基于GIS和GPS的土壤水分垂直空间变异性分析——以陕北黄土高原小流域为例

以地统计学的半变异函数为理论分析工具,结合地理信息系统GIS和GPS技术,分析研究了陕北王东沟小流域土壤水分在垂直方向的空间变异特征。结果表明:对土壤水分在垂直方向的半变异函数曲线可用球状模型进行很好地拟合,其存在强烈或中等程度的空间自相关,变程范围从2~5 m不等。草地的块金值和基台值较大,远远超出了其他几种植被,它在表层0~0.8 m的土壤水分含量变化也最为剧烈,波动很大;林地的块金值较小,但基台值很大,说明其土壤表层水分和深层水分的变化差异较大;坡耕地和梯田土壤水分的分布变化比较小,半方差函数曲线变化也比较平缓,块金值和基台值都比较小。不同土地利用类型对土壤水分在垂直方向空间变异的影响呈现林地草地灌木果园农地的趋势。     

黄土丘陵区浅沟表层土壤容重的空间变异特征

选取陕西省安塞县纸坊沟小流域2条发育完整的浅沟(长90m,宽40m)作为研究对象,运用经典统计学和地统计学方法研究浅沟表层(0-5cm)土壤容重的空间变异。经典统计学分析表明:土壤容重从浅沟上部到下部总体上呈逐渐减小的趋势;配对T检验表明,平行浅沟分布的9条样线在垂直浅沟方向上土壤容重差异不明显,浅沟分水线、浅沟沟坡和浅沟沟底之间差异不明显;方差分析表明,浅沟上部与中部和下部土壤容重差异显著,而中部和下部无显著差异。地统计学分析表明:在2,4,6,8,10,20m的采样间隔下,随着采样间隔的增大,理论变异函数的拟合精度逐渐降低;变异函数理论模型、块金值、基台值和变程各不相同;块金值和基台值之比变化范围为0.00~0.55,为强度空间依赖性和中度空间依赖性;垂直和平行浅沟的各向异性分析结果表明,土壤容重的空间异质性以各向同性为主。     

太行山山前坡地不同土地利用方式下土壤水分的时空变异特征

以济源试区坡耕地、苹果园、果农复合系统、退耕还林地、刺槐林地5个邻接农林模式为研究对象,用时域反射仪(TDR)测定坡面不同农林模式雨季前、雨季中和雨季后表层土壤(0-30 cm)含水量,分析表层土壤水分分布特征及其时空变异特征。结果表明:由于受不同坡位、不同植被类型的影响,土壤表层含水量从坡顶到坡底逐渐增加;雨季前后土壤表层含水量的半方差理论函数均呈球状模型,块金值变化并不明显,其值分别为0.25和0.30,独立间距分别为99.7 m和87.6 m,土壤水分具有强烈的空间自相关性,存在很好的分形特征,分形维数分别为1.71和1.74,变异均主要是由空间自相关部分引起。雨季中土壤表层含水量的半方差函数呈直线模型,土壤水分空间变异表现出随距离增加而增加,分形维数为1.40。     

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。     

西南丘陵区坡地土壤水分的时空变异

利用地统计学方法研究了我国西南丘陵区坡地土壤水分特性的时空变异特性。土壤水分含量在不同季节和不同层次具有一定的空间结构,可用纯块金效应模型、指数模型和球状模型进行拟合;土壤平均含水量、剖面各层含水量和半方差参数除变程外均随季节表现出明显的变化,但随土壤层次无明显的变化规律;土壤含水量的空间相关性随季节呈波动变化,块金值的变化趋势与基台值相似。克立格插值结果显示不同季节土壤平均含水量的空间分布格局不同。     

黄土高原坡地表层土壤饱和导水率和水分含量空间变异特征

表层土壤水分含量和饱和导水率对深层土壤水分的动态的变化具有重要的决定作用。在黄土高原坡地（50m×360 m）范围内进行网格（10 m×10 m）取样,用地统计学方法研究表层（0～30 cm）土壤饱和导水率和水分含量的空间变异特征。结果表明：1）坡地表层土壤密度变化规律为坡下位大于坡上位,土壤饱和导水率变异系数为0.37,属于中等变异强度;2）饱和导水率和自然对数化的饱和导水率在360 m尺度内均不具备空间结构特征,是纯随机变量,线性有基台模型适用于描述表层土壤水分的分布特征,水分分布存在明显的块金效应,并且随滞后距离的增加半方差变大;3）饱和导水率和水分含量从坡上位到坡下位均呈现波浪式变化,饱和导水率大的采样点土壤水分含量低,反之则高。     

喀斯特峰丛洼地坡面土壤水分空间变异研究

以线形取样方式测定了喀斯特峰丛洼地坡面表层(0～5、5～10、10～15 cm)的土壤水分,采用经典统计结合地统计学方法分析了其空间分布特征及变异结构。结果表明：在坡面特定土地利用结构下(上坡到下坡分布有自然坡地、退耕地和耕地),表层土壤水分沿上坡向下具有不断减小的变化趋势,坡面纵向和横向土壤水分均呈中等变异,横向上由于特殊的土壤分布和地形地貌特征使得变异程度较纵向强烈,土地利用和坡度因子是造成坡面土壤水分分布和变异的重要因素;半方差分析显示,坡面表层土壤水分具有明显的块金效应和较大的基台值,呈中等或较强的空间相关性,土壤水分总体上具有较好的变异结构和空间连续性,因此可以应用地统计学方法在该地区开展土壤水分空间变异研究。     

高分辨率遥感影像中冬小麦长势空间异质性特征分析

遥感影像可以同时获取地物波谱及空间位置信息,为作物长势的空间变异研究提供新的技术手段,该文利用高空间分辨率遥感影像开展了冬小麦地块内长势空间异质性特征的提取及分析。研究基于小麦挑旗期QuickBird遥感影像,选取不同长势冬小麦地块,计算地块内冬小麦归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)的经验半方差函数,采用最小二乘算法进行模型拟合,得到冬小麦地块NDVI最优半方差模型及参数(基台值、变程、块金值)。结果表明,不同冬小麦地块NDVI经验半方差图呈现明显的有基台模式,冬小麦NDVI表现出明显的带状异向性特征。在垂直及平行垄向上,基台值与地块内NDVI纹理值域范围、纹理方差均极显著正相关(P0.01),且受方向影响不大;变程在垂直垄向上与地块内部作物NDVI均值呈极显著负相关(P0.01),与变异系数及NDVI小于0.40的像元覆盖度极显著正相关(P0.01);块金值垂直垄向上与作物NDVI均值、变异系数、小于0.40的像元覆盖度有极显著关系(P0.01),变程、块金值在平行垄向与各个因子无相关性。该研究为利用遥感影像揭示作物长势的空间变异提供了参考。     

沟坡侵蚀汇水区黑土水分和养分的空间异质性

[目的] 研究坡耕地侵蚀沟汇水区土壤水分和养分空间差异性及其变化,揭示黑土侵蚀对坡耕地粮食生产的影响。[方法] 选取典型黑土坡耕地发育的侵蚀沟汇水区为研究区域,系统观测全生育期土壤水分和养分性状,并秋收测产,解析黑土水分、养分、产量空间异质性及其相关性,分析沟坡侵蚀对土壤质量和作物生产力的影响。[结果] ①沟坡侵蚀对黑土坡耕地土壤水分性状造成了显著的影响,全生育期表层0—20 cm垄沟土壤含水量变异系数12.2%~17.4%,为中等变异;块金值/基台值<0.2,表明具有强烈的空间相关性,雨季块金值/基台值近为0,表明沟坡汇水区土壤含水量完全因地形等结构因子导致的径流迁移的影响,空间有效相关距离最小,为55.2 m。②沟坡汇水区土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和速效钾含量变化分别为23.9~49.7,0.8~1.7,0.3~0.6 g/kg,和70.3~183.8,27.8~78.9,71.2~202.1 mg/kg,土壤有机质含量有效空间相关距离小于100 m,全磷含量有效空间相关距离最大,接近500 m。③汇水区大豆产量变化1 669~3 223 kg/hm²,玉米产量变化8 177~10 871 kg/hm²。[结论] 沟坡侵蚀加剧了汇水区土壤水分和养分空间异质性,降低了耕地生产力。     

高寒草甸典型小流域雨后土壤水分空间变异特征

利用地统计学的Kriging空间内插法研究寒区典型小流域雨后土壤水分空间变异及分布情况;分析了0～50 cm土壤层的平均土壤水分与剖面土壤水分的空间分布特征。结果表明：0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm五层土壤水分和流域平均土壤水分最佳拟合模型为球状模型;在小流域尺度范围内,五层土壤水分具有中等空间变异性,其块金系数为43.7%、58.9%、53.0%、71.6%和68.1%,流域平均土壤水分的块金系数为38.4%,0～10 cm1、0～20 cm、20～30cm三层土壤水分相关度明显小于30～40 cm和40～50 cm两土层土壤水分,说明表层土壤水分受降雨因素干扰明显,而深层土壤含水量相关性比较稳定。通过分析,得出雨后流域土壤水分空间分布主要受水分入渗、地形、植被覆盖、海拔等因素的影响。利用半方差函数分析得出流域土壤水分的有效变程在938～1469 m之间,40～50 cm土层土壤水分变程最大,为1469 m;10～20 cm土层土壤水分变程最小为938 m。通过确定半方差函数、比较变量的空间变异性及空间变异程度,得出在小流域内土壤水分半方差函数模型总体上拟合效果较好。     

贵州喀斯特人工草地土壤水分空间异质性对放牧强度的响应

采用地统计学方法研究贵州南部人工草地不同放牧强度(零牧、中牧和重牧)下浅层土壤剖面(0—10,10—20,20—30cm)水分的空间异质性及其影响因素。结果表明:喀斯特人工草地土壤水分的平均值与变异系数均呈现出明显的放牧强度变化与剖面变化规律;在不同放牧强度下,0—10cm和10—20cm土壤剖面含水量均表现为NGHGMG,20—30cm土层土壤含水量为NGMGHG,变异系数均呈中等变异(10%CV100%),平均含水量处于中等水平时土壤水分变异性较高;土壤水分的Moran’s I自相关分析表明,不同放牧强度下不同土层草地土壤水分均具有较强的空间自相关性,且空间自相关性主要受放牧影响;土壤水分半方差分析表明,不同放牧强度下不同土层草地土壤水分空间分布特征模型为指数模型、球状模型或高斯模型,表明其均为聚集分布;不同放牧强度C/(C0+C)值在0.500~0.817之间,表明土壤水分表现出中等或很强的空间自相关性;不同放牧强度土壤水分变程在2.77~15.61m范围内变化(零牧,2.53~12.82m;中牧,2.77~15.61m;重牧,14.03~18.79m),说明影响土壤水分的生态过程随放牧强度变化在不同尺度上起作用;Kriging maps直观地反映和验证了草地土壤水分的空间变化规律,与Moran’s I和半方差函数分析的结果相吻合。综合分析发现,在小尺度内,重牧是地势平坦的喀斯特人工草地表层土壤水分空间变异的主要影响因素。     

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。     

毛乌素沙地不同林龄沙柳表层土壤水分空间异质性

利用经典统计学与地统计学相结合的方法对毛乌素沙地不同林龄沙柳表层土壤（0-20 cm）水分空间异质性进行研究。结果表明,随着林龄的增长,表层土壤水分含量有增加的趋势,增加幅度为5.46%-6.60%;不同林龄沙柳表层土壤之间水分含量差异极显著（p〈0.01）。变异函数分析显示,2-4年的沙柳林中,随着林龄的增长,使得基台值和空间结构比增大,沙柳表层土壤水分含量具有高度的空间异质性,其空间异质性以空间自相关部分为主,从占总空间异质性的63%增大到87%;各向异性分析也表明,在空间上不同林龄表层土壤水分具有明显的各向异性;其空间格局有明显的差异,2年生沙柳林表层土壤水分含量的分数维较低,4年生沙柳林的分数维最大,斑块形状复杂程度增大,表层土壤水分空间分布趋于离散。     

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。     

黄河三角洲景观变化中人为影响力的时空分异

利用1986,1996,2006年的遥感影像,结合GIS和图谱分析,运用地统计学方法研究现代黄河三角洲地区近20年来景观变化和人为影响力的时空变异规律,实现人为影响力的定量化和空间化,从而揭示人类开发活动的空间变异和强度分布。结果表明:①在1986,1996,2006年的3期人为影响力的实验变异函数值与理论变异函数拟合得较好,残差平方和RSS和决定系数R2的检验达到极显著水平。②黄河三角洲在近20年来的人类活动影响力在研究尺度上存在空间异质性:基台值逐年增大,人为影响力在空间上出现急剧的变化,不同地点的人为开发利用强度差异性程度加速增加;人为影响力中在600m以下小尺度上由随机因素引起的空间异质性SHR特别小,块金效应较小,而空间自相关引起的空间异质性占主要部分,在90%以上;根据各向异性条件下的变异分析,可以得出人为影响力在不同方向上具有明显的各向异性结构特征,即在不同方向上,其块金值和基台值有一定的差异,但也有相似或者相同的,说明人为影响力的各向异性同时具有几何异向性和带状异向性。③人为影响力的空间分布格局受交通线、水系、居民点和海岸线的控制明显。     

滨海棉田土壤盐分时空分布特征研究

在黄河三角洲滨海一农田试验田共采集3期（春、夏、秋三季）EM38表观电导率数据,运用经典统计学和地统计学方法,分析试验区盐分时空分布特征。结果如下：垂直方向电导率相关系数均大于0.8,具有强相关性,水平方向相关系数在-0.2到0.2之间,相关性很弱。土壤盐分分布呈底聚型。变异系数比较显示,同期数据中,表层变异强度最强,底层变异强度最弱。半方差分析中各层块金值与基台值之比大多在25%~75%,盐分空间上偏向于中等空间相关性。棉花长势赋值后生成空间插值图,对比同期电导率插值图,将盐渍化程度划分成4个等级。分析按等级重分类后的栅格插值图中各盐渍土等级所占比例值,表层中非盐化土所占面积比已由初期的5.54%增加到11.93%,轻度盐化土所占面积比增加了42个百分点。     

烟台果园表层土壤水分的时空分布及分形特征

在果树生长旺期,利用Trim e水分速测系统对果园表层土壤水分采样后,对土壤水分的数据统计特征、变异函数、分形特征、合理取样数目及其等值线分布进行了分析。结果表明:降雨后变程和基台值最大,变异系数和分维数最小,其值分别为38.09m、1.163、0.0888和1.846。在90%或95%的置信水平(Pl)和相同精度(Δ)下,降雨后土壤水分合理取样数目最少,此时土壤水分的空间等值线分布的变化程度相对也较小。这说明降雨有促使土壤水分分布趋于均匀及空间相关性增强的效应,但也可能导致在个别区域内出现明显的高低值;而随后的土壤蒸发则使土壤水分的结构性减弱,空间异质性增强。     

六盘山华北落叶松人工林土壤水分空间异质性的降雨前后变化及其影响因素

为了阐明林冠叶面积指数、枯落物厚度等植被因子及降雨量影响下的林地土壤水分空间异质性变化规律,在宁夏六盘山香水河小流域选择了2个35a华北落叶松典型坡面(东南坡A、南坡B),遵循空间格局分析的小支撑、多样点设计原则,结合所选坡面特征,利用线状样带取样法,测定了坡面上各样点的表层(0—20cm)和亚表层(20—40cm)土壤水分、林冠叶面积指数、枯落物层厚度、坡度及离开最近一棵树主干的距离,采用经典统计结合地统计学方法,分析了降雨前后土壤水分空间变异特征;利用Pearson相关分析法分析了降雨前后坡面土壤水分与主要环境因子的数量关系;经Kriging插值得到了实验坡面降雨前后的土壤水分空间分布图。结果表明:本研究选择的2个坡面上表层和亚表层土壤水分均存在显著的空间自相关性,呈现明显的斑块状分布格局。A、B坡面雨前表层土壤水分的块基比分别为0.20和0.16,有强烈的空间自相关性;亚表层的块基比均为0.50,具有中等的空间自相关性;表层土壤水分变程分别为27.6m和23.7m,亚表层土壤水分变程为54.9m和186.0m,空间自相关性存在于较大的范围内。降雨后A、B坡面的表层土壤水分的块基比分别为0.13和0.11,亚表层的块基比为0.28和0.20;表层土壤水分变程分别为17.7m和17.3m,亚表层土壤水分变程为31.4 m和42.6 m,空间自相关性存在的范围变小。Pearson相关分析表明,A坡面土壤水分的空间变化在雨前主要受样点离开树木的距离和坡度的影响,雨后则主要受样点上方叶面积指数和枯落物厚度的影响。由此可见,此次11mm降水使2个坡面上土壤水分的空间异质性增加、空间自相关性增强,且乔木林冠层和枯落物层对降雨的截持和再分配是雨后土壤水分空间异质性增大的主要原因。     

基于土地利用和微地形的红壤丘岗区土壤水分时空变异性

在红壤丘岗区冬春两季,以网格采样法测定了红壤丘岗区一块包含茶地、旱地和林地的缓坡的地表层和深层土壤含水率,采用经典统计结合地统计方法分析了其空间变异特征。结果表明：单一土地利用下,林地土壤含水率明显高于茶地和旱地,整体采样区土壤水分变异系数明显大于单一土地利用。同一季节表层和深层土壤水分具有类似的变异趋势;土壤水分在不同利用下存在截然不同的变异特征。通过半方差分析发现,茶地－旱地交界区土壤水分空间变异低于其他地方;另一方面,茶地－旱地土壤水分不具备空间相关性。另外,采样区表现出明显的各向异性且季节性变化明显,在冬季,土地利用和微地形共同影响水分变异特征;而在春季,土地利用是土壤水分变异的主导因素。除茶地-旱地交界区冬季水分不具有空间相关性外,土壤水分整体上具有良好的变异特征和空间连续性,因此可以利用地统计学在整体采样区进行水分空间变异的研究。     

珠江三角洲典型区农业土壤铬的空间结构及分布特征

通过对东莞市118处农业表层土壤和5处典型土壤纵剖面的取样调查,利用常规统计学和地统计学方法研究了土壤中铬的空间结构和分布特征。结果显示,东莞市农业土壤铬含量为2．28～94．98mg·kg^-1,平均值为44．90mg·kg^-1,略高于东莞市背景值;铬的空间结构表现为明显的几何各向异性,各向异性比约为1．8,长、短轴分别在103°和13°方向;指数模型对于实验变异函数的拟合效果较好,变异函数表现出明显的块金效应,块金值在基台值中所占的比例约为34％,表明东莞市农业土壤中铬具有较强的空间相关性;铬的空间分布具有明显西部高、东部低的地域特征,其空间分布主要受成土母质和地形的控制,铬主要来源于成土母质,另外人为活动对铬的空间分布也有显著的影响。