区域土壤有机碳空间分布特征与尺度效应

结合当前土壤属性空间分布特征及其尺度效应研究进展和不足,综合采用变异函数理论、空间自相关理论、多重分形理论等方法从土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)空间变异性、相关性和结构性等不同层面深入揭示不同尺度下SOC空间分布特征及其尺度效应。研究结果表明:除了15 km尺度外,基于变异函数分析的其他尺度块基比均小于50%,结构性因素占主导,结构性因素主要包括土壤亚类、土地质地、土地类型等,随机部分带来的空间变异性随着尺度的增加呈现减少趋势;不同尺度下的莫兰指数随着分离距离的增加由完全正值逐渐变小,过渡到正负交替出现的格局,最后完全变为负值,标准化统计量均大于1.96,每个尺度均具有良好的空间结构;不论是瑞利谱图,还是多重分形谱,随着尺度的增加,图谱越来越接近,研究区不同尺度下的SOC在空间上的分布是典型的分维数体;无论何种尺度,基于多重分形克里格法的实测值与预测值特异值空间吻合程度较高,特异值覆盖比率均在85%以上。联合了变异函数、空间自相关、多重分形和多重分形克里格等方法能够从空间变异性、空间相关性、空间结构性等更加深入全面地揭示研究区SOC空间分布特征。研究成果可为相对平坦农业区域土壤有机碳空间分布特征研究提供方法支撑。     

黄土区退耕草地小尺度土壤水分空间异质性

通过在黄土高原水蚀风蚀交错带选取3块不同年限退耕草地,进行高密度、高频度样带采样,研究分析在表层土壤干旱和湿润状况下,小尺度表层土壤含水率的空间异质性,并分析改变采样间距对土壤含水率空间异质性的影响。结果表明:小尺度表层土壤水分空间异质性为12 a退耕草地>20 a退耕草地>5 a退耕草地;空间变异强度表现为干旱时为中等变异>湿润时为弱变异;表层土壤水分方差与含水率均值呈正相关,土壤水分方差随含水率均值增大而增大;表层土壤水分空间连续性为12 a退耕草地>20 a退耕草地>5 a退耕草地,且与表层土壤含水率呈负相关;小尺度下改变采样间距,在土壤干旱和湿润时均不改变3块退耕草地表层土壤水分空间变异程度。     

极端干旱区8个绿洲防护林地土壤水盐分布特征及其与地下水关系

通过两年的地下水位资料与8个防护林地土壤水分与盐分分布数据,分析了喀拉米吉镇砂土、壤土与粘土绿洲防护林地土壤水盐在0-150 cm深度的分布特征,结果表明:(1)土壤水分随土壤深度的变化趋势为:砂土林地表现为随土壤深度的增大土壤贮水量从60 cm深处开始呈"波峰"、"波谷"的交替;砂壤土林地土壤贮水量随土壤深度的增加而增加;粘土林地土壤含水率开始随着深度的增大而增大,至80-120 cm以后不再增大,甚至减小。(2)砂(壤)土林地土壤水分含量低且空间异质性大,粘土林地土壤贮水量高且空间异质性小。粘土林地土壤含盐量高、砂土林地土壤含盐量低,砂土林地的土壤电导率值在1.5 mS/cm以下,粘土林地的土壤电导率值在2.5 mS/cm以下。(3)喀拉米吉镇绿洲的8个防护林地中,土壤含水量高的林地含盐量也高,含水率低的林地含盐量也低。(4)林地土壤水分布随地下水位的变化趋势表现为:林地内150 cm土体贮水量随地下水位的上升大致呈增大的趋势,林地内的土壤贮水量与地下水位具有较强的负相关关系(R2=-0.81)。林地土壤含盐量随地下水位的变化趋势表现为:(砂)壤土林地的各层土壤盐度随地下水位的上升而下降,地下水位越浅,土壤盐度越小,地下水位越深,土壤盐度越大;粘土林地中,毛管力作用强,盐分运移速度快,从而表现出地下水位越浅,土壤盐度越大,特别是下层土壤(80-100 cm,100-120 cm,120-150 cm)较明显,即土壤盐度随地下水位上升而增大。     

采样尺度对土壤养分空间变异分析的影响

以高密度土壤养分采样数据为数据源,通过随机抽取生成不同采样尺度的样点数据,分析采样尺度对土壤养分空间变异特征分析的影响。研究结果表明:区域土壤养分预测均值随采样尺度减小呈下降趋势,而变异系数增加;养分空间分布的全局趋势随采样尺度增大而增强,但不影响半方差模型;当采样尺度较大,样点间自相关较弱时,相对较少的样点也能满足区域统计参数估测分析需要,但不能用于空间变异特征和插值分析;当样点数大于最佳采样数时,养分统计参数、空间变异特征和插值分析随着采样尺度减小而精度提高,当采样尺度达到0.2左右时,能够满足中等空间变异的土壤养分空间插值分析需要;样点空间布局对相关距和空间插值分析精度的影响比采样尺度本身更为显著。     

黄土区小尺度坡面土壤含水率时空变异性研究

土壤含水率在水平和垂直方向上均具有高度的时空异质性,关于水平方向变异的研究取得了很大进展,而对垂直方向变异的研究较为缺乏。为掌握土壤含水率在剖面上的垂直变异特征,采用经典统计、地统计及分形分析相结合的方法,研究了黄土高原典型坡地剖面土壤含水率的时空变异性。结果表明:不同测定时间下的剖面土壤含水率均服从自然对数正态分布,在空间上均表现为中等变异性,沿土层深度方向的变化趋势均为增长型,且这种变化规律具有时间稳定性;剖面土壤含水率在整个研究区域尺度、微尺度上的半方差函数均可用指数模型进行很好地拟合,均表现出强烈的空间依赖性,并且这种规律几乎不随时间的变化而变化;不同测定时间下剖面土壤含水率在整个研究尺度上均表现出有限的自相似性,在小于2.00 m的间距尺度下具有稳定的自相似性,大于2.00 m间距尺度的自相似性比较微弱,分维数的大小与控制土壤含水率的主要过程有关;不同测定时间下剖面土壤含水率的空间自相关性基本一致,即当滞后距离小于3.20 m时为空间正自相关,大于3.20 m时为负自相关,等于3.20 m时为不相关,而在剖面土壤含水率之间的相关性达到了极显著水平。     

基于电磁感应的南疆典型田块土壤盐分空间异质性研究

为研究南疆典型田块土壤盐分空间异质性,基于电磁感应调查获取表观电导率并解译土壤盐分信息,分别以5m和15m间隔进行网格布点调查研究田块土壤盐分空间变异的尺度效应。研究表明,土壤表层盐分含量与表观电导率之间具有显著线性相关性(r2=0.870),基于电磁感应解译土壤盐分含量具有较高的精度;块金效应、分维数以及Moran’sI指数均表明,田块小尺度土壤盐分空间变异受随机因素影响较大,过大尺度往往忽略小尺度空间变异特征,套合结构半方差函数兼顾小尺度效应,能更好地反映空间变异详细情况,田块两侧的灌排渠使盐分分布呈现明显的趋势效应;详细准确地了解土壤盐分空间分布对于指导农业生产,促进精准农业的发展具有重要意义。     

南方丘陵区不同尺度下土壤氮素含量的分布特征

利用GPS和GIS技术,研究了江西省兴国县潋水河流域小、中和大3种尺度下土壤氮素的空间分布特征。结果表明,土壤全氮和有效氮在小、中和大3种尺度下呈正态或对数正态分布,但二者均值随研究尺度的扩大而增加。其中,土壤全氮平均含量分别为0.60 g kg-1、0.73 g kg-1和0.83 g kg-1,有效氮含量为64.8mg kg-1、66.3 mg kg-1和80.2 mg kg-1。这3种尺度区土壤全氮和有效氮含量的空间变异函数参数和空间分布特征并不相同。因此,二者空间变异表现出明显的尺度效应。网格抽样和分层抽样相结合的采样方法均适合丘陵区小、中和大3种尺度下土壤氮素分布的研究。它们的合理采样数在90%置信度下分别为原采样方案样点数的82.6%、71.2%和58.1%,在95%置信度下分别是原采样方案样点数的95.7%、94.2%和89.2%。     

土壤水分扩散率单一参数模型空间变异及尺度效应的多重分形

在试验的基础上,建立了杨凌及其周边地区0~20 cm土层和20~40 cm土层非饱和土壤水分扩散率的单一参数模型,并运用统计学原理和多重分形方法对不同土层单一参数模型中参数S的空间变异规律和尺度效应进行了分析。结果表明:0~20 cm土层和20~40 cm土层参数S都属于中等变异程度;0~20 cm土层和20~40 cm土层参数S的空间分布格局的多重分形特征都比较明显,但0~20 cm土层参数S在空间上的变化更加复杂;0~20 cm土层和20~40 cm土层参数S的多重分形谱的宽度分别为0.2667和0.2158,都呈现不同程度的左偏,说明不同土层参数S的空间变异性比较强,且都主要是由高值分布引起的。多重分形分析能够揭示出研究区域内不同土层参数S分布的较多局部信息。     

黄土丘陵沟壑区小流域土壤水分空间变异性及其影响因素

为了解不同土地利用方式和地形条件下土壤含水率的数量特征及其变异规律,以黄土高原丘陵沟壑区纸坊沟小流域为研究对象,利用经典统计学方法系统分析了小流域尺度土壤含水率的空间变异性。结果表明:不同土地利用方式下土壤平均含水率之间呈极显著差异,其顺序为:农田>草地>林地>灌木地;土壤含水率在土壤剖面上呈先减小后增大的趋势。地形条件显著影响土壤含水率,其中梯田>沟底>坡地>峁顶;不同坡位土壤含水率的顺序为坡下>坡上>坡中,不同坡向间为阴坡>阳坡。上述土壤含水量的变异程度均为中等。在小流域尺度,土地利用和地形对土壤水分具有显著的交互作用。相关结果可为黄土丘陵沟壑区的土壤水分管理、土地利用结构优化、不同地形条件下的植被布局提供参考。     

大型喷灌条件下马铃薯田间土壤含水率空间变异特征及合理采样数研究

[目的]研究马铃薯田间不同深度土壤含水率的空间分布规律及其合理采样数,为大型喷灌条件下精准灌溉制度的制定提供科学依据。[方法]在约34 hm~2的农田中采用固定与随机相结合的方法布设了116个取样点,分别测定了0—20 cm和20—40 cm深度的土壤含水率,采用经典统计学与地统计学相结合的方法,研究喷灌前后马铃薯生长期内土壤含水率的空间分布特征及其合理采样数。[结果] 0—20 cm深度灌溉前和灌溉后的平均土壤含水率的变化范围7.61%～13.79%,20—40 cm深度灌溉前和灌溉后的平均土壤含水率的变化范围为8.71%～16.12%;总体上土壤含水率变异系数变化范围为16.47%～28.55%,均表现为中等程度的变异性,20—40 cm深度的土壤含水率变异程度略高于表层。连续2 a马铃薯各时期土壤含水率总体表现为中等程度的空间相关性,土壤含水率空间变异受随机因素与结构因素共同影响。田间水分总体上呈斑块状分布,灌水后期土壤含水率的分布较灌前更为分散。地统计学得出田间合理采样数为87个。[结论]在大型喷灌条件下马铃薯田间土壤含水量存在中等程度的空间变异性,并且地统计学与传统统计学两种方法均适用于确定农田平均土壤含水率的最优采样数量。     

温室土壤含水率与导热率空间分布及相关性

为探究土壤含水率与导热率的空间分布特征和相关性,选取温室中8 m×8 m供试地块,以1 m×1 m网格间距布设采样点,测定0～40 cm土壤含水率,并同步获取0～20 cm土层的导热率。基于经典统计学、地统计学、回归分析和谱分析等理论,对土壤含水率与导热率的空间分布特征和相关性进行研究。结果表明,土壤含水率在0～40 cm土层呈现先升高后降低的趋势,且在20～30 cm土层均值最大。10～20 cm土层土壤导热率比0～10 cm土层高15.60%。各深度土层中土壤含水率及导热率存在着较强的空间相关性（块金系数<0.192）,而试验中随机因素引起的空间变异程度较低（块金值<0.540）,最小变程大于采样间距,说明网格布设满足空间分析要求。在供水均匀条件下,不同深度土层的蒸发强度与邻域地块的土壤水分含量亦会影响含水率空间分布。在含水率范围为17%～28%时,0～20 cm土层土壤含水率与导热率呈线性正相关（R2=0.837）,谱分析结果显示导热率在含水率序列上呈现长程负相关。     

灌区土壤盐分空间变异及多因素响应关系

[目的]研究土壤含盐量空间特征和分布格局,分析土壤盐分空间格局与地下水、土壤物理特性参数间的空间响应关系,为灌区盐渍化防控提供理论依据。[方法]以黄河南岸灌区吉格斯太灌域为例,网格化布点,分层采样测定土壤含盐量、表层土壤含水量、颗粒组成、干容重并换算热容量及导热率,同步监测地下水埋深及含盐量,采用经典统计方法和地统计方法分析土壤含盐量空间分布特征及其与物理特性和地下水等因素间的空间相关性。[结果]灌域处于非盐化—轻度盐化状态,土壤含盐量呈中等空间变异程度,总体呈现相对独立的随机分布,空间结构特征可以用高斯模型和指数模型描述。土壤含盐量与地下水埋深呈显著负相关,与地下水含盐量呈显著正相关,地下水埋深1.6 m区域发生轻度盐渍化风险较高。0—20 cm土壤含盐量与黏粒含量、容重、含水量、导热率及热容量显著空间正相关,相关范围约2～6 km;与砂粒含量呈显著空间负相关,相关范围约2～4 km。20—60 cm土壤盐分与0—20 cm土壤黏粒、砂粒含量、导热率、热容量及含水量呈显著相关,相关范围与土壤表层略有差异。[结论]黏粒含量较高,含水率较大,地下水埋深1.6 m的区域是灌域盐渍化防控的重点区域。     

黑河中游绿洲不同景观单元表层土壤水分空间变异性

了解黑河中游绿洲生态系统表层土壤水分空间分布规律可为绿洲生态系统水资源合理分配与利用提供参考。使用地统计学方法分析黑河中游绿洲8—10月戈壁、林地、农地3种典型景观单元表层土壤水分空间变异特征。结果表明：1）3种景观单元土壤含水量从8—10月有下降趋势,呈中等变异特征且土壤水分相对变异（变异系数）一般在干燥时较大,绝对变异（标准差）在湿润时较大;2）表层土壤水分具有明显空间结构及季节变化特征,呈明显斑块状分布,最优拟合模型均为指数模型;土壤水分基台值和变程的变化大致与土壤平均含水量的变化呈相同趋势,具有中等和强烈的空间相关性,且10月份的土壤水分空间自相关性明显大于8和9月,相似性质斑块空间尺度有缩小趋势;3）在黑河中游绿洲区景观类型、土壤平均含水量、土壤、地貌、气候条件及人为管理等因素是造成黑河中游荒漠绿洲区表层土壤水分呈现时间和空间上明显差异的主导因素,其中平均含水量起的主导作用是持续存在的。     

六盘山华北落叶松坡面土壤饱和导水率空间异质性及其影响因素

为深入理解森林坡面土壤饱和导水率的空间变异,利用经典统计学和地统计学的方法研究六盘山华北落叶松人工林坡面不同土层土壤饱和导水率的空间异质性,并基于相关性分析揭示其空间变异的主要因素。结果表明:(1)随土层的加深,土壤饱和导水率逐渐增加,不同土层土壤饱和导水率的空间变异程度存在差异,表现为40—60 cm土层土壤饱和导水率为强变异,其他土层均为中等变异。(2)不同土层土壤饱和导水率的空间结构也存在差异,20—40,40—60,60—80 cm土层土壤饱和导水率表现为强烈的空间自相关性,0—20,80—100 cm土层土壤饱和导水率表现为中等空间自相关性。(3)坡面土壤饱和导水率与石砾含量、非毛管孔隙度、毛管持水量、田间持水量和毛管孔隙度显著相关。综上,研究坡面土壤饱和导水率具有较强的空间变异,石砾含量和土壤物理性质是影响研究坡面土壤饱和导水率空间分布的主要因素。     

放牧干扰后自然恢复的退化沙质草地土壤性状的空间分布

用地统计学的方法 ,研究了科尔沁沙质退化草地不同强度放牧干扰 (重度放牧和适度放牧 )后自然恢复过程中 0～ 15cm土层土壤有机碳、全氮、pH和电导率在 10m尺度上的空间异质性特征。结果表明 ,重牧后的恢复草地比适度放牧后的恢复草地呈现出显著低的有机碳和全氮含量及其显著高的变异性。在取样尺度的空间分布上均表现出显著的空间结构特征 ,自相关尺度分别为 2 2 2～ 2 9 4m和 2 5 5～ 39m ,结构性方差占样本方差的 87 2 %～ 88 2 %和 6 5 5 %～ 85 9%。全氮的自相关尺度大于有机碳。土壤pH和电导率在取样的尺度内不存在局部格局 ,而可能受更大尺度的格局控制。放牧引起的植被斑块状分布和沙化裸斑的出现是土壤碳、氮空间变异的主要因素 ;土壤异质性尺度的改变又可能影响着植被的恢复演替和分布格局。     

沙地土壤水分特征及水分时空动态分析

通过对宁夏盐池沙地不同立地类型土壤水分连续两年的定位观测,探讨了固定沙丘不同部位、不同立地的沙柳林地和柠条林地的土壤水分特征和时空动态变化。结果表明:柠条林地的土壤容重最小,而保水能力最好。各样地土壤水分垂直分布总体表现出明显的分层特征,可划分为3层:土壤水分低值层、土壤水分活跃层、土壤水分相对稳定层,每一层的厚度因不同的立地类型而不同。     

典型生态系统定位观测样地的土壤性状空间变异性评价

用经典统计分析和地统计学的方法，对中国生态系统研究网络（CERN）临泽站新设置的农田生态系统综合观测场土壤性状的空间分布特性进行研究。结果表明，除pH外，土壤有机碳、全N、速效养分和电导率的变异性均超过20％，有机碳和全N的空间相关距离为13．8m和12．6m，表现出较高的空间异质性。克里格插值结果同样显示土壤各性状在研究的尺度上有明显的空间变异格局。相对误差为10％时采集124个土样才可达到95％的置信水平。作为生态网络长期监测样地，必须按空间异质性对观测场地进行采样分区、匀地过渡，结合克里格插值得出的土壤性状空间分布图，确定更为理想的取样方案。     

基于水分和原位电导率的西宁盆地盐渍土含盐量估算模型

为了探讨西宁盆地黄土状盐渍土导电特性与土体本身含水率和含盐量之间的关系,该文在土体洗盐试验基础上,测得了不同含水率和含盐量条件下黄土状盐渍土电导率,分析了土体电导率与含水率、含盐量之间的相互关系和作用机理;在此基础上,建立了土体电导率与含水率、含盐量之间的多元回归模型。结果表明,在土体含盐量一定条件下随着土体含水率增加土体电导率呈逐渐增大的变化趋势,且二者之间符合幂函数关系;土体含盐量愈高条件下土体含水率增加对电导率的影响则愈为显著。在土体含水率一定的条件下,土体电导率随着含盐量增加呈逐渐增大的变化趋势,且二者之间符合线性函数关系;当土体含水率相对较高时,含盐量增加对电导率的影响程度亦较为显著。对建立的区内黄土状盐渍土电导率与含水率、含盐量之间的多元回归模型(R2=0.995)进行验证,相对误差在10%之内,表明模型可有效确定含水率大于5%且小于25%(?5.52%)及含盐量为0.18%～2.18%条件下黄土状盐渍土的含盐量。研究成果对研究区及其周边地区黄土状盐渍土其盐渍化程度划分、工程地质特性评价,以及土体盐渍化等地质灾害现象的科学防治具有理论研究价值和工程指导意义。     

塔里木河上游典型绿洲土壤水盐空间分异特征

结合传统统计学与地统计学方法,以塔里木河上游典型绿洲阿拉尔垦区为研究区,根据64个样点的试验数据,分析样区表层(0-10cm)和亚表层(10-20cm)土壤水盐空间分异特征。结果表明,土壤水分、pH值、电导率和全盐具有明显的空间变异性。样区土壤盐碱化程度较高,土壤水分表现为中等变异性,pH值为弱变异性,电导率、全盐及大部分离子含量为强变异性,盐分呈现强烈的表聚性特性。土壤水分和表层pH值的半方差理论模型较符合指数模型,亚表层pH值、电导率和全盐较符合球状模型。各指标块金值/基台值在0.122～0.316之间,且表层小于亚表层,空间自相关性较高,变异更多受结构性因素影响,空间结构较为复杂。指标的空间分布与区域环境密切相关,各层土壤水分、电导率和全盐均为西北高于东南,即沿河岸-绿洲-荒漠方向递减,而pH值表现为相反的规律。研究区棉田的长期连作,使得水盐运动在多年耕作棉区较为活跃,中小尺度下水盐空间分布的异质性增强。