【摘 要】利用ArcGIS10.0的地統(tǒng)計分析工具，對隆化縣耕層土壤（0～20cm）有機質(zhì)進行了探索性空間分析、半變異函數(shù)模型分析和地統(tǒng)計插值。揭示了隆化縣土壤有機質(zhì)的空間變異特征，和分布規(guī)律、統(tǒng)計了個級別分布面積。

【關鍵字】耕地；耕層土壤；有機質(zhì)；空間結構分析

1 研究區(qū)概況

隆化縣位于河北省北部，地處冀北山地，東經(jīng)116°47′45″～118°19′ 07″，北緯41°08′48″～41°50′09″。海拔390～1800m，整個地勢北高南低，屬大陸性中溫帶季風型半濕潤氣候區(qū)，年均溫度2～8℃；無霜期天90～140d；年降水量450～550mm。全縣總面積5460km2，其中耕地面積57334hm2，土壤類型為棕壤、褐土、潮土、草甸土。土壤質(zhì)地以砂壤質(zhì)、輕壤質(zhì)和中壤質(zhì)為主。主栽農(nóng)作物為玉米、水稻和雜糧，是河北省糧食生產(chǎn)大縣之一。

自1981年第二次全國土壤普查以來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和種植結構發(fā)生了很大變化，隨著農(nóng)作物良種的普及和化肥施用量的增加，單位面積農(nóng)作物產(chǎn)量大幅度提高，農(nóng)田土壤養(yǎng)分也在發(fā)生著變化。土壤有機質(zhì)是土壤肥力的重要指標，分析其含量和分布特征，可以為土壤改良和合理施肥提供科學依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 樣品采集及測試

根據(jù)土壤類型，采用GPS定位，于2009年采集耕層（（0～20cm））土壤樣品6010個，平均每5～10hm2采取一個土壤樣品。具體方法為在距每一樣點10～20 m 的范圍內(nèi)采集耕層各5～15 份土樣，混合均勻后用四分法再留取1 kg 土樣風干，磨細并全部通過0.125mm 篩的土樣，土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—硫酸溶液—油浴法測定。

2.2 數(shù)據(jù)處理

以ESRI 公司的ArcGIS 10.0為軟件平臺，利用其地統(tǒng)計（Geostatistics）模塊，對土壤測試數(shù)據(jù)養(yǎng)分進行了探索性數(shù)據(jù)分析及空間插值。包括對土壤采樣測試數(shù)據(jù)作直方圖分析、QQ正態(tài)圖分析和趨勢分析，檢驗數(shù)據(jù)分布特征，尋找異常值；進行分析全局趨勢，確定空間插值方法和參數(shù)；進行地統(tǒng)計插值，形成連續(xù)的預測表面。

3 結果與分析

3.1 耕層土壤有機質(zhì)分布特征

直方圖（圖1）分析是對采樣數(shù)據(jù)按一定的分級方案進行分級，統(tǒng)計采樣點落入各個級別中的個數(shù)，并通過柱狀圖表現(xiàn)出來，以直觀地反映采樣數(shù)據(jù)的分布特征、總體規(guī)律，用來檢驗數(shù)據(jù)分布。 探索性數(shù)據(jù)分析的直方圖窗口，還顯示了耕層土壤有機質(zhì)一些基本統(tǒng)計信息（見表1）。

由表1可見，全縣耕層土壤有機質(zhì)含量的變化范圍在0.2～39.9g/kg 之間，平均含量為18.216g/kg ，標準差為6.479，變異系數(shù)為37.30% ，屬中等變異強度。有機質(zhì)1/4分位數(shù)為13.3； 3/4分位數(shù)為22.9，中值為17.3，略低于平均值。

峰度（Kurtosis）是用于描述數(shù)據(jù)分布高度的指標，正態(tài)分布的峰度等于3，隆化縣耕層土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)的峰度為 2.852，很接近正態(tài)分布。

偏態(tài)（Skewness）是用于描述數(shù)據(jù)分布左右對稱性的指標，正態(tài)分布的偏態(tài)等于0. 隆化縣耕層土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)的偏態(tài)為0.40185，數(shù)據(jù)低值部分較集中，稍呈正偏態(tài)分布。

3.2 正態(tài)QQ piot圖分析

正態(tài)QQ piot圖 提供了另一種度量數(shù)據(jù)正態(tài)分布的方法，利用QQ piot圖，可以將現(xiàn)有數(shù)據(jù)的分布與標準正態(tài)分布對比，入股數(shù)據(jù)越接近一條直線，則它越接近于服從正態(tài)分布。

從耕層土壤有機質(zhì)的正態(tài)QQ piot圖（圖2）可見，隆化縣耕層土壤有機質(zhì)測試數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。

3.3 數(shù)據(jù)趨勢面分析

趨勢面分析是根據(jù)樣點數(shù)據(jù)擬合一個數(shù)學曲面，用該數(shù)學曲面來反映空間分布的變化情況，它和可分為趨勢面和偏差兩部分，其中趨勢面反映了土壤測試數(shù)據(jù)總體的變化趨勢，受全局性、大范圍的因素影響，準確識別和量化全局趨勢，在ARCGIS地統(tǒng)計建模時可以方便的剔除全局趨勢，從而更準確地模擬短程隨機變異。具體做法是用XY坐標表示樣點位置，Z軸表示測試值。將Z軸數(shù)值分別投影到XZ平面和YZ平面作散點圖，然后用多項式擬合投影平面散點圖，根據(jù)形成的曲線，識別數(shù)據(jù)是否存在全局趨勢。投影面上的深色散點上的線表示南—北向的全局性趨勢應變化，投影面上的淺色散點上的線表示的是東—西向全局性的趨勢效應變化。

從圖3可見，隆化縣土壤有機質(zhì)存在西部高于東部的趨勢，旋轉坐標得到擬合的趨勢圖（圖4），顯示有機質(zhì)含量呈西南至東北逐漸降低的趨勢的全局。

3.3.1 土壤養(yǎng)分空間變異

（1）土壤有機質(zhì)的結構分析。地統(tǒng)計工具向?qū)Ц鶕?jù)不同空間位置上有機質(zhì)含量的分析數(shù)據(jù)，計算實際半方差值，并繪制變異函數(shù)曲線圖，這是空間變異分析的基本步驟，也是進行克里金插值的前提。變異函數(shù)曲線圖表示有機質(zhì)含量的區(qū)域化變量在距離與方向上的所有成對點觀測值之間的空間相關性。得出的半變異函數(shù)圖的起伏特征、原點處性狀、趨勢走向等形狀特點提供了豐富的空間結構信息。

土壤有機質(zhì)的各向同性下的變異函數(shù)（圖5）展示了較好的空間結構，較好的符合stable模型。

表2為土壤有機質(zhì)半方差函數(shù)模型類型及其參數(shù)。由表2可見，耕層土壤有機質(zhì)分布由一個趨勢構成，模型類型為穩(wěn)定的模型； 變程18730m，相關距離較大，偏基臺值18.384，塊金值18.824，基臺值37.208，塊金效應0.506，為中等塊金效應。表明其空間異質(zhì)性受結構因素和隨機因素共同影響， 結構因素包括氣候、母質(zhì)、地形、土壤類型等， 隨機因素包括耕作栽培措施、施肥措施、作物布局人類活動。

（2）克里金插值及誤差檢驗通過對眾多參數(shù)和設置進行選擇，對構方差、塊金值、空

間相關性及最大相關距離，對插值結果進行檢驗和測試，生成多個預測圖，并對不同預測圖交叉檢驗誤差進行比較.根據(jù)標準平均值（Mean Standardized）最接近于0、均方根預測誤差（Root-Mean-Square）最小、平均標準誤差（Average Standard Error）最接近于均方根預測誤差（Root-Mean-Square）、標準均方根預測誤差（Root-Mean-Square Standardized）最接近于1的判別標準（表3），選擇最優(yōu)模型生成的預測圖，以縣區(qū)域圖層為最大范圍，對預測圖進行外推，用縣區(qū)域圖層為掩膜，進行柵格數(shù)據(jù)提取，形成隆化縣土壤養(yǎng)分柵格圖（圖6）。

3.3.2 土壤有機質(zhì)的空間分布特征

從插值圖（圖6）可以看出，土壤有機質(zhì)含量空間分布具有顯著的差異，并有比較明顯的方向性效應，呈現(xiàn)從東北到西南明顯升高的趨勢。土壤有機質(zhì)含量相對較高（>30g/kg）的區(qū)域主要分布在郭家屯、太平莊等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，而西阿超、廟子溝、偏坡營、荒地、中關等鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤有機質(zhì)含量相對較低（<15g/kg）。

另外，土壤有機質(zhì)含量，在各土類有明顯差異，棕壤19.38g/kg，褐土17.78 g/kg，潮土19.33 g/kg，草甸土21.06 g/kg，與該土類型有機質(zhì)積累特點相關。

3.4 土壤有機質(zhì)含量分級及面積統(tǒng)計

根據(jù)隆化縣土壤有機質(zhì)含量情況，將其分為六個等級： 一級30～40g/kg、二級 25～30g/kg、三級0～25g/kg、四級15～20g/kg、五級10～15g/kg、六級5～10 g/kg.由表5可見：一級和六級只占不到2%，四級和五級共占67.32%。

4 結論

隆化縣耕層土壤有機質(zhì)含量符合正態(tài)分布，其空間異質(zhì)性受結構性因素和隨機因素共同影響，兩方面約各占一半。

全縣耕層土壤有機質(zhì)含量存在由東北部低于西南部的整體趨勢。不同土壤類型的有機質(zhì)含量有較明顯的差異，其平均含量以草甸土最高，褐土最低。全縣耕層土壤有機質(zhì)含量大部分處于中等偏低水平。

參考文獻

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