(1.河南省國土資源科學研究所，鄭州450016；2.鄭州大學環境與水利學院，鄭州450001；3.河南省地質調查院，鄭州450007)
灌溉與排水雜誌，文章編號:1672-3317-(2008)-03-0106-03。
對100m×100m範圍內的100個土壤樣品的硝酸鹽含量進行了采樣分析，結果表明，兩種不同含水量土壤的硝酸鹽含量在壹定範圍內具有空間變異性，屬於中等變異。硝酸鹽含量的半方差隨著采樣間隔的增大而增大，最終趨於穩定，存在空間變異結構。最後進行擬合，確定其變異程度和空間相關尺度。為大規模土壤采樣提供參考。
半方差分析；區域化變量；硝態氮空間變異
作物生長所需的養分主要來源於土壤，施入土壤的氮肥要經過壹系列的分解轉化才能被作物吸收利用。比如氮肥經過礦化、硝化、反硝化作用，轉化為無機氮，即氨氮和硝態氮。我們知道，適量的氮肥是保證農作物高產的基本條件。過量的氮肥不僅造成浪費，還會對農作物、土壤、大氣和地下水造成嚴重汙染。硝酸鹽是我國北方旱地土壤中氮的主要形態，因此土壤中硝酸鹽的空間變異必然會引起該土壤中作物的生長變異。因此，研究土壤硝態氮含量的空間變異性對於提高作物產量、制定農田施肥方案和提高氮素利用率具有重要的現實意義。
眾所周知，土壤系統本身是壹個自然復合體，具有復雜的形態和過程(雷誌東等，1985)。土壤是壹種時空非均質介質，具有明顯的空間變異性。灌區的實際情況表明，土壤性質(物理、化學和生物性質)在同壹時間各個空間位置上的數值並不相同，這稱為土壤性質的空間變異性(黃少文等，2003；Triantafilis等人，2004年；高露等人，2002年)。這種空間變異是由兩個原因造成的:壹是成土過程，二是人類活動。特別是，人類活動對空間變化的影響更為顯著。正因為如此，壹塊田裏土壤的變異可以分為系統變異和隨機變異兩部分。
就研究方法而言，經典統計學忽略了土壤性質的空間相關性，認為土壤性質在空間上是相互獨立的。當然，這與土壤性質的實際情況不符，因此經典統計學無法揭示土壤性質在壹定空間距離上的相關性。空間變異性理論(孫宏權，1990)考慮了土壤性質的空間相關性，因此研究土壤的空間變異性對指導各種先進灌溉設施和農業水利技術的應用具有重要意義。
1的基本理論
土壤空間變異理論(孫宏權，1990)是以地統計學為基礎的。地質統計學的雛形是20世紀50年代在南非礦工Krige提出的礦石品位和儲量估計方法的基礎上，經過60年代法國著名統計學家Matheron的大量研究而形成的。他正在提出區域變量理論，將傳統的地學方法與統計學方法相結合，形成壹個完整的公式體系，又稱地質統計學。地統計學的半方差函數可以定量、準確地描述土壤性質在空間上的結構性變化。地質統計學以區域化變量、隨機函數和穩定性假設等概念為基礎，以變異函數為核心，以克裏金插值為手段，分析和研究自然現象的空間變異(Triantafilis，et al .，2004；高露等人，2002年)。
1.1區域化變量
區域化變量Z(x)是指分布在空間中的壹個變量，它是壹個隨機變量，在區域的不同位置Z值不同。它壹般反映壹種現象的特征，如不同位置和不同點的土壤養分含量。區域化變量具有結構性和隨機性的特點。結構性意味著土壤養分在空間的兩個不同點上具有某種程度的自相關性。壹般來說，兩點之間的距離越小，相關性越好。這種自相關反映了這個變量的某種連續性和相關性，體現了其結構性的壹面。隨機性是指土壤養分在土壤系統中任意空間點X的值是不確定的，可以看作是壹個隨機變量，體現了其隨機性特征。
1.2半方差函數
半方差函數也稱為半變異函數。只要是與空間有關的變量，都可以用半方差函數來計算。半方差函數不僅可以描述區域化變量的結構特征，還可以描述它們的隨機變化。半方差函數是描述土壤特性空間變異結構的函數。假設隨機函數的均值是穩定的，方差存在且有限，並且這個值只與距離h有關，則半方差函數γ(h)可以定義為隨機函數Z(x)的增量方差的壹半。其計算公式為
環境、生態、水文、巖土:理論探討與應用實踐
圖1半方差圖
圖1半方差示意圖
其中n(h)是由向量h分隔的數據對的對數..當然，數據對越多，計算出的半方差函數值精度越高。對於不同的滯後距離h，對應的γ(h)值可以用公式(1)計算。對於每壹個滯後距離hi，在H-γ (h)圖上標出點[hi，γ (hi)](圖1)，然後用線段將相鄰的點連接起來得到圖形，稱為實驗半方差函數圖(或實驗方差圖)。通過方差圖可以得到半方差函數的三個極其重要的參數:極差值a(極差)、基臺值C(極差)和塊金值C0(塊金)，其中極差值反映了土壤性質的空間變異特征，在極差值之外，土壤性質具有空間獨立性，而在極差值之內，土壤性質具有空間依賴性。塊金值代表由非采樣間隔引起的變化，壹般指土壤性質的測量誤差。基站值是指不同采樣間隔內存在的半方差的最大值。此外，塊方差/基值可以指示空間變化的程度。
2材料和方法
2.1研究領域概述
試驗於2006年在河南省浚縣西部的壹塊試驗田進行。該地區地貌為沖積平原，地勢較平坦。供試土壤主要為壤土，氣候屬於半濕潤半幹旱大陸性季風氣候，四季分明。這個地區壹年種兩次小麥和玉米，這個季節種玉米。面積為10m×10m，網格按照1m×1m設置。* *共100個觀測點(圖2)，采樣深度在耕層10 ~ 15cm。采樣期晴朗無雨，采樣時間為2006年6月12日(田間幹旱，平均質量含水率18.3%)和2006年8月14日(田間濕潤，平均質量含水率23.5%)。
圖2采樣點布局
圖2該區域的采樣位置
2.2測定方法
測定項目:質量水分和硝態氮。
測定方法和儀器:將野外采集的土壤樣品風幹，過1mm的篩，然後用1mol/L KCl以5: 1的水土比淋洗。硝酸鹽氮含量在實驗室用苯酚二磺酸比色法測定。
3結果和討論
3.1土壤中硝態氮測定結果的統計特征值
利用Kolmogorov-Smirnov方法，對硝態氮含量的總體分布進行了非參數檢驗。從測試結果可以看出，土壤中硝態氮含量大多為對數正態分布型。從硝態氮的平均值來看，平均值隨著土壤含水量的降低而增加，說明硝態氮淋溶到下層的量隨著土壤含水量的降低而減少
另外，如前所述，變異系數C1可以反映土壤特征參數的空間變異性。壹般來說，C1 < 0.1為弱變異性，0.1≤C1≤1.0為中等變異性，C1 >。根據表1的統計數據，測得的硝態氮含量變異系數範圍為0.17 ~ 0.31，均屬於中等變異性。由於硝態氮在土壤中相對穩定，其變異系數較小，與土壤中硝態氮的穩定性有關。本試驗中，土壤濕潤時(土壤平均含水率23.5%)硝態氮變異系數為0.31，土壤幹燥時(土壤平均含水率18.3%)硝態氮變異系數為0.17，因此土壤濕潤時硝態氮變異系數明顯大於土壤幹燥時。
表1土壤硝態氮含量統計特征值
如前所述，硝態氮在田間的分布具有地質結構和統計隨機性的特點。這些統計只能在壹定程度上反映樣本總體，而不能定量描述土壤硝態氮含量的隨機性、不規則性、獨立性和相關性。要解釋和量化，就要分析空間變異結構。
3.2土壤中硝態氮的空間變異結構分析
半變異函數可以反映壹定範圍內不同觀測點觀測值之間的相關性變化，可以檢驗土壤中硝態氮的空間變異性。從土壤硝態氮含量的半方差函數圖(圖3)可以看出，硝態氮含量的實驗變異函數值在壹定範圍內隨著采樣點間距的增大而增大，從壹個非零值達到壹個相對穩定的常數，即當間距增大到壹定程度後半變異函數值以某個常數上下擺動時，這個常數就是基值C(C0+C1)，這個基值對應的間距。當h < a時，土壤硝酸鹽含量之間存在空間相關性，當h≥a時，土壤硝酸鹽含量相互獨立。當區間距離h=0時，γ(0)=C0，這就是金塊值C0。
圖3硝態氮含量的半方差圖
圖3土壤硝態氮的半方差
根據計算出的兩種不同含水量土壤中硝態氮含量的實驗變異函數值，選擇球形模型進行擬合。使用加權多項式回歸方法，球面模型中的參數(C，A，C0)可以通過編程獲得(表2)。從表2可以看出，含水量為18.3%的土壤中硝態氮含量的塊金值C=0.34，鄰接值C0=0.77，極差值a = 2.1；在含水量為23.5%的土壤中，硝酸鹽含量的塊金值C=0.09，基值C0=0.46，極差值a=1.75。對於土壤含水量為18.3%的土壤，當h≥a=2.1m時，自相關函數值為零，變異函數值趨於穩定。也就是說，當采樣間隔在2.1m以內時，硝酸鹽含量具有明顯的空間變異性，因此將硝酸鹽含量作為區域變量處理。當采樣間隔大於2.1m時，硝酸鹽含量無空間相關性，可視為獨立隨機變量。對於土壤含水量為23.5%的土壤，當h≥a=1.75m時，變異函數值趨於穩定。同樣，當采樣間隔小於1.75m時，硝酸鹽含量具有明顯的空間變異性，因此將硝酸鹽含量作為區域變量處理。當采樣間隔大於1.75m時，硝酸鹽含量無空間相關性，可視為獨立隨機變量。此外，從表2的計算結果可以看出，含水量較高的土壤中硝態氮含量的範圍值略小於含水量較低的土壤，說明土壤含水量也影響硝態氮含量的空間變異，主要是因為土壤含水量可以保留更多的硝態氮，因此在實際田間采樣時應根據土壤含水量來安排采樣間隔。當含水量較小時，取樣間隔可安排得較大；當含水量較大時，取樣間隔相對較小。
表2土壤硝態氮含量的半方差參數值
研究區土壤硝態氮含量的空間變異具有結構性和隨機性。它們對土壤性質變異性的影響程度可以用塊金值與橋臺值的比值(C0/(C0+C1))來表示。如果比值高，說明隨機部分引起的空間變異性大。反之，說明系統變異引起的空間變異性更大；如果比值在1左右，說明該變量在整個研究尺度上有壹個恒定的變化。從表2的計算結果可以看出，本研究區土壤的空間變異性主要是由土壤本身的空間結構引起的，隨機部分引起的變異程度較小，不起主要作用。
4結論
土壤性質的空間分布具有明顯的變異性，地質統計學中的區域化變量和變異函數是研究這種空間特征的重要理論工具。土壤硝態氮含量具有空間變異結構，可作為區劃變量。
實驗結果表明，不同含水量土壤中硝態氮含量具有空間變異性，變異系數範圍為0.17 ~ 0.31，均屬於中等變異性。高含水量土壤(土壤平均含水量為23.5%)中硝酸鹽含量的變異系數大於低含水量土壤(土壤平均含水量為18.3%)。
根據區劃變量和變異函數理論，分析了不同含水量土壤中硝態氮含量的空間變異結構，得出了其變幅值。對於含水量為23.5%的土壤，硝態氮含量的空間相關距離為1.75m；對於含水量為18.3%的土壤，硝態氮含量的空間相關距離為2.1m；；在其相關距離範圍內，土壤本身的空間結構對硝態氮含量的空間變異性起主要作用。
參考
、陳、胡春生等. 2002 .噴灌條件下農田土壤水分的空間變異性。地理科學進展，21 (6): 609 ~ 615。
黃少文，金繼雲，楊麗萍，等2003。縣級區域糧田土壤養分空間變異性及分區管理技術研究。《土壤學報》，40 (1): 79 ~ 88。
雷誌東，楊，，，等。土壤特性空間變異性的初步研究。水資源學報，(9): 10 ~ 21。
孫宏權。1990.地質統計學及其應用。北京:中國礦業大學出版社。
Triantafilis J，Odeh I . O A，Warr B，等人，2004年,《利用非線性克裏金法繪制納莫伊下遊河谷的鹽度風險圖》。Arg水管理，69(3):203~231。
土壤中-N的空間變異
邢永強1李金榮2李金玲3常秋玲1何川嶽1
(1.河南省國土資源科學研究院，鄭州4504016；2.鄭州大學水利與環境工程學院，鄭州450001；3.河南省地質調查院，鄭州450007)
文摘:在10米×10米的地塊上，按1米的間距，在不同的土壤含水量和不同的時間，制作了100個土壤樣品，測定了表層土壤(10 ~ 15厘米)中的-N含量，並用區域化變量理論分析了實驗數據，研究了-N在田間的特殊變化。結果表明，在給定的安歌空間範圍內，不同土壤水分條件下的-N具有空間變異性。-N的半方差隨著時滯(h)的增加而增加。用線性回歸對結果進行擬合，估計出半變異函數的參數，並作出它們的變化幅度和空間相關尺度。
關鍵詞:-N；空間可變性；區域化變量理論；半方差分析