尺度效應(yīng)對(duì)全氮空間分布的影響

尺度效應(yīng)對(duì)全氮空間分布的影響

0多尺度信息的套合方法研究【研究意義】土壤養(yǎng)分的空間分布是精確施肥和土壤發(fā)育等農(nóng)業(yè)精確研究的基礎(chǔ)，土壤養(yǎng)分的空間變化規(guī)模效應(yīng)逐漸引起土壤學(xué)家的關(guān)注。土壤學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在研究同一養(yǎng)分屬性的空間結(jié)構(gòu)時(shí)，由于采用的空間尺度的大小不一，其變異特征往往相差很大，給研究結(jié)果的相互參照以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方案的選擇帶來了很大的困擾。為了更加充分的挖掘和應(yīng)用土壤空間信息，提高空間估值精度，促進(jìn)學(xué)科交流，優(yōu)化采樣布置方案，多尺度信息的套合方法研究具有重要的意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤養(yǎng)分空間變異研究中的尺度效應(yīng)主要指土壤特征的變化對(duì)采樣網(wǎng)格尺度大小的依賴，即某種空間結(jié)構(gòu)特征只能在一定的采樣尺度下表現(xiàn)出來。為了提高研究結(jié)果的適用性和可參照性，目前多數(shù)研究都明確指出其選擇的空間尺度，以解決對(duì)應(yīng)尺度的實(shí)際問題。也有少量報(bào)道專門論述了不同空間尺度上的土壤特征變異規(guī)律，證實(shí)了空間尺度效應(yīng)的存在?！颈狙芯康那腥朦c(diǎn)】本文基于對(duì)不同尺度上土壤變量空間結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)知，擬以全氮為例，探討多尺度信息的套合方法，揭示土壤養(yǎng)分在綜合空間上的變異規(guī)律，提高空間估值精度，為優(yōu)化采樣方案提供新思路，為提高土壤養(yǎng)分的空間管理水平和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究提供參考和依據(jù)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】分析土壤氮素在不同空間尺度上的結(jié)構(gòu)特征，探討多尺度套合方法及其估值精度。1材料和方法1.1地形地貌、地貌樣區(qū)設(shè)在江漢平原腹地的潛江市后湖農(nóng)場(chǎng)流塘分場(chǎng)（112°40′8″E～112°41′41″E,30°20′35″N～30°22′8″N），總面積為1035.12ha，其中耕地535.95ha。樣區(qū)受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，光照充足，四季分明，雨水充沛；地形平坦，成土母質(zhì)為第四紀(jì)河湖相沉積物與河流沖積物；地面高程在26.8～28.1m之間（1956年黃海高程系），排灌條件良好；耕作制度為水旱輪作，當(dāng)季作物為水稻和棉花。1.2基于土壤gps的同法采樣2004年9月24日，對(duì)樣區(qū)實(shí)行格網(wǎng)嵌套布點(diǎn)，共設(shè)置了145個(gè)樣點(diǎn)（圖1）。采樣的最大間距為400m，有樣點(diǎn)37個(gè)；均衡選取有代表性的3個(gè)格網(wǎng)為一級(jí)加密區(qū)，以100m為樣本間距加密采樣，有樣點(diǎn)75個(gè)（其中有12個(gè)點(diǎn)與400m采樣點(diǎn)重合）；同法以50m為間距生成二級(jí)加密區(qū)，有樣點(diǎn)81個(gè)（其中有36個(gè)點(diǎn)與一級(jí)加密點(diǎn)重合）。以上采樣層次共同構(gòu)成相互聯(lián)系的嵌套體系。取表層0～20cm土樣，利用差分GPS(ST-2020型）定位，并換算成高斯-克呂格投影下的坐標(biāo)系統(tǒng)。土壤全氮（TN）采用濃硫酸消煮，半微量開氏法測(cè)定。1.3和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法本研究主要采用Fisher統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，前者主要用于數(shù)據(jù)的前期檢驗(yàn)和概率統(tǒng)計(jì)，后者用于對(duì)變量空間結(jié)構(gòu)的分析和插值估計(jì)。1.3.1結(jié)構(gòu)的組合問題半變異函數(shù)是空間結(jié)構(gòu)分析和最優(yōu)模擬的主要工具，其功能在于反映區(qū)域化變量的空間相關(guān)性。具有復(fù)雜變化的區(qū)域化變量的空間變異性不能用一個(gè)簡(jiǎn)單的理論模型描述，需要用兩個(gè)或兩個(gè)以上的理論模型描述，其結(jié)構(gòu)是多個(gè)結(jié)構(gòu)的相互疊加，稱為套合結(jié)構(gòu)，可以用反映不同尺度變化的多個(gè)擬合函數(shù)之和表示：式中，γ0*(h)表示微觀上的變化，為最小采樣尺度上仍不能表示的空間結(jié)構(gòu)性，即套合結(jié)構(gòu)的塊金方差，γi*(h)為可相同也可不同的理論模型，是不同尺度上表現(xiàn)出的空間結(jié)構(gòu)性。本研究采用I值作為綜合指標(biāo)進(jìn)行理論模型的最優(yōu)性檢驗(yàn)。式中，z*是某實(shí)測(cè)點(diǎn)上的克立格估計(jì)值，z為實(shí)測(cè)值，S*是相應(yīng)的克立格估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差。I值越小表明變異函數(shù)模型對(duì)變量結(jié)構(gòu)的代表性越好。1.3.2交織值和精度的估計(jì)應(yīng)用套合模型，借助ArcGIS8.3的Geostatistics模塊，獲取研究區(qū)域內(nèi)土壤全氮的空間分布圖和估值方差圖。2結(jié)果與分析2.1．樣點(diǎn)合并對(duì)局部均值的影響樣區(qū)土壤全氮在各采樣尺度上的均值與中值接的近，說明樣區(qū)整體氮素分布較為均勻，未受到特異值影響；隨著采樣間距的減小，均值與中值間差異略有增大，而標(biāo)準(zhǔn)差減小，表明在M、S樣區(qū)中，數(shù)據(jù)的集中性較L區(qū)明顯提高，但在各小區(qū)合并過程中，樣區(qū)全氮的局部均值對(duì)該尺度整體分布有一定的影響；應(yīng)用Kolmogorov-Smirnov方法進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，在3個(gè)尺度上檢驗(yàn)概率均遠(yuǎn)大于0.05，故而各尺度上樣點(diǎn)數(shù)據(jù)均滿足正態(tài)分布，樣點(diǎn)合并未改變其整體分布特征可作為同一整體進(jìn)行研究。3個(gè)尺度上土壤全氮屬于中等變異。2.2m、l空間結(jié)構(gòu)方差分析應(yīng)用簡(jiǎn)單克立格法對(duì)樣區(qū)各采樣尺度下全氮的結(jié)構(gòu)性進(jìn)行擬合，理論變異函數(shù)及檢驗(yàn)參數(shù)如表2。各尺度上土壤全氮的空間變異結(jié)構(gòu)均以球狀模型擬合效果最佳。隨著采樣間距的增大，變程、塊金方差、基臺(tái)值增大，表明在各研究尺度上全氮的空間變異性都存在，并表現(xiàn)出不同的空間結(jié)構(gòu)性。S、M尺度上，變程值均大于300m，且結(jié)構(gòu)方差變化不大，說明兩者的空間結(jié)構(gòu)性都能在M尺度上表現(xiàn)出來，如考慮工作量等其它因素，可以通過M尺度上的樣點(diǎn)來近似研究S尺度上的變異；但隨著采樣間距的增大，塊金方差明顯增大，空間結(jié)構(gòu)系數(shù)C/(C0+C)減小，表明采樣間距內(nèi)的不可估計(jì)誤差逐漸增大，空間結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)能力在逐漸減弱。M、L兩個(gè)研究尺度，各主要參數(shù)均有較大變化，尤其結(jié)構(gòu)方差明顯增大，表明隨著研究尺度的增大，在M、S尺度上不能表現(xiàn)出差異的背景因素在L尺度上發(fā)揮了較大的作用；雖然兩者尚屬于同一級(jí)空間結(jié)構(gòu)，但若采用L尺度采樣方案研究M尺度的變異特征，將明顯降低結(jié)果的準(zhǔn)確性。從I值檢驗(yàn)的結(jié)果來看，I值隨著采樣間距的增大而增大，說明變異函數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的代表性隨著更多小結(jié)構(gòu)被掩蓋而逐漸降低。綜上所述，研究區(qū)域土壤全氮的空間結(jié)構(gòu)對(duì)采樣尺度的依賴性明顯，不能用某一尺度上的變異函數(shù)來表示，而需研究不同尺度的套合模型來擬合全氮的變異特征。2.3政治空間誤差的空間估計(jì)根據(jù)尺度套合理論，新模型的塊金方差為最小尺度（S）上不能表征的空間變異，即0.022，且各尺度均滿足球狀模型，可得套合結(jié)構(gòu)模型：由于研究中采用嵌套采樣，樣點(diǎn)局部加密，總體空間分布上不均衡，不宜對(duì)總樣點(diǎn)直接使用普通克立格法進(jìn)行半方差的估計(jì)，故而本文選用套合模型和普通克立格方法分別對(duì)樣區(qū)400m樣點(diǎn)進(jìn)行估值，并繪制克立格估計(jì)方差圖（圖2、圖3），以比較兩種方法的估值精度，并為土壤養(yǎng)分空間變異研究的樣點(diǎn)方案設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。套合模型的估值精度有較大的變幅，且對(duì)距離的變化更為敏感。在距離各樣點(diǎn)100m以內(nèi)，估值精度較普通克立格法有大幅度提高，部分區(qū)域估值誤差僅為普通克立格法擬合誤差的1/2。但隨著與樣點(diǎn)距離的增大，精度也呈逐漸降低趨勢(shì)，當(dāng)距離達(dá)到200m以上時(shí)，套合模型提高精度的作用開始明顯減弱，至250m時(shí)精度值與普通克立格法沒有明顯差異，甚至局部區(qū)域精度低于普通克立格法。可見，使用模型套合的方法可在大尺度樣點(diǎn)信息的基礎(chǔ)上獲得比普通克立格法更高精度的估值結(jié)果，且不局限于加密尺度的距離范圍（本研究中為100m和50m）。另外，空間估值的精度存在邊際效應(yīng)，即誤差的高值區(qū)域集中在樣區(qū)的邊界，樣區(qū)邊界精度衰減較內(nèi)部更為迅速。其原因在于邊界區(qū)域參與空間插值的樣點(diǎn)個(gè)數(shù)減少，且對(duì)待估點(diǎn)存在一定的方位影響，所以兩種方法中邊界區(qū)域的估值精度都有較大的降低；模型套合后對(duì)距離的變化更為敏感，在樣區(qū)邊界不能獲得相鄰樣點(diǎn)的信息補(bǔ)充，其精度隨距離的增大降低更快。2.4局部空間分布經(jīng)套合模型擬合后，應(yīng)用Kriging法對(duì)樣區(qū)全氮進(jìn)行插值，得到其空間分布圖（圖4）。氮素在土壤中以有機(jī)態(tài)為主，小范圍內(nèi)其量的消長主要與耕作措施、水熱條件和生物累積分解作用有關(guān)。魚塘四周土壤水熱條件好，有利于土壤全氮的累積，同時(shí)魚塘的定期清淤使周圍局部區(qū)域形成高氮塊狀區(qū)；樣區(qū)中部建設(shè)用地為該分場(chǎng)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣管理站所在地，對(duì)其周圍的農(nóng)業(yè)指導(dǎo)和管理較多，在施肥供水控制等方面有較好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；樣區(qū)的東部、北部區(qū)域以種植棉花為主，一方面旱地土壤濕度較低，熱容量小，氮的礦化較強(qiáng)，損失相對(duì)較大，另一方面，棉花對(duì)養(yǎng)分的需求量較大，而本次采樣恰好為棉花收獲季節(jié)，土壤尚未休耕及施肥，導(dǎo)致土壤氮素含量較低。在空間結(jié)構(gòu)性方面，M、S尺度上水熱條件變化較舒緩，整體管理水平、耕作制度等方面差異不大，故而其向各方向上擴(kuò)散較均勻，等值線平滑，空間分布有團(tuán)塊狀趨勢(shì)；而在L尺度上土壤水熱條件、耕作方式、管理水平等要素均對(duì)土壤全氮的分布產(chǎn)生影響，從而在整體上表現(xiàn)出了條帶狀分布特征。3空間變異尺度效應(yīng)的因素差異性研究區(qū)土壤全氮在不同的尺度上因受不同因素的影響形成相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)性特征，從而形成其空間分布對(duì)空間尺度的依賴，產(chǎn)生尺度效應(yīng)。采用多尺度模型套合的方法可以使估計(jì)誤差明顯降低，有效提高區(qū)域空間變異的擬合精度。尤其對(duì)于不具備全研究區(qū)域高密度采樣條件，對(duì)估值精度又有較高要求的研究，可考慮通過此種局部加密套合的方法來提高估值精度?？臻g估值精度提高的程度與尺度的設(shè)置有密切的關(guān)系，通過選擇最佳尺度，可以獲取高精度估值的同時(shí)盡可能的減小采樣分析工作量。本研究中，依據(jù)形成空間變異尺度效應(yīng)的因素差異性，綜合考慮地統(tǒng)計(jì)學(xué)的基本原則和研究區(qū)的實(shí)際情況，確定采樣尺度為400、100和50m。土壤類型、地形地貌、耕作制度等區(qū)域性因素一般在400m及以上的大尺度范圍內(nèi)才能表現(xiàn)出明顯的差異性，而施肥類型、水肥管理、生物作用等具有農(nóng)戶個(gè)人特征的因素差異性在100m及以下的較小尺度更加突出；200m介于100m與400m之間，其反映空間變異尺度差異性的因素與100、400m兩個(gè)尺度具有很強(qiáng)的相關(guān)性，尺度代表性差，因而在本次研究中沒有考慮。通過本研究的多尺度套合模型及其空間變異特征分析，筆者發(fā)現(xiàn)模型套合后對(duì)于距離的變化更為敏感，雖然模型套合法提高估值精度的作用不局限于加密尺度（本研究為100和50m），但在距離樣點(diǎn)200m后，提高估值精度的作用明顯下降，如若增設(shè)200m加密尺度，或在典型區(qū)域集中設(shè)置加密區(qū)，通過提高一定范圍內(nèi)100m樣點(diǎn)的數(shù)量，間隔取樣來獲取200m尺度上的空間結(jié)構(gòu)，可能對(duì)于整體提高插值精度有重要的意義，進(jìn)而可探討形成該種現(xiàn)象的具體原因。土壤類型、地形地貌、局部水熱條件、水肥管理措施和水平等因素是土壤氮素空間變異產(chǎn)生的根源，如能深入開展不同尺度上土壤氮素空間變異的驅(qū)動(dòng)力研究，對(duì)于理解氮素的時(shí)空演變、獲取最佳采樣和制圖尺度、優(yōu)化樣點(diǎn)布局等方面具有尤其重要的作用。4多尺度嵌套研究4.1土壤全氮在不同尺度上都存在空間變異性，但由于影響因素的差異，其特征函數(shù)不同，尺度效應(yīng)明顯；S、M尺度的空間結(jié)構(gòu)性都能在M尺度上表現(xiàn)出來，如考慮工作量等其它因素，可以通過M尺度上的樣點(diǎn)來近似研究S尺度上的變異；M、L兩個(gè)研究尺度，各主要參數(shù)均有較大變化，簡(jiǎn)化采樣方案將對(duì)估值精度有較大影響。4.2多尺