曹祥會， 龍懷玉， 周腳根， 邱衛(wèi)文， 雷秋良*， 劉 穎， 李 軍， 穆 真

(1中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所， 農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點實驗室， 北京 100081；2 中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所， 長沙 410125； 3 The New Zealand Institute for Plant & Food Research Limited, Private Bag 4704, Christchurch, New Zealand)

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河北省表層土壤有機碳和全氮空間變異特征性及影響因子分析

曹祥會1， 龍懷玉1， 周腳根2， 邱衛(wèi)文3， 雷秋良1*， 劉 穎1， 李 軍1， 穆 真1

(1中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所， 農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點實驗室， 北京 100081；2 中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所， 長沙 410125； 3 The New Zealand Institute for Plant & Food Research Limited, Private Bag 4704, Christchurch, New Zealand)

【目的】在陸地生態(tài)系統(tǒng)中, 土壤全氮和有機碳是重要的生態(tài)因子。本研究基于土壤調(diào)查獲得大量土壤剖面的空間和屬性信息，研究河北的土壤有機碳和全氮的空間分布特征，為河北的土壤養(yǎng)分監(jiān)測和管理提供科學依據(jù)，同時也為其他類似地區(qū)土壤采樣提供參考，減少采樣成本?！痉椒ā窟\用傳統(tǒng)統(tǒng)計學和地統(tǒng)計學分析方法，以變異函數(shù)為工具，初步分析了河北土壤全氮和有機碳的空間變異特征，并應(yīng)用普通克立格法和回歸克里格法進行插值, 得出全氮和有機碳含量的分布格局?！窘Y(jié)果】研究區(qū)土壤有機碳和全氮的平均值分別為15.25 g/kg和1.23 g/kg，變異系數(shù)分別為0.73和0.63，屬于中等強度變異。經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后，土壤有機碳和全氮均符合正態(tài)分布。選擇球狀模型作為土壤有機碳和全氮的半方差函數(shù)理論模型，土壤有機碳和全氮的塊金值/基臺值的比值分別為1.8%和1.2%，有機碳和全氮的塊金系數(shù)均小于25%，表明有機碳和全氮具有強烈的空間相關(guān)性。有機碳和全氮空間變異的尺度范圍不同，分別為50.400 km和59.200 km。研究區(qū)的有機碳總體空間分布規(guī)律是有機碳在北部較高、南部較低，呈自北向南遞減趨勢，土壤全氮與有機碳的空間分布趨勢相似，但有機碳的空間變異特征較全氮明顯，這種空間分布格局主要受環(huán)境因子、 土壤質(zhì)地、 土壤類型以及土地利用類型等的影響，其中環(huán)境因子中的氣溫和海拔對有機碳和全氮的影響較大。通過比較普通克里格和回歸克里格的預測結(jié)果，回歸克里格能較好地反映東南部有機碳和全氮較低地區(qū)的局部變異外，對于西北部的山區(qū)也能更好地反映碳、 氮與地形及氣候等因素的關(guān)系。【結(jié)論】河北土壤有機碳和全氮的空間變異和分布特征較為類似，受地形地貌、 氣候等因素的影響。通過比較普通克里格法和回歸克里格法的空間預測結(jié)果，回歸克里格法可以消除環(huán)境因子的影響，從而得到更準確的空間預測結(jié)果，因此建議使用回歸克里格法進行預測，以期獲得一個更為準確的土壤有機碳和全氮的空間預測結(jié)果。

地統(tǒng)計學； 普通克里格； 回歸克里格； 有機碳； 全氮； 空間變異； 影響因子

Analysis of spatial variability and influencing factors of topsoil organic carbon and total nitrogen in Hebei Province

土壤有機碳和全氮是全球變化研究中的核心內(nèi)容。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中, 土壤全氮和有機碳是重要的生態(tài)因子[1-3]。一方面, 土壤是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量交換的重要場所, 在全球碳、 氮循環(huán)中起著十分重要的作用； 另一方面, 土壤碳和氮不僅為植物生長提供碳和氮源，而且直接影響土壤結(jié)構(gòu)和團聚體的形成以及植物群落的組成與生理活力[4-5]。土壤有機碳和全氮在小區(qū)域尺度上的空間分布格局可為土壤生產(chǎn)力、 土壤水文特性和以碳為基礎(chǔ)的溫室氣體的收支研究提供重要的信息[6]，尤其是表層土壤有機碳和全氮，易受人為及環(huán)境等因素的影響。因此, 通過土壤調(diào)查獲得大量土壤剖面的空間和屬性信息，對于土壤碳、 氮循環(huán)的研究具有重要意義[7]。

國內(nèi)學者對土壤有機碳和全氮的空間分布等進行了諸多的研究和分析[8-12]，結(jié)果表明土壤有機碳和全氮在空間分布上具有不均一性，是發(fā)生變化的連續(xù)體，同時有機碳和全氮具有較為一致的空間分布格局。土壤有機碳空間分布的影響因子較多, 如氣候、 地形、 巖性、 土壤和土地利用方式等[13]。由于土壤物理、 化學過程以及生物過程在不同方向上存在顯著差異, 土壤全氮同樣具有隨機性和結(jié)構(gòu)性的空間變異性質(zhì)[14-16]。土壤空間變異性是尺度的函數(shù), 不同尺度上同一變量的自相關(guān)程度相差極大，較小采樣間距更能揭示土壤養(yǎng)分的變異性，較大采樣間距一般只能揭示土壤養(yǎng)分的空間分布格局[17-18]。為了定量土壤有機碳和全氮的空間分布特征，地統(tǒng)計學方法已被廣泛應(yīng)用。普通克里格法是在給定一個隨機過程的實測值的條件下，對未采樣點的取值進行線性無偏最優(yōu)估計，是土壤屬性空間預測中應(yīng)用最為廣泛的隨機插值方法之一[19]。但是，在地形、 氣候等因子的影響下，直接應(yīng)用普通克里格法預測精度不高。近些年來，結(jié)合回歸分析和普通克里格法進行預測的回歸克里格法是混合插值技術(shù)中最有效的方法之一，在多數(shù)情況下回歸克里格方法得到的預測結(jié)果比常規(guī)的地統(tǒng)計學方法獲得的預測結(jié)果更精確[20]。

從以往研究來看，大多主要采用普通克里格法在小區(qū)域尺度進行研究，同時未考慮影響土壤有機碳和全氮空間變異的影響因子。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，基于野外土壤調(diào)查的表層土壤信息資料，一方面應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計學和地統(tǒng)計學相結(jié)合的方法，通過普通克里格插值法探討河北省域尺度上表層土壤有機碳和全氮的空間變異特征； 另一方面，分析影響有機碳和全氮的空間變異的因子，進而通過回歸克里格法得出土壤有機碳和全氮的空間預測圖，通過比較回歸克里格法和普通克里格法得出的預測圖，以期獲得一個更為準確的土壤有機碳和全氮的空間預測結(jié)果。這將為河北的土壤養(yǎng)分監(jiān)測和管理提供科學依據(jù)，同時也為其他類似地區(qū)土壤采樣提供參考，減少采樣成本。

1　研究區(qū)域概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

1.2土壤樣品采集及處理

樣點的布設(shè)要具有代表性、 空間分布的均勻性，主要根據(jù)當?shù)氐刭|(zhì)地貌特點、 土壤類型以及土地利用方式，在ArcGIS中進行疊加，布設(shè)了140個剖面點，于2010年8月進行采集，土壤采樣深度0—100 cm，并用GPS記錄下剖面點的經(jīng)緯度和高程，并詳細記錄采樣點周圍的景觀信息(圖1)。實驗室測定不同土壤剖面層次的土壤有機碳含量(采用濃硫酸-重鉻酸鉀氧化法)和土壤全氮(采用凱氏定氮法)[21]。由于剖面分層采樣，為保證分析的土壤深度一致性，對于不足20 cm的土層，采用加權(quán)平均法計算獲得0—20 cm表層土壤的有機碳和全氮含量[22]。

1.3變異函數(shù)計算

地統(tǒng)計學是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以半方差函數(shù)為基本工具的一種數(shù)據(jù)方法，常用的插值法為Kriging插值法[14]。半方差函數(shù)是地統(tǒng)計學解釋土壤有機碳和全氮空間變異結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)[23]。

1.4Kriging插值方法及精度檢驗

1)普通克里格法(Ordinary kriging, OK)?；谕寥缹傩缘目臻g連續(xù)性，通過鄰近的相關(guān)觀測點權(quán)重均值來預測采樣點位置的土壤屬性值，是土壤屬性空間預測中應(yīng)用最為廣泛的方法之一。

2)回歸克里格法( Regression-kriging, RK)。以常規(guī)的多元回歸分析技術(shù)和相關(guān)的輔助預測數(shù)據(jù)來分離趨勢項，然后對殘差進行普通克里格估計，最后將多元回歸預測的趨勢項和殘差的普通克里格相加進行估值，回歸克里格方法中的趨勢項是輔助預測數(shù)據(jù)的函數(shù)[26]。

空間預測精度采用獨立驗證法進行評價。在140個采樣點數(shù)據(jù)中，隨機均勻地抽取31個樣點作為驗證樣點，它們不參與插值過程，利用其余109個采樣數(shù)據(jù)進行插值。通過驗證點處土壤有機碳和全氮的實際觀測值和預測值來進行預測精度評價，具體采用平均誤差(ME)和均方根誤差(RMSE)2個指標，分別見公式(1)和(2):

(1)

(2)

式中，n為驗證點的個數(shù)，Z(xi)和Z*(xi)分別為樣點處的實測值和預測值。ME越接近零，則預測的精度越高；RMSE越小，表明預測值愈接近實測值，預測的精度越高。另外，在驗證點上的預測值與實測值之間的相關(guān)系數(shù)(R2)也被用來評價OK、 RK的估值效果。

1.5數(shù)據(jù)處理

運用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、 正態(tài)分布檢驗、 相關(guān)分析以及柯爾莫哥洛夫-斯蜜諾夫檢驗(K-S檢驗)，實驗半方差函數(shù)的計算及理論模型的擬合在GS+7.0軟件實現(xiàn)[21]。將采樣點的定位數(shù)據(jù)導入GIS軟件中，獲得樣點分布的空間數(shù)據(jù)，通過關(guān)鍵字段實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與土壤屬性數(shù)據(jù)之間的聯(lián)接，作為實驗半方差函數(shù)的計算和Kriging插值法制圖的數(shù)據(jù)源。

本研究采用對數(shù)轉(zhuǎn)化和域法處理(樣本平均值±3s)2種數(shù)據(jù)處理方法和柯爾莫哥洛夫-斯蜜諾夫檢驗(K-S 檢驗)，計算了偏度、 峰度等參數(shù)，并對其是否服從正態(tài)分布進行了檢驗。運用ArcGIS軟件中Kriging插值分析得出土壤有機碳和全氮的空間分布格局。

圖1　研究區(qū)剖面樣點分布和高程圖Fig.1　Location of soil profile sampling sites and elevation map

2　結(jié)果與分析

2.1經(jīng)典統(tǒng)計特征及正態(tài)分布性檢驗

鑒于經(jīng)典統(tǒng)計描述分析只能概括研究區(qū)有機碳和全氮分布特征的全貌，在一定程度上反映樣本全體，沒能定量地刻畫其隨機性和結(jié)構(gòu)性、 獨立性和相關(guān)性。因此，進一步采用地統(tǒng)計方法進行土壤有機碳和全氮的空間變異結(jié)構(gòu)分析。

數(shù)據(jù)的正態(tài)分布性是使用地統(tǒng)計學方法進行土壤特性空間分析的前提。由表1和圖2可知，沒有進行對數(shù)轉(zhuǎn)換的有機碳和全氮經(jīng)K-S檢驗(α=0.05)和頻數(shù)分布直方圖檢驗，均不符合正態(tài)分布。然而，經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)換后，有機碳的偏度和峰度分別為0.21和-0.68，全氮的偏度和峰度分別為-0.02和-0.50； 另一方面，有機碳和全氮經(jīng)K-S檢驗后的P值分別為0.761和0.845，這說明有機碳和全氮均符合正態(tài)分布。因此，研究區(qū)經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后的土壤有機碳和全氮均滿足地統(tǒng)計分析的假設(shè)條件。

表1　土壤有機碳、 全氮的統(tǒng)計特征值

注(Note): α=0.05; K-SP表示正態(tài)分布檢驗 K-SP means the test of normal distribution.

圖2　土壤有機碳、 全氮頻率分布直方圖Fig.2　Frequency distribution histogram of soil organic C(SOC) and total N

2.2半方差函數(shù)分析

土壤有機碳和全氮空間變異結(jié)構(gòu)分析是基于半方差函數(shù)模型的選擇，采用GS+7.0對土壤有機碳和全氮進行分析，比較不同模型產(chǎn)生的塊金值、 基臺值 、 塊金值/基臺值、 決定系數(shù)和殘差等相關(guān)參數(shù)。在這幾個參數(shù)中，首先要考慮的是決定系數(shù)，其次是殘差，然后再考慮塊金值的大小。決定系數(shù)較大、 殘差較小表明半方差函數(shù)理論模型的擬合效果較好。根據(jù)這個原則，選擇球狀模型作為土壤有機碳和全氮含量的最優(yōu)半方差函數(shù)擬合模型(表2和圖3)。本研究選擇的有機碳模型與其他研究結(jié)果[13,15,29]較為一致，而全氮模型有所不同，主要是因為土壤有機碳和全氮的異質(zhì)性是結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素共同作用的結(jié)果。結(jié)構(gòu)性因素, 如氣候、 母質(zhì)、 地形、 土壤類型等可以導致土壤養(yǎng)分強的空間相關(guān)性，而隨機性因素如施肥、 耕作措施、 種植制度等各種人為活動使得土壤養(yǎng)分的空間相關(guān)性減弱，朝均一化方向發(fā)展。在半方差函數(shù)模型中，塊金值/基臺值(塊金系數(shù))表示空間變異性程度，該比值越小，表明由結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異性程度較大； 反之，表明由隨機部分引起的空間變異性程度較大[30-31]。由表2可以看出，土壤有機碳和全氮的塊金值/基臺值分別為1.8%和1.2%。有機碳和全氮的塊金值/基臺值小于25%，說明其具有強烈的空間相關(guān)性。另外，結(jié)構(gòu)性因素是土壤有機碳和全氮空間變異的主要影響因素。

變程表示空間變異的尺度范圍，在變程范圍內(nèi)，樣點間的距離越小，其相似性越大。從表2可以看出，有機碳和全氮的變程分別為50.400 km和59.200 km，當某點與已知點的距離大于變程時，該點數(shù)據(jù)不能用于內(nèi)插或外推，據(jù)此可避免在相關(guān)距離內(nèi)重復設(shè)置樣點。在不同的觀測尺度下，其變程的大小不同，本文屬于中等觀測尺度，大多研究集中于小觀測尺度(表3)。

2.3影響有機碳和全氮的空間變異的因子分析與回歸分析

研究區(qū)土壤有機碳的空間變異特征受該地區(qū)各種氣候類型、 地形地貌、 植被和人為活動等因素的影響，例如， 氣候、 水文、 地理、 母質(zhì)、 土壤肥力、 生物多樣性和土地利用方式均在較大范圍內(nèi)影響土壤有機質(zhì)的分解和積累[32]； 陳慶美等[33]指出，土壤有機碳、 氮蓄積量主要受氣候和質(zhì)地因素的影響，而且植被也是土壤有機碳、 氮蓄積量的調(diào)控因子之一。河北北部和西側(cè)少數(shù)地區(qū)地勢較高(圖1)，北部地區(qū)植被(落葉闊葉林、 常綠針葉林和灌叢)較多，溫度、 濕度適宜，土壤植物根系愈發(fā)達，微生物活性較強，枯枝落葉越易于分解，有利于土壤有機碳的累積，這與地表覆被是土壤有機碳的重要來源相一致[34]。南部地勢較低，植被較少，土壤有機碳由于土地的長期耕作、 過度利用以及溫度和濕度的不適宜等因素，使微生物分解有機碳加速，造成有機碳含量相對較低。

表2　對數(shù)轉(zhuǎn)化后的土壤有機碳、 全氮的半方差函數(shù)理論模型及其相關(guān)參數(shù)

圖3　對數(shù)轉(zhuǎn)換后的土壤有機碳和全氮的各向同性方差Fig.3　Isotropic variogram for logarithmic soil organic C(SOC) and total N

研究區(qū)域Studyarea面積(km2)Area研究對象Studyobject理論模型Theorymodel變程(km)Range南京鄧下Dengxia,Nanjing[13]32.16有機碳和全氮SOC,TN球狀和指數(shù)模型Spherical,Exponential9.11/1.20興國縣XingguoCounty[29]3210.00有機質(zhì)和全氮SOC,TN球狀和指數(shù)模型Spherical,Exponential5.41/9.36南京市區(qū)DownNanjing[15]6421.00全氮TN球狀模型Spherical3.6

表4從與氣候和地形有關(guān)的幾個主要影響因子進行了分析。從分析結(jié)果可以看出，有機碳和全氮的空間分布與年均氣溫、 海拔和年均降水量在0.05或0.01水平上呈顯著的相關(guān)性。海拔不同，一方面使植被生產(chǎn)力不同而使植物殘體的形成量和碳、 氮的輸入不同，另一方面也使氣候要素和土壤性質(zhì)不同而致使土壤碳和氮的分解、 礦化和淋溶等過程不同。Smith等[35]在美國華盛頓東南部半干旱區(qū)500 m海拔梯度范圍和Bonito等[36]在美國阿巴拉契亞山脈南部高海拔硬木林都研究發(fā)現(xiàn)土壤全氮含量隨海拔升高而呈現(xiàn)增加的趨勢。氣候要素主要影響植被的生產(chǎn)力、 土壤微生物活性以及養(yǎng)分的淋溶遷移等，從而影響土壤有機質(zhì)和氮素的輸入與分解速率。但有機碳和全氮受氣溫、 海拔、 降水量和坡度綜合作用的影響，進行多元回歸分析可以得出有機碳和全氮的預測方程(表5)。

表4　影響土壤有機碳和全氮的環(huán)境因子Pearson相關(guān)性分析

注(Note): *、 **表示在0.05、 0.01水平相關(guān)性顯著(雙尾) Correlation is significant at the 0.05 and 0.01 level (2-tailed).

表5　有機碳和全氮與氣溫、 海拔、 降水量及坡度的回歸分析

注(Note):x1—氣溫Temperature;x2—海拔Latitude;x3—降水量Precipitation;x4—坡度Gradient.

除了氣候、 地形等影響土壤有機質(zhì)的含量外，土地利用方式、 土壤本身性質(zhì)及土壤類型均在較大范圍內(nèi)影響土壤有機質(zhì)和全氮的變化[4,33]。從圖4可以看出，不同土壤質(zhì)地和土地利用方式的有機碳和全氮含量存在差異(a=0.05)。

圖4　不同質(zhì)地和土地利用方式土壤有機碳和全氮含量比較Fig.4　Comparison of soil organic C(SOC) and total N content in the soils of different texture and land-use types[注(Note): SL—粉砂壤土Silt loam; SCL—粉砂粘壤土Silt-clay loam； L—壤土Loam； LS—壤質(zhì)砂土Loamy sand； SL—砂質(zhì)壤土Sandy loam； SCL—砂質(zhì)粘壤土Sand-clay loam； CL—粘壤土Clay loam.]

從土壤質(zhì)地來看，砂質(zhì)粘壤土的有機碳和全氮含量最高，其值分別為28.05 g/kg和2.16 g/kg，除與粉砂粘壤土存在顯著差異之外，與其他均無顯著性差異； 粉砂粘壤土的有機碳和全氮含量最低，其值分別為11.51 g/kg和1.01 g/kg，除與砂質(zhì)粘壤土存在顯著差異之外，與其他均無顯著性差異。從土地利用方式來看，草地的有機碳和全氮含量最高，其值分別為22.85 g/kg和1.71 g/kg，除與耕地有顯著性差異外，與其他均無顯著性差異； 耕地的有機碳和全氮含量最低，其值分別為9.37 g/kg和0.83 g/kg，除與荒地和鹽堿地無顯著差異外，而與草地和林地存在顯著性差異。從土壤類型來看(表6)，不同土壤類型的有機碳和全氮含量不同，其中，灰色森林土的有機碳和全氮含量最大分別為29.40 g/kg和2.11 g/kg； 風沙土最小分別為4.98 g/kg和0.49 g/kg。土壤有機碳和全氮的分布不僅與氣候、 土壤特性及土地利用方式有關(guān)，還會受到母質(zhì)、 基巖、 植被特性、 種植制度和人類活動干擾程度(如耕作、 施肥、 秸稈還田以及其他農(nóng)藝措施)等因素的影響[4]。

2.4有機碳和全氮空間分布特征

通過有機碳和全氮與氣溫、 海拔、 降水量和坡度進行多元回歸分析(表5)，將多元回歸預測的趨勢項和殘差的普通克里格相加進行估值，最終得出有機碳和全氮的空間分布狀況。從圖5可以看出，研究區(qū)土壤有機碳總體呈條帶狀分布，冀北含量較高，主要分布在張家口地區(qū)東北部壩緣山地、 燕山山地以及保定和石家莊西部的太行山地； 冀南含量較低，有機碳含量最小值主要分布在河北東南的保定市以東以南、 廊坊、 唐山以及張家口市的南部和北部。門明新等[4]研究發(fā)現(xiàn)，張家口地區(qū)東北部壩緣山地的土壤有機碳密度最大，主要可能是因為該地區(qū)年平均氣溫較低，干旱少雨, 大陸性氣候較明顯，羊草草原也占有相當大的比重，人類活動干擾較少，有機質(zhì)分解緩慢，這與本研究較為一致。全氮的總體分布趨勢與有機碳保持較為類似的空間分布規(guī)律，表現(xiàn)為北部較高, 東南部較低。

表6　不同土壤類型有機碳和全氮(g/kg)

圖5　土壤有機碳和全氮的空間分布Fig.5　Spatial distribution of soil organic C(SOC) and total N

2.5有機碳和全氮預測結(jié)果準確性檢驗

表7　有機碳和全氮預測結(jié)果的準確性分析

圖6　驗證點土壤有機碳和全氮含量預測值與實測值散點圖Fig.6　Scatter plots of the measured and estimated soil organic C(SOC) and total N content from validation sites

3　結(jié)論

1) 研究區(qū)土壤有機碳和全氮的平均值分別為15.25 g/kg和1.23 g/kg，變異系數(shù)分別為0.73和0.63，屬于中等強度變異。土壤全氮的變異系數(shù)小于有機碳的變異系數(shù)，說明土壤有機碳的變異性大于全氮的變異性，而經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后，有機碳的變異性小于全氮的變異性。

2) 土壤有機碳和全氮的塊金值/基臺值的比值分別為1.8%和1.2%，有機碳和全氮的塊金系數(shù)小于25%，表明有機碳和全氮均具有強烈的空間相關(guān)性。有機碳和全氮的變程不同，有機碳為50.400 km，全氮的變異尺度為59.200 km，據(jù)此土壤調(diào)查和統(tǒng)計分析中可避免在相關(guān)距離內(nèi)重復設(shè)置樣點，以遵守和滿足統(tǒng)計抽樣的獨立性原則，節(jié)約調(diào)研和測試費用。

3) 研究區(qū)的有機碳總體空間分布呈自北部向南部遞減的特征。土壤全氮與有機碳的空間分布趨勢相似，但有機碳的空間變異特征較全氮明顯。影響土壤有機碳和全氮的空間分布的因素主要是氣候、 地形、 土壤質(zhì)地、 土壤類型以及土地利用類型，其中氣候因子中的氣溫和海拔對有機碳和全氮的影響較大。

4) 通過比較普通克里格法和回歸克里格法的預測結(jié)果，回歸克里格法在一定程度上提高了研究區(qū)土壤有機碳和全氮的空間預測精度。

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CAO Xiang-hui1, LONG Huai-yu1, ZHOU Jiao-gen2, QIU Wei-wen3, LEI Qiu-liang1*, LIU Ying1, LI Jun1, MU Zhen1

(1InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences/KeyLaboratoryofNon-point

PollutionControl,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China; 2InstituteofSubtropicalAgriculture,ChineseAcademyofSciences,Changsha410125,China; 3TheNewZealandInstituteforPlant&FoodResearchLimited,PrivateBag4704,Christchurch,NewZealand)

【Objectives】 In terrestrial ecosystem, soil total nitrogen and organic carbon are important ecological factors. In this paper, spatial distribution characteristics of soil organic carbon and total nitrogen are studied using spatially surveyed soil profile information. It is expected that the outcomes of this study can provide scientific basis not only for monitoring and managing soil nutrients, but also for cost-effective soil sampling planning in the similar regions. 【Methods】 Both traditional statistic and semi variogram methods are used to study the spatial variability of total nitrogen and organic carbon of the soils. And the distribution patterns of soil total nitrogen and organic carbon are examined using Ordinary Kriging and Regression Kriging.【Results】 The means of soil organic carbon and total nitrogen in the study area are 15.25 g/kg and 1.23 g/kg respectively. And the variance coefficients were 0.73 and 0.63 respectively, which are explained as medium spatial variability. The log transformed soil organic carbon and total nitrogen contents have normal distribution. The theoretical semi-variogram models of soil organic carbon and total nitrogen are all fitted with spherical model well. The nugget and sill ratios of soil organic carbon and total nitrogen are 1.8% and 1.2% respectively. Nugget coefficient of organic carbon and total nitrogen is less than 25%, which indicates that organic carbon and total nitrogen are strongly spatial correlated. Spatial heterogeneity ranges of organic carbon and total nitrogen are different. The range value for soil organic carbon is 50.400 km, while that for total nitrogen is 59.200 km. The overall distribution trend of soil organic carbon in this region is that it is higher in the North than in the South. Although the spatial distribution pattern of the total nitrogen is similar with the soil organic carbon, the spatial variability of organic carbon is significantly higher than that of total nitrogen. The influence of temperature and latitude on spatial variability of the soil organic carbon is more significant than other factors such as soil texture and land use. Based on the predicted values between ordinary kriging and regression kriging, regression kriging not only can reflect the local variation of organic carbon and total nitrogen in the Southeast area, but also can reveal the relationship between carbon, nitrogen, and topographic and climatic factors in the Northwest mountainous area.【Conclusions】 Spatial variability and distribution characteristics of soil organic carbon and total nitrogen are similar, which are related with topography, geomorphology and climate etc. Between regression and ordinary kriging, the regression kriging is more suitable to predict spatial distribution of soil organic carbon and total nitrogen.

geostatistics; ordinary kriging; regression kriging; organic carbon; total nitrogen; spatial variability; influencing factors

2015-03-16接受日期: 2015-07-26網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-05-05

寧夏回族自治區(qū)土系調(diào)查與土系志編制項目(2014FY110200A07)資助。

曹祥會(1990—)， 男， 安徽六安人， 碩士研究生， 主要從事土壤方面的研究。 E-mail: 820646658@qq.com

Tel: 010-82108704, E-mail: leiqiuliang@caas.cn

S718

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1008-505X(2016)04-0937-12