內(nèi)蒙古土壤pH值_粘粒和有機(jī)質(zhì)含量的空間結(jié)構(gòu)特征_徐尚平

2024年4月1日發(fā)(作者：種子的信仰)

第32卷第4期

土 壤 通 報(bào)

Vol.32,No.4

Aug,20012001年8月

ChineJournalofSoilScience

文章編號(hào):0564-3945(2001)04-0145-04

內(nèi)蒙古土壤pH值、粘粒和有機(jī)質(zhì)含量的空間結(jié)構(gòu)特征

徐尚平,陶 澍,曹 軍

(北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)系,北京 100871)

摘 要:采用半方差函數(shù)和普通克里格方法分析了內(nèi)蒙古地區(qū)土壤pH、粘粒和有機(jī)質(zhì)含量的空間結(jié)

構(gòu)特征.結(jié)果表明,內(nèi)蒙古土壤pH、粘粒和有機(jī)質(zhì)含量的空間結(jié)構(gòu)特征可以用線性半方差函數(shù)模型加以描

述,且具有明顯的各向異性.插值結(jié)果顯示,它們的空間變異尺度與土類分布具有較好的一致性.內(nèi)蒙古地

區(qū)土壤pH值表現(xiàn)為自東向西逐漸升高的趨勢,而粘粒和有機(jī)質(zhì)含量測沿同一方向逐漸降低.表生地球化

學(xué)作用的空間變異是決定內(nèi)蒙古土壤上述參數(shù)分布特征與尺度的主要因素.

關(guān) 鍵 詞:土壤;半方差函數(shù);克里格分析;pH;有機(jī)質(zhì);粘粒

中圖分類號(hào):S153 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1 前 言

土壤pH值、粘粒和有機(jī)質(zhì)含量是土壤發(fā)育過程

中各種表生地球化學(xué)作用綜合影響的體現(xiàn),也是影響

土壤微量元素含量分布的重要因素

[1]

.對土壤pH、粘

粒和有機(jī)質(zhì)含量空間結(jié)構(gòu)的探討不僅有助于闡明各種

因素對它們的作用方式和程度,也有助于了解微量元

素含量的空間分布特征的成因.地統(tǒng)計(jì)學(xué)的提出是以

礦床儲(chǔ)量和礦石品位的精確估計(jì)為目的的.以空間結(jié)

構(gòu)為基礎(chǔ),以區(qū)域化變量為核心,以半方差函數(shù)為工具

的地統(tǒng)計(jì)學(xué)在包括土壤科學(xué)和環(huán)境科學(xué)的許多領(lǐng)域中

得到了廣泛應(yīng)用.這樣的研究不僅針對土壤微量元

素

[2-5]

,也涉及土壤基本理論參數(shù).譬如,Dobbermann

等對菲律賓某地土壤pH值進(jìn)行的空間分析,探討其

小尺度空間變異及其與地形和人為因素的關(guān)系

[6]

.

迄今為止,關(guān)于土壤常規(guī)理化參數(shù)空間結(jié)構(gòu)的研

究多集中在中小尺度.本研究則嘗試在百-千公里尺

度上分析了內(nèi)蒙古土壤粘粒、有機(jī)質(zhì)含量和pH值的

空間變異特征.

本研究在內(nèi)蒙古地區(qū)349個(gè)樣點(diǎn)采集了A、B、C

三層土壤樣品.土樣經(jīng)自然晾干,人工碾碎后剔除動(dòng)植

物殘?bào)w,過20目篩后進(jìn)行土壤粘粒含量和pH測定.

上述樣品用瑪瑙研磨機(jī)研細(xì)過150目篩后用于有機(jī)質(zhì)

含量測定,測定方法同有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

[7]

.

地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)研究非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致比例

效應(yīng),從而影響分析結(jié)果的可靠性.先期分析結(jié)果表

明,各層土壤的pH值,有機(jī)質(zhì)和粘粒含量均不符合正

態(tài)分布,因此,對有機(jī)質(zhì)和粘粒含量數(shù)據(jù)作角變換,對

pH值作Box-Cox變換(三層分別取冪值119、314和

313).本研究采用美國國家環(huán)保局主持編寫的GEO

-EAS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,插值等值線圖采用

Surfer實(shí)現(xiàn).研究變量沿某一方向半方差函數(shù)的計(jì)算

按照J(rèn)ournelAG

[8]

提出的公式,且角度域值均為

2215b.例如,假設(shè)自西向東為0b,由南向北為90b,則如

果空間兩點(diǎn)構(gòu)成的矢量位于以東西向?yàn)橹鬏S,左右偏

差分別2215b的區(qū)域內(nèi),則認(rèn)為這一矢量的方向?qū)贃|西

向.因此,實(shí)際上通過選擇2215b的域值把二維空間分

為四個(gè)獨(dú)立的區(qū)域.

[9]

[8]

2 研究區(qū)域與研究方法

研究地區(qū)包括內(nèi)蒙古自治區(qū)全境,位于蒙古高原

東南部及周沿地帶,介于北緯37b24c-53b20c,東經(jīng)97b

10c-126b04c之間.大部分屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,

大興安嶺北段屬寒溫帶大陸性氣候.水熱條件自東向

西呈濕潤、半濕潤、半干旱、干旱和極干旱帶狀分布.由

于地理環(huán)境、氣候生物等因素的差異,該地區(qū)土壤呈明

顯經(jīng)向分異特征.自東向西依次分布黑土、暗棕壤、黑

鈣土、栗鈣土、棕鈣土、棕漠土和灰漠土.部分地區(qū)有褐

土、灰鈣土、草甸土和風(fēng)沙土分布.

3 結(jié)果與討論

311 土壤粘粒、有機(jī)質(zhì)和pH均值和縱向分異

本研究先對變換后數(shù)據(jù)求均值,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)逆

變換得到各變量的均值.研究地區(qū)土壤A、B、C三個(gè)發(fā)

生層有機(jī)質(zhì)平均含量分別為2164%、1111%和

0170%,粘粒含量分別為9132%、15125%、9158%,pH

值為717、719和810.其中有機(jī)質(zhì)含量在表層富集,粘

粒在淀積層最高,而pH值逐層升高,分別反映了成土

過程中強(qiáng)烈的腐殖化、粘化和鈣積化過程.

收稿日期:

1999-09-19

基金項(xiàng)目:

國家杰出青年基金(4952102)資助

作者簡介:

徐尚平(1973-)男,山東五連人,碩士,主要從事環(huán)境地球化學(xué)和空間分析方面的研究.

146 土 壤 通 報(bào) 32卷

表1內(nèi)蒙古土壤各層有機(jī)質(zhì)、粘粒含量

及pH值半方差函數(shù)擬合結(jié)果

土壤

層次

A層

變量

有機(jī)質(zhì)

粘粒

pH值

有機(jī)質(zhì)

粘粒

pH值

有機(jī)質(zhì)

粘粒

pH值

塊金

常數(shù)

0.0031

0.008

6

0.0016

0.003

4000

0.002

0.012

2800

類型

線性

線性

線性

線性

球狀

線性

線性

線性

線性

模 型

變程

>1000

>1000

>1000

>1000

200

>1000

>1000

>1000

>1000

基臺(tái)值

0.01

0.0072

41

0.005

0.009

15000

0.0032

0.019

11000

312 空間結(jié)構(gòu)的宏觀特征

為了從總體上分析內(nèi)蒙古地區(qū)土壤的pH值、粘粒

和有機(jī)質(zhì)含量的空間結(jié)構(gòu)特征,分別用變換后數(shù)據(jù)計(jì)算

了土壤不同發(fā)生層pH值、粘粒和有機(jī)質(zhì)含量的實(shí)驗(yàn)半

方差函數(shù),并采用最小二乘法對其進(jìn)行了擬合.所有擬

合參數(shù)列于表1.除B層土壤的粘粒含量的空間半方差

函數(shù)可以用球狀模型加以描述外,其余變量的實(shí)驗(yàn)半方

差函數(shù)均表現(xiàn)出線性特征.圖1列出了土壤A層pH

值、粘粒和有機(jī)質(zhì)含量的實(shí)驗(yàn)和擬合半方差函數(shù).

如圖1所示,在不考慮各向異性特征時(shí),所有實(shí)驗(yàn)

半方差函數(shù)均可用塊金效應(yīng)和線性模型來表示,且其

B層

C層

圖1 土壤A層pH值,有機(jī)質(zhì)和粘粒含量實(shí)驗(yàn)及理論半方差函數(shù)

圖2 內(nèi)蒙古表層土壤中粘粒、有機(jī)質(zhì)含量和pH值的帶狀各向異性

4期 徐尚平等:內(nèi)蒙古土壤pH值、粘粒和有機(jī)質(zhì)含量的空間結(jié)構(gòu)特征

空間變程均在1000km以上.這說明,內(nèi)蒙及周邊地區(qū)

土壤pH值、有機(jī)質(zhì)和粘粒含量的空間規(guī)律變化的范

圍在1000km以上,對它們空間變程的確定需要在更

大尺度上進(jìn)行采樣和分析.不可否認(rèn),母質(zhì)、地形、人類

影響等因素可以造成土壤粘粒、有機(jī)質(zhì)含量和pH值

的小尺度空間變異.但本研究采用的采樣密度(百公里

以上)專門用來揭示百分里以上尺度的空間變異特征.

計(jì)算結(jié)果說明,普遍存在的塊金效應(yīng)可能與小尺度(如

母質(zhì))變異有關(guān).另一方面,塊金效應(yīng)也可能在某種程

度上反映了實(shí)驗(yàn)誤差的影響.

313 宏觀空間結(jié)構(gòu)的方向性特征

為了進(jìn)一步探明內(nèi)蒙古地區(qū)土壤粘粒和有機(jī)質(zhì)含

量以及pH值沿不同方向的空間變異特征,分別計(jì)算

了它們沿南-北,東-西,西北-東南以及東北-西南

方向的半方差函數(shù).不同發(fā)生層的計(jì)算結(jié)果相似,均表

現(xiàn)出明顯的帶狀各向異性.僅以土壤A層為例,其結(jié)

果如圖2所示.

Trangmar對印度尼西亞WestSumatra地區(qū)土壤

中的粘粒含量和pH的空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行的分析表

明,二者的空間變異具有明顯的各向異性的特點(diǎn)

[10]

.

但該研究僅針對小尺度的變異,其空間結(jié)構(gòu)中的各向

異性反映了研究地區(qū)母質(zhì)、地形等小尺度局地條件的

影響.相比之下,本研究中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)特征及方向性變

異則代表地帶性水熱條件的變異.

內(nèi)蒙古地區(qū)位于我國溫帶季風(fēng)性氣候區(qū)和溫帶大

陸性氣候區(qū)的交界處,水熱條件沿東南-西北方向變

化梯度最大,表現(xiàn)為典型的經(jīng)向地帶性分異,這樣的分

147

異決定了內(nèi)蒙土壤類型的大尺度的東北-西南向遞

變.有關(guān)研究曾采用獨(dú)立方差計(jì)算證明土類是影響內(nèi)

蒙地區(qū)草原土壤理化性質(zhì)參數(shù)經(jīng)向分異的主導(dǎo)因

素

[11]

.本研究的結(jié)果同樣顯示,內(nèi)蒙地區(qū)土壤理化參

數(shù)沿東北-西南方向具有最大變程(1000km左右),而

沿與之垂直的西北-東南方向的變程卻相當(dāng)短([

400km).這一現(xiàn)象與內(nèi)蒙地區(qū)土壤類型的空間分布模

式是一致的.

314 空間插值

在空間結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上,對內(nèi)蒙地區(qū)土壤各類

層次粘粒、有機(jī)質(zhì)含量和pH值變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了

克里格插值.A層土壤中各變量及B層土壤有機(jī)質(zhì)含

量的插值結(jié)果在圖3中列出.值得指出的是,對變換后

數(shù)據(jù)進(jìn)行的空間分析的結(jié)果無法直接用于各區(qū)域化變

量的空間插值,因?yàn)椴逯到Y(jié)果取決于塊金常數(shù)和方差,

而本研究中半方差函數(shù)的計(jì)算又基于變換后的數(shù)據(jù).

我們在圖中建立了原始數(shù)值與變換后數(shù)值的映射表以

利于結(jié)果的分析及與其他研究結(jié)果的比較.

顯然,各變量均表現(xiàn)為自東向西的漸變趨勢,其中

土壤有機(jī)質(zhì)和粘粒含量自東向西逐漸降低,而土壤pH

值則沿東西向逐漸升高.Yost對夏威夷地區(qū)土壤pH

和區(qū)域降水量進(jìn)行的空間分析結(jié)果顯示,降水量對土

13]

壤pH值具有重要影響

[12、

.而內(nèi)蒙地區(qū)各層次土壤

中粘粒、有機(jī)質(zhì)含量以及土壤pH的空間分布模式與

內(nèi)蒙地區(qū)水熱條件的漸變規(guī)律和土類的空間變異特征

相一致.這說明,表生地球化學(xué)作用是影響內(nèi)蒙地區(qū)土

壤粘粒、有機(jī)質(zhì)含量和pH值的主要因素.

4 結(jié) 論

圖3 內(nèi)蒙古表層土壤有機(jī)質(zhì)含量、粘粒含量和pH值的克里格插值圖

值則逐漸升高.總體而言,內(nèi)蒙土壤pH值、粘粒和有

機(jī)質(zhì)含量的空間結(jié)構(gòu)特征可以用線性模型加以描述,

具有明顯的各向異性,其空間變異的尺度與土類分布

特征基本一致.表生地球化學(xué)作用則是決定內(nèi)蒙土壤

內(nèi)蒙古地區(qū)B層土壤中粘粒含量高于A、C兩層;

有機(jī)質(zhì)含量從土壤表層到底層逐漸下降,而土壤pH

148 土 壤 通 報(bào) 32卷

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上述三個(gè)理化參數(shù)空間分布的主要因素.

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SpatialStructurePatternofSoilpH,ClayAndOrganic

MatterContentsintheInnerMongoliaArea

XUShang-ping,TAOShu,CAOJun

(DepartmentofUrbanandEnvironmentalScience,PekingUniversity,Beijing100871,China)

Abstract:

Spatialdistributionpatternofclay,organicmattercontentsandpHofsoilsintheInnerMongoliaAreawas

iogramsoftheparameterswerewelldepictedbyalinear

tialdistributionpatternsofsoil

pH,clayandorganicmattercontentsmatchthechangeinsoilclasswestwards.

Keywords:

Soil;Variogram;Kriging;pH;Clay;Organicmatter