基于流域尺度的土壤盐分空间变异特征——以渭干河-库车河流域三角洲绿洲为例

土壤中水溶性盐的分析,是发展研究盐渍土盐分动态监测与预报技术的重要基础工作。针对目前干旱半干旱区广泛存在的绿洲土壤次生盐渍化问题,基于GIS和地统计学方法,研究了渭干河—库车河流域三角洲绿洲盐渍化土壤特征(土壤含盐量)的空间变异性。研究结果表明:渭-库绿洲土壤含盐量的空间变异性为中等变异,且随土壤深度增加而减弱。各层土壤的合理采样数为在95%置信水平,20%误差下的合理采样数目。高斯模型能够较好的拟合10-30cm及30-50cm层土壤含盐量的空间结构。各层土壤盐分空间变异性受到结构性与随机性因素共同作用的影响,呈强空间相关性。套合结构模型考虑到0-10cm层土壤盐分空间变异的尺度依赖性,能够更好的拟合0-10cm层土壤含盐量的空间结构。Kriging插值以及空间等值线分布趋势图能够直观的表现研究区内土壤盐分含量的空间分布状况和变化情况。研究为土壤特征变量空间变异分析与评价提供了普适性较强的实现方法,为构建盐渍土定量动态监测模型以及盐渍土的改良利用提供一定的科学依据。     

关中平原田间土壤含水量的空间变异性

为了明确田块尺度土壤含水量的空间变异特征,制定合理准确的土壤采样方法,支持田间精准灌溉,分7个日期对陕西省杨凌区曹新庄试验区土壤样品进行采集,利用经典统计学和地统计学方法,分析了0～60 cm不同土层土壤含水量的空间变异特点。结果表明: 田块尺度土壤含水量空间分布呈弱变异或中等偏弱变异;土壤含水量在11.7%～20.1%时,其值越低,空间变异性越强。采样间距显著影响土壤含水量空间变异性的计算精度,采样间距设置为东西方向间距27 m和南北方向间距9 m时的土壤含水量变异系数比采样间距设置为东西方向间距9 m和南北方向间距18 m大3.3%。随着采样密度的增大,土壤含水量分布的等值线变化增大;表征田块尺度土壤含水量空间变异性最少的网格数量为21个点。采样间距为东西方向间距18 m和南北方向间距9 m时,田块尺度土壤含水量具有较高的空间相关性,田块中间位置的土壤含水量比四周高3%～5%。本研究可为关中平原田间测定土壤含水量确定合理的采样方法,并为实现农业精准灌溉提供参考。     

干湿季节下基于遥感和电磁感应技术的塔里木盆地北缘绿洲土壤盐分的空间变异性

土壤盐渍化问题是制约干旱半干旱区植被生长最主要的生态环境地质问题,也是影响绿洲农业生产的障碍性问题.而将遥感与近感技术相结合,是当前评价、监测及预报土壤盐渍化程度的先进方法.以新疆塔里木盆地北缘的渭干河-库车河三角洲绿洲为例,以遥感数据和解译后的电磁感应数据为基础数据源,利用解译后的数据结合GIS和地统计学知识以及野外实测所得到的土壤电导率和盐分资料,分别采用泛克里格(Universal Kriging)、光谱指数回归(Spectral Index Regression)和回归残差泛克里格(Regression-Universal Kriging)3种方法研究了该地区两个关键季节(干季和湿季)土壤盐分的空间变异特征.研究结果表明:研究区的土壤浸提液电导率EC1∶5和土壤盐分呈现显著相关,可以用EC1∶5来代替土壤的全盐量进行分析;电磁感应仪(EM38)所测各季节土壤表观电导率与EC1∶5的相关系数均达到1％显著水平,以表观电导率垂直读数(EMv)和水平读数(EMH)为自变量的多元回归模型拟合效果较好;研究区各季节的表层土壤电导率的空间分布均表现为强相关性,说明土壤采样点间的内部结构性良好,采用能够充分考虑到干旱区表层土壤电导率空间变异的尺度依赖性的球状套合模型,能够更好的拟合土壤表观电导率的空间结构;经过精度比较,回归残差泛克里格法为最优预测方法,这表明将遥感和电磁感应技术相结合,能够有效的提高预测与评估土壤盐分空间分布的精度,为精确地进行土壤盐分预测以及土壤次生盐渍化的防控提供了一定的依据.     

松嫩平原苏打盐渍化旱田土壤表观电导率空间变异

在松嫩平原西部吉林省大安市乐胜乡,于2013年4月20日选择盐碱程度不均一的典型盐渍化旱田地块,面积为4.8 hm~2作为研究样地。利用EM38大地电导率仪测定结合田间定点采样,并通过经典统计和地统计相结合的方法研究了盐渍化旱田土壤表观电导率空间变异特征,分析了土壤表观电导率与土壤盐碱指标之间的关系。结果表明,盐渍化旱田土壤水平方向表观电导率(EC_h)经对数转换后具有强空间自相关,其变异特征主要是与地形地貌和水文状况等结构性因素有关。垂直方向表观电导率(EC_v)经对数转换后具有中等空间自相关性,其变异特征受结构性因素和随机因素共同作用。EC_h和EC_v半方差模拟的最优模型分别为球状模型和指数模型。Pearson分析表明土壤表观电导率(EC_h和EC_v)与土壤盐碱指标EC_(1∶5)、pH_(1∶5)、SAR、SC、Na~+、CO_3~(2-)、HCO_3~-呈正相关关系(P0.05),EC_h与土壤盐碱指标相关系数均大于EC_v。在实际应用中可以用EC_h来指示土壤的盐碱程度。回归分析表明土壤表观电导率(EC_h和EC_v)与土壤盐碱指标呈线性相关,且EC_h回归模型的决定系数均大于EC_v回归模型的决定系数,可用水平方向土壤表观电导率(EC_h)来计算土壤盐碱指标,进行土壤盐渍化的快速评估。     

桂西北喀斯特地区石灰土养分空间变异特征

从区域尺度出发,将整个桂西北喀斯特地区作为研究区域,以大面积野外调查采样和室内分析数据为基础,采用经典统计学和地统计学方法,探索喀斯特区域内石灰土养分的空间异质性和分布格局。结果表明:桂西北喀斯特地区石灰土pH为弱变异,其他养分变异系数为30%—75%,变异程度中等。石灰土各养分的空间变异特征不同,土壤有机质(SOM)、速效磷(AP)和速效钾(AK)的最佳拟合模型依次为球状模型、高斯模型和线性模型,pH、碱解氮(AN)、全氮(TN)、全磷(TP)和全钾(TK)的最佳拟合模型均为指数模型。SOM、AP、TN和TP表现为中等空间相关性,空间差异是由随机因素和结构性因素共同作用引起的;pH、AN、AK和TK呈弱空间相关性,空间变异主要受随机因素的控制;SOM和TN的空间变异尺度较大,pH、AN和TK的空间变异尺度最小。SOM、TN、TP和AP养分含量呈自西向东逐渐减少的趋势,pH、AN、AK和TK在区域尺度上的分布没有呈现一定的规律性。相关分析结果表明,在区域大尺度下,地形因子(如海拔、坡度和岩石裸露率等)和植被类型是影响桂西北喀斯特石灰土空间变异特征的重要因素。     

土壤速效养分空间变异的尺度效应

在GIS技术支持下,运用经典统计学和地统计学的方法,从经典统计分析、变异函数和Kriging插值图等方面探讨了禹城市耕地土壤速效磷(AP)、速效钾(AK)在县级和镇级两个不同采样尺度下的空间变异特征.结果表明:在两个采样尺度下,AP、AK都服从对数正态分布,它们的变异系数范围为26.5%～36.6%,均属中等变异强度,随着采样尺度的缩小,土壤AP、AK的变异系数都增大.两个采样尺度下,土壤AP和AK均在一定范围内存在空间相关关系,县级采样尺度下土壤AP和AK的空间自相关距离较大,分别为9.0 km和26.5 km,镇级采样尺度下土壤AP和AK的空间自相关距离明显变小,分别为1.7 km和2.8 km.两个采样尺度下的土壤AP和AK受结构性因素和随机性因素的影响,表现出明显不同的分布规律.     

典型毛乌素沙漠-黄土高原过渡带土壤盐渍化空间异质性及其影响因素

毛乌素沙漠-黄土高原过渡带土壤盐渍化的空间异质性和生态学过程,对沙荒地整治的机理研究具有重要的意义.以毛乌素沙漠-黄土过渡带为研究区,结合布点取样和室内分析,运用经典统计学和地统计学方法对其pH、电导率、全盐含量的空间异质性进行分析.结果表明: 1)土壤pH、电导率、全盐含量的平均含量分别为8.44、5.13 mS·cm^-1和21.66 g·kg^-1,变异系数范围为6.9%～73.3%,pH属于弱变异,电导率和全盐含量属于中等程度变异.2)半方差分析结果显示,3个指标的空间变异性的最佳拟合模型均为球形模型,块金值/基台值比值范围为8.6%～14.3%,均具有强烈的空间自相关性,结构性因素对变异起主导作用;变程由小到大表现为pH＜全盐<电导率.克里金插值图显示,pH、电导率、全盐含量整体呈条带状分布,连续性较好.pH值表现出随着地势的升高而升高的特点,而电导率和全盐含量则表现出随着地势的升高而降低的特点.3)在垂直分布上,重度盐渍化区域的盐分有表聚现象,轻度盐渍化区域盐分垂直分布为先减少后增大.毛乌素沙漠-黄土过渡带土壤盐渍化的空间变异性与气候、地质条件、地形地貌、水文地质条件、植被分布等有关,以地形因素和水文地质条件的影响为主.     

干旱区典型绿洲水库库周土壤盐分空间分异及盐岛效应

绿洲水库作为干旱区内陆河流域的典型水系节点,在区域农业发展中占有重要地位。为了认识农区水库对土壤盐分空间分布特征的影响,本文以三工河流域的冰湖水库和柳城子水库为例,运用经典统计分析、地统计分析和GIS相结合的方法,对比分析不同景观背景下,以水库为中心的区域土壤剖面(0~60 cm)盐分的空间变异特征。结果表明:(1)以自然景观为背景的柳城子水库各土层盐分含量(0~20 cm:20.77 g·kg-1,20~40 cm:14.96g·kg-1,40~60 cm:16.9 g·kg-1)高于灌溉景观为主导背景的冰湖水库各土层盐分含量(0~20 cm:7.81 g·kg-1,20~40 cm:5.66 g·kg-1,40~60 cm:5.24 g·kg-1)。在土壤盐分变异性上,冰湖水库各土层盐分的变异系数CV100%,均呈现强变异性,而柳城子水库呈现出中等变异性(10%CV≤100%);(2)两个水库区域各层土壤盐分,均呈现中等强度空间自相关性(0.25C0/(C0+C)0.75),冰湖水库表层土壤盐分空间变异主要受人为活动产生的随机因素影响,但随着土层深度的增加结构性因素的影响逐渐增强,而柳城子水库土壤盐分空间变异主要受结构性因素主导;(3)农业水库区域呈现出"盐岛"效应,冰湖水库各土层非盐化土面积占主导地位,随土层深度增加,非盐化土面积逐渐增大;而柳城子水库各土层盐土面积占主导地位,随土层深度增加,盐土面积也逐渐增大。     

桂西北喀斯特洼地土壤有机碳和速效磷的空间变异

空间变异性的研究有助于认识土壤养分的空间分布特征与生态过程之间的关系。采用网格取样(20m×20m),利用地统计学方法分析了典型喀斯特洼地土壤有机碳(SOC)和速效磷(AP)的空间变异特征。结果表明SOC和AP的半变异函数分别用球状模型和指数模型拟合的效果较好。块金效应对SOC和AP总变异的贡献分别为37.9%和49.8%,说明SOC主要受结构性因素控制,而AP受结构性因素和随机因素双重控制。SOC的分布呈明显的带状各向异性特征,在洼地的长轴方向具有较大的变程和较小的基台值,其全向半变异函数的相关距离为135.5m,与洼地不同种植类型地块的覆盖尺度基本相当。AP的分布特征与SOC存在明显差异,具有较大的漂移趋势,其相关距离为413.4m;但在分离漂移趋势后,其相关距离为167.4m,反映了不同地块间的施肥差异对AP的影响较大。喀斯特洼地SOC的空间分布主要受地形和土地利用结构控制,而AP的分布的规律性不明显,可能与施肥等因素的随机性较强有关。     

基于电磁感应技术的土壤剖面盐分空间分布建模研究

土壤盐渍化问题是干旱半干旱地区农业发展的主要障碍,也是制约荒漠植物生长状况的关键因素之一,严重影响到绿洲生态环境的稳定与安全。研究土壤剖面盐分的分布情况,能及时探究盐渍化对生态的影响。以渭干河-库车河三角洲绿洲为研究靶区,利用电磁感应仪技术与传统采样方法获取该地区典型地块的土壤电导率,剖析其剖面分布特征,在建立磁感式表观电导率和土壤样本实测电导率之间的线性混合模型的基础上,采用自然邻近插值方法解析和评估研究区土壤剖面盐分的空间分布特征。结果表明:研究区土壤电导率具有较强的表聚性与空间变异强度,土壤主体属于中度盐渍化类型;基于各深度层土壤电导率与磁感表观电导率所构建的3种线性混合模型均能达到0.01的显著性水平,其中磁感表观电导率两种模式相结合解译模型预测精度最高;自然邻近法插值结果直观反映研究区土壤剖面盐分的空间分布状况,与水平模式和垂直模式相结合的土壤盐分解译模型相结合则能够更有效的提高土壤盐分空间分布的预测精度。研究结果表明,借助构建的土壤盐分解译模型可对研究区土壤盐渍化空间分布情况进行快速监测与评估,为该区土壤盐渍化的防治提供了一定的技术支撑。     

水文气候影响下黄河三角洲土壤盐分时空动态

近年来,黄河三角洲在水文气候和人类活动影响下的土壤盐渍化问题日益突出。本研究以东营市河口区、垦利区、东营区和利津县为研究区,选取1985—2018年间20期Landsat系列影像,利用数值回归校正法进行影像光谱一致性转换,在此基础上运用偏最小二乘回归法构建土壤盐分定量反演模型;根据最佳盐分预测模型反演的研究区土壤盐分含量数据,分析土壤盐分(SC)时空变化特征,并探讨水文气候因素的影响。结果表明: 选用10个敏感光谱指数构建的土壤盐分反演模型的预测精度较高,其建模决定系数(R²)、均方根误差(RMSE)为0.769、1.125,验证R²、RMSE和相对分析误差(RPD)分别为0.752、1.203、2.08。利用2016年土壤盐分数据进行反演精度检验,实测值与反演值的R²为0.7279。该模型对1985—2018年20期影像进行土壤盐分反演的结果异常值在10%以内。研究期间,区域平均盐分含量总体呈先上升后下降的趋势,最低的年份为1985年(3.14 g·kg^-1),最高的年份为1995年(5.86 g·kg^-1)。空间变化上,研究区重度盐渍土和盐土面积减少,轻、中度盐渍土面积显著增加(66.6%),盐渍土总面积呈扩大趋势。水文气候条件对土壤盐分的影响具有一定滞后性。气温对土壤盐分积累有促进作用,前半年和前1年的平均气温与含盐量均显著相关,R分别为0.507和0.538;土壤含盐量与区域降水量的相关性不显著,受前季黄河径流量的影响最大,R达-0.543。     

Multi-scale variation in spatial heterogeneity for microbial community structure in an eastern Virginia agricultural field

To better understand the distribution of soil microbial communities at multiple spatial scales, a survey was conducted to examine the spatial organization of community structure in a wheat field in eastern Virginia (USA). Nearly 200 soil samples were collected at a variety of separation distances ranging from 2.5 cm to 11 m. Whole-community DNA was extracted from each sample, and community structure was compared using amplified fragment length polymorphism (AFLP) DNA fingerprinting. Relative similarity was calculated between each pair of samples and compared using geostatistical variogram analysis to study autocorrelation as a function of separation distance. Spatial autocorrelation was found at scales ranging from 30 cm to more than 6 m, depending on the sampling extent considered. In some locations, up to four different correlation length scales were detected. The presence of nested scales of variability suggests that the environmental factors regulating the development of the communities in this soil may operate at different scales. Kriging was used to generate maps of the spatial organization of communities across the plot, and the results demonstrated that bacterial distributions can be highly structured, even within a habitat that appears relatively homogeneous at the plot and field scale. Different subsets of the microbial community were distributed differently across the plot, and this is thought to be due to the variable response of individual populations to spatial heterogeneity associated with soil properties.     

基于样带的滨海盐碱地土壤养分和盐分的空间变异

在黄河三角洲北部刁口黄河故道盐碱地设置一条南北土壤样带,采用地统计学方法分析土壤养分指标(有机质、全氮、有效磷、速效钾)和全盐含量的空间分布规律及其影响因素.结果表明:研究区土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾和全盐含量的块金系数分别为0.38、0.40、0.50、0.32和0.34,5个土壤指标均具有中等的空间相关性;样带上土壤有机质和全氮含量的分布趋势基本一致,土壤速效钾与全盐含量的分布具有很强的相关性,土壤有效磷含量呈波动式的空间分布.综合土壤有机质和全盐含量,将样带土壤划分为盐大肥低型、盐大肥高型、盐小肥高型3种类型.研究区各土壤指标的空间分布格局与成土母质、土地利用方式、距海距离、道路阻隔等因素密切相关.     

Determinants of plant community composition of remnant biancane badlands: a hierarchical approach to quantify species‐environment relationships

Question: Which environmental variables best explain patterns in the vegetation of biancane badlands? What is the role of spatial scales in structuring the vegetation of biancane badlands within the agricultural matrix? Location: Five biancane badlands in Central Italy (Tuscany). Methods: An object‐oriented approach on high‐resolution multispectral images was used to classify physiognomic vegetation types in five biancane badlands. Within each badland, data on vascular plant species abundance were collected using a stratified random design. Variation partitioning based on partial redundancy analysis was used to evaluate the contribution of three sets of environmental predictors, recorded at the spatial scales of plot, patch and biancane badland in explaining patterns in plant community composition. Results: Environmental variables included in the final model – electrical conductivity and carbon/nitrogen ratio (plot scale), shape index (patch scale) and area (biancane badland scale) – accounted for 15.5% of the total variation in plant community composition. Soil characteristics measured at the plot level explained the majority of variation. In the smallest badlands, Bromus erectus perennial grasslands were absent, while annual grasslands, linked with harsh soil conditions (i.e. high soil salinity), were not affected by either the surface area of biancane badlands or by the soil nitrogen availability. Conclusions: The identification of the major predictors of patterns in remnant vegetation requires conducting investigations at multiple spatial scale. Management strategies should operate at different spatial scale, preventing any further reduction in the size of existing badlands and relying on habitat‐ instead of area‐focused conservation practices.     

流域尺度绿洲土壤盐分的空间异质性

针对目前绿洲内部土壤盐渍化问题,以三工河流域绿洲为研究区,运用遥感、GIS和地统计学相结合的方法研究了0—20cm土层盐分含量的空间异质特征,结果表明：流域尺度上土壤含盐量的理论变异函数拟合符合指数模型,F检验达到极显著水平,在1．5—15kin的中尺度上具有强的空间变异性和自相关性,Kriging插值及其与同期的景观类型图叠加运算表明,整个绿洲区南部老绿洲土壤盐化面积及作用小于北部新绿洲,耕地景观类型的盐化作用及其面积强于其他景观类型,新绿洲盐化面积高于老绿洲,新绿洲耕地中有38．81％土地面积受盐害作用,而老绿洲仅为8．54％。     

黄土高原小流域土壤养分的空间异质性

利用地理信息系统的空间分析功能,通过地统计学的半变异函数定量研究了黄土高原典型小流域土壤养分的空间异质性特征。结果表明;土壤有机质,全氮,有效氮,全磷和有效磷的理论模型均为球状模型,由随机因素引起的空间变异占空间总变异的比例小,其值分别为13.333%,10.938%,22.000%,9.091%和27.536%,反映5种养分具有较强的空间自相关格局,但它们的空间自相关范围具有明显的差异。土壤全氮和有效氮变程小,分别是90m和110m,有机质次之,变程是120m,而土壤全磷和有效磷的变程最大为160m,研究成果将有效地指导土壤的取样设计,以及进行土壤养分的空间内插和制图。     

绿洲-荒漠过渡带景观的植被与土壤特征要素的空间异质性分析

采用变异函数的理论和方法,通过空间异质性特征比较,研究了阜康绿洲-荒漠过渡带景观中的植被盖度和土壤环境因子的空间异质性、空间格局及其关系．在此基础上,应用Kriging局部块段插值法,以三维图形显示出各个要素的空间分布格局．结果表明,除土壤全盐量空间相关性较弱外,其他各要素具有中等程度以上的空间相关性,且空间变异主要发生在较小尺度上．其中,植被盖度的空间异质性程度较高,在3km的尺度内具有明显的空间格局．从空间分布格局看,植被盖度、土壤表层含水量和土壤pH值沿样带相邻点差异对比明显,高值区和低值区交错．草本盖度与土壤表层含水量、土壤pH间有相关关系,灌木平均盖度主要依靠深层次地下水维系．灌木和草本盖度的块金值具有明显差异,可能因为二者要求不同的生态条件,因而在同等尺度上具有不同的生态学过程．