基于空間尺度的土壤全氮多尺度套合方法研究

基于空間尺度的土壤全氮多尺度套合方法研究

隨著正確農(nóng)業(yè)的到來，土壤科學(xué)家們對土壤特征的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更多的熱情和關(guān)注。他們在空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、多因素的適應(yīng)性、空間模擬結(jié)果的實(shí)地應(yīng)用等方面取得了一些成果。然而，對于同一土壤類型的不同研究人員所獲得的反應(yīng)特征往往非常不同。土壤學(xué)家們認(rèn)為,在不同研究中除了區(qū)域之間自然環(huán)境條件的差異以外,采樣的空間尺度大小不一是形成研究結(jié)果較大分異的主要因素,人們將土壤特征變化對采樣尺度的依賴,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)出來的現(xiàn)象稱為“尺度效應(yīng)”,目前多數(shù)涉及空間變異的研究均會(huì)明確指出其選擇的空間尺度,以解決和說明對應(yīng)尺度的實(shí)際問題和應(yīng)用難題。有少量報(bào)道專門論述了同一研究區(qū)域、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。但如何在認(rèn)識尺度效應(yīng)的基礎(chǔ)上,對土壤變量進(jìn)行多尺度變異的擬合,以便更深入的揭示土壤特征在連續(xù)空間上的變異規(guī)律,提高土壤的空間管理水平等方面鮮有報(bào)道。本文以江漢平原典型區(qū)農(nóng)田土壤全氮為例,旨在探討多尺度套合方法以及不同模型對于提高土壤全氮空間估值精度的作用。基于對樣區(qū)的前期調(diào)研與分析,認(rèn)為在土壤全氮空間變異的形成過程中受到土地利用類型、土壤類型、水分狀況、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理等要素的影響較為明顯。土壤類型、土地利用方式的影響在該區(qū)域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;綜合地統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)于樣點(diǎn)設(shè)置的基本原則和研究區(qū)的實(shí)際情況,考慮采樣尺度的代表性與全面性,確定本次研究的采樣尺度為400m、100m和50m?；谇短赘窬W(wǎng)采樣法獲取研究區(qū)土壤特征變量空間多尺度信息,定量探討和初步構(gòu)建多尺度空間結(jié)構(gòu)的套合方法,以揭示土壤全氮在連續(xù)空間的變異規(guī)律,為優(yōu)化采樣方案、挖掘土壤空間信息、提高空間估值精度等提供有益借鑒。1材料和方法1.1研究區(qū)地貌與土壤類型研究區(qū)設(shè)在潛江市后湖農(nóng)場流塘分場(112°40′8″E至112°41′41″E,30°20′35″N至30°22′8″N),總面積為1035hm2,其中耕地535.9hm2。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,土壤類型以水稻土為主,有零星潮土分布;自1985年以來,長期實(shí)行水旱輪作,以油菜、水稻、棉花、小麥種植為主,是湖北省糧棉油的中高產(chǎn)區(qū);其農(nóng)業(yè)氣候、成土作用、耕作制度與管理等方面在江漢平原具有較強(qiáng)的典型性和代表性。1.2采樣點(diǎn)間距及gps定位以1∶10000土地利用現(xiàn)狀圖為基礎(chǔ),經(jīng)2004年9月實(shí)地踏勘并采用格網(wǎng)嵌套布點(diǎn)法,設(shè)置樣點(diǎn)如圖1。樣點(diǎn)設(shè)置避開田坎、溝、路、渠及堆肥點(diǎn),盡量設(shè)置在地塊中間。采樣的最大間距為400m;綜合考慮土壤類型(以亞類差異為主)、耕地利用類型、農(nóng)業(yè)管理措施等在空間上的差異性,以保障樣點(diǎn)的代表性與布局的均勻性為原則,選取了三個(gè)格網(wǎng)為一級加密區(qū),以100m為樣本間距加密采樣;同理以50m為間距生成二級加密區(qū)。以上三個(gè)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GPS定位。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、剔除侵入體后過100目篩,采用半微量開氏法測定全氮(TN)含量。1.3數(shù)據(jù)處理方法1.3.1空間方程離散模型半方差函數(shù)作為一種描述區(qū)域化變量結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性的模型,常用來表示區(qū)域化變量在一定尺度上的空間變異和相關(guān)程度,是空間結(jié)構(gòu)分析和最優(yōu)模擬的主要工具。半方差函數(shù)r(h)可定義為隨機(jī)函數(shù)Z(x)增量方差的1/2,即:r(h)=12N(h)∑i=1N(h)[Z(xi+h)?Z(xi)]2r(h)=12Ν(h)∑i=1Ν(h)[Ζ(xi+h)-Ζ(xi)]2式中,h為樣本間距,又稱位差;N(h)為以h為間距的所有觀測點(diǎn)的成對數(shù)目。1.3.2套合結(jié)構(gòu)的擬合方程地學(xué)界認(rèn)為,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:γ?(h)=γ?0(h)+γ?1(h)+γ?2(h)+?+γ?n(h)=∑i=0nγi(h)γ*(h)=γ0*(h)+γ1*(h)+γ2*(h)+?+γn*(h)=∑i=0nγi(h)式中,γ*0(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;γ*i(h)為可相同也可不同的理論模型,表征不同空間尺度上具有較好融合性及獨(dú)立性的空間結(jié)構(gòu)。1.3.3土壤特征變量實(shí)測值2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)。I值的計(jì)算方法如下:I=(z?z?)2ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ×[P×∣∣∣∣1?1[(z?z?)S?]2ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ∣∣∣∣+(1?P)]Ι=(z-z*)2ˉ×[Ρ×|1-1[(z-z*)S*]2ˉ|+(1-Ρ)]其中,P={0.1,0≤(z?z?)2ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ<1000.2,100≤(z?z?)2ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉΡ={0.1,0≤(z-z*)2ˉ<1000.2,100≤(z-z*)2ˉ式中,z為樣點(diǎn)土壤特征變量實(shí)測值,z*為對應(yīng)實(shí)測點(diǎn)的克立格估計(jì)值,S*為克立格估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差,P為經(jīng)驗(yàn)性參數(shù)。I值越小,表明變異函數(shù)模型對變量結(jié)構(gòu)的代表性越好。1.3.4最優(yōu)多尺度套合模型應(yīng)用套合模型,借助ArcGIS9.0的Geostatistics模塊,獲取研究區(qū)不同模型下土壤全氮的估值方差圖,確定最優(yōu)多尺度套合模型及研究區(qū)土壤全氮的最佳空間變異規(guī)律。2結(jié)果與分析2.1采樣間距對土壤全氮含量的影響以GeostatisticAnalyst模塊為工具,對各尺度樣本的統(tǒng)計(jì)特征值進(jìn)行計(jì)算(表1),應(yīng)用K-S方法進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)。可知各采樣尺度上土壤全氮的均值與中值接近,說明研究區(qū)氮素整體分布較為均勻;隨著采樣間距的減小,均值與中值間差異略有增大,標(biāo)準(zhǔn)差減小,且峰度系數(shù)、偏度系數(shù)絕對值明顯增大,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,全氮的局部均值對該尺度上整體分布有一定的影響;三尺度樣本經(jīng)K-S正態(tài)檢驗(yàn),均大于0.05,不能否定零假設(shè),故而三種采樣尺度上樣點(diǎn)全氮數(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,可合為同一整體進(jìn)行研究。2.2空間穩(wěn)定性變變的m、l尺度采樣方案經(jīng)特異值診斷、趨勢面檢驗(yàn)等數(shù)據(jù)預(yù)處理,應(yīng)用簡單克立格法對各采樣尺度下全氮的結(jié)構(gòu)性進(jìn)行擬合,得到各尺度土壤全氮理論變異函數(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均存在,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)性均能在M尺度上表現(xiàn)出來,如考慮工作量等其他因素,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)明顯減小,表明采樣間距以內(nèi)的不可估計(jì)誤差逐漸增大,其空間結(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,區(qū)域內(nèi)有新的對土壤全氮的空間結(jié)構(gòu)性形成有重要影響的因素出現(xiàn),或者在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(經(jīng)研究證實(shí),該要素為耕地利用類型,為突出本文重點(diǎn),具體過程略);雖然兩者的變程均大于400m,尚屬于同一級空間結(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,三個(gè)采樣尺度上,隨著采樣間距的增大,I值也逐漸增大,表明采樣尺度的增加雖然可以減小采樣的工作量,但變異函數(shù)對結(jié)構(gòu)的代表性會(huì)隨著更多小結(jié)構(gòu)被掩蓋而逐漸降低。故而研究區(qū)域范圍內(nèi)的空間結(jié)構(gòu)性,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。2.3u3000各樣點(diǎn)估計(jì)精度誤差根據(jù)尺度套合理論,新套合模型的塊金方差為最小采樣尺度S區(qū)上不能表征的空間變異,即0.022,且結(jié)構(gòu)方差為各尺度結(jié)構(gòu)方差之和。考慮到各尺度上的空間結(jié)構(gòu)存在一定的包含性,難以準(zhǔn)確量化表述,可能影響套合效果,本文探索性的采用普通克立格法(γ0(h))以及三種不同的方法進(jìn)行套合研究,分別設(shè)定為三尺度上空間結(jié)構(gòu)直接累加(以下稱套合模型1,γ1(h))、在相對較大尺度的空間結(jié)構(gòu)內(nèi)去除小尺度疊加的部分后累加(稱套合模型2,γ2(h))、在普通克立格法的基礎(chǔ)上應(yīng)用小尺度結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行修正(基本原理與方法二相同,稱套合模型3,γ3(h)),可得:γ0(h)=0.074+0.094·Spherical(2958.8,2036.3,323.6)γ1(h)=0.022+0.066·Spherical(348.2)+0.066·Spherical(696.4)+0.187·Spherical(3162.3)γ2(h)=0.022+0.066·Spherical(348.2)+0.04·Spherical(696.4)+0.166·Spherical(3162.3)γ3(h)=0.022+0.066·Spherical(348.2)+0.04·Spherical(696.4)+0.04·Spherical(2958.8,2036.3,323.6)基于全樣點(diǎn)數(shù)據(jù),分別應(yīng)用各套合模型和普通克立格法對研究區(qū)土壤全氮進(jìn)行估值,并繪制克立格插值標(biāo)準(zhǔn)差圖(圖2～圖5)。對比圖2～圖5可以發(fā)現(xiàn),普通克立格法獲取的估值精度變化較為平緩,分布也較均衡,估值誤差受待估點(diǎn)和樣點(diǎn)間距的影響不顯著。而三個(gè)套合模型的估值精度均有較大的變幅,且對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均有大幅度提高,部分區(qū)域估值誤差僅為普通克立格法擬合方差的1/2。但隨著與樣點(diǎn)距離的增大,精度也呈逐漸降低的趨勢,且不同的套合模型提高插值精度的效果產(chǎn)生了明顯的差異。套合模型1法提高精度的作用在與樣點(diǎn)間距超過100m后銳減,并很快低于普通克立格法,可見該方法雖然有效地?cái)M合了中小尺度的空間結(jié)構(gòu),在嵌套范圍內(nèi)提高了估值精度,但由于多尺度空間結(jié)構(gòu)的交疊與包含,重復(fù)加和使模型擬合過程中基臺(tái)值偏離了實(shí)際值,不能代表大尺度上的空間變異。套合模型2考慮和剔除了各尺度上交疊的部分,插值精度較套合模型1有明顯提高,在距離樣點(diǎn)200m范圍內(nèi)均能有效地提高估值精度,并未局限于嵌套尺度(本研究中100m)。由于以上兩種套合模型均是在大尺度上的擬合效果欠佳,筆者嘗試以全樣點(diǎn)的普通克立格法為基礎(chǔ)獲取大尺度的空間結(jié)構(gòu),并應(yīng)用中小尺度模型對其進(jìn)行校正獲得套合模型3,結(jié)果表明,該方法估值誤差在樣區(qū)80%以上區(qū)域均明顯低于普通克立格法所獲誤差,尤其在非加密區(qū),其估值的誤差僅為普通克立格法的1/2左右,顯著提高了估值結(jié)果應(yīng)用的可靠性;與前兩種套合模型相比,該法在200m范圍內(nèi)的估值精度與其他方法差異不顯著,但在較大的空間范圍內(nèi)(或稱較大的空間尺度上),其表現(xiàn)出精度衰減緩慢,變異平穩(wěn),能夠以較高的精度表征土壤性狀的空間結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。2.4土壤全氮空間變異的局部特征表達(dá)經(jīng)套合模型3擬合后,應(yīng)用克立格法對研究區(qū)土壤全氮進(jìn)行插值,得到其空間分布圖(圖6),并與普通克立格法插值所獲結(jié)果進(jìn)行對比分析(圖7)。兩種方法擬合的全氮空間分布在整體趨勢上基本一致,而在土壤全氮空間變異的局部特征表達(dá)上則是套合模型法3更為細(xì)致和完全。在空間結(jié)構(gòu)上,M、S尺度上(局部空間)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;而在L尺度上土壤水熱條件、耕作方式等要素均對土壤全氮的分布產(chǎn)生影響,從而在整體上表現(xiàn)了條帶狀分布特征。因而,應(yīng)用中小尺度修正過的套合模型團(tuán)塊狀特征較普通克立格法更明顯更具體。3空間多尺度套合模型的應(yīng)用研究區(qū)土壤全氮在不同尺度上因受各種因素的影響而形成相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)性特征,從而形成其空間分布對空間尺度的依賴,產(chǎn)生尺度效應(yīng)?？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100m和50m),但在距離樣點(diǎn)200m后,提高估值精度的作用明顯下降,說明,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),將對于整體提高插值精度有重要的意義。土壤屬性的空間變異產(chǎn)生于連續(xù)性空間,而土壤研究中樣點(diǎn)的設(shè)置要求在代表性、典型性的約束下樣點(diǎn)個(gè)數(shù)最少,因而如何用非連續(xù)的空間尺度表征土壤屬性在連續(xù)空間尺度上的變異特征是拓展本研究應(yīng)用領(lǐng)域的重要問題。筆者認(rèn)為,通過對研究區(qū)域的前期調(diào)研和分析嘗試(如本文中的預(yù)設(shè)尺度探討可發(fā)現(xiàn)200m尺度的缺失)固然可以發(fā)現(xiàn)尺度序列擬合對連續(xù)空間結(jié)構(gòu)的代表性,但受到前期研究人力、財(cái)力和時(shí)間投入的限制,一般適用于后期樣點(diǎn)采集量大的土壤研究工作;而最關(guān)鍵和適用的方法,應(yīng)該從土壤屬性空間結(jié)構(gòu)形成的驅(qū)動(dòng)機(jī)理方面,揭示各主導(dǎo)因素在不同尺度空間上的差異、嵌套與轉(zhuǎn)化,探討其量化表達(dá)關(guān)系,從而選擇適當(dāng)?shù)某叨茸鳛楸碚鬟B續(xù)空間變異的代表性尺度。采用多尺度套合模型的方法可以使插值誤差明顯降低,有效提高區(qū)域空間變異的擬合精度。尤其對于不具備全研究區(qū)域高密度采樣條件、對估值精度又有較高要求的情形,可考慮通過此種局部加密套合的方法來提高估值精度。本研究中設(shè)定