基于GIS和K riging的藍(lán)田縣土壤養(yǎng)分空間變異特征研究

張宇軍,房麗君,邵立志,楊聯(lián)安

(1.陜西省西安植物園,陜西西安 710061;2.北京華迪宏圖信息技術(shù)有限公司,北京海淀 100195;3.西北大學(xué),陜西西安 710127)

土壤是不均一和變化的連續(xù)體,即時(shí)空連續(xù)變異體[1-2]。田間實(shí)際情況表明,即使在土壤質(zhì)地、類(lèi)型相同的區(qū)域內(nèi),同一時(shí)刻土壤特性值(物理、化學(xué)、生物特性等)在不同空間位置上也具有明顯差異,這種屬性稱(chēng)為土壤特性的空間變異性[3]。土壤特性空間變異性的研究,即將土壤特性值的空間變異復(fù)雜性定量化,旨在改進(jìn)土壤分類(lèi),提高土壤調(diào)查精度以及提高田間試驗(yàn)精度,確定合理取樣尺度及取樣數(shù)目,并為更逼近農(nóng)田土壤變化實(shí)際情況地預(yù)測(cè)、模擬土壤過(guò)程提供有效途徑,為更好地理解空間作用對(duì)土壤、作物生長(zhǎng)關(guān)系的重要性,特別是為數(shù)字農(nóng)業(yè)的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)[4-5]。

1 研究區(qū)域概括

藍(lán)田縣位于陜西省西安市東南部,地處東經(jīng)109°07′～ 109°49′,北緯 33°50′～ 34°19′。縣境東西長(zhǎng)64 km,南北寬55 km,總面積2 018 km2,轄27個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),519個(gè)行政村,全縣總?cè)丝?3.7萬(wàn)。藍(lán)田地勢(shì)由東南向西北傾斜,南部為秦嶺北麓延伸地帶,東部為驪山南麓溝壑區(qū),中西部川原相間,灞河水系鑲嵌其中,地貌類(lèi)型分河谷沖積階地、黃土臺(tái)塬、黃土丘陵、秦嶺山地。氣候?yàn)閷倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸性氣候,四季冷暖分明,年平均氣溫13.1℃,日照 2149 h,平均降水量 720.4 mm,主要集中于7～9月。土壤類(lèi)型復(fù)雜多樣,變化情況為:從東到西是棕壤-褐土-淋溶褐土-立茬土-油土-黃鱔土-白鱔土。從北到南是紅色土-立茬土-油土-鱔土-河淤土-水稻土-洪積土-褐土-棕壤土(圖1)。

圖1 樣區(qū)圖

2 資料來(lái)源與數(shù)據(jù)處理

本研究分四個(gè)階段進(jìn)行:資料的收集,數(shù)據(jù)的處理,數(shù)字化并建立數(shù)據(jù)庫(kù)和空間分析系統(tǒng)。

2.1 數(shù)據(jù)資料的獲取

圖件資料、數(shù)據(jù)和文本資料通過(guò)對(duì)政府、果農(nóng)以及藍(lán)田土肥站進(jìn)行調(diào)研獲得。圖件資料包括:藍(lán)田縣1:50000土壤分布圖、1:50000土壤地形圖、1:50000土壤質(zhì)地圖、1:50000土地利用現(xiàn)狀圖、1:50000村級(jí)行政區(qū)劃圖。其中相關(guān)圖件的掃描、糾正、數(shù)字化和投影采用大地坐標(biāo)系,利用A rcGIS軟件完成。土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)野外采樣、室內(nèi)分析獲取,采樣時(shí)用手持GPS確定采樣點(diǎn)海拔高度和平面位置(經(jīng)緯度精確到0.1度)。通過(guò)地形圖生成數(shù)字高程模型,并求得每個(gè)采樣點(diǎn)和調(diào)查點(diǎn)的坡度、坡向及海拔高度等信息,作為采樣點(diǎn)基本資料。

按照《農(nóng)業(yè)部測(cè)土配方施肥技術(shù)方案》,根據(jù)土壤類(lèi)型、土地利用狀況、地形等因素,將采樣區(qū)域劃分為若干個(gè)采樣單元,每個(gè)采樣單元的土壤性狀要盡可能均一。平均每個(gè)采樣單元面積為100～200畝,平原區(qū)每6.7～33.0 hm2采一個(gè)混合樣,丘陵區(qū)作物每2～5 hm2采一個(gè)混合樣(圖2)。2007年6月中旬采取土樣,土壤采樣深度為地表下0～20 cm,每采樣點(diǎn)土樣重量1 kg左右,共采集混合土樣1 024個(gè)。

圖2 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布圖

2.2 土壤養(yǎng)分測(cè)定

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀、速效磷等含量。土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定方法為重鉻酸鉀外熱源法;堿解氮測(cè)定方法為堿解擴(kuò)散法;速效鉀測(cè)定方法為碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比法;速效磷測(cè)定方法為火焰光度法。

2.3 GIS數(shù)據(jù)處理

利用A rcGIS9.2對(duì)地形圖進(jìn)行數(shù)字化處理,并對(duì)地形變化和坐標(biāo)變化進(jìn)行校正。以GIS為基礎(chǔ),利用GIS的Geostatistical(地統(tǒng)計(jì))模塊和3D Analyst模塊,結(jié)合土壤養(yǎng)分測(cè)定數(shù)據(jù),采用空間分析方法,尤其是地統(tǒng)計(jì)方法,對(duì)藍(lán)田縣土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律進(jìn)行初步分析,得到藍(lán)田縣土壤養(yǎng)分空間分布圖。利用SPSS軟件對(duì)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析。

將GPS測(cè)定的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)倒入M apinfo中,將以度、分、秒表示的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制,然后生成點(diǎn)狀分布矢量圖,再把此.tab分布圖轉(zhuǎn)換為A rcGIS可識(shí)別的.shp格式。在 A rcGIS中以Geostatisical Analyst地統(tǒng)計(jì)模塊分析采樣點(diǎn)統(tǒng)計(jì)特征、半方差模型、交互校驗(yàn),進(jìn)行空間插值。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析

利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)研究土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征值有兩種指標(biāo),一是數(shù)據(jù)的集中的情形,稱(chēng)為集中指標(biāo),主要包括平均數(shù)、眾數(shù)和中位數(shù);另一種是數(shù)據(jù)分散的形式,稱(chēng)為變異指標(biāo),主要包括變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、最小值和最大值[8-9]。如果中位數(shù)與均值較相近,說(shuō)明特異值對(duì)樣本數(shù)值的影響較小,特異值是指那些比均值和中位數(shù)高的多的數(shù)值,由土壤采樣方法、采樣地域特征等自然和人為因素造成。

表1 藍(lán)田縣土壤養(yǎng)分描述性特征統(tǒng)計(jì)

藍(lán)田縣土壤養(yǎng)分描述性特征變化如表1所示,可看出,有機(jī)質(zhì)的含量范圍為4.09～29.05 mg·kg-1,平均值為14.56 mg·kg-1;堿解氮的含量范圍為13.1～301 m g·kg-1,最大值是最小值的22.98倍,平均值為86.66mg·kg-1;速效磷的含量為0.2～190 mg·kg-1,最大值與最小值相差較大,平均值為20.76 mg·kg-1;速效鉀的含量范圍為 24～430 m g·kg-1,平均值為148.02 mg·kg-1。

變異系數(shù)C.V.(%)可從整體上反映測(cè)定值的變異程度[7]。藍(lán)田縣土壤速效磷含量的變異系數(shù)最高,為78.0%,為強(qiáng)變異;其余由高到低依次為速效鉀(變異系數(shù)24.11%)、堿解氮(變異系數(shù)23.81%)、有機(jī)質(zhì)(變異系數(shù) 19.43%),為弱變異。土壤養(yǎng)分的空間變異性取決于土壤母質(zhì)的性質(zhì)和地形位置,并與氣候、大氣沉降、降雨和農(nóng)業(yè)措施等有關(guān),變異系數(shù)的大小表示土壤特性空間變異性的大小。速效磷的變異系數(shù)大,可能是由于磷肥使用不均勻的結(jié)果。

3.2 研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量的空間變異分析

半方差函數(shù)可以反映土壤特性的空間變異結(jié)構(gòu),半方差函數(shù)圖是利用半方差函數(shù)研究土壤特性空間變異的模型,它是半方差函數(shù)r(h)值對(duì)距離h的函數(shù)圖[11-13]。

合適的半方差模型及其參數(shù)需要不斷的試驗(yàn)取得,判斷一個(gè)模型及其參數(shù)是否最佳的標(biāo)準(zhǔn)如下:平均預(yù)測(cè)誤差(ME,Mean Error)的絕對(duì)值最接近于 0;均方根誤差(RMSE,Root-Mean-Square-Error)越小越好;平均標(biāo)準(zhǔn)誤差(ASE,Average Standard E rror)和均方根誤差(RMSE)最接近,如果 ASE＞RMSE,則高估了預(yù)測(cè)值,反之如果ASE＜RMSE,則低估了預(yù)測(cè)值。標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差(RMSSE,Root-Mean-Square Standardized Error)最接近于1,如果 RMSSE＜1,則高估了預(yù)測(cè)值,反之如果 RMSSE＞1,則低估了預(yù)測(cè)值。

本研究采用A rcGIS9.2中的地統(tǒng)計(jì)模塊,通過(guò)對(duì)有機(jī)質(zhì)在線性模型、指數(shù)模型、球狀模型、高斯模型的比較、分析,本研究采用A rcGIS9.2中的地統(tǒng)計(jì)模塊,通過(guò)對(duì)有機(jī)質(zhì)在線性模型、指數(shù)模型、球狀模型、高斯模型的比較、分析,得出土壤有機(jī)質(zhì)的最佳模型為球狀模型,堿解氮的最佳理論模型為線性模型,速效磷和速效鉀的最佳模型為指數(shù)模型。各種養(yǎng)分模型的參數(shù)如表2所示。

表2 土壤養(yǎng)分最佳理論模型

表3 土壤養(yǎng)分半方差函數(shù)的擬和參數(shù)和理論模型

圖3 土壤養(yǎng)分空間分布與分區(qū)管理圖

表3中可以看出,研究區(qū)土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律為:有機(jī)質(zhì)的塊金值/基臺(tái)值的比值最大為67.74%,速效鉀最小為36.39%,速效磷和堿解氮分別為 63.62%、52.77%,比值介于 25%和75%之間,說(shuō)明四種養(yǎng)分的變異程度為中等,由大到小為有機(jī)質(zhì)＞速效磷＞堿解氮＞速效鉀。其中,有機(jī)質(zhì)和速效磷的比較大,也比較接近,分別為67.74%和63.62%,說(shuō)明它們的空間變異性主要是由隨機(jī)因素引起的,即人為因素引起的空間變異起主要作用,由空間自相關(guān)性引起的變異比較占次要作用。堿解氮的比值為52.77%,說(shuō)明隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性同時(shí)對(duì)堿解氮的空間變異有著較大的影響。速效鉀的比值最小,為36.39%,說(shuō)明速效鉀雖然也屬于中等空間變異,但其變異主要由空間自相關(guān)部分引起,隨機(jī)性因素對(duì)其空間變異影響較小,可能和黃土中鉀元素含量豐富,速效鉀的結(jié)構(gòu)性受土壤的影響比較大有關(guān)。

3.3 土壤養(yǎng)分的空間分布格局及分析

藍(lán)田縣農(nóng)業(yè)區(qū)土壤養(yǎng)分空間分布圖可以反映土壤養(yǎng)分的分布、形狀、大小、地理位置。本研究利用平均值法在A rcGIS9.2下進(jìn)行疊置分析,將土壤養(yǎng)分分布圖和行政村區(qū)劃圖疊加,得到村級(jí)土壤養(yǎng)分管理圖,進(jìn)一步,將土壤養(yǎng)分分布圖和農(nóng)戶(hù)田塊圖疊加,得到農(nóng)戶(hù)土壤養(yǎng)分管理圖,更進(jìn)一步,將土壤養(yǎng)分分布圖和任一田塊圖疊加,得到田塊養(yǎng)分管理圖。

從圖3中可以看出,有機(jī)質(zhì)、速效磷、堿解氮在南-北、西北-東南方向有一個(gè)明顯的變化過(guò)程,土壤養(yǎng)分含量在嶺區(qū)和塬區(qū)顏色很深,說(shuō)明含量高,而在川道的顏色淺,說(shuō)明含量低,這個(gè)變化過(guò)程和研究區(qū)的地貌變化基本一致,地貌變化為嶺-川-塬,這說(shuō)明有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效磷的結(jié)構(gòu)性受地貌的影響。速效鉀沒(méi)有明顯的方向變化,在圖中比較均勻,說(shuō)明速效鉀在各個(gè)方向上呈現(xiàn)明顯的各項(xiàng)同性,速效鉀的結(jié)構(gòu)性因素由方向不明顯的其他因素引起。

4 結(jié)論

(1)利用地理信息系統(tǒng)軟件A rcGIS的地統(tǒng)計(jì)分析模塊,將地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析工作嵌入地理信息系統(tǒng)軟件中,把GIS具有的較強(qiáng)空間數(shù)據(jù)管理功能與地統(tǒng)計(jì)學(xué)所具有的較強(qiáng)空間分析功能相結(jié)合,可用于對(duì)藍(lán)田縣土壤養(yǎng)分的空間變異性研究。

(2)藍(lán)田縣土壤有機(jī)質(zhì)的最佳模型為球狀模型,堿解氮的最佳理論模型為線性模型,速效磷和速效鉀的理論模型為指數(shù)模型。四種養(yǎng)分塊金值/基臺(tái)值的比值在75%～25%之間,四種養(yǎng)分具有中等程度的空間變異。其中有機(jī)質(zhì)的塊金值/基臺(tái)值的比值最大為67.74%,速效鉀最小為36.39%,速效磷和堿解氮分別為 63.62%、52.77%,由大到小為有機(jī)質(zhì)＞速效磷＞堿解氮＞速效鉀。土壤母質(zhì)、地形、土地利用方式都對(duì)土壤的空間變異有重要影響。

(3)由于研究區(qū)范圍較小,土壤母質(zhì)往往均質(zhì),氣候所引起的土壤養(yǎng)分空間變異往往也很小,所以地形對(duì)變量的結(jié)構(gòu)變異影響比較大。小范圍內(nèi)的土壤屬性塊金方差與基臺(tái)值比值分析和土壤分布圖,表明土地利用方式、地形是藍(lán)田縣土壤屬性空間變異的主要影響因素。

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