黄土高原小流域土壤养分的空间异质性
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第22卷第8期 2002年8月
生 态 学 报 A CTA ECOLO G ICA S I N ICA
Vol . 22, N o. 8 A ug. , 2002
黄土高原小流域土壤养分的空间异质性
王 军1, 2 , 傅伯杰1 , 邱 扬3 , 陈利顶1 , 余 莉2
(1. 中国科学院生态环境研究中心系统生态开放研究实验室, 北京 100085; 2. 国土资源部土地整理中心国土整治研究
D ep a rtm en t of S y stem s E 2
cology , R esea rch Cen ter f or E co2E nv ironm en ta l S ciences, Ch inese A cad em y of S ciences, B eij ing 100085, Ch ina; 2. L and Consolid a tion and R ehabilita tion Cen ter, M in istry of L and and R esou rces, B eij ing 100035, Ch ina; 3. B eij ing N orm a l U n i2 versity , D ep a rtm en t of R esou rces and E nv ironm en t S cience, B eij ing 100875, Ch ina ). A cta E colog ica S in ica , 2002, 22 ( 8 ) :
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing Hou百度文库e. All rights reserved.
http://www.cnki.net
1 174
生 态 学 报
22卷
sta tistics in th is p ap er. T heo retica l sem iva riogram m odels of so il o rgan ic m a tter, to ta l N , ava ilab le N , to 2 . T he ra tio of random va riance (nugget) to to ta l va ri2 ta l P , and ava ilab le P w ere sp herica l m odel w ith a sill ance ( sill) w a s low. T hese va lues w ere 13. 333% fo r so il o rgan ic m a tter, 10. 938% fo r to ta l N , 22. 000% fo r ava ilab le N , 9. 091% fo r to ta l P and 27. 536% fo r ava ilab le P, resp ectively. T h is indica ted tha t the five . How ever, the sign ifican t differences in so il nu trien ts had rela tively strong sp a tia l co rrela tion p a ttern s ranges of the five so il nu trien ts w ere found. To ta l P and ava ilab le P had the h ighest va lues in the sam e ranges of 160m. So il o rgan ic m a tter in range of 120m fo llow ed them , w h ile to ta l N and ava ilab le N w ere the low est va lues, 90m and 110m. T hese differences in ranges can be exp la ined by p a rticu la r p rop erties of the five so il nu trien ts, so il ero sion, land u se p a ttern s and topograp hy. T he info rm a tion ob ta ined from th is study m ay be help fu l fo r i m p roving the sam p ling design of so il nu trien ts and fo r in terpo la tion and m ap of so il nu trien ts. Key words: the L oess P la teau; so il nu trien t; geo sta tistics; sp a tia l heterogeneity; G IS
室, 北京 100035; 3. 北京师范大学资源与环境科学系, 北京 100875)
摘要: 利用地理信息系统的空间分析功能, 通过地统计学的半变异函数定量研究了黄土高原典型小流域土壤养分的空间 异质性特征。 结果表明: 土壤有机质、 全氮、 有效氮、 全磷和有效磷的理论模型均为球状模型, 由随机因素引起的空间变异 占空间总变异的比例小, 其值分别为131333% 、 101938% 、 221000% 、 91091% 和271536% , 反映5 种养分具有较强的空间 自相关格局, 但它们的空间自相关范围具有明显的差异, 土壤全氮和有效氮变程小, 分别是90 m 和110m , 有机质次之, 变 程是120m , 而土壤全磷和有效磷的变程最大为160m 。 研究成果将有效地指导土壤的取样设计, 以及进行土壤养分的空间 内插和制图。 关键词: 黄土高原; 土壤养分; 地统计学; 空间异质性; 地理信息系统
基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (90102018) ; 国土资源部资助项目 (2000301) 致谢: 中国科学院水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室完成了土壤养分的测定, 特致谢意。 收稿日期: 2001206216; 修订日期: 2001210235 作者简介: 王 军 (1970 ～ ) , 男, 河南人, 博士, 副研究员。 主要从事景观生态学与土地可持续利用、 土地利用 覆被变化的 研究。 E2 m ail: w ang jun@ lcrc. o rg. cn
文章编号: 100020933 (2002) 0821173206 中图分类号: S15 文献标识码: A
土壤是时空连续的变异体, 具有高度的空间异质性, 不论在大尺度上还是在小尺度上, 土壤的空间异 质性均存在 [1, 2 ]。 黄土高原地区地形破碎, 土壤侵蚀剧烈, 养分流失严重。 因此, 更多的研究者探讨了土壤养 分流失的机理、 影响养分流失的因子以及如何控制养分流失 [3～ 5 ] , 其他研究者则利用传统的统计方法从概 率的角度分析了养分变异规律 [6～ 8 ] , 但对土壤养分的空间异质性如空间结构和空间变异尺度等方面缺乏研 究。 随着地理信息系统的广泛应用、 土壤学和景观生态学等学科的不断发展, 结构和过程分析正在受到越 来越高的重视, 而以数理统计的概率论为基础的传统统计分析在结构和过程分析方面受到很大限制 [9 ]。 地 统计学是在传统统计学基础上发展起来的空间分析方法, 不仅能够有效地揭示属性变量在空间上的分布、 变异和相关特征, 而且可以将空间格局与生态过程联系起来, 有效地解释空间格局对生态过程与功能的影 响 [9, 10 ]。 由于地统计学的特点及在格局与生态过程研究中的优越性, 其应用范围已由当初的地质学领域逐 渐推广应用到土壤学、 生态学和水资源等领域 [2,
1173 ～ 1178.
Abstract: A n understanding of the distribu tion of so il nu trien ts a t the field and ca tchm en t sca le is i m po rtan t fo r i m p roving agricu ltu ra l m anagem en t and fo r a ssessing the effects of agricu ltu re on environm en ta l qua lity and the influence degree of random facto rs such a s hum an distu rbance on so il p rop erties. How ever, so il nu trien ts a re h igh ly heterogeneou s w hether la rge sca le o r sm a ll sca le, and their heterogeneity resu lts from . D ue to seriou s m any p rocesses acting and in teracting acro ss a con tinuum of sp a tia l and tem po ra l sca les so il ero sion and nu trien t lo ss in h illy a rea of the L oess P la teau, som e resea rchers have studied the m echa 2 n ism of so il nu trien t lo ss and how to con tro l so il nu trien t lo ss, and o thers have exp lo red the va riab ility of so il nu trien t described by cla ssica l sta tistica l m ethods. How ever, there is little info rm a tion on sp a tia l va ri2 ab ility and sca les of so il nu trien ts in th is a rea. W ith the w ide app lica tion s of G IS and the developm en t of so il science and landscap e eco logy, the rela 2 tion sh ip s betw een sp a tia l heterogeneity and eco logica l p rocesses have a rou sed m o re and m o re a tten tion in . Geo sta tistica l m ethods o rigina lly deriving fo r the m in ing indu stry have ex tended to a ssess recen t yea rs sp a tia l and tem po ra l heterogeneity in so il science, eco logy and w a ter resou rces becau se of its advan tages in . B a sed on sp a tia l ana lysis function of G IS, sp a tia l hetero 2 ana lyzing the va riab ility a t a w ide range of sca les geneity of so il nu trien ts in a sm a ll ca tchm en t of the L oess P la teau w a s studied u sing sem iva riogram of geo 2
Spa tia l Heterogene ity of So il Nutr ien ts in a Sma ll Ca tchm en t of the L oess P la teau
W AN G J un
1, 2 1 3 1 2 , FU Bo 2 J ie , Q I U Yang , CH EN L i2 D ing , YU L i (1.
生 态 学 报 A CTA ECOLO G ICA S I N ICA
Vol . 22, N o. 8 A ug. , 2002
黄土高原小流域土壤养分的空间异质性
王 军1, 2 , 傅伯杰1 , 邱 扬3 , 陈利顶1 , 余 莉2
(1. 中国科学院生态环境研究中心系统生态开放研究实验室, 北京 100085; 2. 国土资源部土地整理中心国土整治研究
D ep a rtm en t of S y stem s E 2
cology , R esea rch Cen ter f or E co2E nv ironm en ta l S ciences, Ch inese A cad em y of S ciences, B eij ing 100085, Ch ina; 2. L and Consolid a tion and R ehabilita tion Cen ter, M in istry of L and and R esou rces, B eij ing 100035, Ch ina; 3. B eij ing N orm a l U n i2 versity , D ep a rtm en t of R esou rces and E nv ironm en t S cience, B eij ing 100875, Ch ina ). A cta E colog ica S in ica , 2002, 22 ( 8 ) :
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing Hou百度文库e. All rights reserved.
http://www.cnki.net
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生 态 学 报
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sta tistics in th is p ap er. T heo retica l sem iva riogram m odels of so il o rgan ic m a tter, to ta l N , ava ilab le N , to 2 . T he ra tio of random va riance (nugget) to to ta l va ri2 ta l P , and ava ilab le P w ere sp herica l m odel w ith a sill ance ( sill) w a s low. T hese va lues w ere 13. 333% fo r so il o rgan ic m a tter, 10. 938% fo r to ta l N , 22. 000% fo r ava ilab le N , 9. 091% fo r to ta l P and 27. 536% fo r ava ilab le P, resp ectively. T h is indica ted tha t the five . How ever, the sign ifican t differences in so il nu trien ts had rela tively strong sp a tia l co rrela tion p a ttern s ranges of the five so il nu trien ts w ere found. To ta l P and ava ilab le P had the h ighest va lues in the sam e ranges of 160m. So il o rgan ic m a tter in range of 120m fo llow ed them , w h ile to ta l N and ava ilab le N w ere the low est va lues, 90m and 110m. T hese differences in ranges can be exp la ined by p a rticu la r p rop erties of the five so il nu trien ts, so il ero sion, land u se p a ttern s and topograp hy. T he info rm a tion ob ta ined from th is study m ay be help fu l fo r i m p roving the sam p ling design of so il nu trien ts and fo r in terpo la tion and m ap of so il nu trien ts. Key words: the L oess P la teau; so il nu trien t; geo sta tistics; sp a tia l heterogeneity; G IS
室, 北京 100035; 3. 北京师范大学资源与环境科学系, 北京 100875)
摘要: 利用地理信息系统的空间分析功能, 通过地统计学的半变异函数定量研究了黄土高原典型小流域土壤养分的空间 异质性特征。 结果表明: 土壤有机质、 全氮、 有效氮、 全磷和有效磷的理论模型均为球状模型, 由随机因素引起的空间变异 占空间总变异的比例小, 其值分别为131333% 、 101938% 、 221000% 、 91091% 和271536% , 反映5 种养分具有较强的空间 自相关格局, 但它们的空间自相关范围具有明显的差异, 土壤全氮和有效氮变程小, 分别是90 m 和110m , 有机质次之, 变 程是120m , 而土壤全磷和有效磷的变程最大为160m 。 研究成果将有效地指导土壤的取样设计, 以及进行土壤养分的空间 内插和制图。 关键词: 黄土高原; 土壤养分; 地统计学; 空间异质性; 地理信息系统
基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (90102018) ; 国土资源部资助项目 (2000301) 致谢: 中国科学院水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室完成了土壤养分的测定, 特致谢意。 收稿日期: 2001206216; 修订日期: 2001210235 作者简介: 王 军 (1970 ～ ) , 男, 河南人, 博士, 副研究员。 主要从事景观生态学与土地可持续利用、 土地利用 覆被变化的 研究。 E2 m ail: w ang jun@ lcrc. o rg. cn
文章编号: 100020933 (2002) 0821173206 中图分类号: S15 文献标识码: A
土壤是时空连续的变异体, 具有高度的空间异质性, 不论在大尺度上还是在小尺度上, 土壤的空间异 质性均存在 [1, 2 ]。 黄土高原地区地形破碎, 土壤侵蚀剧烈, 养分流失严重。 因此, 更多的研究者探讨了土壤养 分流失的机理、 影响养分流失的因子以及如何控制养分流失 [3～ 5 ] , 其他研究者则利用传统的统计方法从概 率的角度分析了养分变异规律 [6～ 8 ] , 但对土壤养分的空间异质性如空间结构和空间变异尺度等方面缺乏研 究。 随着地理信息系统的广泛应用、 土壤学和景观生态学等学科的不断发展, 结构和过程分析正在受到越 来越高的重视, 而以数理统计的概率论为基础的传统统计分析在结构和过程分析方面受到很大限制 [9 ]。 地 统计学是在传统统计学基础上发展起来的空间分析方法, 不仅能够有效地揭示属性变量在空间上的分布、 变异和相关特征, 而且可以将空间格局与生态过程联系起来, 有效地解释空间格局对生态过程与功能的影 响 [9, 10 ]。 由于地统计学的特点及在格局与生态过程研究中的优越性, 其应用范围已由当初的地质学领域逐 渐推广应用到土壤学、 生态学和水资源等领域 [2,
1173 ～ 1178.
Abstract: A n understanding of the distribu tion of so il nu trien ts a t the field and ca tchm en t sca le is i m po rtan t fo r i m p roving agricu ltu ra l m anagem en t and fo r a ssessing the effects of agricu ltu re on environm en ta l qua lity and the influence degree of random facto rs such a s hum an distu rbance on so il p rop erties. How ever, so il nu trien ts a re h igh ly heterogeneou s w hether la rge sca le o r sm a ll sca le, and their heterogeneity resu lts from . D ue to seriou s m any p rocesses acting and in teracting acro ss a con tinuum of sp a tia l and tem po ra l sca les so il ero sion and nu trien t lo ss in h illy a rea of the L oess P la teau, som e resea rchers have studied the m echa 2 n ism of so il nu trien t lo ss and how to con tro l so il nu trien t lo ss, and o thers have exp lo red the va riab ility of so il nu trien t described by cla ssica l sta tistica l m ethods. How ever, there is little info rm a tion on sp a tia l va ri2 ab ility and sca les of so il nu trien ts in th is a rea. W ith the w ide app lica tion s of G IS and the developm en t of so il science and landscap e eco logy, the rela 2 tion sh ip s betw een sp a tia l heterogeneity and eco logica l p rocesses have a rou sed m o re and m o re a tten tion in . Geo sta tistica l m ethods o rigina lly deriving fo r the m in ing indu stry have ex tended to a ssess recen t yea rs sp a tia l and tem po ra l heterogeneity in so il science, eco logy and w a ter resou rces becau se of its advan tages in . B a sed on sp a tia l ana lysis function of G IS, sp a tia l hetero 2 ana lyzing the va riab ility a t a w ide range of sca les geneity of so il nu trien ts in a sm a ll ca tchm en t of the L oess P la teau w a s studied u sing sem iva riogram of geo 2
Spa tia l Heterogene ity of So il Nutr ien ts in a Sma ll Ca tchm en t of the L oess P la teau
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1, 2 1 3 1 2 , FU Bo 2 J ie , Q I U Yang , CH EN L i2 D ing , YU L i (1.