不同采样点数量下土壤有机质含量空间预测方法对比_苏晓燕

人为活动和自然生 态 过 程 的 影 响，区 域 范 围 内 土 壤 有机质有较强的空间变异特征 。 ［２］ 准确掌握其 空 间 变异特征以及影响空间变异特征表达的因素对实现
阶梯状逐渐降低。海拔高度最高４７１ｍ，最低１４７ｍ， 一般为２００ ｍ 上 下。 境 内 大 都 为 波 状 起 伏 的 高 平 原 ，但 坡 度 均 不 大 ，且 耕 地 连 片 。 海 伦 市 属 寒 温 带 大
苏晓燕 ，赵永存 ，杨 浩 ，等／ 地学前缘 （Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｒｏｎｔｉｅｒｓ）２０１１，１８ （６）
提 高 有 机 质 含 量 空 间 预 测 精 度 ，降 低 采 样 点 数 量 的 重 要 途 径 之 一 。 关 键 词 ：土 壤 有 机 质 ；普 通 克 里 格 ；泛 克 里 格 ；协 同 克 里 格 ；回 归 克 里 格 中 图 分 类 号 ：Ｓ１５９ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００５－２３２１（２０１１）０６－００３４－０７
等 认 ［１２］ 为回归 克 里 格 方 法 用 于 土 壤 黏 粒 含 量 制 图 １．２ 土壤样品采集及实验室分析
比普通克里格和协同克里格方法都要好。 海 伦 市 是 东 北 黑 土 地 之 一 ，耕 种 历 史 悠 久 ，准 确
获取土壤有机质含量的空间分布信息对于耕作管理
土壤采样 时 间 为 ２００８ 年 ９ 月 底 至 １０ 月 初 大 豆、玉 米 收 割 以 后，土 壤 采 样 点 的 布 设 主 要 基 于 “４ｋｍ 基础网格＋加密点＋随机点”相结合的方法。
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土壤有机质是全球碳循环中的一个重要的流通 １２６°１４′～１２７°４５′Ｅ）。 海 伦 市 位 于 黑 龙 江 省 中 部 环节［１］，同时，农业生态系统中土壤有机质的动 态 平 （图１），是小兴安 岭 向 松 嫩 平 原 的 过 渡 地 带，地 势 从 衡也直接影响土壤肥力和作物产量。由于受强烈的 东北到西南由低丘陵、高平原、河阶地、河漫滩依次呈
第１８卷 第６期 ２０１１ 年 １１ 月
地 学 前 缘 （中 国 地 质 大 学 （北 京 ）；北 京 大 学 ） Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｒｏｎｔｉｅｒｓ（Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ（Ｂｅｉｊｉｎｇ）；Ｐｅｋｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）
Ｖｏｌ．１８ Ｎｏ．６ Ｎｏｖ．２０１１
克里格法进行预测的回归克里格法是混合插值技术
中最有效的方法之 一，在 多 数 情 况 下 回 归 克 里 格 方
法得到的预测结果比常规的地统计学方法获得的预
测结果更精确［８－１０］。Ｈｅｎｇｌ等 的 ［１１］ 研 究 表 明 利 用 高
图 １ 海 伦 市 地 理 位 置 及 土 壤 采 样 点 分 布 图
摘 要：运用普通克里格、泛克里格、协同克里格和 回 归 克 里 格 ４ 种 方 法，结 合 由 ＤＥＭ 获 取 的 高 程 因 子 以 及 土壤全氮和阳离子交换量（ＣＥＣ），预测了黑龙江省海伦市耕地有机质含量的空间分布。不同样点数量 下 海 伦 市土壤有机质含量的空间变异结构 分 析 表 明，样 点 数 量 多 并 不 一 定 能 够 识 别 土 壤 有 机 质 含 量 的 结 构 性 连 续 组 分 ，最 优 化 的 布 置 采 样 点 位 置 可 能 比 单 纯 增 加 采 样 点 的 数 量 更 重 要 。 不 同 样 点 数 量 下 的 空 间 预 测 精 度 分 析 表明，以全氮为协同变量的协同克里格预测精度最高，能 反 映 出 海 伦 市 土 壤 有 机 质 含 量 空 间 分 布 的 局 部 变 异 细节，并且能够解释超过５０％的有机质方差；而普通 克 里 格、泛 克 里 格 和 回 归 克 里 格 ３ 种 方 法 预 测 误 差 均 较 高 ，回 归 克 里 格 并 不 一 定 能 提 高 预 测 精 度 。 获 取 与 土 壤 有 机 质 含 量 相 关 性 高 且 完 整 覆 盖 研 究 区 的 辅 助 数 据 是
质量的遥感影像和数字高程数据能够提高土壤有机 质含量、产 量 和 地 表 温 度 的 制 图 精 度，ＭｃＢｒａｔｎｅｙ
Ｆｉｇ．１ Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆ Ｈａｉｌｕｎ Ｃｏｕｎｔｙ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ（ＳＯＭ）ｉｓ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｓｏｉｌ ｆｅｒｔｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｌｉｎｋｉｎｇ ｃａｒｂｏｎ ｃｙ－ ｃｌｅ ｗｉｔｈｉｎ ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｑｕａｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆ ＳＯＭ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ Ｈａｉｌｕｎ Ｃｏｕｎｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，ｏｒｄｉｎａｒｙ ｋｒｉｇｉｎｇ （ＯＫ），ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｋｒｉｇｉｎｇ （ＵＫ），ｃｏ－ｋｒｉｇｉｎｇ （ＣＫ），ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ｋｒｉｇｉｎｇ （ＲＫ），ａｎｄ ｓｅｃ－ ｏｎｄａｒｙ ｄａｔａ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍ ｓｏｉｌ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ （ＴＮ），ｃａｔｉｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅａｂｌｅ ｃａｐａｃｉｔｙ （ＣＥＣ）ａｎｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ（ＤＥＭ）ｗｅｒｅ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｍａｐ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆ ＳＯＭ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｄｅｎｓｉ－ ｔｉｅｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ＳＯＭ ｓｐａｔｉａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｂｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｓｏｉｌ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ ｍａｙ ｎｏｔ ｂｅｎｅｆｉｔ ｔｈｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＳＯＭ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎｄ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｌｏｃａｔｉｏｎｓ ｗａｓ ｅｖｅｎ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｈａｎ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ．Ｗｉｔｈ ｒｅｓｐｅｃｔ ｔｏ ｓｐａｔｉａｌ ｐｒｅ－ ｄｉｃｔｉｖｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ＣＫ ｗｉｔｈ ＴＮ ａｓ ｃｏ－ｖａｒｉａｂｌｅ ａｌｗａｙｓ ｈａｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ａｃｃｕｒａｃｙ，ａｎｄ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ５０％ ｏｆ ｔｈｅ ＳＯＭ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ｂｙ ＣＫ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｄｅｔａｉｌ ｏｆ ＳＯＭ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍ ＣＫ ｍｅｔｈｏｄ ａｌｓｏ ｏｕｔｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ＯＫ，ＵＫ，ａｎｄ ＲＫ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ＲＫ ｍｅｔｈｏｄ ｍａｙ ｎｏｔ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｗｈｅｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｕｎｉｖａｒｉａｔｅ ＯＫ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｓ ｎｏｔ ｔｈｅ ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ ｆａｃｔｏｒ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ＳＯＭ，ａｎｄ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｄａｔａ（ａｎｃｉｌｌａｒｙ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ＳＯＭ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｄｅｎｓｅｒ ｃｏｖｅｒａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ａｒｅａ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｍｏｒｅ ｈｅｌｐｆｕｌ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＳＯＭ ｗｉｔｈ ｌｉｍｉｔｅｄ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｓｏｉｌ ｓａｍｐｌｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ；ｏｒｄｉｎａｒｙ ｋｒｉｇｉｎｇ；ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｋｒｉｇｉｎｇ；ｃｏ－ｋｒｉｇｉｎｇ；ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ｋｒｉｇｉｎｇ
收 稿 日 期 ：２０１１－１０－１０；修 回 日 期 ：２０１１－１０－３１ 基金项目：国家自然科学基金科学部主任基金项目（４１０４０００９）；中国科学院知识创新工 程 重 要 方 向 项 目 （ＫＺＣＸ２－ＥＷ－ＱＮ４０４）；国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 “９７３”项 目 （２０１０ＣＢ９５０７０２） 作 者 简 介 ：苏 晓 燕 （１９８７— ），女 ，硕 士 研 究 生 ，自 然 地 理 学 专 业 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｘｉａｏｙａｎ７２３６＠１６３．ｃｏｍ ＊ 通讯作者：赵永存。Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｃｚｈａｏ＠ｉｓｓａｓ．ａｃ．ｃｎ
机质含量的空间预测精度。协同克里格法是用容易
识别或者廉价可靠的协同变量对目标变量进行估值
的一种方法。王 红 等 利 ［７］ 用 全 盐 量 作 为 协 同 变 量，
比较了普通克里格和协同克里格方法在估算土壤盐
离子浓度上的精度，结 果 协 同 克 里 格 法 的 估 算 精 度
比普通克里格法高。近些年来结合回归分析和普通
不同采样点数量下土壤有机质含量空间预测方法对比
苏晓燕１，２， 赵永存２，＊ ， 杨 浩１， 陆访仪２， 孙维侠２， 王火焰２， 黄 标２， 胡文友２
１．南京师范大学 地理科学学院，江苏 南京 ２１００４６ ２．中国科学院 土壤环境与污染修复重点实验室（南京土壤研究所），江苏 南京 ２１０００８
Ｓｕ Ｘｉａｏｙａｎ１，２， Ｚｈａｏ Ｙｏｎｇｃｕｎ２，＊ ， Ｙａｎｇ Ｈａｏ１， Ｌｕ Ｆａｎｇｙｉ ２， Ｓｕｎ Ｗｅｉｘｉａ２， Ｗａｎｇ Ｈｕｏｙａｎ２， Ｈｕａｎｇ Ｂｉａｏ２， Ｈｕ Ｗｅｎｙｏｕ２
１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００４６，Ｃｈｉｎａ ２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ
２１０００８，Ｃｈｉｎａ
Ｓｕ Ｘｉａｏｙａｎ，Ｚｈａｏ Ｙｏｎｇｃｕｎ，Ｙａｎｇ Ｈａｏ，ｅｔ ａｌ．Ａ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｍａｐｐｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ．Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｒｏｎｔｉｅｒｓ，２０１１，１８（６）：０３４－０４０
资源高效可持续利用具有重要的理论和现实意义。 陆性 季 风 气 候，年 均 气 温 １～２℃，年 降 水 量 ５００～ 目 前，地 质 统 计 学 方 法 被 大 量 用 于 预 测 土 壤 性 ６００ｍｍ［１３］。土壤母质绝 大 部 分 为 河 湖 相 冰 水 沉 积
质的空间分 布 。 ［３－５］ 张 忠 启 等 采 ［６］ 用 地 统 计 学 方 法 物，其上覆盖深 厚 黄 土 性 粘 土 Hale Waihona Puke Baidu厚 度 达 １０～３０ ｍ）。 预测了江西省余江 县 土 壤 有 机 质 含 量 的 空 间 分 布， 土壤类型主要为 黑 土 和 草 甸 土，此 外，暗 棕 壤、沼 泽
并对预测结果 进 行 了 评 价。 在 地 形 多 变、土 地 利 用 土、白浆土、水稻土亦有少量分布 。 ［１３］
方式多样的情况下，直 接 应 用 普 通 克 里 格 法 预 测 精
度不高，外部漂移的 泛 克 里 格 法 通 过 趋 势 面 方 程 分
离 趋 势 项 ，消 除 不 平 稳 性 ，较 大 幅 度 地 提 高 了 土 壤 有