东北黑土区农田土壤有机质的空间变异性及适宜样本容量研究

张舜凯 刘继龙

摘要：利用经典统计学和地统计学方法研究64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取样面积土壤有机质含量的空间变异特征及其适宜样本容量。结果表明，不同取样面积土壤有机质含量均具有中等变异程度，随取样面积增加，土壤有机质含量平均值先增加后降低，变异程度逐渐增加，但两者变化幅度较小;不同取样面积空间相关范围分别为66.69、85.02和12.00 m，空间相关性均为中等，随取样面积增加，空间相关范围先增加后减小，空间相關程度先降低后增加;精度系数相同时，随取样面积增加，适宜样本容量逐渐增加，但增加幅度较小，取样面积相同时，随精度系数增大，适宜样本容量逐渐减小，且减小幅度较大。

关键词：土壤有机质含量;空间变异性;黑土区;适宜样本容量

中图分类号：S153.6         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）16-0038-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.16.009           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： The spatial variability of soil organic matter content in sampling areas of 64 m×64 m， 80 m×80 m and 112 m×112 m and its suitable sample size were studied with classical statistics and geostatistics methods. The results showed that the soil organic matter content in different sampling area had moderate variation degree， as sampling area increased， the mean of soil organic matter content first increased and then decreased， and the variation degree of soil organic matter content gradually increased， but their change was small; Spatial correlation ranges of soil organic matter content in different sampling area respectively were 66.69， 85.02 and 12.00 m， their spatial correlation degree were moderate， as sampling area increased， spatial correlation range of soil organic matter content first increased and then decreased， and its spatial correlation degree first decreased and then increased; When precision coefficient was the same， as sampling area increased， suitable sample size of soil organic matter content gradually increased， but increasing degree was small; When sampling area was the same， as precision coefficient increased， suitable sample size of soil organic matter content gradually decreased， and decreasing degree was large.

Key words： soil organic matter content; spatial variability; black soil region; suitable sample size

土壤特性具有明显的空间变异性[1-5]，目前土壤特性的空间变异性研究已成为水土学科研究的一个热点。土壤有机质作为土壤肥力的重要指标，是土壤特性的一个重要组成部分，因而土壤有机质也具有明显的空间变异性，土壤有机质的空间变异规律和分布状况是实现土壤可持续利用和区域可持续发展的前提[6]。因此，国内外学者对土壤有机质的空间变异性进行了大量研究。冯娜娜等[7]对不同尺度下低山茶园土壤有机质含量的空间变异进行了研究;张娜等[8]研究分析了不同土层有机质含量的空间变异性;孟红旗等[9]对不同土地利用类型土壤有机质的空间变异性进行了研究;张帅普等[10]研究分析了绿洲边缘土壤有机质的空间分布及变异特征;江叶枫等[11]对南方红壤区不同侵蚀程度下土壤有机质的空间变异及其影响因素进行了研究;王超等[12]研究分析了压砂地土壤有机质的空间变异性。从国内外开展的研究来看，涉及不同尺度、不同土层、不同土地利用类型和不同土壤类型等条件下土壤有机质含量的空间变异性研究，并取得了很多成果。东北黑土区是中国重要商品粮生产基地，研究黑土区农田土壤有机质含量的空间变异性对于该区土壤资源的可持续利用具有重要意义，为此，对东北黑土区农田土壤有机质含量的空间变异性进行了研究，以期揭示东北黑土区农田土壤有机质含量的空间变异性机理，同时为该区土壤资源的高效可持续利用提供理论依据和参考。

1  材料与方法

1.1  取样点布置

试验地位于东北农业大学向阳试验示范基地，试验地面积为112 m×112 m，取样点间距为8 m×8 m，共布设225个取样点，取样点空间分布如图1所示。采集每个取样点表层土壤，带回实验室风干后过0.25 mm土壤筛，利用稀释热法测定每个取样点的土壤有机质含量。为了研究土壤有机质含量空间变异性随取样面积变化的规律，将试验地划分为64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m等3種取样面积。

1.2  变异函数

变异函数γ（h）的计算公式[13]如下：

式中，N（h）为间距为h的数值对数;Z（xi）为区域化变量在点xi处的值;Z（xi+h）为区域化变量在点xi+h处的值。

1.3  适宜样本容量计算公式

适宜样本容量（N）的计算公式[14]如下：

式中，CV为变异系数;k为精度系数;？姿2？琢.f为t分布特征值，由显著水平？琢=1-Pl和自由度f=N-1，查t分布表得出。

2  结果与分析

2.1  不同尺度土壤有机质含量的经典统计特征分析

不同取样面积土壤有机质含量的经典统计特征值如表1所示。由表1可以看出，64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取样面积土壤有机质含量的变异系数分别为0.459 0、0.476 4和0.483 3，均介于0.1～1.0，根据变异系数与变异程度的对应关系，不同取样面积土壤有机质含量的变异程度均为中等变异;随取样面积的增加，土壤有机质含量的平均值先增加后降低，变异系数逐渐增加，相对于64 m×64 m取样面积，80 m×80 m和112 m×112 m取样面积土壤有机质平均含量分别增加4.80%和2.62%，变异程度分别增加3.79%和5.29%，土壤有机质平均含量与变异程度随取样面积变化而变化的幅度较小。

2.2  不同尺度土壤有机质含量的变异函数分析

不同取样面积土壤有机质含量的变异函数参数值见表2。由表2可知，64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取样面积土壤有机质含量的块金值分别为0.805、0.830和0.251，均大于0。根据地统计学原理可知，不同取样面积土壤有机质含量均存在由小于取样尺度和试验误差导致的变异;64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取样面积土壤有机质含量的变程分别为66.69、85.02和12.00 m。也就是说，不同取样面积土壤有机质含量的空间相关范围分别为66.69、85.02和12.00 m;64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取样面积土壤有机质含量的块金值与基台值之比分别为68.39%、71.24%和25.10%，均介于25%～75%，即64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取样面积土壤有机质含量均具有中等空间相关性，不同取样面积土壤有机质含量空间变异性均由结构因子和随机因子共同作用导致。随着取样面积的增加，土壤有机质含量的块金值、变程、块金值与基台值之比均呈现先增加后降低的趋势，也就是说，由小于取样尺度和试验误差导致的变异以及空间相关范围先增加后减小，空间相关程度先降低后增加。

2.3  不同尺度土壤有机质含量的适宜样本容量分析

置信水平取90%和95%，精度系数（k）分别为0.04、0.08、0.12时，64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取样面积土壤有机质含量的适宜样本容量如表3所示。从表3可以看出，置信水平取90%和95%，精度系数相同时，随着取样面积的增加，土壤有机质含量的适宜样本容量逐渐增加，但增加幅度较小，取样面积相同时，随着精度系数的增大，土壤有机质含量适宜样本容量的减小幅度较大。置信水平取90%，精度系数分别为0.04、0.08、0.12时，相对于64 m×64 m取样面积的适宜样本容量，80 m×80 m和112 m×112 m取样面积适宜样本容量的增加幅度依次为5.98%、8.97%，5.43%、8.70%，4.88%、9.76%;置信水平取95%，精度系数分别为0.04、0.08、0.12时，相对于64 m×64 m取样面积的适宜样本容量，80 m×80 m和112 m×112 m取样面积适宜样本容量的增加幅度依次为5.50%、8.54%，5.30%、8.33%，5.08%、8.47%。置信水平取90%，取样面积分别为64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m时，相对于精度系数为0.04的适宜样本容量，0.08和0.12精度系数对应适宜样本容量的减小幅度依次为75.00%、88.86%，75.13%、88.97%，75.06%、88.78%;置信水平取95%，取样面积分别为64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m时，相对于精度系数为0.04的适宜样本容量，0.08和0.12精度系数对应适宜样本容量的减小幅度依次为74.95%、88.80%，75.00%、88.85%，75.00%、88.81%。通过上述分析可以发现，在本研究设定的取样面积和精度系数范围内，精度系数变化对土壤有机质含量适宜样本容量的影响远大于取样面积变化对适宜样本容量的影响。

3  小结

1）64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取样面积土壤有机质含量的变异程度均为中等变异;随取样面积的增加，土壤有机质含量的平均值先增加后降低，变异程度逐渐增加，土壤有机质平均含量与变异程度的变化幅度较小。

2）64 m×64 m、80 m×80 m和112 m×112 m取样面积土壤有机质含量均存在由小于取样尺度和试验误差导致的变异，空间相关范围分别为66.69、85.02和12.00 m，均具有中等空间相关性，空间变异性均由结构因子和随机因子共同作用导致。随着取样面积的增加，由小于取样尺度和试验误差导致的变异以及空间相关范围先增加后减小，空间相关程度先降低后增加。

3）精度系数相同时，随着取样面积的增加，土壤有机质含量的适宜样本容量逐渐增加，但增加幅度较小，取样面积相同时，随着精度系数的增大，土壤有机质含量适宜样本容量逐渐减小，且减小幅度较大。

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