正空间自相关性,此现象与经典统计学中其变异系数较大结
果一致。 由图 3可知,pH、碱解氮及有效 S的自相关指标值在 0—300m范围内随着距离的增大都呈现出先增
加后降低的趋势,说明它们对彼此的分布有一定的影响作用;其他养分指标在此范围内都具有较好的空间自
相关性,但随着距离的增大,除有效铜自相关性先减弱后增加外,其他均逐渐减弱;而全钾在更大尺度上
(1200m)存在着正的空间自相关性,这与半方差函数分析得出的结论(变程达 2596m)一致。
图 3摇 土壤化学特性的空间自相关图
Fig.3摇 Spatial intercorrelograms of soil chemical properties
在所研究土壤理化特性中,毛管持水量、有效 S、有效 Si、有效 Cu 及有效 Mn 在所有距离段范围内的自相
2392 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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关值均较小,且接近 1,说明它们在整个研究区域范围内具有很强的相似性,受随机性因素的影响较小。
2.3.3摇 土壤理化特性的空间插值分析
为了准确直观地描述土壤养分在空间的分布,采用 ArcGIS9.3 地统计模块中普通克里格法来绘制土壤理
化特性的空间分布图(图 4,图 5)。
图 4摇 土壤物理特性克里格插值图
Fig.4摇 Kriging interpolation map of soil physical properties
由图 4、图 5可知,研究区域内土壤总孔隙度、毛管孔隙度及毛管持水量与 pH、速效养分(S、Si、Zn、Cu)、
全量养分(N、P)、有机质、交换性 Ca、Mg及阳离子交换量在东北方向和西北角分布较低,土壤总孔隙度、毛管
孔隙度及毛管持水量与 pH、碱解氮、有效 Cu、全 P、有机质及阳离子交换量在西南角分布较高,而容重和通气
孔隙度在西南角最低;土壤容重与速效 K、全 K在东部分布较低,此结果与偏相关分析中土壤理化相关特性偏
相关系数较显著结果一致。 根据研究区域分布特征,邢江河从中北部至东南部贯穿始末,土壤 pH、速效养分
(S、Zn、Cu)、全 P、有机质、交换性 Ca在沿河流方向或河流下游西南方向聚集;而有效 Mn 及交换性 Mg 在沿
河流东北方向聚集,有效 Fe沿河流方向分布最低;速效 K 在沿河流方向呈中等分布,沿河流东部逐渐降低。
说明土壤的理化特性的空间分布不仅受到彼此的相互影响,还受河流、地形、土壤母质等固定性因素的影响;
且碱解氮、有效 S、有效 Si、速效 p、全 k、全 N、有机质及阳离子交换量的空间分布存在明显的斑块状,说明在当
前观测尺度上,耕作措施、施肥量等随机性因素同样影响土壤特性的空间分布。
3摇 结论与讨论
(1)土壤作为历史自然体,受气候、生物、母质、地形、时间、人类活动等成土因素的影响,其理化特性随空
间位置的不同而呈现空间变异性,不同土壤特性的变异程度是有差异的[25鄄27]。 本研究表明,土壤毛管孔隙度
与总孔隙度变异系数小于 10%,属弱变异程度;容重、毛管持水量及通气孔隙度变异系数分别为 12.95%、
30郾 26%和 47.12%,属中等程度变异。 管孝艳等[28]研究表明,土壤容重、孔隙度等在研究区域内属于弱变异程
度,与本研究结果存在一定差异。 而土壤相关养分参数的变异系数除 pH 外都在 10%—100%之间,属中等程
度变异,说明取样点土壤养分含量的差异较大;其中有效硫、有效铁及有效锰的变异程度稍高(变异系数分别
为 77.92%、82.29%和 90.22%),这与其在各个取样点的背景值差异较大有关。 速效养分 N、P、K 的变异系数
(分别为 19.71%、52.93%、41.99%)较全量养分 N、P、K(分别为 18.18%、28.58%、23.68%)大,说明速效养分往
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图 5摇 土壤化学特性克里格插值图
Fig.5摇 Kriging interpolation map of soil chemical properties
4392 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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往更易受到施肥水平、耕作制度等农业活动因素的影响,与朱益玲[29]等研究结果一致。 各速效养分含量最大
值和最小值之间差异明显,速效磷与有效铁的最大与最小值之比分别达 52 倍和 78 倍,表明若不考虑地区之
间土壤养分含量的本底差异而盲目地平均施肥,必将造成低养分地区养分继续不足和高养分地区养分富余。
(2)土壤特性经典统计学特征能够描述土壤属性的总体特征,但只能在一定程度上反应样本整体,而不
能定量地刻画土壤特性的结构性和随机性[30]。 因此本文通过地统计学方法进一步对土壤特性的空间变异特
征进行了探究。 半方差分析表明,毛管持水量、通气孔隙度、毛管孔隙度、有效 S、Si、Cu、Mn,全量 K、P、N,交
换性 Ca、Mg,阳离子交换量,均表现为强烈的空间相关性,表明其主要受到土壤类型、母质、地形等结构性因素
的影响;土壤容重、总孔隙度、有机质、pH、碱解氮、速效 P、K、Fe、Zn,均表现为中等空间相关性,即其空间分布
既受成土母质、地形地貌、土壤类型、海拔高度等自然因素的影响,又受到施肥、种植制度等随机因素的影响。
王政权等[31]、张淑娟等[30]对土壤容重的空间变异性研究表明,土壤容重呈中等强度的空间变异性,与本研究
结果一致。 庞凤等[32]研究指出,土壤速效 P 具有中等空间相关性,亦与本研究结果一致,但碱解氮、速效 K
具有强烈的空间相关性,与本研究结果有出入;Liu 等[2]对中国水稻田的有效铜及有效锌的空间变异研究表
明,有效锌呈中等空间相关性,与本研究结果相同,而有效铜呈中等空间相关性则与本研究结果存在差异;姜
丽娜等[33]对水稻土壤养分的研究得出,土壤有效铁表现中等空间相关性,有效硫、有效铜具有强烈的空间相
关性,这与本研究结果一致;研究中有效锌的空间变异性为强烈空间相关性,有效锰为中等相关性,与本研究
结果不同。 这些结果均表明各研究区域所处地理位置、人为管理措施及气候等存在差异,都将影响土壤养分
的空间分布。 而本研究 Moran忆s I指数分析显示,除毛管孔隙度、有效 S、速效 P 及有效 Mn 的 Z 值在-1.96—
1郾 96之间,其空间自相关性较弱,其他均大于 1.96,呈正的显著空间自相关性。 土壤理化特性空间自相关
Moran忆s I指数随距离的变化图更明确体现出随着距离的增大,土壤的正负空间自相关性及自相关变化强弱。
由此可知,半方差函数分析和 Moran忆s I指数对空间自相关的衡量严格程度不同,半方差函数分析得出的相关
尺度包括了正的自相关和负的自相关,而 Moran忆s I指数分析方法在分析时区分开了正负两种关系。 所以,在
分析土壤理化特性的空间自相关性时,应优先采用 Moran忆s I指数分析方法,其采样点土壤相关特性的正负空
间相关性,可指导合理施肥。
(3)ArcGIS9.3软件地统计模块提供了多种空间插值方法,克里格法是利用原始数据和半方差函数的结
构性对未采样点的区域化变量进行无偏最优估值的一种插值方法[34鄄35]。 本文采用普通克里格插值,其结果
表明,在研究区域内东北方向和西北角方向,土壤总孔隙度、毛管孔隙度及毛管持水量与 pH、速效养分(S、Si、
Zn、Cu)、全 P、全 K、有机质、交换性钙、交换性镁及阳离子交换量分布较低,而在西南角方向土壤容重、总孔隙
度、毛管孔隙度及毛管持水量与 pH、速效 K、有效 Cu、全 P、全 K、有机质、阳离子交换量分布较高,通气孔隙度
较低。 土壤特性的空间分布图能准确和直观的了解整个研究区域中各土壤特性的空间分布状况,可为制定合
理的施肥措施提供理论依据。 其空间分布的相似性与偏相关分析中土壤相关理化特性偏相关系数显著结果
一致,说明土壤理化特性的空间分布存在着一定的相互联系,其协同关系有待于进一步研究。
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