不同土层土壤粒径及有机质含量空间变异的相关性研究

张 娜，张栋良，屈忠义，吕世杰

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2.内蒙古农业大学理学院，呼和浩特 010018)

0 引 言

土壤是覆盖于地球表面具有一定肥力并能生长植物的疏松表层[1]，由于受到成土母质、气候、生物、地形、时间等自然因素以及人为因素的共同作用，不同地区的土壤具有许多不同的土壤特性，并且具有高度的空间变异性[2]。土壤特性的空间变异主要包括垂直方向的变异和平面方向的变异[3]，且垂直方向上不同土层的土壤特性的空间变异特征及其主要影响因素并不完全相同，但不同土层土壤特性的空间变异性之间可能存在某种程度的相互关系[4]，如刘继龙[5]研究了粒径及有机质在0～20及20～40 cm土层空间变异性的相互关系，得出0～20 cm土层砂粒含量、黏粒含量和有机质含量的空间变异性与20～40 cm土层对应变量空间变异性之间的相互关系比较密切，而粗粉粒含量的相关规律则相反。

同样各土壤特性的空间变异性之间也存在一定的相关性，关于不同土壤特性的传递函数研究成为目前国内外研究关注的热点问题之一，多元回归分析、人工神经网络、BNN神经网络及分形方法等都在土壤转换函数中得到较为成功的应用[5-7]，但这些方法多是针对单点数据之间的关系，而针对不同土壤特性在区域上空间变异性的相关性研究较少。土壤粒径及有机质含量作为土壤重要的物理参数，掌握其不同土层之间及相互之间空间变异性的相关关系，对于了解土壤特性在三维空间上的变化特征、区域性问题研究时野外采样系统设计及如何通过某一土层土壤特性的空间变异特征反映其他土层土壤特性的空间变异特征具有重要意义。为此，本文以内蒙古河套灌区沙壕渠分灌域内1 km等间距77个取样点四层308个土样为基础，运用Surfer软件结合其他分析方法对土壤粒径和有机质空间分布特点及其相互关系伴随土层的变化规律进行探讨分析。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

内蒙古河套灌区位于黄河流域上游，是我国第三大灌区且为亚洲最大的一首制灌区，南临黄河，北抵阴山，西与乌兰布和沙漠相接，东至包头市，地形平坦。而本文的研究区域沙壕渠分灌域地处巴彦淖尔市杭锦后旗陕坝镇北部，地理位置为40°52′N～41°00′N，107°05′E～107°10′E。区域南北平均长约 15 km，东西平均宽约4 km，外形近似为一狭长的倒三角形。地势走向南高北低，南部地面高程1 037 m，南北高差为2～3 m。区域由1条沙壕分干渠、43条直口渠和若干条下级渠道组成总控制区域52.4 km2。

1.2 采样及分析

于2011年8月15日至9月10日期间,在沙壕渠分灌域按照1 km×1 km进行网格布点，经统计共取有效点77个，采样点位置均用GPS定位，遍布整个灌域，基本属于平均分布。每个采样点按0～20、20～40、40～70与70～100 cm共4层进行取样。取样点位置如图1。

图1 研究区取样示意图Fig.1 The sample point design in research area

本研究土壤粒径采用激光粒度仪的干法进行测定。将经2 mm筛处理的样品放入进样池中，仪器将自动测定样品。统计各土样黏粒(0～2 μm)、粉粒(2～50 μm)和砂粒(5～2 000 μm)含量。有机质的测定参考《土壤、水、植物理化分析教程》[8]一书，采用浓硫酸-重铬酸钾容量法测定。

1.3 数据处理

采用描述性统计分析、Pearson相关分析、趋势面分析[9,10]及克里格插值方法[11,12]对数据进行处理，数据整理与分析的软件有Excel 2003、SPSS19.0、Surfer 12.0。

2 结果与分析

2.1 土壤粒径及有机质的描述性统计特征分析

首先对粒径及有机质进行显著水平0.05下的K-S(Kolmogorov-Smirnov)正态分布检验，P值分布在0.137～1.00，均大于0.05，由此可见，各参数均符合正态分布(见表1)。

表1 统计特征及K-S检验结果Tab.1 Statistical characteristics and K-S inspection result

由粒径及有机质在不同土层的均值可知：不同土层黏粒含量的差异较小，均值分布在4.79%～5.12%，粉粒含量均值随着土层的增加呈逐渐增大继而趋于稳定的趋势，砂粒含量随土层的变化趋势则反之，有机质含量的均值随着土层深度的增加而减少，即从土壤表层到埋深1 m处土壤有机质含量递减。

变异系数是变量在单位均值的离散程度，按照一般对变异系数(CV)的评价标准：CV<10%时，为弱变异性；10%100%为强变异性[13]，可知各粒径和有机质均呈中等变异性，且相同土层4个变量的变异系数为CV有机质>CV黏粒>CV砂粒>CV粉粒，同一变量不同土层深度的变异系数表现为CV40～70>CV70～100>CV20～40>CV0～20。

2.2 相关性分析

为了准确地描述土壤粒径及有机质不同土层之间及其相互之间的相关程度,利用SPSS统计分析中的相关分析对其进行分析，相关系数的绝对值越大,表明其相关性越显著。从粒径及有机质不同土层的相关分析结果(表2)来看，各土层之间均存在极显著的相关性，且相关性随着土层间隔的增大而减小。而各相邻土层的相关性有一定差异，黏粒含量各相邻土层的相关性分别为0.711、0.684、0.608，随着土层深度的增加而减小。粉粒及砂粒各相邻土层的相关性均符合20～40和40～70 cm土层间的相关性最大，其次为0～20和20～40 cm土层间，而40～70与70～100 cm土层间最小。有机质同样为20～40和40～70 cm土层间的相关性最大，而40～70与70～100 cm次之，0～20和20～40 cm土层最小。可见不同变量其相邻土层间相关程度的变化规律也有一定差异。

注：**相关系数检验结果P<0.01。

从各变量的相关分析结果(表3)来看，不同参数之间均存在极显著的相关性，有机质含量与粒径的相关性由黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量依次递减，其中有机质与黏粒含量的相关系数为0.583；粉粒和砂粒为极显著的负相关，且粉粒含量与黏粒、砂粒及有机质均为负相关，其他变量间均为正相关。

表3 不同土壤特性的相关性分析Tab.3 Correlation analysis of different soil properties

注：**相关系数检验结果P<0.01。

2.3 土壤粒径及有机质各土层间的趋势面分析

对土壤粒径及有机质进行一次函数的趋势面分析，模型样式为：

Z=aX+bY+c

(1)

式中：Z为土壤特征参数变量；X、Y为坐标刻度值(WGS84坐标系统)；a、b、c为模型参数，结果见表4。

表4 粒径及有机质不同土层的趋势面分析Tab.4 Trend surface analysis of Particle size and organic matter in different soil layers

各参数在不同土层的趋势面分析显示：黏粒在不同土层的X轴向和Y轴向均随着经纬度的增加而减小，且经度对其的影响大于纬度，可见黏粒含量在各土层随X轴和Y轴的变化趋势较为一致，即其在不同土层空间分布的相关程度较高。粉粒及砂粒在各土层的X轴和Y轴变化趋势没有一致性规律，可见粉粒及砂粒在不同土层变化较为复杂，空间相关程度低。有机质在20～40 cm土层与经纬度基本无相关性，其他土层在X轴向和Y轴向均随着经纬度的增加而减小，且在减小幅度上X轴向大于Y轴向，可见不同土层有机质含量的空间相关程度较高。

各土层不同参数的趋势面分析显示：黏粒含量与有机质空间相关程度高，除了20～40 cm土层外，黏粒含量及有机质随经纬度的变化趋势为倍数相关：0～20 cm土层黏粒含量随X轴和Y轴的变化程度分别为有机质的3.78及2.68倍；40～70 cm为5.27、3.89倍；70～100 cm为6.36及6.72倍。同时粉粒及砂粒空间分布相关程度高，基本呈负相关，除了20～40 cm土层粉粒随X轴向变化程度为砂粒的25.14倍，其他土层二者在X轴及Y轴变化相差程度分布在-0.26到-1.55倍之间。

采用一次函数进行趋势面分析，拟合度最好的是表层土壤，相比较而言黏粒的拟合度较高，但总体来看决定系数均越小，表明模型拟合度较低，变量的空间分布较复杂。

2.4 土壤粒径及有机质不同土层起伏变化的流域

流域图的绘制在Surfer 12.0中，采用克里格插值法，在绘制图形时，将图内划分为不同的“集水盆”(图2、3、4、5、6，灰度值不同的色块代表不同的“集水盆”)，同时绘制出“集水径流”代表“集水盆”集水后的水流方向。本研究中“集水盆”代表的是各土壤参数空间变化趋势较为一致的区域，“集水盆”数量多少表明空间变量分布的复杂程度，“集水盆”区域的重合度表征了空间变量的相关程度，“集水径流”流出的方向代表空间变量推移的变化趋势。

黏粒含量在表层共形成3个变化趋势较为一致的区域，其他土层均为两个变化趋势较为一致的区域。可见黏粒含量在表层的空间分布更为复杂，“集水径流”在标记为‘Ⅰ’的区域存在一处较短的“集水径流”，方向先是由西南→东北，然后再由正南→正北，在接近(107.13°,41.02° )坐标处流出；在标记为“Ⅱ”的区域的“集水径流”方向基本为正西→正东，在接近(107.17°,40.99° )坐标处流出；在标记为“Ⅲ”的区域的“集水径流”方向先是正南→正北，然后是正西→正东，在接近(107.175°,40.95° )坐标处流出。

在0～20 cm土层的标记为“Ⅱ”、“Ⅲ”的区域与20～40、40～70 m及70～100 cm土层所形成变化趋势较为一致的区域重合度较高，可见其空间分布相关程度较高。“集水径流”方向大致为由西→东。

图2 黏粒含量在不同土层的流域示意图Fig.2 The drainage map of clay content in different soil layer

粉粒含量在0～20、40～70 cm土层形成了4个变化趋势一致的区域，20～40、70～100 cm土层则形成了3个变化趋势一致的区域。同时粉粒含量在0～20、20～40及40～70 cm的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域所形成的变化趋势较为一致的“集水盆”的形状及位置较为一致，认为粉粒在这3个土层的空间变化规律较为一致，其空间变异性的相关性较大。 70～100 cm土层所形成的3个变化趋势一致的区域与0～20 cm土层的Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ区域、及40～70 cm的Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ区域的空间位置较为接近，重合度较高。各个土层的“集水径流”方向较为一致，基本为东西方向。可见粉粒含量在不同土层的空间变异性具有较强的相关性。

砂粒含量在表层只形成了一个变化趋势较为一致的区域，可见其空间分布较为简单，径流方向先是东南→西北，然后近似为东北→西南。在20～40、40～70及70～100 cm砂粒均形成了两个变化趋势较为一致的区域，在20～40 cm土层的标记为“Ⅰ”的区域径流方向与表层类似。40～70 cm土层两个“集水盆”所在位置与20～40 cm土层标记为“Ⅰ”的“集水盆”所在位置及形状较为一致，可见其为在20～40 cm土层标记为“Ⅰ”区域的基础上空间变异性进一步增强。砂粒含量在70～100 cm所形成的变化趋势较为一致的区域与其他土层相差较大，且在标记为“Ⅱ”的区域径流方向大致为北→南方向，与其他土层的径流方向不同。可见砂粒含量在0～20、20～40及40～70 cm所形成的“集水盆”有较大的重合部分，且径流方向较为一致，其空间变异性相关程度较高，而70～100 cm土层所形成的“集水盆”及径流方向均与其他土层相差较大，之间相关性较小。

图3 粉粒含量在不同土层的流域示意图Fig.3 The drainage map of silt content in different soil layer

图4 砂粒含量在不同土层的流域示意图Fig.4 The drainage map of sand content in different soil layer

有机质在0～20、20～40及40～70 cm均形成三个变化趋势较为一致的区域，在0～20 cm土层的标记为“Ⅰ”的区域“集水径流”流出的方向先是由正南→正北，然后再由西→东，在接近(107.18°,40.99° )坐标处流出；在标记为“Ⅱ”的区域径流方向为西→东；在标记为“Ⅲ”的区域存在一处较短的“集水径流”，方向为东南→西北。

在20～40 cm土层的标记为“Ⅰ”的区域“集水径流”流出的方向先是由西南→东北，且跨度较长；中间有一截较短的径流方向先是由正西→正东再转变为由东北→西南，然后再由正西→正东，在接近(107.18°,40.99°)坐标处流出。在标记为“Ⅲ”的区域存在一处“集水径流”，方向为东南→西北，可见0～20及20～40 cm土层有机质所形成的“集水盆”有较大的重合部分，且“集水径流”的方向及流出的坐标位置较为一致，二者的空间变异性有着较强的相关性。

在40～70 cm土层的标记为“Ⅰ”的区域 “集水径流”的方向为正南→正北，标记为“Ⅱ”的区域存在一处较短的“集水径流”，方向大致为正西→正东，在标记为“Ⅲ”的区域“集水径流”方向先是西南→东北，然后为东南→西北。可见其所形成的“集水盆”与20～40 cm有着较高的重合度，且均在两个土层的标记为“Ⅲ”的区域存在一处东南→西北的“集水径流”，同时其位置及长度较为一致，可见有一定的相关性。

在70～100 cm土层有机质共形成4个变化趋势较为一致的区域，在标记为“Ⅰ”的区域有一较短的“集水径流”，方向为正南→正北；在标记为“Ⅱ”的区域“集水径流”的方向先为西北→东南；然后为东北→西南；在标记为“Ⅳ”的区域有一跨度较长的集水径流，方向基本为正西→正东。可见有机质在70～100 cm土层与其他三层的空间变异性相关程度较小。

图5 有机质在不同土层的流域示意图Fig.5 The drainage map of organic matter in different soil layer

基于前面相关性分析及趋势面分析的结果，在此重点对黏粒含量与有机质含量及粉粒与砂粒含量的空间变异性的相关程度进行分析，可知，黏粒与有机质在各土层所形成的变化趋势较为一致的区域重合度较高，但黏粒含量的“集水径流”方向基本为东西方向，而有机质含量的“集水径流”方向在东西方向为主的情况下同时存在多处南北方向的“集水径流”，可见有机质含量在空间的变化趋势更为丰富。

粉粒含量与砂粒含量在不同土层所形成的变化趋势较为一致的区域有一定的重合度，但粉粒在各土层的“集水径流”均较短，且方向基本为东西方向，而砂粒在各土层的“集水径流”较长且方向除了东西方向外南北方向也较为明显。可见从流域图的分析结果来看，难以得出粉粒与砂粒空间变异性的负相关关系。

3 讨 论

土壤是三维自然空间实体，在水平方向和垂直方向上都存在空间变异性，目前相关研究主要集中在某一水平面或不同水平面上，针对垂直方向的不同土层土壤特性空间变异性之间相互关系的研究较少或仅仅局限在上下两层，本文通过描述统计、相关分析、趋势面回归、流域图分析的方法探讨黏粒、粉粒、砂粒及有机质不同土层间空间变异性的相互关系，得出黏粒在不同土层空间变异性相关程度较高，粉粒在不同土层的空间变异性具有较强的相关性，同时趋势面回归方程表明不同土层粉粒含量随经纬度的变化规律性较差，可见其在不同土层的空间分布较为复杂，而流域图中各土层所形成的变化趋势较为一致的区域并不是完全重合，而是部分重合，同样证明了其空间分布的复杂性。对于砂粒，相关性分析得出不同土层之间均存在极显著的相关性，趋势面分析得出各土层空间分布较为复杂，流域图得出在0～20、20～40、40～70 cm有一定的空间相关程度，70～100 cm的空间分布与其他土层相关性较低。同样，流域图中不同土层所形成的变化趋势较为一致的区域成错位式重合，这也进一步说明了趋势面分析中各土层随X、Y轴的变化规律性较差。可见粉粒含量及砂粒含量在不同土层分布较为复杂，这也间接说明了其在垂直方向上存在一定的变异性，而其在流域图中“集水盆”错位式的重合又说明在整个区域纵剖面上的相关性仍显著强于变异性，土壤的机械组成在剖面上的层次组合主要是成土过程和母质沉积过程所致，而人为的影响较小，即土壤颗粒含量在剖面上具有较好的结构性，而其显现出的非均质性，认为是由于母质来源不同或由于剖面中物质移动所造成[14]。总体来看有机质不同土层空间变异性相关程度较高，但趋势面分析得出20～40 cm土层其空间分布与经纬度基本无相关性，同时流域图得出0～20、20～40及40～70 cm土层有机质所形成的“集水盆”均有较大的重合部分，且0～20、20～40 cm 土层“集水径流”的方向及流出的坐标位置较为一致，有着较强的空间相关性，而40～70 cm土层的“集水径流”方向与有一定差异，可见空间分布的相关性较高，但变化规律有一定差异，有机质在70～100 cm土层与其他三层的空间分布相关程度较小。

不同方法对于黏粒含量与有机质的空间变异性的相关性分析的结论较为一致：相关性分析得出有机质含量与黏粒含量为极显著相关性；而趋势面分析及流域图的判定均显示：有机质与黏粒含量的空间变异性具有较强的相关性，此结论与黄昌勇[14]提出的“土壤有机质的含量与其黏粒含量具有极显著的正相关”一致。相关性分析、趋势面分析均显示粉粒含量与砂粒含量呈显著的负相关，但流域图的判定难以得出粉粒与砂粒空间变异性的负相关关系。

可见不同的方法得出的结果有所差异，首先不同方法的原理不同，相关性分析对参数空间相关性的探讨仅仅从数据本身出发，而不考虑数据的空间位置，趋势面分析法采用最小二乘法原理，从整体插值角度出发进行趋势渐变特征分析，因此不论是低次趋势面还是高次趋势面都存在估值趋势面光滑的问题，特别是当待估点局部区域起伏较大时，插值结果拟合较差，估计值往往不能反映区域化变量在空间的真实变化特征[10]。趋势面方程所体现出的部分可认为是由大范围的系统因素引起的，而偏差部分反映了局部的变化特点，认为是由局部因素和随机因素引起的[9]，本文选用一次函数模型，整体上拟合程度较低，可见在沙壕渠分灌域内土壤粒径及有机质在不同土层的空间分布局部因素及随机因素不容忽视。通过Surfer进行空间分布分析时，将变量空间分布采用克里格插值通过图形表现出来，使研究者更为直观的判断变量空间分布特点和变化规律，其判图规则已在文中表述，但针对流域图的判图规则鲜有报道，“集水径流”可以判断变量空间分布的推移方向值得进一步探讨。同时，软件成图时，将可以形成的变化趋势较为一致的区域通过“集水盆”的形式体现出来，但是属于研究区域内但并未生成“集水盆”的空白区域的讨论值得进一步深入研究，同时，对比图1研究区域取样图，有机质在不同土层所形成的流域图中，在整个图形的左边认为并不属于研究区但却生成了图形， 认为Surfer软件在生成流域图时会拓展到研究区之外，从而影响图形的正确判读。

土壤特性的空间变异性是一个复杂问题，论文对参数在不同土层及其相互之间的空间分布的相互关系的机理和物理解释还不够深入，如何将研究区域内土壤参数在不同土层及其相互之间的空间分布的这种相关性与野外取样方案结合起来从而达到减少大量野外取样工作量的目的还有待于进一步研究。

4 结 论

研究分析了土壤黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量、有机质含量空间变异性在垂直方向上不同土层的相互关系。得到如下结论：

(1)黏粒含量的空间分布较为简单且各土层空间变异性相关程度较高。

(2)粉粒及砂粒含量的不同土层空间分布较为复杂，其不同土层的空间分布呈错位式重合分布。

(3)不同方法得出有机质不同土层空间变异性相关程度有一定差异：相关性分析得出其不同土层间均为极显著的相关性，趋势面分析得出20～40 cm土层其空间分布与经纬度基本无相关性，而其他土层随X轴向和Y轴向变化趋势较为一致，同时流域图得出0～20、20～40及40～70 cm土层空间变异性的相关性较高，但 70～100 cm土层与其他三层的空间分布相关程度较小。

(4)黏粒含量与有机质的空间变异性呈现出较强的正相关性；粉粒及砂粒含量体现出较强的负相关性。

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