苏北海涂围垦区土壤水分空间变异性及其协同克立格估值

以苏北滨海滩涂围垦区为研究区域,应用地统计学方法研究了剖面不同深度土壤含水量的空间变异特征,以0～20 cm表土层含水量作为协同变量,分析了不同深度土壤含水量的交互半方差特征,探讨了土壤含水量的普通克立格和协同克立格估值方法.结果表明:各层土壤含水量都表现为弱变异强度;受结构性因素和随机性因素的共同作用,各土层含水量均呈中等空间自相关性;协同区域化变量间均表现为正相关,且协同区域化变量的空间结构性要优于单一变量;协同克立格对土壤水分局部变异的描述较普通克立格更为详细;与普通克立格法相比,协同克立格法估值产生的均方误差减小10.1%～21.3%,平均标准误差减小11.3%～17.7%,预测值和实测值间的相关系数提高15.9%～26.4%.该研究为滨海滩涂地区土壤水分分区管理和水盐优化调控提供了一定的理论参考.     

海涂土壤剖面电导率的协同克立格法估值及不同取样数目的比较研究

应用地统计学的半方差函数和普通克立格法 ,分析了 2 0m× 2 0m的采样间隔上 ,同一剖面0～ 2 0、2 0～ 4 0、4 0～ 6 0、6 0～ 10 0cm四个层次上海涂土壤电导率的空间相关性和空间分布。并在对协同区域化变量进行交互半方差分析的基础上 ,用协同克立格法 ,将 0～ 2 0cm层上的土壤样品作为辅助变量 ,其他三层上初始及减少后的土壤样品作为主变量 ,来对 2 0～ 4 0、4 0～ 6 0、6 0～ 10 0cm土层上的电导率进行估值。同普通克立格法相比 ,协同克立格法在这三层估值所产生的均方根误差 (RMSE)减少了 9%到 2 5 1% ,平均标准误差(ASE)减少了 9 4 %到 2 1 9% ,预测值与实测值之间的相关系数协同克立格法比普通克立格法提高了 4 6 %到85 %。数据分析的结果表明 ,利用协同克立格法 ,深层的样品数目在被减少至 6 0 %的情况下仍能满足精度要求 ,没有明显地导致空间信息的丢失。因此 ,协同克立格作为一种更为精确和经济的方法来对样品少的或难以测试的变量进行估值不但可以大大提高估测精度 ,而且可以减少采样数目 ,节省采样的成本。     

辅助时序数据用于土壤盐分空间预测及采样研究

以普通克立格法作为参考，利用辅助数据的两种预测方法，即协同克立格法和回归克立格法对海涂区土壤盐分进行空间内插计算，并在目标变量的采样数目不断减少的情况下，利用80个检验样本，对比了这3种方法的预测精度。结果表明，不论目标变量的样品数目如何减少，利用了辅助变量的协同克立格法和回归克立格法的预测精度较普通克立格法都有了较大提高，而且回归克立格法的预测精度总体上要好于协同克立格法。对不同样品数目下3种方法的预测误差进行T检验发现，回归克立格法对普通克立格法和协同克立格法预测误差的减少在不同的样本数目下都达到了极显著水平。研究结果表明，利用连续几个时段上辅助的时序数据，来对同样点位上下一个时段的变量进行估值，可以较大地提高估值精度，节省采样成本。尤其是回归克立格法的回归部分可以是一般的线性模型，也可以是非线性模型,在预测时无疑更具灵活性。     

土壤速效磷含量空问插值方法比较研究

采用土壤空间变异及其插值方法,对上海五四农场现代化农业园区水稻田60m×60m间隔采样,得到280个土壤有机质含量、速效磷、速效钾、全N、全P等采样数据,用逆距离加权、球面多项式、局部多项式、辐射基础函数、简单克立格、通用克立格、平常克立格(指数模型、球形模型、高斯模型、静态模型)等插值方法,对该区土壤速效磷含量的140采样点进行插值,得到各种插值的速效磷连续空间分布,将插值所得拟合值与同期测得的另140个采样点数据进行比较,则局部多项式插值、球面多项式和3种克立格插值方法效果较好,其中局部多项式插值方法效果最佳,平常克立格的静态模型、高斯模型和球形模型插值效果较佳。     

基于线性混合模型的滨海盐碱土盐分空间变异性研究

准确的土壤盐分空间变异信息是防治土壤盐碱化和制定科学种植规划的重要依据。本文根据电磁型近地传感器EM38测定的土壤表征电导率(EC_a),研究有限最大似然法(REML)在地统计建模趋势去除中的应用,基于线性混合模型将趋势与残差分离,然后利用泛克立格开展海涂围垦区水稻田土壤盐分的空间变异性研究。结果表明,本研究区土壤盐分存在强烈的空间变异性且呈一定的空间分布趋势;REML方法拟合的二次多项式模型可较好的表征土壤盐分的空间分布趋势,在去除趋势的同时,选用指数模型对残差的半方差函数进行拟合;基于泛克立格插值的交叉检验结果可见,该方法可得到较小的预测误差,且标准离差比平均值参数接近理想值,REML方法大大提高了模型的精度;就地统计空间插值结果可看出,土壤盐分呈出从西北角向东北角、从周边向中心渐变的空间分布特征,且与土壤排水条件表现出较好的耦合性。     

基于地统计学和GIS的太湖典型地区土壤属性制图研究——以土壤全氮制图为例

在地理信息系统(GIS)支持下，运用地统计学方法对太湖典型地区耕层土壤全氮含量的空间变异特征进行分析，探讨了适用于研究区域土壤全氮制图的最佳邻域，并在此基础上利用块段克立格(Block Kriging)法绘制了土壤全氮含量空间分布图。结果表明，土壤全氮的空间变异性在40km步长变化域上表现为明显的各向同性，超出这个范围，土壤全氮空间变异的各向异性明显增强，以40km步长变化域上土壤全氮的空间结构特征作为Kriging插值依据有助于提高制图精度。制图结果表明，研究区域土壤全氮含量在江阴和宜兴两市境内普遍较高，锡山和武进两市相对较低；且高值斑块区主要分布在地势低洼的圩田区，这是人为施肥和土壤特性共同影响的结果。Kriging估值标准差分布图可为评价和提高制图精度提供十分有用信息。     

电磁感应仪用于土壤盐分空间分布的协同克立格估值研究

以黄河三角洲地区典型地块为研究对象,应用地统计学的半方差函数理论,分析了0～40 cm和40～80 cm土壤盐分的空间变异特征.在对协同区域化变量进行交互半方差分析的基础上,采用协同克立格法,以电磁感应仪EM38测得的土壤表观电导率作为协同变量,对各层次的土壤盐分进行估值.结果表明:受结构性因素和随机性因素共同作用,各层次土壤盐分均表现中等强度的变异和空间相关性;随机性因素是引起土壤盐分空间异质性的关键原因;协同区域化变量间均表现为正相关,且协同区域化变量的空间结构优于单一变量.同普通克立格法相比,协同克立格法估值产生的均方误差减小13.1%～17.8%,平均标准误差减小5.83%～17.6%,预测值和实测值间的决定系数提高37.6%～42.6%.该研究结果为黄河三角洲地区土壤盐渍化的精准定量化、科学管理与合理改良提供了一定的理论基础和实践依据.     

地统计学在土壤科学中的应用及展望

地统计学应用于土壤科学中，探索其空间分布特征及其变异规律，已为越来越多的学者所推崇。半方差函数提供了一个定量工具，可以将土壤某一性质的变异与成土因子和成土过程联系起来，使人们加深对土壤的作用后果的理解，而克立格可以对未采样区的区域化变量的取值进行无偏最优估计，在对地统计学的理论进行简要阐述的基础上，介绍了其近几年的发展，回顾了它在土壤科学研究中取得的一些成果，并就地统计学在土壤科学中的应用前景作了展望。     

缓坡水平梯田土壤水分空间变异性

以江苏省扬州市区北部某梯田为例,分析了小于2°的缓坡水平梯田土壤含水率的空间变异特征,并针对缓坡水平梯田土壤含水率由较高田块到较低田块逐渐增加、同一级梯田内由内侧到外侧含水率逐渐减小的分布特征,提出了适合研究该种地形土壤含水率空间分布的有效方法,即趋势辅助克立格法(简记为KTAI)。该方法同时考虑了不同级梯田高程和同级田块内不同部位对土壤含水率的影响,用它对梯田土壤含水率进行插值,估计方差比传统的普通克立格法(简记为OK)大幅度降低,大大提高了估值精度,减轻了野外采样工作量,对于研究梯田土壤水分空间变异性具有重要意义,同时拓展了地质统计学理论在土壤水分空间变异性研究中的应用范围。     

丘陵红壤重金属复合污染的空间变异分析

本文以江西省贵溪市江西铜冶炼厂周围的土壤重金属污染区(面积7.7km2)为例,研究了基于GIS的地统计学方法在丘陵红壤区土壤重金属复合污染空间变异分析上的应用,提出了一个空间变异分析步骤:(1)利用DGPS定位,以50~200m的随机网格采集土壤样品;(2)分析土壤重金属含量数据的分布类型和空间分布趋势,通过数据转换去除数据趋势;(3)计算半方差函数并选择最佳的拟合模型和参数;(4)通过交叉验证选择合适的克立格方法;(5)通过空间插值,绘制重金属污染空间分布图,分析空间变异规律和影响因素。空间分析结果表明,Cu和Cd的复合污染是铜冶炼厂污染区的主要污染特征,基于ArcGIS的地统计学分析模块可以较准确地分析丘陵区土壤重金属复合污染的空间变异特征。     

短距离样点对土壤呼吸空间变异预测精度的影响

不同采样设计会对土壤呼吸空间变异特征的预测精度产生重要影响。本研究选取黄淮海平原北部潮土区1 km×1 km夏玉米样地,在7×7单元规则格网(样点间距167 m)、完全随机(样点平均间距433 m)以及3×3单元规则格网+完全随机(样点平均间距405m)3种布点方式的基础上,保持样本总量(49)不变,以占总样点2%～14%的短距离样点(样点间距4m)随机替换原方案相应样点个数的方法优化布点方式,应用普通克里金法插值,以均方根误差(RMSE)和确定系数(R2)作为验证指标,检验基于3种布点方式设置的短距离样点对土壤呼吸空间变异预测精度的影响。结果表明:研究区土壤呼吸平均速率为2.65μmol·m?2·s?1,空间分布均呈西高东低,表现出中等程度变异。采样设计对土壤呼吸空间分布的预测精度影响显著,基于3种布点方式设置短距离样点可提高预测精度7%～13%。无短距离样点替换时,规则格网+完全随机的布点方式最优,比完全随机布点和规则格网布点的空间插值预测精度分别提高10%和22%;设置短距离样点替换后,在最优布点方式(规则格网+完全随机)中,对土壤呼吸空间变异的预测精度可再提高4%～7%,其中短距离样点个数占样本总量10%对土壤呼吸空间变异预测精度的提高最为明显。研究发现,基于相同的样本数量设置短距离样点可增加区域范围内样点密度,提高土壤呼吸空间变异预测精度及试验结果的可靠性。因此,在黄淮海平原北部潮土区100 hm2尺度的夏玉米样地中,规则格网+完全随机+10%短距离样点的布点方式是预测土壤呼吸空间变异最适宜的采样布点方式。     

不同样点数量对土壤有机质空间变异表达的影响

以南京市六合区为研究区,通过完全随机和限制最小采样间距抽样分别设置5个样点系列,基于每个样点系列100次重复抽样的变异结构推断及空间预测误差结果,探讨了不同样点数量对土壤有机质(SOM)空间变异表达的影响。结果表明,两种抽样方式降低样点数量后推断的SOM含量的块金效应(C0/C0+C)均随样点数量减少而降低且限制最小采样间距抽样推断的C0/C0+C要低于完全随机抽样方法,说明适当的减少样点数量以便降低与SOM变异尺度不匹配的样点对变异结构推断的影响有助于提高SOM空间变异结构表达的可靠性。普通Kriging预测的SOM误差对比则表明,尽管两种抽样方式下空间预测的均方根误差(RMSE)随样点数量变化而波动,但均低于全部样点的预测误差;通过限制最小采样间距减少样点至250个时,SOM空间预测的RMSE最低,较全部样点预测误差降低了6%,因此,为了实现样点密度与SOM变异尺度相匹配,合理设置土壤采样点的间距及样点数量较单纯的增加采样点数量更为重要。     

精准农业中不同取样间距下Kriging插值精度对比研究

为了研究土壤不同养分的合理取样间距,研究选择了平顶山地区典型烟田为研究对象,在面积为4 hm2的地块上以20 m×20 m网格采样,共采集耕层(0~20 cm)土壤样品111个。在GIS软件平台上对采样点进行行列删除,人为改变取样间距大小,并运用地质统计学和普通克里格插值方法进行插值,生成了土壤各养分分布图。同时,随机选取7个样点,并将其在不同取样密度下的Kriging插值结果与实测值进行比较。由插值误差分析、独立检验、面积分析和养分分布图可以看出:在该研究区域内,碱解氮、速效磷、速效钾、速效铁和速效锌以20 m取样间距较为合适,有机质和速效铜的合理取样间距为60 m,速效锰则以40 m取样间距较适宜。研究目的是为该地区确定合理的土壤取样间距提供理论依据。     

采样密度对中国红壤地区土壤有机碳空间变异研究的影响效应

Spatial variability of soil organic carbon (SOC) of different land use patterns and soil types was examined in a county-wide red soil region of South China,using six sampling densities,14,34,68,130,255,and 525 samples designed by the method of grid sampling in 6 different grid sizes,labeled as D14,D34,D68,D130,D255,and D525,respectively.The results showed that the coefficients of variation (CVs) of SOC decreased gradually from 62.8% to 47.4% with the increase in soil sampling densities.The SOC CVs in the paddy field change slightly from 30.8% to 28.7%,while those of the dry farmland and forest land decreased remarkably from 58.1% to 48.7% and from 99.3% to 64.4%,respectively.The SOC CVs of the paddy soil change slightly,while those of red soil decreased remarkably from 82.8% to 63.9%.About 604,500,and 353 (P < 0.05) samples would be needed a number of years later if the SOC change was supposedly 1.52 g kg-1,based on the CVs of SOC acquired from the present sampling densities of D14,D68,and D525,respectively.Moreover,based on the same SOC change and the present time CVs at D255,the ratio of samples needed for paddy field,dry farmland,and forest land should be 1:0.81:3.33,while the actual corresponding ratio in an equal interval grid sampling was 1:0.74:0.46.These indicated that the sampling density had important effect on the detection of SOC variability in the county-wide region,the equal interval grid sampling was not efficient enough,and the respective CV of each land use or soil type should be fully considered when determining the sampling number in the future.     

采样数量与空间插值方法对华北平原典型区土壤质量评价空间预测精度的影响

空间插值方法的差异以及采样数量不同对土壤质量评价空间分布的预测精度会产生影响。本文通过随机抽样的方法,以山东省禹城市的土壤质量指数为例,从359个土壤采样点中抽取了340,170,90,50,30五个样本子集,通过普通克里格、简单克里格、反距离加权法和样条函数法4种插值方法,分别对其空间变异和布局进行了解析和预测。结果表明：不同插值方法对预测精度影响不显著,而采样点数量则显著影响了土壤质量指数空间分布预测的精度。本文提出在华北平原县域尺度上,以土壤质量评价作为调查目的的土壤采样中,90个样点是比较适宜的采样数量。同时,将我们的结果与Cochran最佳采样数量计算公式获取的最佳采样量比较后发现,Cochran方法获取的最佳采样数量明显偏低,若不考虑实际的空间变异情况,仅仅使用Cochran公式可能会导致土壤质量空间预测不准确。     

应用土壤质地预测干旱区葡萄园土壤饱和导水率空间分布

田间表层土壤饱和导水率的空间变异性是影响灌溉水分入渗和土壤水分再分布的主要因素之一,研究土壤饱和导水率的空间变化规律,有助于定量估计土壤水分的空间分布和设计农田的精准灌溉管理制度。为了探究应用其他土壤性质如质地、容重、有机质预测土壤饱和导水率空间分布的可行性,试验在7.6 hm2的葡萄园内,采用均匀网格25 m×25 m与随机取样相结合的方式,测定了表层(0～10 cm)土壤饱和导水率、粘粒、粉粒、砂粒、容重和有机质含量,借助经典统计学和地统计学,分析了表层土壤饱和导水率的空间分布规律、与土壤属性的空间相关性,并对普通克里格法、回归法和回归克里格法预测土壤饱和导水率空间分布的结果进行了对比。结果表明:1)土壤饱和导水率具有较强的变异性,平均值为1.64 cm/d,变异系数为1.17;2)表层土壤饱和导水率60%的空间变化是由随机性或小于取样尺度的空间变异造成;3)土壤饱和导水率与粘粒、粉粒、砂粒和有机质含量具有一定空间相关性,而与土壤容重几乎没有空间相关性;4)在中值区以土壤属性辅助的回归克里格法对土壤饱和导水率的预测精度较好,在低值和高值区其与普通克里格法表现类似。研究结果将为更好地描述土壤饱和导水率空间变异结构及更准确地预测其空间分布提供参考。     

空间变异在土壤性质长期定位观测及取样中的应用

通过对中国科学院沈阳生态实验站30m×42m样地进行网格法分层取样,采用经典统计学与地统计学相结合的方法,以土壤pH和有机碳(TOC)为例,探讨了空间变异在土壤性质定位试验及取样中的应用。结果表明,49对样本的pH和TOC变异系数均小于10%,变量在0~10cm和10~20cm两个层次的基本统计数值基本接近,最佳理论模型的参数显示各变量空间变异主要受结构性因素的影响,且以135°方向的变异为主;相对误差为10%时采集6个和10个土样可分别达到95%和99%的置信水平,结合空间分布格局可以确定更为精确的取样方案;综合分析表明待选样地可以作为土壤性质长期定位观测试验用地。     

低丘红壤肥力的时空变异

利用地统计学方法研究了我国中亚热带低丘红壤区土壤肥力的时空变异。1 985年和 1 997年 ,在 1 .35km2 的区域内以 1 0 0m× 1 0 0m的网格采集了 1 0 5个表层土壤样品。分析结果表明土壤肥力性质具有较大的空间变异 ,速效磷的变异系数最高 ,而pH的变异系数最低。土壤pH空间相关性强 ,而有机质、速效磷和速效钾空间相关性中等。未开垦前 ,土壤肥力性质的空间相关间距大于等于红壤丘陵的直径 ;开垦 1 2年后 ,土壤肥力性质的相关间距减少 ,其中pH和速效钾的相关间距与红壤丘陵的半径相当。土壤肥力性质及其变化值的克立格插值结果显示出一定的空间相似性 ,说明地统计学方法可以同时分析土壤肥力在时间和空间上的变异