孟加拉国农业工业用地系统中土壤物理化学性质与环境驱动因素的地理统计建模

《Geomatica》：Geostatistical Modeling of Soil Physicochemical Properties and Environmental Drivers in Agro-industrial Landuse Systems in Bangladesh

土壤理化性质的空间变异及环境驱动因素分析——以孟加拉国库施蒂亚地区三种土地利用类型为例

　　土壤性质的空间变化是有效土地利用实践和可持续土地管理的重要基础。为了深入了解不同土地利用区域的土壤特性，本研究采用了地统计学方法，分析了关键的土壤物理化学参数在农业工业区（包括多样化农业、专门化农业和工业区）的空间变化，并探讨了这些变化与环境变量之间的关系。研究共采集了123个土壤样本，深度为0至15厘米，采用系统抽样技术进行采样。通过半变异函数建模识别土壤性质的分布模式，并计算了块金比与平台比，以评估空间结构。研究发现，除了土壤湿度外，所有土壤参数在不同土地利用区域之间均表现出显著差异（p < 0.05）。皮尔逊相关性分析显示，土壤有机质（SOM）、土壤有机碳（SOC）和土壤总氮（STN）之间存在强正相关性，而归一化建筑指数（NDBI）是最相关的环境因子。主成分分析（PCA）进一步揭示了SOM、SOC和STN作为最重要的土壤变量，以及地表温度（LST）、NDBI和NDVI作为对土壤性质影响最显著的环境因子。

这项研究揭示了不同土地利用区域中环境人为因素和土壤参数的分布模式差异及其对这些差异的影响。块金比与平台比的结果表明，大多数土壤性质表现出弱到中等程度的空间结构，除了工业区的STN（12.28%）、多样化农业区的湿度（3.36%）、专门化农业区的pH（0%）和工业区的C:N比（0%），这些显示出强烈的空间依赖性。在工业区，土壤性质表现出中等到强的空间依赖性，除了SOM和SOC。本研究强调了土地利用、环境和人为因素在土壤性质分布中的作用，支持精准农业和保护措施的实施。

### 土地利用与土壤性质的关系

土地利用是影响土壤性质变化的关键因素之一，其整合了多种环境变量，如有机碳和总氮的输入和输出，以及氧化、淋溶、矿化和侵蚀等过程，最终影响SOM、SOC和STN的分布。农业活动通常涉及土壤的物理和化学性质的变化，例如耕作、施肥和轮作等。这些活动可能影响土壤的结构、养分含量和微生物活性。例如，多样化农业区由于种植多种作物，土壤的物理化学性质可能更加复杂和多样，而专门化农业区（如烟草种植）由于长期单一作物种植，土壤的性质可能更为一致。工业区则由于工业废弃物和污染物的排放，土壤性质受到显著影响，尤其是有机碳和氮含量的减少，以及土壤pH值的改变。

### 土壤性质的空间分布与环境变量的相互作用

本研究还分析了土壤性质与环境变量之间的关系，包括植被指数（NDVI）、水指数（NDWI）、建筑指数（NDBI）、地表温度（LST）和海拔等。通过皮尔逊相关性分析和PCA分析，研究发现NDVI、NDWI、LST和NDBI等环境变量对土壤性质有显著影响。例如，NDVI与土壤有机质和总氮呈正相关，表明植被覆盖对土壤养分的积累和维持具有重要作用。而NDBI则与LST和海拔呈正相关，这表明建筑活动和工业区的高温与高海拔地区存在关联。同时，NDBI与NDVI呈负相关，这说明工业区和建筑区域的土壤有机质和总氮含量较低，而植被覆盖较高的区域则有机质和总氮含量较高。

### 土地利用类型对土壤性质的影响

研究发现，不同土地利用类型对土壤性质的影响显著不同。在多样化农业区，土壤有机质和总氮含量较高，但受土地利用类型的影响较小。而在专门化农业区，由于单一作物种植和密集的农业活动，土壤性质表现出较强的差异性。工业区由于大量的工业废弃物排放和污染，土壤有机质和总氮含量较低，而pH值和C:N比则表现出较强的区域依赖性。这些差异可能源于土地利用类型对土壤的物理和化学性质的直接和间接影响。

### 土壤性质的空间依赖性分析

通过半变异函数建模和克里金插值法，研究评估了不同土地利用区域土壤性质的空间依赖性。结果显示，大多数土壤性质表现出弱到中等程度的空间依赖性，但工业区的STN、pH和C:N比表现出强空间依赖性。这表明，工业区的土壤性质在空间上具有较高的连续性，可能由于工业活动对土壤的强烈影响。而多样化农业区的土壤湿度表现出强空间依赖性，可能由于灌溉和降水模式的相似性。专门化农业区的pH值和EC表现出较强的区域依赖性，这可能与长期的农业活动和土壤管理有关。

### 环境变量与土壤性质的关系

研究还探讨了环境变量对土壤性质的影响。例如，NDVI和NDWI在多样化农业区和专门化农业区表现出较强的正相关性，而NDBI则与LST和海拔呈正相关。这些变量之间的关系可能受到多种因素的影响，包括气候条件、地形特征和土地利用类型。此外，NDBI与NDVI呈负相关，这说明工业区和建筑区域的土壤有机质和总氮含量较低，而植被覆盖较高的区域则土壤有机质和总氮含量较高。

### 土壤性质的空间分布模式

通过空间分布模式的分析，研究发现不同土地利用区域的土壤性质表现出显著差异。例如，在多样化农业区，SOM、SOC和STN的分布模式主要受植被覆盖和土壤管理的影响。而在专门化农业区，由于单一作物种植和密集的农业活动，土壤性质表现出较大的变化。工业区的土壤性质则受到工业废弃物和污染的影响，表现出较强的区域依赖性。

### 研究的意义与应用

本研究的结果对于精准农业和土地管理具有重要意义。通过分析土壤性质的空间变化和其与环境变量的关系，可以为不同土地利用区域制定针对性的土地管理策略。例如，在多样化农业区，应注重土壤有机质和总氮的保持，而在专门化农业区，应关注土壤的养分管理和水分管理。在工业区，应采取措施减少工业废弃物对土壤的影响，以维持土壤的健康和生产力。

### 研究的局限性与未来研究方向

尽管本研究提供了关于土壤性质空间变化的重要信息，但也存在一些局限性。例如，研究未包括土壤性质的垂直分布，这可能限制了对土壤性质空间变化的全面理解。此外，样本数量有限，可能影响对微尺度变化的分析。未来的研究可以考虑增加样本数量，提高空间分辨率，并结合垂直土壤性质分布和季节变化，以更全面地理解土壤性质的空间变化。此外，可以利用更先进的分析技术，如光谱和色谱方法，来进一步分析土壤性质的变化。最后，研究的结果是基于单次采样，可能无法反映土壤性质的季节性和年度变化，因此未来的研究应考虑长期的观测数据，以展示土壤性质随时间的变化。