王合玲, 張輝國, 呂光輝

(1.新疆財(cái)經(jīng)大學(xué) 應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830012; 2.新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046; 3.新疆大學(xué) 數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046)

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艾比湖流域土壤有機(jī)質(zhì)與土壤因子響應(yīng)關(guān)系的空間非平穩(wěn)性分析

王合玲1,2, 張輝國3, 呂光輝2

(1.新疆財(cái)經(jīng)大學(xué) 應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830012; 2.新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046; 3.新疆大學(xué) 數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046)

為了研究新疆艾比湖流域土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)與土壤因子響應(yīng)關(guān)系的空間非平穩(wěn)性，文章應(yīng)用地理加權(quán)回歸模型(GWR)分析了2009年艾比湖流域49個樣點(diǎn)1—120 cm土壤層有機(jī)質(zhì)與土壤酸堿性、電導(dǎo)率和重金屬含量之間關(guān)系的空間變異特征。研究結(jié)果表明：在平均意義下，土壤酸堿性和電導(dǎo)率對SOM含量具有反向影響，而重金屬含量的影響是正向的，但是在流域的不同區(qū)域以及不同深度土壤層間，各土壤因子對SOM含量的影響空間差異顯著、具有非平穩(wěn)性，流域的東西兩端及60—120 cm土壤層的非平穩(wěn)性尤為顯著。模型的殘差分析結(jié)果證實(shí)GWR擬合效果較好。

土壤有機(jī)質(zhì); 土壤因子; 空間非平穩(wěn)性; 地理加權(quán)回歸模型; 艾比湖流域

土壤是具有高度變異性的時空連續(xù)體，土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)是土壤的重要組成物質(zhì)，對改善土壤物理、化學(xué)性質(zhì)以及植物的生長起著重要的作用。揭示土壤有機(jī)質(zhì)變異規(guī)律是了解土壤肥力狀況的重要內(nèi)容，也是評估土壤固碳能力和實(shí)現(xiàn)土壤可持續(xù)利用的前提。SOM與諸多土壤因子的空間分布特征在國內(nèi)外被廣泛研究[1-10]，如SOM與土壤酸堿性(pH值)[11]，SOM與土壤全氮和鹽分等[12]，楊奇勇和楊勁松[13]、王淑英等[14]分析了不同尺度條件土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布。但是，上述研究主要側(cè)重SOM和土壤理化因子等數(shù)量指標(biāo)的空間變異狀況，而缺乏各土壤因子與SOM含量相互影響的進(jìn)一步研究，特別是對其響應(yīng)關(guān)系在空間區(qū)域和土壤不同剖面深度的空間非平穩(wěn)特征缺乏定量分析。地理加權(quán)回歸模型[15-17](Geographically Weighted Regression,GWR)將數(shù)據(jù)空間信息有效納入回歸分析框架，是探索變量響應(yīng)關(guān)系空間非平穩(wěn)(spatial non-stationarity)特征的有效工具。本文以艾比湖流域?qū)嶋H采樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用地理加權(quán)回歸模型(GWR)定量地分析和推斷了土壤的pH值、電導(dǎo)率和重金屬含量等土壤因子對SOM含量的影響關(guān)系及其空間非平穩(wěn)性，分析結(jié)果將有利于提高對典型干旱區(qū)封閉性流域土壤侵蝕與退化過程中土壤生態(tài)系統(tǒng)演替的認(rèn)識，同時也為艾比湖流域土壤資源的合理利用和可持續(xù)發(fā)展以及生態(tài)保護(hù)和植被恢復(fù)提供理論基礎(chǔ)和決策依據(jù)。

1　材料與研究方法

1.1研究區(qū)概況

新疆艾比湖流域位于43°38′—45°52′N,79°53′—85°02′E，地處歐亞大陸腹地、天山西段北麓、準(zhǔn)噶爾盆地西南部，其北、西、南三面被高山阻隔，此封閉性流域地跨博爾塔拉蒙古自治州的博樂市、溫泉縣和精河縣，塔城地區(qū)的烏蘇和托里縣南部，伊犁州直屬的奎屯市和克拉瑪依的獨(dú)山子區(qū)，面積50 621 km2。屬干燥少雨多風(fēng)的典型北溫帶大陸性干旱氣候[18-21]。艾比湖流域以農(nóng)牧業(yè)為主，長期的水土流失和其他各種人為破壞，直接威脅該流域農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1.2土壤樣品采集與測定

為了系統(tǒng)研究艾比湖流域內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)空間分布特征及其影響因素的響應(yīng)關(guān)系，2009年在艾比湖流域布設(shè)49個土壤剖面發(fā)育完整、層次清晰和無入侵體的采樣點(diǎn)。每個樣點(diǎn)土壤剖面按自下而上分層次采樣以確保不同深度土壤樣品無相互混雜污染，采樣總深度為120 cm，每20 cm土壤作為一個取樣層，且每層土壤樣品不少于2.5 kg。另外，為了降低人為因素的影響，所布設(shè)樣點(diǎn)距離公路及鐵路均超過300 m且盡量避開耕地。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、研磨和過100目篩(0.15 mm孔徑)后備用，利用重鉻酸鉀—硫酸溶液直接加熱消解法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量、運(yùn)用pH計(jì)法對土壤酸堿性進(jìn)行測定、通過電導(dǎo)儀法測定土壤電導(dǎo)率、由電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定8種重金屬元素。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析方法

生態(tài)科學(xué)和環(huán)境科學(xué)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通常都來自于特定的地理位置，蘊(yùn)含地理位置的信息，因而這種具有空間位置屬性的數(shù)據(jù)稱為空間數(shù)據(jù)。根據(jù)Tobler地理學(xué)第一定律任何事物與其他事物都是空間相關(guān)的，距離越近的事物之間的空間相關(guān)性越大。他們之間的空間相關(guān)性會導(dǎo)致回歸關(guān)系的空間非平穩(wěn)性或回歸關(guān)系的空間異質(zhì)性(spatial heterogeneity)。線性回歸模型通常忽略了數(shù)據(jù)的空間位置屬性，只反映平均意義下因變量與自變量的相關(guān)關(guān)系，而不能有效反映回歸關(guān)系的空間非平穩(wěn)性的特征。而近些年出現(xiàn)的一種新的空間局部回歸技術(shù)——地理加權(quán)回歸模型(Geographically Weighted Regression,GWR)是將數(shù)據(jù)的地理位置引入到回歸系數(shù)之中，基于回歸系數(shù)函數(shù)的估計(jì)探索和分析回歸關(guān)系的空間非平穩(wěn)性(spatial nonstationarity)的特征。

設(shè)Y為因變量，X1,X2,…,Xp為自變量，(Yi,Xi1,Xi2,…,Xip)為因變量與自變量在地理位置(ui,vi)處的觀測值i=1,2,…,n，則地理加權(quán)回歸模型為：

Yi=β0(ui,vi)+β1(ui,vi)Xi1+…+βp(ui,vi)Xip+εi

式中：βj(u,v)(j=0,1,…,p)——空間地理位置(u,v)的未知函數(shù)；εi(i=1,2,…,n)——獨(dú)立同分布的誤差項(xiàng)且E(εi)=0,var(εi)=σ2

GWR模型中的回歸函數(shù)可由非參數(shù)核估計(jì)方法得到，本文數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和模型計(jì)算使用R軟件(http:∥www.r-project.org/)完成，地圖由ArcView GIS 3.3和Surfer 9繪制。

2　結(jié)果與分析

為了將回歸系數(shù)的空間非平穩(wěn)性納入回歸模型，假定其中(ui,vi)表示第i個樣本點(diǎn)的空間坐標(biāo)，土壤有機(jī)質(zhì)含量與它的空間位置、土壤酸堿性、電導(dǎo)率和重金屬含量滿足地理加權(quán)回歸模型：

土壤有機(jī)質(zhì)含量=β0(u,v)+β1(u,v)土壤酸堿性+β2(u,v)土壤電導(dǎo)率+β3(u,v)土壤重金屬含量+ε

依據(jù)艾比湖流域土壤采樣數(shù)據(jù)，估計(jì)和檢驗(yàn)上述GWR模型，即可評估艾比湖流域土壤有機(jī)質(zhì)與土壤因子的空間非平穩(wěn)性。

2.1土壤有機(jī)質(zhì)與土壤因子地理加權(quán)回歸模型的估計(jì)和檢驗(yàn)

由表1可知，深層81—100 cm土壤酸堿性對SOM的影響最大為3.16，均值都為負(fù)值，說明從總體上看隨著土壤酸堿性的增加SOM含量都在減少，并且在深層101—120 cm土壤酸堿性對SOM含量反向影響最大，其值為15.01；土壤電導(dǎo)率對SOM含量影響最大的在41—60 cm，其值為2.69，除了在81—100 cm的均值為正值外，其他五層均值均為負(fù)值，說明從平均意義上看隨著土壤電導(dǎo)率的增加SOM含量都在減少；土壤重金屬含量在21—40 cm對SOM含量影響最大為5.48，除了在61—80 cm的均值為負(fù)值外，其他五層的均值都為正值，說明從平均意義上看隨著土壤重金屬含量的增加SOM含量都在增加。

表1　艾比湖流域土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤因子GWR模型系數(shù)函數(shù)估計(jì)值統(tǒng)計(jì)分析

附圖4顯示在表層1—20 cm中SOM含量與土壤因子的GWR模型的系數(shù)空間分布不一致，總體上看土壤因子對SOM含量的影響分布是西高東低；土壤的酸堿性在艾比湖區(qū)對SOM質(zhì)含量的正向影響最大，在烏蘇市對SOM含量的反向影響最大；土壤電導(dǎo)率在艾比湖流域的溫泉縣對SOM含量的正向影響最大，而在克拉瑪依和奎屯市反向影響最大；土壤的重金屬在流域中部影響最大。

在21—40 cm土壤的酸堿性、電導(dǎo)率和重金屬含量除了艾比湖區(qū)外，所有其他區(qū)域SOM含量的影響都是反向的，在流域東部的奎屯市,土壤的酸堿性和電導(dǎo)率對SOM含量的反向影響最大；土壤重金屬含量在流域西部的溫泉縣對SOM含量的反向影響最大。因此，土壤因子對SOM含量的影響都比較大，尤其局部的變化更明顯。

由附圖5知，土壤各因子對SOM含量的影響在41—80 cm比較相似，土壤的酸堿性總體上對SOM含量的影響都是反向，即隨著土壤的酸堿性的增加SOM含量的增加；在流域西部的溫泉縣土壤的酸堿性影響最大，而在流域東部土壤的酸堿性反向影響最大；總體上土壤電導(dǎo)率對SOM含量的影響的空間分布是西高東低，土壤重金屬是西低東高；在流域的西部溫泉縣土壤重金屬反向影響最大。

由附圖6知，在81—100 cm土壤的酸堿性和電導(dǎo)率在流域西部溫泉縣對SOM含量的影響較顯著，而在流域東部基本上都是反向的；土壤的重金屬在流域兩端對SOM含量的影響很大，而在中部影響較小，尤其在流域西部溫泉縣反向影響最大，在流域東部正向影響很大。

在101—120 cm土壤各因子在流域西部溫泉縣，土壤重金屬反向影響最大，土壤的酸堿性和電導(dǎo)率由西向東增大，除了局部幾個區(qū)域外，總體土壤的酸堿性和電導(dǎo)率都是反向的；而土壤重金屬除了流域西部的溫泉縣外，總體都是正向，尤其在流域東部的奎屯市和克拉瑪依，土壤重金屬影響最大。

通過上述分析可得SOM含量與土壤因子的GWR模型系數(shù)的空間分布很不均勻，說明模型更能夠體現(xiàn)局部的空間特征，而且能夠更加詳述土壤各因子在各土壤層的空間變異性和異質(zhì)性。

由表2可知，艾比湖流域SOM與土壤因子GWR模型F的檢驗(yàn),除了表層1—20 cm其他五層都是顯著，尤其在61—120 cm較顯著；土壤的酸堿性在1—60 cm不顯著，在61—120 cm顯著，尤其在61—80 cm和101—120 cm較顯著的；土壤的電導(dǎo)率在81—120 cm較顯著的，在41—60 cm顯著，其他三層土壤電導(dǎo)率都不顯著；土壤重金屬在各層都不顯著。

此外，表2顯示表層1—20 cm，41—80 cm和深層101—120 cm的GWR模型的殘差差異較大，而且在1—60 cm回歸殘差的均值為負(fù)，說明總體來看這三層回歸殘差是正負(fù)相間；而在61—120 cm為正，回歸殘差具有集聚的特征。

表2　艾比湖流域SOM含量與土壤因子GWR模型以及回歸系數(shù)非平穩(wěn)性檢驗(yàn)

注：*p<0.1，**p<0.05。

2.2土壤有機(jī)質(zhì)與土壤因子GWR模型的殘差分析

由附圖7可見擬合殘差在1—60 cm主要差異分布在艾比湖區(qū)和烏蘇市以及流域西端，其他區(qū)域幾乎都為負(fù)值，說明殘差是正負(fù)相間，差異最大在艾比湖區(qū)，主要由于湖區(qū)水分充足和表層土壤分解腐殖質(zhì)和枯落物很充分導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量差異大。在61—120 cm為正值的區(qū)域主要分布在流域東西兩端和艾比湖區(qū)，其他區(qū)域幾乎都為負(fù)值，殘差差異最大在流域西部的溫泉縣和博樂市。

通過以上分析可知：GWR模型的殘差分布不均勻，除了一部分區(qū)域殘差比較大，其他大多數(shù)的殘差比較小。

3　結(jié) 論

文章針對艾比湖流域土壤酸堿性、電導(dǎo)率和重金屬含量等土壤因子與SOM含量之間的空間非平穩(wěn)關(guān)系展開研究，建立了各土壤因子對有機(jī)質(zhì)含量的地理加權(quán)回歸模型，然后估計(jì)回歸系數(shù)函數(shù)并檢驗(yàn)其空間非平穩(wěn)性，藉此分析了土壤因子與有機(jī)質(zhì)含量響應(yīng)關(guān)系的空間變化特征。

在平均意義下，土壤的酸堿性和電導(dǎo)率對土壤有機(jī)質(zhì)的影響是反向的，而重金屬含量對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響是正向的。然而，由空間變系數(shù)函數(shù)在各層估計(jì)曲面來看，艾比湖流域各土壤因子對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響程度在流域空間內(nèi)不均衡，具有顯著的空間非平穩(wěn)性。具體地，土壤因子對土壤有機(jī)質(zhì)含量的回歸關(guān)系在流域的東西兩端變化劇烈，而在中部的艾比湖區(qū)較為平穩(wěn)。此外，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果還表明土壤因子回歸系數(shù)曲面的非平穩(wěn)檢驗(yàn)的顯著程度在各土壤層之間差異很大，因而土壤因子與有機(jī)質(zhì)含量的回歸關(guān)系沿不同土壤剖面深度顯著不同，土壤因子對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響強(qiáng)度在淺層土壤(1—60 cm)變化較小，而在深層土壤(60—120 cm)變化較大。地理加權(quán)回歸模型的殘差分析表明數(shù)據(jù)擬合效果較好。上述研究有助于深化艾比湖流域土壤侵蝕與退化過程中土壤生態(tài)系統(tǒng)演替的認(rèn)識，為流域內(nèi)土壤資源的合理利用以及因地制宜地實(shí)施生態(tài)保護(hù)和植被恢復(fù)提供了決策依據(jù)。

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Analysis of Spatial Non-stationary Relationships Between Soil Organic Matter and Soil Factors in Ebinur Lake Basin

WANG Heling1,2, ZHANG Huiguo3, Lü Guanghui2

(1.College of Applied Mathematics, Xinjiang University of Finance and Economics,Urumqi830012,China; 2.XinjiangKeyLaboratoryofOasisEcology,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 3.InstituteofMathematicsandSystemScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China)

In order to study the spatial non-stationary relationships between soil organic matter (SOM) and soil factors in Ebinur Lake Basin, according to 49 samples of 1—120 cm soil layer from the Ebinur Lake Basin in 2009, Geographically Weighted Regression (GWR) was employed to analyze spatial heterogeneity regression relationships between SOM and soil factors including soil pH, electrical conductivity and heavy mental contents. The results show that, in an average sense, soil pH and electrical conductivity have the reverse impact on the SOM content, and the impact of the heavy metal contents is positive. However, the regression relationships between SOM contents and each soil factor are significantly spatial non-stationary and vary with the region and soil depth in the basin. Specifically, the spatial non-stationarity is more significant in the eastern and western regions of the basin and the 60—120 cm soil layer. The residual diagnosis indicates that the GWR model is effective.

soil organic matter; soil factors; spatial non-stationarity, geographically weighted regression; Ebinur Lake Basin

2015-04-02

2015-05-12

國家自然科學(xué)資助項(xiàng)目(41261087);教育部人文社會科學(xué)青年研究項(xiàng)目(12XJJC91001);新疆大學(xué)博士啟動資助項(xiàng)目(BS130103);新疆財(cái)經(jīng)大學(xué)博士項(xiàng)目基金(2014BS003)

王合玲(1975—),女,新疆烏魯木齊人,博士,副教授,碩導(dǎo),研究方向?yàn)榭臻g統(tǒng)計(jì)學(xué)及區(qū)域生態(tài)學(xué)與生態(tài)模型。E-mail:wang_heling@163.com

S159.2； Q142.3

A

1005-3409(2016)02-0224-05