Estudio sobre la variación espacial del nitrógeno nitrato en el suelo

Xing Yongqiang1, Li Jinrong2, Li Jinling3, Chang Qiuling1, He Chuanyue1

(1. Academia de Ciencias de la Tierra y los Recursos de Henan, Zhengzhou 450016; 2. Escuela de Conservación del Medio Ambiente y el Agua , Universidad de Zhengzhou, Zhengzhou 450001; 3. Instituto de Estudios Geológicos de Henan, Zhengzhou 450007)

"Journal of Irrigation and Drainage", número de artículo: 1672-3317-(2008)-03-0106-03

Resumen: Se muestrearon y analizaron 100 puntos de muestra de suelo dentro de un área de 10 mx 10 m para determinar el contenido de nitrógeno nitrato utilizando la teoría de variables regionales y el análisis de función de semivarianza en geoestadística, los resultados de la investigación mostraron que el contenido de nitrógeno nitrato en. suelos con dos contenidos de humedad Hay variabilidad espacial dentro de un cierto rango, que es un grado moderado de variabilidad del contenido de nitrato de nitrógeno aumenta con el aumento del espaciamiento de muestreo, y finalmente se vuelve estable, y hay una variación espacial; estructura y finalmente se ajusta y determina su grado de variación y escala de correlación espacial. Proporcionar una referencia para el muestreo de suelos a gran escala.

Palabras clave variación espacial del nitrógeno nitrato, análisis de semivarianza de variables regionales

Los nutrientes necesarios para el crecimiento de los cultivos provienen principalmente del suelo, y el fertilizante nitrogenado aplicado al suelo sufre una serie de Descomposición y transformación Sólo entonces puede ser absorbido y utilizado por los cultivos. Por ejemplo, mediante procesos como la mineralización, la nitrificación y la desnitrificación, el fertilizante nitrogenado se convierte en nitrógeno inorgánico, es decir, nitrógeno amoniacal y nitrógeno nitrato. Sabemos que una cantidad adecuada de fertilizantes nitrogenados es la condición básica para garantizar altos rendimientos de los cultivos. Un exceso de fertilizantes nitrogenados no sólo causa desperdicio sino que, lo que es más grave, provoca una grave contaminación de los cultivos, el suelo, la atmósfera y las aguas subterráneas. La forma de nitrógeno en los suelos secos del norte de mi país está generalmente dominada por el nitrógeno nitrato, por lo que la variación espacial del nitrógeno nitrato en el suelo inevitablemente provocará variaciones en el crecimiento de los cultivos en el suelo. Por lo tanto, estudiar la variabilidad espacial del contenido de nitrato de nitrógeno del suelo tiene una importancia práctica importante para mejorar el rendimiento de los cultivos, formular planes de fertilización de tierras agrícolas y mejorar la eficiencia de la utilización de fertilizantes nitrogenados.

Como todos sabemos, el sistema del suelo en sí es un complejo natural con formas y procesos bastante complejos (Lei Zhidong et al., 1985). El suelo es un medio no homogéneo en el tiempo y el espacio, y tiene una variación espacial evidente. La situación real en el área de riego muestra que en áreas con la misma textura del suelo, las propiedades del suelo (propiedades físicas, químicas y biológicas) tienen diferentes valores en varias ubicaciones espaciales al mismo tiempo. Este atributo se denomina variación espacial de. propiedades del suelo (Huang Shaowen et al., 2003; Triantafilis, et al., 2004; Gao Lu et al., 2002). Esta variación espacial se debe a dos razones: una es el proceso de formación del suelo y la otra son las actividades humanas. En particular, las actividades humanas tienen un impacto más significativo en la variabilidad espacial. Debido a esto, la variación del suelo dentro de un campo se puede dividir en dos partes: variación sistemática y variación aleatoria.

En lo que respecta a los métodos de investigación, la estadística clásica ignora la correlación espacial de las propiedades del suelo y cree que las propiedades del suelo son espacialmente independientes entre sí. Por supuesto, esto es inconsistente con la situación real de las propiedades del suelo. entonces la estadística clásica la ciencia no puede revelar la correlación de las propiedades del suelo en una determinada distancia espacial. La teoría de la variación espacial (Sun Hongquan, 1990) tiene en cuenta la correlación espacial de los atributos del suelo. Por lo tanto, estudiar la variabilidad espacial del suelo es de gran importancia para guiar la aplicación de diversas instalaciones de riego avanzadas y tecnologías agrícolas de conservación del agua.

1 Teoría básica

La teoría de la variación espacial del suelo (Sun Hongquan, 1990) se basa en la geoestadística. El prototipo de la geoestadística surgió en la década de 1950, basándose en el método de valoración de reservas y leyes minerales propuesto por el científico minero sudafricano Krige. En la década de 1960, el famoso estadístico francés Matheron trabajó mucho sobre esta base. Propuso la teoría de la variable regional, combinando métodos geológicos tradicionales con métodos estadísticos para formar un sistema de fórmulas completo, también conocido como geoestadística. La función de semivarianza de la geoestadística puede describir de forma cuantitativa y precisa los cambios estructurales en las propiedades del suelo en el espacio. La geoestadística se basa en los conceptos de variables regionalizadas, funciones aleatorias y supuestos de estacionariedad, con la función de variación como núcleo, y el método de interpolación de Kriging como medio para analizar y estudiar la variación espacial de los fenómenos naturales (Triantafilis, et al., 2004). ; Gao Lu et al., 2002).

1.1 Variable regionalizada

La variable regionalizada Z (x) se refiere a una variable distribuida en el espacio. Es una variable aleatoria que toma diferentes valores Z en diferentes ubicaciones de la región. Generalmente refleja las características de un determinado fenómeno, como el contenido de nutrientes del suelo en diferentes lugares y puntos. Las variables regionalizadas tienen características tanto estructurales como estocásticas. Estructural significa que los nutrientes del suelo tienen un cierto grado de autocorrelación en dos puntos diferentes del espacio. En términos generales, cuanto menor sea la distancia entre dos puntos, mejor será la correlación. Este tipo de autocorrelación refleja cierta continuidad y correlación de esta variable y refleja su aspecto estructural. La aleatoriedad significa que el valor de los nutrientes del suelo en cualquier punto espacial x del sistema del suelo es incierto y puede considerarse como una variable aleatoria, que refleja sus características de aleatoriedad.

1.2 Semivariograma

Los semivariogramas también se llaman variogramas espaciales Siempre que sean variables relacionadas con el espacio, se pueden calcular mediante semivariogramas. La función de semivarianza puede describir tanto las características estructurales de las variables regionales como sus cambios aleatorios. La función de semivarianza es una función que describe la estructura de variación espacial de las propiedades del suelo. Suponiendo que la media de la función aleatoria es estable, la varianza existe y es limitada, y este valor solo está relacionado con el espaciado h, entonces la función de semivarianza γ (h) se puede definir como la mitad de la varianza incremental de la función aleatoria. Z(x). La fórmula de cálculo es

Medio Ambiente·Ecología·Hidrología·Geotécnica: Discusión Teórica y Práctica de Aplicación

Fig.1 Semivariograma

Fig.1 Croquis de semivariograma varianza

donde n(h) es el logaritmo de los pares de datos separados por el vector h. Por supuesto, cuantos más pares de datos haya, mayor será la precisión del valor calculado de la función de semivarianza. Para diferentes distancias de retraso h, el valor γ(h) correspondiente se puede calcular a partir de la ecuación (1). Para cada distancia de retraso hi, marque los puntos [hi, γ(hi)] en el diagrama h-γ(h) (Figura 1) y luego conecte los puntos adyacentes con segmentos de línea. La gráfica resultante se llama semivarianza experimental. gráfico de función (o gráfico de varianza experimental). Se pueden obtener tres parámetros extremadamente importantes de la función de semivarianza a través del diagrama de varianza: el valor de rango a (Rango), el valor de alféizar C (Sill) y el valor de pepita C0 (Pepita). El valor de rango refleja las propiedades espaciales del suelo. características de variación, las propiedades del suelo son espacialmente independientes fuera del valor del rango variable, mientras que las propiedades del suelo son espacialmente no independientes dentro del valor del rango variable. El valor de la pepita representa una variación causada por la falta de espaciamiento de muestreo y generalmente se refiere al error de medición de las propiedades del suelo. El valor del umbral se refiere al valor máximo de semivarianza que existe en diferentes intervalos de muestreo. Además, el valor de variación/alféizar de la pepita puede representar el grado de variación espacial.

2 Materiales y métodos

2.1 Descripción general del área de investigación

El experimento se llevó a cabo en un campo experimental en el oeste del condado de Junxian, provincia de Henan, en 2006. La topografía y el tipo de relieve del área es La llanura aluvial tiene un terreno relativamente plano, el suelo de prueba principal es franco y el clima es un clima monzónico continental semihúmedo y semiárido con cuatro estaciones distintas. Aquí se cultivan trigo y maíz dos veces al año, y el maíz se cultiva en temporada. El área es de 10 mx 10 m y la cuadrícula se establece de acuerdo con 1 mx 1 m. Hay un máximo de 100 puntos de observación (Figura 2) y la profundidad de muestreo es de 10 a 15 cm en la capa de labranza. Estuvo soleado y sin lluvia durante el período de muestreo, y los tiempos de muestreo fueron el 12 de junio de 2006 (el campo estaba relativamente seco, con un contenido de humedad promedio de 18.3%) y el 14 de agosto de 2006 (el campo estaba húmedo, con un contenido promedio de humedad de 18.3%) contenido de humedad en masa del 23,5%).

Fig.2 Ubicación de muestreo del área

Fig.2 Ubicación de muestreo del área

2.2 Método de medición

Elemento de medición: Calidad Contenido de humedad y nitrógeno nitrato.

Método e instrumento de medición: Secar al aire las muestras de suelo recolectadas en el campo, pasarlas por un tamiz de 1 mm y luego realizar filtración y lixiviación con 1 mol/L de KCl en una proporción agua-suelo de 5. :1, y realizar extracción en laboratorio. El contenido de nitrógeno nitrato se determinó mediante el método colorimétrico del ácido fenol disulfónico.

3 Resultados y discusión

3.1 Valores característicos estadísticos de los resultados de la medición de nitrógeno nitrato en el suelo

La distribución general del contenido de nitrógeno nitrato utilizando el método Kolmogorov-Smirnov método Se realizó una prueba no paramétrica A partir de los resultados de la prueba, se puede ver que el contenido de nitrógeno nitrato del suelo es mayoritariamente del tipo log-normal.

A juzgar por el valor promedio de nitrógeno nitrato, el valor promedio aumenta a medida que disminuye el contenido de humedad del suelo, lo que indica que la cantidad de nitrógeno nitrato lixiviado a las capas inferiores también disminuye a medida que disminuye el contenido de humedad del suelo.

Además, como se mencionó anteriormente, el tamaño del coeficiente de variación C1 puede reflejar el grado de variabilidad espacial de los parámetros característicos del suelo. Generalmente se cree que: C1<0,1 es variabilidad débil, 0,1≤C1≤. 1,0 es una variabilidad moderada, C1>1,0 indica una variabilidad fuerte. A juzgar por los datos estadísticos de la Tabla 1, el coeficiente de variación del contenido de nitrógeno nitrato medido oscila entre 0,17 y 0,31, todos los cuales son una variabilidad moderada. Debido a que el nitrógeno nitrato es relativamente estable en el suelo, su coeficiente de variación es pequeño, lo que está relacionado con el hecho de que el nitrógeno nitrato es relativamente estable en el suelo. En este experimento, cuando el suelo está húmedo (el contenido de humedad promedio del suelo es 23,5%), el coeficiente de variación del nitrógeno nitrato es 0,31, y cuando el suelo está seco (el contenido de humedad promedio del suelo es 18,3%), el coeficiente de variación es 0,17, por lo que el coeficiente de variación del nitrógeno nitrato cuando el suelo está relativamente húmedo es significativamente mayor que el coeficiente de variación del nitrógeno nitrato cuando el suelo está seco. Se puede entender que el coeficiente de variación del nitrógeno nitrato se ve afectado por. diferentes cantidades de riego. A medida que aumenta la cantidad de riego, el coeficiente de variación aumenta y la cantidad de riego tiene un efecto en el suelo. La transformación y el movimiento del nitrógeno nitrato están estrechamente relacionados.

Cuadro 1 Valores característicos estadísticos del contenido de nitrógeno nitrato del suelo

Como se mencionó anteriormente, la distribución del nitrógeno nitrato en el campo tiene características estructurales geológicas y características estadísticas aleatorias. Estos valores estadísticos solo pueden reflejar la población de la muestra hasta cierto punto, pero no pueden describir cuantitativamente la aleatoriedad, la irregularidad, la independencia y la correlación del contenido de nitrato del suelo para explicarlo y cuantificarlo, se debe realizar un análisis de la estructura de variación espacial.

3.2 Análisis de la estructura de variación espacial del nitrógeno nitrato en el suelo

El semivariograma refleja los cambios dependientes entre los valores de observación en diferentes puntos de observación dentro de un cierto rango, y puede examinar Variabilidad espacial del nitrógeno nitrato en los suelos. Se puede ver en el gráfico de semivariograma del contenido de nitrógeno nitrato del suelo (Figura 3) que dentro de un cierto rango, los valores experimentales del variograma del contenido de nitrógeno nitrato aumentan con el aumento del espaciamiento de los puntos de muestreo, desde un valor distinto de cero hasta a Una constante relativamente estable, es decir, cuando la distancia aumenta hasta cierto punto y el valor del semivariograma oscila hacia arriba y hacia abajo con una determinada constante, esta constante es el valor del alféizar C (C0 + C1), que corresponde a este valor del alféizar. la distancia es el rango variable a, y el rango variable a es igual a la distancia máxima de autocorrelación. Cuando h < a, existe una correlación espacial entre los contenidos de nitrógeno nitrato del suelo. Cuando h ≥ a, los valores del contenido de nitrógeno nitrato del suelo son independientes. Cuando la distancia de separación h=0, γ(0)=C0, este valor es el valor de pepita C0.

Fig.3 Semivarianza del contenido de nitrógeno nitrato

Fig.3 Semivarianza del suelo NO3--N

Según el cálculo de dos diferentes Contenido de agua El valor del variograma experimental del contenido de nitrógeno nitrato en el suelo se calcula en función de la tasa y luego se utiliza un modelo esférico para el ajuste. Para calcular y programar los parámetros (C, a, C0) en el modelo esférico se utiliza el método de regresión polinómica ponderada (Tabla 2). Se puede ver en la Tabla 2 que el valor de pepita del contenido de nitrógeno nitrato en un suelo con un contenido de humedad del 18,3% es C = 0,34, el valor del umbral C0 = 0,77 y el valor del rango a = 2,1; un contenido de humedad del 18,3%. El valor de la pepita del 23,5% del suelo es C=0,09, el valor del alféizar es C0=0,46 y el valor del rango es a=1,75. Para suelos con un contenido de humedad del 18,3%, cuando h≥a=2,1m, el valor de la función de autocorrelación es cero y el valor del variograma tiende a ser estable, es decir, cuando el intervalo de muestreo está dentro de 2,1. m, el contenido de nitrato de nitrógeno tiene una variabilidad espacial obvia, y el contenido de nitrato de nitrógeno se trata como una variable regional cuando el espaciamiento de muestreo es mayor a 2,1 m, el contenido de nitrato de nitrógeno no tiene una correlación espacial y el contenido de nitrato de nitrógeno; pueden considerarse independientes entre sí de variables aleatorias. Para suelos con un contenido de humedad del 23,5%, cuando h≥a=1,75 m, el valor del variograma tiende a ser estable. De manera similar, cuando el espaciamiento del muestreo es inferior a 1,75 m, el contenido de nitrógeno nitrato tiene una variabilidad espacial obvia. se trata como una variable regional cuando la distancia de muestreo es mayor a 1,75 m, el contenido de nitrógeno nitrato no tiene correlación espacial y el contenido de nitrógeno nitrato puede considerarse como una variable aleatoria independiente.

Además, se puede ver en los resultados del cálculo en la Tabla 2 que el rango de variación del contenido de nitrógeno nitrato en suelos con mayor contenido de humedad es ligeramente menor que en suelos con menor contenido de humedad, lo que indica que el contenido de humedad del suelo también afecta la variación espacial. del contenido de nitrógeno nitrato, principalmente porque el agua en el suelo puede retener más nitrógeno nitrato, por lo que el espaciamiento del muestreo debe organizarse de acuerdo con el contenido de humedad del suelo durante el muestreo de campo real. Cuando el contenido de humedad es pequeño, el espaciamiento de muestreo puede ser mayor; cuando el contenido de humedad es grande, el espaciamiento de muestreo puede ser relativamente pequeño.

Cuadro 2 Valores de los parámetros de semivarianza del contenido de nitrógeno nitrato del suelo

La variación espacial del contenido de nitrógeno nitrato en el suelo en el área de estudio es tanto estructural como aleatoria. Cuánto afectan la variabilidad de las propiedades del suelo se puede expresar a partir de la relación entre el valor de la pepita y el valor del umbral (C0/(CC1)). Si la relación es alta, significa que es causada por la parte aleatoria. de variabilidad espacial es mayor; por el contrario, significa que el grado de variabilidad espacial causado por la variación sistemática es mayor; si la relación es cercana a 1, significa que la variable tiene una variación constante en toda la escala de estudio; Se puede ver en los resultados del cálculo en la Tabla 2 que la variabilidad espacial del suelo en el área de estudio es causada principalmente por la estructura espacial del suelo mismo, mientras que el grado de variación causado por la parte aleatoria es pequeño y no influye. un papel importante.

4 Conclusión

La distribución espacial de las propiedades del suelo tiene una variabilidad obvia, y las variables regionales y los variogramas en geoestadística son herramientas teóricas importantes para estudiar esta característica espacial. El contenido de nitrógeno nitrato en el suelo muestra una estructura de variación espacial y puede usarse como una variable regional.

Los resultados experimentales muestran que el contenido de nitrógeno nitrato en suelos con diferentes contenidos de humedad tiene variabilidad espacial, y el coeficiente de variación oscila entre 0,17 y 0,31, todos los cuales son de variabilidad moderada. El coeficiente de variación del contenido de nitrógeno nitrato en suelos con mayor contenido de humedad (el contenido de humedad promedio del suelo es del 23,5%) es mayor que el coeficiente de variación del nitrógeno nitrato en suelos con menor contenido de humedad (el contenido de humedad promedio del suelo es del 18,3%).

De acuerdo con la teoría de variables regionales y variogramas, se analizó la estructura de variación espacial del contenido de nitrógeno nitrato en suelos con diferentes contenidos de humedad para obtener su valor de rango. Para suelos con un contenido de humedad del 23,5%, la distancia de correlación del espacio de contenido de nitrógeno de nitrato es de 1,75 m; para suelos con un contenido de humedad de 18,3%, la distancia de correlación del espacio de contenido de nitrógeno de nitrato es de 2,1 m; rango, la estructura espacial del suelo en sí juega una influencia importante en la variabilidad espacial del contenido de nitrógeno nitrato.

Referencias

Gao Lu, Chen Suying, Hu Chunsheng et al. 2002. Estudio sobre la variabilidad espacial de la humedad del suelo de tierras agrícolas en condiciones de riego por aspersión. Progress in Geographical Science, 21 (6). ): 609～615.

Huang Shaowen, Jin Jiyun, Yang Liping, et al. 2003. Investigación sobre la variación espacial y la tecnología de gestión de zonificación de los nutrientes del suelo en los campos de cereales a nivel de condado. , 40 (1): 79～88.

Lei Zhidong, Yang Shixiu, Xu Zhirong, et al. 1985. Estudio preliminar sobre la variabilidad espacial de las propiedades del suelo, (9): 10. ～21.

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Triantafilis J, Odeh I O A, Warr B, et al. Mapeo del riesgo de salinidad en el valle inferior de Namoi utilizando métodos Kriging no lineales Arg Water Manage, 69 (3): 203～231.

Variaciones espaciales de -N en el suelo