基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的土壤團(tuán)聚體空間變異研究進(jìn)展

葉露萍, 譚文峰, 方臨川， 趙 巍

(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌；2.中國科學(xué)院大學(xué)，100049，北京；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，430070，武漢)

土壤團(tuán)聚體是土壤基本結(jié)構(gòu)單元，猶如生物體細(xì)胞，決定著土壤水分運(yùn)動(dòng)、通氣性、溶質(zhì)遷移、保水保肥能力、土壤抗蝕和固碳能力等[1]。氣候、生物、母質(zhì)、地形、時(shí)間、人為活動(dòng)等成土因素的綜合作用致土壤具高度時(shí)空異質(zhì)性，嚴(yán)重阻礙了土壤學(xué)的定量、動(dòng)態(tài)研究及其實(shí)際應(yīng)用。Burrough研究表明，土壤空間格局分析是對土壤由經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)、由概念模型發(fā)展到機(jī)理模型的必要條件[2]。由圖1可見，在宏觀尺度上，團(tuán)聚體形成是環(huán)境要素、人為因素和土壤本身特性共同驅(qū)動(dòng)的；但微觀尺度上僅體現(xiàn)在土壤本身特性[3]，其微觀尺度的研究還不能完全理解團(tuán)聚體在生態(tài)系統(tǒng)中的作用與功能；因此，其空間變異和驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究，有助于揭示團(tuán)聚體空間分布規(guī)律和內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)制，區(qū)分出土壤屬性與外源因子的貢獻(xiàn)，為全面理解團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定機(jī)制打下良好基礎(chǔ)；進(jìn)而明確揭示出土壤穩(wěn)定性差異的根本原因，這將有助于培育良好團(tuán)聚體、提升土壤肥力、改善土壤質(zhì)量、構(gòu)建土壤安全等，同時(shí)還可為建立更精確的土壤侵蝕模型和水土流失綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

以往針對團(tuán)聚體空間變異的研究多采用Fisher創(chuàng)立的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)，概括性描述其全貌，未考慮各樣本的空間位置，不能反映局部空間特征，更不能反映自然狀態(tài)下團(tuán)聚體的空間格局；同時(shí)，其測定對象與空間位置無關(guān)的假設(shè)與實(shí)際情況不符。地統(tǒng)計(jì)學(xué)是由D. G. Krige于20世紀(jì)50年代提出，G. Matheron于60年代創(chuàng)立。1978年，Campbell首次將其引入土壤性質(zhì)空間變異研究中，分析了土壤砂粒含量和pH的空間分布[4]，推動(dòng)了土壤空間格局研究的進(jìn)度[5]。將地統(tǒng)計(jì)方法應(yīng)用到土壤空間變異研究中可從不同空間尺度上全面、準(zhǔn)確地揭示出其空間信息，已被證明是分析土壤空間變異性特征及其自然規(guī)律最為有效的方法之一，并已得到廣泛應(yīng)用[6]；但在團(tuán)聚體相關(guān)研究中還不多見，因此，筆者綜述團(tuán)聚體空間變異的定量方法、影響因素、空間分布預(yù)測模型構(gòu)建及其可視化表達(dá)，總結(jié)當(dāng)前研究的不足，并展望其研究前景。

圖1 不同尺度下的團(tuán)聚體影響因素Fig.1 Factors affecting soil aggregation at micro and macro scale

1 土壤團(tuán)聚體空間變異的定量分析方法

土壤性質(zhì)空間分析中的地統(tǒng)計(jì)方法主要包括半變異函數(shù)和克里格插值[6]。半變異函數(shù)反映土壤性質(zhì)在一定空間尺度上的變異特征和相關(guān)程度，克里格插值是利用原始數(shù)據(jù)結(jié)合半變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)性，對未采樣區(qū)變量展開無偏估計(jì)。半變異函數(shù)和克里格插值作為地統(tǒng)計(jì)學(xué)中最基礎(chǔ)的方法，已被應(yīng)用于團(tuán)聚體空間變異特征研究中：團(tuán)聚體質(zhì)量分維數(shù)、最大土粒粒徑的空間分布特征[7]；不同土地利用類型中水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量[8]、平均重量直徑等的空間分布差異性[9]；土壤黏粒含量、土壤有機(jī)碳(SOC)含量、土地利用類型對水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量空間分布的影響等[10]。不同研究區(qū)或不同空間尺度下，團(tuán)聚體空間相關(guān)性差異顯著，但主要呈現(xiàn)出中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性[11-12]；另外，Kriging空間插值能夠獲取團(tuán)聚體空間變異，其精度相對于趨勢面法提高了32%[13]，且高于線性內(nèi)插法和線性回歸法[14]，這歸因于Kriging充分考慮空間變異[15-16]；另外，插值精度比較發(fā)現(xiàn)：CoKriging內(nèi)插明顯優(yōu)于普通Kriging[17]，當(dāng)土壤性質(zhì)間高度相關(guān)性時(shí)，CoKriging效果更佳[17]。研究區(qū)樣點(diǎn)數(shù)、樣點(diǎn)空間距離、塊金值和選用的半方差模型均會(huì)影響到Kriging的估計(jì)方差：采樣點(diǎn)越多，采樣點(diǎn)空間距離越小、塊金值越小、半方差模型越合適，Kriging估計(jì)方差就越小[8]。

2 土壤團(tuán)聚體空間變異的影響因素

土壤團(tuán)聚體是在一系列物理、化學(xué)、生物的綜合作用下形成的，既受到土壤本身性質(zhì)的作用，也受到外界自然因素、人為因素和成土過程的影響(圖1)[18]。由圖1可見，宏觀因子對團(tuán)聚體的影響歸根結(jié)底是通過宏觀過程影響其微觀尺度上的團(tuán)粒形成過程，宏觀與微觀有機(jī)結(jié)合，相互作用、相互反饋：如大氣CO2濃度增加使得植被光合作用增強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)、微生物群落增加、SOC增加、叢枝菌根增加等，對團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有正效應(yīng)；但也可能因?yàn)闇厥倚?yīng)導(dǎo)致溫度上升及微生物活動(dòng)增強(qiáng)，使得SOC分解加快，從而產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性及其影響因素研究受到廣泛關(guān)注，傳統(tǒng)上通過經(jīng)典統(tǒng)計(jì)中的描述性統(tǒng)計(jì)研究團(tuán)聚體空間變異，即計(jì)算團(tuán)聚體穩(wěn)定性系數(shù)的樣本均值、標(biāo)準(zhǔn)差、方差、變異系數(shù)來反映其空間變異強(qiáng)弱，并利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法確定團(tuán)聚體在不同土壤環(huán)境、外界環(huán)境因素、土地利用方式和耕作干擾等因素下的差異性[19-20]及其與土壤其它性質(zhì)間的關(guān)聯(lián)[21]，通過統(tǒng)計(jì)特征值建立團(tuán)聚體穩(wěn)定性的半定量認(rèn)知。為定量描述團(tuán)聚體空間分異特征，更好地反映自然狀態(tài)下團(tuán)聚體的空間結(jié)構(gòu)，引入地統(tǒng)計(jì)學(xué)[8]。

2.1 土壤本質(zhì)特征與團(tuán)聚體空間變異

團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與土壤性質(zhì)緊密關(guān)聯(lián)，傳統(tǒng)上研究團(tuán)聚體與土壤性質(zhì)間的關(guān)系主要采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[22]，該方法忽略土壤性質(zhì)的空間格局特征和土壤性質(zhì)間的空間相關(guān)性；因此，產(chǎn)生了對土壤性質(zhì)空間格局和過程定量研究的地統(tǒng)計(jì)方法，以提高土壤空間變異的定量研究程度，反映出自然狀態(tài)下土壤性質(zhì)的空間格局和空間相關(guān)性?，F(xiàn)應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)方法主要研究了團(tuán)聚體空間格局與土壤質(zhì)地、類型[9]、有機(jī)質(zhì)含量、黏土礦物結(jié)晶度[23]、微生物特性[24]等土壤性質(zhì)的空間關(guān)系。研究表明，土壤機(jī)械組成是控制團(tuán)聚體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[25]：團(tuán)聚體穩(wěn)定性與砂粒(-0.132*)和黏粒含量(-0.351*)呈顯著負(fù)相關(guān)，與粉粒含量(0.153*和0.436*)則呈正相關(guān)[17,25]，其相關(guān)程度在不同區(qū)域表現(xiàn)不同；但?zta等發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體含量與土壤黏粒含量呈顯著正相關(guān)(0.76*和0.91**)[26]；這種相反的結(jié)果主要是土壤鹽度和交換性Na+含量不同所致[27]。同時(shí)，黏粒和粉粒對團(tuán)聚體空間變異的作用方式也不同：粉粒直接作用于大團(tuán)聚體的空間變異；而黏粒則通過對微團(tuán)聚體的影響間接影響大團(tuán)聚體，其直接作用較小[13]。在SOC含量與團(tuán)聚體空間關(guān)系的研究中，主要采用空間插值獲取團(tuán)聚體與SOC空間分布圖以確定它們的空間相關(guān)性[27-30]：土壤肥力越高，團(tuán)聚體空間異質(zhì)性越大，大團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)[27]，這是由于肥力高的土壤中具有高含量的SOC[31-32]，導(dǎo)致SOC對大團(tuán)聚體空間變異的直接作用大于其間接作用[13]。

2.2 自然因素與團(tuán)聚體空間變異

顯著影響團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的自然要素主要包括地形地貌、氣候因素、植被因素和土地覆被；這些要素通過影響土壤的5大成土因素來控制土壤形成過程，進(jìn)而影響SOC含量、土壤呼吸、土粒的重排等方面，從而調(diào)控團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)(圖1)。地形地貌能夠影響土壤水熱條件和成土物質(zhì)再分配，不同地形部位的團(tuán)聚體有著不同的空間特征，其中線性地形(曲率幾乎為0)較凹面地形(碗狀地形、且碗口朝上[33])更益于大團(tuán)聚體的形成[11]；凹面地形較凸面地形(碗狀地形、且碗口朝下)更益于穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成[34]；Zadorova等[35]也發(fā)現(xiàn)相同結(jié)果，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)坡度與團(tuán)聚體穩(wěn)定性的相關(guān)性較低，說明該研究區(qū)，坡度對土壤物質(zhì)的再分配作用較弱。此外，團(tuán)聚體穩(wěn)定性的空間相關(guān)性分析表明凸面地形的團(tuán)聚體空間相關(guān)性強(qiáng)于凹面的，說明凸面地形的團(tuán)聚體主要受到土壤本質(zhì)因素的作用，相比之下凹面團(tuán)聚體受外在因素的影響更強(qiáng)[36]。這可能因?yàn)橄啾扔诎济?，凸面地形土壤含有較低的SOC、鐵和錳，不益于團(tuán)聚體的穩(wěn)定，且土壤較為貧瘠，非農(nóng)用地首選，因此受到人為干擾作用的概率會(huì)更小[34]。植被生長演替會(huì)影響SOC的數(shù)量與質(zhì)量，從而影響團(tuán)聚體的空間變異。不同植被類型下，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性空間相關(guān)和自相關(guān)的差異性源自于土壤內(nèi)外因素的共同作用[30,37]。有研究表明，團(tuán)聚體穩(wěn)定性主要由地形、植被類型和植被恢復(fù)年限等內(nèi)在因素共同決定，但耕作、放牧的作用也不容忽視，尤其是對土壤可蝕性[8]；而團(tuán)聚體穩(wěn)定性的極值分布主要由土地利用、高程和土壤本身特性決定，由于步長對團(tuán)聚體空間分布影響較弱，暗示著土壤母質(zhì)、氣候等外界因素影響顯著[38]。氣候因素對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響主要通過氣溫、降水、干濕交替和凍融交替影響土壤顆粒的重新排列，從而影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性(圖1)；溫度和濕度影響著土壤生物和微生物活性，從而影響腐殖質(zhì)的分解速率，導(dǎo)致團(tuán)聚體穩(wěn)定性發(fā)生變化[39]。

2.3 人為因素與團(tuán)聚體空間變異

人為因素主要包括農(nóng)業(yè)管理措施、土地利用方式、耕作干擾、施肥、放牧[40]等，對團(tuán)聚體形成和結(jié)構(gòu)影響顯著。耕作主要通過改變土壤中SOC數(shù)量、質(zhì)量和微生物活動(dòng)生境對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[41]。耕作區(qū)種植作物不同，團(tuán)聚體等土壤性質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)差異性顯著，如甘蔗地團(tuán)聚體穩(wěn)定性空間異質(zhì)度較木薯地和農(nóng)林業(yè)區(qū)更高[42]；同時(shí)，耕作強(qiáng)度的增加促進(jìn)SOC周轉(zhuǎn)，減少土壤團(tuán)聚，導(dǎo)致土壤質(zhì)地粗糙，團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低，土壤密度(BD)增加[43]；不同耕作模式下團(tuán)聚體穩(wěn)定性的空間變異具有顯著差異，這主要?dú)w因于機(jī)械操作在作物生長季節(jié)影響土壤結(jié)構(gòu)：機(jī)械壓實(shí)會(huì)導(dǎo)致土壤抗解聚力增強(qiáng)，大團(tuán)聚體含量增加[10]。為驗(yàn)證機(jī)械壓實(shí)對土壤性質(zhì)空間變異的影響，Barik等比較分析重型機(jī)械操作前后土壤理化性質(zhì)的空間分布差異，結(jié)果表明重型機(jī)械操作對各土層土壤性質(zhì)影響不同，越接近于表層影響越大；壓實(shí)前后團(tuán)聚體空間分布差異增大，說明機(jī)械壓實(shí)顯著影響團(tuán)聚體空間變異[12]?？梢?，耕作對土壤結(jié)構(gòu)具有較大負(fù)作用，且該作用符合“就近原則”規(guī)律[44]。土地利用方式顯著影響作物生產(chǎn)力和土壤理化性質(zhì)[45]，尤其是對團(tuán)聚體[46]、SOC[47]、陽離子交換量[48]、土壤孔隙度[49]、土壤密度、抗剪強(qiáng)度、BD、土壤滲水性等[50]。不同土層團(tuán)聚體穩(wěn)定性差異不顯著，但不同土地利用表層團(tuán)聚體具顯著差異，這進(jìn)一步印證了土地利用對團(tuán)聚體的影響：不當(dāng)?shù)母鞣绞?，尤其是丘陵地帶的上下坡耕作、林地到牧場轉(zhuǎn)變、濫伐均是小流域團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降的主要原因[48]。農(nóng)用地和草地不同土層土壤團(tuán)聚體的空間相關(guān)性不同，說明人為管理對團(tuán)聚體空間變異的顯著影響，尤其是對表層土；考慮到采樣區(qū)地形條件、土壤質(zhì)地、母質(zhì)和氣候條件均相似，土地利用方式的不同則是導(dǎo)致土壤質(zhì)量空間差異的關(guān)鍵原因[29]。

3 土壤團(tuán)聚體空間變異預(yù)測模型構(gòu)建及可視化分析

環(huán)境系統(tǒng)是由多因素耦合而成的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，并具有隨機(jī)行為。土壤系統(tǒng)的空間變異也具有復(fù)雜性，建模是定量刻畫土壤性質(zhì)空間變異的有效手段[34,51]。GIS所具有的強(qiáng)大空間分析和可視化表達(dá)能力，為表征土壤性質(zhì)空間變異對相關(guān)環(huán)境因素的響應(yīng)提供了強(qiáng)有力的工具。在其應(yīng)用過程中，通常將土壤性質(zhì)的影響因素進(jìn)行量化作為輸入集，結(jié)合不同算法構(gòu)建模型。當(dāng)前，以團(tuán)聚體為對象的模型構(gòu)建研究并不多見，現(xiàn)有研究利用遙感數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型(DEM)提取環(huán)境數(shù)據(jù)，構(gòu)建團(tuán)聚體穩(wěn)定性反演模型[51-52]；其反演模型精度較高(0.34≤R2≤0.69)[34]。進(jìn)一步，將回歸克里格引入反演較高精度的團(tuán)聚體穩(wěn)定性空間分布[53]。這些研究表明，地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS的結(jié)合可快速獲取土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性空間格局，更好的反映自然狀態(tài)下團(tuán)聚體的空間結(jié)構(gòu)，從宏觀尺度上探究團(tuán)聚體在生態(tài)系統(tǒng)中的作用與功能。

4 研究展望

當(dāng)前地統(tǒng)計(jì)在土壤團(tuán)聚體空間變異上取得一定進(jìn)展，但由于在區(qū)域尺度上，土壤特性、氣候、地形、植被因素和人類活動(dòng)的時(shí)空變異快速、復(fù)雜，使得相關(guān)領(lǐng)域還有待深入研究：1)不同空間尺度上，土壤性質(zhì)、自然要素、人為活動(dòng)與團(tuán)聚體穩(wěn)定性空間變異的貢獻(xiàn)大小尚不清楚；2)目前已有少量研究將遙感、DEM等易于獲取的數(shù)據(jù)用于團(tuán)聚體空間變異的反演，但數(shù)據(jù)分辨率較低，不能很好地反映其空間變異，因此，需進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)分辨率。

隨著大量新技術(shù)、新方法不斷應(yīng)用到土壤科學(xué)，以及地統(tǒng)計(jì)學(xué)自身的不斷完善，這為團(tuán)聚體研究帶來廣闊空間：1)引入因子克里格將系統(tǒng)總變異劃分到不同空間尺度上，研究土壤性質(zhì)與不同因素間的尺度依賴性關(guān)系；由于土壤是一個(gè)開放、動(dòng)態(tài)的多組分體系，許多土壤性質(zhì)都會(huì)發(fā)生時(shí)空變異，引入時(shí)空克里格模擬土壤性質(zhì)的時(shí)空行為，有助于理解土壤時(shí)空變異規(guī)律。2)基于遙感、DEM、氣候數(shù)據(jù)等易于獲取的宏觀數(shù)據(jù)，衍生出影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性的環(huán)境數(shù)據(jù)，如植被覆蓋、地形因子、景觀結(jié)構(gòu)、水熱條件等，進(jìn)而利用偏最小二乘法和結(jié)構(gòu)方程模型量化各因素對團(tuán)聚體穩(wěn)定性空間變異的貢獻(xiàn)大小。3)基于宏觀數(shù)據(jù)構(gòu)建團(tuán)聚體空間分布預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)快速分析不同空間尺度上，團(tuán)聚體穩(wěn)定性空間變異與影響因素的空間關(guān)聯(lián)。當(dāng)前模型構(gòu)建常用的有廣義線性回歸和多元線性回歸模型，這些模型多為靜態(tài)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和有關(guān)數(shù)學(xué)理論的日趨成熟，將不同建模方法(模糊推理系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等)與模型精度進(jìn)行權(quán)衡，使得模型更為精確，更能反映土壤團(tuán)聚體空間變異特征。從宏觀尺度研究團(tuán)聚體形成過程、影響因素及其各因素貢獻(xiàn)率，對推進(jìn)團(tuán)聚體形成機(jī)理的理解，準(zhǔn)確的探討團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定性影響因素具有重要意義。