基于地統計學農田不同土層土壤容重的空間變異特征分析

張舜凱　劉繼龍　劉海岳

摘要：利用烘干法測定玉米地0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm土層土壤容重，運用半方差函數和克立格插值等方法對農田土壤容重空間變異特征隨土層深度的變化規律進行研究。結果表明，不同土層土壤容重平均值介于1.23～1.33 g/cm3，均為弱變異，空間相關范圍介于20.40～75.64 m，空間相關程度介于28.89%～73.55%，空間分布圖中均存在明顯的斑塊結構;隨土層深度的增加，土壤容重平均值呈先增加后減少的變化趨勢，變異程度呈先降低后升高的變化趨勢，半方差函數擬合模型由指數模型變為線性模型，空間相關范圍先增加后保持不變，空間相關程度未呈現出規律性的變化趨勢，土壤容重低值區和高值區的分布數量和位置有所差異。

關鍵詞：地統計學;農田;土壤容重;空間變異

中圖分類號：S152.5? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）15-0030-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.007? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Spatial variability of soil bulk density in different soil layers based on geostatistics

ZHANG Shun-kai，LIU Ji-long，LIU Hai-yue

（School of Water Conservancy and Civil Engineering，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

Abstract： Based on soil bulk density in 0～5 cm， 5～10 cm， 10～15 cm and 15～20 cm soil layers measured with oven drying method， the changing trend of spatial variability of soil bulk density with increasing soil depth was studied using semi-variance and Kriging interpolation methods. The results showed that， for different soil layers， the average value of soil bulk density ranged from 1.23 g/cm3 to 1.33 g/cm3， its degree of variation was weak， its spatial correlation range was between 20.40 m and 75.64 m， its spatial correlation degree changed from 28.89% to 73.55%， and there were obvious patch structure in its spatial distribution. As soil depth increased， the average value of soil bulk density firstly increased and then decreased， its degree of variation increased after fell first， its fitted model of semi-variance changed from exponential model to linear model， its spatial correlation range increased at first and remained unchanged later， its spatial correlation degree did not present a regular changing trend， and there were differences in number and location of its high and low value area.

Key words： geostatistics; farmland; soil bulk density; spatial variability

土壤容重是土壤的一個重要物理性質，對土壤肥力發揮和作物生長具有重要影響，受外界自然因素和人為活動的影響，土壤容重具有空間變異性。目前，國內外學者已從很多方面對土壤容重的空間變異性進行了研究，也取得了很多成果，如：連綱等[1]的研究發現不同土地利用類型之間，土壤容重的變異大小為灌木林地>荒草地>梯田>壩地>林地>坡耕地，在不同景觀位置，土壤容重的變異大小為坡頂>溝平地>坡下>坡上>坡中;耿韌等[2]的研究發現隨著采樣間隔的增大，土壤容重變異函數理論模型、塊金值、基臺值和變程各不相同;于冬雪等[3]的研究發現不同土層土壤容重均為中等程度變異;鄭紀勇等[4]的研究表明土壤容重具有明顯的空間結構和自相關特征;徐翠蘭等[5]的研究發現明農田土壤容重為弱變異，由空間自相關部分引起的異質性程度很大;李曉曉等[6]的研究表明農田表層土壤容重屬于弱變異，土壤質地和土地利用方式是影響其空間分布的主要因素;馮強等[7]發現土地利用、坡度與植被蓋度是影響土壤容重的主要因素，能夠解釋58.15%的土壤容重變異;易小波等[8]的研究發現研究區域0～20 cm深度土壤容重為中等程度變異，20～40 cm深度為弱變異;孫國軍等[9]的研究發現表層土壤容重屬于弱變異，氣候、母質等自然因素是表層土壤容重變化的內在因素，土地利用加速土壤容重的變化。目前關于東北黑土區農田不同土層土壤容重空間變異性的研究較少，為此，本試驗以黑土區玉米地為例，研究分析了不同土層土壤容重的空間變異及其隨土層深度的變化規律，以期為黑土區農田土壤管理提供基本參數和依據。

1? 材料與方法

1.1? 取樣點布置

土壤容重采樣農田位于東北農業大學向陽試驗示范基地，采樣農田種植作物為玉米，采樣區域包括64個12 m×12 m的正方形網格，采樣點位于每個12 m×12 m正方形網格的中心位置，利用環刀采集每個采樣點0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm土層的原狀土，帶回實驗室，利用烘干法測得每個采樣點不同土層的土壤容重。

1.2? 數據處理

土壤容重的傳統統計特征采用SPSS軟件計算，土壤容重半方差函數的參數利用GS軟件進行求解，土壤容重的空間等值線圖通過Surfer軟件繪制。

2? 結果與分析

2.1? 不同土層土壤容重的統計學特征

傳統統計學首先求解土壤容重的平均值和變異系數（CV）等統計學特征參數，然后根據統計學特征參數分析土壤容重的空間變異性，其中CV≤0.1表示弱變異，0.1

2.2? 不同土層土壤容重的空間變異結構

半方差函數是分析空間變異性的有力工具，通過計算土壤容重的半方差函數，可以確定土壤容重的空間變異結構，半方差函數主要包括塊金值（C0）、變程（？琢）和基臺值（C0+C）等。塊金值表示由非采樣間隔所造成的變異;隨著間隔距離的增大，半方差函數從非零值達到一個相對穩定的常數稱為基臺值;變程表示半方差函數達到基臺值時的間隔距離，間隔距離大于變程，空間相關性消失。C0/（C0+C）小于25%說明空間相關性強烈;C0/（C0+C）大于75%說明空間相關性弱;C0/（C0+C）介于25%～75%說明空間相關性中等[11]。

由表2可知，0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm土層土壤容重的空間相關范圍介于20.40～75.64 m，隨著土層深度的增加，土壤容重的空間相關范圍先增加后保持不變;0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm土層土壤容重的空間相關程度介于28.89%～73.55%，說明不同土層土壤容重的空間相關程度均為中等，隨著土層深度的增加，土壤容重的空間相關程度未呈現出規律性的變化趨勢。由圖1可知，0～5 cm土層土壤容重半方差函數的擬合模型為指數模型，5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm土層土壤容重半方差函數的擬合模型均為線性模型。

2.3? 不同土層土壤容重的空間等值線

0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm土層土壤容重的空間等值線如圖2所示。不同土層土壤容重的空間等值線圖中分布著明顯的斑塊結構，隨著土層深度的增加，土壤容重低值區和高值區的分布數量和位置存在差異，這說明雖然采樣區域較小，土壤容重的空間分布中仍存在一定的異質性，而且土層深度不同，土壤容重空間分布中的異質性特征有所差異。

3? 結論

不同土層土壤容重的平均值介于1.23～1.33 g/cm3，均為弱變異，隨土層深度增加，土壤容重平均值呈先增加后減少的變化趨勢，土壤容重變異程度呈先降低后升高的變化趨勢;除0～5 cm土層土壤容重半方差函數的擬合模型為指數模型外，其余土層擬合模型均為線性模型，不同土層土壤容重的空間相關范圍介于20.40～75.64 m，空間相關程度介于28.89%～73.55%，隨土層深度增加，土壤容重的空間相關范圍先增加后保持不變，空間相關程度未呈現出規律性的變化趨勢;不同土層土壤容重的空間等值線圖中分布著明顯的斑塊結構，隨土層深度增加，土壤容重低值區和高值區的分布數量和位置有所差異。

參考文獻：

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