实验流域不同尺度的氮磷变异性统计

实验流域不同尺度的氮磷变异性统计_流域水环境生态系

4.6　实验流域不同尺度的氮磷变异性统计

根据室内外实验监测，利用SPSS 13.0软件对采样数据集进行常规统计分析，其中含水量、pH值及有机质作为辅助监测指标。通过分析监测资料发现，第一次采样时试验区平均含水量为19.27%，土体较湿润；平均有机质含量为1.9%；pH值为6.23，呈弱酸性。由于两次采样期间并无较大降雨，试验区土体表层明显比第一次采样时干燥，平均含水量仅为10.87%；平均有机质含量2.0%，无明显变化；pH值为6.71，呈弱酸性。第三次是在强降雨后采样，试验区土体非常湿润，平均含水量达到21.50%；平均有机质含量2.0%，pH值变化不明显。其中不同尺度氮磷各项指标统计特征值见表4.7～表4.10。

传统的统计方法中一般用最小值x_min、最大值x_max、均值、标准差σ、中数x_mid、峰值C_p等来表征变量的统计特征，用偏斜度C_s和变异系数C_v反映其分布及变异程度^［144］。其中有：

根据上述理论公式得到试验区采样信息的统计特征值，见表4.7。

从表4.7可以看出，不同指标的统计特征值各不相同，其中，氨氮变化范围为0.000 2%～0.005 3%，最大值是最小值的26倍多，可见其含量变幅较大。均值（0.002 6%）与中数（0.002 5%）较接近，说明其分布比较均匀，受特异值影响不大。硝氮变化范围为0.000 3%～0.007 7%，最大值约是最小值的25倍，其含量变幅也比较大。均值为0.003 0%，中数为0.002 2%，分布不是特别均匀，一定程度上受到特异值的影响。全氮变化范围为0.07%～0.112%，可见其含量变幅不是很大。平均全氮含量为0.089 4%，与中数（0.089 6%）接近，说明其分布也比较均匀，受特异值影响不大。

表4.7　第一次采样大尺度试验区采样数据统计特征值

速效磷变化范围为0.002 7%～0.021%，最大值约是最小值的8倍，变幅较大。均值（0.01%）与中数（0.008 5%）较接近，说明其分布比较均匀，受特异值影响不大。全磷变化范围为0.016 4%～0.033 5%，最大值是最小值的2倍多，可见其含量变幅不是特别大。均值（0.024 3%）与中数（0.023 5%）较接近，说明其分布还比较均匀，受特异值影响不大。

根据表4.8各指标的统计特征值分析，氨氮变化范围为0.000 2%～0.005 6%，最大值是最小值的28倍，可见其含量变幅较大。均值（0.001 5%）与中数（0.001 3%）较接近，说明其分布比较均匀，受特异值影响不大。硝氮变化范围为0.000 3%～0.005 3%，最大值约是最小值的18倍，其含量变幅也比较大。均值为0.002 7%，与中数0.002 9%接近，表明分布比较均匀。全氮变化范围为0.072 8%～0.145 6%，可见其含量变幅不是很大。平均全氮含量为0.103 3%，与中数（0.100 8%）接近，说明其分布也比较均匀，受特异值影响不大。

表4.8 第一次采样中尺度试验区采样数据统计特征值

速效磷变化范围为0.001 5%～0.025 9%，最大值约是最小值的17倍，变幅较大。均值（0.007 6%）与中数（0.006 9%）相差不大，说明其分布比较均匀，受特异值影响小。全磷变化范围为0.017 3%～0.024 4%，最大值是最小值的1倍多，可见其含量变幅不是特别大。均值（0.024 4%）与中数（0.023 6%）较接近，说明其分布比较均匀，受特异值影响不大。

同样，对表4.9中列出的小尺度各指标统计特征值进行分析，氨氮变化范围为0.000 2%～0.004%，最大值是最小值的20倍，含量变幅较大。均值与中数相同，均为0.001 9%，说明其分布较均匀，受特异值影响小。硝氮变化范围为0.001%～0.005 1%，最大值约是最小值的5倍，变幅较大，均值为0.003 4%，与中数0.003 7%较接近，表明分布比较均匀。全氮变化范围为0.050 4%～0.106 4%，可见其含量变幅不是很大。平均全氮含量为0.079 8%，与中数（0.077%）接近，说明其分布也比较均匀，受特异值影响不大。

表4.9　第一次采样小尺度试验区采样数据统计特征值

速效磷变化范围为0.002 4%～0.010 3%，变幅不是特别大。均值（0.004 9%）与中数（0.004 2%）相差不大，说明其分布比较均匀，受特异值影响较小。全磷变化范围为0.022%～0.034 5%，最大值是最小值的1倍多，可见其含量变幅不是特别大。均值（0.026 7%）与中数（0.025 5%）较接近，说明其分布比较均匀，受特异值影响不大。

从表4.10可以看出，第二次采样时不同指标的统计特征值亦各不相同，其中，氨氮变化范围为0.000 2%～0.008 3%，最大值是最小值的40倍多，可见其含量变幅非常大。均值（0.001 7%）与中数（0.000 9%）相差较大，说明分布不均匀，受特异值影响很大。硝氮变化范围为0.000 3%～0.003 5%，最大值约是最小值的12倍，其含量变幅也比较大。均值为0.001 6%，与中数0.001 3%接近，说明分布比较均匀。全氮变化范围为0.056%～0.212 8%，可见其含量变幅不是特别大。平均全氮含量为0.097 9%，与中数（0.092 4%）相差不大，说明分布比较均匀，受特异值影响不大。

表4.10　第二次采样大尺度试验区采样数据统计特征值

速效磷变化范围为0.003 1%～0.029 4%，最大值约是最小值的9倍多，变幅较大。均值（0.017 2%）与中数（0.01%）有一定的差异，说明分布不是很均匀。全磷变化范围为0.020 5%～0.039 2%，最大值是最小值的1倍多，可见其含量变幅不是特别大。均值（0.029 5%）与中数（0.029 9%）较接近，说明其分布还比较均匀，受特异值影响不大。

根据表4.11各指标的统计特征值分析，氨氮变化范围为0.000 2%～0.005 8%，最大值是最小值的29倍，可见其含量变幅很大。均值（0.001 6%）与中数（0.000 9%）有差异，说明其分布不均匀，受特异值影响很大。硝氮变化范围为0.000 3%～0.003 5%，最大值约是最小值的12倍，其含量变幅也比较大。均值为0.001 5%，与中数0.001 3%接近，表明分布比较均匀。全氮变化范围为0.056%～0.212 8%，可见其含量变幅不是很大。平均全氮含量为0.102 4%，与中数（0.09 8%）接近，说明其分布也比较均匀，受特异值影响不大。

表4.11　第二次采样中尺度试验区采样数据统计特征值

速效磷变化范围为0.003 1%～0.029 4%，最大值约是最小值的9倍，变幅较大。均值（0.017%）与中数（0.017 8%）接近，说明其分布比较均匀，受特异值影响小。全磷变化范围为0.025 5%～0.039 2%，最大值是最小值的1倍多，可见其含量变幅不是特别大。均值（0.030 4%）与中数（0.029 9%）较接近，说明其分布比较均匀，受特异值影响不大。

同理对表4.12中列出的第二次小尺度采样各指标统计特征值进行分析，氨氮变化范围为0.000 3%～0.008 3%，最大值是最小值的27倍，含量变幅很大。均值0.002 7%与中数0.001 8%有一定差异，说明其分布不均匀，受特异值影响很大。硝氮变化范围为0.001 7%～0.003 3%，最大值约是最小值的2倍，其含量变幅不是特别大。均值为0.002 7%，与中数0.002 9%接近，表明分布比较均匀。全氮变化范围为0.058 8%～0.084%，可见其含量变幅不是很大。平均全氮含量为0.070 5%，与中数（0.068 6%）较接近，说明其分布比较均匀，受特异值影响不大。

表4.12　第二次采样小尺度试验区采样数据统计特征值

速效磷变化范围为0.01%～0.029 4%，变幅不是特别大。均值（0.018 3%）与中数（0.018 9%）接近，说明其分布比较均匀，受特异值影响较小。全磷变化范围为0.020 5%～0.030 5%，最大值是最小值的1倍多，可见其含量变幅不是特别大。均值（0.024 1%）与中数（0.023%）较接近，说明其分布比较均匀，受特异值影响不大。

从表4.13可以看出，对于第三次采样，氨氮变化范围为0.001 7%～0.071 2%，最大值约是最小值的42倍，可见其含量变幅特别大。均值（0.014 6%）与中数（0.004 0%）相差较大，说明其分布非常不均匀，受特异值影响很大。硝氮变化范围为0.000 7%～0.015 1%，最大值约是最小值的20倍，说明其含量变幅也比较大。均值为0.002 5%，中数为0.001 8%，分布不是特别均匀，一定程度上受到特异值的影响。全氮变化范围为0.067 2%～0.170 8%，可见其含量变幅不是很大。平均全氮含量为0.106%，与中数（0.102 2%）较接近，说明其分布比较均匀，受特异值影响不大。

表4.13　第三次采样大尺度试验区采样数据统计特征值

速效磷变化范围为0.002 7%～0.190 4%，最大值约是最小值的71倍，变幅最大。均值（0.019 6%）与中数（0.017 8%）较接近，说明其分布比较均匀，受特异值影响不大。全磷变化范围为0.020 5%～0.055 9%，最大值是最小值的2倍多，可见其含量变幅不是特别大。均值（0.028 4%）与中数（0.027 3%）较接近，说明其分布还比较均匀，受特异值影响不大。

根据表4.14各指标的统计特征值分析，氨氮变化范围为0.001 7%～0.071 2%，最大值约是最小值的42倍，可见其含量变幅较大。均值（0.013 2%）与中数（0.003 8%）相差较大，说明分布不均匀，受特异值影响大。硝氮变化范围为0.000 7%～0.015 1%，最大值约是最小值的21倍，其含量变幅也比较大。均值（0.002 5%）与中数（0.001 6%）有一定差异，表明分布不是很均匀。全氮变化范围为0.067 2%～0.170 8%，可见其含量变幅不是很大。平均全氮含量（0.107 7%）与中数（0.106 4%）较接近，说明其分布比较均匀，受特异值影响不大。

表4.14　第三次采样中尺度试验区采样数据统计特征值

速效磷变化范围为0.002 7%～0.190 4%，最大值约是最小值的71倍，变幅很大。均值（0.022%）与中数（0.018 2%）有一定差异，说明分布不均匀，受特异值影响大。全磷变化范围为0.020 5%～0.055 9%，最大值是最小值的2倍多，可见其含量变幅不是特别大。均值（0.028 5%）与中数（0.027 2%）较接近，说明其分布比较均匀，受特异值影响不大。

同样，对表4.15中列出的第三次小尺度采样各指标统计特征值进行分析，氨氮变化范围为0.002 2%～0.061%，最大值是最小值的27倍，含量变幅很大。均值（0.022 6%）与中数（0.004 5%）有一定差异，说明其分布不均匀，受特异值影响很大。硝氮变化范围为0.000 7%～0.005 1%，最大值约是最小值的7倍，其含量变幅较大。均值与中数相等，均为0.002 5%，表明分布比较均匀。全氮变化范围为0.078 4%～0.134 4%，可见其含量变幅不是很大。平均全氮含量（0.096 1%）与中数（0.091 0%）较接近，说明其分布比较均匀，受特异值影响不大。

表4.15　第三次采样小尺度试验区采样数据统计特征值

速效磷变化范围为0.003 5%～0.011 9%，变幅较大。均值（0.006 3%）与中数（0.006%）接近，说明其分布比较均匀，受特异值影响较小。全磷变化范围为0.024 6%～0.030 5%，其含量变幅不大，而均值（0.027 5%）与中数（0.027 9%）接近，说明其分布均匀，受特异值影响小。

根据表4.7～表4.10中不同尺度上的统计特征值变化发现，随着采样尺度的减小，所有指标的变化范围都在缩小，其中氨氮的全距由0.005 4%减小至0.003 8%，硝氮由0.007 4%减小至0.004 1%，全氮由0.095 2%减小至0.056 0%，速效磷由0.024 4%减小至0.007 9%，全磷由0.024 6%减小至0.012 4%。同时变异性也是随着尺度的增大而增大，主要受人为耕作、施肥等因素以及地形等的影响而呈现较大变异性。

表4.13中的统计结果表明，除了氨氮在中尺度上的变化范围最小外，其他指标的全距均随尺度增大而增大，其中硝氮由0.001 7%增大至0.003 1%，全氮由0.025 2%增大至0.075 6%，速效磷由0.019 4%增大至0.026 3%，全磷由0.009 9%增大至0.018 6%。

分析表4.13～表4.15中降雨后的采样数据统计结果发现，各指标全距的变化范围仍然随尺度增大而变大，变异性也呈现出同样的规律，这说明各监测指标的含量不仅受人为耕作、施肥措施的影响，而且受外界降雨淋溶冲刷作用明显。

根据统计特征值进行初步的空间变异性比较，对于氨氮、硝氮和速效磷指标，大尺度和中尺度的空间变异性明显大于小尺度，这主要是由于这些指标呈离子态，受土壤结构及其在土壤中的存储结构影响。全氮与全磷则相差不大，但基本上也是随尺度的增加变异性呈增长趋势。

根据统计特征值进行初步的空间变异性比较，变异性划分等级为：弱变异性，C_v＜10%；中等变异性，10%≤C_v≤100%；强变异性：C_v＞100%。据此得到三次采样各指标的变异性强弱，见表4.16。

表4.16　三次采样各指标变异性强弱情况

由变异系数初步分析得到具体空间变异结果，见图4.35～图4.37。

图4.35　第一次采样不同尺度下氮磷指标变异系数比较

图4.36　第二次采样不同尺度下氮磷指标变异系数比较

从图4.35可以看出，第一次采样时，对氨氮、硝氮和速效磷而言，大尺度和中尺度的空间变异性明显大于小尺度，全氮与全磷则相差不大。第二次在施肥后采样，小尺度的空间变异性明显增强，大、中尺度的空间变异性则不再显得特别突出，尤其是全磷，已经超出大、中尺度。分析图4.36发现，强降雨之后，大、中尺度的空间变异性增强，小尺度上的分布被均化。

除了分析三次采样不同尺度下的氮磷指标空间变异性，同时还根据统计特征值进行了初步的时间变异性比较分析，结果见图4.38～图4.42。

图4.37　第三次采样不同尺度下氮磷指标变异系数比较

图4.38　氨氮三次采样变异性比较

图4.39　硝氮三次采样变异性比较

图4.40　全氮三次采样变异性比较

图4.41　速效磷三次采样变异性比较

图4.42　全磷三次采样变异性比较

图4.38表明，同尺度上的氨氮，随着时间变化，其变异性是逐渐增大的。这也证明了氨氮的极不稳定性，容易受人为或自然因素的影响。对于硝氮，若不发生大的降雨，其变异性不会发生很大变化，但是一旦产生降雨冲刷，则变异性突然增大。从图4.39可以看出，第三次采样时三个尺度上硝氮的变异性明显大于其他两次。图4.40则表明降雨对全氮的分布影响不是特别大。速效磷与硝氮相似，受降雨影响很大，第三次采样的变异性明显大于前两次，变异性随时间呈现先减小后增大的趋势。全磷基本上随时间变异性减小，但对于较大尺度，降雨后变异性会增强。