基于GIS的庫車縣耕層土壤養(yǎng)分空間變異研究

楊美玲，王雪梅，2，羅夢(mèng)媛

（1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊830054；2.新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830054）

隨著“精細(xì)農(nóng)業(yè)”（Precision Agriculture）的提出和發(fā)展，土壤養(yǎng)分空間分布定量分析以及空間變異特征研究的重要性已日趨顯現(xiàn)，并受到世界各國(guó)學(xué)者的普遍重視，應(yīng)用新的方法和手段對(duì)土壤養(yǎng)分空間變異性、空間分布特征及其影響因素的研究層出不窮［1－5］。目前，我國(guó)有眾多學(xué)者對(duì)耕地土壤養(yǎng)分元素空間進(jìn)行了大量的研究，郭旭東、范夫靜等采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，并結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間變異特征和分布格局進(jìn)行了深入研究［6－8］；石淑芹等以松嫩平原土壤養(yǎng)分與地理坐標(biāo)、土壤類型和微量元素等相關(guān)性為基礎(chǔ)，對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行克里格估值，認(rèn)為協(xié)同克里格對(duì)區(qū)域尺度土壤屬性空間模擬的效果要優(yōu)于普通克里格［9］。上述研究結(jié)果都表明：由于受母質(zhì)、氣候、水文、地形、生物以及不同土地利用方式等因素的影響，耕層土壤養(yǎng)分在不同地區(qū)和時(shí)段內(nèi)，具有明顯的區(qū)域特性和空間變異規(guī)律，不合理的施肥、耕作以及土地利用方式是土壤養(yǎng)分產(chǎn)生分異的重要原因［10－12］。鑒于此，以庫車縣為研究對(duì)象，應(yīng)用GIS技術(shù)與地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)庫車縣耕層土壤養(yǎng)分元素的空間變異特征及影響因素進(jìn)行深入研究，旨在為干旱綠洲土地資源的合理開發(fā)利用、農(nóng)田土壤施肥方案的科學(xué)制定，以及提高土壤養(yǎng)分資源利用率提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

庫車縣位于新疆維吾爾自治區(qū)天山南麓、塔里木盆地北緣。屬阿克蘇地區(qū)行政管轄，西與該地區(qū)新和縣、沙雅縣相鄰，東與巴音郭楞蒙古自治州輪臺(tái)縣、和靜縣、尉犁縣接壤。地勢(shì)北高南低，自西北向東南傾斜。地形可分為北部天山山地、中部礫石戈壁和南部沖積平原。全縣土地總面積為153.78萬hm2，其中耕地面積達(dá)5.27萬hm2，農(nóng)作物以棉花、玉米和小麥等類型為主。屬溫帶大陸性氣候，冬季干冷，夏季酷熱，晝夜溫差大，平均氣溫為7.1℃，其中山區(qū)平均氣溫3.4℃，平原區(qū)平均氣溫10.5℃。極端最高氣溫41.5℃，極端最低氣溫－46.6℃。平均年降水達(dá)135.2 mm，降水總態(tài)勢(shì)為：北多南少，西多東少，夏季多冬季少。庫車縣境內(nèi)實(shí)有大小河流十余條，其中能產(chǎn)生常年徑流的河流主要有4條：渭干河、庫車河、二八臺(tái)河和塔里木河，全縣地表河川徑流量為14.819億m3。

2 材料與方法

2.1 調(diào)查和取樣

根據(jù)庫車縣耕地分布情況，以采樣點(diǎn)分布圖為向?qū)?，結(jié)合實(shí)地情況，于2010年10—11月在庫車縣13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)場(chǎng)選取1 592個(gè)具有代表性的采樣點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查取樣。采用GPS定位取土，保證每個(gè)土壤樣品具體到村、組、戶、地塊。并在每個(gè)采樣點(diǎn)將實(shí)地15～20個(gè)點(diǎn)混合成一個(gè)土樣，取樣深度為0—20cm，最終取得土樣數(shù)據(jù)1 592份。在取樣同時(shí)填寫取樣調(diào)查表，調(diào)查采用實(shí)地測(cè)量、室內(nèi)資料整理和農(nóng)戶走訪調(diào)查等多種形式［13］。

2.2 室內(nèi)分析

對(duì)所取的土樣進(jìn)行系統(tǒng)整理與試驗(yàn)分析，主要測(cè)試項(xiàng)目有：土壤有機(jī)質(zhì)、土壤常量元素（全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀）。各項(xiàng)目的測(cè)試方法見表1［14］。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)庫車縣耕層土壤養(yǎng)分元素進(jìn)行特異值剔除，最終獲得土壤樣本1 527個(gè)。通過描述性統(tǒng)計(jì)分析可得到平均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、偏度系數(shù)、峰度系數(shù)等統(tǒng)計(jì)特征值，并進(jìn)一步通過相關(guān)分析了解各養(yǎng)分元素間的相關(guān)關(guān)系。在分析土壤空間結(jié)構(gòu)前，先對(duì)各土壤養(yǎng)分元素進(jìn)行正態(tài)分布型檢驗(yàn)，通過直方圖和單樣本K－S檢驗(yàn)法檢驗(yàn)養(yǎng)分元素是否符合正態(tài)分布，對(duì)不符合的元素進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化使其符合正態(tài)分布。然后利用GS＋9.0地統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行半方差函數(shù)的分析與計(jì)算，并擬合半方差函數(shù)的理論模型。最后，利用ArcGIS 9.3軟件的空間分析功能對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行空間插值分析，并得到土壤養(yǎng)分空間分布圖。

表1 土壤樣品測(cè)試項(xiàng)目及方法

3 結(jié)果與分析

3.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析

由表2可知，從養(yǎng)分含量的變化范圍來看，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀的變化范圍分別是6.10～21.70g／kg，0.25～1.10g／kg，23.60～85.00 mg／kg，2.10～75.20mg／kg，15.00～358.00mg／kg，由此可以看出，速效鉀變化范圍最大，這是由于庫車盆地的鉀鹽沉積作用以及農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中，使用鉀肥后灌水不均所致［15］。研究區(qū)耕層養(yǎng)分總體呈現(xiàn)出有機(jī)質(zhì)含量不豐，氮素明顯缺乏，磷素和鉀素不缺的特點(diǎn)。變異系數(shù)（CV）的大小能夠說明土壤特性空間變異性的大小，按變異系數(shù)的劃分等級(jí)為：弱變異性：CV＜10%；中等變異性：10%≤CV≤100%；強(qiáng)變異性：CV＞100%［16］。從表2可以看出庫車縣耕層土壤養(yǎng)分的變異情況各不相同，但都屬于中等變異程度，其中土壤有效磷的變異系數(shù)最高，達(dá)到65.34%，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀的變異系數(shù)在19.11%～34.14%之間發(fā)生變動(dòng)，表現(xiàn)為這4種養(yǎng)分元素在耕層土壤中含量相對(duì)較為穩(wěn)定，具有相近的空間變異性。偏度系數(shù)是表示數(shù)據(jù)分布偏斜方向和程度的度量，峰度系數(shù)是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分布陡峭程度的度量，偏度系數(shù)和峰度系數(shù)等于或接近0，表明數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。在變異函數(shù)的計(jì)算中，原始數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，會(huì)使變異函數(shù)出現(xiàn)比例效應(yīng)，因此必須對(duì)不符合正態(tài)分布的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，對(duì)其再進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)［16］。經(jīng)直方圖和單樣本K－S檢驗(yàn)，有機(jī)質(zhì)、全氮呈正態(tài)分布，堿解氮、有效磷和速效鉀經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后呈正態(tài)分布（K－S檢驗(yàn)P值均大于0.05）。

表2 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)

表3為庫車縣耕層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀的皮爾遜相關(guān)系數(shù)表。由表中數(shù)據(jù)可知，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀兩兩元素之間均呈現(xiàn)出極其顯著的正相關(guān)性（P＜0.01）。其中，有機(jī)質(zhì)與全氮、有機(jī)質(zhì)與堿解氮以及全氮和堿解氮的相關(guān)系數(shù)分別為0.933，0.650和0.683，說明這些養(yǎng)分元素之間具有高度的正相關(guān)關(guān)系，表明土壤有機(jī)質(zhì)的含量水平將會(huì)直接影響土壤中氮肥含量的多少。

表3 土壤養(yǎng)分相關(guān)系數(shù)

3.2 半方差函數(shù)分析

土壤特性空間結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵是擬合出精度較高的半方差函數(shù)模型。半方差函數(shù)理論模型選取的原則是：首先根據(jù)公式計(jì)算出半方差函數(shù)值r（h）和h的散點(diǎn)圖，然后分別用不同類型的模型來進(jìn)行擬合，得到模型的參數(shù)值及離差平方和，首先考慮離差平方和較小的模型類型，其次，考慮塊金值和獨(dú)立間距。

從圖1可以看出，在所測(cè)定的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀5種土壤養(yǎng)分含量中，各位點(diǎn)的半方差函數(shù)呈現(xiàn)出大致相同的變化趨勢(shì)：半方差函數(shù)值隨著距離的增加而增加，在達(dá)到某一距離后，趨向于某一平穩(wěn)值，且半方差值不再發(fā)生變化。其中，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷的空間變異范圍較小，而堿解氮和速效鉀的空間變異范圍則相對(duì)較大。

表4是根據(jù)各養(yǎng)分元素的最優(yōu)理論模型得出的相應(yīng)參數(shù)，由決定系數(shù)（R2）和殘差（RSS）可以看出有機(jī)質(zhì)和全氮能很好地?cái)M合球狀理論模型（R2分別為0.897和0.902），而堿解氮、有效磷和速效鉀的理論模型符合指數(shù)模型，其決定系數(shù)（R2）分別為0.984，0.799和0.931，選擇以上最優(yōu)的理論模型可為后續(xù)的空間插值奠定良好的基礎(chǔ)。

圖1 土壤養(yǎng)分半方差

表4 半方差函數(shù)理論模型參數(shù)表

根據(jù)地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，塊金值通常是由試驗(yàn)誤差和小于試驗(yàn)取樣尺度引起的，較大的塊金值表明較小尺度上的某種隨機(jī)過程不容忽視［17］，除了有機(jī)質(zhì)的塊金值較大，為2.140 0，其他4種土壤養(yǎng)分的塊金值均小于1，說明在本研究尺度上，由試驗(yàn)誤差和小于試驗(yàn)取樣尺度引起的土壤常量元素含量的空間變異較小。基臺(tái)值通常表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異，包括結(jié)構(gòu)性變異和隨機(jī)性變異，基臺(tái)值越大表示系統(tǒng)總的空間變異性越強(qiáng)［18］。在5種土壤養(yǎng)分元素中，有機(jī)質(zhì)的基臺(tái)值C0＋C最大為5.368 0，全氮的基臺(tái)值最小，為0.013 7，說明有機(jī)質(zhì)的空間變異性最強(qiáng)，全氮的空間變異性最弱。塊基比（塊金值／基臺(tái)值）代表隨機(jī)因素引起的空間變異占總的空間變異的比例，同時(shí)表明區(qū)域化變量空間自相關(guān)性［9］。如果塊基比＜25%，變量具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性；塊基比在25%～75%之間，變量具有中等程度的空間自相關(guān)性；塊基比＞75%，變量的空間自相關(guān)性則很弱。由表4結(jié)果顯示：各養(yǎng)分元素的塊基比均大于25%且小于75%，說明這5種土壤元素均為中等程度的空間自相關(guān)性，表明其空間變異是由隨機(jī)因素（如施肥、耕作方式、種植制度等）和結(jié)構(gòu)因素（如母質(zhì)、地形、土壤類型等）共同作用的結(jié)果。變程表示隨機(jī)變量在空間上的自相關(guān)性尺度，也稱為空間最大相關(guān)距離，反映了變量空間自相關(guān)范圍的大?。?9］。研究區(qū)內(nèi)速效鉀的變程最大，為1.164km，說明速效鉀的空間自相關(guān)范圍較大；有機(jī)質(zhì)和全氮的變程最小，均為0.090km，說明這兩種元素在較小尺度下具有最顯著的空間變異性，空間分布特征也最為復(fù)雜。

3.3 空間插值分析

克里格（Kriging）插值法是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的主要內(nèi)容之一，也被稱為空間局部插值或者空間局部估計(jì)，根據(jù)待測(cè)點(diǎn)周邊范圍內(nèi)已測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，在考慮己測(cè)點(diǎn)與待測(cè)點(diǎn)之間樣點(diǎn)的形狀、大小、空間相互位置關(guān)系及結(jié)構(gòu)信息后，對(duì)待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行的線性無偏最優(yōu)估計(jì)。在半方差函數(shù)理論模型的基礎(chǔ)上，采用普通克里格法繪制土壤養(yǎng)分元素的空間分布圖。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀的正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布保證了克里格空間插值的有效性。從圖2中可以看出有機(jī)質(zhì)的含量總體呈片狀、斑塊狀分布，其含量在東南方向明顯高于西北方向，在研究區(qū)中部具有最高含量（21.6g／kg）的分布，并由中東部向西北方向呈規(guī)律性降低，最低含量為6.10g／kg。通過進(jìn)一步分析認(rèn)為，研究區(qū)耕層土壤有機(jī)質(zhì)空間分布特征與該區(qū)域土壤的質(zhì)地、氣候條件以及耕作方式有關(guān)。全氮的空間變化規(guī)律與有機(jī)質(zhì)的變化類似，即呈現(xiàn)出由研究區(qū)中東部向西北部遞減的規(guī)律，在西北方向呈片狀分布，這也進(jìn)一步表明有機(jī)質(zhì)與全氮之間具有極其顯著的相關(guān)關(guān)系，全氮會(huì)隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加。堿解氮在空間上也呈片狀和斑塊狀分布，且在東南方向的含量高于西北方向。有效磷在空間分布上總體呈斑塊狀分布，并由中心向四周遞減。速效鉀在空間上則呈片狀、條狀和斑塊狀分布，且由研究區(qū)中東部向西北方向遞減。由于作物耕種過程中人為肥料施放不一，導(dǎo)致作物吸收土壤養(yǎng)分的能力有所不同，故造成研究區(qū)耕層土壤養(yǎng)分含量由內(nèi)部向外圍呈現(xiàn)遞減的變化規(guī)律。

圖2 土壤養(yǎng)分空間分布

4 結(jié) 論

（1）經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：研究區(qū)有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀在空間結(jié)構(gòu)上均屬中等變異程度，其中，有效磷的變異系數(shù)高達(dá)65.34%，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀的變異系數(shù)則在19.11%～34.14%之間變化。

（2）經(jīng)半方差函數(shù)分析，結(jié)果表明各養(yǎng)分元素均能很好地?cái)M合理論模型（決定系數(shù)R2均大于0.7）。耕層各養(yǎng)分元素的塊基比在25%～75%之間發(fā)生變動(dòng)，說明這5種養(yǎng)分元素均為中等空間自相關(guān)性，表明其空間變異是隨機(jī)因素與結(jié)構(gòu)因素共同作用的結(jié)果。

（3）通過克里格空間插值分析，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀的含量在空間上總體呈片狀和斑塊狀分布，并由東南向西北方向呈現(xiàn)遞減規(guī)律；有效磷含量在空間上呈斑塊狀分布，其西南方向高于東北方向。

由于庫車縣耕地主要分布于沖積平原低平地，地勢(shì)相對(duì)平坦，成土母質(zhì)為河流沖洪積物，土壤類型有灌淤土、潮土、灌耕棕漠土、灌耕風(fēng)沙土和灌耕草甸土5種主要類型，土壤質(zhì)地以壤土、砂壤、砂土、黏土和黏壤為主。因此，通過分析認(rèn)為影響該縣土壤養(yǎng)分元素空間變異的結(jié)構(gòu)因素主要是土壤類型和土壤質(zhì)地。根據(jù)實(shí)地調(diào)查得知，在庫車縣農(nóng)作物生長(zhǎng)期間，不同田塊的施肥量、肥料種類以及施肥方法有所差異，而灌溉水量和灌溉次數(shù)無明顯區(qū)別，故認(rèn)為影響該縣土壤養(yǎng)分元素空間變異的隨機(jī)因素主要為施肥管理方式不同。綜上分析認(rèn)為，庫車縣耕層土壤養(yǎng)分空間變異主要受土壤類型、土壤質(zhì)地以及施肥影響，這一結(jié)論與龐夙等［20］研究結(jié)果一致。因此，庫車縣應(yīng)調(diào)整施肥結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)測(cè)土配方平衡施肥，從而確定氮磷鉀合理比例以改善土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性。

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