土壤有機質(zhì)含量空間尺度變異研究

土壤有機質(zhì)含量空間尺度變異研究

土壤有機質(zhì)不僅是土壤肥力的重要指標，也是碳儲量的重要指標。全球土壤中的有機碳儲量約為1500pg，是有機碳儲量的兩倍。土壤中的有機碳儲量略有變化，導(dǎo)致氣體中co濃度顯著變化，影響全球氣候變化。由于土壤是高度不均一的歷史自然體,大尺度的土壤有機碳貯量估算仍然存在著很大的不確定性,如我國1m土壤深度的有機碳貯量估算值從50Pg到180Pg。為了估算大尺度的土壤有機碳貯量,往往將空間網(wǎng)格化或根據(jù)行政區(qū)域劃分成若干單元,并假定網(wǎng)格內(nèi)或行政區(qū)域內(nèi)的土壤有機碳含量或密度均一,或取其平均值。網(wǎng)格或行政區(qū)域內(nèi)的土壤有機碳含量或密度通常用實際測定數(shù)據(jù),或用模型估算,比較成熟的模型如DNDC、CENTURY、ROTHC、NCSOIL。影響土壤有機質(zhì)含量的因素很多,包括氣候條件、地形狀況、植被類型、土壤性狀和利用管理狀況等。不同的區(qū)域?qū)?yīng)著各自不同的影響因素,導(dǎo)致不同的區(qū)域尺度下表現(xiàn)出不同的土壤有機碳含量變異格局。但是,如果定義的區(qū)域內(nèi)土壤有機碳含量變化很大,這樣估算的結(jié)果可能具有很大的不確定性。空間尺度具有明確的地學(xué)含義,Lam等定義了4種與空間現(xiàn)象有關(guān)的尺度:制圖或地圖尺度、地理尺度、分辨率和運行尺度,而通常提及的是后面3種。尺度越大,空間范圍越大,顯示差異的主導(dǎo)因素也更概括抽象。對于任何一個自然環(huán)境的研究實體,尺度的變換都可能導(dǎo)致異質(zhì)性的出現(xiàn)和消失。尺度效應(yīng)是地理分異規(guī)律和地理綜合規(guī)律在時間和空間上的表現(xiàn),隨著尺度變大,研究對象內(nèi)的綜合性、概括性增強,研究對象之間的主導(dǎo)分異因子級別提高;隨著尺度變小,研究對象內(nèi)的分異性、多樣性增強,研究對象之間的主導(dǎo)分異因子級別降低。中國區(qū)域遼闊,空間跨度很大,本文以《中國土種志》數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),按照典型縣區(qū)、省、大區(qū)和全國這四種尺度以及各種土類兩方面分析20世紀80年代中國土壤有機質(zhì)含量的變異性,探索不同的空間區(qū)域劃分方式下,土壤有機質(zhì)含量變異程度隨區(qū)域尺度的增加而變化的規(guī)律,為確定土壤有機質(zhì)貯量評估不確定性相對較小的空間區(qū)域劃分方法提供依據(jù)。1土壤有機碳采樣的規(guī)律本文利用《中國土種志》1~6卷提供的2473個典型剖面土壤有機質(zhì)含量及其土壤性質(zhì)的資料進行統(tǒng)計分析。土壤有機質(zhì)含量最大值一般出現(xiàn)在表層,隨深度增加而降低。表層土壤有機質(zhì)含量的變化最明顯,對外界環(huán)境條件變化的響應(yīng)最直接。因此,本文僅對表層(相當(dāng)于森林土壤的Ah層和其它土壤的A層)土壤有機質(zhì)含量變異程度隨空間尺度而變化的規(guī)律進行探討。由于第二次土壤普查的采樣并不按照各級行政區(qū)均勻布點,在縣這一行政區(qū)中有效樣本量相差很大,有些縣區(qū)內(nèi)采樣點數(shù)達不到用于統(tǒng)計計算的要求。為此,本文選擇各省和直轄市范圍內(nèi)土壤剖面數(shù)較多的一個縣為典型縣,然后按省(包括直轄市)、大區(qū)劃分空間區(qū)域單元,逐級擴大空間尺度,將《中國土種志》提供的典型剖面分別歸入所屬空間區(qū)域單元,以剖面為統(tǒng)計單元,統(tǒng)計各空間區(qū)域單元內(nèi)表層土壤有機質(zhì)含量的算術(shù)平均值和變異系數(shù),分析表層土壤有機質(zhì)含量變異程度隨空間尺度增大而變化的規(guī)律。分別以典型縣區(qū)、省、大區(qū)為統(tǒng)計單元,以單元表層土壤有機質(zhì)算術(shù)平均含量為該單元的表征值,統(tǒng)計全國同級空間單元之間土壤有機質(zhì)含量的變異系數(shù),分析空間區(qū)域單元之間土壤有機質(zhì)含量的變異性隨空間尺度增大而變化的規(guī)律。(1)土壤有機質(zhì)含量的特征各典型縣區(qū)內(nèi)部,土壤有機質(zhì)含量的變異系數(shù)變化于25%~135%之間,平均為73%。以典型縣區(qū)表層土壤有機質(zhì)平均含量進行算術(shù)平均,表層土壤有機質(zhì)平均含量為26.67g/kg,標準差為13.42g/kg,變異系數(shù)為50%。由此可以看出,以剖面為單元,統(tǒng)計的典型縣區(qū)土壤有機質(zhì)含量平均變異系數(shù)(73%)大于以縣區(qū)空間尺度為單元統(tǒng)計的變異系數(shù)(50%)。在省級尺度下,黑龍江省土壤有機質(zhì)含量最大,平均為64.64g/kg,山東省最小,平均為10.87g/kg(表1)。以剖面為統(tǒng)計單元,各省內(nèi)土壤有機質(zhì)含量的變異程度較大,最大值為180%,最小值為47%,平均為94%。以省為統(tǒng)計空間尺度單元,土壤有機質(zhì)含量的變異系數(shù)為40%。同樣,以剖面為統(tǒng)計單元獲得的省級空間區(qū)域單元內(nèi)部的土壤有機質(zhì)含量變異程度大于省級空間尺度單元之間的變異系數(shù)。根據(jù)《中國土種志》統(tǒng)計資料的分區(qū),分別對華東、東北、華北、中南、西北、西南6個大區(qū)內(nèi)所屬各省的土壤有機質(zhì)資料進行統(tǒng)計分析(表2)。以剖面為統(tǒng)計單元,各個大區(qū)土壤表層有機質(zhì)含量最大值為西南地區(qū),平均為46.61g/kg,最小值為華北地區(qū),平均為19.72g/kg。各大區(qū)以剖面為統(tǒng)計單元的土壤有機質(zhì)含量變異系數(shù)很大,平均達到112%。以各大區(qū)為統(tǒng)計單元,統(tǒng)計土壤有機質(zhì)含量的平均值為31.62g/kg,變異系數(shù)為31%,遠小于各大區(qū)內(nèi)部的變異系數(shù)?！吨袊练N志》2473個典型土壤剖面統(tǒng)計資料的表層土壤有機質(zhì)含量頻度分布如圖1,有機質(zhì)含量的平均值為31.54g/kg,大部分集中在5~60g/kg范圍內(nèi),占總樣本數(shù)的90%。以剖面為統(tǒng)計單元,全國區(qū)域尺度內(nèi)的土壤有機質(zhì)含量變異系數(shù)為127%,遠大于各省內(nèi)部乃至多數(shù)大區(qū)內(nèi)部的變異程度。將上述結(jié)果作圖可以清楚地看出(圖2),以剖面為統(tǒng)計單元,隨著空間尺度的增大,剖面數(shù)增加,尺度單元內(nèi)部土壤有機質(zhì)含量的變異系數(shù),從縣級的73%,依次增大到省級的94%,大區(qū)的112%和全國尺度的127%。相反,在確定的空間尺度單元下,單元間土壤有機質(zhì)的變異系數(shù)則隨著空間尺度的增大而下降,即:從縣級的50%逐漸下降到省級的40%和大區(qū)級的31%。縣級、省級和大區(qū)空間尺度下的組間差異都可以看成是全國尺度下的組內(nèi)差異。由此可見,在尺度轉(zhuǎn)換過程中,對低級尺度內(nèi)最基本單元概括而形成最初的區(qū)域基礎(chǔ)后,以此空間區(qū)域為基礎(chǔ)向高級空間尺度逐步遞進時,轉(zhuǎn)換的層次越多,其內(nèi)部的差異性減少越大。(2)土類表層有機質(zhì)含量特征根據(jù)《中國土種志》資料,以土類為單元進行統(tǒng)計分析,全國尺度下各種土類有機質(zhì)含量數(shù)值相差很大,其中灰化土土壤表層有機質(zhì)達到329.6g/kg,而龜裂土土壤表層有機質(zhì)只有2.70g/kg。全國所有土類表層土壤有機質(zhì)含量平均值為43.75g/kg,土類之間的變異系數(shù)達到147%,而各土類內(nèi)部變異系數(shù)較小,平均為65%。由于比較的基礎(chǔ)是土類,因此與以區(qū)域為基礎(chǔ)的組內(nèi)組間變化不同,如圖2所示。各土類組內(nèi)差異要小于組間差異,這是因為同一土類形成的氣候、環(huán)境等因素基本類似,而不同土類之間差異很大的氣候等自然影響因素造成了土類之間土壤有機質(zhì)含量很大的組間差異。(3)空間尺度對土壤剖面的影響在尺度轉(zhuǎn)換過程中,除了土壤有機質(zhì)含量的變異系數(shù)變化外,相關(guān)的土壤性質(zhì)基本上也表現(xiàn)出類似規(guī)律。如表3所示,3種尺度區(qū)域內(nèi)部組間差異均小于組內(nèi)差異。當(dāng)空間尺度擴大而隨之增加土壤剖面的累計時,全N含量,pH以及粘粒含量的變異系數(shù)增加。當(dāng)以低一級的區(qū)域為基礎(chǔ)向高級區(qū)域遞進時,各指標的變異系數(shù)隨之減小。對于各土類而言,相關(guān)土壤性質(zhì)的變化與有機質(zhì)含量的變化規(guī)律類似,基本上表現(xiàn)出組間差異大于組內(nèi)差異,但是,土壤粘粒含量組內(nèi)和組間的變化與土壤全N含量和pH不同。2對有機質(zhì)含量變化的影響對土壤有機質(zhì)產(chǎn)生影響的因素很多,其中土壤的相關(guān)性狀被作為眾多研究中的影響因子,在國外一些成熟的模型中,像CENTURY、ROTHC以及NCSOIL模型中考慮的影響因素基本上都包括土壤粘粒含量、N素含量、pH值等相關(guān)土壤性狀。這些機理性模型是以長期點位試驗為基礎(chǔ),通過結(jié)果的驗證,上述影響因子能夠較好地解釋有機質(zhì)的變化。當(dāng)這些機理模型用于評估具有一定空間區(qū)域尺度的土壤有機質(zhì)含量變化時,輸入?yún)?shù)不可能再從剖面單元中獲得,而是具有一定空間區(qū)域的平均值。即使以剖面為單元時,一些機理模型中的輸入變量與土壤有機質(zhì)含量具有很好的相關(guān)性,在該空間區(qū)域平均后,這些輸入變量不一定再與土壤有機質(zhì)含量具有相關(guān)性,即尺度發(fā)生變化,影響因子將會隨之變化。因此,研究和確定不同空間尺度下影響土壤有機質(zhì)含量的主導(dǎo)因素對于模型的運用是有重要意義的。(1)土壤有機質(zhì)含量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性表4是部分典型縣區(qū)的土壤性質(zhì)與有機質(zhì)含量的相關(guān)系數(shù)。可以看出,以剖面為統(tǒng)計單元,在土壤性質(zhì)中,總能找到與土壤有機質(zhì)含量具有較好相關(guān)性的指標,其中,土壤全N與土壤有機質(zhì)達到極顯著相關(guān)水平,這是已經(jīng)被大多研究學(xué)者早已確定的結(jié)論,也在各尺度中都能夠清楚地體現(xiàn)。表5是各省土壤有機質(zhì)含量與土壤性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)。大部分省區(qū)中,土壤pH值和土壤有機質(zhì)也均達到極顯著相關(guān)水平;在少數(shù)省區(qū)中土壤粘粒含量與土壤有機質(zhì)呈現(xiàn)極顯著相關(guān)水平,在大部分省區(qū)中幾乎沒有相關(guān)性。其余一些土壤性質(zhì)如全P、全K等在各省所表現(xiàn)出的與土壤有機質(zhì)的相關(guān)性各不相同。可以看出,省級尺度中的各個省內(nèi),與土壤有機質(zhì)具有較好相關(guān)性的指標一般有兩個以上,要好于各典型縣區(qū)中。累加若干省份的土壤剖面形成各個大區(qū),累加所有大區(qū)的土壤剖面而形成全國尺度,土壤各相關(guān)性質(zhì)與土壤有機質(zhì)的相關(guān)性也基本上和各省內(nèi)部類似。如表6所示,土壤pH值和土壤有機質(zhì)含量的相關(guān)系數(shù)總是能夠達到顯著或極顯著水平?？梢钥闯?如果在四種尺度下全都是在土壤剖面的基礎(chǔ)上研究有機質(zhì)與其它土壤性質(zhì)的相關(guān)性,尺度轉(zhuǎn)換所帶來的變化影響很小,在各種尺度下總能找到兩個以上指標與土壤有機質(zhì)具有較好的相關(guān)性。剖面數(shù)增加能夠更好地反映其內(nèi)部的相關(guān)性。(2)土壤有機質(zhì)與土壤質(zhì)量的相關(guān)性如果不是以剖面數(shù)累加為基礎(chǔ),而是把低一級的空間區(qū)域作為更高一級尺度的基礎(chǔ)時,土壤有機質(zhì)含量與其它土壤性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系就會發(fā)生不同的變化。由于在各省內(nèi)只獲得一個典型縣區(qū)資料,因此在尺度擴展中只考慮省、大區(qū)和全國這三種尺度。如表7所示,在以地區(qū)內(nèi)部各省為基礎(chǔ)的大區(qū)尺度下,土壤有機質(zhì)與全N的相關(guān)系數(shù)基本達到顯著水平,很少達到極顯著的水平,與各自的省級尺度中的相關(guān)性顯示出明顯的區(qū)別。土壤其它性質(zhì)幾乎沒有什么指標與土壤有機質(zhì)的相關(guān)性達到顯著水平。這與省級尺度內(nèi)眾多的土壤性質(zhì)指標與土壤有機質(zhì)達到顯著、極顯著水平顯示出很大的差異,同樣與直接累加得到大區(qū)尺度下的相關(guān)性也表現(xiàn)出明顯的差異。在全國尺度下分析土壤有機質(zhì)與土壤其他性質(zhì)的相關(guān)性,在以29個省(直轄市)為基礎(chǔ)單元計算時,與土壤有機質(zhì)含量有較好相關(guān)性的指標很少,達到極顯著水平的只有土壤全N和粘粒含量;在以6個大區(qū)為基礎(chǔ)單元計算時,僅僅只有土壤全N這一個指標和土壤有機質(zhì)含量具有較好的相關(guān)性,達到了極顯著水平?？梢钥闯?在全國空間尺度中,與土壤有機質(zhì)具有較好相關(guān)性的土壤性質(zhì)較少,特別是在以大區(qū)空間尺度為計算基礎(chǔ)時,只有土壤全N能夠較好的反映出與土壤有機質(zhì)的相關(guān)關(guān)系。可見,隨著以區(qū)域為基礎(chǔ)的空間尺度擴展,與土壤有機質(zhì)含量具有較好相關(guān)關(guān)系的土壤性質(zhì)越來越少。無論在土壤剖面累加的基礎(chǔ)上,還是在區(qū)域空間基礎(chǔ)上進行的尺度擴展,如果分別按照各個指標與有機質(zhì)的關(guān)系,作一元線性回歸分析,除了土壤全N能夠解釋80%以上的差異外,其余指標能夠解釋的部分就很少。因此對于在尺度擴展過程中土壤有機質(zhì)的變異,特別是在大區(qū)域尺度下,應(yīng)該更多地考慮土壤性質(zhì)以外的影響因子。(3)土壤有機質(zhì)含量與土壤質(zhì)量的關(guān)系對各種土類而言,類似于各區(qū)域尺度,在其它土壤性質(zhì)中總能夠找到兩個以上指標和有機質(zhì)具有較好的相關(guān)關(guān)系,但達到極顯著水平并能夠充分解釋土壤有機質(zhì)含量變異的仍然只有土壤全N。3空間區(qū)域單元內(nèi)以剖面為單元的空間尺度轉(zhuǎn)換根據(jù)土壤有機質(zhì)在不同尺度內(nèi)的變異情況,可以看出,兩種方式下的空間尺度擴展得到的結(jié)果完全不同。在不同尺度下土壤有機質(zhì)含量變異性的改變十分明顯,土壤其它性質(zhì)的變異性也具有類似的規(guī)律。對于土壤這樣一個不均勻的歷史自然體而言,如果同樣的樣本數(shù)分布在大小不同的空間區(qū)域,那么大區(qū)域中的變異系數(shù)就會超過小區(qū)域內(nèi)的結(jié)果;而對于同一區(qū)域,在一定限度內(nèi),剖面數(shù)的增多會增加變異性。在此借用魯學(xué)軍等的地理空間結(jié)構(gòu)模式(圖3)討論土壤有機質(zhì)含量變異程度隨空間區(qū)域尺度的變化。用虛線人為劃定不同尺度下的區(qū)域空間單位界線。圖中最小的實心圓點代表最基本的實體單元——土壤剖面。不考慮圖中的虛線空間區(qū)域,各個尺度的變異基礎(chǔ)都是土壤剖面,它們之間的區(qū)別僅僅是大空間區(qū)域內(nèi)的土壤剖面數(shù)遠遠多于小空間區(qū)域,并且小區(qū)域內(nèi)的土壤剖面屬于大區(qū)域內(nèi)的一部分。在這種方式下的空間尺度擴展,其變量的變異程度隨著樣本數(shù)的增加而增加。以圖中的虛線空間區(qū)域為基礎(chǔ)逐步進行尺度擴展時,各尺度的變異基礎(chǔ)不同,最底層的縣級尺度以土壤剖面為基礎(chǔ),隨著尺度擴展,高層空間尺度的變異以低層空間區(qū)域為基礎(chǔ),基礎(chǔ)單位內(nèi)部的變異被掩蓋,這種方式下的空間尺度擴展,其變量的變異程度隨空間區(qū)域的擴大而降低。在實際空間尺度轉(zhuǎn)換過程中,像大區(qū)、全國這樣的大尺度下,雖然使用最基本的實體統(tǒng)計單元能保證變異基礎(chǔ)的統(tǒng)一性,但是大的空間區(qū)域需要很大量的樣本數(shù),并不切合實際。高層空間尺度往往包括了多個層次的空間區(qū)域,如果按照層次依次擴展,其結(jié)果就會大大降低原有的差異性,如果在多個層次中選擇合適的區(qū)域空間尺度作為高層空間尺度的計算基礎(chǔ),既可以避免樣本數(shù)不足的問題,又可以在某種程度上體現(xiàn)出內(nèi)部的差異性。從上述表層土壤有機質(zhì)含量變異系數(shù)隨空間區(qū)域尺度和統(tǒng)計單元空間區(qū)域尺度的變化而變化的規(guī)律可以看出,以網(wǎng)格法或行政區(qū)域劃分空間區(qū)域時,由于空間區(qū)域單元內(nèi)以剖面為單元統(tǒng)計的土壤有機質(zhì)含量的變異性較大,因此,精確評估此空間區(qū)域單元內(nèi)土壤有機質(zhì)含量需要較大的剖面數(shù)。但是,由于以此空間區(qū)域單元為統(tǒng)計單元時,此空間區(qū)域單元之間的土壤有機質(zhì)含量變異性較小,因此,如果能夠獲得全國典型區(qū)域的有機質(zhì)含量,則由此外推其它數(shù)據(jù)缺乏的空間區(qū)域,則可以獲得不確定相對較小的估算值。這也足以說明小尺度范圍內(nèi)的大量不確定性及其估算的較大誤差將會在空間尺度不斷擴展過程中得到無限延伸,由此會引發(fā)對變量在大空間區(qū)域估計的極大不確定性。相反,以生物、氣候、土壤、利用方式等屬性的相似性劃分