基于“3S”的土壤水分垂直分布变异性分析

以地统计学的半变异函数为理论分析工具,结合G IS和GPS技术,分析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:①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的拟合,其存在强烈或中等程度的空间自相关,变程范围为2~5 m。②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;坡耕地和梯田的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。     

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。     

黄土高原六道沟小流域坡面土壤入渗特性的空间变异研究

水蚀风蚀交错带是黄土高原水土流失最为严重的地区,研究其不同地类土壤的入渗特性及其空间变异规律,有助于揭示黄土高原土壤侵蚀过程和生态环境的脆弱性以及流域水文模型精度的提高。本研究选取在水蚀风蚀交错带的强烈侵蚀中心六道沟小流域进行,采用双环定水头入渗法,在六道沟流域内一个长375m的完整天然坡面上网格布点,应用传统统计学方法和地统计学方法对稳定入渗率和前30min累积入渗量等土壤入渗特性重要参数的空间变异结构进行了研究,结果表明:(1)土壤稳定入渗率和前30min累积入渗量的变异系数分别为0.480和0.404,在坡面上的变异程度均呈现中等变异性;(2)两个入渗特性参数的试验半方差函数与理论半方差函数均拟合较好,自相关特征距离分别为126m和226m;块金值均大于0,表明在采样间隔范围内可能存在更小尺度的空间变异,要进一步研究在采样间隔内是否具有更小尺度的空间相关特征,可以增加采样密度来分析。     

农田表层土壤养分空间变异特性研究

为给田间养分监测设施布设方法提供依据,在陕西杨凌选取2块农田,采用12 m×12 m嵌套6 m×6 m的采样方法,采集表层土壤(0～20 cm)养分数据,运用经典统计、地统计学结合Kriging插值方法,分析农田土壤养分空间变异特征。结果表明:冬小麦抽穗期与成熟期农田表层土壤全氮(TN)变异系数10%,为弱变异,土壤有机质(SOM)、有效磷(AP)变异系数介于10%与100%之间,为中等变异,有效钾(AK)和铵态氮(NH_4~+-N)变异系数100%,为强变异,成熟期硝态氮(NO_3~--N)由强变异转为中等变异。土壤养分最优半方差模型为球状模型,作物不同生育阶段,土壤养分空间相关性存在一定的差异,土壤SOM、TN块金系数25%,空间相关性强烈,以结构性因素为主导;冬小麦抽穗期速效态养分块金系数介于25%与75%之间,空间相关性中等,随机性因素主导,成熟期25%,空间相关性增强。采样密度由6 m×6 m变为12 m×12 m时,变异程度保持不变,土壤养分空间变异系数差值在0.04%～59.48%范围内,成熟期2号样地的AK除外,块金系数差值在0.065%～34.177%范围内,2种采样间距获得的土壤养分空间变异特征基本一致,建议选用12 m×12 m网格。     

艾比湖湿地土壤速效钾空间变异性分析

选择艾比湖湿地的博尔塔拉河,精河下游河岸带为研究区域,针对土壤中的速效钾进行定量测定,采用描述性统计法、地统计学方法和空间分析法,讨论研究区土壤速效钾的空间变异及分布特征。结果表明:在0~20 cm和40~60 cm土层速效钾空间变异中块金值与基台值之比分别为38.61%、32.63%,表明其空间变异性主要是随机性因素和结构性因素共同引起的,其空间分布体现为中等空间相关性。在20~40 cm土层块金值与基台值之比为17.09%,表明其空间变异性主要是结构性因素引起,其空间分布相关性很强,而在60~80 cm土层块金值与基台值之比为78.96%,表明其空间变异性主要是随机性因素引起,其空间分布相关性很弱。研究区土壤速效钾的取值范围在3.34~632.10 mg kg-1之间,差异很大。调查样地中37.19%的土壤样品速效钾含量3.34~34 mg kg-1之间,属极缺乏型和很缺乏型;31.70%的土壤样品速效钾含量34~68 mg kg-1之间,属很缺乏型和缺乏型,表明研究区速效钾含量整体偏低。土壤速效钾垂直分异规律为:随土层深度的增加而递减;速效钾含量水平分异规律为:精河区域、精博河间的中部区域博河区域。     

博尔塔拉河流域土壤有机碳的空间结构分析

利用描述性统计分析和地统计分析,对博尔塔拉河流域0—20cm深度土壤有机碳的空间分布特征进行了研究。结果表明:博尔塔拉河流域土壤有机碳符合正态分布;半方差函数分析表明,博河上部和下部有机碳较好地符合高斯模型分布,中部有机碳符合线型模型分布。块金值与基台值的比值表明博河上部土壤有机碳含量的空间相关性很弱,说明随机性因素(如施肥、耕作措施、种植制度等各种人为活动)引起的空间变异起主要作用;中部和下部土壤有机碳含量表现为中等空间相关性,表明结构性(如气候、母质、地形、土壤类型、自然因素等)因素和随机因素共同起作用。Kriging插值表明:(1)博尔塔拉河流域土壤有机碳的空间分布特征主要以斑块状为主,基本与耕地分布相吻合;(2)全流域最大值出现在下游,可能与耕作模式以及河流从上游携带大量营养物质,通过灌溉在下游土壤沉淀累积有关;(3)博乐市周边土壤有机碳含量最低,这可能主要与博乐市周围为城市和工业用地有关。     

秦巴山地县域土壤碱解氮空间变异与合理采样数的确定

[目的]了解秦巴山地县域土壤碱解氮的空间分布规律,确定合理的采样密度,为研究区农田养分管理提供科学依据。[方法]运用地统计学与GIS结合的方法,随机抽取不同采样密度的样点数据,进行插值分析,采用交叉验证法对插值精度进行评价。[结果](1)土壤碱解氮的变异系数为42.95%,属于中等变异;(2)块金值与基台值的比值约为1/2,具有中等强度的空间相关性,空间最大相关距离为9 171m;(3)样点数目从1 060个到742个时,变程以及块金值与基台值之比出现明显偏差,其相对误差分别为152.32%和36.1%,均方根误差(RMSE)、相关系数(R)同样出现明显偏差。[结论]汉滨区土壤碱解氮空间连续性较好,适当地减少采样密度,仍可以满足插值分析的需要,考虑到土壤碱解氮的空间变异评价的精度分析结果,县域土壤碱解氮的合理采样数应该控制在1 060个以上,即最大以345.5hm2为一个采样单元。     

侵蚀黑土容重空间分异与地形和土地利用的关系

以黑土侵蚀和重点治理的典型流域——黑龙江省拜泉县通双小流域为案例，通过田间取样和测定、数字高程模型（DEM）导出、遥感影像（Landsat-7ETM＋）解译分别获得容重、地形因子和土地类型数据。运用经典统计和地统计学方法，结合地理信息系统（GIS），探讨侵蚀黑土表层土壤容重空间分异与地形和土地利用的关系。结果表明：小流域尺度上，黑土土壤容重变异（14％）和空间自相关性（块金值／基台值。Co／Co＋C=41．18％，变程2402m）均属于中等强度。坡位和土地利用是影响容重变异的最突出因素。地形是控制空间白相关性的主要结构因素。土地垦殖、耕作方式和管理措施等随机因素强烈地影响了土壤容重的空间自相关性，有48．3％的农田耕层土壤容重过大，结构不良。目前黑土小流域的侵蚀治理方式是适合的，也是很成功的。但在保证土壤不再移位的前提下．如何提高土壤的质量和生产力．即培肥土壤是又一严峻的挑战。     

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。     

黄土区坡面表层土壤容重和饱和导水率空间变异特征

土壤容重和饱和导水率是影响坡地土壤入渗产流和抗侵蚀能力的两个重要因素,研究径流小区表层土壤容重和饱和导水率在坡面的空间变化规律,有助于深入理解坡地的降雨入渗产流产沙规律。借助经典统计学和地质统计学,采用1m网格布点法对神木六道沟流域41m×5m径流小区表层土壤容重和饱和导水率坡面空间变异规律进行研究,结果表明:(1)表层土壤容重沿坡面的变化没有明显的规律,经地质统计学分析土壤容重具有明显的空间结构和自相关特征,自相关特征长度为7.6m。(2)表层土壤饱和导水率在坡面的变化也不具备明显规律,Ks和lnKs在坡面的变异经地统计学分析均不具有空间结构特征,属于纯随机变量。     

黄土高原东北缘退耕坡地土壤养分和容重空间变异特征研究

以山西广灵退耕6年的典型坡地为代表,在实地调查和取样分析的基础上,使用经典统计学和地统计学方法研究了黄土高原东北缘退耕荒草地中土壤养分与容重的空间变异特征.结果表明:研究区土壤容重较高、养分含量较低,土壤较为贫瘠,且土壤容重具有弱变异而土壤养分具有中等程度变异;同时,所研究土壤性质的合理采样数从多到少依次为全磷>有机质>速效磷>碱解氮>速效钾>全氮>容重;另外,该区土壤养分和容重的空间分布可用球状模型进行较好的拟合,而且其空间变化主要是人为等随机性因素作用的结果.     

水蚀风蚀交错带土壤-植被系统氮素空间变异特征

采用经典统计学和地统计学相结合的方法,分析了黄土高原水蚀风蚀交错带本氏针茅草坡地土壤—植物系统氮素沿坡面的分布,并从不同空间尺度研究了土壤—植物系统氮素的空间结构特征,以揭示水蚀风蚀交错带草坡地土壤—植物系统氮素分布特征。研究结果表明,随坡位的降低,草坡地植物生物量、植物氮含量和储量均逐渐增加;土壤有机质和全氮含量在坡上部和坡中部相近,但均低于坡底部;土壤硝态氮和铵态氮含量沿坡面呈先降低而后在坡底部迅速增加的变化趋势。这些变量的变异系数除硝态氮和铵态氮以坡中部最小外,均以坡底部最小,表明坡底部土壤—植物系统氮素分布最为均匀。各变量的最佳拟合模型在3个分析尺度上均保持一致,且随分析尺度的增加,块金常数、块金效应逐渐增大,样点间的空间依赖性逐渐减弱,空间相关性减弱。表明水蚀风蚀交错带草坡地土壤—植物系统氮素在不同尺度上空间结构比较稳定,属中等或强空间相关性,其空间变异主要来源于结构性因素。     

田块尺度顺坡垄作改等高垄作提高黑土有机质含量

为了明晰等高垄作后对坡耕地土壤有机质的恢复作用,选取一块面积为1.4 hm2的典型黑土坡耕地,采用标准栅格法,同位大样点取样调查了改垄前和改垄10 a后土壤有机质和含水率等性状的变化。结果表明:1)与经典统计学相比,地统计学通过变程、块金值与基台值的比值以及插值绘制空间分布图,能够从全坡面更好地反映改垄前后性状的空间变化;2)等高改垄10 a后,垄台土壤含水率变程由510.7 m降低到193.2 m,块金值与基台值的比值由11.7%升至46.9%,空间相关性强度由强烈变为中等,水分再分配降低;3)耕层土壤有机质总体增加了2.61 g/kg,提升了8.4%,只在坡中上部西侧小区的部分区域降低了3.7%;4)土壤全氮含量减少了0.04 g/kg,降低了2.8%。上述结果表明,对于严重侵蚀的坡耕地,改顺坡垄为等高垄作,可弱化性状空间相关性,对土壤有机质具有恢复作用,但应适当增加化肥氮素的施用量,对东北黑土区坡耕地水土流失治理具有指导意义。     

艾比湖湿地土壤碱解氮的空间变异性分析

选择艾比湖湿地的博尔塔拉河、精河下游河岸带为研究区域,针对土壤中的碱解氮进行定量测定,采用描述性统计法、地统计学方法和空间分析法,讨论研究区土壤碱解氮的空间变异及分布特征。结果表明:在0~20、20~40和60~80 cm土层碱解氮含量的块金值与基台值之比分别为47.60%、49.98%和58.21%,具有中等的空间相关性。在40~60 cm和80~100 cm土层块金值与基台值之比分别为3.64%和22.69%,具有较强的空间相关性。研究区0~100 cm各层土壤碱解氮含量平均值分别为49.16、37.26、30.22、20.35和17.80 mg/kg,经统计分析15~20 mg/kg的样本频数最多,表明研究区碱解氮含量整体偏低,属于极缺乏性。土壤碱解氮垂直分异规律为:随土层深度的增加而递减;碱解氮含量水平分异规律为:博河区域精河及精河东部区域博、精河间的中部区域。     

马尾松人工林地浅沟表层土壤颗粒的空间分布特征

为研究马尾松林地浅沟侵蚀对地表特征的影响,选取南方红壤区马尾松人工林地发育完整的浅沟为研究对象,采用野外调查与室内试验分析相结合的方法,研究浅沟表层(0—5cm)土壤颗粒分布的空间差异性。结果表明:(1)研究区内表层土壤颗粒中石砾含量较高,约占78.68%,土壤为多砾质沙土,土壤水蚀使得浅沟表层土壤粗化。(2)浅沟不同部位间表层土壤颗粒分布差异明显,其中石砾含量表现为沟底沟坡沟缘,沟底的石砾含量极显著小于沟坡和沟缘的含量(P0.01);极粗砂、中粗砂、细砂粒、粉粒和黏粒含量均表现为沟底沟坡沟缘,且沟底的含量均极显著大于沟坡和沟缘的含量(P0.01);而沟坡和沟缘土壤颗粒含量差异不显著(P0.05)。(3)沿沟长方向从沟头到沟口,沟底表层土壤中粗颗粒含量呈减小趋势,细颗粒含量呈增大趋势;而沟坡和沟缘趋势正好相反,说明在浅沟沟底中上部主要为侵蚀作用,而在中下部主要为沉积作用。(4)不同粒级土壤颗粒含量最优半方差函数理论模型均为高斯模型,土壤颗粒含量的块金系数最大仅为0.36%,远小于25%,不同粒级土壤颗粒含量表现出强烈的空间自相关性。本研究可为南方红壤区人工林地土壤侵蚀治理提供理论支持。     

喀斯特典型洼地土壤水分的垂直变异研究

利用2005年5月在桂西北喀斯特洼地10 m×10 m地块范围内的网格(2 m× 2 m)采样数据,用地统计学方法分析了两种土地利用类型(耕地和牧草地)0-80 cm土壤水分的垂直变异结构及其分布格局,结果表明,耕地和牧草地土壤水分呈现弱变异特征,两者的垂直变异趋势大致随土层加深先减小后增大,其中牧草地土壤水分的变异程度相对较大;耕地和牧草地土壤水分在垂直层面均具有良好的半方差结构和较强的空间相关性,均可用球状模型拟合,变程分别是66.0 cm和49.1 cm.垂直变异还具有明显的各向异性,均用指数模型拟合;土壤水分的空间相关性及变程与土壤容重具有一定关系.研究显示,洼地退耕还草后土壤总体上朝着有利于水分保蓄和植被恢复的方向转变.     

黄土丘陵区县域农田土壤有机碳空间变异性————-以甘肃省庄浪县为例

运用地统计学和GIS相结合的方法,研究了黄土丘陵区县域尺度农田土壤有机碳空间变异性及其影响因素。结果表明,1）研究区土壤有机碳含量处于较低水平,平均值为8.28g/kg,变异系数为18.8%,属于中等变异强度。2）有机碳变异函数的理论最佳模型为指数模型,块金值与基台值之比为9%,表明有机碳含量具有强烈的空间相关性,空间相关距离为2250 m,大于采样间距400 m。普通Kriging插值表明土壤有机碳含量整体上呈现东部比西部高、北部比南部高,西部区域呈现出斑块状的分布。3）影响该区域土壤有机碳空间变异的主要因素是海拔和土壤类型,坡向及土壤侵蚀程度等,海拔对有机碳空间变异性的贡献率为82.27%,土壤类型为13.10%,坡向和土壤侵蚀程度为4.54%。     

黄土区小流域土壤容重和饱和导水率的时空动态特征

土壤水力性质是评估降水入渗、径流发生以及土体可蚀性的重要参数。研究小流域尺度土壤水力性质的时空动态特征,对于以小流域为基本单元的黄土高原综合治理具有直接意义,有助于加深对相关生态水文过程的理解。以陕西省神木县六道沟老叶满渠小流域为对象,进行50 m×50 m网格布点(共73个样点),2014年8-10月期间每月测定1次表层土壤容重和饱和导水率,结合经典统计学与地质统计学的方法研究容重和饱和导水率的时空变化规律。结果表明:1)小流域尺度容重的月际变化趋势较为一致,整体呈正态分布规律,饱和导水率的月际变化强烈,呈偏态分布;容重较饱和导水率变化范围较小,变异程度较低;2)小流域尺度容重和饱和导水率在8-10月的半方差可用指数模型进行最优拟合,两者均表现出中等程度的空间依赖性;Kriging插值图表明小流域容重总体差异性较小,而饱和导水率差异显著;8-10月,西坡局部区域、坡顶的容重呈逐月增大趋势,而饱和导水率呈减小趋势;3)Pearson相关性分析表明,8-10月单次测定的容重和饱和导水率之间的相关性不明显;在同一土壤类型下(干润砂质新成土)表现出极显著的负相关关系(P0.01)。     

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。     

农田土壤紧实度和容重空间变异性研究

为了揭示长期人为管理与利用过程对于土壤质量的作用与影响,本试验研究了陕西关中地区旱地农田土壤紧实度和容重空间变异特征。研究结果表明:在水平方向上土壤紧实度和容重具有中等变异强度,土壤紧实度和容重以村庄为中心向外逐渐增大;在垂直方向上土壤紧实度和容重同样存在明显的变异性。进一步分析表明,土壤紧实化的水平空间变异特征是人为长期采用就近原则进行有机培肥,对土壤质量产生的作用与影响;而垂直剖面上的差异性则是多年旋耕产生的结果。所以,加强土壤培肥,改善现行耕作制度显得极为重要。