基于GIS和地统计学的昌图县表层土壤有机碳密度空间变异分析

解书华

摘要：采用GIS和地统计学相结合的方法，分析昌图县表层土壤（0～20 cm）样品中的有机碳密度，探讨有机碳密度的空间变异特性。结果表明，表层土壤有机碳密度在0.55～3.41 g/kg之间，平均值为1.97 g/kg，具有强变异性；有机碳密度的理论变异函数符合线形模型，具有较强的空间相关性。

关键词：有机碳密度；地统计学；空间变异；GIS；空间相关性

中图分类号：S153.6 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）02-0019-03

碳循环是全球环境变化问题的研究重点，而土壤呼吸作用产生的碳尤其是有机碳是全球碳循环总量的重要组成部分。土壤有机碳大部分集中在土壤表层，其动态变化对大气CO2浓度、土壤质量及土地生产力有非常重要的影响，直接影响土壤肥力和作物产量。

昌图县位于辽宁省铁岭市北部，属中温带亚湿润季风大陆性气候，地势平坦，土质肥沃，年平均气温6～7 ℃，年平均降水量600 mm，是辽宁省的产粮大县之一，也是全国著名的农业大县、商品粮生产基地。昌图县的主要土壤类型为棕壤、草甸土和黑土。分析当地土壤有机碳的空间变异特性，全面系统地了解昌图县土壤有机碳的密度，对指导昌图地区的生产实践和区域建设具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

根据昌图县土壤类型分布特点及土壤系统分类采样原则，于2012年在昌图县采集70个样点（0～20 cm土层）的样品，并记录野外样点位置，根据土壤剖面特征进行土层描述。土壤系统分类的采样原则为：重要性原则（农林牧业利用价值大）、主要性原则（分布广，面积大）、独特性原则（分布面积虽小但类型独特）、均匀性原则（全县各地尽量均匀）。

土样经风干处理后，采用干烧法（元素分析仪）测定有机质含量；采用环刀法测定容重；过筛后称定砾石质量。

土壤有机碳密度（T0）通常是指单位面积土体中所含有的有机碳质量，是表征土壤质量及陆地生态系统对全球变化贡献大小的量度指标。对共分为m层的某土壤剖面来说，T0计算公式为：

T0 =Σmj=1（1-δ%）ρjcjdj/100 （1）

式中：cj表第j层中土壤有机碳平均含量，g/kg；ρj为容重，g/cm3；δj%为砾石的体积分数；dj为厚度，cm。

1.2 研究分析方法

分别利用Excel和SPSS 13.0进行试验数据的基本处理和描述性统计分析，采用GS+7.0统计软件和域法进行半变异函数拟合和特异值识别，选用ArcGis9.3地理信息系统软件完成土壤有机碳克里格插值的空间分析。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳描述性统计

对昌图县的70个土壤样本数据进行一般描述性统计，数据基本符合正态分布，结果见表1。

由表1可以看出，表层土壤（0～20 cm）的有机碳密度在0.55～3.41 g/kg之间，平均含量为1.97 g/kg；从反映离散程度的变异系数可以看出，有机碳密度表现出强变异性，变异程度较大。考虑到特异值对样本数值的影响，采用域法识别特异值，确定样本数据中无特异值出现。

2.2 土壤有机碳半变异结构分析

在多种因素的共同作用下，土壤性质具有空间分布的非均一性或空间变异性，且它们彼此不是相互独立的，而是在一定范围内存在空间自相关性。地统计学的核心是根据样本点确定研究对象（土壤性质的某一变量）随空间位置变化的规律，以此推算位置点的属性值。检验结果表明，土壤有机碳密度变量服从正态分布，故进行变异函数模型拟合，得到如图1所示的半方差函数理论模型。

一般认为，块金值（C）代表随机变异的量，如施肥、耕作措施、种植制度等各种人为活动引起的变异。基台值（C0+C）代表变量空间变异的结构性方差，即由土壤母质、地形、气候等非人为因素引起的变异，是系统内总的变异。块金系数[C0/（C0+C）]则是块金值与基台值的比值，表示随机部分引起的空间异质性占系统总变异的比例。按照区域化变量空间相关程度的分级标准，块金系数<25%时，变量具有强烈的空间相关性；块金系数在25%～75%之间时，变量具有中等空间自相关；块金系数>75%时，变量的空间自相关性微弱，变异主要由随机变异组成，不适合采用空间插值的方法进行空间预测。根据变异函数理论模型得出的相应参数见表2。

由表2可以看出：昌图县表层土壤有机碳密度的理论变异函数符合线形模型，块金值与基台值之比为15.18%，土壤表层有机碳密度的空间相关性较强，表明昌图县土壤有机质具有较强的空间相关性，区域性因素引起的变异占较大比例。究其原因，可能是昌图作为农业大县，土地利用、施肥、管理等随机因素对表层土壤造成一定程度的人为干扰。

在农业活动中，农民为提高粮食产量，常常大量使用肥料，导致土壤中的有机碳含量增加。另外，耕作能改变土壤结构，增加土壤生物的呼吸速率，从而使土壤中的有机碳含量减少。

2.3 土壤有机碳空间分布特征

采用ArcGis9.3地理信息系统软件中的地统计模块，分析土壤有机碳密度的空间分布特征，完成土壤有机碳克里格插值的空间分析。克里格插值法（Kriging）也称空间局部估计法或空间局部插值法，它建立在半变异函数理论及结构分析基础上，根据待估样点（或待估地块）有限邻域内若干已测定的样点数据，在认真考虑样点的形状、大小、空间相互位置关系以及它们与待估样点间的空间位置关系，半变异函数提供的结构信息后，对待估样点进行线性无偏最优估计，最终得出待估样点某些属性（或性状）的空间分布插值图。

图2是昌图县表层土壤有机碳密度的空间分布插值图，显示了不同级别养分含量的分布状况。

从图2可以直观地看出，昌图县南部和东部土壤的有机碳密度较高，多在1.98～2.70 g/kg之间；西北部有机碳密度较低，维持在1.26g～1.78 g/kg之间。总的来看，昌图县土壤有机质分布呈现东南部向西北部递减的规律。

3 结论与讨论

从经典统计学分析结果来看，昌图县表层土壤有机碳密度表现出强度变异，可能是日益增强的人类活动所致。地统计学分析结果表明，昌图县表层土壤有机碳密度的空间变异函数可以用线性模型进行拟合，表层土壤有机碳密度的空间相关性较强。Kriging插值图直观地描述了昌图表层土壤有机碳密度的分布格局。总的来看，有机碳密度呈现从东南部向西北部递减的规律，这与昌图的农田利用状况息息相关。

同时，研究存在以下问题：1）仅对深度0～20 cm的土层进行分析，不能全面细致的说明问题。若想计算有机碳的储量，则需采集剖面0～100 cm的土样。在今后的研究中，需要进行深层次的样品采集。2）表层土壤有机碳密度受人为因素影响很大，要获得更为准确详实数据，需在更多的地点进行土样采集，且采样点位也需进行进一步确定；3）对土壤有机碳含量的研究内容不够全面，拟在将来做更为深入的研究。

参考文献

[1] 潘根兴.中国土壤有机碳库及其演变与应对气候变化[J].气候变化研究进展，2008，4（5）：282-289.

[2] 金峰，杨浩，赵其国.土壤有机碳储量及影响因素研究进展[J].土壤，2000（1）：12-17.

[3] 薛正平，杨星卫，段项锁，等.土壤养分空间变异及合理取样数研究[J].农业工程学报，2002，7（4）：86-91.

[4] 雷志栋，杨诗秀.土壤特性时空变异性初步研究[J].水利学报，1985（9）：10-21.

[5] 陈彦，吕新.基于GIS和地统计学的土壤养分空间变异特征研究——以新疆农七师125团为例[J].中国农学通，2005，21（7）：389-

391.

摘要：采用GIS和地统计学相结合的方法，分析昌图县表层土壤（0～20 cm）样品中的有机碳密度，探讨有机碳密度的空间变异特性。结果表明，表层土壤有机碳密度在0.55～3.41 g/kg之间，平均值为1.97 g/kg，具有强变异性；有机碳密度的理论变异函数符合线形模型，具有较强的空间相关性。

关键词：有机碳密度；地统计学；空间变异；GIS；空间相关性

中图分类号：S153.6 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）02-0019-03

碳循环是全球环境变化问题的研究重点，而土壤呼吸作用产生的碳尤其是有机碳是全球碳循环总量的重要组成部分。土壤有机碳大部分集中在土壤表层，其动态变化对大气CO2浓度、土壤质量及土地生产力有非常重要的影响，直接影响土壤肥力和作物产量。

昌图县位于辽宁省铁岭市北部，属中温带亚湿润季风大陆性气候，地势平坦，土质肥沃，年平均气温6～7 ℃，年平均降水量600 mm，是辽宁省的产粮大县之一，也是全国著名的农业大县、商品粮生产基地。昌图县的主要土壤类型为棕壤、草甸土和黑土。分析当地土壤有机碳的空间变异特性，全面系统地了解昌图县土壤有机碳的密度，对指导昌图地区的生产实践和区域建设具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

根据昌图县土壤类型分布特点及土壤系统分类采样原则，于2012年在昌图县采集70个样点（0～20 cm土层）的样品，并记录野外样点位置，根据土壤剖面特征进行土层描述。土壤系统分类的采样原则为：重要性原则（农林牧业利用价值大）、主要性原则（分布广，面积大）、独特性原则（分布面积虽小但类型独特）、均匀性原则（全县各地尽量均匀）。

土样经风干处理后，采用干烧法（元素分析仪）测定有机质含量；采用环刀法测定容重；过筛后称定砾石质量。

土壤有机碳密度（T0）通常是指单位面积土体中所含有的有机碳质量，是表征土壤质量及陆地生态系统对全球变化贡献大小的量度指标。对共分为m层的某土壤剖面来说，T0计算公式为：

T0 =Σmj=1（1-δ%）ρjcjdj/100 （1）

式中：cj表第j层中土壤有机碳平均含量，g/kg；ρj为容重，g/cm3；δj%为砾石的体积分数；dj为厚度，cm。

1.2 研究分析方法

分别利用Excel和SPSS 13.0进行试验数据的基本处理和描述性统计分析，采用GS+7.0统计软件和域法进行半变异函数拟合和特异值识别，选用ArcGis9.3地理信息系统软件完成土壤有机碳克里格插值的空间分析。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳描述性统计

对昌图县的70个土壤样本数据进行一般描述性统计，数据基本符合正态分布，结果见表1。

由表1可以看出，表层土壤（0～20 cm）的有机碳密度在0.55～3.41 g/kg之间，平均含量为1.97 g/kg；从反映离散程度的变异系数可以看出，有机碳密度表现出强变异性，变异程度较大。考虑到特异值对样本数值的影响，采用域法识别特异值，确定样本数据中无特异值出现。

2.2 土壤有机碳半变异结构分析

在多种因素的共同作用下，土壤性质具有空间分布的非均一性或空间变异性，且它们彼此不是相互独立的，而是在一定范围内存在空间自相关性。地统计学的核心是根据样本点确定研究对象（土壤性质的某一变量）随空间位置变化的规律，以此推算位置点的属性值。检验结果表明，土壤有机碳密度变量服从正态分布，故进行变异函数模型拟合，得到如图1所示的半方差函数理论模型。

一般认为，块金值（C）代表随机变异的量，如施肥、耕作措施、种植制度等各种人为活动引起的变异。基台值（C0+C）代表变量空间变异的结构性方差，即由土壤母质、地形、气候等非人为因素引起的变异，是系统内总的变异。块金系数[C0/（C0+C）]则是块金值与基台值的比值，表示随机部分引起的空间异质性占系统总变异的比例。按照区域化变量空间相关程度的分级标准，块金系数<25%时，变量具有强烈的空间相关性；块金系数在25%～75%之间时，变量具有中等空间自相关；块金系数>75%时，变量的空间自相关性微弱，变异主要由随机变异组成，不适合采用空间插值的方法进行空间预测。根据变异函数理论模型得出的相应参数见表2。

由表2可以看出：昌图县表层土壤有机碳密度的理论变异函数符合线形模型，块金值与基台值之比为15.18%，土壤表层有机碳密度的空间相关性较强，表明昌图县土壤有机质具有较强的空间相关性，区域性因素引起的变异占较大比例。究其原因，可能是昌图作为农业大县，土地利用、施肥、管理等随机因素对表层土壤造成一定程度的人为干扰。

在农业活动中，农民为提高粮食产量，常常大量使用肥料，导致土壤中的有机碳含量增加。另外，耕作能改变土壤结构，增加土壤生物的呼吸速率，从而使土壤中的有机碳含量减少。

2.3 土壤有机碳空间分布特征

采用ArcGis9.3地理信息系统软件中的地统计模块，分析土壤有机碳密度的空间分布特征，完成土壤有机碳克里格插值的空间分析。克里格插值法（Kriging）也称空间局部估计法或空间局部插值法，它建立在半变异函数理论及结构分析基础上，根据待估样点（或待估地块）有限邻域内若干已测定的样点数据，在认真考虑样点的形状、大小、空间相互位置关系以及它们与待估样点间的空间位置关系，半变异函数提供的结构信息后，对待估样点进行线性无偏最优估计，最终得出待估样点某些属性（或性状）的空间分布插值图。

图2是昌图县表层土壤有机碳密度的空间分布插值图，显示了不同级别养分含量的分布状况。

从图2可以直观地看出，昌图县南部和东部土壤的有机碳密度较高，多在1.98～2.70 g/kg之间；西北部有机碳密度较低，维持在1.26g～1.78 g/kg之间。总的来看，昌图县土壤有机质分布呈现东南部向西北部递减的规律。

3 结论与讨论

从经典统计学分析结果来看，昌图县表层土壤有机碳密度表现出强度变异，可能是日益增强的人类活动所致。地统计学分析结果表明，昌图县表层土壤有机碳密度的空间变异函数可以用线性模型进行拟合，表层土壤有机碳密度的空间相关性较强。Kriging插值图直观地描述了昌图表层土壤有机碳密度的分布格局。总的来看，有机碳密度呈现从东南部向西北部递减的规律，这与昌图的农田利用状况息息相关。

同时，研究存在以下问题：1）仅对深度0～20 cm的土层进行分析，不能全面细致的说明问题。若想计算有机碳的储量，则需采集剖面0～100 cm的土样。在今后的研究中，需要进行深层次的样品采集。2）表层土壤有机碳密度受人为因素影响很大，要获得更为准确详实数据，需在更多的地点进行土样采集，且采样点位也需进行进一步确定；3）对土壤有机碳含量的研究内容不够全面，拟在将来做更为深入的研究。

参考文献

[1] 潘根兴.中国土壤有机碳库及其演变与应对气候变化[J].气候变化研究进展，2008，4（5）：282-289.

[2] 金峰，杨浩，赵其国.土壤有机碳储量及影响因素研究进展[J].土壤，2000（1）：12-17.

[3] 薛正平，杨星卫，段项锁，等.土壤养分空间变异及合理取样数研究[J].农业工程学报，2002，7（4）：86-91.

[4] 雷志栋，杨诗秀.土壤特性时空变异性初步研究[J].水利学报，1985（9）：10-21.

[5] 陈彦，吕新.基于GIS和地统计学的土壤养分空间变异特征研究——以新疆农七师125团为例[J].中国农学通，2005，21（7）：389-

391.

摘要：采用GIS和地统计学相结合的方法，分析昌图县表层土壤（0～20 cm）样品中的有机碳密度，探讨有机碳密度的空间变异特性。结果表明，表层土壤有机碳密度在0.55～3.41 g/kg之间，平均值为1.97 g/kg，具有强变异性；有机碳密度的理论变异函数符合线形模型，具有较强的空间相关性。

关键词：有机碳密度；地统计学；空间变异；GIS；空间相关性

中图分类号：S153.6 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）02-0019-03

碳循环是全球环境变化问题的研究重点，而土壤呼吸作用产生的碳尤其是有机碳是全球碳循环总量的重要组成部分。土壤有机碳大部分集中在土壤表层，其动态变化对大气CO2浓度、土壤质量及土地生产力有非常重要的影响，直接影响土壤肥力和作物产量。

昌图县位于辽宁省铁岭市北部，属中温带亚湿润季风大陆性气候，地势平坦，土质肥沃，年平均气温6～7 ℃，年平均降水量600 mm，是辽宁省的产粮大县之一，也是全国著名的农业大县、商品粮生产基地。昌图县的主要土壤类型为棕壤、草甸土和黑土。分析当地土壤有机碳的空间变异特性，全面系统地了解昌图县土壤有机碳的密度，对指导昌图地区的生产实践和区域建设具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

根据昌图县土壤类型分布特点及土壤系统分类采样原则，于2012年在昌图县采集70个样点（0～20 cm土层）的样品，并记录野外样点位置，根据土壤剖面特征进行土层描述。土壤系统分类的采样原则为：重要性原则（农林牧业利用价值大）、主要性原则（分布广，面积大）、独特性原则（分布面积虽小但类型独特）、均匀性原则（全县各地尽量均匀）。

土样经风干处理后，采用干烧法（元素分析仪）测定有机质含量；采用环刀法测定容重；过筛后称定砾石质量。

土壤有机碳密度（T0）通常是指单位面积土体中所含有的有机碳质量，是表征土壤质量及陆地生态系统对全球变化贡献大小的量度指标。对共分为m层的某土壤剖面来说，T0计算公式为：

T0 =Σmj=1（1-δ%）ρjcjdj/100 （1）

式中：cj表第j层中土壤有机碳平均含量，g/kg；ρj为容重，g/cm3；δj%为砾石的体积分数；dj为厚度，cm。

1.2 研究分析方法

分别利用Excel和SPSS 13.0进行试验数据的基本处理和描述性统计分析，采用GS+7.0统计软件和域法进行半变异函数拟合和特异值识别，选用ArcGis9.3地理信息系统软件完成土壤有机碳克里格插值的空间分析。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳描述性统计

对昌图县的70个土壤样本数据进行一般描述性统计，数据基本符合正态分布，结果见表1。

由表1可以看出，表层土壤（0～20 cm）的有机碳密度在0.55～3.41 g/kg之间，平均含量为1.97 g/kg；从反映离散程度的变异系数可以看出，有机碳密度表现出强变异性，变异程度较大。考虑到特异值对样本数值的影响，采用域法识别特异值，确定样本数据中无特异值出现。

2.2 土壤有机碳半变异结构分析

在多种因素的共同作用下，土壤性质具有空间分布的非均一性或空间变异性，且它们彼此不是相互独立的，而是在一定范围内存在空间自相关性。地统计学的核心是根据样本点确定研究对象（土壤性质的某一变量）随空间位置变化的规律，以此推算位置点的属性值。检验结果表明，土壤有机碳密度变量服从正态分布，故进行变异函数模型拟合，得到如图1所示的半方差函数理论模型。

一般认为，块金值（C）代表随机变异的量，如施肥、耕作措施、种植制度等各种人为活动引起的变异。基台值（C0+C）代表变量空间变异的结构性方差，即由土壤母质、地形、气候等非人为因素引起的变异，是系统内总的变异。块金系数[C0/（C0+C）]则是块金值与基台值的比值，表示随机部分引起的空间异质性占系统总变异的比例。按照区域化变量空间相关程度的分级标准，块金系数<25%时，变量具有强烈的空间相关性；块金系数在25%～75%之间时，变量具有中等空间自相关；块金系数>75%时，变量的空间自相关性微弱，变异主要由随机变异组成，不适合采用空间插值的方法进行空间预测。根据变异函数理论模型得出的相应参数见表2。

由表2可以看出：昌图县表层土壤有机碳密度的理论变异函数符合线形模型，块金值与基台值之比为15.18%，土壤表层有机碳密度的空间相关性较强，表明昌图县土壤有机质具有较强的空间相关性，区域性因素引起的变异占较大比例。究其原因，可能是昌图作为农业大县，土地利用、施肥、管理等随机因素对表层土壤造成一定程度的人为干扰。

在农业活动中，农民为提高粮食产量，常常大量使用肥料，导致土壤中的有机碳含量增加。另外，耕作能改变土壤结构，增加土壤生物的呼吸速率，从而使土壤中的有机碳含量减少。

2.3 土壤有机碳空间分布特征

采用ArcGis9.3地理信息系统软件中的地统计模块，分析土壤有机碳密度的空间分布特征，完成土壤有机碳克里格插值的空间分析。克里格插值法（Kriging）也称空间局部估计法或空间局部插值法，它建立在半变异函数理论及结构分析基础上，根据待估样点（或待估地块）有限邻域内若干已测定的样点数据，在认真考虑样点的形状、大小、空间相互位置关系以及它们与待估样点间的空间位置关系，半变异函数提供的结构信息后，对待估样点进行线性无偏最优估计，最终得出待估样点某些属性（或性状）的空间分布插值图。

图2是昌图县表层土壤有机碳密度的空间分布插值图，显示了不同级别养分含量的分布状况。

从图2可以直观地看出，昌图县南部和东部土壤的有机碳密度较高，多在1.98～2.70 g/kg之间；西北部有机碳密度较低，维持在1.26g～1.78 g/kg之间。总的来看，昌图县土壤有机质分布呈现东南部向西北部递减的规律。

3 结论与讨论

从经典统计学分析结果来看，昌图县表层土壤有机碳密度表现出强度变异，可能是日益增强的人类活动所致。地统计学分析结果表明，昌图县表层土壤有机碳密度的空间变异函数可以用线性模型进行拟合，表层土壤有机碳密度的空间相关性较强。Kriging插值图直观地描述了昌图表层土壤有机碳密度的分布格局。总的来看，有机碳密度呈现从东南部向西北部递减的规律，这与昌图的农田利用状况息息相关。

同时，研究存在以下问题：1）仅对深度0～20 cm的土层进行分析，不能全面细致的说明问题。若想计算有机碳的储量，则需采集剖面0～100 cm的土样。在今后的研究中，需要进行深层次的样品采集。2）表层土壤有机碳密度受人为因素影响很大，要获得更为准确详实数据，需在更多的地点进行土样采集，且采样点位也需进行进一步确定；3）对土壤有机碳含量的研究内容不够全面，拟在将来做更为深入的研究。

参考文献

[1] 潘根兴.中国土壤有机碳库及其演变与应对气候变化[J].气候变化研究进展，2008，4（5）：282-289.

[2] 金峰，杨浩，赵其国.土壤有机碳储量及影响因素研究进展[J].土壤，2000（1）：12-17.

[3] 薛正平，杨星卫，段项锁，等.土壤养分空间变异及合理取样数研究[J].农业工程学报，2002，7（4）：86-91.

[4] 雷志栋，杨诗秀.土壤特性时空变异性初步研究[J].水利学报，1985（9）：10-21.

[5] 陈彦，吕新.基于GIS和地统计学的土壤养分空间变异特征研究——以新疆农七师125团为例[J].中国农学通，2005，21（7）：389-

391.