基于地统计学农田不同土层土壤容重的空间变异特征分析

张舜凯　刘继龙　刘海岳

摘要：利用烘干法测定玉米地0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm土层土壤容重，运用半方差函数和克立格插值等方法对农田土壤容重空间变异特征随土层深度的变化规律进行研究。结果表明，不同土层土壤容重平均值介于1.23～1.33 g/cm3，均为弱变异，空间相关范围介于20.40～75.64 m，空间相关程度介于28.89%～73.55%，空间分布图中均存在明显的斑块结构;随土层深度的增加，土壤容重平均值呈先增加后减少的变化趋势，变异程度呈先降低后升高的变化趋势，半方差函数拟合模型由指数模型变为线性模型，空间相关范围先增加后保持不变，空间相关程度未呈现出规律性的变化趋势，土壤容重低值区和高值区的分布数量和位置有所差异。

关键词：地统计学;农田;土壤容重;空间变异

中图分类号：S152.5         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）15-0030-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.007           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Spatial variability of soil bulk density in different soil layers based on geostatistics

ZHANG Shun-kai，LIU Ji-long，LIU Hai-yue

（School of Water Conservancy and Civil Engineering，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

Abstract： Based on soil bulk density in 0～5 cm， 5～10 cm， 10～15 cm and 15～20 cm soil layers measured with oven drying method， the changing trend of spatial variability of soil bulk density with increasing soil depth was studied using semi-variance and Kriging interpolation methods. The results showed that， for different soil layers， the average value of soil bulk density ranged from 1.23 g/cm3 to 1.33 g/cm3， its degree of variation was weak， its spatial correlation range was between 20.40 m and 75.64 m， its spatial correlation degree changed from 28.89% to 73.55%， and there were obvious patch structure in its spatial distribution. As soil depth increased， the average value of soil bulk density firstly increased and then decreased， its degree of variation increased after fell first， its fitted model of semi-variance changed from exponential model to linear model， its spatial correlation range increased at first and remained unchanged later， its spatial correlation degree did not present a regular changing trend， and there were differences in number and location of its high and low value area.

Key words： geostatistics; farmland; soil bulk density; spatial variability

土壤容重是土壤的一个重要物理性质，对土壤肥力发挥和作物生长具有重要影响，受外界自然因素和人为活动的影响，土壤容重具有空间变异性。目前，国内外学者已从很多方面对土壤容重的空间变异性进行了研究，也取得了很多成果，如：連纲等[1]的研究发现不同土地利用类型之间，土壤容重的变异大小为灌木林地>荒草地>梯田>坝地>林地>坡耕地，在不同景观位置，土壤容重的变异大小为坡顶>沟平地>坡下>坡上>坡中;耿韧等[2]的研究发现随着采样间隔的增大，土壤容重变异函数理论模型、块金值、基台值和变程各不相同;于冬雪等[3]的研究发现不同土层土壤容重均为中等程度变异;郑纪勇等[4]的研究表明土壤容重具有明显的空间结构和自相关特征;徐翠兰等[5]的研究发现明农田土壤容重为弱变异，由空间自相关部分引起的异质性程度很大;李晓晓等[6]的研究表明农田表层土壤容重属于弱变异，土壤质地和土地利用方式是影响其空间分布的主要因素;冯强等[7]发现土地利用、坡度与植被盖度是影响土壤容重的主要因素，能够解释58.15%的土壤容重变异;易小波等[8]的研究发现研究区域0～20 cm深度土壤容重为中等程度变异，20～40 cm深度为弱变异;孙国军等[9]的研究发现表层土壤容重属于弱变异，气候、母质等自然因素是表层土壤容重变化的内在因素，土地利用加速土壤容重的变化。目前关于东北黑土区农田不同土层土壤容重空间变异性的研究较少，为此，本试验以黑土区玉米地为例，研究分析了不同土层土壤容重的空间变异及其随土层深度的变化规律，以期为黑土区农田土壤管理提供基本参数和依据。

1  材料与方法

1.1  取样点布置

土壤容重采样农田位于东北农业大学向阳试验示范基地，采样农田种植作物为玉米，采样区域包括64个12 m×12 m的正方形网格，采样点位于每个12 m×12 m正方形网格的中心位置，利用环刀采集每个采样点0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm土层的原状土，带回实验室，利用烘干法测得每个采样点不同土层的土壤容重。

1.2  数据处理

土壤容重的传统统计特征采用SPSS软件计算，土壤容重半方差函数的参数利用GS软件进行求解，土壤容重的空间等值线图通过Surfer软件绘制。

2  结果与分析

2.1  不同土层土壤容重的统计学特征

传统统计学首先求解土壤容重的平均值和变异系数（CV）等统计学特征参数，然后根据统计学特征参数分析土壤容重的空间变异性，其中CV≤0.1表示弱变异，0.1

2.2  不同土层土壤容重的空间变异结构

半方差函数是分析空间变异性的有力工具，通过计算土壤容重的半方差函数，可以确定土壤容重的空间变异结构，半方差函数主要包括块金值（C0）、变程（？琢）和基台值（C0+C）等。块金值表示由非采样间隔所造成的变异;随着间隔距离的增大，半方差函数从非零值达到一个相对稳定的常数称为基台值;变程表示半方差函数达到基台值时的间隔距离，间隔距离大于变程，空间相关性消失。C0/（C0+C）小于25%说明空间相关性强烈;C0/（C0+C）大于75%说明空间相关性弱;C0/（C0+C）介于25%～75%说明空间相关性中等[11]。

由表2可知，0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm土层土壤容重的空间相关范围介于20.40～75.64 m，随着土层深度的增加，土壤容重的空间相关范围先增加后保持不变;0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm土层土壤容重的空间相关程度介于28.89%～73.55%，说明不同土层土壤容重的空间相关程度均为中等，随着土层深度的增加，土壤容重的空间相关程度未呈现出规律性的变化趋势。由图1可知，0～5 cm土层土壤容重半方差函数的拟合模型为指数模型，5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm土层土壤容重半方差函数的拟合模型均为线性模型。

2.3  不同土层土壤容重的空间等值线

0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm土层土壤容重的空间等值线如图2所示。不同土层土壤容重的空间等值线图中分布着明显的斑块结构，随着土层深度的增加，土壤容重低值区和高值区的分布数量和位置存在差异，这说明虽然采样区域较小，土壤容重的空间分布中仍存在一定的异质性，而且土层深度不同，土壤容重空间分布中的异质性特征有所差异。

3  结论

不同土层土壤容重的平均值介于1.23～1.33 g/cm3，均为弱变异，随土层深度增加，土壤容重平均值呈先增加后减少的变化趋势，土壤容重变异程度呈先降低后升高的变化趋势;除0～5 cm土层土壤容重半方差函数的拟合模型为指数模型外，其余土层拟合模型均为线性模型，不同土层土壤容重的空间相关范围介于20.40～75.64 m，空间相关程度介于28.89%～73.55%，随土层深度增加，土壤容重的空間相关范围先增加后保持不变，空间相关程度未呈现出规律性的变化趋势;不同土层土壤容重的空间等值线图中分布着明显的斑块结构，随土层深度增加，土壤容重低值区和高值区的分布数量和位置有所差异。

参考文献：

[1] 连  纲，郭旭东，傅伯杰，等.黄土高原小流域土壤容重及水分空间变异特征[J].生态学报，2006，26（3）：647-654.

[2] 耿  韧，张光辉，李振炜，等.黄土丘陵区浅沟表层土壤容重的空间变异特征[J].水土保持学报，2014，28（4）：257-262.

[3] 于冬雪，贾小旭，黄来明，等.黄土区不同土层土壤容重空间变异与模拟[J].土壤学报，2019，56（1）：55-64.

[4] 郑纪勇，邵明安，张兴昌.黄土区坡面表层土壤容重和饱和导水率空间变异特征[J].水土保持学报，2004，18（3）：53-56.

[5] 徐翠兰，侯淑楠，姚紫东，等.南方农田土壤容重空间变异性及其尺度效应[J].排灌机械工程学报，2017，35（5）：424-429.

[6] 李晓晓，刘  京，赵世伟，等.西北干旱区县域农田表层土壤容重空间变异性特征[J].水土保持学报，2013，27（4）：148-151.

[7] 冯  强，段宝玲，姜  硕.小流域尺度土壤容重及其影响因素的空间变异[J].山西农业大学学报（自然科学版），2016，36（1）：39-45.

[8] 易小波，邵明安，赵春雷，等.黄土高原南北样带不同土层土壤容重变异分析与模拟[J].农业机械学报，2017，48（4）：198-205.

[9] 孙国军，李卫红，朱成刚，等.新疆伊犁河谷表层土壤容重的空间变异性分析[J].资源科学，2016，38（7）：1222-1228.

[10] 雷志栋，杨诗秀，谢森传.土壤水动力学[M].北京：清华大学出版社，1988.

[11] CAMBARDELLA C A，MOORMAN T B，NOVAKJ M，et al. Field-scale variability of soil properties in central lowa soils[J].Soil Sci Soc Am J，1994，58：1501-1511.