下蜀栎林土壤空间变异性及其样本容量的确定

下蜀栎林土壤空间变异性及其样本容量的确定 ()第 29 卷第 2 期Vol . 29 ,No . 2 南 京 林 业 大 学 学 报 自 然 科 学 版 Mar . ,2005 2005 年 3 月 ( )J o ur nal of Na nji ng Fo re st r y U niver sit y Nat ural Scie nce s Editio n 3下蜀栎林土壤空间变异性及其样本容量的确定 1 2 3 3 锋,张金池,朱丽 曾 ( 1 . 广东省林业局 ,广东 广州 510173 ;2 . 南京林业大学森林资源与环境学院 ,江苏 南京 210037 ; ) 3 . 南京林业大学信息科学与技术学院 ,江苏 南京 210037 摘 要 :在栎林中多剖面采样测定土壤体积质量 、非毛管孔隙度 、稳渗率 、有机质 、p H 等土壤因 子 。结果表 明 ,各因子都具有一定的空间变异性 ,且垂直方向的变异大于水平方向 。这种空间变异性的存在决定了在开 展土壤研究中必须根据误差理论确定样本容量 ,才能保证测定结果具有可比性 。统计分析结果显示 ,测定土 壤稳渗率需要大量的样本 ,而测定其他因子 ,则仅需要 20 个以下样本即可以保证 95 %的可靠性 。 关键词 :下蜀系黄土 ;栎林土壤 ;空间变异性 ;样本容量 () 文章编号 :1000 - 2006 200502 - 0051 - 03 中图分类号 : S718 文献标识码 : A Research on Spat ial Varia bil ity of Q ue r c us va r i a bi l is Forest Soil on Xia shu Loess and Determin ing Number of Sa mple 1 2 3 3ZEN G Feng, Z HA N G J in2chi, Z HU L i2j un ( 1 . Fo re st r y Bureau of Guangdo ng Pro vi nce , Gua ngzho u 510173 , Chi na ; 2 . College of Fo re st Re so urce s a nd Envi ro n ment Na nji ng Fo rest r y U niver sit y , Na nji ng 210037 ,Chi na ; 3 . College of Info r matio n Science )a nd Technolo gy Na nji ng Fo re st r y U niver sit y ,Na nji ng 210037 , Chi na Abstract :B y mea n s of a nal yzi ng ma ny soil sa mp le’s p hysical a nd c he mical cha ract eri stic such a s soil bul k de n sit y ,no n2capilla r y po ro sit y ,i nfilt ratio n cap a bilit y , soil o r ga nic mat t er , soil p H val ue a nd so o n i n diff ere nt Q ue rc us v a ri abi l is fo re st soil p rofile s , t he re sult s sho we d t hat t hey have o bvio u s roo ma ge va ria bilit y. A nd t hi s roo ma ge va ria bilit y i n ver tical i s mo re t ha n t hat i n ho rizo nt al . The refo re ,we mu st ba se o n t he deviatio n t heo r y to co nfir m t he soil sa mp le i n diff e re nt soil dep t h . A nd t hi s i s t he o nl y way to e n sure t he re sult s to be co r rect a nd co mp a2 ra bilit y . The re sult s al so sho wed it i s needed to sa mp li ng deca de s sa mp le s eve n mo re t ha n 100 w he n a nal yzi ng i nfilt ratio n cap a bilit y , b ut le ss t ha n 20 sa mp le s w he n a nal yzi ng o t he r soil cha ract eri stic . Key words :Xiashu loess ; Q uercus v ari abi l is fo rest soil ; Soil roo mage variabilit y ; Sampling number [ 1 ] [ 2 ] 土壤在空间上是非匀质体,试验时一般进行抽样测定 。样本容量越大 ,误差越小。但样本容量 过大 ,需要消耗大量的人力和物力 。因此在一定精度要求和误差范围内 ,要保证测定结果可靠就必须根 据误差理论确定样本容量 。现以南京林业大学下蜀城市森林生态系统定位站栎林土壤为例 ,讨论土壤 空间变异性及其样本容量的确定 。 1 材料与方法 ( ) 试验地位于南京林业大学下蜀实习林场城市森林生态定位站的栓皮栎林 Q ue rc us v a ri abi l is 中 ,林场位于江苏省句容县境内 。土壤以黄棕壤和山地黄棕壤为主 ,属我国沿海地区棕壤和黄壤的过渡类 型 ,也是北 亚 热带 湿润 森 林下 的地 带 性土 壤 , 其表 层腐 殖 质含 量一 般 为 2 . 5 % , 腐 殖质 层 厚 度 10 ,20 cm ,土体中盐基成分大部分已被淋失 ,呈酸性至强酸性反应 。土壤母质为石英砂岩风化残积物或坡 积物 。其中 A层厚度 3,5 cm ,A层 10,15 c m ,B 层约 50 cm ,土壤质地为中壤至重壤 。0 1 3 收稿日期 : 2004 - 03 - 09 修回日期 :2004 - 06 - 28 () ( )基金项目 : 江苏省自然科学基金重点资助项目 B K2001208;南京市科技发展资助项目 20012117 ( ) 作者简介 : 曾 锋 1977 - ,男 ,师 ,硕士 。 ( ) 3 通讯作者 Co r re spo ndi ng A ut ho r:张金池 ,男 ,教授 ,博士生导师 。 在研究区内的典型地段设臵 9 个土壤剖面 ,根据剖面特征将剖面分为 5 层 。分层测定土壤渗透率 ,并 采集各层土壤样品测定土壤体积质量 、有机质含量和 p H 值等土壤理化性状 ,所有试验均遵循国标规定 。 2 结果与分析 2 . 1 土壤性状的空间变异性 根据试验结果 ,计算土壤体积质量 、总孔隙度 、毛管孔隙度 、非毛管孔隙度 、土壤稳渗率 、有机质含量 ( ) ( ) ( ) 等因子的平均值 A 、差 S 和变异系数 CV ,结果如表 1 。 表 1 栎林土壤空间变异趋势 Ta ble 1 The varia bil ity tendency of Q. va r i a bi lis f orest soil in horizontal and in vertical ( ) p H 稳渗系数 K 体积质量有机质 非毛管孔隙度 10 土层深度 及剖面 A S CV A S CV A S CV A S CV A S CV 1 . 23 0 . 07 0 . 05 9 . 42 1 . 41 0 . 15 0 . 10 0 . 04 0 . 38 3 . 27 0 . 34 0 . 10 4 . 01 0. 10 0 . 02 0,15 水 1 . 42 0 . 07 0 . 05 6 . 68 2 . 91 0 . 44 0 . 09 0 . 09 1 . 01 0 . 92 0 . 29 0 . 32 3 . 92 0. 02 0 . 01 15,35 平 1 . 47 0 . 04 0 . 03 6 . 99 1 . 89 0 . 27 0 . 05 0 . 05 1 . 04 0 . 55 0 . 08 0 . 14 4 . 03 0. 11 0 . 03 35,55 空 间 1 . 46 0 . 03 0 . 02 4 . 79 1 . 90 0 . 40 0 . 05 0 . 06 1 . 19 0 . 49 0 . 06 0 . 12 4 . 12 0. 09 0 . 02 55,75 75,95 1 . 48 0 . 05 0 . 03 2 . 77 1 . 45 0 . 52 0 . 02 0 . 04 1 . 52 0 . 36 0 . 03 0 . 10 4 . 27 0. 07 0 . 02 1 1 . 42 0 . 06 0 . 04 5 . 16 2 . 69 0 . 52 0 . 05 0 . 05 0 . 93 1 . 00 0 . 84 0 . 85 4 . 16 0. 15 0 . 04 2 1 . 42 0 . 07 0 . 05 7 . 01 0 . 71 0 . 10 0 . 05 0 . 04 0 . 92 1 . 09 1 . 18 1 . 09 4 . 09 0. 12 0 . 03 3 1 . 44 0 . 12 0 . 08 6 . 45 2 . 48 0 . 38 0 . 06 0 . 06 1 . 05 1 . 12 1 . 17 1 . 05 4 . 07 0. 13 0 . 03 垂 4 1 . 39 0 . 17 0 . 09 7 . 71 3 . 73 0 . 48 0 . 09 0 . 08 0 . 84 1 . 24 1 . 14 0 . 92 3 . 96 0. 10 0 . 03 直 5 1 . 41 0 . 12 0 . 09 5 . 45 2 . 61 0 . 48 0 . 04 0 . 03 0 . 80 0 . 97 0 . 84 0 . 87 4 . 17 0. 14 0 . 03 空 间 6 1 . 43 0 . 07 0 . 05 5 . 65 1 . 77 0 . 31 0 . 06 0 . 04 0 . 70 1 . 10 1 . 20 1 . 09 4 . 10 0. 12 0 . 03 7 1 . 38 0 . 11 0 . 08 5 . 54 1 . 86 0 . 34 0 . 08 0 . 11 1 . 42 1 . 11 1 . 19 1 . 07 4 . 07 0. 13 0 . 03 8 1 . 40 0 . 10 0 . 07 7 . 49 3 . 59 0 . 48 0 . 13 0 . 05 0 . 41 1 . 27 1 . 13 0 . 89 3 . 95 0. 10 0 . 02 9 1 . 41 0 . 13 0 . 09 4 . 71 2 . 30 0 . 49 0 . 02 0 . 03 1 . 36 1 . 17 1 . 16 0 . 99 4 . 07 0. 13 0 . 03 由表 1 可见 ,9 个剖面 5 个不同层次的土壤性状在水平和垂直方向上均存在一定的空间变异性 ,且 [ 3 ] 表现出一定的特点 。在分析中按照反映离散程度的变异系数的大小 ,分为 3 级,即弱变异性 CV < 0 . 01 ; 中等变异性 CV 0 . 01,1 ; 强变异性 CV > 1 。 () ( ) 1土壤体积质量 土壤 体积 质 量无 论在 垂直 方 向 还 是 水 平 方 向 , 其 变 异 系 数 CV 在 0 . 02 , 0 . 09 , 即存在中等变异性 。土壤体积质量主要受土壤质地 、结构 、松紧度的影响 , 这些因素在垂直方向变 ( ) ( 化明显 。这使得不同深度土层的土壤体积质量变异性 CV 为 0 . 02,0 . 05比水平方向的变异性 CV = () ) 0 . 04,0 . 09大 。在垂直方向上 ,由于林下草本植物生长良好 ,根系分布较浅 0,15 c m,腐殖质含量丰 3 () 富 ,因而体积质量较小 1 . 23 g/ c m,明显低于心土层 。随着深度增加 ,黄棕壤黏性 、紧实度增加迅速 , 3 ( ) ( ) 体积质量明显增加 > 1. 4 g/ cm。在 35 cm 以下的水平方向上 ,土壤体积质量变异不大 CV ?0. 03。() 2非毛管孔隙度 非毛管孔隙度无论是垂直方向还是水平方向变异都较大 ,平均值为 5 . 91 % ,变 () 异系数在 0 . 10,0 . 52 。由表 1 可见 ,由于表层土壤 0,15 cm疏松 ,有机质含量较高 ,非毛管孔隙度较 大 ,平均为9 . 42 % ;15 c m 以下土层 ,随着深度的增加 ,黄棕壤黏性 、紧实度迅速增加 ,土壤非毛管孔隙度 迅速下降 ,在 15 , 55 c m 深处仍分布着一些乔 、灌植物的根系 , 土壤非毛管孔隙度为 6 . 6 %, 7 . 0 % ; () 55 cm以下土层紧实 ,土壤致密 ,非毛管空隙度小于 4 . 8 % ,但变异系数明显增大 分别为 0 . 40 和 0 . 52, 这可能与深层土壤中含少量植物根系有关 。 () 3土壤稳渗系数 土壤稳渗系数变异较大 ,在水平方向上 ,0,15 cm 土层存在中等变异性 ,15 cm 以下土壤稳渗系数变异性均大于 1 ,这可能是由于土壤中存在影响土壤结构的偶然性因素造成的 ,如土 [ 4 ] () 壤中存在一些大孔隙形成土壤优先水流 ,它不符合达西 Da rcy定律而具有优先穿透等特征。 由表 1 还可见 ,在水平方向上 ,土壤稳渗系数的变异性与土壤非毛管孔隙度的变异性表现出相似的 ( ) ( ) 特征 。对各土层土壤非毛管孔隙度平均值 X和稳渗系数平均值 Y 作线性相关分析 , 并用幂指数函数 b 1 . 299 ( ) ( ) Y = a X 拟合 , 发现两者之间存在显著的相关关系 : Y = 0 . 005 7 XR = 0 . 937 1 > R= 0 . 917。0 . 01 () 4土壤有机质含量 土壤有机质含量在水平方向上除 15,35 c m 深处外 ,变异系数均在 0 . 15 以 下 ,表明不同剖面同一土层深度的有机质含量比较接近 。在 15,35 cm 土层变异系数为 0 . 32 ,较其他 2005 年 总第 116 期曾 锋等 :下蜀栎林土壤空间变异性及其样本容量的确定 ( ) 逐渐降低 , 造 成 土 壤 垂 直 空 间 变 异 大 。由 表 1 可 知 , 不 同 剖 面 之 间 有 机 质 含 量 质 量 分 数 在 0 . 97 %,1 . 27 % ,且离散程度不大 ,这是由于同一植被类型残体凋落物种类和数量相对一致造成的 。 + () 5土壤 p H 试验结果表明下蜀栎林土壤呈强酸性反应 。分析认为 ,出现这种情况是因为 H 的 2 + 2 + + + 代换能力比 Ca、M g、K、Na 等盐基离子大 ,湿润地区的淋溶作用导致了盐基离子的淋失和土壤 酸化 。由表 1 可见 ,无论是在垂直方向或是水平方向上 ,p H 变异都较小 ,表层和底层土壤 p H 较高 ,而 15,35 cm处的 p H 较低 。这可能是阔叶林群落植物残体分解补充了表层土壤盐基离子的结果 。 2 . 2 土壤样本容量的确定 () 为了用有限的观测值去估计各参数的均值 或期望值,并有足够的可靠性和精度 ,必须合理确定取 样数或观测数目 。若认为取样是独立的 ,并当取样数足够时 ,极限定理成立 ,则可由臵信区间确定取样 [ 2 ,5 ] 2 δ 数目。设某随机变量 X 总体的均值为 u , 方差为, 容量为 N 的样本平均值记为 A , 则取样数目可 ()Δ1 表达为P{ | A , u| ?} = Pi Δ式中 , Pi 为臵信水平 ,这里 Pi = 95 % ,为根据要求所确定的估计精度 , A 本身也是一个随机变量 。根 2 0 . 5 ( δ) () 据极限定理 , 随机变量 t = A , u/ / N 服从标准正态分布 ,因此 2 0 . 5 ()δ) (2 P{ | A , u| / / N ?1 . 96} = 95 % 2()() () (δ) 3 N = 3 . 84 / N 由式 1和 2可知 ,取样数 N 为 2 2 2 Δ( ) δδ若取 = K u , 并在实际应用中 , 总体的和 CV 均未知 , 只能用样本的方差 S 去代替, 则 3式 2( ) N = 3 . 84 CV / K ()可改写成4 [ 2 ,5 ] 2 0 . 5 ( ) ( ) 然后由统计分析原理可知,随机变量 t = A , u/ S/ N 服从 t 分布 ,因而 2 0 . 5 δ( () ) ()P{ | A , u| / / N ?td f } = P5 a/ 2 i ( ) 式中 , td f 为 t 分布的特征值 , 由显著水平 a = 1, P和自由度 d f= N ,1 分布查 t 表确定 。a/ 2 i 2 2() () ( ) ( Δ) ()N = td f ×S / 6 由式 5可知 ,满足式 1的取样数为 a/ 2 2 2()( ( ) ) 7 ΔN = td f ×CV / K 若令 = K A ,则 a/ 2 其中 , K 是与测定值和期望值之差有关的系数 , K 值越小 , 则测定值准确度越高 。例如 K = 10 %时 ,表2 0 . 5 ( ) 明估计值和期望值之差小于期望值的 10 % 。在臵信区间估计中 , td f ×S / N 代表着估计误差 , 它 a/ 2 与 A 的比值即可看作 K 值 。计算表明 , K 的取值基本上由 CV 决定 。当 CV < 10 % , CV = 10 %,20 % , 表 2 土壤样本容量的确定 CV = 20 %,30 %和 CV > 30 %时 , K 值分别取 5 % , Ta ble 2 Conf irm on f orest soil sa mpl ing number 10 % ,20 %和 30 % 。 土层深 土壤体 非毛管 一般确定取样数目时 ,首先用样本的单次标准p H 稳渗率 有机质 度/ cm 积质量 孔隙度 2 2 ( ) ( ) δ差 S 代替, 由式 3或 4可确定出 N , 再由 N 1 15 10 10 11 3 0,15 ( ) ,1 和显著水平 a 在 t 值表中查到 t 值 , 代入式 7, 6 12 44 8 3 15,35 3 7 44 9 3 35,55计算出 N , 再由 N ,1 查 t 值表 , 计算出 N , 反复 2 2 3 55,753 9 61 17 3 计算直至所求 N 与所用的 t 值出现基本相对反复 75,95 3 12 103 17 3 为止 。下蜀栎林土壤样本容量确定结果见表 2 。 3 结论 () 1下蜀栎林土壤存在明显的空间变异性 ,并表现出一定的规律性 。总体上讲 ,垂直方向变异性大 于水平方向变异性 。 () 2根据误差理论求得的样本容量 ,测定土壤体积质量 、孔隙度 、有机质 、p H 等参数时所需要的样 本容量较小 ,而要准确测定土壤稳渗率 ,需要大量的样本 。 [ 参 考 文 献 ] [ 1 ] 曾 锋. 重金属在城市森林土壤生态系统中的运移规律研究[ D ] . 南京 :南京林业大学 ,2002 . [ 2 ] 朱仁海 ,杨琪瑜 ,沈文瑛. 林业数学方法丛书 ———统计分析方法[ M ] . 北京 :中国林业出版社 ,1990 . ( ) [ 3 ] 李世清 ,高亚军 ,李生秀. 土壤养分的空间变异性及确定样本容量的研究[J ] . 土壤与环境 ,2000 ,9 1:56 - 59 . ( ) [ 4 ] 倪余文 ,区自清. 土壤优先水流及污染物优先迁移的研究进展[J ] . 土壤与环境 ,2000 ,9 1:60 - 63 . [ 5 ] 唐守正. 多元统计分析[ M ] . 北京 : 中国林业出版社 ,1986 . () 责任编辑 郑琰炎炎