基于地形起伏度的滁州市土壤有机质变异特征分析

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　　摘 要：基于地形起伏度，运用窗口分析法、半方差函数模型法等方法分析滁州市土壤有机质的空间分布特征。结果表明，地形起伏度与土壤有机质具有显著相关性;滁州市在该数据源下的最佳分析窗口尺度为91×91，最佳统计面积为7.46km2;SOM的变异系数为34.0%，属中等变异强度，块金效应值C/（C0+C）为17.0%，具有较高的空间相关性，SOM含量空间变异具有一阶趋势和各向异性。
　　关键词：土壤有机质;DEM;滁州市
　　中图分类号 K901 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）01-0095-03
　　土壤有机质空间变异的研究是农作物用地质量评价、植物的生长以及农业潜力分析预测的重要基础，而土壤有机质的含量是衡量土壤肥力和耕地质量的重要指标。通过研究和分析土壤有机质空间变异可以为相关环境研究提供参考，为培肥地力，提高作物产量提供重要指导。地形是影响土壤有机质空间变异的一个重要因素，而地形起伏度是反映地形特征的一个重要参数，目前基于地形起伏度的研究已广泛应用于人口和经济领域，但基于地形起伏度对土壤有机质的空间变异特征的研究较少。本研究选取安徽省滁州市为研究区，该地区位于长江流域农业区且地形相对丰富具有典型性，通过常规统计、地统计和地理信息系统（GIS）相结合的方法对滁州市土壤有机质含量的空间变异规律进行综合分析。
　　1 材料与方法
　　1.1 数据来源 数据主要为Aster GDEM（分辨率为30m）、滁州市土壤有机质数据（共191个样本点，自滁州土种志）。
　　1.2 分析方法
　　1.2.1 地形起伏度 地形起伏度是指在一定区域单元内，海拔高度的最高点与海拔高度的最低点的差值。地形起伏幅度是描述一个地区地形特征的宏观指标，同时也作为划分地貌类型的一个重要指标。其公式如下：
　　2 结果与分析
　　2.1 最佳地形起伏单元的确定 地形起伏度作为划分地貌类型的一个重要指標，对于同一地区而言，不同的DEM数据类型，不同的分辨率DEM，所使用的最佳单元大小也不同[1]。邻域单元是影响地形起伏计算精度的一个重要因素，通常情况下地形起伏度会随着邻域范围的增加而不断增大，当邻域范围增加到一定阈值后地形起伏度会趋向于平稳，因此基于邻域计算地形起伏度时应该不断扩大邻域范围计算不同尺度下的地形起伏度。目前应用最广泛的方法是规则窗口递增法[2]。基于规则窗口递增法，以n×n（n=3，7，11……111）增加步长为4栅格矩形作为模板算子，3×3作为起始窗口，对整个研究区域做遍历运算，到111×111终止。计算栅格分析窗口内的高程差，所得的高程差值即为栅格分析窗口的地形起伏度值。通过人工作图法确定最佳窗口[3]。使用窗口大小和地形起伏度进行回归分析，并提取拟合度最好的2条拟合曲线，如图1。
　　由图1可知，利用对数模型和多项式模型对地形起伏度与领域尺度进行拟合，其中对数模型拟合效果最好，其次为多项式模型，拟合方程分别为y=71.927ln（x）+9.671，y=-0.0333x2+5.4747x+111.98。地形起伏度随着领域单元的增大而增大，当邻域单元尺度达到一定阈值后增幅变缓地形起伏度开始逐渐趋向于平稳。鉴于阈值不明显，故采用2个拟合度最好的拟合曲线在地形起伏度趋于平稳后的交点为最佳邻域单元尺度，即邻域尺度为91*91时，开辟一个2.73km*2.73km大小的栅格区作为操作单元较为合适。
　　2.2 有机质的空间变异 在地形起伏度的基础上，并结合ArcGIS、GS+和SPSS等软件对地形起伏度和有机质的空间变异关系进行计算和相关分析，揭示地形起伏度和土壤有机质的关系。
　　2.2.1 正态分布检验及SOM统计特征分析 通过ArcGIS地统计模块（Geostatistical Analyst）将测试样本数据的分位数与已知分布相比较从而检验数据的分布情况。结果显示，Q-Q图上的点近似的分布在1条直线附近，说明该样本数据分布呈正态分布。
　　通过对研究区域SOM的测试数据进行常规统计学分析得到研究区域SOM的变异系数为34.0%，结合CV的评估标准（当CV小于0.1时，为弱变异程度，当CV值在0.1到1之间时，为中等变异程度，当CV大于1为强变异程度）由此可知研究区域SOM空间变异程度为中等变异程度。
　　2.2.2 半方差模型分析 运用GS+软件对研究区土壤有机质含量进行变异函数拟合，根据比较标准：决定系数R大，残差RSS小，最终选择线性模型，如表1所示。
　　表1中C0表示纯块金方差，C0+C表示基台值。块金值与基台值的比值用C/（C0+C）表示即空间相关度，表示可度量空间自相关的变异所占的比例，表明系统变量的空间相关性的程度。当比值小于25%时，表明系统具有非常强烈的空间相关性：如果比例在25%～75%之间时，表明系统具有中等水平的空间相关性;若大于75%时，表明系统的空间相关性很弱。块金值与基台值的比值越高，说明样本间的变异主要是由随机性因素引起的。
　　由表1可知，块金值与基台值的比值C/（C0+C）小于25%，表明系统具有较强的空间相关性，其结构性因子是引起其空间变异的主要因素，而随机性因子影响较小。
　　2.3 土壤有机质空间分布特征 通过克里格插值法对土壤有机质含量进行空间插值，得到滁州市土壤有机质空间分布图，如图2所示。由图2可知，滁州市土壤有机质空间分布并不均匀，各向异性明显。总体上，东南方向上有机质含量较高，而西北方向上有机质含量较小，这可能与降水量东多西少，南多北少以及西高东低的地势等因素有关。有机质含量较高的区域位于东北和东南部，即高邮湖及沿江平原地区，该地区地势相对较低是承接水土流失主要的汇集区再加上良好的水热条件导致土壤有机质含量较高。低值的分布位置总体上与地形起伏度较高的地区相吻合。地形起伏度高，坡度较大，雨水冲刷所导致的水土流失越严重再加上滁州市丘陵地区土层薄从而导致地形起伏度高的地区土壤有机质含量偏低。 　　2.4 地形起伏度与土壤有机质的变异特征 基于滁州市DEM数据处理得到的最佳地形起伏度影像图并与土壤有机质样本点数据进行叠加，如图2所示。通过spatial analyst tools模块将地形起伏度属性赋予对应的点。即生成地形起伏度和有机质含量的合成数据。
　　由表2可知：当地形起伏度最低时有机质含量达到最大，当地形起伏度最大时所对应的有机质含量最低。其中第1组（即地形起伏度为0～20m）的有机质含量与其它组所对应的有机质含量相比含量較高，因为当地形起伏度较小时主要为耕地地区和河流地区，该地区为水土流失汇集区且水分充足所以含量相对较高。第2和第3组即起伏度在21～80m时有机质含量平均值不变，表明在该地形起伏度范围内有机质含量较为平稳均衡。总体上地形起伏度小的地区有机质含量较高，当地形起伏度增大时有机质含量呈较少趋势。
　　通过对滁州市地形起伏度与土壤有机质的关系进行拟合，其横坐标为各组地形起伏度的平均值，纵坐标为相对应的有机质含量，这样能更真实的反应数据情况，如图3所示。地形起伏度与土壤有机质的最优拟合曲线为指数拟合曲线：y=1.9299e-0.003x，判定系数0.9476，拟合效果好，表明在总体上地形起伏度与土壤有机质的含量呈负相关关系。
　　3 结论
　　本研究利用Aster GDEM和滁州市土壤有机质含量数据，基于ArcGIS与GS+平台进行分析，结果表明，基于30m分辨率的Aster GDEM数据，采用邻域分析方法开辟邻域尺度为91×91，面积为7.46km2栅格区作为操作单元较为合适。通过土壤有机质的空间变异分析得出研究区土壤样本呈正态分布，SOM的总体变异系数为34.0%，属中等变异程度，SOM含量空间变异具有一阶趋势和各向异性。块金效应值C/（C0+C）为17.0%，具有较强的空间相关性，其结构性因子是引起其空间变异的主要因素，而随机性因子影响较小。地形起伏度与有机质含量成负相关，表现为随着地形起伏度的增加土壤有机质含量逐渐降低的负相关的空间关系特征。土壤有机质含量在21～40m和41～80m地形起伏度内有机质含量平均值均为1.64%，表明滁州市土壤有机质含量在该地形起伏度内维持在一个较为稳定的状态。
　　参考文献
　　[1]赵斌滨，程永锋，丁士君，等.基于SRTM-DEM的我国地势起伏度统计单元研究[J].水利学报，2015，46（S1）：284-290.
　　[2]陈学兄，常庆瑞，毕如田，等.地形起伏度最佳统计单元算法的比较研究[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）.
　　（责编：张 丽）
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