陶前輝

摘 要：基于地形起伏度，運(yùn)用窗口分析法、半方差函數(shù)模型法等方法分析滁州市土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布特征。結(jié)果表明，地形起伏度與土壤有機(jī)質(zhì)具有顯著相關(guān)性;滁州市在該數(shù)據(jù)源下的最佳分析窗口尺度為91×91，最佳統(tǒng)計(jì)面積為7.46km2;SOM的變異系數(shù)為34.0%，屬中等變異強(qiáng)度，塊金效應(yīng)值C/（C0+C）為17.0%，具有較高的空間相關(guān)性，SOM含量空間變異具有一階趨勢(shì)和各向異性。

關(guān)鍵詞：土壤有機(jī)質(zhì);DEM;滁州市

中圖分類(lèi)號(hào) K901文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2020）01-0095-03

土壤有機(jī)質(zhì)空間變異的研究是農(nóng)作物用地質(zhì)量評(píng)價(jià)、植物的生長(zhǎng)以及農(nóng)業(yè)潛力分析預(yù)測(cè)的重要基礎(chǔ)，而土壤有機(jī)質(zhì)的含量是衡量土壤肥力和耕地質(zhì)量的重要指標(biāo)。通過(guò)研究和分析土壤有機(jī)質(zhì)空間變異可以為相關(guān)環(huán)境研究提供參考，為培肥地力，提高作物產(chǎn)量提供重要指導(dǎo)。地形是影響土壤有機(jī)質(zhì)空間變異的一個(gè)重要因素，而地形起伏度是反映地形特征的一個(gè)重要參數(shù)，目前基于地形起伏度的研究已廣泛應(yīng)用于人口和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，但基于地形起伏度對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異特征的研究較少。本研究選取安徽省滁州市為研究區(qū)，該地區(qū)位于長(zhǎng)江流域農(nóng)業(yè)區(qū)且地形相對(duì)豐富具有典型性，通過(guò)常規(guī)統(tǒng)計(jì)、地統(tǒng)計(jì)和地理信息系統(tǒng)（GIS）相結(jié)合的方法對(duì)滁州市土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間變異規(guī)律進(jìn)行綜合分析。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 數(shù)據(jù)主要為Aster GDEM（分辨率為30m）、滁州市土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)（共191個(gè)樣本點(diǎn)，自滁州土種志）。

1.2 分析方法

1.2.1 地形起伏度 地形起伏度是指在一定區(qū)域單元內(nèi)，海拔高度的最高點(diǎn)與海拔高度的最低點(diǎn)的差值。地形起伏幅度是描述一個(gè)地區(qū)地形特征的宏觀(guān)指標(biāo)，同時(shí)也作為劃分地貌類(lèi)型的一個(gè)重要指標(biāo)。其公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 最佳地形起伏單元的確定 地形起伏度作為劃分地貌類(lèi)型的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)于同一地區(qū)而言，不同的DEM數(shù)據(jù)類(lèi)型，不同的分辨率DEM，所使用的最佳單元大小也不同[1]。鄰域單元是影響地形起伏計(jì)算精度的一個(gè)重要因素，通常情況下地形起伏度會(huì)隨著鄰域范圍的增加而不斷增大，當(dāng)鄰域范圍增加到一定閾值后地形起伏度會(huì)趨向于平穩(wěn)，因此基于鄰域計(jì)算地形起伏度時(shí)應(yīng)該不斷擴(kuò)大鄰域范圍計(jì)算不同尺度下的地形起伏度。目前應(yīng)用最廣泛的方法是規(guī)則窗口遞增法[2]?；谝?guī)則窗口遞增法，以n×n（n=3，7，11……111）增加步長(zhǎng)為4柵格矩形作為模板算子，3×3作為起始窗口，對(duì)整個(gè)研究區(qū)域做遍歷運(yùn)算，到111×111終止。計(jì)算柵格分析窗口內(nèi)的高程差，所得的高程差值即為柵格分析窗口的地形起伏度值。通過(guò)人工作圖法確定最佳窗口[3]。使用窗口大小和地形起伏度進(jìn)行回歸分析，并提取擬合度最好的2條擬合曲線(xiàn)，如圖1。

由圖1可知，利用對(duì)數(shù)模型和多項(xiàng)式模型對(duì)地形起伏度與領(lǐng)域尺度進(jìn)行擬合，其中對(duì)數(shù)模型擬合效果最好，其次為多項(xiàng)式模型，擬合方程分別為y=71.927ln（x）+9.671，y=-0.0333x2+5.4747x+111.98。地形起伏度隨著領(lǐng)域單元的增大而增大，當(dāng)鄰域單元尺度達(dá)到一定閾值后增幅變緩地形起伏度開(kāi)始逐漸趨向于平穩(wěn)。鑒于閾值不明顯，故采用2個(gè)擬合度最好的擬合曲線(xiàn)在地形起伏度趨于平穩(wěn)后的交點(diǎn)為最佳鄰域單元尺度，即鄰域尺度為91*91時(shí)，開(kāi)辟一個(gè)2.73km*2.73km大小的柵格區(qū)作為操作單元較為合適。

2.2 有機(jī)質(zhì)的空間變異 在地形起伏度的基礎(chǔ)上，并結(jié)合ArcGIS、GS+和SPSS等軟件對(duì)地形起伏度和有機(jī)質(zhì)的空間變異關(guān)系進(jìn)行計(jì)算和相關(guān)分析，揭示地形起伏度和土壤有機(jī)質(zhì)的關(guān)系。

2.2.1 正態(tài)分布檢驗(yàn)及SOM統(tǒng)計(jì)特征分析 通過(guò)ArcGIS地統(tǒng)計(jì)模塊（Geostatistical Analyst）將測(cè)試樣本數(shù)據(jù)的分位數(shù)與已知分布相比較從而檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布情況。結(jié)果顯示，Q-Q圖上的點(diǎn)近似的分布在1條直線(xiàn)附近，說(shuō)明該樣本數(shù)據(jù)分布呈正態(tài)分布。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)域SOM的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析得到研究區(qū)域SOM的變異系數(shù)為34.0%，結(jié)合CV的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)（當(dāng)CV小于0.1時(shí)，為弱變異程度，當(dāng)CV值在0.1到1之間時(shí)，為中等變異程度，當(dāng)CV大于1為強(qiáng)變異程度）由此可知研究區(qū)域SOM空間變異程度為中等變異程度。

2.2.2 半方差模型分析 運(yùn)用GS+軟件對(duì)研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行變異函數(shù)擬合，根據(jù)比較標(biāo)準(zhǔn)：決定系數(shù)R大，殘差RSS小，最終選擇線(xiàn)性模型，如表1所示。

表1中C0表示純塊金方差，C0+C表示基臺(tái)值。塊金值與基臺(tái)值的比值用C/（C0+C）表示即空間相關(guān)度，表示可度量空間自相關(guān)的變異所占的比例，表明系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性的程度。當(dāng)比值小于25%時(shí)，表明系統(tǒng)具有非常強(qiáng)烈的空間相關(guān)性：如果比例在25%～75%之間時(shí)，表明系統(tǒng)具有中等水平的空間相關(guān)性;若大于75%時(shí)，表明系統(tǒng)的空間相關(guān)性很弱。塊金值與基臺(tái)值的比值越高，說(shuō)明樣本間的變異主要是由隨機(jī)性因素引起的。

由表1可知，塊金值與基臺(tái)值的比值C/（C0+C）小于25%，表明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，其結(jié)構(gòu)性因子是引起其空間變異的主要因素，而隨機(jī)性因子影響較小。

2.3 土壤有機(jī)質(zhì)空間分布特征 通過(guò)克里格插值法對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行空間插值，得到滁州市土壤有機(jī)質(zhì)空間分布圖，如圖2所示。由圖2可知，滁州市土壤有機(jī)質(zhì)空間分布并不均勻，各向異性明顯?？傮w上，東南方向上有機(jī)質(zhì)含量較高，而西北方向上有機(jī)質(zhì)含量較小，這可能與降水量東多西少，南多北少以及西高東低的地勢(shì)等因素有關(guān)。有機(jī)質(zhì)含量較高的區(qū)域位于東北和東南部，即高郵湖及沿江平原地區(qū)，該地區(qū)地勢(shì)相對(duì)較低是承接水土流失主要的匯集區(qū)再加上良好的水熱條件導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量較高。低值的分布位置總體上與地形起伏度較高的地區(qū)相吻合。地形起伏度高，坡度較大，雨水沖刷所導(dǎo)致的水土流失越嚴(yán)重再加上滁州市丘陵地區(qū)土層薄從而導(dǎo)致地形起伏度高的地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低。

2.4 地形起伏度與土壤有機(jī)質(zhì)的變異特征 基于滁州市DEM數(shù)據(jù)處理得到的最佳地形起伏度影像圖并與土壤有機(jī)質(zhì)樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，如圖2所示。通過(guò)spatial analyst tools模塊將地形起伏度屬性賦予對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。即生成地形起伏度和有機(jī)質(zhì)含量的合成數(shù)據(jù)。

由表2可知：當(dāng)?shù)匦纹鸱茸畹蜁r(shí)有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到最大，當(dāng)?shù)匦纹鸱茸畲髸r(shí)所對(duì)應(yīng)的有機(jī)質(zhì)含量最低。其中第1組（即地形起伏度為0～20m）的有機(jī)質(zhì)含量與其它組所對(duì)應(yīng)的有機(jī)質(zhì)含量相比含量較高，因?yàn)楫?dāng)?shù)匦纹鸱容^小時(shí)主要為耕地地區(qū)和河流地區(qū)，該地區(qū)為水土流失匯集區(qū)且水分充足所以含量相對(duì)較高。第2和第3組即起伏度在21～80m時(shí)有機(jī)質(zhì)含量平均值不變，表明在該地形起伏度范圍內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量較為平穩(wěn)均衡?？傮w上地形起伏度小的地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量較高，當(dāng)?shù)匦纹鸱仍龃髸r(shí)有機(jī)質(zhì)含量呈較少趨勢(shì)。

通過(guò)對(duì)滁州市地形起伏度與土壤有機(jī)質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行擬合，其橫坐標(biāo)為各組地形起伏度的平均值，縱坐標(biāo)為相對(duì)應(yīng)的有機(jī)質(zhì)含量，這樣能更真實(shí)的反應(yīng)數(shù)據(jù)情況，如圖3所示。地形起伏度與土壤有機(jī)質(zhì)的最優(yōu)擬合曲線(xiàn)為指數(shù)擬合曲線(xiàn)：y=1.9299e-0.003x，判定系數(shù)0.9476，擬合效果好，表明在總體上地形起伏度與土壤有機(jī)質(zhì)的含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論

本研究利用Aster GDEM和滁州市土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)，基于A(yíng)rcGIS與GS+平臺(tái)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，基于30m分辨率的Aster GDEM數(shù)據(jù)，采用鄰域分析方法開(kāi)辟鄰域尺度為91×91，面積為7.46km2柵格區(qū)作為操作單元較為合適。通過(guò)土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異分析得出研究區(qū)土壤樣本呈正態(tài)分布，SOM的總體變異系數(shù)為34.0%，屬中等變異程度，SOM含量空間變異具有一階趨勢(shì)和各向異性。塊金效應(yīng)值C/（C0+C）為17.0%，具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，其結(jié)構(gòu)性因子是引起其空間變異的主要因素，而隨機(jī)性因子影響較小。地形起伏度與有機(jī)質(zhì)含量成負(fù)相關(guān)，表現(xiàn)為隨著地形起伏度的增加土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低的負(fù)相關(guān)的空間關(guān)系特征。土壤有機(jī)質(zhì)含量在21～40m和41～80m地形起伏度內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量平均值均為1.64%，表明滁州市土壤有機(jī)質(zhì)含量在該地形起伏度內(nèi)維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

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[3]Binbin Zhao，Xiyu Xu，Wenhao Ou. Effect Analysis of Statistical Unit on Relief Ampli-tude in Chongqing，China[J]. Advanced Materials Research，2015，3696（1065）.

（責(zé)編：張 麗）