内蒙古土壤pH值_粘粒和有机质含量的空间结构特征_徐尚平

2024年4月1日发(作者：种子的信仰)

第32卷第4期

土 壤 通 报

Vol.32,No.4

Aug,20012001年8月

ChineJournalofSoilScience

文章编号:0564-3945(2001)04-0145-04

内蒙古土壤pH值、粘粒和有机质含量的空间结构特征

徐尚平,陶 澍,曹 军

(北京大学城市与环境学系,北京 100871)

摘 要:采用半方差函数和普通克里格方法分析了内蒙古地区土壤pH、粘粒和有机质含量的空间结

构特征.结果表明,内蒙古土壤pH、粘粒和有机质含量的空间结构特征可以用线性半方差函数模型加以描

述,且具有明显的各向异性.插值结果显示,它们的空间变异尺度与土类分布具有较好的一致性.内蒙古地

区土壤pH值表现为自东向西逐渐升高的趋势,而粘粒和有机质含量测沿同一方向逐渐降低.表生地球化

学作用的空间变异是决定内蒙古土壤上述参数分布特征与尺度的主要因素.

关 键 词:土壤;半方差函数;克里格分析;pH;有机质;粘粒

中图分类号:S153 文献标识码:A

1 前 言

土壤pH值、粘粒和有机质含量是土壤发育过程

中各种表生地球化学作用综合影响的体现,也是影响

土壤微量元素含量分布的重要因素

[1]

.对土壤pH、粘

粒和有机质含量空间结构的探讨不仅有助于阐明各种

因素对它们的作用方式和程度,也有助于了解微量元

素含量的空间分布特征的成因.地统计学的提出是以

矿床储量和矿石品位的精确估计为目的的.以空间结

构为基础,以区域化变量为核心,以半方差函数为工具

的地统计学在包括土壤科学和环境科学的许多领域中

得到了广泛应用.这样的研究不仅针对土壤微量元

素

[2-5]

,也涉及土壤基本理论参数.譬如,Dobbermann

等对菲律宾某地土壤pH值进行的空间分析,探讨其

小尺度空间变异及其与地形和人为因素的关系

[6]

.

迄今为止,关于土壤常规理化参数空间结构的研

究多集中在中小尺度.本研究则尝试在百-千公里尺

度上分析了内蒙古土壤粘粒、有机质含量和pH值的

空间变异特征.

本研究在内蒙古地区349个样点采集了A、B、C

三层土壤样品.土样经自然晾干,人工碾碎后剔除动植

物残体,过20目筛后进行土壤粘粒含量和pH测定.

上述样品用玛瑙研磨机研细过150目筛后用于有机质

含量测定,测定方法同有关标准

[7]

.

地质统计学研究非正态分布的数据可能导致比例

效应,从而影响分析结果的可靠性.先期分析结果表

明,各层土壤的pH值,有机质和粘粒含量均不符合正

态分布,因此,对有机质和粘粒含量数据作角变换,对

pH值作Box-Cox变换(三层分别取幂值119、314和

313).本研究采用美国国家环保局主持编写的GEO

-EAS软件进行数据处理和分析,插值等值线图采用

Surfer实现.研究变量沿某一方向半方差函数的计算

按照JournelAG

[8]

提出的公式,且角度域值均为

2215b.例如,假设自西向东为0b,由南向北为90b,则如

果空间两点构成的矢量位于以东西向为主轴,左右偏

差分别2215b的区域内,则认为这一矢量的方向属东西

向.因此,实际上通过选择2215b的域值把二维空间分

为四个独立的区域.

[9]

[8]

2 研究区域与研究方法

研究地区包括内蒙古自治区全境,位于蒙古高原

东南部及周沿地带,介于北纬37b24c-53b20c,东经97b

10c-126b04c之间.大部分属中温带大陆性季风气候,

大兴安岭北段属寒温带大陆性气候.水热条件自东向

西呈湿润、半湿润、半干旱、干旱和极干旱带状分布.由

于地理环境、气候生物等因素的差异,该地区土壤呈明

显经向分异特征.自东向西依次分布黑土、暗棕壤、黑

钙土、栗钙土、棕钙土、棕漠土和灰漠土.部分地区有褐

土、灰钙土、草甸土和风沙土分布.

3 结果与讨论

311 土壤粘粒、有机质和pH均值和纵向分异

本研究先对变换后数据求均值,然后进行数据逆

变换得到各变量的均值.研究地区土壤A、B、C三个发

生层有机质平均含量分别为2164%、1111%和

0170%,粘粒含量分别为9132%、15125%、9158%,pH

值为717、719和810.其中有机质含量在表层富集,粘

粒在淀积层最高,而pH值逐层升高,分别反映了成土

过程中强烈的腐殖化、粘化和钙积化过程.

收稿日期:

1999-09-19

基金项目:

国家杰出青年基金(4952102)资助

作者简介:

徐尚平(1973-)男,山东五连人,硕士,主要从事环境地球化学和空间分析方面的研究.

146 土 壤 通 报 32卷

表1内蒙古土壤各层有机质、粘粒含量

及pH值半方差函数拟合结果

土壤

层次

A层

变量

有机质

粘粒

pH值

有机质

粘粒

pH值

有机质

粘粒

pH值

块金

常数

0.0031

0.008

6

0.0016

0.003

4000

0.002

0.012

2800

类型

线性

线性

线性

线性

球状

线性

线性

线性

线性

模 型

变程

>1000

>1000

>1000

>1000

200

>1000

>1000

>1000

>1000

基台值

0.01

0.0072

41

0.005

0.009

15000

0.0032

0.019

11000

312 空间结构的宏观特征

为了从总体上分析内蒙古地区土壤的pH值、粘粒

和有机质含量的空间结构特征,分别用变换后数据计算

了土壤不同发生层pH值、粘粒和有机质含量的实验半

方差函数,并采用最小二乘法对其进行了拟合.所有拟

合参数列于表1.除B层土壤的粘粒含量的空间半方差

函数可以用球状模型加以描述外,其余变量的实验半方

差函数均表现出线性特征.图1列出了土壤A层pH

值、粘粒和有机质含量的实验和拟合半方差函数.

如图1所示,在不考虑各向异性特征时,所有实验

半方差函数均可用块金效应和线性模型来表示,且其

B层

C层

图1 土壤A层pH值,有机质和粘粒含量实验及理论半方差函数

图2 内蒙古表层土壤中粘粒、有机质含量和pH值的带状各向异性

4期 徐尚平等:内蒙古土壤pH值、粘粒和有机质含量的空间结构特征

空间变程均在1000km以上.这说明,内蒙及周边地区

土壤pH值、有机质和粘粒含量的空间规律变化的范

围在1000km以上,对它们空间变程的确定需要在更

大尺度上进行采样和分析.不可否认,母质、地形、人类

影响等因素可以造成土壤粘粒、有机质含量和pH值

的小尺度空间变异.但本研究采用的采样密度(百公里

以上)专门用来揭示百分里以上尺度的空间变异特征.

计算结果说明,普遍存在的块金效应可能与小尺度(如

母质)变异有关.另一方面,块金效应也可能在某种程

度上反映了实验误差的影响.

313 宏观空间结构的方向性特征

为了进一步探明内蒙古地区土壤粘粒和有机质含

量以及pH值沿不同方向的空间变异特征,分别计算

了它们沿南-北,东-西,西北-东南以及东北-西南

方向的半方差函数.不同发生层的计算结果相似,均表

现出明显的带状各向异性.仅以土壤A层为例,其结

果如图2所示.

Trangmar对印度尼西亚WestSumatra地区土壤

中的粘粒含量和pH的空间结构特征进行的分析表

明,二者的空间变异具有明显的各向异性的特点

[10]

.

但该研究仅针对小尺度的变异,其空间结构中的各向

异性反映了研究地区母质、地形等小尺度局地条件的

影响.相比之下,本研究中发现的结构特征及方向性变

异则代表地带性水热条件的变异.

内蒙古地区位于我国温带季风性气候区和温带大

陆性气候区的交界处,水热条件沿东南-西北方向变

化梯度最大,表现为典型的经向地带性分异,这样的分

147

异决定了内蒙土壤类型的大尺度的东北-西南向递

变.有关研究曾采用独立方差计算证明土类是影响内

蒙地区草原土壤理化性质参数经向分异的主导因

素

[11]

.本研究的结果同样显示,内蒙地区土壤理化参

数沿东北-西南方向具有最大变程(1000km左右),而

沿与之垂直的西北-东南方向的变程却相当短([

400km).这一现象与内蒙地区土壤类型的空间分布模

式是一致的.

314 空间插值

在空间结构分析的基础上,对内蒙地区土壤各类

层次粘粒、有机质含量和pH值变换后的数据进行了

克里格插值.A层土壤中各变量及B层土壤有机质含

量的插值结果在图3中列出.值得指出的是,对变换后

数据进行的空间分析的结果无法直接用于各区域化变

量的空间插值,因为插值结果取决于块金常数和方差,

而本研究中半方差函数的计算又基于变换后的数据.

我们在图中建立了原始数值与变换后数值的映射表以

利于结果的分析及与其他研究结果的比较.

显然,各变量均表现为自东向西的渐变趋势,其中

土壤有机质和粘粒含量自东向西逐渐降低,而土壤pH

值则沿东西向逐渐升高.Yost对夏威夷地区土壤pH

和区域降水量进行的空间分析结果显示,降水量对土

13]

壤pH值具有重要影响

[12、

.而内蒙地区各层次土壤

中粘粒、有机质含量以及土壤pH的空间分布模式与

内蒙地区水热条件的渐变规律和土类的空间变异特征

相一致.这说明,表生地球化学作用是影响内蒙地区土

壤粘粒、有机质含量和pH值的主要因素.

4 结 论

图3 内蒙古表层土壤有机质含量、粘粒含量和pH值的克里格插值图

值则逐渐升高.总体而言,内蒙土壤pH值、粘粒和有

机质含量的空间结构特征可以用线性模型加以描述,

具有明显的各向异性,其空间变异的尺度与土类分布

特征基本一致.表生地球化学作用则是决定内蒙土壤

内蒙古地区B层土壤中粘粒含量高于A、C两层;

有机质含量从土壤表层到底层逐渐下降,而土壤pH

148 土 壤 通 报 32卷

[7] 魏复盛.中国土壤元素背景值[M].北京:中国环境科学

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上述三个理化参数空间分布的主要因素.

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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