高鳳杰，鞠鐵男，吳 嘯，王鈺尭，李昕哲，樊 平，欒 天，周 軍

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黑土耕作層土壤pH空間變異及自相關(guān)分析①

高鳳杰1，鞠鐵男1，吳 嘯1，王鈺尭1，李昕哲1，樊 平1，欒 天1，周 軍2*

(1東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2黑龍江省環(huán)境科學(xué)研究院，哈爾濱 150036)

以東北黑土耕作區(qū)土壤表層(0 ~ 20 cm)土壤pH為研究對象，以經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合“3S”技術(shù)及Moran指數(shù)進(jìn)行空間自相關(guān)分析，剖析黑土區(qū)土壤pH的空間自相關(guān)類型及其分布格局。研究結(jié)果表明：小流域土壤pH均值為6.72，變異系數(shù)為9.91%，其變程為1 000 m，具有較強(qiáng)空間自相關(guān)性，空間變異受地形、成土等結(jié)構(gòu)性要素影響較大，在東–西(E–W)方向的空間變異相對劇烈；土壤pH與高程等地形因子顯著性相關(guān)，地理加權(quán)克里格插值顯示土壤pH高值出現(xiàn)在研究區(qū)中部旱地，低值出現(xiàn)在東部與西部區(qū)域，呈現(xiàn)帶狀分布，與土地利用類型的東西向交替相近。全局自相關(guān)分析表明研究區(qū)土壤pH存在較強(qiáng)的正自相關(guān)特征，且不同方向存在差異；隨著距離的增大，土壤pH呈現(xiàn)負(fù)自相關(guān)特征，分布存在空間孤立。局部空間自相關(guān)類型主要為H–H型(高–高關(guān)聯(lián))和L–L型(低–低關(guān)聯(lián))，空間集聚特征明顯，其中H–H型主要分布于研究區(qū)中部旱地區(qū)域，形成高pH且高度空間自相關(guān)的格局，L–L型分布于東部林地區(qū)域，形成低pH集聚的格局。

黑土耕作層；地統(tǒng)計(jì)；土壤pH；空間自相關(guān)

東北地區(qū)黑土是比較肥沃的土壤之一，是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，其土壤肥力的維持和提升關(guān)系到該區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和國家糧食安全[1]。土壤pH作為土壤基本的理化性質(zhì)，影響著土壤中許多化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)過程[2-3]，從而影響植物和微生物所需養(yǎng)分的有效性，支配著化學(xué)物質(zhì)在土壤中的行為，是土壤養(yǎng)分和重金屬等污染物有效性和遷移性的重要限制性因素[4-5]，在土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)、土壤質(zhì)量及生產(chǎn)力的維持和保育以及土地資源持續(xù)利用方面具有重要作用[6]。因此，土壤pH的空間分異規(guī)律得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，目前多數(shù)研究采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與GIS相結(jié)合的方式，揭示土地利用方式、地形條件、土壤類型等對土壤pH的影響[7-8]，在土壤資源培育、管理及有效利用等方面具有重要指導(dǎo)意義，而結(jié)合其空間自相關(guān)研究比較少見。地統(tǒng)計(jì)學(xué)是通過塊基比或變程來定量表征空間變異特點(diǎn)，但不能描述具有離散特點(diǎn)(即空間負(fù)相關(guān))空間變量的特征，也不能對變程等進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)；而空間自相關(guān)分析法不僅能反映變量的正負(fù)空間自相關(guān)特點(diǎn)[9]，而且可以對空間相關(guān)的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相比，空間自相關(guān)分析法在衡量自相關(guān)時(shí)更為嚴(yán)格[10]，從而對地理變量的空間分布特征進(jìn)行深入剖析。海溝河流域位于松嫩平原東南部底端，是東北黑土區(qū)邊緣地帶典型小流域，主要是由林地、旱地和水田構(gòu)成的復(fù)合型土地利用景觀格局模式，是林地向黑土耕地的過渡地帶，具有較高的環(huán)境敏感性和生態(tài)脆弱性[11-13]。土壤鹽堿化是松嫩平原主要環(huán)境問題之一，因此掌握農(nóng)田的土壤pH的空間分布特征及其影響因素十分重要。

本文以東北黑土區(qū)邊緣地帶的典型小流域?yàn)檠芯堪咐C合應(yīng)用“3S”技術(shù)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，探究黑土區(qū)海溝河小流域耕層土壤pH的空間分布格局及其主要影響因子，運(yùn)用空間自相關(guān)分析方法揭示土壤pH的空間自相關(guān)特征，識(shí)別土壤pH的空間聚集區(qū)和空間孤立區(qū)，旨為區(qū)域內(nèi)土壤的培育及耕地質(zhì)量提升服務(wù)，進(jìn)一步為區(qū)域精確施肥及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

海溝河小流域位于黑龍江省哈爾濱市東郊阿城區(qū)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為126°55′45″ ~ 127°10′05″ E，45°34′18″ ~ 45°40′50″N，海拔高度為54 ~ 366 m，屬典型的黑土丘陵區(qū)，流域總面積120 km2(圖1)。境內(nèi)土壤類型主要為黑土，兼有部分草甸土、白漿土和暗棕壤。氣候類型屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫3.9 ℃，年降水量600 ~ 800 mm。地形條件復(fù)雜，東部為高山丘陵區(qū)，中部為起伏的漫川漫崗區(qū)，西部靠近海溝河下游地勢相對平坦，呈東高西低之勢，土地利用方式從東至西，依次為林地、旱地和水田，具有鮮明的海拔地帶性。距省會(huì)哈爾濱35 km，受城市快速發(fā)展的輻射作用較強(qiáng)，流域內(nèi)部交通發(fā)達(dá)，土地利用變更劇烈，資源承載負(fù)荷較重，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的同時(shí)，境內(nèi)生態(tài)環(huán)境問題不斷惡化，主要表現(xiàn)為土壤肥力下降、水土污染較重、生態(tài)脆弱性凸顯等。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 樣品采集與分析

樣點(diǎn)的布設(shè)與采集：在綜合考慮研究區(qū)地形、土地利用的基礎(chǔ)上，進(jìn)行室內(nèi)網(wǎng)格布點(diǎn)，用于指導(dǎo)野外實(shí)地采樣工作，每個(gè)網(wǎng)格面積約0.81 km2，共布設(shè)了120個(gè)土壤采樣點(diǎn)(圖1)。為避免作物生長、施肥等因素的影響，于2014年11月農(nóng)作物收割后進(jìn)行野外采樣。采樣過程中，通過手持GPS進(jìn)行空間定位，并盡可能與室內(nèi)預(yù)布點(diǎn)位一致，橫向和縱向均間隔900 m。采樣點(diǎn)的布設(shè)直接影響采樣數(shù)據(jù)的代表性和有效性，一般認(rèn)為充分小的采樣間隔和足夠多的樣本可以代表土壤屬性真實(shí)的變異特征[15]。采用五點(diǎn)法采集土壤表層0 ~ 20 cm耕層土壤，用“四分法”取混合均勻的樣品約1 kg，并分別記錄采樣點(diǎn)周邊環(huán)境信息。

測試分析︰將采集的土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行自然風(fēng)干，用木棒壓碎挑出礫石草根等雜物研磨過篩，土壤pH測定采用PHS-25酸度計(jì)(土水比為1︰2.5)，測定指標(biāo)具體分析方法參照鮑士旦編寫的《土壤農(nóng)化分析》[16]。

1.3 數(shù)據(jù)處理及方法

考慮到采樣及指標(biāo)測試誤差，本文采用格拉布斯(Grubbs)法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值識(shí)別和處理，剔除明顯偏離平均值的數(shù)據(jù)，后續(xù)相關(guān)計(jì)算分析也均采用異常值處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行[21]。采用SPSS 19.0進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，GS+9.0進(jìn)行半方差函數(shù)的計(jì)算及理論模型的擬合，Geoda軟件進(jìn)行空間自相關(guān)分析，地理加權(quán)插值在ArcGIS 10.0中進(jìn)行，并用ArcView和Origin 9.0軟件繪圖。

1.4 研究方法

空間自相關(guān)一般用來檢測空間要素的異質(zhì)性和空間集聚特征，根據(jù)研究的側(cè)重點(diǎn)不同，又分為全局性空間自相關(guān)(global spatial autocorrelation，GSA)和局部空間自相關(guān)(local indicators of spatial association，LISA)兩種類型。Moran's I指數(shù)作為一種常用的空間自相關(guān)指數(shù)，主要用于檢驗(yàn)?zāi)骋豢臻g要素在空間上是否存在依賴關(guān)系，并進(jìn)一步量化要素間的相互關(guān)系，在諸多學(xué)科中有較為廣泛的應(yīng)用[10, 17]。

1.4.1 全局空間自相關(guān) 是從整體尺度對地理空間要素在空間上是否存在集聚特征進(jìn)行描述的統(tǒng)計(jì)量，本研究以全局性Moran's I為基礎(chǔ)，對土壤pH空間自相關(guān)特征隨空間距離變化的趨勢進(jìn)行探討，同時(shí)分析不同方向上土壤pH的Moran's I隨空間距離變化的特征。其中，全局性Moran'sI常見的一般過程為：

式中：為空間數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；x和x分別為區(qū)、區(qū)的空間要素的屬性值；`為所有空間數(shù)據(jù)的平均值；w為空間權(quán)重矩陣的元素，空間權(quán)重矩陣一般為對稱矩陣，且w= 0。

對于全局Moran's I，一般使用標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量()來檢驗(yàn)空間要素空間自相關(guān)性的顯著性水平，其一般公式為：

式中：Var()為Moran's I的理論方差；()為Moran's I的理論期望值。在0.05水平下，當(dāng)||>1.96時(shí)，表明該空間要素存在空間自相關(guān)，否則不存在空間自相關(guān)。

1.4.2 局部空間自相關(guān) 是全局空間自相關(guān)的分解形式，其實(shí)質(zhì)是將全局空間自相關(guān)性分解到更小的空間單元，可以進(jìn)一步量化具體空間要素與周圍要素之間的差異程度及其顯著性。局部空間相關(guān)Moran’s I系數(shù)的一般過程為：

式中：各變量的含義與全局自相關(guān)Moran’s I系數(shù)公式(1)相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析

海溝河小流域土壤pH樣點(diǎn)集的描述性統(tǒng)計(jì)特征值見表1。從表1可以看出，土壤pH范圍4.98 ~ 9.02，平均值為6.72，變異系數(shù)為9.91%。結(jié)合一般的CV評估標(biāo)準(zhǔn)(當(dāng)CV < 0.1時(shí)，為弱變異程度；當(dāng)0.1< CV < 1時(shí)，為中等變異程度；CV > 1時(shí)為強(qiáng)變異程度)，研究區(qū)土壤pH變異系數(shù)程度較低，說明海溝河小流域土壤pH的空間變異受隨機(jī)因素的影響相對較小，與高海峰等[3]及魏孝榮和邵明安[13]的研究結(jié)論相似。

表1 土壤pH描述性統(tǒng)計(jì)

2.2 土壤pH與外部指標(biāo)相關(guān)性分析

在SPSS 19.0中，對海溝河小流域的土壤pH與基本地形因子(高程、坡度)、復(fù)合地形因子(平面曲率、剖面曲率)及外部環(huán)境因子(到水系距離、到村子距離、到道路距離)進(jìn)行相關(guān)性分析，進(jìn)而提取與pH顯著相關(guān)的指標(biāo)因子，結(jié)果見表2。由表2可以看出，海溝河小流域土壤pH與高程呈顯著負(fù)相關(guān)(= –0.182)，與水系距離呈極顯著正相關(guān)(= 0.332)，與村子距離呈顯著負(fù)相關(guān)(= –0.231)，是影響研究區(qū)pH空間分布的重要因子。高程對土地利用方式影響較大，土地利用及作物種植類型變化在一定程度上可以造成土壤酸堿度的變化；其次，距水系距離在土壤養(yǎng)分的長久運(yùn)移過程中影響了土壤養(yǎng)分的運(yùn)移方向及累積過程，距離水系近的地方地勢一般較低，是土壤水分及養(yǎng)分的“匯”區(qū)域，極大地促進(jìn)相關(guān)累積過程，進(jìn)而影響土壤pH；人類活動(dòng)對土壤pH也具有一定程度的影響，如施肥施藥、排污、秸稈處理等因素均可能造成土壤pH變化。

表2 研究區(qū)土壤pH與外部指標(biāo)相關(guān)性

注：**表示在<0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*表示在<0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.3 半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)分析

借助GS9.0+ 軟件，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)對研究區(qū)土壤pH進(jìn)行分析，得到土壤pH的半方差函數(shù)模型(圖2)及相關(guān)擬合參數(shù)(表3)。結(jié)果表明土壤pH的半方差理論模型為高斯模型(Gaussian)時(shí)，決定系數(shù)為0.860，擬合程度較高。

表3 土壤pH半方差函數(shù)模型及參數(shù)

在地統(tǒng)計(jì)學(xué)中，一般認(rèn)為塊金值(0)能夠揭示區(qū)域變量在小于抽樣尺度上發(fā)生突然變異的程度；基臺(tái)值(0+)是所有變異的總和，基臺(tái)值近似于采樣方差；塊金效應(yīng)(/0+)也稱基底效應(yīng)，表征了系統(tǒng)內(nèi)隨機(jī)部分引起的變異占系統(tǒng)總變異的比例[18]，能夠有效地反映出土壤養(yǎng)分的空間依賴性，表明系統(tǒng)變量空間相關(guān)性的程度。海溝河小流域土壤pH的塊金值為0.130，表明研究區(qū)內(nèi)存在某種生產(chǎn)生態(tài)過程影響土壤pH空間分布。土壤養(yǎng)分的空間變異性受自然的結(jié)構(gòu)性因素和人為的隨機(jī)性因素的共同作用，結(jié)構(gòu)性因素(土壤類型、地形等)會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分空間相關(guān)性較強(qiáng)，隨機(jī)性因素(耕作制度、施肥等)使土壤養(yǎng)分空間相關(guān)性減弱，朝著均一化方向發(fā)展[19]，研究區(qū)土壤pH塊金效應(yīng)值為0.679，具有中等空間相關(guān)性，表明海溝河小流域土壤pH空間變異主要受成土類型、地形等結(jié)構(gòu)性要素影響，受耕作制度、施肥措施等隨機(jī)性要素影響較小，表明在一定程度上pH空間分布受人類活動(dòng)影響所產(chǎn)生的不確定性較小。變程是半方差達(dá)到基臺(tái)值的樣本間距，也稱空間最大相關(guān)有效距離，通常采樣距離超過該范圍，則沒有空間相關(guān)性。從表3可以看出，研究區(qū)土壤pH的變程為1 000 m，表明土壤pH存在較強(qiáng)的空間自相關(guān)性，該結(jié)果可作為指導(dǎo)該區(qū)域未來土壤pH空間分異規(guī)律時(shí)野外采樣間隔距離的參考值。

圖2 土壤pH半方差函數(shù)模型

研究區(qū)土地利用依次為林地、旱地、水田，各土地利用類型之間跨度較大，地形地貌比較復(fù)雜，為此本文對土壤pH的各向異性進(jìn)行分析，并繪制0°、45°、90° 和135° 4個(gè)方向的半方差函數(shù)圖(圖2)。各項(xiàng)異性分析表明：研究區(qū)土壤pH在間隔距離<3 000 m時(shí)，南-北(N-S)方向變異較大，東-西(E-W)方向變異較??；當(dāng)間隔距離在3 000 ~ 6 000 m之間時(shí)，各方向變化整體上呈現(xiàn)各項(xiàng)同性；但是當(dāng)間隔距離增大時(shí)，東西方向變異增大而南北方向變異較小，且各個(gè)方向變異差異有增大的趨勢。這可能與研究區(qū)地形從東向西依次為高山丘陵、漫川漫崗、平地，而且土地利用依次為林地、旱田、水田，各土地利用類型之間跨度較大有關(guān)，在較小采樣粒度下變異程度小于較大粒度采樣的變異程度。該結(jié)果可以進(jìn)一步指導(dǎo)該區(qū)域內(nèi)未來采樣點(diǎn)在各方向上的合理布設(shè)。

2.4 土壤pH的地理加權(quán)回歸克里格插值

由于研究區(qū)地形復(fù)雜，考慮到空間插值可能存在局部效應(yīng)，本文采用地理加權(quán)回歸克里格法對所有樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，克服了回歸克里格法中回歸系數(shù)可以隨空間位置而變化的不足，并在相關(guān)研究中取得了很好的效果[20]。在SPSS 19.0中對所選外部指標(biāo)與pH進(jìn)行相關(guān)性分析，提取參與回歸分析的指標(biāo)(表2)，該過程優(yōu)先選取易于提取的地形指標(biāo)因子，采用OK法對顯著相關(guān)因子、截距系數(shù)以及殘差分別插值，最后進(jìn)行疊加得到土壤pH的空間分布(圖3)。

圖3 研究區(qū)土壤pH空間分布圖

從圖3可以看出：海溝河小流域土壤pH取值范圍為4.50 ~ 9.00。整體上流域土壤pH的高值區(qū)出現(xiàn)在中部區(qū)域，向東西兩側(cè)依次呈現(xiàn)“高-低”交替的帶狀趨勢，高值與低值區(qū)之間過渡比較平緩，與土地利用方式在東西方向上的交替情形一致。旱地區(qū)域土壤pH整體偏高，在與林地過渡地帶達(dá)到最高值，說明旱地和林地過渡地帶是該區(qū)域土壤相對容易鹽堿化的區(qū)域，這可能與土壤侵蝕有關(guān)。林地和旱地過渡區(qū)域坡度較大，每年6—8月份集中降雨過程中容易發(fā)生侵蝕[21]，侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域土壤相對貧瘠，土壤質(zhì)地相對較差，作物長勢較差，水土保持能力較差，使其抵抗侵蝕能力更弱，惡性循環(huán)，導(dǎo)致土壤pH高。根據(jù)高海峰等[3]研究結(jié)果，土壤pH與含水量呈顯著負(fù)相關(guān)。西部地區(qū)土壤pH為6.5 ~ 7.5，與中部旱地相比，西部地區(qū)地勢平坦且土壤含水量較高，因此西部區(qū)域土壤pH較低。土壤pH最低值出現(xiàn)在東部林地區(qū)域，這可能是因?yàn)榱值馗采w較好，侵蝕量相對較少，這是因?yàn)榱值赝寥辣韺泳奂舜罅康目葜β淙~，枯枝落葉在微生物的作用下發(fā)生分解，此過程向表層土壤釋放各種有機(jī)酸，顯著降低了表層土壤的pH[23-24]；另外，林地土壤腐殖質(zhì)含量高，其中的腐殖酸等也能使土壤pH有較大程度的降低，這與魏孝榮等[13]的研究結(jié)果相同。

2.5 土壤pH全局空間自相關(guān)特征分析

通過GS+9.0軟件計(jì)算研究區(qū)土壤pH各向同性(圖4A)及各項(xiàng)異性(圖4B) 條件下的全局空間自相關(guān)Moran’sI系數(shù)，()值為8.6，通過() 值檢驗(yàn)(= 0.05)，表明研究區(qū)土壤pH存在強(qiáng)烈的全局空間自相關(guān)性。

圖4 土壤pH各向同性(A)和各向異性(B)條件下全局自相關(guān)系數(shù)

在各項(xiàng)同性下(圖4A)，土壤pH存在較強(qiáng)的自相關(guān)性，且隨著間隔距離的增加自相關(guān)性呈現(xiàn)劇烈變化。當(dāng)間隔距離<4 000 m時(shí)，pH表現(xiàn)出正的空間自相關(guān)性，且間隔距離<2 000 m時(shí)表現(xiàn)出很強(qiáng)的正空間自相關(guān)性；當(dāng)間隔距離>4 000 m時(shí)，pH表現(xiàn)負(fù)空間自相關(guān)性，隨著間隔距離的增加(間隔距離>5 800 m)，逐步表現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)的空間自相關(guān)性；在間隔距離>7 500 m后，pH空間自相關(guān)性表現(xiàn)為小幅度回升態(tài)勢。

在各向異性條件下(圖4B)，流域內(nèi)土壤pH也表現(xiàn)出較為復(fù)雜的自相關(guān)性，在0°(N-S)方向上，Moran’s I變化比較復(fù)雜，在間隔距離<1 000 m時(shí)，由弱的負(fù)自相關(guān)逐步演變?yōu)閺?qiáng)烈的正的空間自相關(guān)，然后隨著間隔距離的增加，逐漸表現(xiàn)為較強(qiáng)的正自相關(guān)性，這可能與研究區(qū)南北方向上地形變化小且土地利用類型較為一致有關(guān)；在45°(NE-WS)方向上，Moran’s I的變化趨勢與各向同性條件下的變化趨勢較為一致，均表現(xiàn)為Moran’s I隨間隔距離的增加由正相關(guān)變?yōu)樨?fù)相關(guān)，但在局部上變化更為明顯；在90°(E-W)方向上，Moran’s I變化較為復(fù)雜，隨著間隔距離增加，由強(qiáng)正相關(guān)性迅速向負(fù)相關(guān)性變化，當(dāng)間隔距離>6 000 m時(shí)，空間自相關(guān)性逐漸減弱，這可能與東西方向土地利用方式及植被類型差異較大有關(guān)；在135°(SE-WN)方向上，Moran’s I的變化趨勢整體與各項(xiàng)同性一致。以上自相關(guān)特征的出現(xiàn)與研究區(qū)內(nèi)不同尺度和不同方向上的土地利用及區(qū)域化耕作制度的差異性有著密切關(guān)系，其具體的影響過程有待進(jìn)一步驗(yàn)證?？傊?，海溝河小流域耕地表層土壤pH在不同方向上的Moran’s I變化趨勢相近，但在局部范圍內(nèi)存在較大差異，這對后期指導(dǎo)該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有十分重要的意義。

2.6 土壤pH局部空間自相關(guān)特征分析

通過局部空間自相關(guān)分析，繪制了研究區(qū)土壤pH的局部Moran’s I散點(diǎn)圖(圖5)，揭示研究區(qū)不同土壤樣點(diǎn)pH空間自相關(guān)特征的分布格局。結(jié)果表明：海溝河小流域土壤pH局部自相關(guān)系數(shù)為0.4374，說明土壤pH在空間分布上存在較強(qiáng)的正相關(guān)性。從局部Moran’s I散點(diǎn)圖可以看出樣點(diǎn)主要分布在第一和第三象限，呈現(xiàn)高-高和低-低集中格局，即土壤pH高值樣點(diǎn)比較集中，且形成高值與高值高度自相關(guān)的趨勢，同時(shí)，土壤pH低值樣點(diǎn)也比較集中，且形成低值與低值高度自相關(guān)的趨勢。此外，相當(dāng)一部分樣點(diǎn)處于第二象限，形成低-高型區(qū)域，即pH較低的樣點(diǎn)被pH高的樣點(diǎn)所包圍，空間上形成中間低或者低值零星分布于高值區(qū)的格局。綜觀以上分析可以得出海溝河小流域土壤pH呈現(xiàn)高值集聚與低值集聚并存的格局，同時(shí)，在高低值混合分布情形中，以低值零星出現(xiàn)、高值呈現(xiàn)較大面積分布的情形較多。

基于局部Moran’s I散點(diǎn)圖，進(jìn)一步對局部Moran’s I系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，并在研究區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行空間展布(圖6)。從圖6可以看出，海溝河小流域土壤pH局部Moran's I大部分呈現(xiàn)非顯著性水平(= 0.05)，且達(dá)到顯著性水平的以“高-高”型為主，主要分布在研究區(qū)中部，同時(shí)，“低-低”型也較多呈現(xiàn)顯著性水平，主要分布在研究區(qū)北部山腳下和南部山腳下的小區(qū)域范圍內(nèi)。“高-低”型和“低-高”型的樣點(diǎn)分布較為散亂，這樣的結(jié)果可能與本研究的采樣尺度有關(guān)，即在該采樣尺度兩種類型不具有空間集聚特征，具體情形有待基于不同采樣尺度進(jìn)行深入探討。

圖5 土壤pH局部Moran's I系數(shù)散點(diǎn)圖

圖6 土壤pH局部空間自相關(guān)特征分布圖

3 討論

土壤pH的變化能夠直接影響到土壤生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物過程，是土壤養(yǎng)分和重金屬等污染物有效性和遷移性的重要限制性因素，全面分析土壤pH的空間分布格局，有助于評價(jià)和分析土壤酸堿性和土壤養(yǎng)分有效性[25-26]。土壤酸堿性的形成受自然和人為因素的影響，本研究表明，海溝河小流域土壤pH空間分布與海拔高度、到水體距離和到村莊距離具有顯著相關(guān)性。海拔高的地方人類活動(dòng)干擾小，多森林灌叢等植被覆蓋，溫度和濕度適宜，落葉等腐殖質(zhì)較多致使土壤呈酸性。河流水系一般位于區(qū)域低洼處，直接決定了土壤養(yǎng)分隨土壤水分運(yùn)移及區(qū)域水土流失的方向，經(jīng)過長期的累積效應(yīng)造成了距離河流水系較近的區(qū)域pH較低的狀況。因此，通過引入地形等外部環(huán)境因子構(gòu)造土壤pH空間分布的模擬模型，是一種提高土壤pH空間分布預(yù)測精度的有效方法。當(dāng)前，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向規(guī)模化和精準(zhǔn)化方向發(fā)展，基于區(qū)域地形條件、農(nóng)業(yè)資源要素自身結(jié)構(gòu)特征等，劃定不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，進(jìn)而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源及基礎(chǔ)設(shè)施的分區(qū)管理、合理投入以實(shí)現(xiàn)高效產(chǎn)出的目標(biāo)，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化經(jīng)營管理領(lǐng)域的重要內(nèi)容。本研究結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)和空間自相關(guān)分析方法，能夠更加精確地反映研究區(qū)土壤pH空間分布特征及區(qū)域自相關(guān)情況，識(shí)別土壤pH空間集聚和孤立區(qū)域，參照土壤pH的“高-高”與“低-低”集聚區(qū)，科學(xué)精準(zhǔn)施肥施藥，因地制宜地挖掘區(qū)域最大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力。

采樣時(shí)間點(diǎn)的不同或研究尺度的變化，可造成土壤pH時(shí)空變化差異，因此，雖然小尺度上研究土壤pH不具備普遍性，但對其空間結(jié)構(gòu)關(guān)系特征展開研究在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用。此外，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與空間自相關(guān)相結(jié)合的方法對土壤養(yǎng)分、重金屬等元素進(jìn)行空間上集聚區(qū)域的識(shí)別，可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤肥力的精準(zhǔn)培育以及由于氮磷分布不合理引發(fā)的農(nóng)業(yè)面源污染區(qū)的識(shí)別與控制提供科學(xué)依據(jù)。本研究只進(jìn)行了一個(gè)時(shí)期的野外采樣，未對人類活動(dòng)、季節(jié)、降雨等因素的影響作深入分析，將來可以通過對研究區(qū)不同時(shí)期的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空上的實(shí)驗(yàn)分析，進(jìn)一步驗(yàn)證自然狀態(tài)下土壤pH空間格局的穩(wěn)定性，并對空間格局的影響因素進(jìn)行探討。

4 結(jié)論

1) 海溝河小流域土壤pH范圍為4.98 ~ 9.02，標(biāo)準(zhǔn)差為0.62，不同區(qū)域土壤pH差異較大，空間變異程度低。半方差函數(shù)分析顯示土壤pH變程為1 000 m，空間自相關(guān)性較強(qiáng)，土壤pH的空間變異受人類活動(dòng)(耕作制度、施肥措施、秸稈處理)等隨機(jī)因素影響小，受地形、成土母質(zhì)等結(jié)構(gòu)性要素的影響大，東-西(E-W)方向變異程度占主導(dǎo)作用。

2) 地理加權(quán)克里格插值法能夠有效提高土壤pH空間分布模擬精度，插值結(jié)果表明海溝河小流域內(nèi)土壤pH高值區(qū)集中在中部旱田區(qū)域，低值區(qū)出現(xiàn)在西部水田及東部的林地區(qū)域。高值與低值區(qū)之間過渡比較平緩，向西依次呈現(xiàn)“高-低”交替的帶狀分布趨勢，與土地利用方式在東西方向上的交替情形相近。

3) 全局自相關(guān)分析表明海溝河小流域土壤pH存在較強(qiáng)的正自相關(guān)性，且不同方向存在差異，隨著距離的增大，土壤pH呈現(xiàn)負(fù)自相關(guān)特征，分布存在空間孤立。局部空間自相關(guān)性結(jié)合Moran散點(diǎn)圖分析結(jié)果顯示土壤pH空間分布主要為H-H型(高-高關(guān)聯(lián))和L-L型(低-低關(guān)聯(lián))兩種類型，空間集聚特征明顯，H-L型(高-低關(guān)聯(lián))和L-H型(低-高關(guān)聯(lián))空間分布散亂。

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Spatial Variability and Autocorrelation Analysis of pH in a Mollisol Tillage Area of Northeast China

GAO Fengjie1, JU Tienan1, WU Xiao1, WANG Yuyao1, LI Xinzhe1,FAN Ping1, LUAN Tian1, ZHOU Jun2*

(1 College of Resource and Environment, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 2 Research Academy of Environmental Sciences of Heilongjiang Province, Harbin 150036, China)

This paper mainly discussed the spatial variation and distribution characteristics of soil pH in a mollisol watershed of northeast China by combining methods of classical statistics, with the Moran index model of global spatial autocorrelation and local indicators of spatial association and “3S” technology. The results showed that the mean value of soil pH was 6.72, the variation coefficient was 9.91%, and the variation range was 1 000 m, which had strong spatial autocorrelation, the spatial variability was influenced significantly by structural factors such as terrain and parent material, and it was relatively severe in the East–West direction (E–W). Soil pH was significantly correlated the terrain factors such as the altitude and so on. Geographical weighted kriging showed that high value of pH mainly distributed in dry field in the middle while the low value area distributed in the eastern woodland and the western paddy field, presenting a trend as high in the middle and low in the east and west, which conformed with the distribution pattern of paddy land–dry land–forest from west to east. The results of global autocorrelation analysis showed a strong positive autocorrelation characteristic of soil pH and obvious differences in different directions. With the increase of distance, soil pH showed a negative autocorrelation characteristic, presenting isolation in space. The local spatial autocorrelation mainly displayed an H–H (high–high correlation) and L–L (low–low correlation) types, indicating a coexistence pattern of high and low value agglomeration. The H–H type mainly distributed in the middle flat place, where surface soil moisture and its spatial autocorrelation were both high. The L–L type mainly distributed in the eastern mountain and western paddy field, where surface soil pH content was low.

Mollisol tillage area; Geostatistics; Soil pH; Spatial autocorrelation

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題子課題(2016YFD0201009)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31700407)資助。

(zhoujunhky@126.com)

高鳳杰(1981—)，女，河北遷西人，博士，副教授，主要從事資源環(huán)境遙感研究。E-mail: gaojiecumt@126.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.03.018

S158

A