地統(tǒng)計學在土壤生態(tài)學中的應用及展望

地統(tǒng)計學在土壤生態(tài)學中的應用及展望第1頁，共16頁，2023年，2月20日，星期一地統(tǒng)計學在土壤生態(tài)學研究中的應用及展望

目錄一、土壤生態(tài)學簡介二、地統(tǒng)計學基本理論和方法三、地統(tǒng)計學在土壤生態(tài)學研究中的應用概況四、地統(tǒng)計學在土壤生態(tài)學中的應用展望第2頁，共16頁，2023年，2月20日，星期一

一、土壤生態(tài)學

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

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構．認識

復雜的土壤生成過程．并應用整體

與局部結合的方法．重規(guī)與社會

環(huán)境相結合．以達到改造土壤

生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能，實現(xiàn)

土壤資源持續(xù)利用的目標。第3頁，共16頁，2023年，2月20日，星期一二、地統(tǒng)計學基本理論和方法（一）地統(tǒng)計學理論地統(tǒng)計學(Geostatistics)的雛形是20世紀50年代南非采礦業(yè)的礦藏勘察中使用的空間估值計算方法,60年代法國著名統(tǒng)計學家Matheron在此基礎之上作了大量理論和實際研究后提出區(qū)域化變量理論(Thetheoryofregionalizedvariable),形成了該理論的基本框架。地統(tǒng)計學最早應用于脈狀礦床品位、儲量研究;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,廣泛應用于區(qū)域礦產(chǎn)資源評價、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用,并取得較好的效果。

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二、地統(tǒng)計學基本理論和方法

（1）運用地統(tǒng)計學進行空間分析基本包括以下幾個步驟,

即數(shù)據(jù)探索性分析；

空間連續(xù)性的量化模型；

未知點屬性值的估計；

對未知點局部及空間整體不確定性的預測。

用戶可根據(jù)自己的需要截止到中間某一項。

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數(shù)據(jù)探索性分析,主要是通過頻率分布圖、散點圖、位置圖等對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分布特征做一個初步的考察。這個過程最容易發(fā)現(xiàn)的問題就是數(shù)據(jù)的集聚,以及異常點極值的出現(xiàn)。通常,可利用適當?shù)淖儞Q,如對數(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)計學方法框架地統(tǒng)計學估值隨機模擬多點統(tǒng)計學多點統(tǒng)計學隨機模擬局部不確定性預測普通克里值簡單克里值因子克里值趨勢克里值協(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)計學在土壤空間異質(zhì)性研究中的應用概況

（一）在土壤物理特性空間變異上的應用研究土壤物理性質(zhì)的空間變異性,能促進土壤學定量和動態(tài)研究的深人及許多新技術的實際應用。地統(tǒng)計學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)計學結合起來對土壤含水量和容重進行研究,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)計學相關的研究方法。第8頁，共16頁，2023年，2月20日，星期一

（二）在土壤化學性質(zhì)空間變異上的應用

土壤養(yǎng)分空間變異的研究是土壤化學性質(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)量的一個極其重要的指標,開展土壤養(yǎng)分空間變異性研究對于科學合理地制定農(nóng)田施肥方案,提高養(yǎng)分資源利用率,促進變量施肥技術的發(fā)展,實現(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,同一變量的自相關程度相差很大,且隨樣點間距離的增大而加大,變異函數(shù)值的隨機成分也在不斷增加,更小尺度下的結構特征將被掩蓋,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構特征。第9頁，共16頁，2023年，2月20日，星期一

胡克林等利用地統(tǒng)計學研究了北京南郊大興區(qū)三個不同時期土壤有機質(zhì)的時空變異,這種較長時間尺度的研究能夠準確地反映近年來局部地區(qū)由于土地集約化程度和高強度利用所導致的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)下降的事實。黃元仿等陽考慮各向異性和趨勢效應,更全面精確地研究了干旱荒漠區(qū)土壤有機質(zhì)空間變異。第10頁，共16頁，2023年，2月20日，星期一（三）、地統(tǒng)計學在分析受重金屬污染土壤的空間變異方面的應用土壤中的重金屬污染是土壤科學家必須解決的一個重要課題,克立格插值為土壤特性的空間預測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)計學對受重金屬污染的土壤進行克立格空間插值和制圖。

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

傳統(tǒng)野外田間格網(wǎng)定位采樣既費錢又困難,在何地采樣,采集多少樣品以及樣品間距應為多少是土壤調(diào)查面臨的一道難題,同時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方法以減少采樣個數(shù),節(jié)省野外采樣和室內(nèi)分析成本。

傳統(tǒng)的統(tǒng)計學方法在描述土壤變異時假定采樣區(qū)的土壤特性變化是隨機的,樣本之間是完全獨立且服從某已知的概率分布,認為樣品均值是樣區(qū)土壤特性的最好描述方式,并用方差、標準差、變異系數(shù)和置信區(qū)間來表征估計精度。地統(tǒng)計學研究表明土壤特性的變化并非完全隨機,在空間上具有關聯(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,因為它未考慮土壤特性的空間相關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)計學和地理信息系統(tǒng)技術結合起來對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構,空間自相關距離都比較大,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)計學在土壤其他特性中的應用利用地統(tǒng)計學,分析土壤特性和地面植物以及微生物之間的各種關系方面,學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碳的分布,Gaston的研究表明,土壤有機碳高,質(zhì)地好的土壤,雜草分布明顯地好,而有機碳低,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性,而對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雜草進行有效控制。有關土壤呼吸的空間和現(xiàn)勢分布的信息對理解生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)和動力學機制,評價土壤呼吸對全球CO2的作用以及指導采樣策略來進行研究和特定的農(nóng)業(yè)利用都是非常有用的,因為全球CO2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)計學在土壤生態(tài)學中的展望（一）、地