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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 33 卷 第 8 期摇 摇 2013 年 4 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
城市生态系统研究专题
城市生态系统:演变、服务与评价———“城市生态系统研究冶专题序言 王效科 (2321)…………………………
城市生态景观建设的指导原则和评价指标 孙然好,陈爱莲,李摇 芬,等 (2322)…………………………………
城市绿色空间格局的定量化方法研究进展 陶摇 宇,李摇 锋,王如松,等 (2330)…………………………………
城市土地利用变化对生态系统服务的影响———以淮北市为例 赵摇 丹,李摇 锋,王如松 (2343)………………
基于市政综合监管信息的城市生态系统复杂性分析 董仁才,苟亚青,刘摇 昕 (2350)…………………………
原位生物技术对城市重污染河道底泥的治理效果 柳摇 敏,王如松,蒋摇 莹,等 (2358)…………………………
北京城区道路沉积物污染特性 任玉芬,王效科,欧阳志云,等 (2365)……………………………………………
绿地格局对城市地表热环境的调节功能 陈爱莲,孙然好,陈利顶 (2372)………………………………………
北京城区气传花粉季节分布特征 孟摇 龄,王效科,欧阳志云,等 (2381)…………………………………………
个体与基础生态
三江源区高寒草甸退化对土壤水源涵养功能的影响 徐摇 翠,张林波,杜加强,等 (2388)………………………
土壤砷植物暴露途径的土壤因子模拟 线摇 郁,王美娥,陈卫平 (2400)…………………………………………
不同寄主植物对马铃薯甲虫的引诱作用 李摇 超,程登发,郭文超,等 (2410)……………………………………
蒙古栎、白桦根系分解及养分动态 靳贝贝,国庆喜 (2416)………………………………………………………
干旱和坡向互作对栓皮栎和侧柏生长的影响 王摇 林,冯锦霞,王双霞,等 (2425)………………………………
不同郁闭度下胸高直径对杉木冠幅特征因子的影响 符利勇,孙摇 华,张会儒,等 (2434)………………………
驯化温度与急性变温对南方鲇幼鱼皮肤呼吸代谢的影响 鲜雪梅,曹振东,付世建 (2444)……………………
种群、群落和生态系统
五鹿山国家级自然保护区物种多样性海拔格局 何艳华,闫摇 明,张钦弟,等 (2452)……………………………
玉龙雪山白水 1 号冰川退缩迹地的植被演替 常摇 丽,何元庆,杨太保,等 (2463)………………………………
互花米草海向入侵对土壤有机碳组分、来源和分布的影响 王摇 刚,杨文斌,王国祥,等 (2474)………………
南亚热带人工针叶纯林近自然改造早期对群落特征和土壤性质的影响
何友均, 梁星云,覃摇 林,等 (2484)
…………………………………………
……………………………………………………………………………
入侵植物黄顶菊生长、再生能力对模拟天敌危害的响应 王楠楠,皇甫超河,李玉浸,等 (2496)………………
小兴安岭白桦次生林叶面积指数的估测 刘志理,金光泽 (2505)…………………………………………………
草地植物群落最优分类数的确定———以黄河三角洲为例 袁摇 秀,马克明,王摇 德 (2514)……………………
多毛类底栖动物在莱州湾生态环境评价中的应用 张摇 莹,李少文,吕振波,等 (2522)…………………………
马尾松人工林火烧迹地不同恢复阶段中小型土壤节肢动物多样性 杨大星,杨茂发,徐摇 进,等 (2531)………
景观、区域和全球生态
极端干旱区大气边界层厚度时间演变及其与地表能量平衡的关系 张摇 杰,张摇 强,唐从国 (2545)…………
基于多源遥感数据的景观格局及预测研究 赵永华,贾摇 夏,刘建朝,等 (2556)…………………………………
城市化流域生态系统服务价值时空分异特征及其对土地利用程度的响应
胡和兵,刘红玉,郝敬锋,等 (2565)
………………………………………
……………………………………………………………………………
资源与产业生态
碳汇目标下农户森林经营最优决策及碳汇供给能力———基于浙江和江西两省调查
朱摇 臻,沈月琴,吴伟光,等 (2577)
……………………………
……………………………………………………………………………
基于 GIS的缓坡烟田土壤养分空间变异研究 刘国顺,常摇 栋,叶协锋,等 (2586)………………………………
春玉米最大叶面积指数的确定方法及其应用 麻雪艳,周广胜 (2596)……………………………………………
城乡与社会生态
广州市常见行道树种叶片表面形态与滞尘能力 刘摇 璐,管东生,陈永勤 (2604)………………………………
研究简报
桔梗种子萌发对低温、干旱及互作胁迫的响应 刘自刚,沈摇 冰,张摇 雁 (2615)…………………………………
基质养分对寄生植物南方菟丝子生长的影响 张摇 静,李钧敏,闫摇 明 (2623)…………………………………
学术信息与动态
人类活动对森林林冠的影响———第六届国际林冠学大会述评 宋摇 亮,刘文耀 (2632)…………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*316*zh*P* ￥ 90郾 00*1510*34*
室室室室室室室室室室室室室室
2013鄄04
封面图说: 互花米草近景———互花米草是多年生高大禾本科植物,植株健壮而挺拔,平均株高约 1. 5m,最高可达 3. 5m,茎秆直
径可达 1cm以上。 原产于大西洋沿岸,是一种适应海滩潮间带生长的耐盐、耐淹植物。 我国于 1979 年开始引入,原
意主要是用于保滩护堤、促淤造陆和改良土壤等。 但是,近年来,互花米草迅速扩散,在一些区域里,已经完全郁闭,
形成了单优种群,严重排挤了本土物种的生长,并且还在以指数增长的速度逐年增加,对海岸湿地土著物种和迁徒
鸟类造成的危害日益严重,已经列为必须严格控制的有害外来入侵物种。
彩图及图说提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 33 卷第 8 期
2013 年 4 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 33,No. 8
Apr. ,2013
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家烟草专卖局资助项目(110200201005)
收稿日期:2012鄄01鄄07; 摇 摇 修订日期:2012鄄07鄄23
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: liugsh1851@ 163. com
DOI: 10. 5846 / stxb201201070034
刘国顺,常栋 ,叶协锋,杨永锋,殷英,屈建康.基于 GIS的缓坡烟田土壤养分空间变异研究.生态学报,2013,33(8):2586鄄2595.
Liu G S,Chang D,Ye X F,Yang Y F,Yin Y,Qu J K. Spatial variability characteristics of soil nutrients in tobacco fields of gentle slope based on GIS. Acta
Ecologica Sinica,2013,33(8):2586鄄2595.
基于 GIS的缓坡烟田土壤养分空间变异研究
刘国顺1,*,常摇 栋1,叶协锋1,杨永锋1,殷摇 英2,屈建康2
(1. 河南农业大学烟草学院 国家烟草栽培生理生化研究基地, 郑州摇 450002
2. 四川省烟草公司凉山州公司, 西昌摇 615000)
摘要:综合运用地统计学和 GIS相结合的方法,分析了缓坡地形下土壤养分的空间变异规律,并绘制养分空间分布图,为山地缓
坡烟田养分分区及精准施肥决策提供理论依据。 结果表明:研究区内 4 种养分含量均具中等程度变异。 土壤有机质、碱解氮、
速效磷和速效钾的变程分别为 61. 8、76. 3、70. 5 m和 57 m。 土壤速效钾的分形维数最高,有机质和碱解氮其次,速效磷最低。
有机质和速效钾的最适模型为指数模型,块金系数分别为 30. 9%和 31. 1% ;碱解氮和速效磷可用球状模型进行较好拟合,其块
金系数分别为 37. 7%和 26. 4% ,4 种养分均有中等程度的空间相关性。 各向异性和趋势性分析均显示,有机质和速效磷具有较
强的各向异性,碱解氮和速效钾的各向同性范围最广。 研究区 4 种养分的空间分布格局在海拔和坡度的影响下呈现出一定的
规律性,低值均在坡度较大的中北部出现,东北部和南部较平缓区域出现高值。
关键词:GIS;地统计学;缓坡烟田;空间变异;土壤养分
Spatial variability characteristics of soil nutrients in tobacco fields of gentle slope
based on GIS
LIU Guoshun1,*,CHANG Dong1,YE Xiefeng1,YANG Yongfeng1,YIN Ying2,QU Jiankang2
1 National Tobacco Cultivation, Physiology and Biochemistry Research Center, College of Tobacco, Henan Agricultural University, Zhengzhou
450002, China
2 Liangshan Branch, Sichuan Tobacco Corporation, Xichang 615000, China
Abstract: Soils are highly variable spatially due to the combined effects of physical, chemical, and biological processes that
operate with different intensities and at different scales. Understanding the spatial variability of soil properties is essential in
determining local fertilizer needs of tobacco. The spatial variability of soil nutrients in terrain with a typical gentle slope was
comprehensively analyzed by a combination of geostatistics with a Geographic Information System (GIS) platform. Scatter
diagrams of the spatial distributions of soil nutrients were then quantitatively constructed. The study potentially provides
theoretical bases not only for the use of management zones (MZs) of tobacco fields in gentle mountain鄄terrain slopes, which
are field subdivisions that have relatively homogeneous attributes of landscape and soil conditions, but also for decision鄄
making with respect to precision fertilization. Soil samples (0—20cm) were taken at 88 points on an approximately 25鄄m
grid using a global positioning system to define sample locations. The results showed moderate levels of spatial variability of
four measures of nutrient contents in the research region. The contents of soil OM, TN, AN and AP values were low, and
their means were 8. 89 g / kg, 26. 76 mg / kg, 1. 92 mg / kg and 130. 23 mg / kg, respectively. Organic matter (OM) with a
nugget / still ratio 30. 9% , and available K (AK) with a nugget / still ratio 31. 1% , could be modeled with an exponential
model. The nugget / still ratios of available N (AN) and available P (AP) were 37. 7% and 26. 4% , respectively, and
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they could be well modeled with a spherical model. As a result, all the nutrients exhibited a moderate spatial correlation.
The range of soil OM, AN, AP and AK values were 61. 8 m, 76. 3 m, 70. 5 m and 57 m, respectively. The fractal
dimension (D) of AK was the highest, followed by OM and AN, and AP was the lowest. Anisotropic analyses and trend
analyses all showed that OM and AP were even strongly anisotropic. AN and AK showed the widest scope in isotropism.
The spatial distributions of the four measures of soil nutrients in the study region, which were influenced by elevation and
slope and represented some regularity, were characterized by the mean contents of all nutrients being low in the north
central area with a relatively steep slope, while being high in the comparatively flat northeast and south regions.
Key Words: GIS; geostatistics; tobacco field of gentle slope; spatial variability; soil nutrients
农田土壤养分的空间变异性是普遍存在且复杂的。 土壤作为作物生长的营养库,其养分的变异必然会引
起作物生长的变异。 土壤特性的空间变异性研究为土壤过程的预测、模拟更逼近农田土壤变化实际情况提供
有效途径,可以更好地理解空间作用对土壤与作物生长关系的重要性[1]。 因此,研究土壤养分的空间变异性
和空间自相关性是精准农业实施变量施肥管理的基础和重要环节。
近年来,利用地统计学和 GIS技术相结合的方法对土壤性质的空间变异性研究已成为土壤科学的研究热
点之一[2鄄5]。 地统计学是以区域化变量理论为基础,半方差函数为基本工具的一种数学方法[6],其可用于分
析在空间分布上既存在随机性又存在结构性的自然现象。 很多学者对土壤属性的空间变异性进行了深入的
研究,余新晓[7]、刘杨[8]和冯娜娜[9]分别对森林、板栗产区和低山茶园的土壤养分空间变异性进行了研究;唐
国勇[10]对红壤丘陵景观表层土壤的有机碳空间变异特点进行了分析;刘璐[11]、司建华[12]分别研究了喀斯特
木论自然保护区和额济纳绿洲土壤养分的空间变异特征。 目前针对植烟田土壤的研究主要集中在地势平坦
的田块[13鄄18],而针对山坡地空间变异的研究较少。 土壤养分含量除受土壤质地和植被影响外,与地形地貌也
具有一定的相关性[19]。 攀西地区位于四川省西南部,是我国重要的烤烟产区之一,境内地貌以山地为主,地
形和生态类型差异较大,养分管理较为粗放,在烟叶生产中往往忽视土壤供肥能力的空间差异,进行均一化施
肥,从而影响了烟叶的产量和品质。 本研究借助地统计方法和 GIS技术对缓坡山地烟田土壤的养分空间变异
性进行了分析,旨在了解其空间变异特征,揭示变异规律,为缓坡烟田土壤养分精准管理和施肥决策提供理论
支持。
1摇 材料与方法
1. 1摇 研究区域概况
本研究以四川会理县万红村典型缓坡烟田地块为对象(102毅20忆E,26毅34忆N),海拔 1871—1941m(图 1),
坡度 0— 63毅,面积约为 3. 1hm2。 研究区域整体地形呈东北高西南低,从南部至中北部坡度逐渐增大而后趋
于平缓,样品采集均在同一坡面。 土壤类型为紫色土。
1. 2摇 样品采集与分析
本研究于 2010 年 3 月整地施肥前进行土壤样品的采集,采用 25m 间隔的“网格法冶取耕层土壤样品 88
个(图 1),利用 GPS对每个样点进行定位。 取样时,在网格点 5m范围内采集 10 钻均匀混合为该点样品。 土
样在实验室内经自然风干、磨碎、过筛后备用。 土壤有机质用重铬酸钾鄄外加热法测定;碱解氮采用碱解扩散
法;速效磷采用碳酸氢钠浸提,钼锑抗比色法;速效钾采用乙酸铵提取火焰光度法[20]。
1. 3摇 数据处理
本研究利用 SPSS17. 0 软件进行描述性统计和正态分布检验。 运用 GS+进行半方差分析和理论模型拟
合。 趋势分析、Kriging插值和图形的编辑以及输出在 ArcGIS9. 3 软件中完成。
半方差函数是描述空间变量的关键函数,它能描述变量的空间变异结构,反映不同距离观测值之间的变
化。 即:
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图 1摇 研究区高程及土壤采样点分布图
Fig. 1摇 Elevation and soil sampling points of study area
r(h) = 1
2N(h)移
N(h)
i = 1
[Z(X i + h) - Z(X i)] 2 (1)
式中,r(h) 是间距为 h 的半方差函数值,在一定范围内
随 h的增加而增大。 半方差函数的理论模型有球状、高
斯(Gaussian)、指数 ( 1 ) 和线性无基台和有基台值
(Linear,Linear to sil1)等模型。 通过变异函数及曲线图
可以得到 4 个重要参数,即变程、基台值、块金值和分维
数[21]。 各向异性和变异函数的 4 个参数是解释变异函
数生态学意义的关键[6]。
克里格 (Kriging) 插值实质上是利用区域化变量
的原始数据和变异函数的结构特点,对未知点的值进行
线性无偏最优估计的方法,是目前地统计学应用最广泛
的最优内插法:
Z(x0) =移
n
i = 1
姿 iZ(X i) (2)
式中,Z(x0)是在未经观测的 x0 点上的内插估计值,Z
(X i)是在点 x0 附近的若干观测点上获得的实测值。
2摇 结果与分析
2. 1摇 土壤养分含量的统计特征分析
土壤养分含量数据的经典统计分析和 K鄄S 检验结
果见表 1。 从表中可以看出,研究区土壤有机质、碱解
氮、速效磷和速效钾的平均含量分别为 8. 89 g / kg、
26郾 76 mg / kg、1. 92 mg / kg 和 130. 23 mg / kg。 其中有机
质和碱解氮含量低,速效磷含量极低,速效钾含量适宜。
4 种养分的变异系数在 23. 17%—84. 05%之间,均属于
中等程度变异,其中速效磷变异系数最大,达到了 84郾 05% ,速效钾最小(23. 17% )。 马媛[22]等研究结果显
示,土壤速效磷的变异系数最高,为 66. 77% ,四者中速效钾的变异系数最低,只有 34. 72% 。 高博超[23]等对
辽宁昌图植烟土壤的研究也表明,土壤速效磷的变异程度最大。 平均值和变异系数只反映研究区域总体情
况,而掩盖了具体位置的变化信息,有必要进一步利用地统计方法分析。
表 1摇 土壤养分含量的描述性统计
Table 1摇 Descriptive statistics of soil nutrient
养分项目
Nutrition items
平均值
Mean
标准差
S. D.
最大值
Max
最小值
Min
变异系数
C. V. / %
偏度
Skewness
K鄄S检验
PK鄄S
有机质 OM / (g / kg) 8. 89 4. 02 15. 93 0. 76 45. 24 -0. 22 0. 49
碱解氮 AN / (mg / kg) 26. 76 10. 37 49. 53 10. 70 38. 76 0. 39 0. 22
速效磷 AP / (mg / kg) 1. 92 1. 61 7. 94 0. 14 84. 05 1. 98 0. 01
速效钾 AK / (mg / kg) 130. 23 30. 18 208. 42 72. 91 23. 17 0. 60 0. 26
摇 摇 OM: Organic matter; AN: Available N; AP: Available P; AK: Available K
正态分布检验表明(P>0. 05),除土壤速效磷外,其余 3 种养分数据均为正态分布。 由于数据的非正态分
布会使半方差函数产生比例效应。 因此,需对速效磷数据进行对数转换,转换后的数据符合正态分布。
2. 2摇 土壤养分含量的趋势分析
为了在局部半方差分析过程少受全局趋势的影响,应将全局趋势剔除。 运用 ArcGIS9. 3 软件的地统计分
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析模块获得土壤养分的趋势特征(图 2)。 图中 X 轴表示正东方向,Y 轴表示正北方向,Z 轴表示各点的实测
值的大小,将数据点旋转 30毅,能够更清楚的分析养分的空间趋势。 每个方向可用一个多项式来拟合,如拟合
曲线为直线,说明没有全局趋势;若为确定的曲线,则存在某种全局趋势。
从图 2 中可以看出,研究区 4 种土壤养分均存在二阶趋势。 土壤有机质含量从西南到东北方向先下降后
上升,呈现“U冶字形,而从东南至西北方向先升高后降低,呈倒“U冶字形。 碱解氮在西南鄄东北方向先降低后
升高,且降低的趋势较升高的趋势大,而在东南鄄西北方向呈逐步升高的趋势。 速效磷在西南鄄东北方向先逐
步降低然后趋于稳定,在东南鄄西北方向则呈现升高的趋势,一定距离后保持平稳。 速效钾在各方向的变异趋
势平缓,在西南鄄东北方向有较弱的先降后升的变化趋势,而在东南鄄西北方向略微升高后趋于稳定。 区域内
土壤有机质、速效磷具有较强的全局趋势,碱解氮和速效钾的趋势较弱,且均在中部区域变化较大。 缓坡中部
是坡度最大的区域,雨水对土壤表层冲刷侵蚀相对严重,而烟草为 1 年生作物,烟叶采收结束即对烟株进行清
理,无地表凋落物积累和植被覆盖,不能有效的控制土壤侵蚀,使得区域中部土壤养分的变化较为明显;另一
方面,由于坡度的增大影响了烟农施肥等田间操作,间接的影响了土壤养分的分布格局和趋势。
图 2摇 土壤养分含量趋势分析
Fig. 2摇 Trend analysis of soil nutrient
2. 3摇 土壤养分含量的半方差函数分析
2. 3. 1摇 各向同性下半方差函数特征
各向同性是指在半方差函数计算时不区分方向,只考虑空间距离。 利用地统计软件 GS+对研究区域土壤
养分属性进行了半方差函数分析,相关参数见表 2,并绘制半方差函数图(图 3)。 土壤有机质和速效钾的半
方差函数符合指数模型,碱解氮和速效磷为球状模型。
表 2 中块金值 C0 表示取样误差和小于取样尺度下的空间变异。 基台值 C0+C 表示变量在研究范围内总
的空间变异强度。 块金系数 C0 / C0+C可以表明系统变量的空间相关性程度。 按照区域化变量空间相关性程
度的分级标准[24],当 C0 / C0+C<25% ,变量具有强烈的空间相关性;25% < C0 / C0+C <75% 之间,变量具有中
等的空间相关性;而在 C0 / C0+C>75% 时,变量的空间相关性很弱。 研究区域内土壤有机质、碱解氮、速效磷
和速效钾的块金系数均在 25%—75%之间,表明变量具有中等的空间相关性,其变异受结构因素和随机因素
共同影响。 本研究结果与高博超[23]等的研究结论略有不同,其结果为:土壤碱解氮的块金系数小于 25% ,具
有强烈的空间相关性。 山地烟田多为散户种植,烟农的经营管理措施具有一定的差异性,尤其在氮肥和钾肥
的追施上,因此,增大了随机因素的影响。 其他[25]研究显示,土壤速效磷主要受随机因素影响。 由于研究区
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坡度变化复杂且土壤质地较细,磷在细质土壤中扩散速率较快,在坡度大的区域容易造成流失;而烟草施肥过
程中,磷肥全部作为基肥施用,后期不追施磷肥,一定程度上减弱了人为因素的影响,使得结构性变异占主导。
表 2摇 土壤养分各向同性半方差函数理论模型及相关参数
Table 2摇 Thearetical models and corresponding parameters for isotropic semivariogram of soil nutrient
养分项目
Nutrition
items
模型
Model
块金值
C0
基台值
C0 +C
变程
Range / m
块金系数
C0 / (C0 +C)
决定系数
R2
残差
RSS
分形维数 Fractal dimension
D R2
有机质 OM E 4. 93 15. 95 61. 8 0. 309 0. 954 0. 639 1. 909 0. 915
碱解氮 AN S 43. 4 115. 2 76. 3 0. 377 0. 989 17. 44 1. 854 0. 928
速效磷 AP S 0. 157 0. 595 70. 5 0. 264 0. 975 1. 40伊10-3 1. 835 0. 872
速效钾 AK E 320 1029 57. 0 0. 311 0. 943 2838 1. 921 0. 803
摇 摇 S: 球状模型 Spherical model,E:指数模型 Exponential model
变程反映空间相关性的最大距离。 在变程范围内,变量之间具有空间相关性;当超过变程时,认为变量间
是相互独立的。 在本研究的 25m 取样尺度下,4 种养分的变程在 57—76. 3m 之间,空间自相关范围差异不
大,说明土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的生态过程基本在相同的尺度上起作用。 冯娜娜[9]等研究显
示,在微尺度 16m取样间距下,低山茶园有机质的变程达到了 311m,远大于本研究的 61. 8m。 除取样间距的
影响外,可能由于研究区域生态条件、种植作物和农事操作的不同,造成了土壤养分分布特征较大的差异。 分
形维数(D)是用于表示变异函数特性的一个无量纲数,其大小是指事物复杂程度的一种量度[26]。 分形维数
可以更好地分析具有空间变异性的随机变量的变异程度[27]。 D 值高表示随机因素高、结构性差、分布复杂,
反之亦然。 表 2 可以看出土壤速效钾的分形维数最高(1. 921),有机质和碱解氮其次,速效磷最低(1. 835),
除碱解氮外,其余 3 种养分的分形维数和块金系数均呈正相关关系。 研究区土壤速效钾的结构性差,分布较
为复杂,速效磷的结构性最好。 各养分的空间分布格局很好的反映了这一结论(图 4)。
图 3摇 土壤养分的半方差函数图
Fig. 3摇 Semi鄄variograms of soil nutrient
2. 3. 2摇 各向异性下半方差函数特征
土壤养分的空间变异是由于结构因素和随机因素在不同方向、不同尺度共同作用的结果。 半方差函数在
各个方向上区域化变量的变异性不同称为各向异性。 各向异性是空间异质性程度的重要部分。 地形、水分等
因子导致的空间异质性常常是各向异性的,自然过程在不同方向上控制着不同的变异性[6]。 在各向异性分
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析中,某一方向的主轴变程与亚轴变程之间的差距越大,则区域化变量在该方向的变异越明显[17]。 研究区内
各方向上土壤养分含量分布具有明显的差异性。
由表 3 可知,土壤有机质在 0毅和 45毅方向上的各向异性比分别为 0. 777 和 0. 587,说明在这两个方向上表
现为各向异性;在 90毅和 135毅方向上的各向异性比均为 1,表明在这两个方向上差异不明显,表现为各向同性。
通过研究区高程模型(图 1)可以看出, 0毅和 45毅方向均属沿坡走向,海拔变化较大,坡度呈现先增大后减小的
趋势,而变异较小的方向与山坡水平方向较为一致,说明坡地烟田土壤有机质含量主要受海拔、坡度等生态因
素的影响。
表 3摇 土壤养分各向异性半方差函数理论模型及相关参数
Table 3摇 Thearetical models and corresponding parameters for anisotropic semivariogram of soil nutrient
养分项目
Nutrition
items
主轴方向
Principal
axis / 毅
模型
Model
块金值
C0
基台值
C0 +C
主轴变程
A1
亚轴变程
A2
块金系数
C0 / (C0 +C)
决定系数
R2
各向异性比
A1 / A2
有机质 OM 0 L 11. 890 34. 306 486. 00 625. 80 0. 347 0. 588 0. 777
45 L 11. 880 33. 316 397. 80 677. 60 0. 357 0. 587 0. 587
90 L 11. 370 30. 029 386. 00 386. 00 0. 379 0. 587 1. 000
135 L 11. 370 30. 029 385. 40 385. 40 0. 379 0. 586 1. 000
碱解氮 AN 0 E 0. 100 124. 805 83. 31 86. 28 0. 001 0. 929 0. 966
45 E 0. 100 124. 805 78. 00 84. 30 0. 001 0. 916 0. 925
90 E 0. 100 125. 308 73. 44 88. 89 0. 001 0. 915 0. 826
135 E 0. 100 125. 308 82. 80 85. 83 0. 001 0. 912 0. 965
速效磷 AP 0 L 0. 359 1. 206 314. 40 413. 10 0. 298 0. 527 0. 761
45 L 0. 355 1. 156 227. 60 466. 70 0. 307 0. 525 0. 488
90 L 0. 334 1. 079 272. 80 272. 80 0. 310 0. 524 1. 000
135 L 0. 334 1. 073 270. 90 270. 90 0. 311 0. 525 1. 000
速效钾 AK 15 L 808 2109. 017 495. 40 732. 30 0. 383 0. 448 0. 676
60 L 810 2217. 678 631. 10 697. 70 0. 365 0. 448 0. 905
105 L 783 1896. 678 435. 90 435. 90 0. 413 0. 441 1. 000
150 L 812 1994. 678 559. 40 559. 40 0. 407 0. 441 1. 000
摇 摇 L:线性模型; 角度容差为 45毅,正北鄄南方向为 0毅
碱解氮在 4 个方向上的各向异性比差异较小,在 0毅、45毅和 135毅方向上的各向异性比分别为 0. 966、0. 925
和 0. 965,均接近 1,可以认为在这 3 个方向上为各向同性;在 90毅方向上的各向异性比为 0. 826,存在一定程
度的各向异性。 土壤速效磷在 0毅和 45毅方向上表现出较强的各向异性,其比值分别为 0. 761 和 0. 488;在 90毅
和 135毅方向上的各向异性比为 1,表现为各向同性。 速效钾在 15毅方向的各向异性比为 0. 676,表现为各向异
性;在 60毅方向的各向异性比为 0. 905,接近 1,认为在此方向上是各向同性的;在 105毅和 150毅方向上的各向异
性比均为 1,也表现为各向同性。 研究区内土壤碱解氮和速效钾的各向同性范围最广,速效磷的变异性则较
强。 烟草种植需要精耕细作,使得烟田的人为活动较其它田块更加频繁,其中多次追施氮肥和钾肥对土壤养
分的影响最大,使得碱解氮和速效钾在各方向的变异朝归一化方向发展;磷肥由于施用方式的不同,降低了人
为因素的影响,其变异性与有机质较为相似,沿坡方向变异较大,横坡方向变异较小,主要受海拔、坡度等生态
因素的影响,这也与各向同性下的半方差分析结果相一致。
2. 4摇 土壤养分含量的空间分布格局
研究区土壤养分的空间分布见图 4。 结果显示:土壤养分呈现明显的空间分布格局。 区域内有机质含量
的高值出现在西南部和东北部,东南部和中部含量低。 造成的原因可能有两方面:(1)区域东北部海拔最高
且山坡平缓,随着海拔的升高,气温的降低,微生物分解速度减慢,矿化作用减弱,导致有机质的富集,而坡度
较小则有效的减弱了由于雨水的作用而造成的土壤侵蚀,从而减少了有机质的流失;中部坡度最大,烟田又缺
1952摇 8 期 摇 摇 摇 刘国顺摇 等:基于 GIS的缓坡烟田土壤养分空间变异研究 摇
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少植被覆盖和凋落物的积累,雨水对土壤颗粒的搬用作用不可忽视,坡度大的区域太阳辐射强度较大,气温较
高,土壤湿度相对较小,有机质分解速率比较快;西南部海拔较低,地势较为平缓,中部养分的流失在此处富
集,使得有机质含量较高。 (2)区域东南部为新开垦烟田,有机质积累较少;同一烟区不同农户氮磷钾肥的施
用量较为一致,而有机肥的施用则因烟农的习惯和经验不同而出现较大差异。 研究区有机质含量和海拔高度
呈正相关(R=0. 112),未达到显著水平。 较多研究[9,28]显示,海拔高度与有机质含量呈极显著正相关关系,
说明不同研究区域由于生态条件的差异,各影响因子所占比重不同。 本研究区内,海拔高度、坡度等因素对有
机质含量的影响同等重要,而人为因素的作用则会缓慢减弱结构性影响。
碱解氮和速效磷的分布格局较为相似,在中北部出现了低值,高值分布在东北部和南部。 碱解氮含量与
海拔高度呈极显著负相关(R= -0. 326**),但在中部坡度较大区域,碱解氮含量为最低值,表明碱解氮在全局
趋势上受海拔影响较大,而在局部坡度变化较大区域,则坡度因素占主导作用;烟田氮含量的变异也与施肥
量、方法等田间管理措施有关,氮是烟草生长发育最重要的元素之一,直接影响到烟叶产量,而中部区域烟株
长势最差,应注意增加氮肥的施用。 速效磷含量与海拔高度呈显著负相关(R= -0. 213*),人为活动对磷含量
的影响较小,磷肥由于当季利用率低,而研究区雨水丰富且集中,磷素极易随水流失,造成低海拔区域的富集。
速效钾含量与海拔高度呈负相关(R= -0. 131),未达到显著水平。 其分布较为复杂,但低值仍在中北部出现,
区域东部含量较高。 烟草是喜钾作物,施入土壤的钾肥,移动性相对较大,当季利用率较高,烟田土壤钾收支
平衡一般为亏缺。 由于烟草对钾的吸收特点,使得区域内速效钾分布相对均一,变异性较小。
土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾都在海拔和坡度的作用下呈现出一定的规律性分布,在缓坡走向即
东北-西南方向上变异较强,坡体水平方向变异较弱。 可见,在低山缓坡烟田,海拔和坡度是影响土壤养分空
间异质性的重要地形因素,在进行养分分区管理及精准施肥研究时,应考虑其影响。
3摇 结论与讨论
(1)经典统计分析显示,研究区土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的平均含量分别为 8. 89 g / kg、26. 76
mg / kg、1. 92 mg / kg和 130. 23 mg / kg。 4 种养分的变异系数为 23. 17%—84. 05% ,均属于中等程度变异,其中
速效磷变异系数最大(84. 05% ),速效钾最小(23. 17% )。
(2)地统计分析结果表明,土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的变程分别为 61. 8、76. 3、70. 5 m 和 57
m。 有机质和速效钾的最适模型为指数模型,碱解氮和速效磷为球状模型。 4 种养分的块金系数均在 25%—
75%之间,具有中等的空间相关性。 土壤速效钾的分形维数最高为 1. 921,有机质和碱解氮其次,速效磷最低
为 1. 835。 研究区土壤有机质和速效磷表现出较强的各向异性,碱解氮和速效钾的各向同性范围最广。 土壤
有机质、速效磷具有较强的趋势效应,碱解氮和速效钾的趋势较弱。 4 种养分的空间分布格局在坡度的影响
下呈现出一定的规律性,低值均在坡度较大的中北部出现,东北部和南部较平缓区域出现高值,在缓坡走向即
东北—西南方向上变异较强,坡体水平方向变异较弱。
地统计学与 GIS的结合极大地推动了区域土壤养分的空间变异研究,目前我国地统计学的研究报道多是
从大尺度、中尺度和小尺度上进行土壤养分的空间变异分析,主要用于土壤适宜性评价[29]及作物或林木[30]
的区域规划种植。 我国精准农业发展迅速,其优势是其它农业生产方式所无可比拟的,作为精准农业的一部
分,从微尺度上对土壤养分空间变异的研究较少。 攀西地区多以山地烟田为主,开展精准烟草农业困难重重,
难点之一就在于地形复杂,环境多变,对土壤养分含量的空间分布影响较大。 准确了解山地烟田土壤肥力的
空间变异特征是精准农业中进行变量施肥的基础,同时也是平衡施肥的依据。
根据以上研究结论,可以提出几点措施和途径:(1)在区域内应进行绿肥的种植和翻压,这样可以有效的
增加地表植被覆盖,减少由于土壤侵蚀而造成的养分流失,增加烟田有机质含量,改善土壤理化性质,尤其在
坡度较大的区域更应加强。 (2)地形因素对农户进行移栽、施肥等操作有较大影响,管理分区的划分应注意
连续性,可将海拔、坡度等因素与土壤养分数据一同作为源数据进行分区。 (3)施肥模型大田试验应在养分
分布图及高程模型的指导下,选取不同坡度范围内具有代表性的地块进行,以期获得更加科学的模型参数。
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图 4摇 土壤养分的空间分布格局
Fig. 4摇 Spatial distribution patterns of soil nutrient
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5952摇 8 期 摇 摇 摇 刘国顺摇 等:基于 GIS的缓坡烟田土壤养分空间变异研究 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 33,No. 8 April,2013(Semimonthly)
CONTENTS
Special Topics in Urban Ecosystems
Guidelines and evaluation indicators of urban ecological landscape construction
SUN Ranhao, CHEN Ailian, LI Fen, et al (2322)
………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Research progress in the quantitative methods of urban green space patterns TAO Yu, LI Feng, WANG Rusong, et al (2330)……
Effects of land use change on ecosystem service value: a case study in Huaibei City, China
ZHAO Dan, LI Feng, WANG Rusong (2343)
…………………………………………
………………………………………………………………………………………
Urban ecosystem complexity: an analysis based on urban municipal supervision and management information system
DONG Rencai, GOU Yaqing, LIU Xin (2350)
…………………
……………………………………………………………………………………
A case study of the effects of in鄄situ bioremediation on the release of pollutants from contaminated sediments in a typical, polluted
urban river LIU Min, WANG Rusong, JIANG Ying, et al (2358)………………………………………………………………
The pollution characteristics of Beijing urban road sediments REN Yufen, WANG Xiaoke, OUYANG Zhiyun, et al (2365)…………
Effects of urban green pattern on urban surface thermal environment CHEN Ailian,SUN Ranhao,CHEN Liding (2372)………………
Seasonal dynamics of airborne pollen in Beijing Urban Area MENG Ling, WANG Xiaoke, OUYANG Zhiyun,et al (2381)…………
Autecology & Fundamentals
Impact of alpine meadow degradation on soil water conservation in the source region of three rivers
XU Cui, ZHANG Linbo, DU Jiaqiang, et al (2388)
……………………………………
………………………………………………………………………………
Predicting the plant exposure to soil arsenic under varying soil factors XIAN Yu, WANG Meie, CHEN Weiping (2400)……………
Attraction effect of different host鄄plant to Colorado potato beetle Leptinotarsa decemlineata
LI Chao, CHENG Dengfa, GUO Wenchao, et al (2410)
……………………………………………
……………………………………………………………………………
Root decomposition and nutrient dynamics of Quercus mongolica and Betula Platyphylla JIN Beibei,GUO Qingxi (2416)……………
The interaction of drought and slope aspect on growth of Quercus variabilis and Platycladus orientalis
WANG Lin, FENG Jinxia, WANG Shuangxia, et al (2425)
…………………………………
………………………………………………………………………
Effects of diameter at breast height on crown characteristics of Chinese Fir under different canopy density conditions
FU Liyong, SUN Hua, ZHANG Huiru, et al (2434)
…………………
………………………………………………………………………………
Effects of temperature acclimation and acute thermal change on cutaneous respiration in juvenile southern catfish (Silurus
meridionalis) XIAN Xuemei, CAO Zhendong, FU Shijian (2444)…………………………………………………………………
Population, Community and Ecosystem
Altitudinal pattern of plant species diversity in the Wulu Mountain Nature Reserve,Shanxi, China
HE Yanhua, YAN Ming, ZHANG Qindi, et al (2452)
……………………………………
……………………………………………………………………………
Vegetation succession on Baishui No. 1 glacier foreland, Mt. Yulong CHANG Li, HE Yuanqing, YANG Taibao, et al (2463)……
The effects of Spartina alterniflora seaward invasion on soil organic carbon fractions,sources and distribution
WANG Gang,YANG Wenbin,WANG Guoxiang,et al (2474)
…………………………
………………………………………………………………………
Community characteristics and soil properties of coniferous plantation forest monocultures in the early stages after close鄄to鄄nature
transformation management in southern subtropical China HE Youjun, LIANG Xingyun, QIN Lin, et al (2484)………………
Response of invasive plant Flaveria bidentis to simulated herbivory based on the growth and reproduction
WANG Nannan, HUANGFU Chaohe, LI Yujin, et al (2496)
……………………………
………………………………………………………………………
Estimation of leaf area index of secondary Betula platyphylla forest in Xiaoxing忆an Mountains LIU Zhili, JIN Guangze (2505)………
Optimal number of herb vegetation clusters: a case study on Yellow River Delta YUAN Xiu, MA Keming, WANG De (2514)………
Application of polychaete in ecological environment evaluation of Laizhou Bay
ZHANG Ying, LI Shaowen, L譈 Zhenbo, et al (2522)
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Soil meso鄄and micro arthropod community diversity in the burned areas of Pinus massoniana plantation at different restoration
stages YANG Daxing, YANG Maofa, XU Jin, et al (2531)………………………………………………………………………
Landscape, Regional and Global Ecology
Temporal variety of boundary layer height over deep arid region and the relations with energy balance
ZHANG Jie,ZHANG Qiang,TANG Congguo (2545)
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Analysis and forecast of landscape pattern in Xi忆an from 2000 to 2011 ZHAO Yonghua,JIA Xia,LIU Jianchao,et al (2556)…………
Spatio鄄temporal variation in the value of ecosystem services and its response to land use intensity in an urbanized watershed
HU Hebing,LIU Hongyu,HAO Jingfeng,et al (2565)
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Resource and Industrial Ecology
Household optimal forest management decision and carbon supply: case from Zhejiang and Jiangxi Provinces
ZHU Zhen, SHEN Yueqin,WU Weiguang,et al (2577)
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Spatial variability characteristics of soil nutrients in tobacco fields of gentle slope based on GIS
LIU Guoshun,CHANG Dong,YE Xiefeng,et al (2586)
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Method of determining the maximum leaf area index of spring maize and its application MA Xueyan, ZHOU Guangsheng (2596)……
Urban, Rural and Social Ecology
Morphological structure of leaves and dust鄄retaining capability of common street trees in Guangzhou Municipality
LIU Lu, GUAN Dongsheng, CHEN Yongqin David (2604)
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Research Notes
Morphological responses to temperature, drought stress and their interaction during seed germination of Platycodon grandiflorum
LIU Zigang, SHEN Bing, ZHANG Yan (2615)
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Effects of nutrients on the growth of the parasitic plant Cuscuta australis R. Br. ZHANG Jing, LI Junmin, YAN Ming (2623)………
6362 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是由中国科学技术协会主管,中国生态学学会、中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊,创刊于 1981 年,报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果。 坚持“百花齐放,百家
争鸣冶的方针,依靠和团结广大生态学科研工作者,探索自然奥秘,为生态学基础理论研究搭建交流平台,促
进生态学研究深入发展,为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务、为国民经济建设和发展服务。
《生态学报》主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果。 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方法、新技术介绍;新书评价和
学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
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生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 33 卷摇 第 8 期摇 (2013 年 4 月)
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Vol郾 33摇 No郾 8 (April, 2013)
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