基于環(huán)境因子的土壤養(yǎng)分預測制圖

王丹　宋軒　陳杰

摘要：土壤養(yǎng)分空間變異由氣候、母質(zhì)、地形、植被等結(jié)構(gòu)性因素和施肥、耕作措施等隨機因素共同作用。以河南省封丘縣為研究對象，選擇高程、坡度、平面曲率、剖面曲率、地形濕度指數(shù)、歸一化植被指數(shù)（NDVI）等環(huán)境因子為輔助變量模擬土壤結(jié)構(gòu)性分量，并分別采用普通克里格插值法和反距離權(quán)重法處理空間相關(guān)的隨機分量，提出了結(jié)合環(huán)境因子的空間插值方法，并對土壤有機質(zhì)和全氮進行預測制圖。交叉驗證結(jié)果表明，結(jié)合環(huán)境因子的空間插值方法能夠提高土壤養(yǎng)分空間分布的預測精度，是一種有效的土壤養(yǎng)分預測制圖方法。

關(guān)鍵詞：土壤養(yǎng)分；環(huán)境因子；克里格插值法；反距離權(quán)重法；河南封丘

中圖分類號： S158.9 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）04-0277-04

收稿日期：2013-08-29

基金項目：國家自然科學基金（編號：40971128）；鄭州大學研究生創(chuàng)新基金。

作者簡介：王丹（1989—），女，河南許昌人，碩士研究生，從事土地資源遙感與信息技術(shù)研究。E-mail：wdzzu2012 @126.com。

通信作者：宋軒。E-mail：songxuan@zzu.edu.cn。土壤并非勻質(zhì)體，其空間變異由氣候、母質(zhì)、地形、植被、土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素和施肥、耕作措施、種植制度等隨機因素共同作用[1]。土壤養(yǎng)分的空間變異對環(huán)境預測、精準農(nóng)業(yè)和自然資源管理具有重要意義，已成為土壤科學研究的熱點之一。由于受多方面因素限制，采樣點數(shù)量是有限的，為了解整個研究區(qū)土壤養(yǎng)分的空間分布狀況，就需要采用空間插值技術(shù)。20世紀80年代初，Mathern的區(qū)域化變量理論和地統(tǒng)計方法被引入到土壤特性的研究中[2]，土壤養(yǎng)分空間分布預測逐漸由定性轉(zhuǎn)為定量。此后地統(tǒng)計方法廣泛應用于土壤制圖領(lǐng)域，被證明是分析土壤要素空間分布特征最為有效的方法之一[3]。20世紀90年代以來，隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感技術(shù)（RS）的發(fā)展，使用環(huán)境變量輔助預測土壤養(yǎng)分的方法開始受到土壤調(diào)查人員的青睞。研究表明，定量化的環(huán)境因子與土壤屬性之間存在顯著相關(guān)性，可以輔助預測土壤屬性[4]。這種基于環(huán)境因子進行土壤預測性制圖的方法，如空間回歸模型，彌補了較少考慮影響土壤養(yǎng)分空間分布結(jié)構(gòu)性因素的地統(tǒng)計學方法的不足。然而，在環(huán)境變化較為均一的地區(qū)，環(huán)境因子與土壤屬性的相關(guān)性較低，僅利用環(huán)境因子進行預測制圖難以得到理想的效果。劉靜等結(jié)合海拔高度改進空間插值方法，該方法對土壤有機質(zhì)預測效果明顯優(yōu)于反距離權(quán)重法和普通克里格方法[5]。Sumfleth等認為，將環(huán)境因子與插值方法相結(jié)合是土壤制圖的有效方法[6]。因此，將環(huán)境因子與插值方法相結(jié)合是土壤養(yǎng)分精確制圖的關(guān)鍵。本研究以河南省封丘縣為對象，以高程、坡度、平面曲率、剖面曲率、地形濕度指數(shù)、歸一化植被指數(shù)等環(huán)境因子為輔助變量模擬土壤結(jié)構(gòu)化分量，分別采用普通克里格插值法和反距離權(quán)重法處理空間相關(guān)的隨機分量，對研究區(qū)有機質(zhì)和全氮含量進行了數(shù)字化制圖研究，以期為精準農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境建設提供精確的數(shù)字土壤地圖。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

封丘縣位于河南省東北部，界于144°14′～114°46′E、34°53′～35°14′N，總面積1 225 km2；地處黃河故道，地貌復雜，沙崗、平原、洼地兼有；黃河大堤以南地勢較高，其余地勢低洼，整體由西南向東北傾斜，屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫13.9 ℃，年均降水量615.1 mm，無霜期214 d。主要土壤類型是新成土和雛形土，占全縣土壤總面積的98%以上。

1.2研究方法

1.2.1土壤樣品采集與分析利用SPOT遙感圖像，兼顧代表性和均勻性，共布設355個土壤樣點，樣點分布如圖1所示。取0～20 cm的表層土壤，采用四分法取樣，并通過GPS獲取采樣點坐標。所有土壤樣品經(jīng)自然風干后，采用重鉻酸鉀容量法測定有機質(zhì)含量，采用半微量凱氏定氮法測定全氮含量。

1.2.2環(huán)境因子的提取與處理研究選擇的環(huán)境因子包括地形因子和植被因子，其中，地形因子包括高程（H）、坡度（β）、平面曲率（Ch）、剖面曲率（Cv）和地形濕度指數(shù)（Φ，也稱復合地形指數(shù)）[6]，是在ArcGIS9.3支持下，利用研究30 m分辨率的數(shù)字高程模型計算得到；植被因子選取反映農(nóng)作物長勢和營養(yǎng)狀況的歸一化植被指數(shù)（NDVI）[3]，該指數(shù)采用同期Landsat ETM+遙感數(shù)據(jù)計算得到。不同環(huán)境因子的量綱是不同的，需要進行標準化處理[7]。采用主成分分析可以消除環(huán)境因子間的多重共線性，用主成分替代原始環(huán)境因子可以提高土壤養(yǎng)分建模的預測精度[8]。

2.2土壤養(yǎng)分與環(huán)境因子的關(guān)系

利用ArcGIS所提取的環(huán)境因子與所測土壤有機質(zhì)、全氮進行相關(guān)性分析。由表2可見，土壤有機質(zhì)和全氮含量與高程相關(guān)系數(shù)分別為-0.213和-0.294，均呈極顯著負相關(guān)關(guān)系。一般而言，隨著海拔的升高，風力加大，太陽輻射增強，水熱條件加快了有機質(zhì)的分解速度，并且在重力和侵蝕作用下，海拔高處土壤中的物質(zhì)和能量被運移到海拔較低處，海拔高處的有機質(zhì)和全氮含量比海拔低處低。有機質(zhì)和全氮含量與植被指數(shù)相關(guān)系數(shù)分別為0.315和0.271，均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，表明土壤有機質(zhì)和全氮對植物生長影響較大。通常情況下，良好的植被覆蓋可以有效減少侵蝕作用，利于土壤保水、保肥，植被長勢良好，覆蓋度大，凋落物及田間殘留物相對較多，腐殖化作用顯著，表層土壤有機質(zhì)含量較高，而有機質(zhì)對土壤水、氣、熱等各種肥力因素起重要調(diào)節(jié)作用，影響?zhàn)B分的保持和供給，使氮素等其他養(yǎng)分含量增高[3]。除此之外，全氮與坡度呈顯著負相關(guān)關(guān)系（r=-0.118），表明坡度越陡，全氮含量越低，這是由于坡度越陡，土壤養(yǎng)分越容易流失造成的。全氮與地形濕度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系（r=0.110），地形濕度指數(shù)在一定程度上與土壤含水量和沉積物運移相關(guān)，土壤水分含量較高的地區(qū)全氮含量較大。有機質(zhì)與地形濕度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，但不顯著。地形濕度指數(shù)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性較低，遠沒有達到預期效果，這與連綱等的研究結(jié)論[4，13]相似。endprint

2.3土壤有機質(zhì)和全氮的空間分布

本研究首先采用傳統(tǒng)反距離權(quán)重法（IDW）和普通克里格方法（OK），然后采用結(jié)合環(huán)境因子的反距離權(quán)重法和普通克里格插值法對土壤有機質(zhì)和全氮進行空間預測制圖，結(jié)果如圖2、圖3所示?？傮w上看，4種插值方法得到的土壤養(yǎng)分空間格局分布結(jié)果相似：有機質(zhì)空間分布呈現(xiàn)北部偏高、南部偏低的趨勢，全氮空間分布呈現(xiàn)東北部偏高、東南部偏低的趨勢；有機質(zhì)、全氮空間分布的整體趨勢與研究區(qū)南高北低的地勢相反，較高值出現(xiàn)于地勢相對低洼的地區(qū)。

通過對比原方法（IDW、OK）與改進方法（改進IDW、改進OK）得到的養(yǎng)分空間分布圖發(fā)現(xiàn)，改進后的方法表現(xiàn)出更加明顯的梯度變化，能更準確地反映出土壤養(yǎng)分隨環(huán)境的變化趨勢和由于環(huán)境變化所帶來的局部差異。

通過結(jié)合環(huán)境因子的插值方法得到的4副預測圖（圖2、圖3）可以看出，研究區(qū)離散分布著許多小塊狀的低值區(qū)，以及中部明顯的塊狀低值區(qū)和南部出現(xiàn)的條帶狀低值區(qū)。這是由于歸一化植被指數(shù)反映植被覆蓋狀況，能有效地識別植被覆蓋地區(qū)和非植被覆蓋地區(qū)，這些低值區(qū)與非植被覆蓋地區(qū)相吻合，離散的小塊狀以及中部明顯的塊狀低值區(qū)均為建設用地，南部條帶狀低值區(qū)則為黃河灘地。因此，應用結(jié)合環(huán)境因子的插值方法生成的土壤養(yǎng)分圖，在一定程度上也反映了土地利用情況，2種改進方法相比，克里格插值法有效地消除了反距離權(quán)重法的“牛眼”現(xiàn)象，在目視效果上優(yōu)于改進的反距離權(quán)重法。

2.4不同插值方法精度比較

3小結(jié)與討論

封丘縣土壤有機質(zhì)呈現(xiàn)北部偏高、南部偏低的空間分布趨勢，全氮呈現(xiàn)東北部偏高、東南部偏低的空間分布趨勢。研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分變異較低，屬弱變異性。環(huán)境因子對土壤養(yǎng)分空間分布具有一定影響，但這種影響在不同環(huán)境因子間表現(xiàn)出差異性。高程和歸一化植被指數(shù)是影響土壤養(yǎng)分分布的主要因素，其對土壤有機質(zhì)、全氮具有極顯著影響。坡度和地形濕度指數(shù)顯著影響全氮的空間分布，平面曲率和剖面曲率對土壤養(yǎng)分沒有顯著影響。與傳統(tǒng)普通克里格插值法和反距離權(quán)重法相比，結(jié)合環(huán)境因子的插值方法考慮了影響土壤養(yǎng)分空間分布的環(huán)境因素，可以有效地提高土壤養(yǎng)分空間分布預測精度。從制圖目視效果和預測精度來看，結(jié)合環(huán)境因子的普通克里格插值法整體最優(yōu)。

影響土壤養(yǎng)分空間分布的因素復雜，除了考慮環(huán)境因素外，還可以考慮如人為因素、土地利用狀況等其他影響因素，這樣可以更加精確地了解研究區(qū)的土壤養(yǎng)分空間分布狀況。

參考文獻：

[1]賈樹海，張琦，孟維軍，等. 基于GIS與地統(tǒng)計學土壤養(yǎng)分空間變異特性研究[J]. 水土保持通報，2009，29（3）：197-202.

[2]王坷，許紅衛(wèi)，史舟，等. 土壤鉀素空間變異性和空間插值方法的比較研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報，2000，6（3）：318-322，344.

[3]張素梅，王宗明，張柏，等. 利用地形和遙感數(shù)據(jù)預測土壤養(yǎng)分空間分布[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26（5）：188-194.

[4]連綱，郭旭東，傅伯杰，等. 基于環(huán)境相關(guān)法和地統(tǒng)計學的土壤屬性空間分布預測[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25（7）：237-242.

[5]劉靜，蔡國學，劉洪斌. 西南丘陵地區(qū)土壤有機質(zhì)含量的空間插值法研究[J]. 西南大學學報：自然科學版，2008，30（3）：107-112.

[6]Sumfleth K，Duttmann R. Prediction of soil property distribution in paddy soil landscapes using terrain data and satellite information as indicators[J]. Ecological Indicators，2008，8（5）：485-501.

[7]AnselinL，Syabri I，Kho Y. GeoDa：an introduction to spatial data analysis[J]. Geographical Analysis，2006，38（1）：5-22.

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[10]李新，程國棟，盧玲.青藏高原氣溫分布的空間插值方法比較[J]. 高原氣象，2003，22（6）：565-573.

[11]連綱，郭旭東，傅伯杰，等. 黃土高原小流域土壤容重及水分空間變異特征[J]. 生態(tài)學報，2006，26（3）：647-654.

[12]徐麗華，謝德體，李兵. 距離倒數(shù)和克里克方法在土壤養(yǎng)分制圖中的比較研究[J]. 農(nóng)機化研究，2011，33（11）：56-61，70.

[13]宋軒，李立東，寇長林，等. 黃水河小流域土壤養(yǎng)分分布及其與地形的關(guān)系[J]. 應用生態(tài)學報，2011，22（12）：3163-3168.

[14]孫孝林，趙玉國，趙量，等. 應用土壤-景觀定量模型預測土壤屬性空間分布及制圖[J]. 土壤，2008，40（5）：837-842.endprint

2.3土壤有機質(zhì)和全氮的空間分布

本研究首先采用傳統(tǒng)反距離權(quán)重法（IDW）和普通克里格方法（OK），然后采用結(jié)合環(huán)境因子的反距離權(quán)重法和普通克里格插值法對土壤有機質(zhì)和全氮進行空間預測制圖，結(jié)果如圖2、圖3所示?？傮w上看，4種插值方法得到的土壤養(yǎng)分空間格局分布結(jié)果相似：有機質(zhì)空間分布呈現(xiàn)北部偏高、南部偏低的趨勢，全氮空間分布呈現(xiàn)東北部偏高、東南部偏低的趨勢；有機質(zhì)、全氮空間分布的整體趨勢與研究區(qū)南高北低的地勢相反，較高值出現(xiàn)于地勢相對低洼的地區(qū)。

通過對比原方法（IDW、OK）與改進方法（改進IDW、改進OK）得到的養(yǎng)分空間分布圖發(fā)現(xiàn)，改進后的方法表現(xiàn)出更加明顯的梯度變化，能更準確地反映出土壤養(yǎng)分隨環(huán)境的變化趨勢和由于環(huán)境變化所帶來的局部差異。

通過結(jié)合環(huán)境因子的插值方法得到的4副預測圖（圖2、圖3）可以看出，研究區(qū)離散分布著許多小塊狀的低值區(qū)，以及中部明顯的塊狀低值區(qū)和南部出現(xiàn)的條帶狀低值區(qū)。這是由于歸一化植被指數(shù)反映植被覆蓋狀況，能有效地識別植被覆蓋地區(qū)和非植被覆蓋地區(qū)，這些低值區(qū)與非植被覆蓋地區(qū)相吻合，離散的小塊狀以及中部明顯的塊狀低值區(qū)均為建設用地，南部條帶狀低值區(qū)則為黃河灘地。因此，應用結(jié)合環(huán)境因子的插值方法生成的土壤養(yǎng)分圖，在一定程度上也反映了土地利用情況，2種改進方法相比，克里格插值法有效地消除了反距離權(quán)重法的“牛眼”現(xiàn)象，在目視效果上優(yōu)于改進的反距離權(quán)重法。

2.4不同插值方法精度比較

3小結(jié)與討論

封丘縣土壤有機質(zhì)呈現(xiàn)北部偏高、南部偏低的空間分布趨勢，全氮呈現(xiàn)東北部偏高、東南部偏低的空間分布趨勢。研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分變異較低，屬弱變異性。環(huán)境因子對土壤養(yǎng)分空間分布具有一定影響，但這種影響在不同環(huán)境因子間表現(xiàn)出差異性。高程和歸一化植被指數(shù)是影響土壤養(yǎng)分分布的主要因素，其對土壤有機質(zhì)、全氮具有極顯著影響。坡度和地形濕度指數(shù)顯著影響全氮的空間分布，平面曲率和剖面曲率對土壤養(yǎng)分沒有顯著影響。與傳統(tǒng)普通克里格插值法和反距離權(quán)重法相比，結(jié)合環(huán)境因子的插值方法考慮了影響土壤養(yǎng)分空間分布的環(huán)境因素，可以有效地提高土壤養(yǎng)分空間分布預測精度。從制圖目視效果和預測精度來看，結(jié)合環(huán)境因子的普通克里格插值法整體最優(yōu)。

影響土壤養(yǎng)分空間分布的因素復雜，除了考慮環(huán)境因素外，還可以考慮如人為因素、土地利用狀況等其他影響因素，這樣可以更加精確地了解研究區(qū)的土壤養(yǎng)分空間分布狀況。

參考文獻：

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[4]連綱，郭旭東，傅伯杰，等. 基于環(huán)境相關(guān)法和地統(tǒng)計學的土壤屬性空間分布預測[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25（7）：237-242.

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[12]徐麗華，謝德體，李兵. 距離倒數(shù)和克里克方法在土壤養(yǎng)分制圖中的比較研究[J]. 農(nóng)機化研究，2011，33（11）：56-61，70.

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[14]孫孝林，趙玉國，趙量，等. 應用土壤-景觀定量模型預測土壤屬性空間分布及制圖[J]. 土壤，2008，40（5）：837-842.endprint

2.3土壤有機質(zhì)和全氮的空間分布

本研究首先采用傳統(tǒng)反距離權(quán)重法（IDW）和普通克里格方法（OK），然后采用結(jié)合環(huán)境因子的反距離權(quán)重法和普通克里格插值法對土壤有機質(zhì)和全氮進行空間預測制圖，結(jié)果如圖2、圖3所示?？傮w上看，4種插值方法得到的土壤養(yǎng)分空間格局分布結(jié)果相似：有機質(zhì)空間分布呈現(xiàn)北部偏高、南部偏低的趨勢，全氮空間分布呈現(xiàn)東北部偏高、東南部偏低的趨勢；有機質(zhì)、全氮空間分布的整體趨勢與研究區(qū)南高北低的地勢相反，較高值出現(xiàn)于地勢相對低洼的地區(qū)。

通過對比原方法（IDW、OK）與改進方法（改進IDW、改進OK）得到的養(yǎng)分空間分布圖發(fā)現(xiàn)，改進后的方法表現(xiàn)出更加明顯的梯度變化，能更準確地反映出土壤養(yǎng)分隨環(huán)境的變化趨勢和由于環(huán)境變化所帶來的局部差異。

通過結(jié)合環(huán)境因子的插值方法得到的4副預測圖（圖2、圖3）可以看出，研究區(qū)離散分布著許多小塊狀的低值區(qū)，以及中部明顯的塊狀低值區(qū)和南部出現(xiàn)的條帶狀低值區(qū)。這是由于歸一化植被指數(shù)反映植被覆蓋狀況，能有效地識別植被覆蓋地區(qū)和非植被覆蓋地區(qū)，這些低值區(qū)與非植被覆蓋地區(qū)相吻合，離散的小塊狀以及中部明顯的塊狀低值區(qū)均為建設用地，南部條帶狀低值區(qū)則為黃河灘地。因此，應用結(jié)合環(huán)境因子的插值方法生成的土壤養(yǎng)分圖，在一定程度上也反映了土地利用情況，2種改進方法相比，克里格插值法有效地消除了反距離權(quán)重法的“牛眼”現(xiàn)象，在目視效果上優(yōu)于改進的反距離權(quán)重法。

2.4不同插值方法精度比較

3小結(jié)與討論

封丘縣土壤有機質(zhì)呈現(xiàn)北部偏高、南部偏低的空間分布趨勢，全氮呈現(xiàn)東北部偏高、東南部偏低的空間分布趨勢。研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分變異較低，屬弱變異性。環(huán)境因子對土壤養(yǎng)分空間分布具有一定影響，但這種影響在不同環(huán)境因子間表現(xiàn)出差異性。高程和歸一化植被指數(shù)是影響土壤養(yǎng)分分布的主要因素，其對土壤有機質(zhì)、全氮具有極顯著影響。坡度和地形濕度指數(shù)顯著影響全氮的空間分布，平面曲率和剖面曲率對土壤養(yǎng)分沒有顯著影響。與傳統(tǒng)普通克里格插值法和反距離權(quán)重法相比，結(jié)合環(huán)境因子的插值方法考慮了影響土壤養(yǎng)分空間分布的環(huán)境因素，可以有效地提高土壤養(yǎng)分空間分布預測精度。從制圖目視效果和預測精度來看，結(jié)合環(huán)境因子的普通克里格插值法整體最優(yōu)。

影響土壤養(yǎng)分空間分布的因素復雜，除了考慮環(huán)境因素外，還可以考慮如人為因素、土地利用狀況等其他影響因素，這樣可以更加精確地了解研究區(qū)的土壤養(yǎng)分空間分布狀況。

參考文獻：

[1]賈樹海，張琦，孟維軍，等. 基于GIS與地統(tǒng)計學土壤養(yǎng)分空間變異特性研究[J]. 水土保持通報，2009，29（3）：197-202.

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