基于地統計學和GIS的湖北省土壤有機質空間變異性研究

于芳 李海明

摘要：基于湖北省157個土壤樣品數據，分析土壤有機質含量特征，并應用地統計學和地理信息系統（GIS）技術研究其空間變異性，利用相關分析和回歸分析探討其變異性的影響因素。結果表明，湖北省土壤有機質含量為 （23.04±6.39） g/kg，變異系數達27.73%，屬中等程度變異;土壤有機質以高斯模型擬合最佳，塊金比為0.33，呈中等程度空間自相關性，表明以結構變異為主。研究區土壤有機質含量總體上呈條帶狀分布，由鄂中向鄂西和鄂東增加，其中東西方向上變異性高于南北方向。研究區土壤有機質含量空間變異是地形、化學養分指標、土地利用類型、土壤質地等因素綜合作用的結果，其中海拔、土壤質地分別解釋了41.5%、22.1%的變異信息，是其主控因素。

關鍵詞：土壤有機質;地統計學;空間變異;影響因素

中圖分類號： S127;S153.6+21

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）15-0282-05

有機質是維系土壤生命機能的核心指標之一，對于保持土地生產力、促進農業發展具有重要意義，同時作為地球生態系統重要的碳庫，有機質在土體中的遷移轉化速率影響著全球碳循環的平衡[1]。受成土環境因素與人為干擾影響，土壤有機質含量在不同時空尺度呈不恒定分布，這種非均質特性不僅增加了耕作過程中養分精確管理的難度，還導致了碳素遷移轉化過程模擬的不確定性[2]。研究土壤有機質空間分布格局，可為科學保護土壤資源和生態過程建模提供基礎信息。

國內外農業歷史上很早就關注到土壤肥力質量差別，但直到地統計學和地理信息系統（GIS）技術得到應用后，土壤屬性分布格局及其影響因素得以可視化與定量表達[3]，隨著研究的深入，學者們發現，其空間異質性受結構性、隨機性因素控制。如Schulp對荷蘭農業景觀土壤有機質時空變異研究發現，土地利用的變遷能夠很好地解釋有機質的總體變化[4];Hu等研究表明，在相同土地利用條件下，土壤質地對有機物質積累具有顯著影響[5];陳洋等在長三角地區的研究中指出，土壤有機質含量與母質類型存在良好的空間相關性[6];Huang等探究了江蘇沿江地區有機質含量的歷史變化，認為耕作制度與施肥管理是其主控因素[2];吳昊等分析了秦嶺山地地形因子對土壤有機質的積累效應，結果表明，有機質含量與海拔呈顯著正相關關系，與坡向呈負相關關系[7]。這些研究大多基于中微觀尺度，著重分析了某一類型因子對土壤有機質空間變異的影響機制，而對省域尺度上復雜環境因素影響下有機質變異性的研究較少。湖北省是我國重要的水源供應和糧食生產基地，隨著城鎮化與工業化的推進，土地資源開發利用強度增大，局部土壤面臨著退化、污染的風險。基于此，本研究以土壤普查和相關文獻資料為基礎，運用地統計學和GIS技術初步揭示土壤有機質空間分異特征，旨在為省域土壤肥力調控、土地利用規劃提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

湖北省位于我國中部秦巴與大別山斷連交匯處，地理坐標為29°05′～33°20′N、108°21′～116°07′E，區域面積為1859萬km2。屬于亞熱帶季風氣候區，氣候溫暖濕潤、雨熱同期，年平均氣溫與降水量分別為12～16 ℃、800～1 600 mm。境內地勢由東西兩側向中南部傾斜，高程為20～3 105 m，形成了山地、丘陵、平原等階梯狀地貌。省域屬長江與漢江匯流區，河網密度、湖泊星羅，水資源豐富，是全國重要的水利發展基地。植被以亞熱帶常綠闊葉林為主，具有垂直地帶性分布特征。第2次土壤普查表明，全省主要存在水稻土、潮土、黃棕壤、黃褐土、石灰巖土、紅壤、黃壤、紫色土等8個土類，其中前三者為主要耕作土壤。

1.2 數據來源

以湖北省表層土壤有機質含量為研究對象，土壤數據一部分根據《湖北土種志》整理得到，另外部分出自2000年以來相關研究文獻，有效樣點共計157個（圖1）。輔助數據有DEM（digital elevation model）和MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）遙感影像數據，分別由地理空間數據云網站和美國航空航天局（NASA）網站提供，前者空間分辨率達30 m，后者采用的是2016年逐月歸一化植被指數（normalized difference vegetation index，簡稱NDVI）數據，產品編號為MOD13Q1，空間分辨率為1 km。

1.3 研究方法

1.3.1 地統計學 地統計學是Matheron創立的一種空間統

計方法，其通過鄰近度觀測檢測空間連續性變量的隨機不恒定變化與空間位置之間的關系，以界定其影響因素的重要性并估測土壤各屬性變量在空間分布特征[8]。半方差函數（semivariogram）是地統計學的理論基礎，本研究主要應用其中的面域模式解釋土壤空間變異結構，其計算公式如下：

式中：r（h）表示距離為h時的半方差;h為空間間距;N（h）表示間距為h的所有觀測點對數;Z（xi）是空間位置xi上的實測值，Z（xi+h）是空間位置（xi+h）上的實測值。設定h=0時，r（h）的值為塊金值C0;隨著h的增大，r（h）維持在穩定水平時，該處r（h）為基臺值C0+C;此時點對間距為變程A0，變量在變程范圍內的臨近空間上具有良好自相關性，超出變程，自相關性消失。塊基比C0/（C0+C）可度量變量空間不恒定性影響因素的作用大小，即空間結構。根據變量在局部存在空間自相關性，可對其廣域特征使用Kriging插值法進行估算，具體公式如下：

式中：Z（x0）表示變量在x0處的估計值、實測值;λi為加權系數;λ表示臨近點對其影響程度，即權值。

1.3.2 數據處理 將土壤樣品數據導入ArcGIS 10.3平臺中，與DEM和遙感數據統一導入WGS-84投影系統。以DEM數據為基礎，運用Surface模塊計算研究區坡度、坡向、坡位等地形指數。對MODIS逐月數據進行最大值合成，用以表示區域NDVI整體水平。在此基礎上，采取將值提取至點的方法，提取各樣方的地形和NDVI信息。運用經典統計學方法，于SPSS 21.0軟件中對土壤有機質含量的均值、極值、標準差等特征進行統計，通過LSD單因素方差多重比較法分析其與土地利用類型、土壤質地之間的關系，采用Person雙變量相關性分析檢驗其與地形因子的相關性。半方差函數模式擬合與參數計算在GS+9.0地統計軟件中進行，基于模型參數，使用ArcGIS軟件中的Geostatistical Analysis模塊對土壤有機質含量進行空間插值，并生成空間趨勢面。

2.5.4 土壤有機質與土壤質地的關系 土體中的顆粒組成影響著土壤持水性、孔隙度等物理特性，而有機物質的遷移轉化對其具有敏感響應[14]。由圖8可知，不同質地土壤中有機質含量表現為黏土>壤土>沙土，并且其差異達到顯著水平（F=4.74，P<0.05）。這與趙明松等的研究[15]結果一致，黏土顆粒細小、黏粒組分居多，對礦化分解物質具有較好的吸附性;沙土中沙質成分較多、孔隙大、透水性強，不利于有機質的固結。另外，黏土中有機質含量的變異性最小，變異系數為15.32%，壤土次之，變異系數為24.73%，沙土變異性最大，變異系數達46.81%。

2.5.5 不同因素對有機質變異性的影響程度 前述定性分析了不同因子對有機質含量的影響，卻不能定量描述其影響程度的大小。以海拔、坡度、坡向、NDVI、土地利用類型、土壤質地為解釋變量，以土壤有機質含量為目標變量，通過逐步回歸分析識別各因子對有機質變異性的貢獻力，結果如表5所示。當特征參數R2ξ越小、ΔR2越大或R2偏越大時，表示該變量相對重要性越大。可知，海拔因子獨立解釋了 41.5% 的變異信息，是湖北省土壤有機質空間變異的主要因子，土壤質地次之，達22.1%，而其他環境變量的獨立解釋能力較小，表明它們是次要因素。

3 結論

研究區土壤有機質含量為8.52～42.95 g/kg，平均值為23.04 g/kg，變異系數達27.73%，屬中等差異。土壤有機質擬合最適模型為高斯模型，塊基比為0.33，呈中等程度空間自相關性，其空間變異以結構性為主。

研究區土壤有機質含量總體上呈條帶狀分布。有機質含量低值區（小于13.78 g/kg）出現在江漢平原東南部和襄陽盆地，并以此為中心向鄂西、鄂東呈增加趨勢，鄂西地區有機質含量最高，為21.60～43.55 g/kg，鄂東地區次之，為 19.16～30.49 g/kg。土壤有機質在各方向上均存在空間變異，其中東西方向上變異性高于南北方向。

研究區土壤有機質含量與海拔呈極顯著正相關關系，與坡度、NDVI呈顯著正相關關系，并且不同土地利用類型和土壤質地對土壤有機質含量具有顯著影響。為提升土壤有機質涵養能力，需要加強養分分區管理，鄂中丘陵、江漢平原和襄陽盆地區應注重耕作強度調整，堅持秸稈還田或生物堆肥，并防治土壤污染;鄂西地區應加強水利建設和水土流失治理;鄂東地區主要應合理開發利用土地資源，兼顧生態環境保護，增強養分保持能力。

參考文獻：

[1]鄭紅波，吳健平，張 珊. 浙江寧海農用地土壤有機質和土壤養分空間變異分析[J]. 浙江林學院學報，2010，27（3）：379-384.

[2]Huang B，Sun W X，Zhao Y C，et al. Temporal and spatial variability of soil organic matter and total nitrogen in an agricultural ecosystem as affected by farming practices[J]. Geoderma，2007，139（3/4）：336-345.

[3]Mirzaee S，Ghorbani-Dashtaki S，Mohammadi J，et al. Spatial variability of soil organic matter using remote sensing data[J]. Catena，2016，145：118-127.

[4]Schulp C J E，Veldkamp A. Long-term landscape - land use interactions as explaining factor for soil organic matter variability in Dutch agricultural landscapes[J]. Geoderma，2008，146（3/4）：457-465.

[5]Hu K，Wang S，Li H，et al. Spatial scaling effects on variability of soil organic matter and total nitrogen in suburban Beijing[J]. Geoderma，2014，226/227（1）：54-63.

[6]陳 洋，齊雁冰，王茵茵，等. 多重密度布點對土壤有機質空間特性的解析[J]. 自然資源學報，2016，31（12）：2099-2110.

[7]吳 昊. 秦嶺山地松櫟混交林土壤養分空間變異及其與地形因子的關系[J]. 自然資源學報，2015，30（5）：858-869.

[8]Matheron G. Principles of geostatistics[J]. Economic Geology，1963，58（8）：1246-1266.

[9]陳桂香，高燈州，曾從盛，等. 福州市農田土壤養分空間變異特征[J]. 地球信息科學學報，2017，19（2）：216-224.

[10]李志國，張過師，劉 毅，等. 湖北省主要城市園林綠地土壤養分評價[J]. 應用生態學報，2013，24（8）：2159-2165.

[11]韓 丹，程先富，謝金紅，等. 大別山區江子河流域土壤有機質的空間變異及其影響因素[J]. 土壤學報，2012，49（2）：403-408.

[12]趙明松，張甘霖，王德彩，等. 徐淮黃泛平原土壤有機質空間變異特征及主控因素分析[J]. 土壤學報，2013，50（1）：1-11.

[13]邱莉萍，張興昌，程積民. 土地利用方式對土壤有機質及其碳庫管理指數的影響[J]. 中國環境科學，2009，29（1）：84-89.

[14]蔣 威，郜允兵，劉 玉，等. 北京市大興區南部土壤有機質空間變異及其影響因素[J]. 浙江農業學報，2016，28（3）：482-488.

[15]趙明松，張甘霖，李德成，等. 江蘇省土壤有機質變異及其主要影響因素[J]. 生態學報，2013，33（16）：5058-5066.王浩權，朱興華，胡惠允，等. 苯胺降解菌的分離及其降解特性[J]. 江蘇農業科學，2019，47（15）：287-290.