引言
近年來人們對土壤與環境間相互作用以及精確調節農田土壤氣體傳導狀況問題的關注度不斷增加，數值模型研究土壤氣體傳輸過程及其有效性與其對作物生長和生態環境的影響程度逐步成為現實。如何發展簡單可行的土壤氣體傳輸動力學參數確定方法成為各國學者關注的熱點問題。對此研究者在大量試驗基礎上，相繼提出確定土壤氣體傳輸動力學參數的不同方法，即直接測定方法和間接推求方法。兩種方法各具優勢，在生產實際中廣泛應用。由于土壤氣體傳輸過程比較復雜，不僅與土壤質地、結構、含水率、容重、土壤有機質含量等土壤基本物理化學特征有關，而且受到氣候條件、土地利用方式、生長植物群落的種類、田間耕作與管理方式等的強烈影響，有些方法難以準確估計田間土壤導氣率，在很大程度上存在局限性，尤其難以在大范圍區域研究土壤氣體傳輸動力學特征參數。
此外，土壤氣體傳輸存在嚴重空間變異性，其空間變異特征與眾多影響因素間存在何種關系，如何準確獲取一定范圍內土壤導氣率的平均值，此方面仍缺乏系統研究。綜合國內外研究結果發現: 各研究者在其研究區域內作出相關研究，得出相關結論，這些研究區域各自的土壤物理化學性質不相一致，從而導致研究結果存在一定分歧。在同一個研究區域內，不同含水率、容重的條件下，土壤導氣率的變異和空間格局也是不完全相同的。各個影響因素造成土壤導氣率變異，這些因素與變異之間是緊密聯系的。因此需要進一步研究土壤氣體傳輸綜合特征與各影響因素間的關系，闡明土壤導氣率空間變異特征，發展確定土壤導氣率簡單易行的估算方法，才能實現利用動力學模型分析不同尺度下土壤氣體傳輸動力過程，為農業、水利和生態環境行業的生產實際提供有效的方法。
基于此，本文以陜西省涇惠渠灌區麥田土壤為研究對象，展開關于土壤導氣率流域尺度的空間分布特征研究，并利用 Pearson 相關系數及交互相關關系分析各個影響因素\\(土壤物理基本參數\\) 與土壤導氣率空間分布間的關系。
1、 材料與方法
1. 1 研究區概況
涇惠渠灌區位于陜西省關中平原，地理坐標介于東經 108°34'34″ ～ 109°21'35″，北緯 34°25'20″ ～34°41'40″，灌區北鄰黃土臺塬，西、南、東三面有涇河、渭河、石川河環繞，清峪河由灌區北部自西向東穿越，為一較完整的水文地質單元; 地面和地下徑流排泄條件好，灌區東西長約 70 km，南北寬約 20 km，總面積 1 180 km2; 地勢總趨勢是自西北向東南傾斜，海拔高度350 ～ 450 m，地面坡降一般為1. 66% ～ 3. 33% 。多年平均降水量為 512 mm，蒸發量1 212 mm，年平均氣溫 13. 6℃。
1. 2 取樣與測量方法
本研究選取灌區麥田為測點，以 2. 5 km 的采樣間距布設，除去“盲點”外，共 212 個測點，圖 1 為布置點示意圖。采樣點用手持 GPS 定位，記錄采樣點的經緯度，定位的樣點經格式轉換成 ArcGIS 能識別的 . shp 格式。對研究區進行地圖數字化，經投影轉換后生成研究區樣點分布圖，錄入采樣點基本物理參數的信息后，即可用于研究區土壤物理參數及土壤導氣率的變異分析。筆者曾利用 PL-300 型土壤導氣率測定儀展開研究，詳見文獻［1，5］。
土壤物理基本參數的測定方法如下: 含水率\\(采集地表 0 ～ 10 cm 土層土樣\\) 、容重通過干燥法測量; 土壤顆粒組成利用馬爾文激光分析儀測定。每個測點土樣用密封袋帶回，風干后研磨，過 100 目土壤篩，用于制備供試有機質含量\\(重鉻酸鉀外加熱法\\) 的土樣。
1. 3 數據分析與處理
1. 3. 1 空間變異分析
利用 SPSS 19. 0 軟件進行數據統計分析，以空間變異理論為基礎，利用 ArcGIS 軟件里的地統計模塊\\(Geostatistical Analyst\\) ，采用空間克里格插值法\\(Ordinary Kriging\\) ，構建土壤物理基本參數與土壤導氣率的空間變異分布圖?？死锔癫逯捣ㄔ斠娢墨I。
1. 3. 2 交互相關系數的確定
變量 A 和 B，在一定滯后間距下，兩個變量的交互相關系數可表示為
當 h =0 時，交互相關系數等于經典統計學計算得到的線性相關系數。通常用 t 檢驗驗證交互相關系數的顯著性，t 值計算公式
式中 n———計算交互相關系數所用數據的對數當式\\(2\\) 計算得到的 t 值大于查表得到的值時，則認為該交互相關系數顯著。
2、 結果與分析
2. 1 土壤物理基本參數及導氣率描述性統計分析
土壤物理基本參數及導氣率的描述性統計分析見表 1。用變異系數判斷其變異程度: Cv≤0. 1 屬于弱變異性; 0. 1 ＜ Cv＜ 1 為中等變異性; Cv≥1 屬于強變異性。由此看出研究區域容重為弱變異，有機質、飽和含水率、飽和度與土壤導氣率屬于中等變異。
采用地統計學分析的前提要求就是所有變量服從正態分布，即變量的大小分布符合自然狀態。而土壤導氣率服從對數正態分布，因此將其進行取自然對數的處理。通過表 1 中偏度、峰度以及 K-S 法進行正態檢驗\\(p = 0. 05\\) ，亦能看出土壤物理基本參數以及經過對數處理過的土壤導氣率屬于近似正態分布。
2. 2 土壤物理基本參數與導氣率的空間變異及其分布格局
將與各測點土樣對應的地理坐標經緯度，以及土壤物理基本參數、土壤導氣率等相關數據錄入ArcGIS 軟件，在地統計模塊的運行環境下，擬合得到各參數的變異函數值，詳見表 2。采用變異函數理論模型擬合的方法，推薦其擬合最優值，即可得到結果: 土壤顆粒組成\\(黏粒、粉粒、砂粒\\) 和土壤有機質的最佳擬合模型為指數型; 容重、飽和含水率與飽和度的最佳擬合模型為球形模型; 土壤導氣率的最佳擬合模型為指數型。表 2 可見，各個變異函數的殘差平方和均很小，接近于零，且決定系數 R2均大于 0. 8，說明上述理論關系模型能夠描述試驗數組的變異函數，并且能夠較好地反映出理論變異函數與試驗數組的變異函數間的關系。
表 2 顯示各個土壤物理基本參數與土壤導氣率的分維數\\(D\\) 均大于 1. 9，說明各土壤物理基本參數與土壤導氣率的空間異質性較強; 容重、飽和含水率、飽和度與土壤導氣率空間自相關\\(C/\\(C0+ C\\) \\) 均在 0. 9 以上，說明由自相關部分引起的空間異質性占總空間異質性的程度較大。也有學者用空間自相關的大小作為判定系統內變量空間相關性程度的依據，指出當 C/\\(C + C0\\) 為 0 ～ 0. 25、0. 25 ～ 0. 75 和0. 75 ～ 1 時，分別表明變量具有較弱、中等和較強的空間依賴性。本文研究結果表明: 土壤有機質的空間自相關為 0. 5，其空間依賴程度屬于中等水平;容重、飽和含水率、飽和度與土壤導氣率，具有較強程度的空間依賴性。
以最大相關距離作為確定采樣間距的參考。由表 2 可見，土壤顆粒組成\\(黏粒、粉粒、砂粒\\) 最優擬合模型為指數型，且三者變程 A0的數值很接近，空間變異分析具備一致性，因此推薦顆粒組成的采樣間距為變程的 3 倍，大約為 6 ～ 8 km。
容重、飽和含水率的最優擬合模型為球形模型，推薦變程作為采樣間距的參考值，大約為 3 km。土壤導氣率的最優擬合模型為指數型模型，推薦 3 倍變程作為采樣間距的參考值，大約為 7. 5 km。同時各參數最大相關距離都沒有超出滯后距離\\(30. 23 km\\)的范圍，符合邏輯。而試驗設計的 2. 5 km 采樣間距符合空間變異分析的采樣要求，試驗設計是合理的。
2. 3 Kringing 插值結果
以空間變異理論為基礎，利用 ArcGIS 軟件里的地統計模塊，建立半方差函數模型\\(圖 2\\) ，應用普通克里格法進行最優內插，構建土壤物理基本參數與土壤導氣率的空間變異分布圖\\(圖 3\\) 。
總體上，各土壤物理基本參數的空間差異較大，在空間布局上呈現出不規律的斑塊狀分布。從圖 3中可以看出: 顆粒組成黏粒、粉粒及砂粒含量分布圖具有相反趨勢，砂粒含量相對較低的地方，黏粒、粉粒含量相對較高。容重的大小決定了土壤孔隙率的大小，容重越大孔隙率越小。因此容重與飽和度在空間分布上具有相反的趨勢。土壤導氣率與容重空間布局具有一定程度的一致性，與飽和度的空間布局具有相反趨勢。容重越小，砂粒含量越高的地方，孔隙率越高，孔隙結構越發達，導氣率數值也就越高。飽和度反映土壤孔隙含水的狀況，飽和度小說明貢獻于氣體傳輸的有效孔隙多，土壤導氣率數值越高。這歸因于土壤孔隙中氣相與液相并存，土壤結構及其孔隙的幾何結構特征決定了土壤氣體傳輸的特性。
2. 4 土壤導氣率與影響因素的相關性分析
利用 SPSS 軟件對土壤導氣率與主要影響因素之間作相關性分析，主要影響因素包括土壤顆粒組成、有機質質量比、容重、飽和度，將 計 算 出 的Pearson 相關系數列于表 3。
由表 3 的分析結果來看，土壤導氣率與有機質的 Pearson 相關系數絕對值介于 0 ～0. 5 之間，說明兩者之間微弱相關; 土壤導氣率與容重的 Pearson 相關系數絕對值介于 0. 5 ～0. 8 之間，兩者顯著相關;土壤導氣率與飽和度的 Pearson 相關系數絕對值介于 0. 8 ～0. 1 之間，兩者高度相關。由于在地統計分析時，對于選取的尺度較小的研究區域來說，DEM地圖的精度也是導致土壤導氣率與某些影響因素之間相關性較差的原因之一，也不能完全說土壤顆粒組成與導氣率之間微弱相關。
以上利用 Pearson 相關系數分析各個影響因素與土壤導氣率之間的相關性的結果也有一定道理。首先，土壤孔隙中氣相與液相并存，飽和度高了，含水率相對就高，導氣率自然就隨之降低; 其次，容重決定了土壤孔隙率的大小，貢獻于土壤通氣能力的孔隙受制于容重的大小; 再次，在質地相同的情況下，土壤有機質含量高，土壤顆粒團聚體結構好，孔隙發達，導氣率大; 最后是決定土壤質地劃分的土壤顆粒組成?；谝陨戏治?，在利用土壤物理基本參數推求土壤導氣率的研究中優先考慮飽和度，其次依次考慮容重、有機質、土壤顆粒組成。
2. 5 土壤導氣率與影響因素的交互相關性分析
在經典統計學中，Pearson 相關系數沒有考慮空間位置，它僅代表兩個變量在同一采樣點上的相關性，交互相關圖就可以反映出兩個相關的變量在多大的滯后距離上存在相關性。
根據涇惠渠灌區土壤樣本的實測數據，分析土壤導氣率與各個土壤物理基本參數的交互相關關系，推求這些影響因素對土壤導氣率的影響范圍，各個影響因素與土壤導氣率的交互相關圖見圖 4。由圖 4 可見，各因素對土壤導氣率的影響格局均不同;對于同一因素來說，在不同方向上，交互相關系數也不同。對于容重和飽和度這兩個重要的影響因素來說，無論是正相關還是負相關，隨著滯后間距的增大，交互相關系數的絕對值減小，說明隨著容重、飽和度與土壤導氣率之間變量的間距增大，其相關程度隨之降低。在 95% 的置信水平上，容重、飽和度對土壤導氣率的影響范圍均為 － 20 ～ 20 km。圖 4也能說明容重與飽和度是影響土壤導氣率的主要影響因素。
3、 結論
\\(1\\) 闡明了該灌區麥田土壤導氣率與土壤物理基本參數的空間變異特征，土壤導氣率分維數大于1. 9，反映出該研究區域土壤氣體動力學參數具有較強的空間變異特征。
\\(2\\) 容重、飽和含水率、飽和度與土壤導氣率的空間自相關\\(C/\\(C0+ C\\) \\) 均在 0. 9 以上，說明由自相關部分引起的空間異質性占總空間異質性的程度較大。推薦土壤導氣率的采樣間距的參考值大約為7. 5 km，顆粒組成采樣間距為 6 ～ 8 km，容重、飽和含水率采樣間距的參考值大約為 3 km。
\\(3\\) 土壤導氣率與容重的 Pearson 相關系數絕對值為 0. 595，兩者顯著相關，其與飽和度的 Pearson相關系數絕對值為 0. 959，兩者高度相關; 交互相關關系說明容重、飽和度是影響土壤導氣率的主成因素，在 95%的置信水平上，容重、飽和度對土壤導氣率的影響范圍均為 －20 ～20 km。
參考文獻：
1. 王衛華，王全九，武向博，等． 黑河中游綠洲麥田土壤水氣熱參數田間尺度空間分布特征［J］． 農業工程學報，2013，29\\(9\\) :94 － 102．
