利用辅助变量对污染土壤锌分布的克里格估值

采用协同克里格及与回归相结合的克里格方法,以36个下层(10～20 cm)土壤锌数据为目标变量、另36个下层土壤锌数据为校验数据、72个上层(0～10 cm)土壤锌为辅助变量,对沈阳市南郊某有色金属加工厂附近农田0.1 mol·L^-1 HCl浸提态土壤锌进行插值分析,并对这两种利用辅助变量的克里格方法在土壤锌空间分布研究中的适用性进行评价.结果表明,与回归相结合的克里格的估值效果明显优于协同克里格及普通克里格法.结合回归模型的变异函数理论模型决定系数较大、残差较小,估值精度比普通克里格法提高4%,且基于回归克里格的土壤锌分布图与利用72个样点普通克里格插值图具有高度的相似性.而协同克里格与普通克里格相比未表现出明显优势.借助辅助变量,采用基于回归模型的克里格方法是进行土壤重金属空间分布估值的一种有效方法.     

基于GWR模型的于田绿洲土壤表层盐分空间分异及其影响因子

以于田绿洲为研究靶区,利用24个采样点的土壤表层盐分数据,选取9个与土壤表层盐分密切相关的影响因子,结合空间自相关、传统回归分析和地理加权回归模型,分析表土盐分的空间分布特征及其影响因子的空间分异.结果表明:于田绿洲表土盐分在空间上并非随机分布,而是存在较强的空间依赖关系,空间自相关指数为0.479.地下水矿化度、地下水埋深、高程和温度是影响干旱区平原绿洲表土积盐的主要因子,这些因子具有空间异质性,选取的9个环境变量中除土壤pH值外,其他变量对表土盐分的影响强度均存在显著的空间分异.GWR模型对存在空间非平稳性数据的解释能力和估计精度都优于OLS模型,而且在模型估计参数的可视化上具有明显优势.     

苏干湖湿地土壤全盐含量空间异质性及影响因素

土壤盐分的空间异质性是影响湿地植被格局形成和演变的主要因素之一,对于认识内陆盐沼湿地盐分的空间分布及其对环境的响应机制具有重要意义。利用经典统计学、地统计学和Kriging插值等方法研究了苏干湖盐沼湿地浅层剖面0-50 cm土层全盐含量的空间异质性与地下水位埋深、植被覆盖度间的相互作用关系。结果表明：（1）苏干湖湿地0-10 cm、10-30 cm和30-50 cm土层的全盐含量均值分别为204.41、18.62、15.89 g/kg;（2）土壤全盐含量随着土层深度的增加变异性由强变弱,随机空间变异和总异质性程度由高变低,受结构性因素的影响具有强烈的空间相关性,且变程值介于5.2-8.49 km,0-10 cm、10-30 cm全盐含量具有各向异性特征,而30-50 cm的各向异性比接近于1,表现为各向同性;（3）各层土壤全盐含量具有较强的空间异质性,高、低值中心呈斑状镶嵌分布,土壤全盐含量与地下水埋深间呈正相关,与植被覆盖度间呈极显著负相关（P<0.01）。苏干湖内陆盐沼湿地土壤全盐含量空间异质性主要受植被覆盖度的影响,而地下水埋深的变化增加了其空间变异的复杂性,体现了内陆盐沼湿地土壤理化空间系统的复杂性和非均质性。     

嘉峪关草湖湿地土壤水分含量与植被盖度的空间格局

土壤水分含量是植被格局形成和演变的主要因素。探讨干旱区盐沼湿地土壤水分含量的空间异质性,有助于揭示湿地植物的环境适应机理和土壤水分与湿地植物的相互关系。本研究利用地统计学方法建立了嘉峪关草湖湿地3个不同长势(植被盖度高、中、低)假苇拂子茅(Calamagrostis pseudophragmites)单优种群斑块土壤(0～90 cm)水分含量与植被盖度的变异函数理论模型,以Kriging插值法绘制了土壤水分含量与植被盖度的空间格局分布图,采用Moran I系数确定了湿地土壤水分含量和植被盖度的空间自相关关系,分析了湿地土壤水分含量与植被盖度的空间异质性及其相互作用关系。结果表明:草湖湿地样地土壤的平均含水量为湖边干湖沙丘间平地;盐分平均含量为干湖湖边沙丘间平地;在斑块尺度上,土壤水分含量和植被盖度均符合正态分布;各层土壤水分含量和假苇拂子茅盖度的空间结构均具有明显的斑块状分布特点,且均存在高度的空间异质性; 3个样地各层土壤的水分含量和植被盖度均具有空间正相关性和空间集聚特征,60～90 cm土壤水分含量的空间集聚强度较0～30和30～60 cm土层更大,湖边样地植被盖度空间集聚特征更明显。假苇拂子茅最大限度利用土壤水分资源,提高了其对干旱生境的适应力,且在一定程度上影响小尺度土壤水分的空间分布格局。     

河口湿地不同土层有机质的水平异质性与自相关性

以闽江河口湿地土壤有机质为研究对象,采用变异函数、多重分形分析和空间自相关法,从空间异质性和空间自相关性角度研究不同土层有机质的空间分布规律。结果表明:3个土层有机质含量均为中等变异程度,块金效应均小于25%,结构性因素对空间异质性起着主导作用。随着土层深度的增加,各土层有机质空间分形结构表现出差异性,0～20cm空间分布最不均匀,分形程度较高,空间变异性较大; 3个土层有机质的Moran I均大于1.96,呈现出显著的空间正相关,其中20～40 cm的土层有机质空间正相关最显著,空间聚集程度较高。联合变异函数、多重分形分析和空间自相关法能够较好地反映河口湿地不同土层有机质在水平上空间分布特征,为同类区域的土壤有机质空间分布研究提供方法支撑。     

基于地理加权回归拓展模型的天然次生林碳储量空间分布

为精准获取区域尺度天然次生林的碳储量及其空间分布格局,以吉林省汪清林业局浪溪林场的天然次生林为研究对象,基于165块局级固定样地,以林分因子、地形因子和土壤因子为影响因子,将普通地理加权回归模型(GWR)作为基础,从空间维度、参数异质性特征和残差空间自相关性3个方面进行改进,构建7类拓展模型,即地理海拔加权回归模型(GAWR)、半参数地理加权回归模型(SGWR)、半参数地理海拔加权回归模型(SGAWR)、地理加权回归克里格模型(GWRK)、地理海拔加权回归克里格模型(GAWRK)、半参数地理加权回归克里格模型(SGWRK)和半参数地理海拔加权回归克里格模型(SGAWRK)。运用7类拓展模型对研究区的森林碳储量及其分布情况进行模拟估测,采用决定系数(R²)、均方误差(MSE)和赤池信息准则(AIC)对各种模型的拟合效果进行评价;最后,运用最优回归模型的拟合结果绘制森林碳储量空间分布图,分析研究区森林碳储量的分布规律。结果表明: 林分因子和地形因子对天然次生林碳储量产生了较大的影响,其中林分平均胸径是影响最大的变量,两者呈显著正相关;SGWR和SGAWR模型能够进一步降低GWR模型残差的空间自相关性;地理加权回归拓展模型能进一步提升GWR模型的拟合效果。其中,SGWRK模型具有最高的R²和最低的MSE和AIC。将海拔作为空间权重未能有效提高模型的拟合效果;浪溪林场森林总碳储量为205×10⁴ t,碳密度为8.56～145.74 t·hm^-2,平均值57.98 t·hm^-2,整体上呈现西北高、东南低,边缘高、内部低的分布格局。通过改进地理加权回归基础模型对参数异质性特征和残差空间自相关性的处理,可以更好地揭示研究区森林碳储量与相关变量间的空间关系,提升模型对区域尺度森林碳储量及其空间分布的估测精度。     

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.     

黄河三角洲夏季典型田块土壤盐分的多尺度空间变异

土壤盐渍化严重阻碍黄河三角洲农业经济发展,掌握田间多尺度下土壤盐分的空间变异性特征对于盐渍土改良利用和农业生产有重要意义。选取黄河三角洲垦利区代表性夏季玉米田块,划分为大田、地块、垄间3个尺度,通过实地调查采样获取152 组电导率数据,运用经典统计学、地统计学和克里格插值方法,分析多尺度下田块土壤盐分的空间变异性特征及其尺度效应。结果表明: 试验区土壤为中度盐渍化,土壤盐分在3种尺度下均呈中等强度变异,从大田、地块到垄间,随着采样尺度的减小,土壤盐分的变异性趋强、标准差增大;垄间和地块尺度表现为强空间相关性,最优拟合模型为高斯模型,主要受结构性因素影响,大田尺度为中等空间相关性,最优拟合模型为指数模型,受随机性因素和结构性因素共同影响;不同尺度土壤盐分的空间分布特征有明显差异,小尺度的空间特征在大尺度下被掩盖,存在明显的尺度效应;垄间微域尺度下土壤盐分分布变异明显,土壤含盐量随微地貌由高到低、植被覆盖由疏至密而逐渐降低。     

综合土地利用及空间异质性的土壤有机碳空间插值模型

土壤有机碳库是陆地碳库的重要组成部分,土壤有机碳库及其动态变化对陆地生态系统碳循环有着重要的影响.土壤有机碳密度(SOCD)是土壤碳储量的重要参数,也是评价农田土壤质量的重要指标,准确预测区域SOCD空间分布对发展精确农业有重要意义.本文使用江汉平原地区242个农田土壤样本数据,探究平原地区土地利用类型对SOCD空间分布的影响,以及当SOCD空间分布规律呈现空间异质性且存在空间异常值的情况下,虚拟变量回归克里格法(DV_RK)、均值中心化克里格法(MC_OK1)和中位数中心化克里格法(MC_OK2)这3种结合土地利用的克里格法在SOCD空间预测中的应用.结果表明: 土地利用方式的差异是研究区水田和水浇地SOCD存在空间异质性的原因之一,导致SOCD存在空间非平稳特征,降低了普通克里格法(OK)的预测精度;而DV_RK、MC_OK1和MC_OK2在消除了由土地利用引起的SOCD空间异质性对建模的影响后,模型的稳定性提升,其预测精度均高于OK,其中,MC_OK2的模型可靠程度、预测精度和对SOCD总方差的解释能力最优.因此,土地利用类型作为易获取的辅助变量,可以有效减弱空间异质性和空间异常值对SOCD空间插值的影响,提升模型精度,降低不确定性,并与MC_OK2结合生成更高精度的SOCD空间分布图,帮助揭示SOCD空间分异规律,指导农业生产.     

基于协同克里格的橡胶园土壤速效钾空间变异性

选取有效变量的协同克里格方法能够提高县域尺度橡胶园土壤速效钾的空间预测精度,对橡胶树精准施肥管理具有重要意义。本研究以海南省白沙县橡胶园0～20 cm耕层土壤为对象,采用地统计学分析土壤速效钾的空间变异特征,运用相关分析筛选显著的特征变量,并比较不同变量的协同克里格(COK)空间插值精度。结果表明: 研究区土壤速效钾平均含量为44.65 g·kg^-1,总体处于缺乏状态;变异系数为52.6%,属中等变异强度;块金效应为12.5%,存在较强的空间自相关。有机质、高程与土壤速效钾含量关系密切,均呈极显著相关;有机质(COK₁)、高程(COK₂)、有机质+高程(COK₃)3种协变量的COK空间插值预测精度均高于普通克里格法(OK),交叉验证模型拟合精度为COK₁>COK₃> COK₂>OK;拟合精度与协变量选取的数量不呈正比,选取相关性更高的协变量更有利于反映区域土壤属性的空间异质性。研究区土壤速效钾含量具有西北部较高、中偏东部地区较低的分布特点。研究结果为今后开展橡胶园土壤钾素管理提供了理论依据。     

Spatial variability of soil salinity in Bohai Sea coastal wetlands,China: Partition into four management zones

Soil salinization constitutes an environmental hazard worldwide. The Bohai Sea coastal wetland area is experiencing dramatic soil salinization, which is affecting its economic development. This study focused on the spatial variation and distribution characteristics of soil salinity in this area using geostatistical analysis combined with the kriging interpolation method, based on a large-scale field investigation and layered soil sampling (0–30, 30–60 and 60–100 cm). The results revealed that soil salinity in these layers demonstrated strong variability, obvious spatial structure characteristics and strong spatial autocorrelation. Soil salinity displayed a significant zonal distribution, gradually decreasing with increasing distance from the coastline. Apart from the northern part of the study area, which appeared to be not affected by soil salinization, there were varying degrees of soil salinization in nearly 70% of the total area. With increasing soil depth, the areas of non-salinized and mild salinized soil gradually decreased, while those of moderate salinized and strong salinized soils increased. The area of saline soil first decreased and then increased. The study area could be divided into four management zones according to soil salinities in the top 1-m soil body, and utilization measures, adapted to local conditions, were proposed for each zone. The results of our study present an important theoretical basis for the improvement of saline soils, for wetland re-vegetation and for the sustainable utilization of soil resources in the Bohai Sea coastal wetland.     

土地利用变化影响下洞庭湖地区生态系统服务价值的时空演变

对洞庭湖地区多年遥感影像进行解译,结合其经济发展统计数据,在地理信息系统技术支持下,估算各土地利用类型的生态价值系数,并运用空间自相关、高地聚类及热点分析等空间地统计分析方法,探究洞庭湖地区生态系统服务价值(ESV)的时空变化特征.结果表明: 2000—2013年间,洞庭湖地区的ESV小幅上升,由3868.39亿元上升至3886.62亿元,湿地面积的增加是ESV上升的主要原因;洞庭湖地区的ESV高值区与低值区相互溶解渗透,次高值区对高值及低值区呈包围态势;洞庭湖地区的ESV及其动态演化表现出明显的空间自相关与高低值聚集现象,但其自相关与聚集程度趋于减弱;研究期间洞庭湖地区的ESV热点区重心主要向西稍偏北方向移动,其轨迹大体上呈 “S”型态势,迁移速度缓慢但具有明显的阶段性,经历了 “剧烈—缓慢—剧烈”的变化阶段.     

木焦油污染土壤中微生物特性的空间变异性研究

运用地统计学方法研究了木焦油污染土壤中微生物量、微生物群落结构、微生物活性等的空间变异特征.分别采用26种主要磷脂类脂肪酸(PLFA)的总含量(totPLFA)、PLFA的第一主成分和第二主成分(PLFA PC1和PC2)以及土壤培养过程中CO₂-C的累积释放量(Cre)来表征土壤中的微生物量、微生物群落结构以及微生物活性.结果表明,多数微生物特性指标均存在不同程度的空间自相关性,其半变异函数曲线可用带块金效应的球状模型进行拟合.变量的空间相关距离在2.50～16.60 m之间.PLFA PC1、totPLFA和Cre均具有较强的空间依赖性,其相对结构变差（由结构性因素引起的空间变异）分别为82.3%、79.6%和64.7%,而PLFA PC2 不存在明显的空间依赖性.克立格空间插值图表明,样地中存在几处微生物相对密集分布且代谢活性较高的区域,其中优势微生物菌群是由PLFAs 16:1ω7t,cy17:0,18:1ω7 和cy19:0所表征的革兰氏阴性细菌.土壤中主要污染物多环芳烃含量和空间分布是影响微生物特性空间分布格局的重要因素之一.     

Prediction of soil property distribution in paddy soil landscapes using terrain data and satellite information as indicators

Sustainable land management and land use planning require reliable information about the spatial distribution of the physical and chemical soil properties affecting both landscape processes and services. Although many studies have been conducted to identify the spatial patterns of soil property distribution on various scales and in various landscapes, only little is known about the relationships underlying the spatial distribution of soil properties in intensively used, finely structured paddy soil landscapes in the southeastern part of China. In order to provide adequate soil information for the modelling of landscape processes, such as soil water movement, nutrient leaching, soil erosion and plant growth, this study investigates to what extent cheap and readily available ancillary information derived from digital elevation models and remote sensing data can be used to support soil mapping and to indicate soil characteristics on the landscape scale. This article focuses on the spatial prediction of the total carbon and nitrogen content and of physical soil properties such as topsoil silt, sand and clay content, topsoil depth and plough pan thickness. Correlation analyses indicate that, on the one side, the distribution of C, N and silt contents is quite closely related to the NDVI of vegetated surfaces and that, on the other side, it corresponds significantly to terrain attributes such as relative elevation, elevation above nearest drainage channel and topographical wetness index. Geostatistical analyses furthermore reflect a moderately structured spatial correlation of these soil variables. The combined use of the above mentioned terrain variables and the NDVI in a multiple linear regression accounted for 29% (silt) to 41% (total C) of the variance of these soil properties. In order to select the best prediction method to accurately map soil property distribution, we compared the performance of different regionalization techniques, such as multi-linear regression, simple kriging, inverse distance to a power, ordinary kriging and regression kriging. Except for the prediction of topsoil clay content, in all cases regression kriging model “C” performed best. Compared to simple kriging, the spatial prediction was improved by up to 14% (total C), 13% (total N) and 10% (silt). Since the autocorrelation lengths of these spatially well correlated soil variables range between three and five times the soil sampling density, we consider regression kriging model “C” to be a suitable method for reducing the soil sampling density. It should help to save time and costs when doing soil mapping on the landscape scale, even in intensively used paddy soil landscapes.     

Prediction of macrofungal occurrence in Swedish beech forests from soil and litter variable models

The spatial distribution of 49 macrofungal species in Swedish beech forests was related to the statistical variation in 31 edaphic variables. In order to reduce the multicollinearity problem, the variables were transformed into eight principal components, PCs, which are used in two-group discriminant analysis (on absence/presence patterns) and multiple regression analysis (on number of fruit-bodies). The results suggested that base saturation and organic matter content are of outstanding importance. However, significant relationships were also found with other variables, i.e. Cd or Zn in soil and litter, soil nitrogen mineralization rate, and Na or S in litter. One interesting interpretation of the results is that fungi do not only respond to the main variables of a gradient (soil pH, organic mater, base saturation) but also to other variables. Attempts were made to interpret the PCs to characterize fungal occurrence from the models they formed.     

Avian Use of Wetlands in Reclaimed Minelands in Southwestern Indiana

We studied the use of mineland wetlands by birds and the relationship between avian communities and wetland characteristics. Data were collected from 20 wetlands in Pike County, Indiana, and included wetland size, depth, water conductivity and salinity, aquatic macroinvertebrate abundance, vegetation, and bird use. Principal component analysis showed that physical variables could be explained by two principal component scores and that wetlands could be grouped on the basis of size and conductivity. Principal component analysis could not reduce vegetation variables to fewer principal component scores, meaning that wetland vegetation characteristics were independent of one another and did not show any trend. Most wetlands had low invertebrate density, and wetlands with higher invertebrate density had low invertebrate diversity. Wetlands with similar habitat characteristics (physical, vegetative, and invertebrate) did not necessarily show similarities in bird assemblages. Bird similarity index values ranged from 0 to 59%, implying that each wetland has its own bird community. Stepwise multiple regression analysis (α= 0.05) relating bird use and habitat characteristics showed that bird species richness increased with the species richness of submergent vegetation and was correlated negatively with the species richness of emergent vegetation. There was no significant relationship between bird species richness or bird species diversity and wetland size. The number of species within different avian guilds correlated with different habitat characteristics. The species richness of submergent plants was a factor that correlated positively with the number of species of several guilds (dabblers, wading birds, and plunge divers). Wetland age was not a factor that determined bird use.     

盐城海滨湿地景观演变关键土壤生态因子与阈值研究

文章以盐城海滨湿地典型区域为案例,以2011年4月和2012年4月对海滨湿地土壤数据为基础,结合2011年ETM 遥感影像,运用灰色关联分析、线性回归模拟和地统计学方法,辨识海滨湿地景观演变的关键生态因子,并确定其生态阈值。得出基本结论如下：(1)海滨湿地土壤理化性质海陆差异明显：从米草沼泽—碱蓬沼泽—芦苇沼泽,土壤水分和盐度表现出递减的趋势;土壤有机质、营养盐总体上从米草沼泽—碱蓬沼泽—芦苇沼泽,表现出两头高中间低的特征;湿润年份土壤水分高于干旱年份,湿润年份土壤盐度低于干旱年份。(2)灰色关联分析表明:干旱年份,水分＞盐度＞铵态氮＞速效钾＞有机质＞有效磷;湿润年份为：盐度＞水分＞有效磷＞铵态氮＞速效钾＞有机质,因此把土壤水分和盐度确定为海滨湿地景观演变的关键生态因子。(3)土壤水分和盐度在东西海陆方向上的变异大于南北海岸延伸方向上的变异。(4)将景观类型图和海滨湿地土壤水分与盐度分异图叠加分析,得出：芦苇滩土壤水分阈值＜42.332%,盐度阈值＜0.745%;碱蓬滩土壤水分阈值为38.836%～46.593%,盐度阈值为0.403%～1.314%;米草滩土壤水分阈值＞39.475%,盐度阈值＞0.403%;光滩的土壤阈值＞41.550%,盐度阈值＞0.656%。     

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。