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user: 3. 结果与分析 3.1. 土壤有机质和全氮的描述性统计特征 通过对51个采样点不同土层土壤有机质和全氮含量进行非参数检验(K-S检验)，发现其渐进显著性概率P均大于显著性水平0.05，说明不同土层土壤有机质和全氮含量均服从正态分布，具有良好的统计学意义。 图1. 黄河岛土壤采样点分布图 Table 1 Descriptive statistical analysis of soil organic matter and total nitrogen content in different soil layer 土壤指标 土层深度(cm) 最大值(g/kg) 最小值(g/kg) 平均值(g/kg) 标准差(g/kg) 变异系数(%) P k -s 有机质 0~20 18.85 4.31 11.05 4.15 37.56 0.152 20~40 14.25 2.51 7.23 3.65 50.48 0.204 全氮 0~20 0.92 0.24 0.54 0.19 35.19 0.103 20~40 0.82 0.11 0.35 0.17 48.57 0.121 表1. 不同土层土壤有机质和全氮含量的描述性统计分析 由表1，研究区0~20 cm土层土壤有机质含量变化范围为4.31~18.85 g/kg，均值为11.05 g/kg，标准差为4.15 g/kg，离散程度一般，全氮含量变化范围为0.24~0.92 g/kg，均值为0.54 g/kg，标准差为0.19 g/kg，离散程度较小；20~40 cm土层土壤有机质含量变化范围为2.51~14.25 g/kg，均值为7.23 g/kg，标准差为3.65 g/kg，离散程度一般，全氮含量变化范围为0.11~0.82 g/kg，均值为0.35 g/kg，标准差为0.17 g/kg，离散程度较小。 根据全国第二次土壤普查养分分级标准 [ 9 ]，研究区不同土层土壤有机质和全氮含量总体偏低，随土层深度的加深，有机质和全氮含量不断减少。变异系数 [ 10 ] 能够反映土壤空间变异的基本情况，研究区0~20 cm土层土壤有机质和全氮含量的变异系数分别为37.56%和35.19%，20~40 cm土层土壤有机质和全氮含量的变异系数分别为50.48%和48.57%，在空间上均表现为中等变异性，且随土层深度加深，有机质和全氮含量的变异系数不断增大。 3.2. 土壤有机质和全氮的空间变异特征 3.2.1. 趋势分析 趋势分析是用三维视图进行数据拟合，以反映数据总体变化趋势及空间分布情况 [ 11 ]，可为变异函数模型的获取和插值图的绘制提供基础。本文对研究区土壤样点建立X、Y、Z(经度、纬度、有机质(全氮)含量)空间坐标系，将不同土层土壤样点有机质(全氮)含量投影到东西方向和南北方向的平面上，通过投影点拟合出最优趋势线，最终得到不同土层土壤有机质和全氮含量趋势图(图2)，其中X轴代表东西方向，Y轴代表南北方向，即绿线与蓝线分别表示土壤样点有机质(全氮)含量东西方向与南北方向的变化趋势。由图2，研究区0~20 cm土层土壤有机质含量和全氮含量在东西方向为凸线，呈现先增加后减少的趋势，在南北方向为直线，呈现持续减少的趋势；20~40 cm土层土壤有机质含量和全氮含量在东西方向为凸线，呈现先增加后减少的趋势，在南北方向为凹线，呈现缓慢减少的趋势。分析发现，研究区不同土层土壤有机质含量和全氮含量的变化趋势相似：东西方向呈先增加后减少趋势，南北方向呈减少趋势，但是变化幅度存在差异。 图2. 不同土层土壤有机质和全氮含量的变化趋势图 3.2.2. 半方差函数分析 半方差函数 [ 12 ] 是研究土壤养分空间变异性常用的函数，它不仅能反映土壤养分的空间变异规律，而且是克里金插值成图的基础前提。本文利用arcgis10.3的平均最邻近分析和欧式距离分析确定半方差函数的最佳步长和步数，在地统计分析模块中选择不同模型分别对土壤有机质和全氮含量进行拟合，以标准均方根误差越接近于1，标准平均误差、均方根误差和平均误差值越小作为选择最佳拟合模型的判定依据 [ 13 ]，最终确定指数函数和高斯函数分别为0~20 cm土层土壤有机质和全氮含量的最佳拟合模型，球面函数和高斯函数分别为20~40 cm土层土壤有机质和全氮含量的最佳拟合模型，由半方差函数模型相关参数(表2)绘制出不同土层半方差函数图(图3)。据表2和图3分析知，研究区不同土层土壤有机质和全氮含量均存在块金值，这说明在野外采样和实验处理过程中有所误差 [ 14 ]；0~20 cm和20~40 cm土层土壤有机质含量的块金系数 [ 15 ] 均为0.414，介于25%~75%之间，说明不同土层土壤有机质含量具有一定的空间相关性，变异是由结构性因素和随机性因素共同作用的结果，0~20 cm土层土壤全氮含量的块金系数为0.853，大于75%，说明其空间相关性较弱，变异受随机性因素影响较大，20~40 cm土层土壤全氮含量的块金系数为0.458，介于25%~75%之间，说明其具有一定的空间相关性，变异受结构性因素和随机性因素共同影响。 Table 2 Semi-variance function model parameter 土壤指标 土层深度/cm 函数模型 块金值 基台值 块金系数/% 变程/m 有机质 0~20 指数模型 5.661 13.676 0.414 1710.22 20~40 球面函数 4.555 10.997 0.414 2018.21 全氮 0~20 高斯模型 0.029 0.034 0.853 4370.86 20~40 高斯模型 0.011 0.024 0.458 814.983 表2. 半方差函数模型参数 图3. 不同土层土壤有机质和全氮含量的半方差函数γ~h图 3.2.3. 空间分布特征分析 结合不同土层土壤有机质和全氮含量趋势分析和半方差函数分析的结果选择最佳拟合模型，使用普通克立金法 [ 16 ] 未采样点的土壤有机质和全氮含量进行插值，以点推面，采用自然断点法分类，得到研究区不同土层土壤有机质和全氮含量的空间分布图(图4)。 由图4，研究区不同土层土壤有机质呈片状相间分布，含量较高的区域集中于东南部，含量较低的区域集中于北部，通过两土层对比分析，20~40 cm土层的低含量区较0~20 cm土层的低含量区大，集中分布于整个中北部，而0~20 cm土层在中北部区域既有低含量区也包含中含量区，两土层高含量分布区基本相似，原因在于该区域积极探索中度盐碱区的改良措施，引进了耐盐碱作物苜蓿品种，长时间的苜蓿种植使得该区域土体质地和构型明显改善，土壤质量也得到显著提升。研究区不同土层土壤全氮的空间分布情况相似，含量较高的区域集中于南部，含量较低的区域集中于中北部，通过两土层对比分析，0~20 cm土层高含量区分布于东南部，而20~40 cm土层主要分布于南部且面积较0~20 cm土层大，两土层中、低含量区的分布基本相似。土壤全氮的空间分布与有机质空间分布呈现出一定的相关性，即有机质含量高的区域全氮含量也相对较高，原因在于，一方面土壤中氮素的主要源头有两个，一是外在因素，即人为施入氮肥，二是内在因素，即土壤有机质进行分解提高，另一方面是因为土壤有机质中含有有机胶体，其具有强大的吸附能力，可以提高土壤的保肥能力。该分析结果与趋势分析结果基本一致，不同土层土壤有机质和全氮含量自东向西先增加后减少，自南向北不断减少，空间分布规律性较强，该区域可以根据有机质和全氮的含量状况及空间分布情况针对性的进行分区管理，提高土地利用率，充分发挥土地生产潜力。 图4. 不同土层土壤有机质和全氮含量空间分布图 3.3. 土壤有机质和全氮的相关性分析 3.3.1. 相关性分析 本文建立0~20 cm、20~40 cm两土层因变量(Y)土壤全氮含量关于自变量(X)土壤有机质含量的散点图(图5)。图5显示0~20 cm和20~40 cm土层的相关系数分别为0.793**、0.884**，呈显著正相关且随着土层深度加深，相关性不断提高。 图5. 不同土层的散点图 3.3.2. 最佳估算模型分析 本文利用不同土层土壤有机质含量选取线性、对数、幂、S型和指数5种模型分别对全氮含量进行估算(表3)。根据“相关性越大，精度越高，模型越优，Sig值越小，显著性越强”的基本原理，确定0~20 cm、20~40 cm土层土壤有机质含量估算全氮含量的最佳模型分别为S型模型和幂函数模型，回归方程分别为为Y = e 0.099−7.338/X 、Y = 0.064*X 0.849 。 Table 3 Accuracy of different models for estimating total nitrogen content of soil organic matter conten 模型 0~20 cm 20~40 cm 回归方程 R 2 回归方程 R 2 线性 Y = 0.037X + 0.137 0.629 Y = 0.041X + 0.042 0.782 对数 Y = −0.339 + 0.379*ln(X) 0.672 Y = −0.167 + 0.279*ln(X) 0.751 幂 Y = 0.078*X 0.804 0.717 Y = 0.064*X 0.849 0.792 S Y = e 0.099−7.338/X 0.743 Y = e −0.325−4.715/X 0.755 指数 Y = 0.216*e 0.077*X 0.657 Y = 0.124*e 0.125*X 0.781 表3. 土壤有机质含量估算全氮含量的不同模型建模精度 备注：X：有机质，Y：全氮