地统计分析土壤有机碳含量分布

地统计分析土壤有机碳含量分布

土壤特性的空间变异研究一直是个被关注的热点，但对土壤物理性质、土壤盐分变化问题的研究较多1,2，对土壤养分空间变异性的研究则相对较少。90年代，随着发达国家精确农业技术的发展和GIS的广泛应

用3,4，土壤特性的空间变异研究得到了众多学者的关注。邛海盆地是凉山彝族自治州所在地，农业人口约占总人口的66.4%，土地肥沃，自流灌溉便利，是国家和四川省农业综合开发重点区。因此，如何合理

利用土地和如何进行生态环境保护是该区经济发展面临的重大课题。

本研究通过分析该区土壤有机碳含量的影响因子，旨在为优化土地资

源管理措施和保护生态环境提供参考。

1材料与方法

1.1研究区基本概况

邛海盆地地处川西高原，属亚热带高原季风气候，年平均气温17.2℃，日照充足，雨量充沛；该区以红壤、黄红壤为主，局部地区的红壤达

海拔2100m以上。

1.2数据来源与预处理

数据源于西昌2006年测土配方施肥国家补贴项目土样化验分析汇总表，共提取392个采样点。基于Arc-GIS9.3生成样点分布图如图1所示。

1.3常规统计分析

利用ArcGIS9.3中地统计模块,统计出土壤有机碳含量的基本特征性

数据。

1.4地统计学基本理论

传统统计学理论是纯随机变量，但很多土壤性质在空间上并不完全独立，而在一定范围内存有着空间相关性。地统计学方法以半方差函数

和Kriging插值为基本工具，能对既具有随机性又具有结构性的各种

变量在空间上的分布进行研究5。半方差函数能较好地描述区域化变量的空间分布结构性和随机性，其中一些重要参数，可反映区域化变量

在一定尺度上的空间变异和相关水准，是研究土壤特性空间变异性的

关键，同时也是进行精确Krigking插值的基础6,式中，r(h)为半方差函数；h为样点空间间隔间距，即步长；N(h)为间隔距离为h时的所有观察样点的成对数；Z(xi)和Z(xi+h)分别是区域化变量Z(x)在空间位

置xi和xi+h的实测值。若h为横坐标，r(h)为纵坐标绘制函数曲线图，称为半方差函数曲线图，它可直接展示Z(x)的空间变异特点。克

里格插值，是地统计学的主要内容，它是通过对已知样本点赋权重来

求得未知点的值。式中，Z(x0)为未知采样点的值；Z(xi)为未知样点

周围的已知样本点的值；i为第i个已知样本点对位置样点的权重；n

为已知样本点的个数。

1.5空间分布特征分析

缓冲区分析是通过生成相关空间实体的缓冲区，以判断空间实体影响

范围的过程8。本研究以土壤质地、城镇、邛海和河流为影响源，建立不同距离的缓冲区，以分析有机碳含量的变化情况。

2结果与分析

2.1常规统计分析

基于ArcGIS9.3的地统计模块，对采样数据进行常规描述性统计(见

表1)。从偏度上看，呈右偏态分布。变异系数反映空间变异性水准，

通常认为变异系数CV≤10％为弱变异性，10％

2.2空间变异分析

2.2.1半方差分析

上述分析只能反映采样点中有机碳含量特征，难以完全反映整个研究

区的空间分布信息，即空间结构性、随机性、相关性和独立性等。运

用地统计学方法可以较好地弥补上述缺陷10。根据球状理论模型得出

相对应参数如表2所示。土壤养分分布由结构性因素和随机性因素决定。结构性因素，如气候、母质、地形、土壤类型、自然因素等；随

机性因素，如施肥、耕作措施、种植制度等各种人为活动，使得土壤

养分的空间相关性减弱，朝均一化方向发展。从结构性因素的角度来看，块金值与基台值的比例可以表明系统变量的空间相关性水准，比

例<25％时，系统具有强烈空间的相关性；比例在25％～75％时，系统具有中等空间相关性；比例>75％时，系统空间相关性很弱11。由表2

可知，块金值与基台值之比为0.552，由此可见，邛海盆地土壤有机碳空间变异体现为中等强度的空间相关性,且以随机变异为主。

2.2.2空间分布特征

在以上分析的基础上，采用Kriging法进行最优内插，得到土壤有机

碳分级图(见图2)。高值区位于西昌市主城区东南部和邛海海域东南部，且以斑块形式存有。低值区位于邛海海域东北部，并由该低值中心向

西北方向递增。

2.3土壤有机碳影响因素分析

2.3.1土壤质地

由表3可知，土壤有机碳含量表现为中壤>重壤>轻壤>砂>砂土，经方

差检验其差异均达极显著水平(F=8.213，P=0.000)。其中重壤、轻壤、中壤中有机碳含量明显高于砂土和砂壤，重壤、轻壤、中壤中有机碳

含量差异未达明显水平，砂土和砂壤中有机碳含量差异也均未达显著

水平(见表3)。不同质地的土壤，肥力特性不同，因此有机碳含量也不相同。

2.3.2土壤pH值

土壤pH值常通过影响微生物的活动显著影响土壤有机碳的含量及空

间分布，微生物最适宜中性环境下活动，强酸或强碱条件下其活动受

到抑制。从研究区不同pH的土壤有机碳含量来看，中性土壤>微酸性

土壤>微碱性土壤>酸性土壤。经方差检验，其差异达极显著水平

(F=4.216，P=0.006)(见表4)。其中，中性条件下土壤有机碳含量明显高于其他范围pH值的有机碳含量。主要是因为土壤pH值在7.0左右，微生物较活跃，有利于分解有机质，促进了土壤碳素的释放。土壤pH

值过高或过低，都限制了微生物分解有机质的能力，从而土壤中有机

碳含量偏低。

2.3.3西昌市影响分析

为分析西昌市城市化进程对其城乡交错带土壤碳素含量的影响，选取

最具典型的西昌市主城区为例，采用GIS空间分析中的缓冲区分析方

法进行了研究。其具体做法是以西昌市主城区作为面实体影响源，分

别建立0.4km、0.8km、1.2km、1.6km和2.0km的缓冲区，探讨主城区

对城乡交错带土壤碳素含量的影响。通常，相关系数在0.8-1.0为极

强相关，0.6-0.8为强相关，0.4-0.6为中等水准相关，0.2-0.4为弱

相关，0.0-0.2为极弱相关或无相关。分析显示城镇对土壤有机碳含量影响属于强相关性(见图3)。这主要是因为在城市周边人为因素造成的，如生活垃圾、工矿业废渣、污泥、塑料废弃物等，对土壤资源侵占、

污染，而使土壤养分遭到破坏。

2.3.4邛海影响分析

作为四川第二大淡水湖的邛海对西昌市的降雨、气温、土地利用等也

有较大的影响。以邛海作为面实体影响源，分别建立0.3km、0.6km、0.9km、1.2km和1.5km的缓冲区，分析显示呈现极强的相关性(见图4)。总体水平上随着缓冲区距离的增加，其含量也增加。这主要是因

为大量侵蚀、搬运、沉积作用使得较大的土壤颗粒堆积在湖岸，一般

来说土壤颗粒越大保肥性越弱，从而土壤有机碳含量低。2.3.5河流影响分析该区水系相对密集，为反映河流对土壤有机碳含量的影响，以

河流作为线实体影响源，分别建立0.1km、0.2km、0.3km、0.4km和

0.5km的缓冲区，分析显示其呈极强的正相关(见图5)。随着缓冲区距

离的增加，其含量也明显增加。这主要是因为河流流水搬运、沉积作