《黑龙江农业科学》 2017年08期
43-46
出版日期：2017-08-10
ISSN:1002-2767
CN:23-1204/S
旱田土壤团聚体的空间变异分析
高标准、高质量农田是作物高效高产的重要保障，建立高标准农田的前提在于提高土壤质量、改善土壤结构等基础条件。土壤形成于陆地表面，受时间、气候、地形、母质、植被及人为活动等多种因素的共同影响，其特性在空间分布上表现高度的变异性[1]。当今世界，随着新兴技术的飞速发展，精准农业（Precision Agriculture，PA）已成为农业的新潮流，它是以信息技术为支撑，根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事管理技术体系[2]，加快了现代农业化进程。良好的土壤结构体为土壤团聚体[3]，土壤团聚体对土壤营养、土壤水分、土壤空气、土壤温度等肥力元素具有不可忽视的调节功能。为此，准确掌握农田土壤团聚体空间上的变异状况，绘制直观的空间变异分布图在精准农业应用上具有重要的价值。本研究选取黑龙江省农业科学院大庆分院试验基地一常年耕作旱田为研究对象，运用地统计学理论和地理信息系统（Geographical Information System，GIS）技术对土壤团聚体的空间变异情况进行研究，以期为现代化农田管理提供一定的科学依据。1材料与方法1.1研究区概况研究区设置于黑龙江省农业科学院大庆分院试验基地（N46°40′、E125°14′），地形为碟形凹地，温带大陆性季风气候，具有春季多风，夏季多雨，秋凉，冬寒的特点。年均降水量426 mm，年均蒸发量972 mm，土壤易发生盐碱化。本研究选取一常年耕作旱田作为调查研究对象，区域面积约5 hm2。1.2材料土壤样品采集于2016年4月中旬，在研究区按照等间距打成40 m×40 m大小的网格状，在每个网格内采集5点样本混合放入硬质盒中，尽量保持土壤原状，采样深度为土壤耕层0～20 cm，样本数共26个，利用GPS定位仪精确记录采样点的地理位置。1.3方法常规描述性统计是半方差函数分析、空间变异分析的基础[4]，本文对研究区26个样本的土壤团聚体组成进行描述性统计分析。土壤团聚体分级采用湿筛法[5]，在土壤团聚体分析仪（型号TTF 100，浙江）上进行。平均重量直径（Mean Weight Diameter，MWD）通常作为团聚体质量综合评价的一个重要指标[6]，其值较大则反映土壤的团聚程度较高，抵抗侵蚀的能力强，利用公式[7]来计算：MWD=∑〖DD(〗6〖〗i=1〖DD)〗〖SX(〗ri－1+ri〖〗2〖SX)〗×mi式中：i为级别（>5.00，5.00~2.00，2.00~1.00，1.00~0.50，0.50~0.25，<0.25 mm）；ri-1，ri分别为第i-1与第i个级别筛子的孔径(mm)；令r0=r1，r6=r5，mi是第i个级别团聚体的含量（%）。采用地统计理论中的半方差函数[8]和普通克里格（Ordinary Kriging）[9]内插值法进行空间变异分析。运用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理，利用ArcGIS 10.2软件进行空间内插分布图的绘制。2结果与分析2.1土壤团聚体的描述性统计特征由表1可以看出，各级别土壤团聚体含量差异较大，>5.00 mm团聚体含量在0～20%，平均为6.15%；5.00～2.00 mm团聚体含量在1%～41%，平均为7.08%；2.00～1.00 mm团聚体含量在1%～32%，平均为7.15%；1.00～0.50 mm团聚体含量在1%～41%，平均为8.31%；0.50～0.25 mm团聚体含量在3%～22%，平均为〖HJ1.4mm〗9.19%；<0.25 mm团聚体含量在8%～91%，平均为62.12%。土壤MWD在0.20～2.16 mm，平均为0.84 mm。变异系数（CV）能够反映了样本值间的变异程度[10]，通常根据CV的大小分为3个等级：弱变异（CV≤10%）、中等变异（10%100%）。>5.00 mm、0.50～0.25 mm、<0.25 mm三个级别团聚体的CV均在10%~100%，为中等变异；5.00～2.00、2.00～1.00 mm、1.00～0.50 mm三个级别团聚体的CV均大于100%，为强变异。土壤MWD的CV为68.5%，表现为中等变异。经正态分布检验及进行对数转换，使得各个指标呈正态分布或对数正态分布，以达到半方差函数分析使用的要求[11]。〖BW(S(S,,)〗〖BG(!〗〖BHDWG1*2,WK7ZQ0,WK27,WK10YQ0W〗〖TP土肥.TIF,Z〗[]黑龙江农业科学〖〗8期〖BG)Z〗〖BW)〗〖BW(D(S,,)〗〖BG(!〗〖BHDWG1*2,WK4ZQ0,WK32,WK8YQ0W〗8期[]顾鑫：旱田土壤团聚体的空间变异分析[]〖TP土肥.TIF,Y〗〖BG)Z〗〖BW)〗〖HTH〗表1土壤团聚体组成的描述性统计〖WTHZ〗Table 1Descriptive statistics of soil aggregate composition〖WTBZ〗〖JZ）〗〖HT6SS〗〖BG（!SDXD;N〗〖BHDFG3*2，WK16，WK4*2。5，WK5。2，WK4，WKW〗分析项目Analysis item〖〗样本数Samples〖〗极小值Min〖〗极大值Max〖〗平均值Mean〖〗标准差SD〖〗偏度Skewness〖〗峰度Kurtosis〖〗变异系数CV〖〗分布类型〖BHDG2〗>5.00 mm团聚体含量/%〖〗26〖〗0〖〗20〖〗6.15〖〗5.431〖〗0.94〖〗3.63〖〗88.3正态〖BHDW〗5.00~2.00 mm团聚体含量/%〖〗26〖〗1〖〗41〖〗7.08〖〗8.745〖〗2.57〖〗9.89〖〗123.5〖〗对数正态〖BH〗2.00~1.00 mm团聚体含量/%〖〗26〖〗1〖〗32〖〗7.15〖〗9.159〖〗1.66〖〗4.33〖〗128.1〖〗对数正态〖BH〗1.00~0.50 mm团聚体含量/%〖〗26〖〗1〖〗41〖〗8.31〖〗10.414〖〗1.72〖〗5.03〖〗125.3〖〗对数正态〖BH〗0.50~0.25 mm团聚体含量/%〖〗26〖〗3〖〗22〖〗9.19〖〗5.036〖〗1.26〖〗3.49〖〗54.8〖〗正态〖BH〗<0.25 mm团聚体含量/%〖〗26〖〗8〖〗91〖〗62.12〖〗30.487〖〗-0.92〖〗2.08〖〗49.1〖〗正态〖BH〗平均重量直径MWD/mm〖〗26〖〗0.20〖〗2.16〖〗0.84〖〗0.575〖〗1.05〖〗2.94〖〗68.5〖〗正态〖BG）F〗〖FL（2K2〗2.2半方差函数分析采用最优半方差函数模型（决定系数R2接近于1、残差RSS很小）[12]对研究区26个样本的土壤团聚体组成进行半方差函数分析，参数结果见表2。基台值（C0+C）通常反映系统变量空间内的总变异，块基比C0/（C0+C）的大小反映系统变量的空间自相关程度，C0/（C0+C）<0.25表示强相关，C0/（C0+C）>0.75表示弱相关[13]。由表2可以看出，>5.00 mm和<2.00 mm的团聚体均表现为中等的空间自相关，5.00～2.00 mm团聚体和土壤MWD均表现为较强的空间自相关。〖FL）〗〖HTH〗表2土壤团聚体组成的半方差参数〖WTHZ〗Table 2Semivariances of soil aggregate composition〖WTBZ〗〖JZ）〗〖HT6SS〗〖BG（!SDXD;N〗〖BHDFG3*2，WK16，WK6。5，WK4，WKW〗分析项目Analysis item〖〗理论模型Model〖〗块金常数C0〖〗基台值C0+C〖〗块基比C0/（C0+C）〖〗变程a/mRange〖〗决定系数R2〖〗残差RSS〖BHDG5.4mm〗>5.00 mm团聚体含量/%〖〗球状〖〗10.809〖〗36.313〖〗0.298〖〗1.545〖〗0.931〖〗0.081〖BHDW〗5.00~2.00 mm团聚体含量/%〖〗球状〖〗0.095〖〗0.941〖〗0.101〖〗1.181〖〗0.978〖〗0.111〖BH〗2.00~1.00 mm团聚体含量/%〖〗球状〖〗0.862〖〗1.310〖〗0.658〖〗1.181〖〗0.991〖〗0.124〖BH〗1.00~0.50 mm团聚体含量/%〖〗球状〖〗0.672〖〗1.139〖〗0.590〖〗1.181〖〗0.891〖〗0.151〖BH〗0.50~0.25 mm团聚体含量/%〖〗球状〖〗13.773〖〗31.159〖〗0.442〖〗1.126〖〗0.948〖〗0.027〖BH〗<0.25 mm团聚体含量/%〖〗球状〖〗482.97〖〗1004.26〖〗0.481〖〗1.181〖〗0.987〖〗0.025〖BH〗平均重量直径MWD/mm〖〗球状〖〗0.031〖〗0.367〖〗0.084〖〗1.181〖〗0.952〖〗0.026〖BG）F〗〖HJ1.9mm〗〖FL（2K2〗2.3不同级别团聚体和土壤MWD的空间分布为了更直观地反映土壤团聚体的空间变异情况，在半方差函数分析结果的基础之上，运用ArcGIS中普通克里格（Ordinary Kriging）插值方法对研究区样本数据进行最优内插估计，得到不同级别团聚体和土壤MWD的空间分布(见图1、图2)。〖FL）〗〖TPGX1.TIF，BP#〗〖TS（〗〖HT6SS〗图1不同级别团聚体的空间分布情况Fig.1Spatial variability of soil aggregate at different levels〖JZ）〗〖TS）〗〖FL（2K2〗由图1可以看出，研究区不同级别团聚体在空间上均表现出明显的变异性。>5.00 mm团聚体在空间分布上呈现出由中部区域向四周降低的趋势；5.00~2.00 mm团聚体在西南和东北区域较少（1.00%~5.31%），在西北和东南区域较多（5.31%~41%）；2.00~1.00 mm团聚体同样在西南和东北区域较少（1.00%~3.08%），在西北和东南区域较多（3.08%~32.00%）；1.00~0.50 mm团聚体在东南区域较少（1.00%~4.76%），在西北区域较多（4.76%~41.00%）；0.50~0.25 mm团聚体基本表现在南部、西部和东北区域较少（3.00%~8.73%），在中部偏北和东南区域较多（8.73%~22.00%）；而<0.25 mm团聚体表现仅在南部和东北区域较多（84.29%~91.00%），在中部、西部、北部和东南区域较少（8.00%~84.29%）。由图2可以看出，研究区土壤MWD在空间上明显变异，在西南和东北区域其数值较小（0.20~0.66 mm），在中部、西北和东南区域其数值较大（0.66~2.16 mm）。〖TPGX2.TIF，BP#〗〖TS（〗〖HT6SS〗图2土壤MWD的空间分布情况Fig.2Spatial variability of soil MWD3结论与讨论通过地统计理论分析和普通克里格最优内插估计得出，该研究区土壤各级团聚体和土壤MWD统计上服从正态或对数正态分布，空间上呈现斑块状分布，存在明显的变异性。>5.00 mm、0.50～0.25 mm、<0.25 mm三个级别团聚体和土壤MWD均表现为中等变异；5.00～2.00 mm、2.00～1.00 mm、1.00～0.50 mm三个级别团聚体均表现为强变异。土壤团聚结构为良好的土壤结构[3]，有利于作物的生长，掌握土壤团聚体空间上的变异状况，绘制直观的空间变异分布图在农业应用上具有重要的价值。而团聚体的形成与稳定是漫长而复杂的，受多种因素（如温度、湿度等条件和施肥、耕作等措施）的影响，这种在同一区域上的变异可能由于多年来施肥措施或耕作方式的多样性所致，也可能土壤自身条件所致或者各种因素间的相互作用所致，这将有待于进一步调查研究。