摘 要 近年來，隨著農業(yè)技術的不斷進步，越來越多的專家和學者開始認識到研究土壤養(yǎng)分空間變異對于提高單位面積農作物產量以及保護農耕生態(tài)環(huán)境的重要性。特別是隨著20世紀90年代生態(tài)農業(yè)和精準農業(yè)的蓬勃興起，土壤養(yǎng)分空間變異的研究更是成為了農業(yè)領域的重點研究課題之一?；诖耍晕覈轿魇∵\城地區(qū)為例，引進“土壤空間變異性”和“地統(tǒng)計學”這兩個概念，具體探究基于地統(tǒng)計學的本地區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異研究。

關鍵詞 土壤養(yǎng)分；空間變異；運城市

中圖分類號：S158.3 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2017.09.068

1 土壤養(yǎng)分空間變異概述

土壤隨著空間位置的變化產生相應的特性變化稱為土壤空間變異，土壤空間變異根據(jù)其變異元素的種類又可以分為多種，其中重要的一種就是土壤養(yǎng)分的空間變異。

土壤養(yǎng)分的質量分數(shù)直接決定植物的生長程度，因此，土壤養(yǎng)分不僅關系到單位面積耕地農作物的產出量，還關系到我國的糧食安全問題和生態(tài)環(huán)境保護。只有全面深入地認識和分析土壤養(yǎng)分的空間變異，才能夠更好地選擇與土壤養(yǎng)分相適應的農作物，合理制定和適時調整施肥技術和方案，進一步提高土壤養(yǎng)分的利用率，從而實現(xiàn)對土壤的更加科學有效的利用，促進我國精準農業(yè)的順利開展。

土壤養(yǎng)分空間變異研究這一課題的重要性已得到了相關領域和社會各界的認可，但由于缺乏經(jīng)驗、技術和設備等原因，土壤養(yǎng)分空間變異研究一直都是困擾我國專家學者的一大難點課題，例如，如何才能夠在測定土壤性質時，確定最為合理的取樣重量和尺度等。筆者將引進“地統(tǒng)計學”這一概念，探究其應用于土壤養(yǎng)分空間變異研究的可行性和重要性。

2 地統(tǒng)計學概述

地統(tǒng)計學又稱地質統(tǒng)計學，該理論系統(tǒng)于20世紀60年代正式建立?？肆⒏裼?951年首先提出了礦產品位和儲量估值方法，法國學者Matheron在其理論基礎之上提出區(qū)域變量理論，由此，才逐漸形成了完整的將傳統(tǒng)地學方法與統(tǒng)計學相結合的新型學科——地質統(tǒng)計學。地統(tǒng)計學以區(qū)域化變量理論為基礎、以半方差函數(shù)為工具、以克里格插值法為輔助，因此，它能夠最大程度搜集和整合不同采樣點提供的信息，更好地描述研究對象在空間變異上的相關性[1-2]。

地統(tǒng)計學最初主要被廣泛使用于地質礦產領域，直到20世紀70年代，才被引入土壤研究領域，隨著其在實踐中不斷取得良好效果，地統(tǒng)計學已被認定為研究土壤空間變異規(guī)律和特征的最佳方式之一。

3 基于地統(tǒng)計學的土壤養(yǎng)分空間變異

3.1 運城地區(qū)的土壤概況

運城地區(qū)位于我國山西省運城市，地形多樣、高差懸殊，因而既有緯度地帶性氣候，又有明顯的垂直變化，平均氣溫為4～14 ℃，年降水量偏少，非常適合各種農作物的種植和培育。運城地區(qū)的種植結構較為多元化，其中占比重最大的是糧食作物，其次是經(jīng)濟作物。該地區(qū)礦產資源、森林資源、草場資源、生物資源和藥材資源等都較為豐富。受到河流沖擊力的影響，該地區(qū)的地勢較為地平，土壤種類可以分為7個土類，15個亞類，48個土屬，101個土種，其中占據(jù)比重最大的是黃壤。

3.2 運城地區(qū)的土壤樣品采集和測定

嚴格依據(jù)農業(yè)部門統(tǒng)一制定的測土配方施肥技術規(guī)范和要求，首先，本課題的采樣地塊以小麥田、玉米田等糧田為主，以果園和菜地為輔；其次，每個土樣的平均采集單元為6.7 hm2，并且每個土樣必須在至少15個樣點采集，這樣才能夠使樣土更具代表性；最后，不同地方土壤樣土的采集深度也有所不同，采集深度為0～20 cm一般是大田樣土，果園樣土必須在0～20 cm和20～40 cm兩個深度分別采集。在本課題的研究中，筆者在XX地區(qū)范圍內一共采集了混合土樣8652個，土壤養(yǎng)分的空間變異測定項目包括有機質、速效鉀、速效磷、全氮等。

3.3 山西運城地區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異的研究方法和具體實施

3.3.1 區(qū)域化變量在土壤養(yǎng)分空間變異研究中的具體應用

簡單來說，區(qū)域化變量就是指一個以空間X的3個直角坐標X1，X2，X3為自變量的隨機場，該隨機場中的任意區(qū)域化變量都可以表示為：Z（X）=Z（X1，X2，X3）。

相較于普通變量，區(qū)域化變量最大的特點在于其特殊的取值方法。一般來說，普通變量主要按某種概率分布的變化來取值，而區(qū)域化變量則根據(jù)其在域內不同的位置取值，即區(qū)域化變量就是一種與位置有關的隨機變量函數(shù)，其最為重要和顯著的兩大特性是隨機性和結構性[3]。

3.3.2 半方差函數(shù)及其理論模型在土壤養(yǎng)分空間變異研究中的具體應用

半方差函數(shù)是地統(tǒng)計學最為重要的研究工具，也是地統(tǒng)計分析所特有的函數(shù)工具。區(qū)域化變量的半方差函數(shù)是指Z（x）在點x和x+h處的值Z（x）與Z（x+h）差的方差的1/2，記為r（h），2r（h）稱為變異函數(shù)。

半方差函數(shù)圖像呈現(xiàn)出來的是一種用來描述區(qū)域化變量的模型，半方差函數(shù)曲線則主要反映一個采樣點與其相鄰采樣點之間的空間關系，同時它具有檢測異常采樣點的效果。

半方差函數(shù)包含四大重要參數(shù)，分別是基臺值（Sill）、偏基臺值（Partial Sill）、塊金值（Nugget）和變程（Range），如圖1所示。其中，基臺值是指半方差的最大值，變程則是達到基臺值時的位差，塊金值是指位差為O時的半方差值，而基臺值與塊金值的差值就是偏基臺值。這些參數(shù)均可以根據(jù)半方差函數(shù)曲線圖得以確定，并且可以用來表示在一定尺度上，區(qū)域化變量的空間變異程度及其相關性。

當半方差函數(shù)應用于土壤養(yǎng)分空間變異研究時，在理論上，由于土壤養(yǎng)分的空間變異具有連續(xù)性，因此，其空間變異現(xiàn)象呈現(xiàn)出來的半方差函數(shù)圖也應是由連續(xù)不間斷的點組成。但由于實踐中的研究采樣并非連續(xù)的，所以，其真實的半方差函數(shù)圖由一批間斷的點組成，但這些點所對應的值能夠擬合于某些簡單曲線方程，并且擬合得到的簡單方程能夠用于估量區(qū)域內尚未被觀測的點的數(shù)值，這樣的曲線方程被稱為半方差函數(shù)的理論模型。

在土壤養(yǎng)分空間變異研究中，常用到的半方差函數(shù)模型有圓形模型、球狀模型、雙曲線模型、線性模型、高斯模型和指數(shù)模型等，其中指數(shù)模型和球狀模型是使用頻率最高的兩種[4]。

3.3.3 多尺度模型套合

筆者通過實踐研究發(fā)現(xiàn)，土壤養(yǎng)分的空間變異是一個極其復雜且多變的現(xiàn)象，因此，無法通過一個簡單理論模型對其進行詳細描述的復雜多變型區(qū)域化變量，通?？梢圆扇∈褂脙蓚€或者以上理論模型相互疊加形成套和結構的形式對其進行分析，然后用多個擬合函數(shù)之和來表示其結果。

3.3.4 克里格法

克里格法主要是指利用半方差函數(shù)與原始數(shù)據(jù)的結構性，對未來采樣點的區(qū)域化變量進行無偏估值。克里格法按照其適用范圍又可以氛圍基本克里格法和泛克里格法，當研究對象的區(qū)域化變量符合平穩(wěn)性假設和內蘊假設，即能夠假設數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)且無明顯趨勢和各項同性時，多采用基本克里格法；當研究對象的區(qū)域化變量數(shù)據(jù)非平穩(wěn)、有明顯趨勢和各向異性時，多采用方法較為復雜的泛克里格法。

克里格法相較于其他方法，具有以下優(yōu)勢：一是不會產生回歸分析的邊界效應；二是可以使內插中誤差易于分析；三是可以估計測定參數(shù)的空間變異分布；四是可以估算參數(shù)的方差分布[5]。因此，克里格法被廣泛應用于土壤的空間變異分析。

3.3.5 新型輔助技術——“3S”技術

通過前人的研究和筆者的實踐發(fā)現(xiàn)，由于地統(tǒng)計學具有較多的限制條件，導致無法對一些較為復雜的土壤空間變異性質進行很好的研究和描述，因此，必須與時俱進的引進一些更高科技的輔助技術——“3S”技術。

“3S”技術是三種高新技術的簡稱，包括全球定位技術（GPS）、地理信息技術（GIS）和遙感技術（RS）。全球定位技術是指利用定位衛(wèi)星，在全球范圍內進行實時、快速定位和導航的技術。該技術應用于土壤養(yǎng)分空間變異研究，可以更及時、更精準地鎖定研究對象的空間位置；地理信息技術是指以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎，利用計算機的相關程序管理和分析具有空間內涵的地理數(shù)據(jù)。該技術應用于土壤養(yǎng)分空間變異研究可以將大量土壤樣點的屬性數(shù)據(jù)與地理數(shù)據(jù)有機結合，更好地分析和研究土壤養(yǎng)分的空間變異情況；遙感技術是指利用人造衛(wèi)星等相關飛行器收集得到的電磁輻射信息，對研究目標的屬性進行判別和管理。該技術應用于土壤養(yǎng)分空間變異研究有助于對較遠距離的土壤進行屬性分析。

3.4 運城地區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異的研究結果

筆者通過對運城地區(qū)大量樣土的采集、分析和整合發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)土壤養(yǎng)分的空間變異性主要受兩大因素的影響——自然因素和人為因素。其中，自然因素包括地形、成土母質、土壤類型等，這些因素會對土壤養(yǎng)分的空間相關性起到增強的作用；人為因素則主要包括種植制度、耕作及施肥等，這些因素會對土壤養(yǎng)分的空間相關性起到減弱作用[6]。另外，土壤養(yǎng)分空間變異的程度主要取決于該養(yǎng)分的來源、施用率及其在土壤中的流動性。

3.4.1 與母質穩(wěn)定程度相關的土壤養(yǎng)分空間變異

通過調查研究發(fā)現(xiàn)，運城地區(qū)土壤中的磷主要來源于巖石風化，在運城地區(qū)一些地勢較為平緩、成土母質較為穩(wěn)定的地區(qū)，相較于該地地勢較為崎嶇、風化作用較強的地區(qū)，其結構性因素起到的作用相對于隨機性作用要弱得

多，因此，其土壤中有效磷的空間變異性也較大。

3.4.2 與施肥有關的土壤養(yǎng)分空間變異

當土壤中某一養(yǎng)分的主要來源渠道是施肥時，則該養(yǎng)分的空間變異程度較大。例如：運城地區(qū)由于很少施用磷肥，所以其土壤中有效磷的空間變異程度較低，而翻閱相關文獻資料可以發(fā)現(xiàn)，在我國施用磷肥較多的南方地區(qū)，其土壤中的有效磷便具有較大程度的空間變異性。

3.4.3 與植物吸收量和流動性相關的土壤養(yǎng)分空間變異

一般來說，植物吸收量越大，且在土壤中流動性越強的養(yǎng)分，其空間變異程度越小。筆者取樣觀測發(fā)現(xiàn)，運城地區(qū)農業(yè)耕作用土壤的氮和鉀主要來源于施肥，但這兩種養(yǎng)分的空間變異程度較小。通過實驗研究，其原因是這兩種養(yǎng)分在土壤中的流動性較大，且植物對其吸收量較高，這就導致這兩種理論上空間變異程度較大的養(yǎng)分實際上空間變異程度為中等或較低。

4 結語

土壤養(yǎng)分的空間變異研究不僅能夠為田間信息差異性的測量和描述、開展養(yǎng)分管理的分區(qū)研究奠定基礎，而且有利于深刻認識農業(yè)生產的復雜性和時空變異性，促進循環(huán)高效的農田生產系統(tǒng)的構建，從而推動農業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，因此，應予以高度重視。

參考文獻

[1]董林水，宋愛云，周金星.青藏鐵路沿線土壤有機碳和速效養(yǎng)分空間分異特征[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境2016（11）：161-166.

[2]周開燕，李志偉.基于GIS的陸良煙區(qū)土壤主要養(yǎng)分空間變異特征[J].湖北農業(yè)科學2016（17）：4406-4410.

[3]范夫靜，宋同清，黃國勤，等.西南峽谷型喀斯特坡地土壤養(yǎng)分的空間變異特征應用[J].生態(tài)學報，2013，25（1）：92-98.

[4]劉國順，常棟，葉協(xié)鋒，等.基于GIS的緩坡煙田土壤養(yǎng)分空間變異研究[J].生態(tài)學報，2013，33（8）：2586-2595.

[5]張偉，劉淑娟，葉瑩瑩，等.典型喀斯特林地土壤養(yǎng)分空間變異的影響因素[J].農業(yè)工程學報，2013，29（1）：93-101.

[6]呂真真，劉廣明，楊勁松，等.環(huán)渤海沿海區(qū)域土壤養(yǎng)分空間變異及分布格局[J].土壤學報，2014（5）：944-951

（責任編輯：趙中正）

收稿日期：2017-02-28

作者簡介：呂小娜（1986—），女，山西永濟人，碩士，助教，研究方向為土壤生態(tài)。