地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用及展望

地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用及展望第1頁，共16頁，2023年，2月20日，星期一地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用及展望

目錄一、土壤生態(tài)學(xué)簡(jiǎn)介二、地統(tǒng)計(jì)學(xué)基本理論和方法三、地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用概況四、地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用展望第2頁，共16頁，2023年，2月20日，星期一

一、土壤生態(tài)學(xué)

是土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、地理學(xué)以及環(huán)境科學(xué)相互交叉的一門具有廣泛研究領(lǐng)域的新興學(xué)科。

以土壤生物為中心，研究土壤生物間、土壤生物與土壤非生命環(huán)境間的相互作用，土壤生物群落與壤內(nèi)部環(huán)境以及

外界環(huán)境之間的能量流、物質(zhì)流和

信息流．

以揭示土壤生物群落的結(jié)構(gòu)．認(rèn)識(shí)

復(fù)雜的土壤生成過程．并應(yīng)用整體

與局部結(jié)合的方法．重規(guī)與社會(huì)

環(huán)境相結(jié)合．以達(dá)到改造土壤

生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，實(shí)現(xiàn)

土壤資源持續(xù)利用的目標(biāo)。第3頁，共16頁，2023年，2月20日，星期一二、地統(tǒng)計(jì)學(xué)基本理論和方法（一）地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論地統(tǒng)計(jì)學(xué)(Geostatistics)的雛形是20世紀(jì)50年代南非采礦業(yè)的礦藏勘察中使用的空間估值計(jì)算方法,60年代法國(guó)著名統(tǒng)計(jì)學(xué)家Matheron在此基礎(chǔ)之上作了大量理論和實(shí)際研究后提出區(qū)域化變量理論(Thetheoryofregionalizedvariable),形成了該理論的基本框架。地統(tǒng)計(jì)學(xué)最早應(yīng)用于脈狀礦床品位、儲(chǔ)量研究;隨著研究的深入,如析取克里格法、轉(zhuǎn)換函數(shù)、泛克里格法的提出,廣泛應(yīng)用于區(qū)域礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)、鉆探工作、采樣工作等方面;近年來在化探、冶金、土壤研究中也有所應(yīng)用,并取得較好的效果。

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二、地統(tǒng)計(jì)學(xué)基本理論和方法

（1）運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)進(jìn)行空間分析基本包括以下幾個(gè)步驟,

即數(shù)據(jù)探索性分析；

空間連續(xù)性的量化模型；

未知點(diǎn)屬性值的估計(jì)；

對(duì)未知點(diǎn)局部及空間整體不確定性的預(yù)測(cè)。

用戶可根據(jù)自己的需要截止到中間某一項(xiàng)。

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數(shù)據(jù)探索性分析,主要是通過頻率分布圖、散點(diǎn)圖、位置圖等對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布特征做一個(gè)初步的考察。這個(gè)過程最容易發(fā)現(xiàn)的問題就是數(shù)據(jù)的集聚,以及異常點(diǎn)極值的出現(xiàn)。通常,可利用適當(dāng)?shù)淖儞Q,如對(duì)數(shù)變換來解決。第6頁，共16頁，2023年，2月20日，星期一

TheframeworkofmethodsinGeostatistics地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法框架地統(tǒng)計(jì)學(xué)估值隨機(jī)模擬多點(diǎn)統(tǒng)計(jì)學(xué)多點(diǎn)統(tǒng)計(jì)學(xué)隨機(jī)模擬局部不確定性預(yù)測(cè)普通克里值簡(jiǎn)單克里值因子克里值趨勢(shì)克里值協(xié)同克里值塊狀克里值眾高斯法指示克里值序列高斯模擬LU分解模擬P-field模擬退火模擬方法序列指示模擬第7頁，共16頁，2023年，2月20日，星期一三、地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤空間異質(zhì)性研究中的應(yīng)用概況

（一）在土壤物理特性空間變異上的應(yīng)用研究土壤物理性質(zhì)的空間變異性,能促進(jìn)土壤學(xué)定量和動(dòng)態(tài)研究的深人及許多新技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。地統(tǒng)計(jì)學(xué)既可以用來定量分析土壤特性的空間分布,也可以用于確定土壤空間變異的尺度,以提高田間采樣的有效性.

龔元石等將分形理論和地統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)合起來對(duì)土壤含水量和容重進(jìn)行研究,表明土壤并非是具有理想分形特征的介質(zhì),它只是在一定的空間尺度內(nèi)才具有分形特征,從而豐富了地統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)的研究方法。第8頁，共16頁，2023年，2月20日，星期一

（二）在土壤化學(xué)性質(zhì)空間變異上的應(yīng)用

土壤養(yǎng)分空間變異的研究是土壤化學(xué)性質(zhì)空間變異性研究的主體部分.土壤養(yǎng)分是衡量作物產(chǎn)量和質(zhì)量的一個(gè)極其重要的指標(biāo),開展土壤養(yǎng)分空間變異性研究對(duì)于科學(xué)合理地制定農(nóng)田施肥方案,提高養(yǎng)分資源利用率,促進(jìn)變量施肥技術(shù)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)精確施肥等都具有重要意義。土壤特性空間變異的影響是有尺度范圍的,不同尺度下,同一變量的自相關(guān)程度相差很大,且隨樣點(diǎn)間距離的增大而加大,變異函數(shù)值的隨機(jī)成分也在不斷增加,更小尺度下的結(jié)構(gòu)特征將被掩蓋,而多尺度下分析則有利于深人分析土壤特性的空間變異結(jié)構(gòu)特征。第9頁，共16頁，2023年，2月20日，星期一

胡克林等利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究了北京南郊大興區(qū)三個(gè)不同時(shí)期土壤有機(jī)質(zhì)的時(shí)空變異,這種較長(zhǎng)時(shí)間尺度的研究能夠準(zhǔn)確地反映近年來局部地區(qū)由于土地集約化程度和高強(qiáng)度利用所導(dǎo)致的土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降的事實(shí)。黃元仿等陽考慮各向異性和趨勢(shì)效應(yīng),更全面精確地研究了干旱荒漠區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)空間變異。第10頁，共16頁，2023年，2月20日，星期一（三）、地統(tǒng)計(jì)學(xué)在分析受重金屬污染土壤的空間變異方面的應(yīng)用土壤中的重金屬污染是土壤科學(xué)家必須解決的一個(gè)重要課題,克立格插值為土壤特性的空間預(yù)測(cè)提供了一種無偏最優(yōu)估值方法,因此,越來越多的研究者開始利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)受重金屬污染的土壤進(jìn)行克立格空間插值和制圖。

ChangTK等對(duì)整個(gè)臺(tái)灣土壤中砷的空間變異進(jìn)行了半方差分析和克立格制圖發(fā)現(xiàn)臺(tái)灣西南地區(qū)砷的含量超過了整個(gè)臺(tái)灣省的平均值。第11頁，共16頁，2023年，2月20日，星期一（五）、地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤采樣策略中的應(yīng)用

傳統(tǒng)野外田間格網(wǎng)定位采樣既費(fèi)錢又困難,在何地采樣,采集多少樣品以及樣品間距應(yīng)為多少是土壤調(diào)查面臨的一道難題,同時(shí)許多研究表明田間土壤特性的平均值和變異程度受采樣田塊大小和測(cè)試方法的影響。因此在滿足一定精度的前提下,通過合理的采樣布點(diǎn)方法以減少采樣個(gè)數(shù),節(jié)省野外采樣和室內(nèi)分析成本。

傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在描述土壤變異時(shí)假定采樣區(qū)的土壤特性變化是隨機(jī)的,樣本之間是完全獨(dú)立且服從某已知的概率分布,認(rèn)為樣品均值是樣區(qū)土壤特性的最好描述方式,并用方差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和置信區(qū)間來表征估計(jì)精度。地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究表明土壤特性的變化并非完全隨機(jī),在空間上具有關(guān)聯(lián)性,因此利用傳統(tǒng)方法來制定采樣模式并不是最優(yōu)的,因?yàn)樗纯紤]土壤特性的空間相關(guān)性和采樣的空間位置,只能概括土壤特性變化的全貌而不能反映其局部的變化特征。第12頁，共16頁，2023年，2月20日，星期一姜城、楊俐蘋將地統(tǒng)計(jì)學(xué)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合起來對(duì)一定條件下土壤合理采樣數(shù)量作了研

究,發(fā)現(xiàn)大部分土壤養(yǎng)分都具有較為良好的半方差結(jié)構(gòu),空間自相關(guān)距離都比較大,在平衡取樣成本和精確度的前提下必須考慮土壤養(yǎng)分的空間變異程度。第13頁，共16頁，2023年，2月20日，星期一（六）、地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤其他特性中的應(yīng)用利用地統(tǒng)計(jì)學(xué),分析土壤特性和地面植物以及微生物之間的各種關(guān)系方面,學(xué)者們也做了大量的工作。Shuster發(fā)現(xiàn)蚯蚓可以改變土壤中有機(jī)碳的分布,Gaston的研究表明,土壤有機(jī)碳高,質(zhì)地好的土壤,雜草分布明顯地好,而有機(jī)碳低,質(zhì)地不好的區(qū)域則反之;大部分雜草在連續(xù)年份內(nèi)的分布具有空間相關(guān)性,而對(duì)除草劑敏感的雜草則不然,這啟示人們可以通過改變種子出土前除草劑的使用率來對(duì)雜草進(jìn)行有效控制。有關(guān)土壤呼吸的空間和現(xiàn)勢(shì)分布的信息對(duì)理解生態(tài)系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制,評(píng)價(jià)土壤呼吸對(duì)全球CO2的作用以及指導(dǎo)采樣策略來進(jìn)行研究和特定的農(nóng)業(yè)利用都是非常有用的,因?yàn)槿駽O2的25%都是來自于土壤呼吸。第14頁，共16頁，2023年，2月20日，星期一四、地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤生態(tài)學(xué)中的展望（一）、地