馬黃群，胡玉福，徐 柱，盧彩霞，李木梓

(1.西南交通大學(xué)遙感信息工程系，四川成都610031；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，四川雅安625014）

運用地統(tǒng)計學(xué)的土壤有機碳含量空間分布研究

馬黃群1,2，胡玉福2，徐 柱1，盧彩霞1，李木梓1

(1.西南交通大學(xué)遙感信息工程系，四川成都610031；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，四川雅安625014）

運用GIS地統(tǒng)計、緩沖區(qū)分析、疊置分析等方法，初步研究了西昌市邛海盆地土壤有機碳空間變異特征及主要影響因素。分析結(jié)果表明，研究區(qū)土壤樣本，呈正態(tài)分布，屬中等變異強度，高值區(qū)位于主城區(qū)東南部和邛海海域東南部，低值區(qū)位于邛海海域東北部,并向西北方向遞增。不同土壤質(zhì)地其含量顯著不同，中性條件下，其含量較高；不同緩沖區(qū)范圍內(nèi)，其含量表現(xiàn)出相應(yīng)的相關(guān)性。

地統(tǒng)計分析；緩沖區(qū)；土壤有機碳

土壤特性的空間變異研究一直是個被關(guān)注的熱點，但對土壤物理性質(zhì)、土壤鹽分變化問題的研究較多[1,2]，對土壤養(yǎng)分空間變異性的研究則相對較少。90年代，隨著發(fā)達國家精確農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展和GIS的廣泛應(yīng)用[3,4]，土壤特性的空間變異研究得到了眾多學(xué)者的關(guān)注。邛海盆地是涼山彝族自治州所在地，農(nóng)業(yè)人口約占總?cè)丝诘?6.4%，土地肥沃，自流灌溉便利，是國家和四川省農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)重點區(qū)。因此，如何合理利用土地和如何進行生態(tài)環(huán)境保護是該區(qū)經(jīng)濟發(fā)展面臨的重大課題。本研究通過分析該區(qū)土壤有機碳含量的影響因子，旨在為優(yōu)化土地資源管理措施和保護生態(tài)環(huán)境提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)基本概況

邛海盆地地處川西高原，屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候，年平均氣溫 17.2℃，日照充足，雨量充沛；該區(qū)以紅壤、黃紅壤為主，局部地區(qū)的紅壤達海拔2100m以上。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

數(shù)據(jù)源于西昌2006年測土配方施肥國家補貼項目土樣化驗分析匯總表，共提取392個采樣點。基于Arc-GIS9.3生成樣點分布圖如圖1所示。

1.3 常規(guī)統(tǒng)計分析

利用ArcGIS9.3中地統(tǒng)計模塊,統(tǒng)計出土壤有機碳含量的基本特征性數(shù)據(jù)。

1.4 地統(tǒng)計學(xué)基本理論

傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)理論是純隨機變量，但許多土壤性質(zhì)在空間上并不完全獨立，而在一定范圍內(nèi)存在著空間相關(guān)性。地統(tǒng)計學(xué)方法以半方差函數(shù)和Kriging插值為基本工具，能對既具有隨機性又具有結(jié)構(gòu)性的各種變量在空間上的分布進行研究[5]。

圖1 土壤樣點分布圖

半方差函數(shù)能較好地描述區(qū)域化變量的空間分布結(jié)構(gòu)性和隨機性，其中一些重要參數(shù)，可反映區(qū)域化變量在一定尺度上的空間變異和相關(guān)程度，是研究土壤特性空間變異性的關(guān)鍵，同時也是進行精確Krigking插值的基礎(chǔ)[6],其表達式為[7]：

式中，r(h)為半方差函數(shù)；h為樣點空間間隔間距，即步長；N(h)為間隔距離為h時的所有觀察樣點的成對數(shù)；Z(xi)和 Z(xi+h)分別是區(qū)域化變量 Z(x)在空間位置xi和xi+h的實測值。若h為橫坐標，r(h)為縱坐標繪制函數(shù)曲線圖，稱為半方差函數(shù)曲線圖，它可直接展示Z(x)的空間變異特點。

克里格插值，是地統(tǒng)計學(xué)的主要內(nèi)容，它是通過對已知樣本點賦權(quán)重來求得未知點的值。

式中，Z(x0)為未知采樣點的值；Z(xi)為未知樣點周圍的已知樣本點的值；i為第i個已知樣本點對位置樣點的權(quán)重；n為已知樣本點的個數(shù)。

1.5 空間分布特征分析

緩沖區(qū)分析是通過生成相關(guān)空間實體的緩沖區(qū)，以判斷空間實體影響范圍的過程[8]。本研究以土壤質(zhì)地、城鎮(zhèn)、邛海和河流為影響源，建立不同距離的緩沖區(qū)，以分析有機碳含量的變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 常規(guī)統(tǒng)計分析

基于 ArcGIS 9.3的地統(tǒng)計模塊，對采樣數(shù)據(jù)進行常規(guī)描述性統(tǒng)計 (見表1)。從偏度上看，呈右偏態(tài)分布。變異系數(shù)反映空間變異性程度，通常認為變異系數(shù)CV≤10%為弱變異性，10%

表1 土壤有機碳描述性統(tǒng)計表

2.2 空間變異分析

2.2.1 半方差分析

上述分析只能反映采樣點中有機碳含量特征，難以完全反映整個研究區(qū)的空間分布信息，即空間結(jié)構(gòu)性、隨機性、相關(guān)性和獨立性等。運用地統(tǒng)計學(xué)方法可以較好地彌補上述缺陷[10]。根據(jù)球狀理論模型得出相應(yīng)參數(shù)如表2所示。

表2 土壤有機碳的地統(tǒng)計學(xué)參數(shù)表

土壤養(yǎng)分分布由結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素決定。結(jié)構(gòu)性因素，如氣候、母質(zhì)、地形、土壤類型、自然因素等；隨機性因素，如施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動，使得土壤養(yǎng)分的空間相關(guān)性減弱，朝均一化方向發(fā)展。從結(jié)構(gòu)性因素的角度來看，塊金值與基臺值的比例可以表明系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性程度，比例<25%時，系統(tǒng)具有強烈空間的相關(guān)性；比例在25%～75%時，系統(tǒng)具有中等空間相關(guān)性；比例>75%時，系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱[11]。由表2可知，塊金值與基臺值之比為0.552，由此可見，邛海盆地土壤有機碳空間變異體現(xiàn)為中等強度的空間相關(guān)性,且以隨機變異為主。

2.2.2 空間分布特征

在以上分析的基礎(chǔ)上，采用Kriging法進行最優(yōu)內(nèi)插，得到土壤有機碳分級圖 (見圖 2)。高值區(qū)位于西昌市主城區(qū)東南部和邛海海域東南部，且以斑塊形式存在。低值區(qū)位于邛海海域東北部，并由該低值中心向西北方向遞增。

圖2 土壤有機碳含量 (g/kg)空間分布圖

2.3 土壤有機碳影響因素分析

2.3.1 土壤質(zhì)地

由表3可知，土壤有機碳含量表現(xiàn)為中壤>重壤>輕壤>砂>砂土，經(jīng)方差檢驗其差異均達極顯著水平(F=8.213，P=0.000)。其中重壤、輕壤、中壤中有機碳含量明顯高于砂土和砂壤，重壤、輕壤、中壤中有機碳含量差異未達明顯水平，砂土和砂壤中有機碳含量差異也均未達顯著水平(見表3)。不同質(zhì)地的土壤，肥力特性不同，因此有機碳含量也不相同。

表3 不同質(zhì)地土壤有機碳含量的均值方差

2.3.2 土壤pH值

土壤pH值常通過影響微生物的活動顯著影響土壤有機碳的含量及空間分布，微生物最適宜中性環(huán)境下活動，強酸或強堿條件下其活動受到抑制。從研究區(qū)不同pH的土壤有機碳含量來看，中性土壤>微酸性土壤>微堿性土壤>酸性土壤。經(jīng)方差檢驗，其差異達極顯著水平 (F=4.216，P=0.006)(見表4)。其中，中性條件下土壤有機碳含量明顯高于其他范圍pH值的有機碳含量。主要是由于土壤pH值在7.0左右，微生物較活躍，有利于分解有機質(zhì)，促進了土壤碳素的釋放。土壤pH值過高或過低，都限制了微生物分解有機質(zhì)的能力，從而土壤中有機碳含量偏低。

表4 不同pH值土壤有機碳含量的均值方差

2.3.3 西昌市影響分析

為分析西昌市城市化進程對其城鄉(xiāng)交錯帶土壤碳素含量的影響，選取最具典型的西昌市主城區(qū)為例，采用GIS空間分析中的緩沖區(qū)分析方法進行了研究。其具體做法是以西昌市主城區(qū)作為面實體影響源，分別建立0.4 km、0.8 km、1.2 km、1.6 km和2.0 km的緩沖區(qū)，探討主城區(qū)對城鄉(xiāng)交錯帶土壤碳素含量的影響。通常，相關(guān)系數(shù)在0.8-1.0為極強相關(guān)，0.6-0.8為強相關(guān)，0.4-0.6為中等程度相關(guān)，0.2-0.4為弱相關(guān)，0.0-0.2為極弱相關(guān)或無相關(guān)。分析顯示城鎮(zhèn)對土壤有機碳含量影響屬于強相關(guān)性 (見圖 3)。這主要是由于在城市周邊人為因素造成的，如生活垃圾、工礦業(yè)廢渣、污泥、塑料廢棄物等，對土壤資源侵占、污染，而使土壤養(yǎng)分遭到破壞。

圖3 主城區(qū)不同緩沖區(qū)距離土壤有機碳含量的變化情況

2.3.4 邛海影響分析

作為四川第二大淡水湖的邛海對西昌市的降雨、氣溫、土地利用等也有較大的影響。以邛海作為面實體影響源，分別建立0.3 km、0.6 km、0.9 km、1.2 km和1.5 km的緩沖區(qū)，分析顯示呈現(xiàn)極強的相關(guān)性 (見圖4)?？傮w水平上隨著緩沖區(qū)距離的增加，其含量也增加。這主要是由于大量侵蝕、搬運、沉積作用使得較大的土壤顆粒堆積在湖岸，一般來說土壤顆粒越大保肥性越弱，從而土壤有機碳含量低。

圖4 邛海海域不同緩沖區(qū)距離土壤有機碳含量的變化情況

2.3.5 河流影響分析

該區(qū)水系相對密集，為反映河流對土壤有機碳含量的影響，以河流作為線實體影響源，分別建立0.1km、0.2 km、0.3 km、0.4 km和0.5 km的緩沖區(qū)，分析顯示其呈極強的正相關(guān) (見圖5)。隨著緩沖區(qū)距離的增加，其含量也明顯增加。這主要是由于河流流水搬運、沉積作用使得土壤表現(xiàn)近河岸粗遠河岸細。一般來說顆粒大的土壤保水性差，吸附、保持養(yǎng)分能力差，且土中有機養(yǎng)分分解迅速。

3 結(jié) 語

本研究從結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素兩方面，分析了研究區(qū)域內(nèi)土壤有機碳含量變化的情況，表現(xiàn)其空間變異顯著。運用GIS的地統(tǒng)計分析，能夠更直觀地反映土壤有機碳的空間分布，為該區(qū)資源配置提供決策支持。

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Research on Spatial Distribution of Soil Organic Carbon Content Based on Geostatistics

by MA Huangqun

s Apreliminary researchonthe spatial distributioncharacteristics and their main influential factors of soil organic carbon in Qionghai basin here were performed by the software ArcGIS 9.3 with the geostatistics,buffer analysis and overlay analysis tools.The results were as follows.Firstly,the soil organic carbon content followed a normal distribution,and belonged to moderate variability.Secondly, the regions with high soil organic carbon content were located in the southeast of Xichang and the southeast of Qionghai,while the low ones were located in the northeast of Qionghai,and gradually increased towardsnorthwest simultaneously.Furthermore,theorganiccarbon content was significantly different with different soil structure,especially in neutral condition,it had a high value.Finally,the content of soil organic carbon showed a corresponding correlation on different buffer zones.

Geostatistic analysis，buffer，organic carbon

2011-09-23

項目來源：公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助項目（201111013）。

P208

B

1672-4623(2012)03-0075-03

馬黃群，碩士，研究方向為GIS理論與應(yīng)用。