基于地形起伏度的滁州市土壤有機質變異特征分析

陶前輝

摘 要：基于地形起伏度，運用窗口分析法、半方差函數(shù)模型法等方法分析滁州市土壤有機質的空間分布特征。結果表明，地形起伏度與土壤有機質具有顯著相關性;滁州市在該數(shù)據(jù)源下的最佳分析窗口尺度為91×91，最佳統(tǒng)計面積為7.46km2;SOM的變異系數(shù)為34.0%，屬中等變異強度，塊金效應值C/（C0+C）為17.0%，具有較高的空間相關性，SOM含量空間變異具有一階趨勢和各向異性。

關鍵詞：土壤有機質;DEM;滁州市

中圖分類號 K901文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）01-0095-03

土壤有機質空間變異的研究是農(nóng)作物用地質量評價、植物的生長以及農(nóng)業(yè)潛力分析預測的重要基礎，而土壤有機質的含量是衡量土壤肥力和耕地質量的重要指標。通過研究和分析土壤有機質空間變異可以為相關環(huán)境研究提供參考，為培肥地力，提高作物產(chǎn)量提供重要指導。地形是影響土壤有機質空間變異的一個重要因素，而地形起伏度是反映地形特征的一個重要參數(shù)，目前基于地形起伏度的研究已廣泛應用于人口和經(jīng)濟領域，但基于地形起伏度對土壤有機質的空間變異特征的研究較少。本研究選取安徽省滁州市為研究區(qū)，該地區(qū)位于長江流域農(nóng)業(yè)區(qū)且地形相對豐富具有典型性，通過常規(guī)統(tǒng)計、地統(tǒng)計和地理信息系統(tǒng)（GIS）相結合的方法對滁州市土壤有機質含量的空間變異規(guī)律進行綜合分析。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源 數(shù)據(jù)主要為Aster GDEM（分辨率為30m）、滁州市土壤有機質數(shù)據(jù)（共191個樣本點，自滁州土種志）。

1.2 分析方法

1.2.1 地形起伏度 地形起伏度是指在一定區(qū)域單元內，海拔高度的最高點與海拔高度的最低點的差值。地形起伏幅度是描述一個地區(qū)地形特征的宏觀指標，同時也作為劃分地貌類型的一個重要指標。其公式如下：

2 結果與分析

2.1 最佳地形起伏單元的確定 地形起伏度作為劃分地貌類型的一個重要指標，對于同一地區(qū)而言，不同的DEM數(shù)據(jù)類型，不同的分辨率DEM，所使用的最佳單元大小也不同[1]。鄰域單元是影響地形起伏計算精度的一個重要因素，通常情況下地形起伏度會隨著鄰域范圍的增加而不斷增大，當鄰域范圍增加到一定閾值后地形起伏度會趨向于平穩(wěn)，因此基于鄰域計算地形起伏度時應該不斷擴大鄰域范圍計算不同尺度下的地形起伏度。目前應用最廣泛的方法是規(guī)則窗口遞增法[2]?；谝?guī)則窗口遞增法，以n×n（n=3，7，11……111）增加步長為4柵格矩形作為模板算子，3×3作為起始窗口，對整個研究區(qū)域做遍歷運算，到111×111終止。計算柵格分析窗口內的高程差，所得的高程差值即為柵格分析窗口的地形起伏度值。通過人工作圖法確定最佳窗口[3]。使用窗口大小和地形起伏度進行回歸分析，并提取擬合度最好的2條擬合曲線，如圖1。

由圖1可知，利用對數(shù)模型和多項式模型對地形起伏度與領域尺度進行擬合，其中對數(shù)模型擬合效果最好，其次為多項式模型，擬合方程分別為y=71.927ln（x）+9.671，y=-0.0333x2+5.4747x+111.98。地形起伏度隨著領域單元的增大而增大，當鄰域單元尺度達到一定閾值后增幅變緩地形起伏度開始逐漸趨向于平穩(wěn)。鑒于閾值不明顯，故采用2個擬合度最好的擬合曲線在地形起伏度趨于平穩(wěn)后的交點為最佳鄰域單元尺度，即鄰域尺度為91*91時，開辟一個2.73km*2.73km大小的柵格區(qū)作為操作單元較為合適。

2.2 有機質的空間變異 在地形起伏度的基礎上，并結合ArcGIS、GS+和SPSS等軟件對地形起伏度和有機質的空間變異關系進行計算和相關分析，揭示地形起伏度和土壤有機質的關系。

2.2.1 正態(tài)分布檢驗及SOM統(tǒng)計特征分析 通過ArcGIS地統(tǒng)計模塊（Geostatistical Analyst）將測試樣本數(shù)據(jù)的分位數(shù)與已知分布相比較從而檢驗數(shù)據(jù)的分布情況。結果顯示，Q-Q圖上的點近似的分布在1條直線附近，說明該樣本數(shù)據(jù)分布呈正態(tài)分布。

通過對研究區(qū)域SOM的測試數(shù)據(jù)進行常規(guī)統(tǒng)計學分析得到研究區(qū)域SOM的變異系數(shù)為34.0%，結合CV的評估標準（當CV小于0.1時，為弱變異程度，當CV值在0.1到1之間時，為中等變異程度，當CV大于1為強變異程度）由此可知研究區(qū)域SOM空間變異程度為中等變異程度。

2.2.2 半方差模型分析 運用GS+軟件對研究區(qū)土壤有機質含量進行變異函數(shù)擬合，根據(jù)比較標準：決定系數(shù)R大，殘差RSS小，最終選擇線性模型，如表1所示。

表1中C0表示純塊金方差，C0+C表示基臺值。塊金值與基臺值的比值用C/（C0+C）表示即空間相關度，表示可度量空間自相關的變異所占的比例，表明系統(tǒng)變量的空間相關性的程度。當比值小于25%時，表明系統(tǒng)具有非常強烈的空間相關性：如果比例在25%～75%之間時，表明系統(tǒng)具有中等水平的空間相關性;若大于75%時，表明系統(tǒng)的空間相關性很弱。塊金值與基臺值的比值越高，說明樣本間的變異主要是由隨機性因素引起的。

由表1可知，塊金值與基臺值的比值C/（C0+C）小于25%，表明系統(tǒng)具有較強的空間相關性，其結構性因子是引起其空間變異的主要因素，而隨機性因子影響較小。

2.3 土壤有機質空間分布特征 通過克里格插值法對土壤有機質含量進行空間插值，得到滁州市土壤有機質空間分布圖，如圖2所示。由圖2可知，滁州市土壤有機質空間分布并不均勻，各向異性明顯?？傮w上，東南方向上有機質含量較高，而西北方向上有機質含量較小，這可能與降水量東多西少，南多北少以及西高東低的地勢等因素有關。有機質含量較高的區(qū)域位于東北和東南部，即高郵湖及沿江平原地區(qū)，該地區(qū)地勢相對較低是承接水土流失主要的匯集區(qū)再加上良好的水熱條件導致土壤有機質含量較高。低值的分布位置總體上與地形起伏度較高的地區(qū)相吻合。地形起伏度高，坡度較大，雨水沖刷所導致的水土流失越嚴重再加上滁州市丘陵地區(qū)土層薄從而導致地形起伏度高的地區(qū)土壤有機質含量偏低。

2.4 地形起伏度與土壤有機質的變異特征 基于滁州市DEM數(shù)據(jù)處理得到的最佳地形起伏度影像圖并與土壤有機質樣本點數(shù)據(jù)進行疊加，如圖2所示。通過spatial analyst tools模塊將地形起伏度屬性賦予對應的點。即生成地形起伏度和有機質含量的合成數(shù)據(jù)。

由表2可知：當?shù)匦纹鸱茸畹蜁r有機質含量達到最大，當?shù)匦纹鸱茸畲髸r所對應的有機質含量最低。其中第1組（即地形起伏度為0～20m）的有機質含量與其它組所對應的有機質含量相比含量較高，因為當?shù)匦纹鸱容^小時主要為耕地地區(qū)和河流地區(qū)，該地區(qū)為水土流失匯集區(qū)且水分充足所以含量相對較高。第2和第3組即起伏度在21～80m時有機質含量平均值不變，表明在該地形起伏度范圍內有機質含量較為平穩(wěn)均衡?？傮w上地形起伏度小的地區(qū)有機質含量較高，當?shù)匦纹鸱仍龃髸r有機質含量呈較少趨勢。

通過對滁州市地形起伏度與土壤有機質的關系進行擬合，其橫坐標為各組地形起伏度的平均值，縱坐標為相對應的有機質含量，這樣能更真實的反應數(shù)據(jù)情況，如圖3所示。地形起伏度與土壤有機質的最優(yōu)擬合曲線為指數(shù)擬合曲線：y=1.9299e-0.003x，判定系數(shù)0.9476，擬合效果好，表明在總體上地形起伏度與土壤有機質的含量呈負相關關系。

3 結論

本研究利用Aster GDEM和滁州市土壤有機質含量數(shù)據(jù)，基于ArcGIS與GS+平臺進行分析，結果表明，基于30m分辨率的Aster GDEM數(shù)據(jù)，采用鄰域分析方法開辟鄰域尺度為91×91，面積為7.46km2柵格區(qū)作為操作單元較為合適。通過土壤有機質的空間變異分析得出研究區(qū)土壤樣本呈正態(tài)分布，SOM的總體變異系數(shù)為34.0%，屬中等變異程度，SOM含量空間變異具有一階趨勢和各向異性。塊金效應值C/（C0+C）為17.0%，具有較強的空間相關性，其結構性因子是引起其空間變異的主要因素，而隨機性因子影響較小。地形起伏度與有機質含量成負相關，表現(xiàn)為隨著地形起伏度的增加土壤有機質含量逐漸降低的負相關的空間關系特征。土壤有機質含量在21～40m和41～80m地形起伏度內有機質含量平均值均為1.64%，表明滁州市土壤有機質含量在該地形起伏度內維持在一個較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

參考文獻

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[2]陳學兄，常慶瑞，畢如田，等.地形起伏度最佳統(tǒng)計單元算法的比較研究[J].水土保持研究，2018，25（01）：52-56.

[3]Binbin Zhao，Xiyu Xu，Wenhao Ou. Effect Analysis of Statistical Unit on Relief Ampli-tude in Chongqing，China[J]. Advanced Materials Research，2015，3696（1065）.

（責編：張 麗）