土壤有机质统计分析范文

摘要：

基于GIS与地统计学原理，使用ArcGIS地统计分析模块研究了长沙周边地区农田根层土壤有机质含量的空间变异情况。结果表明：参照土壤养分分级标准发现长沙农田地区根层土壤中有机质含量中等；以该研究区域山坡天然土壤为农田土壤对比样，比较各项养分值的高低及相关系数，方法可行，结果也有一定意义；有机质的半变异函数最佳理论模型为球形模型，对半变异函数理论模型及参数进行分析发现有机质空间相关性均较弱，说明其空间变异主要受施肥方式和施肥水平影响；使用普通克里格插值方法，绘制长沙市农田地区根层土壤有机质含量分布图，直观地显示了长沙地区基本农田根层土壤有机质的丰缺状况，可为科学施肥提供理论依据及指导。

关键词：

地统计学；土壤有机质；空间变异；长沙地区；克里格插值

近年来，随着城市化进程地不断加速，城市周边地区农田土壤资源面临的压力日益严重，加之各地施肥结构及施用量、耕作方式及制度的不同，土壤中的有效养分也随之发生变化[1]。农田土壤有机质是土壤养分的重要组成部分，也是评价土壤肥力和土壤质量的重要指标[2]。农田土壤有机质含量下降将直接导致土壤肥力降低，从而影响农业生态系统的生产力[3]。面对着农田面积不断减小以及农田土壤养分状况堪忧的现状，加强农田土壤有机质实地监测分析，及时准确地掌握土壤养分含量水平，揭示土壤有机质空间变异性及空间分布，对农田土壤养分的管理与合理施肥具有重要意义，也是实现土壤可持续利用和区域可持续发展的前提[4-5]。长沙市作为国家“两型”社会综合配套改革试验区的主体部分，应当在城市农业方面发挥带头作用。因此，尽快弄清长沙地区基本农田的土壤有机质状况，为长沙地区农业的发展乃至整个国民经济的发展提供坚实的科学依据，便显得非常必要和迫切了。然而，目前对长沙地区农田根层土壤养分进行系统研究的报道很少，有关高密度采样的研究还是未见报道，同时利用研究区域天然土壤作为基本农田土壤的对比样，具有较大的参考价值。研究通过布点采样法采集了长沙市周边农业地区的根层土壤，对土壤有机质这个对水稻生长影响极大的土壤理化指标进行分析，所得结果与全国第二次土壤普查养分分级标准以及研究区域采样点附近山丘天然土壤进行对比，从整体上掌握了该区域基本农田根层土壤养分丰缺状况。运用ArcGIS地统计学模块对该区域土壤养分进行空间变异分析，并采用克里格插值法绘制了长沙地区基本农田土壤养分分布图，以便更直观地了解该地区基本农田的养分分布状况，为长沙地区科学合理施肥以及主要农作物的生产和管理、生态农业和有机农业的健康稳定发展提供了基础数据与理论依据。

1研究区自然地理概况

长沙市位于东经111°53′~114°15′，北纬27°51′~28°41′之间，总面积约为1.18万km2，地处湖南省东部偏北的湘江下游，境内丘陵低山遍布，河谷纵横，地表水系发达；年平均气温17.2℃，年均降水量1361.6mm，属亚热带季风气候，四季分明，雨量充沛，雨热同期。整个区域大致坐落于长浏构造盆地西缘，出露的岩石以第四纪与现代冲积物、第四纪红土风化壳与网纹红土、砂岩、泥岩、板岩为主，分布有少量的石灰岩和花岗岩。土壤类型以红壤、水稻土为主，分别占土壤总面积的70%与25%。其中水稻土母质多样，有红壤性的、潜育性的，也有人工长期培育形成的肥沃水稻土。区域内耕地面积约为240000hm2，农业人口人均占有耕地580.29m2，是传统的双季稻种植区。农田主要分布在西部的宁乡县、望城区、岳麓区西部，以及东部的长沙县、浏阳市一带。

2材料与方法

2.1样品与数据来源

2.1.1采样区选择原则为了全面、客观地反映整个区域的土壤全貌，主要遵循以下原则选择样地：平整连片；种植制度、栽培技术与水稻品种基本一致；交通比较方便，邻近村落、住宅；避开地势过高与过低之处；连续多年种植水稻。

2.1.2采样方案土壤样品采集采用GPS定位，选择长沙市周边长沙县、望城区、浏阳市、宁乡县、岳麓区等主要农业分布区具有代表性的地点作为样本采集点，遵从“随机”、“多点混合”的原则进行采样。选择地块中央部位，用铁铲去除枯落物、苔藓层、杂草；每个样品均为采样点中心100m范围内10~15个土样的混合物，最终得到53个农田深度20~30cm的根系层（土壤剖面中以植物活根系为主的层，物质和能量的迁移转化在此层最为活跃）土壤样品。采样点具体位置见图1。在同一个采样区，于附近山坡土壤质地均匀处，以相同方法采集对比样，共采集19个山坡对比土壤样品。

2.2样品测试、数据处理及分析方法

2.2.1样品测试采用室内分析，根据不同测试内容按照试验要求配制测试溶液。测试程序严格按照TPY-6型土壤测试仪（浙江托普仪器）依次开展。对土壤中有机质含量进行测试，为避免误差，每个样本测定3次，最终结果取其平均值。

2.2.2数据分析方法采用SPSS13.0、ArcGIS10.0等软件进行数据处理及分析。其中，SPSS软件主要进行常规的基本统计量分析及正态分布检验和相关性分析；ArcGIS主要用于空间分析，利用ArcGIS地统计分析模块工具拟合出土壤有机质的最优半变异函数模型，并采用普通克里格方法进行空间插值，绘制土壤有机质的空间插值图。

3结果与分析

3.1土壤有机质的统计特征分析全国第二次土壤养分普查所确定的有机质分级标准共分为6级：第1级，＞40g/kg；第2级，30~40g/kg；第3级，20~30g/kg；第4级，10~20g/kg；第5级，6~10g/kg；第6级，＜6g/kg。级数越大表示其含量越少，土壤质量越差。测定结果显示：53个样本的土壤有机质含量平均为23.5g/kg，最大值为36.0g/kg，最小值为11.1g/kg，极差值为24.9，标准差为0.56。按全国第二次土壤普查养分含量分级标准，长沙地区基本农田土壤有机质含量水平处于第4级。山坡对比样（共计19个样本）土壤有机质统计特征结果如下：土壤有机质含量平均为21.7g/kg，最大值为33.1g/kg，最小值为13.1g/kg，极差值为20.0，标准差为0.46。山坡对比样的土壤有机质含量略低于农田土壤，但其波动性小于农田土壤。测定结果表明，长沙地区农田土壤有机质含量属于中等水平，相对于普遍认为肥力水平较高的水稻土来说这一值明显偏低，而农田土壤中平均含量要略高于山坡自然土壤，这与实际情况是相符的。因为人为长期施用农家肥培育地力，所以传统农业区的稻田肥力普遍比山坡土壤高。此外，农田土壤有机质含量的极差相对较大，也说明各地区土壤中的有机质含量受到农民施肥水平的影响，差异较明显。

3.2土壤有机质空间变异分析地统计学已经被证明是分析土壤特性空间分布特征及其变异规律较为有效的方法之一，它能够揭示随机变量在空间上的分布特征，解释自然和人为过程对变量空间变异的影响，从而弥补传统统计学的不足[6]。地统计学的前提是样本必须服从正态分布，因此在对样本数据进行半变异分析前必须对数据进行分布类型检验[7-8]。利用SPSS13.0软件分别绘制正态Q-Q图对数据分布进行正态分布检验，检验后确定长沙地区农田土壤有机质含量呈正态分布，可以进行空间变异分析及插值。

3.2.1土壤养分含量的半变异函数分析在ArcGIS地统计分析模块中对有机质数据分别使用圆形、球形、指数、高斯等4种常见的模型进行拟合得到最优半变异函数模型。拟合参数包括预测误差的平均值、均方根、标准平均值、标准均方根、平均标准误差。模型选择的判断标准为：标准均方根预测误差越接近于1，预测误差的平均值越接近于0，其他值越小时，其模型拟合状况越好[9-11]。不同模型拟合参数结果见表1，比较后可知，长沙地区农田土壤有机质含量半变异函数最佳理论模型为球形模型。块金值通常表示由测量误差和小于最小取样尺度引起的随机变异；基台值表示系统内的总变异，包括结构性变异和随机性变异；块金系数表示随机部分引起的空间变异占系统总变异的比例，若此值小于25%，则说明系统具有强空间相关性，变异受结构性因素影响更大；大于75%则说明系统空间相关性很弱，变异受随机性因素影响更大[12]。而研究结果测算出长沙地区农田土壤有机质含量的块金系数为54.6%，属中等空间相关性，这是由研究区域土壤母质、地形、气候条件等结构性因素以及农民的耕作制度、施肥状况等随机性因素共同作用导致的。此外，有机质的块金值比较小，表明在最小间距内变异分析过程引起的误差较小。

3.2.2土壤养分的空间分布通过拟合土壤有机质的最优半变异函数，利用ArcGIS地统计分析模块中普通克里格空间插值生成土壤有机质空间分布图，具体见图2。由图2可知，长沙地区农田土壤有机质含量大部分在25g/kg以下，相对于肥沃的水稻土而言，该值明显偏低。空间分布上有较明显的方向渐变趋势，由北往南，有机质含量逐渐减少。长沙县北部、浏阳市西北部及望城区有机质含量相对较高，宁乡县西南部和浏阳市西南部及浏阳盆地东部农田地区土壤有机质含量较低。有机质丰富的地区主要集中在长沙县、浏阳、望城的传统农作区，多为冲积平原上培育多年的水田，有施用农家肥的传统，而且灌溉水充足。相反，长条状山谷地带，地处山区，垦殖历史较短，母质本身贫瘠，导致有机质含量偏低，如浏阳盆地东部。

4结论

研究通过野外系统考察、取样，室内测试分析，数据处理与分析，对长沙地区基本农田根层土壤的有机质含量水平进行了深入研究。得出如下结论。（1）统计特征分析，与第二次全国土壤普查数据相比较发现长沙地区农田根层土壤有机质含量处于中等水平，这对于普遍认为肥力水平较高的农田水稻土而言含量明显偏低。（2）山坡与河谷、平原区稻田有密切的成因联系，坡地被流水侵蚀，物质一般会堆积到河谷与平原上，因此在物质组成上有内在联系。同时，许多水稻土是经过土地平整而成，填方物质多取自山坡土层，降水后雨水沿山坡进入库塘，后随灌溉而进入稻田。在考察与取样过程中注意到，许多地方有春季挖取塘泥肥田的习惯。因此，以区域山坡自然土壤为农田土壤对比样，比较各项有机质含量是可行的，结果也是有意义的。（3）利用ArcGIS地统计分析模块进行空间变异分析，通过有机质半变异函数的参数拟合，得出有机质的最佳理论模型为球形模型，其块金系数为54.6%，属中等空间相关性。这表明长沙地区农田土壤有机质含量现状是由该地区土壤母质、地形、气候条件等结构性因素以及农民的耕作制度、施肥状况等随机性因素共同作用导致的。（4）通过拟合最优半变异函数，使用普通克里格进行插值分析并绘制长沙市农田地区土壤有机质含量分布图，直观地显示了研究区域农田土壤有机质的空间分布状况，反映出自然、人类和作物间的复杂相互作用，尤其对人工培育的水稻土而言，人为的影响更大。今后应该在整个长沙地区农田中增施有机肥，在一些养分缺乏地区重点施肥。

作者：谭慧婷 韩广 单位：湖南师范大学资源与环境科学学院