孙国军^1,2,3,, 李卫红^2,, 朱成刚², 杨玉海², 王非⁴
1. 新疆大学资源与环境科学学院,乌鲁木齐 830046
2. 中国科学院新疆生态与地理研究所,荒漠与绿洲生态国家重点实验室, 乌鲁木齐 830011
3. 河西学院历史文化与旅游学院,张掖 734000
4. 伊犁哈萨克自治州水利局,伊犁 835000

Spatial variation analysis of topsoil bulk density in the Yili Valley, Xinjiang

SUNGuojun^1,2,3,, LIWeihong^2,, ZHUChenggang², YANYuhai², WANGFei⁴
1. College of Resources and Environment,Xinjiang University,Urumqi 830046,China
2. State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology;Xinjiang Institute of Ecology and Geography,Chinese Academy of Sciences,Urumqi 830011,China
3. School of History Agriculture and Tourism,He Xi University,Zhangye 734000,China
4. Water Conservancy Bureau of Yili Kazak Autonomous Prefecture,Yili 835000,China
通讯作者:李卫红,E-mail：liwh@ms.xjb.ac.cn
收稿日期:2015-12-10
修回日期:2016-06-21
网络出版日期:2016-07-25
版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
基金资助:国家科技支撑计划项目（2014BAC15B03）中国科学院“西部之光”一般项目（YB201302）新疆维吾尔族自治区青年科技创新人才培养工程（2013721050）
作者简介:
-->作者简介：孙国军,男,甘肃通渭人,博士生,讲师,主要从事灌区农田管理、水土保持以及生态修复等研究工作。E-mail：sgjwin@163.com



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摘要
容重是土壤最基本的物理性状之一,是衡量土壤退化的核心指标,研究其空间变化对防治土壤侵蚀具有重要意义。本文以伊犁河谷为研究对象,运用传统统计学、GIS空间技术和地统计学的Kriging空间插值等方法,分析了表层土壤（0~20cm）容重的空间变异特征。结果表明：表层土壤容重频率分布为正态分布,K-S单样本检验表明,其峰度为0.14,偏度为0.15,变化范围为（1.01~1.50）g/cm³,平均值为1.25g/cm³,变异系数为7.6%,属于弱变异性;表层土壤容重的块金值为0.0056,基台值为0.0083,块金效应为32.5%,为中等相关性;空间尺度上,表层土壤容重由南向北和由西向东逐渐减小;普通克里金（Ordinary Kriging）插值表明,表层土壤容重南北走向呈条带状,东西走向呈斑块状分布格局;气候、母质等自然因素是表层土壤容重变化的内在因素,土地利用加速土壤容重的变化。

关键词：伊犁河谷;土壤容重;空间变异;Kriging插值
Abstract
Bulk density is one of the basic physical properties of soil and a core indictor of soil degradation. It is important to study spatial variation for preventing soil erosion. Here,we used traditional statistics,GIS technology and spatial interpolation of Ordinary Kriging to analyze spatial variation of topsoil （0 to 20 cm） bulk density in the Yili River Valley. The results showed that the distribution of topsoil bulk density is normal and a K-S single sample test showed that kurtosis is 0.14 and skewness is 0.15. The range of topsoil bulk density was 1.01 to 1.50g/cm³,the average value was 1.25g/cm³;the variation coefficient was 7.6% and indicates weak variation. Semi variance function of topsoil soil bulk density indicated that the nugget was 0.0056;the sill was 0.0083;and the nugget effect was 32.5%,that is to say,the spatial structures of topsoil bulk density are isotropic. Trend analysis of topsoil bulk density indicated that the topsoil bulk density was gradually reduced from south to north and also from west to east. Spatial interpolation of Ordinary Kriging indicated that the distribution of the topsoil bulk density was strip shaped from south to north,and patch shaped from east to west. The internal natural factors of topsoil bulk density were climate （such as temperature and precipitation）,soil parent material （such as organic matter and mineral elements）,changes in land use （such as conversion of grassland to farm land and transformation into garden and wood land）and these accelerated changes in topsoil bulk density.

Keywords：Yili Valley;soil bulk density;spatial variability;Kriging interpolation

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孙国军, 李卫红, 朱成刚, 杨玉海, 王非. 新疆伊犁河谷表层土壤容重的空间变异性分析[J]. , 2016, 38(7): 1222-1228 https://doi.org/10.18402/resci.2016.07.03
SUN Guojun, LI Weihong, ZHU Chenggang, YAN Yuhai, WANG Fei. Spatial variation analysis of topsoil bulk density in the Yili Valley, Xinjiang[J]. 资源科学, 2016, 38(7): 1222-1228 https://doi.org/10.18402/resci.2016.07.03

1 引言

土壤容重是土壤孔隙度、土壤质地等物理性质的综合反映,也是判断土壤结构、土壤肥力和退化程度的核心指标,其大小深刻影响着土壤的入渗性、透气性、持水性、溶质迁移性,以及土壤的抗侵蚀性等方面^[1,2]。受成土母质、成土过程、气候、生物及耕作方式等自然和人为作用的影响,土壤容重在空间尺度上存在着极大的变异性。其中,大尺度变异受成土母质、成土过程和气候等的影响;而小尺度变异受地形、土壤水分、植物根系等的影响^[3]。基于传统的统计学方法,土壤容重变异性研究取得了一定的进展^[1-4]。近年来,随着GIS技术与空间统计学方法的融合应用,使得土壤容重的空间变异性研究取得了实质性的突破^[5,6],相关研究主要集中在黄土高原、三江平原、喀斯特等地区^[6-8],而对地处西北干旱区的伊犁河流域,土壤容重的研究甚少,对其空间异变异性的研究未见报道。
伊犁河流域是新疆水、土资源配备最优越的地区,是国家实施土地资源开垦的重点区^[9],其水、土资源的合理开发,是国家推进“一带一路”建设,维护新疆稳定、繁荣,促进伊犁河流域自然、人文环境健康发展的重要基础。经过多年的农业资源开发,伊犁河谷土地资源已被大量的开垦,并取得了实质性的经济效益^[10,11]。但是,在开发利用过程中,由于过度追求经济利益,忽视了生态、环境效益,导致局部地区生态环境恶化。近年来,伊犁河谷山前坡地成为新的农业开垦区。因其成土母质为洪积、冲积性黄土,且地形起伏度大、土层薄,肥力低,因而,开垦难度大,极易引发水土流失。本研究依据实测的伊犁河谷土壤容重数据,采用传统的统计学方法、GIS空间统计学方法和普通克里金（Ordinary Kriging）空间插值方法,通过对研究区内土壤容重空间变化特征、分布规律及其差异性的研究,探寻其形成机制及其变化的原因,为伊犁河谷山前坡地开垦提供理论参考,也为伊犁河流域土地资源合理开发,生态经济可持续发展提供理论支撑。

2 研究区概况

伊犁河流域位于中国天山山脉西部,准噶尔盆地西南缘,地处42 °14 'N-44 °50 'N, 80 °09 'E-84 °56 'E之间。由南、北天山分隔而成的断陷盆地与山间河谷盆地相间组成,其东、南、北均为高山环绕,向西面敞开。从西向东,海拔逐步升高,降雨量逐步增加。年平均降雨量为417.6mm,年平均气温为10.4℃,年平均日照时数为2898.4h,为典型的温带大陆性气候^[12,13]。其东西距离约为360km,南北距离约为275km,国土面积为5.53万km²。北山坡位于伊犁河流域北部,行政隶属于霍城县、伊宁县、伊宁市和尼勒克县。本研究采样点选择在伊宁市北山坡地,其经纬度为43 °51 'N-44 °9 'N,81 °32 'E-81 °28 'E（图1）,自然植被为温带草原和半荒漠草原,土壤类型主要为灰钙土、黑钙土、沼泽土、灰潮土和草甸土。

3 数据采集与分析方法

3.1 数据采集

2015年5月底至6月初,选择在具有代表性的伊宁市北山坡地作为采样区（图1）。依据样区内地形、土壤性质、坡度、坡向等自然特征,依据高程的变化,从谷地到坡顶,按照不同的坡度和坡向,在草地、果园、生态经济林、农业用地内布置样点,并对每个样点进行GPS定位,记录其经纬度坐标和高程,运用罗盘记录其方位。每个样点采用环刀法取样（容积为100cm³）,采取表层（0~20cm）127个土壤样品,其中,88个草地样品,12个林地样品,18个园地样品,9个耕地样品。土样就地密封后带回实验室,在105℃下烘干8~12h至恒重,称重并计算其容重。
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图1研究区位置及采样点分布
-->Figure 1Study area and distribution of the sampling points
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3.2 分析方法

对实测的数据,采用域值法（样本平均值加减3倍标准差法）识别特异值^[14],去除5个草地样品,得到122个有效土壤样品。应用SPSS（ 19.0）软件对土壤容重数据进行基本统计分析;运用ArcGIS（10.0）软件进行土壤容重的趋势面分析;运用SURFER（9.0）软件进行普通克里金（Ordinary Kriging）空间插值和等值线图绘制。

4 结果与分析

4.1 土壤容重的基本统计学特征

针对已处理的122个样品数据,在Spss19.0中,绘制表层（0~20cm）土壤容重频率分布图（图2）,图2表明,表层土壤容重频率分布为正态分布。P-P散点图正态假设性检验表明,数据服从正态分布,通过K-S单样本检验,峰度为0.14,偏度为0.15,相伴概率为0.86,远大于显著性水平0.05,判定数据服从正态分布,满足地统计学分析相关要求。因此,未对122个样点数据进行数据转换等相关处理,后续分析都在此数据上进行。
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图2表层土壤容重的频率
-->Figure 2Frequency distribution of topsoil bulk density
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基于实测的样点数据,对表层土壤容重进行基本统计分析（表1）。表1表明,在总样地中,表层土壤容重的平均值为1.25g/cm³,最小值为1.01g/cm³,最大值为1.50g/cm³,其变幅为0.49g/cm³,变化幅度大。变异系数（CV）可以宏观的说明土壤容重的变异性特征,依据经典统计学对变异系数等级划分,当CV≤10%,属于弱变异性;当10%<CV<100%,属于中等变异性;当CV≥100%,属于强变异性^[15,16]。在总样地中,表层土壤容重变异系数CV=7.6%,属于弱变异性。基本统计分析虽然在土壤容重总体变化特征上具有一定的优势,但难以刻画其空间变异特征,为此,可以利用地统计学方法分析其空间变异性特征^[14]。

4.2 不同土地利用下的土壤容重变化分析

土地利用的变化显著改变了地表覆盖过程,从而影响了与地表覆盖相关的诸如土壤水分、土壤容重、土壤养分等物理、化学性质。通过对采样区内4a林地、8a园地、3a农用地和草地等土地利用表层容重变异系数、平均值进行统计（表1）。结果表明,变异系数中,草地和8a园地均为7%,农用地为8%,4a林地最大,为10%;表层土壤容重中,草地最低,为1.24g/cm³,8a园地最高,为1.30g/cm³,4a林地和3a农用地依次为1.25g/cm³和1.27g/cm³。草地农垦后破坏了土壤原有的结构,使得土壤容重增加^[17],采样区内,4a林地、3a农用地和8a园地均为草地农垦。与草地容重相比,4a的林地、3a的农用地和8a的园地土壤容重分别增加了0.12%,1.87%,4.06%,土壤容重均呈增加趋势;相反,弃耕可以减小土壤容重,韦兰英等对黄土高原不同弃耕年限的土壤容重值变化认为,在弃耕地中,其容重随弃耕年限增加而减小,大小依次为4a<15a<20a<25a^[18]。也有研究认为,农业耕作提高土壤容重^[17,19]。总之,土地农垦化后破坏土壤原有的结构,使得土壤容重增加,加大土壤潜在退化趋势。因此,伊犁河谷农垦过程中,应该加强土壤理化性质的监测,合理布局农业产业结构,防止土壤退化,为伊犁河谷土地开垦可持续利用提供保障。
Table 1
表1
表1表层土壤容重的基本统计值
Table 1Descriptive statistics for the topsoil bulk density

土地类型	样品数 /个	最小值 /（g/cm3）	最大值 /（g/cm3）	平均值 /（g/cm3）	标准差	变异系数CV /%
总样地	122	1.01	1.50	1.25	0.10	7.6
草地	83	1.02	1.50	1.24	0.09	7.0
4a林地	12	1.01	1.43	1.25	0.12	10.0
3a农用地	9	1.08	1.38	1.27	0.10	8.0
8a园地	18	1.16	1.49	1.30	0.09	7.0

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4.3 土壤容重的空间分布特征

在ArcGIS 10.0软件的地统计分析中,选择（Geostatistical Analyst）模块中的【探索性数据】|【趋势面分析】,对伊犁河谷表层土壤容重进行趋势面分析。图3中每条蓝色竖线代表一个采样点土壤容重的数据值,这些点被投影到东西向和南北向正交平面上,图3中,X轴方向为从西到东的方向,Y轴方向为从南到北方向,Z代表土壤容重。图3分析表明：伊犁河谷表层土壤容重从西向东呈逐渐减小趋势;从南向北也呈逐渐减小的趋势。
地统计学是以区域化变量为理论基础,以变异函数为主要分析工具^[20]。依据空间变异性分析原理,半方差模型中C₁为偏基台值,C₀为块金值,C₁+C₀为基台值,其块基比C₀/（C₁+C₀）可以反映空间相关的程度。一般：当C₀/（C₁+C₀）<25%时,表现为强相关性;当25%<C₀/（C₁+C₀）<75%时,为中等相关性;当75%< C₀/（C₁+C₀）时,空间相关程度很弱^[16,20]。半方差分析表明,伊犁河谷表层土壤容重的块金值为0.0056,基台值为0.0083,偏基台值为0.0027,块金效应为C₀/（C₁+ C₀）为32.5%,其值介于25%~75%之间,表明在空间分布上,表层土壤容重为中等相关性。
变异函数理论认为,当采样点的距离为零时,半变异函数应为0,但由于测量误差和空间变异性等原因,即使采样点距离非常接近,但它们的半变异函数不为0,存在块金值。伊犁河谷表层土壤容重的块金值C₀=0.0056,为正值。说明在采样点的选择、采样过程和样品处理环节,以及土壤本身性质等方面,产生了误差,引起了土壤容重的空间变异。
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图3采样点表层土壤容重趋势面分布
-->Figure 3Trend analysis of topsoil bulk density sampling points
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4.4 土壤容重的空间插值分析

空间趋势面分析和块金值结果表明,伊犁河谷表层土壤容重存在着空间相关性,有必要采取空间插值方法,分析其空间变化轨迹。为此,在SURFER（9.0）软件下,采用普通克里金（Ordinary Kriging）空间插值方法,进行内插,得到土壤容重空间分布等值线图（图4）。图4表明,伊犁河谷表层土壤容重分布呈斑块状和条带状镶嵌分布,从南到北和从西到东,表层土壤容重均呈减小。除受人为农垦原因增加其容重外,在大尺度上,主要受植被因素的影响。采样过程中发现,从南到北和从西到东,植被盖度呈增加趋势,植被多寡影响土壤理化性质,植被根系可增加土壤孔隙度,其枯枝、落叶可增加土壤腐殖质的含量,改善土壤质量,增大入渗性、透气性、持水性、溶质迁移性,从而减小土壤容重 ^[21,22]。植被的变化与降雨呈正相关,植被的NDVI指数与降雨相关性很高,降雨多,植被盖度高^[23]。伊犁河谷区,随着海拔的升高,降雨增大,潜在的植被盖度增大,是土壤容重减小的又一重要因素。
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图4表层土壤容重空间插值
-->Figure 4Spatial interpolation distribution of topsoil bulk density
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5 结论

本文结合野外调研采样和室内数据分析,采用经典统计学、趋势面和空间插值方法,探讨了伊犁河谷表层土壤容重的变化特征,得到以下研究结果：
（1）基本统计学分析和K-S单样本检验均表明,伊犁河谷表层土壤容重数据均服从正态分布;表层土壤容重的平均值为1.25g/cm³,最小值为1.01g/cm³,最大值为1.50g/cm³,其变幅为0.48g/cm³,变化幅度大;经典统计表明,其CV值为7.6%,属于弱变异性。
（2）与开垦前相比较, 4a的林地、3a的农用地和8a的园地土壤容重分别增加了0.12%,1.87%,4.06%,其容重大小依次为：8a园地>3a农用地>4a林地>草地。
（3）空间变异性分析表明,伊犁河谷表层土壤容重的块金值为0.0056,基台值为0.0083,快基比为C₀/（C₁+C₀）为32.5%,其值介于25%~75%之间,为中等相关性;
（4）普通克里金（Ordinary Kriging）插值结果表明,受海拔、降雨和植被等自然因素,以及农垦等人为因素影响,从南到北和从西到东,其容重均减小;而在局部区域,土壤容重呈现斑块状和条带状镶嵌分布。
The authors have declared that no competing interests exist.

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