土壤養分空間變異研究方法

摘 要 近年來，隨著農業技術的不斷進步，越來越多的專家和學者開始認識到研究土壤養分空間變異對于提高單位面積農作物產量以及保護農耕生態環境的重要性。特別是隨著20世紀90年代生態農業和精準農業的蓬勃興起，土壤養分空間變異的研究更是成為了農業領域的重點研究課題之一。基于此，以我國山西省運城地區為例，引進“土壤空間變異性”和“地統計學”這兩個概念，具體探究基于地統計學的本地區土壤養分空間變異研究。

關鍵詞 土壤養分；空間變異；運城市

中圖分類號：S158.3 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2017.09.068

1 土壤養分空間變異概述

土壤隨著空間位置的變化產生相應的特性變化稱為土壤空間變異，土壤空間變異根據其變異元素的種類又可以分為多種，其中重要的一種就是土壤養分的空間變異。

土壤養分的質量分數直接決定植物的生長程度，因此，土壤養分不僅關系到單位面積耕地農作物的產出量，還關系到我國的糧食安全問題和生態環境保護。只有全面深入地認識和分析土壤養分的空間變異，才能夠更好地選擇與土壤養分相適應的農作物，合理制定和適時調整施肥技術和方案，進一步提高土壤養分的利用率，從而實現對土壤的更加科學有效的利用，促進我國精準農業的順利開展。

土壤養分空間變異研究這一課題的重要性已得到了相關領域和社會各界的認可，但由于缺乏經驗、技術和設備等原因，土壤養分空間變異研究一直都是困擾我國專家學者的一大難點課題，例如，如何才能夠在測定土壤性質時，確定最為合理的取樣重量和尺度等。筆者將引進“地統計學”這一概念，探究其應用于土壤養分空間變異研究的可行性和重要性。

2 地統計學概述

地統計學又稱地質統計學，該理論系統于20世紀60年代正式建立。克立格于1951年首先提出了礦產品位和儲量估值方法，法國學者Matheron在其理論基礎之上提出區域變量理論，由此，才逐漸形成了完整的將傳統地學方法與統計學相結合的新型學科——地質統計學。地統計學以區域化變量理論為基礎、以半方差函數為工具、以克里格插值法為輔助，因此，它能夠最大程度搜集和整合不同采樣點提供的信息，更好地描述研究對象在空間變異上的相關性[1-2]。

地統計學最初主要被廣泛使用于地質礦產領域，直到20世紀70年代，才被引入土壤研究領域，隨著其在實踐中不斷取得良好效果，地統計學已被認定為研究土壤空間變異規律和特征的最佳方式之一。

3 基于地統計學的土壤養分空間變異

3.1 運城地區的土壤概況

運城地區位于我國山西省運城市，地形多樣、高差懸殊，因而既有緯度地帶性氣候，又有明顯的垂直變化，平均氣溫為4～14 ℃，年降水量偏少，非常適合各種農作物的種植和培育。運城地區的種植結構較為多元化，其中占比重最大的是糧食作物，其次是經濟作物。該地區礦產資源、森林資源、草場資源、生物資源和藥材資源等都較為豐富。受到河流沖擊力的影響，該地區的地勢較為地平，土壤種類可以分為7個土類，15個亞類，48個土屬，101個土種，其中占據比重最大的是黃壤。

3.2 運城地區的土壤樣品采集和測定

嚴格依據農業部門統一制定的測土配方施肥技術規范和要求，首先，本課題的采樣地塊以小麥田、玉米田等糧田為主，以果園和菜地為輔；其次，每個土樣的平均采集單元為6.7 hm2，并且每個土樣必須在至少15個樣點采集，這樣才能夠使樣土更具代表性；最后，不同地方土壤樣土的采集深度也有所不同，采集深度為0～20 cm一般是大田樣土，果園樣土必須在0～20 cm和20～40 cm兩個深度分別采集。在本課題的研究中，筆者在XX地區范圍內一共采集了混合土樣8652個，土壤養分的空間變異測定項目包括有機質、速效鉀、速效磷、全氮等。

3.3 山西運城地區土壤養分空間變異的研究方法和具體實施

3.3.1 區域化變量在土壤養分空間變異研究中的具體應用

簡單來說，區域化變量就是指一個以空間X的3個直角坐標X1，X2，X3為自變量的隨機場，該隨機場中的任意區域化變量都可以表示為：Z（X）=Z（X1，X2，X3）。

相較于普通變量，區域化變量最大的特點在于其特殊的取值方法。一般來說，普通變量主要按某種概率分布的變化來取值，而區域化變量則根據其在域內不同的位置取值，即區域化變量就是一種與位置有關的隨機變量函數，其最為重要和顯著的兩大特性是隨機性和結構性[3]。

3.3.2 半方差函數及其理論模型在土壤養分空間變異研究中的具體應用

半方差函數是地統計學最為重要的研究工具，也是地統計分析所特有的函數工具。區域化變量的半方差函數是指Z（x）在點x和x+h處的值Z（x）與Z（x+h）差的方差的1/2，記為r（h），2r（h）稱為變異函數。

半方差函數圖像呈現出來的是一種用來描述區域化變量的模型，半方差函數曲線則主要反映一個采樣點與其相鄰采樣點之間的空間關系，同時它具有檢測異常采樣點的效果。

半方差函數包含四大重要參數，分別是基臺值（Sill）、偏基臺值（Partial Sill）、塊金值（Nugget）和變程（Range），如圖1所示。其中，基臺值是指半方差的最大值，變程則是達到基臺值時的位差，塊金值是指位差為O時的半方差值，而基臺值與塊金值的差值就是偏基臺值。這些參數均可以根據半方差函數曲線圖得以確定，并且可以用來表示在一定尺度上，區域化變量的空間變異程度及其相關性。

當半方差函數應用于土壤養分空間變異研究時，在理論上，由于土壤養分的空間變異具有連續性，因此，其空間變異現象呈現出來的半方差函數圖也應是由連續不間斷的點組成。但由于實踐中的研究采樣并非連續的，所以，其真實的半方差函數圖由一批間斷的點組成，但這些點所對應的值能夠擬合于某些簡單曲線方程，并且擬合得到的簡單方程能夠用于估量區域內尚未被觀測的點的數值，這樣的曲線方程被稱為半方差函數的理論模型。

在土壤養分空間變異研究中，常用到的半方差函數模型有圓形模型、球狀模型、雙曲線模型、線性模型、高斯模型和指數模型等，其中指數模型和球狀模型是使用頻率最高的兩種[4]。

3.3.3 多尺度模型套合

筆者通過實踐研究發現，土壤養分的空間變異是一個極其復雜且多變的現象，因此，無法通過一個簡單理論模型對其進行詳細描述的復雜多變型區域化變量，通常可以采取使用兩個或者以上理論模型相互疊加形成套和結構的形式對其進行分析，然后用多個擬合函數之和來表示其結果。

3.3.4 克里格法

克里格法主要是指利用半方差函數與原始數據的結構性，對未來采樣點的區域化變量進行無偏估值。克里格法按照其適用范圍又可以氛圍基本克里格法和泛克里格法，當研究對象的區域化變量符合平穩性假設和內蘊假設，即能夠假設數據趨于平穩且無明顯趨勢和各項同性時，多采用基本克里格法；當研究對象的區域化變量數據非平穩、有明顯趨勢和各向異性時，多采用方法較為復雜的泛克里格法。

克里格法相較于其他方法，具有以下優勢：一是不會產生回歸分析的邊界效應；二是可以使內插中誤差易于分析；三是可以估計測定參數的空間變異分布；四是可以估算參數的方差分布[5]。因此，克里格法被廣泛應用于土壤的空間變異分析。

3.3.5 新型輔助技術——“3S”技術

通過前人的研究和筆者的實踐發現，由于地統計學具有較多的限制條件，導致無法對一些較為復雜的土壤空間變異性質進行很好的研究和描述，因此，必須與時俱進的引進一些更高科技的輔助技術——“3S”技術。

“3S”技術是三種高新技術的簡稱，包括全球定位技術（GPS）、地理信息技術（GIS）和遙感技術（RS）。全球定位技術是指利用定位衛星，在全球范圍內進行實時、快速定位和導航的技術。該技術應用于土壤養分空間變異研究，可以更及時、更精準地鎖定研究對象的空間位置；地理信息技術是指以地理空間數據庫為基礎，利用計算機的相關程序管理和分析具有空間內涵的地理數據。該技術應用于土壤養分空間變異研究可以將大量土壤樣點的屬性數據與地理數據有機結合，更好地分析和研究土壤養分的空間變異情況；遙感技術是指利用人造衛星等相關飛行器收集得到的電磁輻射信息，對研究目標的屬性進行判別和管理。該技術應用于土壤養分空間變異研究有助于對較遠距離的土壤進行屬性分析。

3.4 運城地區土壤養分空間變異的研究結果

筆者通過對運城地區大量樣土的采集、分析和整合發現，該地區土壤養分的空間變異性主要受兩大因素的影響——自然因素和人為因素。其中，自然因素包括地形、成土母質、土壤類型等，這些因素會對土壤養分的空間相關性起到增強的作用；人為因素則主要包括種植制度、耕作及施肥等，這些因素會對土壤養分的空間相關性起到減弱作用[6]。另外，土壤養分空間變異的程度主要取決于該養分的來源、施用率及其在土壤中的流動性。

3.4.1 與母質穩定程度相關的土壤養分空間變異

通過調查研究發現，運城地區土壤中的磷主要來源于巖石風化，在運城地區一些地勢較為平緩、成土母質較為穩定的地區，相較于該地地勢較為崎嶇、風化作用較強的地區，其結構性因素起到的作用相對于隨機性作用要弱得

多，因此，其土壤中有效磷的空間變異性也較大。

3.4.2 與施肥有關的土壤養分空間變異

當土壤中某一養分的主要來源渠道是施肥時，則該養分的空間變異程度較大。例如：運城地區由于很少施用磷肥，所以其土壤中有效磷的空間變異程度較低，而翻閱相關文獻資料可以發現，在我國施用磷肥較多的南方地區，其土壤中的有效磷便具有較大程度的空間變異性。

3.4.3 與植物吸收量和流動性相關的土壤養分空間變異

一般來說，植物吸收量越大，且在土壤中流動性越強的養分，其空間變異程度越小。筆者取樣觀測發現，運城地區農業耕作用土壤的氮和鉀主要來源于施肥，但這兩種養分的空間變異程度較小。通過實驗研究，其原因是這兩種養分在土壤中的流動性較大，且植物對其吸收量較高，這就導致這兩種理論上空間變異程度較大的養分實際上空間變異程度為中等或較低。

4 結語

土壤養分的空間變異研究不僅能夠為田間信息差異性的測量和描述、開展養分管理的分區研究奠定基礎，而且有利于深刻認識農業生產的復雜性和時空變異性，促進循環高效的農田生產系統的構建，從而推動農業的健康可持續發展，因此，應予以高度重視。

參考文獻

[1]董林水，宋愛云，周金星.青藏鐵路沿線土壤有機碳和速效養分空間分異特征[J].干旱區資源與環境2016（11）：161-166.

[2]周開燕，李志偉.基于GIS的陸良煙區土壤主要養分空間變異特征[J].湖北農業科學2016（17）：4406-4410.

[3]范夫靜，宋同清，黃國勤，等.西南峽谷型喀斯特坡地土壤養分的空間變異特征應用[J].生態學報，2013，25（1）：92-98.

[4]劉國順，常棟，葉協鋒，等.基于GIS的緩坡煙田土壤養分空間變異研究[J].生態學報，2013，33（8）：2586-2595.

[5]張偉，劉淑娟，葉瑩瑩，等.典型喀斯特林地土壤養分空間變異的影響因素[J].農業工程學報，2013，29（1）：93-101.

[6]呂真真，劉廣明，楊勁松，等.環渤海沿海區域土壤養分空間變異及分布格局[J].土壤學報，2014（5）：944-951

（責任編輯：趙中正）

收稿日期：2017-02-28

作者簡介：呂小娜（1986—），女，山西永濟人，碩士，助教，研究方向為土壤生態。