复垦重构土壤有机质的空间变异特性研究

戚家忠　赵艳玲　杨　璐

摘 要： 采用网格取样法对三块不同时间的铲运机复垦重构土壤以及一块普通农田进行了 取样化验，求得有机质值，应用地质统计学理论和克立格法，研究了铲运机复垦重构 土壤有机质的空间变异性。结果表明：三块实验田均为对数正态分布。实验田3在0°和135 °方向的土壤有机质的半变差函数模型为纯块金效应模型，在其它方向和另外二块实验田的 半变 差函数模型均为球状模型。用克立格估值作出了三块实验田有机质含量的分布等值线图，为 评价复垦后土壤质量状况提供了直接依据。

关键词：地质统计学；复垦重构土壤；有机质；空间变异性

中图分类号：Q958.113 文献标识码：A 文章编号：1672-1098(2008)03-0008-06

土地复垦作为煤矿区一项利国利民的工作，在我国已开展多年，取得了很大的成绩［1 ］。但是，在复垦作业时，由于机械的作用，对土壤产生严重的扰乱压实作用，使得复垦 土地地力下降。因此，研究复垦土壤理化特性对评价复垦土地质量的好坏就显得尤为重要 ［2-3］ 。本文选择土壤有机质作为研究对象，应用地质统计学原理和方法对同一复垦方法下的不同 复垦时间实验田进行取样化验，测定取样土壤中的有机质含量，研究它们的空间变异特征， 应用克立格法绘制了等值线图。对了解复垦后土壤有机质变化情况、合理选择复垦手段以 及如何尽快恢复地力等方面都有重要的参考价值。

1 地质统计学理论和方法［4-5］

1.1 半变差函数和球状模型

地质统计学已广泛应用于空间分布数据的空间结构性和随机性分析及其最优线性无偏估 值中，在许多领域得到大力推广和应用。半变差函数 (Variogram)是地质统计学基本工具， 其定义为

2 实验地选择及取样方法

2.1 实验地选择

实验场地为典型的平原地形农田。是由三块互不相连的采煤沉陷区、并在不同年份采用 铲运机复垦技术进行复垦的田块构成。

实验田1：复垦结束并已耕作3年半；

实验田2：复垦结束1年多未耕作；

实验田3：取样时刚刚完成复垦。

三块实验田土壤均为砂姜黑土，含姜砾。

2.2 取样方法

取样深度为0～20 cm的表层土壤。取样时间为2002年9月27日至30日。实验田1 占地6.4 hm²，该地种植小麦、玉米，一年两季。取样时选在该复垦地的中 部，划分10 m×10 m的间距网格，共100个取样点。实验田2面积3.733 hm²，选择在其中部，划分为6 m×8 m的间距网格，共102个 采样点。实验田3约60.0 hm²，取样时选择其东北角约6.667 hm²作为复垦取样田，按10 m×10 m间距共104个采样点。另外 ，为了对比，在实验田附近未受采煤塌陷影响的农田内，随机选取了6个采样点。

样品送专业实验室，采用重铬酸钾氧化-外加热法测定送样土壤的有机质含量。

3 结果分析与讨论

3.1 统计分析

应用统计学的原理和方法，对三块实验田和对照田的样品土壤有机质含量进行了统计分析( 见表1)。因为部分土壤样品缺失，所以实际测定的土壤样品数与取样数有差别。

3.2 半变差函数结构分析

根据地质统计学的半变差函数理论，对三个实验田的土壤有机质含量的进行半变差函数计算 ，并均以南北方向为0°方向，按顺时针旋转做出不同方向的实验半变差函数曲线图 ［6］。然后依据曲线图找出最优拟合理论模型，求出参数值，得到最优拟合曲线图 ［7-8］（见表2～表4，图1～图3）。

表中c0/(c0+c)表示空间变异程度，该比值越大，表示随机现象所引起的空 间变异程度越大，而空间自相关现象所引起的空间异质性程度就越小。如果该比值接近1， 则说明该区域化变量在整个尺度范围具有恒定的变异。

从图1～图3可以看到，实验田1的四个方向上有机质含量的半变差函数均为球状模型。由随 机因素引起的空间异质性程度总的表现是从0°方向到135°方向在逐步减少。实验田2中有 机质含量在0°和90°两个方向上的半变差函数模型均为球状模型。其块金值在两个方向上 是基本相同，说明了有机质的变差函数为几何异向性。实验田3在表层土壤0°方向、135° 方向上 ，有机质元素半变差函数模型为纯块金效应模型，与其在另二块样田的模型不同。说明土壤 有机质在这两个方向上完全不存在空间相关的情况。分析认为与复垦机械覆土时进出的 方向、熟土的来源以及覆土的方法有关系。在其它方向均为球状模型。

3.3 克立格估值等值线图及分析

图4～图6反映了三块实验田有机质含量的克立格估值等值线分布情况。从图4可见，该 实验田北部（图左半部）表层有机质分布等高线比南部（图右半部） 密集，即北部有机质含量高于南部，反映出耕作施肥时的不均匀。从图5可见，实验田2复垦 结束一年多，未进行耕作，但有机质的分布是“北高南低”，即北部（图左半部）有机质高 于南部（图右半部）。分析原因应是该实验田北部靠近农用道路，受其他田块农业耕作活动 的影响要大于南部，所以，有机质的含量也较多。从图6看出，实验田3有机质含量分布表现 为在田的西部（图中下部）的表层土壤里有机质含量明显高于该田其他部分，在这点上形成 “金字塔”。分析原因是回填熟土不均匀造成的。

图7揭示了土壤有机质随复垦时间不同的变异特性。可以看出，普通对照农田的土壤有 机质含量最大，为1.5%，三块复垦实验田土壤的有机质含量均值均小于1%，且按编号顺序依 次减少，最小者是实验田3，其与对照田相比，相差3倍多。与实验田1相比，是其的一 半。说明复垦后的土壤有机质十分缺乏，在经过了3年的人工耕作后其有机质含量仍未达到 普通农田的水平。

4 结论

通过对不同时间复垦的三块实验田和一块普通农田的研究，得出以下结论：

（1） 三块实验田有机质含量的半变差函数大多数为球状模型， 只有刚结束复垦作业的 实验田3的土壤有机质含量在0°方向、 135°方向上为纯块金效应模型。 说明复垦机械工 作时 的方法以及回覆熟土的方法对其半变差函数模型有影响。 另外， 复垦土壤有机质含量的统 计分布类型均是对数正态分布；

（2） 通过克立格估值作出的等值线图，可以直观地了解复垦后土壤有机质的分布情况 ，为评价复垦工作质量以及如何尽快恢复复垦土壤地力提供了科学的参考依据。

（3） 应用地质统计学的原理和方法，可以定量地掌握复垦土壤各种理化特性的空间变 异特征，为复垦工程设计和评价提供科学依据。

参考文献：

［1］ 胡振琪.露天煤矿复垦土壤物理特性的空间变异性［J］.中国矿业大学学报, 1992，21（4）：31-37.

［3］ 胡振琪.矿山复垦土壤物理特性及其在深耕措施下的改良［D］.徐州：中 国矿业大学，1991.

［3］ 胡振琪.露天矿复垦土壤的研究现状［J］.农业环境保护，1997,16（2） ：90-92.

［4］ Matheron G. Principles of geostatistics. Economic geology,196 3.58:1 246-1 266.

［5］ 侯景儒,尹镇南,李维明，等.实用地质统计学［M］.北京：地质出版社,199 8.31-54.

［6］ 王政权.地质统计学及其在生态学中的应用［M］.北京:科学出版社,1999. 35-98.

［7］ 张乃明,李保国,胡克林.太原污灌区土壤重金属和盐分含量的空间变异特征 ［J］.环境科学学报,2001,21(3):349-353.

［8］ 胡克林，李保国，林启美，等.农田土壤养分的空间变异性特征［J］.农业 工程学报,1999,15(3):33-38.

(责任编辑：宋晓梅)