農(nóng)田土壤采樣與空間變異性研究農(nóng)田土壤采樣與空間變異...

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1、農(nóng)田土壤采樣與空間變異性研究農(nóng)田土壤采樣與空間變異性研究張玉銘欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站報(bào)告提綱一、研究背景及意義二、地統(tǒng)計(jì)學(xué)原理簡(jiǎn)介三、農(nóng)田土壤空間變異性研究案例1．農(nóng)田土壤樣品采集2．經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析3．土壤養(yǎng)分的空間變異結(jié)構(gòu)4．討論與小結(jié)一、研究背景及意義1．農(nóng)田土壤合理采樣的重要性土壤是復(fù)雜的歷史自然實(shí)體，其屬性在空間上的不均勻分布（空間變異性）有其獨(dú)立性和不確定性(隨機(jī)性)，即必然性和偶然性。農(nóng)田土壤性質(zhì)（如養(yǎng)分、水分）空間變異性是進(jìn)行農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)和實(shí)施精確耕作管理的主要障礙之一。土壤養(yǎng)分含量的非均一性分布會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量空間變化，

2、因而可靠的土壤采樣方式是精確的土壤特征化診斷辯識(shí)的先決條件。進(jìn)行土壤空間變異性研究對(duì)推動(dòng)土壤科學(xué)定量化研究與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施具有重要意義。一、研究背景及意義2.基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法土壤特性空間變異性研究進(jìn)展（1）自60年代起尤其80年代以后，土壤屬性空間變異性的研究日益受到重視。逐漸成熟的地統(tǒng)計(jì)學(xué)，能定量認(rèn)識(shí)土壤空間變異性，使土壤變異性評(píng)價(jià)成為制定土壤采樣方案和預(yù)示未采樣點(diǎn)的一個(gè)新途徑或基本步驟?；诘亟y(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究土壤特性空間變異性，可為確定田間合理取樣尺度和取樣數(shù)目，為土壤過(guò)程的預(yù)測(cè)、模擬更接近農(nóng)田土壤變化的實(shí)際情況提供有效途徑，使人們能

3、夠更好地理解空間作用對(duì)土壤作物關(guān)系的重要性，而這些信息的定量化正是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)開(kāi)展、實(shí)施不可或缺的基礎(chǔ)資料和理論依據(jù)。一、研究背景及意義2.基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法土壤特性空間變異性研究進(jìn)展（2）不同水平和空間尺度的土壤空間變異性研究國(guó)內(nèi)外已有大量報(bào)道。自1963年Andrew等研究土壤性質(zhì)變異性開(kāi)始，國(guó)外學(xué)者先后應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究土壤水性質(zhì)的空間變異特征、作物產(chǎn)量空間變異性及其與土壤特性空間變異特征、環(huán)境因素的結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)關(guān)系、土壤物理化學(xué)性質(zhì)和景觀制圖單元的分類學(xué)構(gòu)成上的變異性等等。國(guó)內(nèi)土壤性質(zhì)變異性的研究八十年代起已有開(kāi)展，雷志棟(198

4、5,1988)、陳志雄(1988)、呂軍(1990)、李鴻杰(1993)、周慧珍(1996)、李保國(guó)(1998)等大部分研究針對(duì)土壤物理學(xué)方面，引導(dǎo)并推動(dòng)了學(xué)科發(fā)展，尤其集中在土壤水分運(yùn)動(dòng)變異性上。進(jìn)入21世紀(jì)，區(qū)域性土壤空間變異性相關(guān)研究報(bào)道大量涌現(xiàn)。二、地統(tǒng)計(jì)學(xué)原理簡(jiǎn)介1．基本概念?區(qū)域化變量(RegionalizedVariable)是在空間上與其位置有關(guān)的變量。區(qū)域化變量的變化遵循一定的規(guī)律并與其所處的空間位置相對(duì)應(yīng)。?區(qū)域化變量同時(shí)具有空間分布結(jié)構(gòu)性與隨機(jī)性，區(qū)域化變量理論是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的基礎(chǔ)二、地統(tǒng)計(jì)學(xué)原理簡(jiǎn)介2．具體內(nèi)容地統(tǒng)計(jì)

5、學(xué)分析包括兩個(gè)方面：以半方差函數(shù)為基本工具，描述區(qū)域化變量結(jié)構(gòu)性與隨機(jī)性；以克里格法為基本方法，給出有限區(qū)域內(nèi)區(qū)域化變量的最佳無(wú)偏估計(jì)量。二、地統(tǒng)計(jì)學(xué)原理簡(jiǎn)介3．分析方法?自相關(guān)(autocorrelation)分析3．分析方法?自相關(guān)(autocorrelation)分析土壤屬性具有空間自相關(guān)性，自相關(guān)系數(shù)ρ(h)是描述隨機(jī)函數(shù)Z(x)在空間位置上自相關(guān)程度的統(tǒng)計(jì)量，定義為：ρ(h)=E{[Z(x)-μ][Z(x+h)-μ]}/σ2,其計(jì)算式為：?[Z(xi)?Z(x)][Z(xi?h)?Z(x)]?(h)?22[Z(x)?Z(x)]

6、?[Z(x?h)?Z(x)]?i?iZ(x)、Z(x+h)為位置x、x處某性質(zhì)測(cè)定值，h為樣本間距，μ為總ii+h體均值，σ2為總體方差。ρ(h)的范圍在[-1，1]之間。ρ(h)數(shù)值大小反映隨機(jī)變量Z(x)相關(guān)程度強(qiáng)弱，ρ(h)愈大，Z(x)自相關(guān)性愈好，反之愈差3．分析方法?半方差(semivariogram)分析半方差函數(shù)(或稱半變異函數(shù))分析是另一種解釋土壤屬性空間結(jié)構(gòu)(關(guān)系)的方法，半方差函數(shù)計(jì)算和模擬被認(rèn)為是地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究的核心。半方差函數(shù)定義為區(qū)域化變量Z(x)的增量[Z(x+h)-Z(x)]方差的一半，即：?(h)?(1/

7、2)Var[Z(x?h)?Z(x)]其計(jì)算式：N(h)12?(h)??[Z(xi)?Z(xi?h)]2N(h)i?1式中h為樣本間距，又稱位差(lag)；N(h)是間距為h的樣本“成對(duì)(pair)”數(shù)目。?半方差函數(shù)理論模型半方差圖由一系列離散點(diǎn)構(gòu)成，可根據(jù)其形狀用直線或曲線方程擬合，這種方程即為半方差函數(shù)理論模型。在土壤科學(xué)中常用到多種理論模型，如球狀(spherical)、指數(shù)(exponential)、雙曲線(hyperbola)、高斯(Gaussian)、線性(linear)、乘冪(power)等模型。h：樣本間距C：塊金系數(shù)：

8、間距h=0時(shí)的半方差0C：結(jié)構(gòu)方差C+C：基臺(tái)值(又稱平頂值或頂坎)，0半方差隨著間距遞增到一定程度后，出現(xiàn)的平穩(wěn)值A(chǔ)：變程：又稱極限距離，使半方差達(dá)到基臺(tái)值時(shí)的樣本間距圖中：1-1無(wú)基臺(tái)線性模型1-2有基