基于地统计学方法的土壤采样设计研究——以有机碳和全磷为例报告人傅伟2007年11月内容提要引言研究内容与研究方法结果与分析主要结论引言喀斯特土壤生态环境的特殊性增加了土壤采样操作的复杂性蒸发消洞无水溶洞自流井裂隙土层浅薄,土层厚度分布不均有水溶洞地下水文系统发育,土壤就地渗漏石旮旯土广布,土壤不连续代表性土壤样点的选取困难引言因此,在喀斯特地区的土壤养分研究中,采样样本数的确定以及样点在采样区内如何布设,成为重要的讨论内容.采样数的确定经典统计学样本估算法随机布点样点布设规则网格布点四叉树布点引言本研究在较为详尽的前期土壤采样调查的基础上,计算了土壤全磷和有机碳在不同期望精度及不同置信水平下的合理采样数目.最后,比较了四叉树布点,规则网格布点和随机布点的插值精度,评价了三种样点布设方案在固定样本数目下采样效果.研究内容与研究方法研究内容土壤养分空间变异特征土壤养分采样设计1,土壤样本容量2,样点的布设研究研究内容与研究方法研究区概况海拔:376m～816m平均气温:16.5～20.5℃平均降雨量:1389.1mm平均土层深度:80～100cm(洼地)20～30cm(坡地)森林覆盖率:6%研究内容与研究方法研究区概况土地利用方式:96年前:玉米,大豆96年后:玉米,牧草,大豆,木豆-板栗,脐橙,桑苗等施肥管理:玉米,大豆:翻耕,农家肥,人粪尿,草木灰,尿素,钙镁磷牧草:30~40天收割,施肥与玉米地相似,但不施人粪尿和草木灰土地利用类型图研究内容与方法采样方法洼地:网格取样(20×20m)528个样点定点方法:GPS+测绳样本采集:随机采取5个样本(2×2m)样点分布图研究内容与研究方法分析指标全磷:NaOH熔融——钼锑抗比色法有机碳:重络酸钾氧化—外加热法测定数据处理地统计半变异函数,克里格插值经典统计学确定采样样本数比较随机布点,规则网格布点,四叉树布点的采样效果研究内容与研究方法地统计学基本原理半变异函数1N(h)2γh)(Z(xi)Z(xih)2N(h)i1半变异函数是地统计学的基本计算公式,也是描述区域化变量空间变异特征的主要工具之一.半变异函数是距离的函数,描述土壤性质在空间上的差异程度.当区域化变量在采样尺度内存在空间自相关时,半变异函数可以表征空间变量变异尺度和程度.研究内容与研究方法地统计学基本原理半变异函数模型的拟合及基本参数的意义基台值(C0+C):表示系统属性最大的变异;块金值(C0):表示系统属性随机的变异,由采样尺度及系统属性本身变异特征控制;属性空间自相关的范围.变程(Range):表示系统研究内容与研究方法地统计学基本原理空间自相关分析nwij(xi)(xj)xxij11Innn(wij)xi)2(xij11i1nnxi和xj分别为变量x在相邻配对空间点i和j上的取值.wij是相邻权重.在进行空间自相关分析时可以计算不同滞后距(h)上的自相关系数I并绘制其h展点图,从而反映变量的空间结构特征.研究内容与研究方法地统计学基本原理异常值剔除比较特定点与邻域内其它点的差异(相关)程度,来判别该点是否异常点.例如,Moran'sI系数检测法:ZiZIi2σj1.ji[wnij(Zj)]ZZi,Zj表示系统属性在i点和j点的取值σ2表示区域化变量Z的方差wij是i点和j点的距离权重dij表示空间上i点和j点的距离1wij2dij研究内容与研究方法地统计学基本原理异常值剔除Moran'I系数可以转化为z值,基于正态分布的sMoran'sI系数的显著水平可进行检验.z值得计算公式如下:Iizinzi为i点的z值为研究区I系数的标准差n为样本点数之后,根据5%置信水平的z取值,判断取舍相应的样点值.研究内容与研究方法地统计学基本原理异常值剔除图2SOC和AP异常值空间分布图Fig.2SpatialsymbolmapsofSOCandAPoutliers研究内容与研究方法地统计学基本原理克立格(Kriging)插值Z(x0)λZ(xi)i#i1n在普通克立格插值中,对于任意待估点(块段)x0的实际值Z(x0),其估计值是通过该待估点(块段)周围的n个有效样点Z(xi)的线性组合得到.研究内容与研究方法合理采样数的确定合理采样数:在总体中抽出一定量的样本,用所抽样本的均值与方差能较好地估计总体的均值与方差,即抽取样本的均值具有足够的精度和较大概率近似于总体均值.当所研究的土壤属性在统计