土壤养分的空间变异性研究进展

土壤养分具有变异性,其变异性特征能够反映区域生态功能和景观格局的动态变化,是土壤的重要属性之一。本文从土壤养分空间变异的研究意义出发,通过对相关文献的阅读分析,简述了国内外关于土壤养分空间变异研究的发展历程和研究现状,分析了土壤养分空间变异的来源,简述了地统计学、地理信息系统(Geographic Information System, GIS)、遥感以及人工神经网络等研究方法在土壤养分空间变异研究的应用现状,并对目前研究所存在的问题进行了剖析,在此基础上对未来的研究方向进行了展望。

华北太行山前平原农田土壤养分的空间变异性研究

采用地统计方法 ,分别对栾城县 (面积约 30 4 90hm2 )和中国科学院栾城生态农业试验站示范区(15hm2 )农田耕层土壤养分的空间变异特征进行了研究 .结果表明 ,在 2个不同采样间距下 ,各土壤养分含量均具有空间相关性 ,县域范围近似以 1km网格采样 ,最大相关距离为 4 2～ 15 6km ,在示范区以 2 0m网格采样 ,则为 112～ 2 2 3m ;在同一采样间距下 ,土壤有机质、全氮、全磷、速效养分 (N、P、K)含量的空间变异结构也各不相同 ,具有块金方差效应 ,半方差图分别遵从高斯和球函数模型 .认识本区土壤的这种空间变异结构有助于实现对农田土壤养分的分区和合理管理 .

农田土壤养分的空间变异性特征

对一块面积为１ ｈｍ ２ 麦田内的９８ 个观测点取样分析，测定了代表不同土壤含水率水平下的两个时期土壤表层和底层的 Ｎ Ｈ４ Ｎ、 Ｎ Ｏ３ Ｎ、 Ｏｌｓｅｎ Ｐ、表层有机质和全氮等养分。应用地统计学的方法对所取的数据进行了分析，结果表明底层土壤的 Ｎ Ｈ４ Ｎ、表层土壤的有机质服从正态分布；其余养分基本上服从对数正态分布；按一定的精度和置信水平确定了合理的取样数目。通过半方差函数分析，发现这些养分在一定范围内存在空间相关性；采用 Ｋｒｉｇｉｎｇ 方法对未测点进行了估值，绘制了等值线图，并对两个时期的养分动态的空间变异进行了初步分析。该成果可用于提高氮肥利用率和精确农业（施肥）的研究和实践。

植烟土壤养分的空间变异性研究

采用网格法取样,利用传统统计学和地统计学分析了平顶山地区典型烟区(0～20 cm)土壤养分的空间变异特征,并运用普通克里格(Kriging)进行最优无偏线性插值,制作了土壤pH、有机质(OM)、土壤活性有机质(ASOM)、全氮(TN)、碱解氮(AN)、速效磷(AP)、速效钾(AK)、速效微量元素(Fe,Mn,Cu,Zn)、阳离子交换量(CEC)的空间分布图.研究表明,OM与TN,AN,AP,AK,Fe,Mn,ASOM之间存在着很强的正相关性;AN,Zn和CEC的块金值/基台值为3.39%～23.43%,表明其具有强烈的空间相关性;而其他土壤养分的块金值/基台值为30.87%～49.99%,为中等强度的空间相关性.结果显示,研究区域内不同土壤养分在较大范围内存在空间自相关性,其空间自相关距离从34.3 m(Zn)到376.3 m(Mn).采用Kriging最优内插法对未测点进行了估值,绘制了等值线图,各种土样养分都在一定程度上受地形、土壤类型、土地利用方式、施肥等因素的影响,且均表现出明显不同的分布规律.

土壤养分的空间变异性及确定样本容量的研究

从澄城、杨陵两地田块均匀多点采取的土样测定结果表明，土壤有机质、硝态氮、铵态氮和水分具有很大的变异性，这种变异性不仅表现在水平方向，也表现在垂直方向，但不同养分在垂直方向上的变异规律不尽相同。因此，在一定精度要求和误差范围内，相同养分在不同土层中的样品容量也不完全相同。只有根据误差理论确定出每层所需的样品容量，才能保证不同土层间的测定结果具有相互可比性。这一研究结果，对指导合理取样和决定样品容量，准确评价不同土层的养分含量，以及研究养分的动态变化等具有一定的参考价值。

豫中烤烟种植区烟叶石油醚提取物含量与土壤养分的空间变异性分析

在地统计和GIS的支持下,以半方差函数为工具,研究了豫中烤烟种植区石油醚提取物含量和土壤养分的空间变异性特征,并进行相关分析。运用普通克立格法进行最优无偏线性插值,制作了研究区内石油醚提取物含量和不同土壤养分的空间分布图。结果表明,豫中烤烟种植区石油醚提取物含量符合高斯模型,空间变异性受结构性因素影响较大;土壤属性中,土壤全磷、有效氮、速效钾、氯含量为中等程度的空间变异性,其余的都为弱空间变异性;分维数最高的是土壤有效氮和阳离子交换量,最低的是有机质、pH和硅;相关性分析表明,烟叶石油醚提取物含量与土壤pH、铝、钙、铁、镁含量均呈极显著的负相关,与土壤有效氮、速效磷、全钾、硅及全磷含量之间呈极显著的正相关。豫中烤烟种植区烟叶石油醚提取物含量和土壤养分的等值线图可更准确和直观地了解研究区的土壤养分与烟叶品质的相关关系,从而为精确施肥提供依据。

湖北省粮食主产区土壤养分的空间变异性研究

利用"网格"取样、土壤养分状况系统研究法和GIS技术探讨了湖北省粮食主产区3个自然村土壤养分的空间变异特性。结果表明,pH值和有机质相对稳定,在整个研究区域其变异较小,近似于正态分布,施肥元素的变异则较大,表现出明显的负偏峰分布特征;土壤有效P、K和Zn等重要施肥元素的空间变异主要是受土壤利用方式和施肥水平等随机因素的影响,同时其缺乏又更多地出现在水田中。

黄土丘陵沟壑区坝地土壤养分的空间变异性

以黄土丘陵沟壑区作为研究区域,选取具有一定淤积年限的典型坝地―山西省中阳县洪水沟流域独堆坝,应用ArcGIS软件,采用Kriging法,对其土壤有机质、全氮、缓效钾、碱解氮、有效磷、速效钾等土壤养分的空间变异性进行了研究。结果表明:研究区坝地土壤养分含量较低,且分布不平衡,土壤养分均属于中等变异;各土壤养分的半方差随着距离的增大而增加,其空间自相关变化尺度范围均比较小,在较小范围内存在着空间相关性;研究区土壤养分含量分布均具有较高的空间异质性,存在空间分布格局。

秸秆还田农田土壤养分的空间变异性研究

利用地统计学和多重分形方法研究分析秸秆还田农田土壤养分的空间变异性。结果表明:土壤碱解氮、速效钾和有效磷的空间相关范围介于14.30m-22.30m;土壤速效钾、碱解氮和有效磷均为强烈空间相关性;土壤碱解氮、有效磷和速效钾均具有多重分形特征;土壤碱解氮的空间变异性主要由其低值引起,土壤有效磷和速效钾主要由其高值引起;土壤有效磷、碱解氮和速效钾的空间变异程度依次减弱。

农田土壤养分的空间变异性特征分析

土壤养分的空间变异性特性分析工作可以了解在一定的土壤发展空间内,各个区域的养分类型和含量的变化情况,在此基础上制定今后的肥料施放方案。对于土壤的养分空间来说,需要管理和分析的项目包括土壤的地下深层区域养分分布装填和土壤表面的养分分布状态,采用取样调查和分析方法高精度分析。

基于地统计学的植烟土壤碳氮含量空间变异性研究

有机碳和全氮含量是影响土壤肥力与作物产量的重要土壤因子,区域内土壤碳氮含量的分布情况直接影响作物生产。通过解析云南省保山市烟区土壤碳氮含量空间分布情况,为区域植烟土壤肥力改良和优质烤烟生产提供科学依据和数据支撑。对保山市5县(区)72个植烟土壤点进行采样,测定土壤容重、田间持水量、土壤含水量、土壤酸碱度、有效土层厚度、土壤全氮含量和土壤有机碳含量等7项指标,采用径向基函数神经网络模型和克里格法建立土壤碳氮含量与土壤理化因子间的相关关系,预测土壤有机碳含量和全氮含量的空间分布特征。土壤碳氮含量与理化指标间的相关性分析表明,土壤全氮含量与土壤容重、土壤pH值呈显著负相关关系(P<0.05),相关系数分别为-0.235、-0.170;土壤有机碳含量与田间持水量、土壤含水量呈极显著正相关关系(P<0.01),相关系数分别为0.555和0.452;土壤有机碳含量与土壤pH值呈显著正相关关系,相关系数为0.190;土壤有机碳含量与土壤容重呈极显著负相关关系,相关系数为-0.636;土壤碳氮关系可用线性回归方程y=10.69+4.37x(r^(2)=0.137,n=72)表示;土壤平均全氮含量2.01 g/kg,土壤平均有机碳含量为33.60 g/kg,土壤平均碳氮比为16.71。径向基函数神经网络模型较多元回归模型对验证样点土壤全氮含量和有机碳含量的预测值与实际观测值的相关系数分别提高0.037和0.031,表明土壤理化因子与土壤碳氮含量之间的复杂关系能够通过径向基函数神经网络模型更准确地描述出来;47个验证点预测结果误差分析表明,与普通克里格法和回归克里格法相比,径向基函数神经网络模型和普通克里格法相结合的方法明显减低了土壤有机碳和全氮含量预测结果的平均绝对误差、均方根误差和平均相对误差。保山市5县(区)土壤碳氮含量由北向南存在明显差异,相关性分析结果表明,植烟区内的土壤理化因子对土壤有机碳含量和全氮含量的影响较大。因此,在烤烟生产上,应根据预测结果因地制宜,针对不同区域制定施肥方案,合理调控有机肥和氮肥的施用,保障烤烟高质量生产。

湖南省柑橘园土壤pH值空间变异特征、成因及养分有效性

[目的]研究湖南省柑橘园土壤pH值的空间变异特征、影响因素及主要养分的有效性,为减缓柑橘园土壤酸化,提升土壤肥力提供科学依据。[方法]本研究以湖南省38个柑橘重点县的15722个柑橘园土壤为对象,利用地统计学、相关性分析、结构方程模型等方法,探究了湖南省柑橘园土壤pH值的空间变异特征,分析了土壤pH值对地理、气候、土壤性质等因子的响应,并研究了土壤pH值对土壤氮、磷、钾有效性的影响。[结果]湖南省柑橘园土壤pH值范围为3.00~8.50,均值为5.58,变异系数为18.06%,空间变异为中等程度。最适合柑橘生长的弱酸性土壤面积占44.35%,而酸性、强酸性、中性和碱性土壤分别占48.92%、1.69%、4.95%和0.08%。通过Pearson相关性分析发现,土壤pH值与降水量呈显著正相关(P<0.05),与速效钾含量呈极显著正相关(P<0.01),而与气温、碱解氮和有效磷含量呈极显著负相关(P<0.01)。结构方程模型模拟结果表明,土壤类型与成土母质是解释土壤pH值空间变异的主导因子。除少量强碱性土壤中碱解氮和有效磷含量处于较低水平外,柑橘园土壤各酸度等级土壤中的碱解氮、有效磷和速效钾含量皆处于适宜水平。[结论]由于特有的土壤类型和成土母质,湖南省柑橘园超过一半(50.61%)的土壤处于过酸状态(酸性和强酸性)。湖南省柑橘园土壤速效氮、磷、钾养分含量基本处于适宜水平,因此,应重视改善土壤酸性。

奉新毛竹林土壤养分空间变异性研究

利用地统计学的半方差函数,定量研究了奉新县平衡施肥毛竹林的土壤养分空间变异特征.结果表明,毛竹林土壤养分存在半方差结构,多数为球状模型.奉新毛竹林土壤的变程为32～398 m,取样距离15～20m,能满足毛竹林土壤空间变异评价的要求.N、P、K等养分的空间相关性小,人为经营、施肥等措施对土壤速效N、P、K的影响大于Ca、B、Fe、Mg等养分.奉新毛竹林土壤养分的分数维值排列顺序为：Cu＞Mn＞全P＞Zn＞P＞N＞Fe＞K＞Mg＞S＞OM＞Ca＞B＞全K＞全N.施肥时间长对于养分的空间分布均匀性有调和、促进作用.毛竹林土壤养分结构性变异大于随机变异,土壤内在属性（土壤矿物和地形）比人为因素（栽培管理水平和施肥措施）的影响大.

县级区域粮田土壤养分的空间变异性

采用传统统计和地统计相结合的方法 ,对面积约 470km2 的玉田县粮田耕层土壤养分进行了空间变异特征研究。结果表明 ,土壤N、P、K、Mn和Zn普遍缺乏 ,不同土壤养分的变异情况各不相同 ;土壤主要养分N、P、K、Mn和Zn含量的空间变异结构明显 ,在较大范围内存在着空间相关性 ,具有一定的渐变性分布规律 。

土壤养分和小麦产量空间变异性与相关性分析

采用地统计学和偏相关分析法对江苏省镇江市丹徒区一块试验田的土壤养分和小麦产量的空间变异性及相关性进行了研究,生成了碱解氮、速效磷、速效钾含量和小麦产量的空间分布图。结果表明,变量均近似正态分布且具有较好的空间结构特征。碱解氮含量与籽粒产量和千粒质量的偏相关系数分别是0.569和0.5,具有密切的相关性;速效磷为0.069和0.284;速效钾为0.147和0.133。

典型喀斯特峰丛洼地坡面土壤养分空间变异性研究

采用线形取样,利用地统计学方法研究了典型喀斯特峰丛洼地坡面土壤养分的空间变异特征。结果表明:有机碳、全氮、碱解氮和速效钾具有相似的空间变异结构,其变程变化在212～251 m之间,与坡面不同土地利用方式的空间范围相当。全磷和全钾的变异尺度较小,为141.2 m和120.6 m。受部分耕地施用磷肥影响,速效磷的变异尺度最小,仅为85.1 m。除pH值外,土壤各养分均表现为强烈的空间相关性。有机碳、全氮、碱解氮等养分的空间分布表现出随着海拔高度增加而增大的特征,人类的耕作管理和峰丛洼地特殊的水文地质过程是影响土壤养分空间变异的主要因素。

高寒草甸区典型景观单元土壤养分空间变异性研究

应用GIS技术和地统计学空间内插法,对黄河源区达日县跨热洼尔玛流域高寒草甸小流域典型景观单元土壤有机质、全氮和全磷的空间分布特征进行了研究.结果表明:高寒草甸土壤养分(全氮、有机质、全磷)最佳拟合模型为球状模型;在小流域尺度范围内,土壤养分空间变异性依次为:全氮>有机质>全磷;其中高寒草甸土壤全氮含量具有强空间变异,块金系数(C0/(C0+C))为23.5%,有机质和全磷属于中等空间变异,其块金系数(C0/(C0+C))分别为35.9%、41.7%;全氮、有机质和全磷的有效变程分别为2 133 m、1 412 m和1 239 m.区域土壤养分影响因素分析显示:不同植被覆盖下土壤有机质和养分的积累和平衡状况存在差异,其空间变异主要受海拔、地形、坡度、植被、根系分布状况等因素影响.

曲靖市坡耕地土壤养分的空间变异性及其与利用方式的关系

以云南省曲靖市麒麟区越州镇面积为1 km2的典型性坡耕地为研究区,应用常规统计学方法和地统计学方法,对土壤的全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、pH和有机质的空间变异规律进行分析,探讨了土地利用方式与土壤养分变异的关系。结果表明:研究区土壤养分空间变异程度以pH值最小,速效磷最大。速效养分、有机质和pH受人为活动影响明显,它们的空间自相关性中等或较弱。有机质、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾等主要养分呈现出西北-东南方向逐渐增高的空间格局,与海拔和地形走势有明显相关性。不同坡位(坡位高低)间的土壤养分差异显著,有机质、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾等养分指标呈现随坡位下降而升高的趋势。土地利用方式对土壤养分含量空间变异性也有明显的影响,施肥强度大的水田土壤养分含量最高,其次为施肥中等的旱地,土壤养分最低的是施肥量小或不施肥的果林和桉树林。

基于田块尺度的丹江上游坡改梯土壤养分空间变异性研究

通过对丹江上游流域的梯田和坡耕地样地进行网格法分层（0～10和10—20cm）取样，采用经典统计学与地统计学相结合的方法，研究了田块尺度上坡改梯土壤养分的空间变异性特征。结果表明，梯田土壤的养分含量变异系数整体小于坡耕地；全氮、全磷在梯田土壤中均具有强烈的空间相关性，空间变异程度微弱，且主要受结构因素影响。土壤有机碳空间相关性在梯田和坡耕地中均较强，更多受到成土过程影响。Kriging插值绘制的养分含量空间分布图显示出，梯田全氮、有机碳养分受梯田坎梗影响而呈阶梯状分布。梯田全磷养分分布较为连续，显示出相对较好的空间同质性特征。坡耕地田块的养分分布多呈层状和块状分布，养分含量不连续、不稳定，表现出一定的空间异质性特征。

寿光市土壤养分特性及空间变异性分析

本研究以寿光市为例,在分析其露天耕地土壤养分特征值的基础上,采用GIS和地统计分析相结合的方法研究了土壤养分的空间变异性。研究结果表明:①土壤特性除pH值为弱变异性外,其他均为中等变异;②土壤有机质、Ca、Mg含量较高,N、P、K有一定程度的缺乏;有效态微量元素的含量不均衡,Zn普遍缺乏,Fe含量不高;③NH4+-N、T-N、Cu、Ca、Mg的变异性结构较差,其他土壤养分变异结构明显。Zn在整个区域内表现为恒定的变异。P、K、pH、Mn、B空间变异主要是由土壤母质、地形、气候等非人为的区域因素引起。OM、Fe在研究区域上具有中等空间相关性,其由施肥、作物、管理水平等随机因素引起的空间变异性较小。