基于GIS连续种植模式下粤北红壤有机质变异特征研究—以乳源县桂头镇为例

土壤有机质是土壤生态系统的重要组成部分[1]，土壤有机质含量是估算土壤含碳量、评价土壤质量的重要指标，不同区域的土壤有机质存在异质性[2]。研究土壤性质空间变化及空间分布特点对土壤制图、土壤调查和土地利用动态监测具有重要意义。对影响土壤有机质空间分布的主控因素进行探讨，进一步研究土壤有机质空间分布特征可为农业生产、生态修复等问题提供参考[3]。利用半方差函数研究土壤有机质空间变异规律被认为是非常有效的方法之一，结合克里格方法生成高程曲面图进行分析，可解决土壤有机质空间变异的热点问题[4]。

为保证耕地高效利用，探讨连续种植模式下粤北红壤有机质变异特征。以粤北乳源瑶族自治县桂头镇为例，通过2014年和2019年多点采样实测土壤有机质含量，利用地统计学方法进行连续种植模式下土壤有机质空间变异性程度分析。2014年桂头镇土壤有机质平均含量为2.3 g/kg，中位数为2.3 g/kg，有机质含量偏度为 0.6，峰度值为3.6，变异系数为45%；2019年，桂头镇土壤有机质平均含量为2.5 g/kg，中位数为2.5 g/kg，有机质含量偏度为0.1，峰度值2.5，变异系数35%。2019年与2014年相比，桂头镇土壤有机质含量均值与中位数有所提高，但连续种植模式下地势较高区域土壤有机质含量有明显降低，地势较低区域土壤有机质也进一步降低，总体土壤有机质含量有所下降，但空间变异性降低。

1材料与方法

1.1研究区概况

乳源瑶族自治县位于广东省北部、韶关市西部，西北角与湖南省宜章县相邻，总面积2 125.5 km2，总人口近20万。全县气候属中亚热带季风气候，桂头镇是乳源瑶族自治县最大的平原镇，农业耕地面积1 900 hm2，以水稻、蔬菜、果树种植为主（见图1-2）。

1.2样品采集与测试

土壤样品主要在桂头镇农田区域采集，2014年一共采集了138个样点，2019年采集了137个样点，使用手持式GPS仪记录每个样点的经纬度坐标。采样分布图如图3-4所示。采集0～20 cm土壤样品，经前处理后土壤有机质采用重铬酸钾氧化滴定法测定。

1.3数据处理与分析

利用格拉布斯（Crubbs）法对所获土壤数据作差值辨别和处理，消除异常数值，通过数据分析检验筛选数据是否呈正态分布，这是进行克里格分析的基本要求。

半方差函数是解释土壤空间化变量随机性和结构性的一种函数，如果随机函数均值没变化，那么就存在有限的方差。因此可以利用地统计学中的半方差函数的数量关系来表示区域化变量，也是土壤有机质进行克里格空间插值的基础，其表达式为：

式中：R（h）是半方差函数；h为样点之间的空间间隔距离，N（h）是空间距离为h时的样点数，Z（xi）和Z（xi+h）则是土壤有机质Z（x）在空间位置和（xi+h）处的实测值，方程可以反映土壤有机质空间变异性与各个影响因素的相互关系。

根据半方差函数的方法原理，利用Arc‐GIS10.2平台，选择与土壤有机质空间变异性有关的样品点作为协变量，进行研究区域内土壤有机质的克里格方法内插值并生成高程曲面图。

本文协调格里克原理与参数选取要求，用误差较少的均方根来进行预测，标准均方根预测误差最接近于1为最优差值标准，来检验插值产生的结果的精确程度。利用spss18.0对土壤有机质含量作描述性分析、相关性分析；采用GS+9.0进行半方差函数分析获得变异函数；在Arcgis10.2作普通格里克内插值生成高程曲面图[5]。

2结果与分析

2.1统计特征分析

应用经典统计学方法对研究区域内土壤有机质实测数据进行分析，得到土壤有机质的描述性统计表（1-2）。统计结果表明，2014年土壤有机质平均含量为2.3 g/kg，土壤有机质含量属中等偏上水平。经处理后土壤有机质含量中位数是2.3 g/kg，比平均值低但与平均值相近。土壤有机质含量的偏度为0.6，所以土壤有机质样本含量正偏，有机质含量峰度值3.6，数据分布符合正态分布。2019年，研究区土壤有机质平均含量为2.5 g/kg，土壤有机质含量也是中等水平，中位数是2.5 g/kg，也比平均值低但与平均值相近，土壤有机质含量的偏度为0.12，所以土壤有机质样本含量正偏，有机质含量的峰度值2.5，符合正态分布。

变异系数cov体现了采样空间参数的变异特征，展现研究区内变量的聚集情况。2014年土壤有机质的变异系数是45%，其标准差为1.1 g/kg时，变异程度处于中等级别。此外，经过K-S检验后证实土壤有机质含量变异符合正态分布（p> 0.05），符合地统计学原理条件。2019年土壤有机质变异系数35%，标准差为0.9 g/kg时，变异程度也处于中等级别，经过K-S检验后研究区域内土壤有机质含量变异同样符合正态分布（p> 0.05），符合地统计学原理的条件[6]。

2.2空间变异特点分析

运用GS+9.0作出在各个方向上的半方差函数图，进一步分析研究区域內土壤有机质的空间变异特点。结果表明，各个方向的变异程度都比较明显，变异主要由地质地貌等自相关部分引起，主要原因是研究区域地势北高南低，北部河流沉积物从东北向西南运移。

2.3结构性分析

普通克里格方法对研究区域土壤有机质进行插值制图，绘制土壤有机质含量空间结构与标准误差结构图（图5-6）。图5-6结果表明研究区域内土壤有机质含量空间特征很明显，与研究区域内各个地形变化具有相同性。土壤有机质呈块状分布，2014年中北方、西北方以及西南方土壤有机质含量较低，东北方、东南方含量较高。由东北方向西北方土壤有机质含量变异强烈，土壤有机质含量大幅降低；西南方向东南方土壤有机质含量变异程度相对稳定，总体呈缓慢增加的趋势[7]。而在2019年，研究區域内土壤有机质含量总体分布比较均匀，含量最高位于东北方，含量高于6.4 g/kg，含量最低的地方位于西北方，含量低于0.3 g/kg；西向东土壤有机质含量变异比较明显，含量先缓慢降低，再缓慢增加，然后趋向稳定；这与上述土壤有机质含量在不同方向的变异性存在明显差异相吻合。

3讨论与结论

一般而言，气候、地貌、水文、植被等自然要素对土壤有机质影响作用较大[5]，而自相关环境因素可以在短期内引起土壤有机质的空间分布产生明显地变异[6]。交通运输、居民活动等对土壤有机质分布影响较小，地形地貌、土地利用方式、植被覆盖度、区域方位、温度湿度等自然要素决定土壤有机质形成和累积[7]。本文通过多点混合采样及统计分析等方法对连续种植模式下粤北红壤有机含量与变异特征深入研究，发现研究区域内土壤有机质含量空间变异性受地形因素影响较大，虽然2019年土壤有机质含量均值与中位数较2014年高，但地势较高区域2019年土壤有机质含量与2014年土壤有机质含量相比有明显降低，连续种植模式下地势较低区域土壤有机质低于1.5 g/kg区域面积进一步增加。总体而言2019年乳源县桂头镇土壤有机质含量较2014年有所下降，但空间变异性降低。

2014年桂头镇土壤有机质平均含量2.3 g/kg，中位数2.3 g/kg，有机质含量偏度为0.6，峰度值3.6，含量分布符合正态分布，变异系数45%。2019年桂头镇土壤有机质平均含量2.5 g/kg，中位数2.5 g/kg，有机质含量偏度为0.1，峰度值2.5，含量分布也符合正态分布，变异系数35%。2019年与2014年比较，土壤有机质含量均值与中位数有所提高，但连续种植模式下地势较高区域土壤有机质含量有明显降低，地势较低区域土壤有机质也进一步降低，总体土壤有机质含量有所下降，但空间变异性降低。

参考文献

[1]赵明松，张甘霖，李德成，等.江苏省土壤有机质变异及其主要影响因素[J].生态学报，2013，33（16）：5 063.

[2]赵明松，张甘霖，王德彩，等.徐淮黄泛平原土壤有机质空间变异特征及主控因素分析[J].土壤学报，2013，50（1）：8.

[3]马红菊，付梦洋，代天飞，等.德阳旌阳区土壤有机质的空间变异性及其影响因素分析[J].西南农业学报，2016，29（6）：1 377.

[4]高凤杰，马泉来，韩文文，等.黑土丘陵区小流域土壤有机质空间变异及分布格局[J].环境科学，2016，37（5）：1 921.

[5]肖怡，李珊，李启权，等.泸州烟区土壤有机质和全氮空间变异特征及其影响因素[J]西南农业学报，2016，29（8）：1 926.

[6]景莎，田静，M.LukeMcCormack，等.长白山原始阔叶红松林土壤有机质组分小尺度空间异质性[J].生态学报，2016，36（20）：6 450.

[7]张红丽，权腾.基于遥感数据分析山西省土壤有机质空间分布[J].西部资源，2016（5）：147.基金项目：韶关市科技计划项目（No.2018sn038，No.2018sn046）；韶关学院校级课题（No.SY2016KJ04）；韶关学院大学生创新项目（No.Sycxcy2019082）

[1广东韶关学院英东生物与农业学院2广东韶关市土壤土地工程技术研究中心张宇鹏1，2，肖素芬1，林昌华1，2，陈晓远（通讯作者）1，2，高琳1，2，唐梁博1，2]