1、地統計學在土壤生態學中的應用及展望第1頁，共16頁，2022年，5月20日，11點18分，星期二地統計學在土壤生態學研究中的應用及展望目錄一、土壤生態學簡介二、地統計學基本理論和方法三、地統計學在土壤生態學研究中的應用概況四、地統計學在土壤生態學中的應用展望第2頁，共16頁，2022年，5月20日，11點18分，星期二 一、土壤生態學 是土壤學、生態學、地理學以及環境科學相互交叉的一門具有廣泛研究領域的新興學科。 以土壤生物為中心，研究土壤生物間、土壤生物與土壤非生命環境間的相互作用，土壤生物群落與壤內部環境以及外界環境之間的能量流、物質流和信息流 以揭示土壤生物群落的結構認識復雜的土壤生成過

2、程并應用整體與局部結合的方法重規與社會環境相結合以達到改造土壤生態系統的結構和功能，實現土壤資源持續利用的目標。第3頁，共16頁，2022年，5月20日，11點18分，星期二二、地統計學基本理論和方法 （一）地統計學理論 地統計學(Geostatistics)的雛形是20世紀50年代南非采礦業的礦藏勘察中使用的空間估值計算方法,60年代法國著名統計學家Matheron在此基礎之上作了大量理論和實際研究后提出區域化變量理論(The theory of regionalized variable),形成了該理論的基本框架。 地統計學最早應用于脈狀礦床品位、儲量研究;隨著研究的深入,如析取克里格法、

3、轉換函數、泛克里格法的提出,廣泛應用于區域礦產資源評價、鉆探工作、采樣工作等方面;近年來在化探、冶金、土壤研究中也有所應用,并取得較好的效果。 第4頁，共16頁，2022年，5月20日，11點18分，星期二 二、地統計學基本理論和方法（1）運用地統計學進行空間分析基本包括以下幾個步驟,即數據探索性分析；空間連續性的量化模型；未知點屬性值的估計；對未知點局部及空間整體不確定性的預測。用戶可根據自己的需要截止到中間某一項。第5頁，共16頁，2022年，5月20日，11點18分，星期二 數據探索性分析,主要是通過頻率分布圖、散點圖、位置圖等對數據的統計分布特征做一個初步的考察。這個過程最容易發現的問

4、題就是數據的集聚,以及異常點極值的出現。通常,可利用適當的變換,如對數變換來解決。第6頁，共16頁，2022年，5月20日，11點18分，星期二 The framework of methods in Geostatistics地統計學方法框架地統計學估值隨機模擬多點統計學多點統計學隨機模擬局部不確定性預測普通克里值簡單克里值因子克里值趨勢克里值協同克里值塊狀克里值眾高斯法指示克里值序列高斯模擬LU分解模擬P-field模擬退火模擬方法序列指示模擬第7頁，共16頁，2022年，5月20日，11點18分，星期二三、地統計學在土壤空間異質性研究中的應用概況 （一）在土壤物理特性空間變異上的應用 研

5、究土壤物理性質的空間變異性,能促進土壤學定量和動態研究的深人及許多新技術的實際應用。 地統計學既可以用來定量分析土壤特性的空間分布,也可以用于確定土壤空間變異的尺度,以提高田間采樣的有效性. 龔元石等將分形理論和地統計學結合起來對土壤含水量和容重進行研究,表明土壤并非是具有理想分形特征的介質,它只是在一定的空間尺度內才具有分形特征,從而豐富了地統計學相關的研究方法。第8頁，共16頁，2022年，5月20日，11點18分，星期二 （二）在土壤化學性質空間變異上的應用 土壤養分空間變異的研究是土壤化學性質空間變異性研究的主體部分. 土壤養分是衡量作物產量和質量的一個極其重要的指標,開展土壤養分空間

6、變異性研究對于科學合理地制定農田施肥方案,提高養分資源利用率,促進變量施肥技術的發展,實現精確施肥等都具有重要意義。 土壤特性空間變異的影響是有尺度范圍的,不同尺度下,同一變量的自相關程度相差很大,且隨樣點間距離的增大而加大,變異函數值的隨機成分也在不斷增加,更小尺度下的結構特征將被掩蓋,而多尺度下分析則有利于深人分析土壤特性的空間變異結構特征。第9頁，共16頁，2022年，5月20日，11點18分，星期二 胡克林等利用地統計學研究了北京南郊大興區三個不同時期土壤有機質的時空變異,這種較長時間尺度的研究能夠準確地反映近年來局部地區由于土地集約化程度和高強度利用所導致的土壤有機質質量分數下降的事

7、實。 黃元仿等陽考慮各向異性和趨勢效應,更全面精確地研究了干旱荒漠區土壤有機質空間變異。第10頁，共16頁，2022年，5月20日，11點18分，星期二（三）、地統計學在分析受重金屬污染土壤的空間變異方面的應用 土壤中的重金屬污染是土壤科學家必須解決的一個重要課題,克立格插值為土壤特性的空間預測提供了一種無偏最優估值方法,因此,越來越多的研究者開始利用地統計學對受重金屬污染的土壤進行克立格空間插值和制圖。 Chang T K等對整個臺灣土壤中砷的空間變異進行了半方差分析和克立格制圖發現臺灣西南地區砷的含量超過了整個臺灣省的平均值。第11頁，共16頁，2022年，5月20日，11點18分，星期二

8、（五）、地統計學在土壤采樣策略中的應用 傳統野外田間格網定位采樣既費錢又困難,在何地采樣,采集多少樣品以及樣品間距應為多少是土壤調查面臨的一道難題,同時許多研究表明田間土壤特性的平均值和變異程度受采樣田塊大小和測試方法的影響。因此在滿足一定精度的前提下,通過合理的采樣布點方法以減少采樣個數,節省野外采樣和室內分析成本。 傳統的統計學方法在描述土壤變異時假定采樣區的土壤特性變化是隨機的,樣本之間是完全獨立且服從某已知的概率分布,認為樣品均值是樣區土壤特性的最好描述方式,并用方差、標準差、變異系數和置信區間來表征估計精度。地統計學研究表明土壤特性的變化并非完全隨機,在空間上具有關聯性,因此利用傳統

9、方法來制定采樣模式并不是最優的,因為它未考慮土壤特性的空間相關性和采樣的空間位置,只能概括土壤特性變化的全貌而不能反映其局部的變化特征。第12頁，共16頁，2022年，5月20日，11點18分，星期二 姜城、楊俐蘋將地統計學和地理信息系統技術結合起來對一定條件下土壤合理采樣數量作了研究,發現大部分土壤養分都具有較為良好的半方差結構,空間自相關距離都比較大,在平衡取樣成本和精確度的前提下必須考慮土壤養分的空間變異程度。第13頁，共16頁，2022年，5月20日，11點18分，星期二（六）、地統計學在土壤其他特性中的應用 利用地統計學,分析土壤特性和地面植物以及微生物之間的各種關系方面,學者們也做

10、了大量的工作。 Shuster發現蚯蚓可以改變土壤中有機碳的分布,Gaston的研究表明,土壤有機碳高,質地好的土壤,雜草分布明顯地好,而有機碳低,質地不好的區域則反之;大部分雜草在連續年份內的分布具有空間相關性,而對除草劑敏感的雜草則不然,這啟示人們可以通過改變種子出土前除草劑的使用率來對雜草進行有效控制。 有關土壤呼吸的空間和現勢分布的信息對理解生態系統中營養和動力學機制,評價土壤呼吸對全球CO2的作用以及指導采樣策略來進行研究和特定的農業利用都是非常有用的,因為全球CO2的25%都是來自于土壤呼吸。第14頁，共16頁，2022年，5月20日，11點18分，星期二四、地統計學在土壤生態學中的展望（一）、地統計學和土壤多源數據的處