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岩溶区土壤有机质空间变异性分析

张春来 陆来谋 杨慧 黄芬

张春来,陆来谋,杨慧,等. 岩溶区土壤有机质空间变异性分析[J]. 中国岩溶,2022,41(2):228-239 doi: 10.11932/karst20220205
引用本文: 张春来,陆来谋,杨慧,等. 岩溶区土壤有机质空间变异性分析[J]. 中国岩溶,2022,41(2):228-239 doi: 10.11932/karst20220205
ZHANG Chunlai, LU Laimou, YANG Hui, HUANG Fen. Spatial variation analysis of soil organic matter in karst area[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2022, 41(2): 228-239. doi: 10.11932/karst20220205
Citation: ZHANG Chunlai, LU Laimou, YANG Hui, HUANG Fen. Spatial variation analysis of soil organic matter in karst area[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2022, 41(2): 228-239. doi: 10.11932/karst20220205

岩溶区土壤有机质空间变异性分析

doi: 10.11932/karst20220205
基金项目: 国家自然科学基金重点项目(41530316);广西科技计划项目(桂科AD20297090);中国地质调查评价项目(DD2016032403)
详细信息
    作者简介:

    张春来(1984-),男,助理研究员,主要从事岩溶地球化学和岩溶碳循环研究。E-mail:chlzhang@yeah.net

  • 中图分类号: S153

Spatial variation analysis of soil organic matter in karst area

  • 摘要: 采用GIS和地统计学研究土壤有机质(SOM)的空间分布、影响因素和预测是指导农业生产、环境治理和土壤碳储计量的重要手段。基于广西马山县北部岩溶区表层土壤 (0~20 cm)的441个SOM数据,建立普通克里格(OK)、回归克里格(RK),以及结合辅助变量的地理加权回归克里格(GWRK)、残差均值(MM_OK)和中值(MC_OK)均一化克里格的5种模型,并比较其预测精度,旨在探讨岩溶区SOM制图中地统计学方法的适用性。结果表明:(1)SOM的变异系数为37.30%,属于中等空间变异;(2)岩溶区SOM空间变异受土地利用方式、土壤类型和地形因子等因素共同影响,SOM高值区分布在西北部、西部和东部等石灰土分布的岩溶区和水田,低值区位于北部红水河沿岸的冲积土地带;(3)RK、GWRK、MM_OK和 MC_OK对SOM解释能力均较优,可用于岩溶区SOM预测制图。结合辅助变量因子的GWRK预测模型能有效消除空间变异因素的影响,克服岩溶区SOM含量的空间非平稳性,从而提高SOM含量模型的稳定性和精度,同时MC_OK模型能提高预测的准确度。

     

  • 土壤表层是受人类活动影响最为频繁的区域,土壤有机质(Soil Organic Matter,SOM)含量容易受到地质背景、气候、农业活动和土地利用等因素影响[1-2],具有复杂的空间变异性和非稳定性,致使对其空间分布定量预测难度增大[3]。然而,揭示表层SOM空间变异规律及其影响因素对指导农业生产有着极其重要的作用。研究表明:地理信息系统(Geographic Information System,GIS)和地统计学结合应用于土壤属性的空间变异研究,能更好地预测其空间分布特征,在改善农业、管理耕地等方面具有重要意义,是土壤学、地球化学、农学研究的重点内容之一[4-5]。Wang等[6]使用反距离加权法(Inverse Distance Weighted,IDW)来生成土壤有机碳(Soil Organic Carbon,SOC)含量的空间分布;Zhao等[7]使用半方差函数和普通克里格(Ordinary Kriging,OK)插值获得SOC含量的空间变异性。OK方法简单、灵活性显著,但预测结果仅能通过采样点密度情况描述土壤属性的整体空间分布规律,对局部信息描述不够详细,且平滑效应严重[8]。添加辅助变量是一种提高数字土壤测绘精度的方法,可提高空间预测的效率[9]。回归克里格法(Regression Kriging,RK)在空间预测上既考虑土壤属性分布过程中的结构性因素,还有不确定性的随机因子,以及空间上的邻近点和其他地理要素的相关性,有助于提高预测精度[10-12]

    岩溶地区具有极其复杂的二元空间异质体结构[13],地形地貌、碳的水气固交换条件、植被条件、岩石风化等,与非岩溶区均存在较大差异[14-15],岩溶地区的SOM空间分布具有独特的特征[16-17],SOM含量空间变异性较其他区域变化较大,且不同部位的影响因素不同[18]。高度异质性的小生境决定了土壤有机碳的空间结构和格局,而受重度人类活动干扰的人工林和未受干扰的原生林空间异质性较次生林降低[19]。Bai和Zhou[20]对贵州普定后寨流域有机碳的研究发现,SOC呈中等程度变异,成土母质、土壤类型、土地使用、坡位、坡向和岩石裸露率对SOC产生了显着影响。钟聪等[1]对广西表层SOM空间变异研究发现,SOM含量在不同土壤类型和不同土地利用方式条件下具有一定差异。吴敏等[21]基于岩石裸露率、土深校正的空间插值方法大大降低了估算岩溶高基岩裸露率坡地表层SOC储量和碳密度的误差。

    在以往的研究中,由于岩溶区土壤的高度异质性,使得对SOC的空间预测的精度不高,土壤变异性和缺乏足够的采样数据是预测精度较低的原因[22]。本文利用1∶5万土地质量地球化学调查的大批量数据,分别采用普通最小二乘法(Ordinary Least Squares,OLS)模型和地理加权回归(Geographically Weighted Regression,GWR)模型拟合,得到结合土地利用、土壤类型、地形因子的SOM趋向项和残差项,使用文献[4]的研究方法分别建立OK、RK、地理加权回归克里格(Geographically Weighted Regression Kriging, GWRK)、中值中心化克里格(Ordinary Kriging of Median Centralization, MC_OK)和均值中心化克里格(Median Modified Ordinary Kriging, MM_OK )5种方法模型,对预测结果进行比较,优选出研究区域最适合的预测模型,并对研究区SOM分布格局进行讨论,以期了解不同土地利用方式、土壤类型下SOM变异性,分析异质性变化趋势和影响因子,为今后岩溶区SOM研究的空间样品采集布设、农业生产和重金属防控等提供依据。

    研究区位于广西马山县北部(图1),地处东经108.09°~108.2°,北纬23.73°~23.85°,面积为64 km2,属于南亚热带季风气候区,年平均气温为21.3 ℃,年均降雨量在1 480~1 667 mm,但四季分布不均,春—秋多干旱,夏季偏洪涝。研究区属于中国南方典型岩溶地貌,土地利用方式多样,水田、旱地、灌木林地、有林地、果园和草地的分布比例分别为10.55%、29.39%、29.49%、12.86%、0.70%和0.66%,其中,水田位于谷地,土壤类型为水稻土;旱地分布在谷地两侧坡底和岩溶洼地底部,土壤类型为红壤、赤红壤和棕色石灰土、冲积土;灌木林地、有林地分布在山体,主要土壤类型为棕色石灰土、赤红壤、红壤。

    图  1  研究区位置及土地利用方式图
    Figure  1.  Location of the study area and the land use

    在叠加了等高线和公里网的1∶5万土地利用图上,以500 m×500 m为单元兼顾土地利用方式和土壤类型采集表层土壤,采用“S”形、“X”形或棋盘形以20~50 m的间距采集3~5等份的子样组合成一个样品,4~12个样·km-2,布设在土壤易于汇集的平缓坡地、山间平坝、低洼地带等土壤分布具有代表性的部位。各样品类型数量见表1。土壤样品采集、加工和测试于2017年7月进行,使用重铬酸钾—硫酸标准溶液作为氧化剂,硫酸亚铁铵溶液为滴定剂测定土壤中有机质含量[23],测试精度满足《土地质量地球化学评价规范》(DZT0295-2016)要求。

    表  1  SOM描述性统计
    Table  1.  Descriptive statistics of SOM
    指标样本数最大值/
    %
    最小值/
    %
    平均值/
    %
    标准差
    (SD)
    变异系数
    (CV)/%
    峰度偏度K-S检验
    土地利用方式 水田 83 5.03 1.66 3.56a 0.69 19.90
    旱地 259 4.45 0.81 1.92c 0.58 30.20
    林地 99 3.93 1.02 2.51b 0.64 25.50
    土壤类型 水稻土 98 5.03 0.91 3.19a 0.93 29.10
    红壤 66 4.48 0.93 2.12b 0.77 36.10
    赤红壤 122 4.45 1.02 2.18b 0.66 30.20
    石灰土 95 4.06 1.03 2.28b 0.65 28.30
    冲积土 60 4.30 0.81 1.78c 0.72 40.40
    总样本 441 5.03 0.81 2.36 0.88 37.30 2.83 0.76 0.00
    对数转换 5.52 0.03 0.15
    注:平均值列的不同小写字母对应显著性表现。
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    2.2.1   数据来源和处理

    数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)数据来源于地理空间数据云网站,分辨率为30 m,利用ArcGIS 10.2提取各采样点的坡度、坡向以及高程等地形因子(图2)。

    图  2  研究区土壤类型及地形因子空间特征
    Figure  2.  Spatial features of ancillary variables in the study area

    研究区土地利用方式和土壤类型数据来源于2014年度土地利用现状变更调查和全国第二次土壤普查成果。通过哑变量赋值方法[24]将土壤类型和土地利用类型等定性变量转为定量变量,以满足地统计分析,如设旱地类的值为1,其他值为0,林地为参照组;水稻土值为1,其他值为0,冲积土为参照组等。再分别利用SPSS 20中的Pearson参考点二列相关方法与SOM做相关性分析[25]

    采用平均值±3×标准差法剔除SOM异常值,最终得到441个样品数据(表1),利用ArcGIS软件地统计模块将其中的80%作为训练集,其余20%作为验证集。

    2.2.2   OLS、RK、GWR和GWRK模型与插值

    普通最小二乘法是一种全局的线性回归,利用一个或多个解释变量对因变量进行最佳预测的方法。通过利用多个观测值求得一组解释变量与因变量之间残差平方和最小的拟合。其公式如下:

    y=Ni=1x1βi+ε
    (1)

    式中:y为研究区SOM的预测值;x1为样品SOM含量;βi为未知的模型拟合参数;N为建模中的样品数;ε 为模型的残差项,服从正态分布 N(0,ρ2 )。通过下列矩阵方程估计:

    ^βi=(XX)1XY
    (2)

    式中:^βi为线性模型系数;X为数据集;X'X的转置矩阵;Y为目标数据集。 RK 是 OLS模型的进一步扩展分析,是对 OLS模型拟合的残差部分进行OK,然后将残差部分与OLS模型拟合的预测值进行相加,表达式如下:

    YRK=Ni=1x1β(uivi)+ˆεok(uivi)
    (3)

    式中:(uivi)i 点的坐标;β(uivi)i 点的回归参数;ˆεok(uivi)为OK模型在i 点的残差值。

    GWR模型将数据集中的各要素构建成局部回归方程,并将空间距离权重加入到拟合模型中,构建空间权重矩阵,从而更好地表示局部区域的空间非平稳性。通过对未知点带宽内所有的观测值进行局部线性回归以获取该点的预测值,并消除空间异质性对模型拟合的干扰,是一种局部参数的估计方法。其表达式如下:

    YGWR=βk(μivi)+Nk=1βk(μivi)xik+εi
    (4)

    式中:(μivi)i 点的坐标;βk(μivi)i 点的回归参数;当k=0时,β0(μivi)i 点的截距项;εi为残差项,遵循正态分布 N(0,ρ2 )。

    估计模型矩阵方程如下:

    ^βi=(XWiX)1XWiY
    (5)

    式中:Wii 点处周围参与建模的观测值的空间权重。

    GWR模型中通过Gaussian 函数计算各点权重,表达式如下:

    Wij=1[(dijb)2]2
    (6)

    式中:diji点到周围观测样点的距离,其值越大,所对应的权重越小;b 为带宽,带宽为GWR模型的关键,本研究模型带宽的选择以修正赤池信息量准则(Correction Akaike Information Criterion,AICc)作为准则,值最小时的b值作为最佳带宽。

    GWRK模型是通过GWR模型拟合得到趋势项和残差项,对残差项进行普通克里格插值(OK),然后空间加和,得到趋势项与残差项之和,即为预测结果。

    对创建训练集数据、OLS残差、GWR残差、GWR残差均值与中值中心化,进行Kolmogorov-Smirnov正态分布检验,利用半方差函数拟合最优模型函数和模型参数[1],再进行普通克里格插值,然后和经土地利用、土壤类型、地形因子等辅助变量因子回归获得的OLS、GWR趋势项空间加和,最终得到OK、RK、GWRK、OK_MC和MM_OK等5种SOM分布预测图。

    2.2.3   模型精度验证

    模型精度验证主要通过预测模型训练集(内部验证)和验证集(外部验证)两种手段[4]。内部验证:标准平均值误差(Mean Standardized Error, MSE)与0最接近、标准均方根(Root-Mean-Square Standardized, RMSS)预测误差和1最接近、均方根(Root-Mean-Square, RMS)预测误差达到最小、平均标准误差(Average Standard Error, ASE)和均方根(Root-Mean-Square, RMS)预测误差最接近的结果为最优。外部验证: 均方根误差(Root Mean Squares Error, RMSE)越小模型越稳定、平均绝对值误差(Mean Absolute Error, MAE)越小模型精度越高[26],准确度(Accuracy, AC)可评价预测的准确性,取值范围为0~1,越接近于1说明预测越准确[27]

    研究区水热条件较好,土壤较为肥沃,SOM观测值在0.81%~5.03%,平均值为2.36%±0.88%。利用SPSS 20.0软件对不同类型样品SOM数据进行描述性统计分析(表1),并通过单因素方差分析进行显著性差异检验。研究区域不同土地利用类型的SOM均值均存在显著性差异(P<0.01,下同),其中具体表现为水田>林地>旱地;同时水稻土、冲积土和其他土壤类型呈显著性差异,土壤类型均值具体表现为水稻土>石灰土>赤红壤>红壤>冲积土。总体样本CV为37.3%,属于中等空间变异,偏度为0.76,峰度为2.83,K-S检验显示原始数据不呈正态分布,经对数转换后P=0.146>0.05,服从正态分布。

    SOM含量差异主要是由不同土地利用方式或土壤类型引起的,因此,在对SOM插值前得消除它们引起的SOM差异。对不同土地利用类型、土壤类型的哑变量赋值结果使用点二列相关法分别与SOM含量作相关性分析(表2)表明,SOM含量和水田呈极显著正相关,水田为还原环境,有利于SOM保存和积累;与旱地呈极显著负相关,旱地多处于氧化环境,扰动频繁,SOM降解快。水稻土和SOM含量呈极显著正相关,冲积土、赤红壤、红壤呈极显著负相关,这与土地利用方式分析结果基本一致。

    表  2  研究区SOM含量与土地利用方式和土壤类型Pearson相关系数
    Table  2.  Pearson correlation coefficient of SOM and types of land use and soil
    水田旱地林地水稻土冲积土赤红壤红壤石灰土
    相关系数0.676**−0.622**0.0900.526**−0.269**−0.153**−0.131**−0.047
    注:**在0.01水平(双侧)上显著相关。
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    3.2.1   OLS模型

    对筛选出的变量进行OLS模型拟合,由拟合诊断结果(表3)可知:OLS模型带宽AICc为787 m,校正可决系数R2的值为0.56,表明模型拟合较好,说明不同土地利用、土壤类型、地形因子等变量可解释因变量中大约56%的变化。K(BP)_Prob=0.002<0.05,说明模型不稳定或存在空间异质性,系数显著性通过稳健概率(Robust_Pr)来确定;使用卡方统计量来确定整个模型是否显著,Wald-Prob为0.00,说明整个模型是显著的;Jarque-Bera检验JB-Prob为0.00,小于0.05,表明研究区SOM含量的OLS模型结果是片面的。残差Moran’s I 指数为0.39,呈空间自相关[28]

    表  3  OLS模型诊断结果
    Table  3.  Diagnostic results of OLS model
    AICcR2F-StatF-ProbWald-ProbK(BP)K(BP)_ProbJB-Prob
    7870.5663.90.00*0.00*25.60.002*0.00*
    注:**在0.01水平(双侧)上显著相关。
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    由不同样品类型辅助变量因子的诊断系数(表4)可知:旱地、冲积土的系数均为负值,表明解释变量和因变量为负相关关系,水田、水稻土、赤红壤、石灰土等系数为正值,表明与因变量为正相关关系。高程、坡度、坡向、赤红壤等解释变量的系数非常接近零,表明该解释变量对模型解释程度较弱,SOM含量受地形因子、赤红壤的因素影响较小。系数诊断表中水田、旱地、水稻土、石灰土、冲积土的Robust_Pr系数均显著,表示该解释变量对拟合的模型非常重要;模型方差膨胀因子(Variance Inflation Factor,VIF)值小于7.5不存在多重共线性问题。

    表  4  OLS模型诊断系数结果
    Table  4.  Results of diagnostic coefficient of OLS model
    变量系数PRobust_SERobust_tRobust_PrStdCoefVIF
    截距2.180.000.268.330.000.00
    土地
    利用
    水田0.91**0.000.156.130.000.413.06
    旱地−0.56**0.000.08−6.710.00−0.312.02
    土壤
    类型
    水稻土0.28**0.010.132.160.030.132.99
    赤红壤0.010.950.090.060.950.002.02
    石灰土0.21*0.030.092.330.020.101.98
    冲积土−0.24*0.020.09−2.840.00−0.101.58
    地形
    因子
    高程0.000.170.001.170.240.062.17
    坡度0.000.610.00−0.520.60−0.021.89
    坡向0.000.580.00−0.520.60−0.021.09
    注:***分别在0.01和0.05水平(双侧)上显著相关;土壤类型、土地利用类型使用哑变量处理;P为Probability 概率;Robust_SE为标准差健壮度;Robust_t为T统计量健壮度;Robust_Pr为概率健壮度;StdCoef为回归系数的标准差;VIF为方差膨胀因子。
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    3.2.2   GWR模型

    采用虚拟变量后不同土地利用类型、不同土壤类型以及DEM提取的地形因子作为解释变量进行GWR模型的参数回归。本文使用的核函数为自适应高斯核函数,GWR模型拟合参数见表5。AICc为带宽判断标准,值越小说明拟合不确定性越小,一般两个模型的AICc值相差大于3,则具有较低AICc值的模型为更佳模型,GWR模型中AICc值最佳带宽为774 m,OLS模型为787 m,具有较低 AICc值的GWR模型能够更好地拟合观测数据,并且GWR模型R2为0.64,校正后的R2为0.59,满足了统计模型的基本要求。SOM含量与旱地和坡度的回归系数均为负值,呈负相关关系,而与水田、高程和坡向的回归系数均为正值,呈正相关关系,这与OLS的相关性检验结果基本一致。

    表  5  地理加权回归模型拟合参数
    Table  5.  Fitting parameters of geographically weighted regression model
    平滑程度残差平方和标准化剩余平方和AICcR2校正R2
    GWR3343.22123.740.567740.640.59
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    通过将研究区GWR模型残差以及其残差中值、均值中心化和OLS模型残差进行正态分布检验后,利用GS+9.0软件进行半方差函数拟合,得到参数(表6)与OK插值结合,再将插值得到的结果与相应趋势项进行空间加和而得到研究区SOM的预测值[4],最后与直接用实测值数据插值比较。

    表  6  不同插值处理的SOM半方差函数模型与参数
    Table  6.  Semi-variogram function model for SOM and its corresponding parameters with different methods
    方法理论模型预测
    系数R2
    变程(A0
    /m
    块金值
    (C0
    基台值
    (C0+C)
    结构方差
    (C)
    块金值/基台值
    (C0/C0+C)/%
    OK指数模型0.69210500.01550.1390.123511.2
    RK指数模型0.1924800.05650.3710.314515.2
    GWRK指数模型0.1884500.05250.3200.267516.4
    MC_OK指数模型0.1864500.05560.3200.264417.4
    MM_OK指数模型0.1874500.05220.3200.267816.3
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    利用GS+9.0进行地统计分析,发现拟合的理论变异函数模型均为指数模型。其块金值/基台值均小于25%(表6),说明均存在一定的空间自相关性,SOM含量主要受结构性因素影响,可进行相关插值分析。经土地利用、土壤类型、地形因子等辅助变量回归后GWRK模型的C0和C0/C0+C等参数高于OK的结果,说明样本空间变异是由土地利用方式、土壤类型、地形因子等随机因素造成的。

    利用5种模型对研究区的SOM插值发现:高值区分布在西北部、西部和东部等石灰土分布的岩溶区和水田,低值区位于研究区北部红水河沿岸的冲积土地带(图3)。RK、GWRK、MM_OK和MC_OK表现出一定相似性,结合土地利用类型来看,均能较好从整体和局部细节上研究区内SOM含量空间分布;大体上MM_OK的SOM空间分布较为连续,而其他的几种分布比较破碎,反映出不同土地利用对SOM的特征以及信息的丰富程度较好;MC_OK低值区相较于其他方法少。

    图  3  SOM含量预测分布图
    Figure  3.  Spatial distribution of SOM

    各模型内部验证的结果显示:OK 、RK 、GWRK、 MM_OK和 MC_OK的MSE均接近于0,RMSS均接近于1(表7),而GWRK的RMS最小,ASE与RMS接近,说明GWRK模型拟合更好。外部验证的结果显示:GWRK的MAE和RMSE最小,分别指示了GWRK模型的精度最高和稳定性最好。GWRK的预测集与验证集的相关系数r最大,预测准确度(AC)由大到小依次为MC_OK>MM_OK>GWRK>RK>OK。综上所述,结合内部验证参数和外部验证得出GWRK的模型稳定性和精度较好,MC_OK模型准确度最好。

    表  7  不同模型预测精度评价
    Table  7.  Precision assessment of SOM content prediction with different methods
    方法内部验证外部验证
    MSERMSSRMSASEMAERMSEAC/%rR2
    OK−0.01671.00280.81660.85360.68220.872430.80.230.14
    RK0.00870.98360.59830.59830.46260.584471.90.710.48
    GWRK−0.02180.97970.54640.55460.39120.496079.40.790.63
    MC_OK0.00751.07640.56050.52110.42020.521589.30.770.58
    MM_OK0.00710.98900.56370.57030.46320.577587.00.720.49
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    马山县北部岩溶区不同土地利用方式的SOM存在较大差异,表明SOM受地形、土壤结构性质以及土地利用方式等共同影响。SOM具有强烈的空间自相关性,变异范围主要在450~480 m之间,超过这个范围变异影响较小。5种克里格插值方法均能很好反映马山县北部SOM含量的空间分布规律。

    根据5种方法插值图(图3)可知,SOM中高值均集中研究区的西北部、西部等地区,南部也有零星高值出现;结合土地利用类型和土壤类型分析可知,中高值的土地利用方式主要为水田、林地,土壤类型为水稻土和石灰土;SOM含量受土壤氧化还原条件影响较大,水田的还原条件有利于SOM的积累;林地分布区受人为干扰较小,枯枝落叶、动植物残体及分解产物在表层积累,所以该地区SOM也较高[29],钟聪等[1]也发现广西地区林地和水田的SOM高于旱地。而研究区SOM低值主要分布在中部、东北部、北部,结合土地利用方式,该区域主要为旱地,旱地受人为干扰频繁、作物轮作周期快、土壤通气状况好,SOM分解快[30],累积相对少,所以SOM值会相对较低。土壤类型也影响到SOM含量,石灰土的SOM高于红壤[1]。同时本研究发现北部靠近红水河,成土母质为冲积土,区域的SOM含量低,不易积累,所以会呈现出较低值,这与前人研究结果基本一致[13]

    不同土地利用类型对SOM的回归系数显示:水田为0.91,而旱地0.56,林地为参照,说明水田环境对有机质贡献程度较高[4];回归模型分析比较发现,OLS模型带宽AICc为787 m,校正R2的值为0.56,GWR模型中AICc值最佳带宽为774 m,校正R2为0.59,通常认为模型中带宽AICc小的模型为拟合度较优,可见GWR模型比OLS模型拟合优度更高、更显著,且SOM单因素方差分析P<0.05,研究区SOM分布不满足方差齐性[29]

    模型预测图中可知,利用GWR、OLS拟合的残差插值的方法,能有效降低空间变异和异常值的影响,提升模型的预测精度,能够有效反映出岩溶地区SOM空间变异的复杂性。5种方法中MC_OK精度最高,其次为MM_OK、GWRK、RK、OK;RK、GWRK两种模型精确度分别相对OK提高2.3倍、2.6倍。本研究中结合辅助变量后残差中值化克里格模型的预测精度要好于均值中心化克里格,残差数据的正态分布并不完美对称,中值更能代表该区域SOM的平均水平,这与吴子豪等[31]研究土壤有机碳空间异质性的结果基本一致;张欢等[4]在研究青藏高原与黄土高原交界的湟水流域复杂地形区时也发现地理加权回归克里格和中值修正克里格相对于未修正克里格的准确度提升了2%和4%,本文中均值和中值中心化修正克里格相对于未修正的普通克里格的准确度提升接近57%和59%,准确度远远高于未经修正的克里格,原因可能是研究区为岩溶地貌,土地利用的方式和土壤类型差异相对较大,土壤有机质有较强的空间变异性[32]

    本文构建广西马山县北部岩溶地区土壤SOM含量的空间预测模型,分析出表层土壤有机质含量的空间分布特征,得到以下主要结论:

    (1)结合土地利用方式、土壤类型和地形因子数据等辅助变量的RK、GWRK、MC_OK和MM_OK4种预测模型的稳定性和精度均远远高于OK模型,其中GWRK模型稳定性最好,MC_OK模型预测精度最高;

    (2)SOM含量和水田呈极显著正相关,与旱地呈极显著负相关,氧化还原条件的变化影响了耕地的SOM含量;

    (3)研究区北部岩溶地区土壤SOM含量在空间分布上存在异质性,土壤SOM含量的空间分布特征受土地利用和成土母质的影响,结合辅助变量因子预测模型能有效消除空间变异因素的影响,克服岩溶区SOM含量的空间非稳定性,从而提高SOM含量模型的稳定性和精度,服务于农业生产、环境治理和土壤碳库计量等工作。

  • 图  1  研究区位置及土地利用方式图

    Figure  1.  Location of the study area and the land use

    图  2  研究区土壤类型及地形因子空间特征

    Figure  2.  Spatial features of ancillary variables in the study area

    图  3  SOM含量预测分布图

    Figure  3.  Spatial distribution of SOM

    表  1  SOM描述性统计

    Table  1.   Descriptive statistics of SOM

    指标样本数最大值/
    %
    最小值/
    %
    平均值/
    %
    标准差
    (SD)
    变异系数
    (CV)/%
    峰度偏度K-S检验
    土地利用方式 水田 83 5.03 1.66 3.56a 0.69 19.90
    旱地 259 4.45 0.81 1.92c 0.58 30.20
    林地 99 3.93 1.02 2.51b 0.64 25.50
    土壤类型 水稻土 98 5.03 0.91 3.19a 0.93 29.10
    红壤 66 4.48 0.93 2.12b 0.77 36.10
    赤红壤 122 4.45 1.02 2.18b 0.66 30.20
    石灰土 95 4.06 1.03 2.28b 0.65 28.30
    冲积土 60 4.30 0.81 1.78c 0.72 40.40
    总样本 441 5.03 0.81 2.36 0.88 37.30 2.83 0.76 0.00
    对数转换 5.52 0.03 0.15
    注:平均值列的不同小写字母对应显著性表现。
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    表  2  研究区SOM含量与土地利用方式和土壤类型Pearson相关系数

    Table  2.   Pearson correlation coefficient of SOM and types of land use and soil

    水田旱地林地水稻土冲积土赤红壤红壤石灰土
    相关系数0.676**−0.622**0.0900.526**−0.269**−0.153**−0.131**−0.047
    注:**在0.01水平(双侧)上显著相关。
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    表  3  OLS模型诊断结果

    Table  3.   Diagnostic results of OLS model

    AICcR2F-StatF-ProbWald-ProbK(BP)K(BP)_ProbJB-Prob
    7870.5663.90.00*0.00*25.60.002*0.00*
    注:**在0.01水平(双侧)上显著相关。
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    表  4  OLS模型诊断系数结果

    Table  4.   Results of diagnostic coefficient of OLS model

    变量系数PRobust_SERobust_tRobust_PrStdCoefVIF
    截距2.180.000.268.330.000.00
    土地
    利用
    水田0.91**0.000.156.130.000.413.06
    旱地−0.56**0.000.08−6.710.00−0.312.02
    土壤
    类型
    水稻土0.28**0.010.132.160.030.132.99
    赤红壤0.010.950.090.060.950.002.02
    石灰土0.21*0.030.092.330.020.101.98
    冲积土−0.24*0.020.09−2.840.00−0.101.58
    地形
    因子
    高程0.000.170.001.170.240.062.17
    坡度0.000.610.00−0.520.60−0.021.89
    坡向0.000.580.00−0.520.60−0.021.09
    注:***分别在0.01和0.05水平(双侧)上显著相关;土壤类型、土地利用类型使用哑变量处理;P为Probability 概率;Robust_SE为标准差健壮度;Robust_t为T统计量健壮度;Robust_Pr为概率健壮度;StdCoef为回归系数的标准差;VIF为方差膨胀因子。
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    表  5  地理加权回归模型拟合参数

    Table  5.   Fitting parameters of geographically weighted regression model

    平滑程度残差平方和标准化剩余平方和AICcR2校正R2
    GWR3343.22123.740.567740.640.59
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    表  6  不同插值处理的SOM半方差函数模型与参数

    Table  6.   Semi-variogram function model for SOM and its corresponding parameters with different methods

    方法理论模型预测
    系数R2
    变程(A0
    /m
    块金值
    (C0
    基台值
    (C0+C)
    结构方差
    (C)
    块金值/基台值
    (C0/C0+C)/%
    OK指数模型0.69210500.01550.1390.123511.2
    RK指数模型0.1924800.05650.3710.314515.2
    GWRK指数模型0.1884500.05250.3200.267516.4
    MC_OK指数模型0.1864500.05560.3200.264417.4
    MM_OK指数模型0.1874500.05220.3200.267816.3
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    表  7  不同模型预测精度评价

    Table  7.   Precision assessment of SOM content prediction with different methods

    方法内部验证外部验证
    MSERMSSRMSASEMAERMSEAC/%rR2
    OK−0.01671.00280.81660.85360.68220.872430.80.230.14
    RK0.00870.98360.59830.59830.46260.584471.90.710.48
    GWRK−0.02180.97970.54640.55460.39120.496079.40.790.63
    MC_OK0.00751.07640.56050.52110.42020.521589.30.770.58
    MM_OK0.00710.98900.56370.57030.46320.577587.00.720.49
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  • 收稿日期:  2021-02-25
  • 刊出日期:  2022-07-28

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