基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的高原縣域耕地土壤養(yǎng)分最優(yōu)插值方法研究

唐希賢，張英明

(1.臨夏縣農(nóng)村合作經(jīng)濟(jì)經(jīng)營(yíng)管理站，甘肅 臨夏 731800；2.臨夏縣韓集鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，甘肅 臨夏 731800)

基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的高原縣域耕地土壤養(yǎng)分最優(yōu)插值方法研究

唐希賢1，張英明2

(1.臨夏縣農(nóng)村合作經(jīng)濟(jì)經(jīng)營(yíng)管理站，甘肅 臨夏 731800；2.臨夏縣韓集鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，甘肅 臨夏 731800)

地統(tǒng)計(jì)學(xué)；耕地；土壤養(yǎng)分；空間插值方法；甘肅

選擇適宜區(qū)域土壤屬性特征的空間插值方法是高效揭示土壤養(yǎng)分空間分異的基礎(chǔ)。以地處青藏高原與黃土高原過(guò)渡區(qū)的甘肅省臨夏縣為案例區(qū)，利用該縣2007年農(nóng)業(yè)部測(cè)土施肥采集的5 475個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，以及地統(tǒng)計(jì)學(xué)的交叉驗(yàn)證和樣點(diǎn)驗(yàn)證兩種評(píng)價(jià)方法，篩選出適合研究區(qū)耕地土壤養(yǎng)分(有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀)分布預(yù)測(cè)的高效插值方法。從交叉驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，有機(jī)質(zhì)和堿解氮采用析取克里格插值精度較高，而有效磷和速效鉀分別采用普通克里格和簡(jiǎn)單克里格插值精度較高。從樣點(diǎn)驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，有機(jī)質(zhì)和速效鉀分別以析取克里格和簡(jiǎn)單克里格插值精度較高，這也與交叉驗(yàn)證相吻合；而堿解氮和有效磷分別采用簡(jiǎn)單克里格和泛克里格插值精度較高，與交叉驗(yàn)證結(jié)果并不一致。由于交叉驗(yàn)證是具有一定“欺騙性”的自我驗(yàn)證，本研究認(rèn)為基于樣點(diǎn)驗(yàn)證的精度評(píng)價(jià)方法更可靠，因此臨夏縣耕地堿解氮和有效磷適宜的插值方法分別為簡(jiǎn)單克里格和泛克里格。

土壤養(yǎng)分是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的，準(zhǔn)確獲取它的空間分布規(guī)律是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變量施肥的前提條件，而采樣與分析是目前掌握土壤養(yǎng)分狀況的最主要途徑[1-3]。然而，無(wú)論采樣密度多大，均不可能覆蓋所有區(qū)域，因此如何利用有限的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)獲得更為詳盡的土壤屬性空間分布信息一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)?？臻g插值模型可以將離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為連貫的數(shù)據(jù)曲面，從而對(duì)未知樣點(diǎn)的養(yǎng)分狀況進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，是表征土壤養(yǎng)分空間分布特征的重要手段[4]。但不同模型的插值原理和計(jì)算方法有所差異，其預(yù)測(cè)結(jié)果反映的土壤養(yǎng)分空間變異性可能不一樣[5-6]。因此，選擇適宜不同土壤屬性特征的插值方法對(duì)揭示其空間分布規(guī)律具有重要意義。

近年來(lái)，隨著“3S”技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的插值技術(shù)被廣泛應(yīng)用到土壤屬性空間變異性研究中。地統(tǒng)計(jì)學(xué)不僅考慮調(diào)查樣點(diǎn)本身的數(shù)值，還考慮與鄰近樣點(diǎn)的空間位置關(guān)系，經(jīng)常被用來(lái)研究既有一定隨機(jī)性又有一定結(jié)構(gòu)性的各種變量空間分布。但很多研究表明，不同土壤養(yǎng)分適宜的插值方法可能有所差異。劉吉平等[7]利用吉林省榆樹市弓棚鎮(zhèn)的386個(gè)采樣數(shù)據(jù)分析了不同插值方法對(duì)農(nóng)田土壤堿解氮空間變異性預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，結(jié)果表明當(dāng)采樣密度較大時(shí)，克里格模型插值精度高于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。孫義祥等[8]基于1 975個(gè)調(diào)查樣點(diǎn)的研究結(jié)果表明，不同插值方法對(duì)縣域土壤有效磷空間變異性的預(yù)測(cè)效果差異較大，且表現(xiàn)為析取克里格、普通克里格、簡(jiǎn)單克里格和局部多項(xiàng)式插值精度高于全局多項(xiàng)式、反距離加權(quán)法、泛克里格和徑向基函數(shù)法，以析取克里格法插值效果最好。李曉燕等[9]通過(guò)364個(gè)采樣數(shù)據(jù)分析不同插值方法的預(yù)測(cè)精度，結(jié)果表明，吉林省德惠市土壤速效鉀的空間變異性預(yù)測(cè)適宜采用普通克里格指數(shù)模型，其插值效果優(yōu)于反距離權(quán)重法和球面多項(xiàng)式法。

從以上研究也可以看出，目前土壤養(yǎng)分空間插值方法預(yù)測(cè)精度研究主要以小規(guī)模樣本數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，且有關(guān)同一研究區(qū)不同土壤養(yǎng)分對(duì)插值模型的適宜性的研究相對(duì)較少，這導(dǎo)致土壤養(yǎng)分變異性研究存在較大不確定性。青藏高原位于我國(guó)西南部，約占我國(guó)陸地總面積的25%，是我國(guó)面積最大的高原；黃土高原位于我國(guó)中部偏北，面積約為40萬(wàn)km2，是世界最大的黃土堆積區(qū)，暴雨徑流沖刷疏松黃土導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重[10]。因此，確定適用于高原地貌類型區(qū)的耕地土壤養(yǎng)分點(diǎn)面拓展模型，對(duì)合理設(shè)計(jì)養(yǎng)分流失防控措施和肥力提升計(jì)劃皆具有十分重要的意義[11]。為此，本研究以地處青藏高原與黃土高原過(guò)渡地區(qū)的甘肅省臨夏縣為案例區(qū)，利用該縣2007年農(nóng)業(yè)部測(cè)土施肥大規(guī)模采集的5 475個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，研究地統(tǒng)計(jì)學(xué)中常用的普通克里格、簡(jiǎn)單克里格、泛克里格和析取克里格4種插值方法對(duì)該地區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀空間變異性預(yù)測(cè)精度的影響，以期找到不同土壤養(yǎng)分最適宜的插值模型，為我國(guó)青藏高原與黃土高原過(guò)渡區(qū)縣域耕地養(yǎng)分預(yù)測(cè)選擇高效插值方法提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

臨夏縣位于甘肅省中部，地理坐標(biāo)為北緯34°57′～36°12′、東經(jīng)102°41′～103°40′(圖1)[12]，地處青藏高原與黃土高原的過(guò)渡地帶，屬溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)。臨夏縣地形較為復(fù)雜，海拔差距較大，總體呈西南高東北低趨勢(shì)?？h域南部和西部均是山地，海拔一般在3 000 m 以上；中東部以黃土高原為主，海拔介于1 750～2 300 m之間，地貌青藏、黃土高原兼有，屬甘肅省典型地貌類型。根據(jù)第二次土壤普查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，臨夏縣耕地土壤類型包括壚土、紅土、黃綿土、黑土和山地棕壤，且以黑土、壚土和紅土面積分布最廣，占全縣耕地總面積的95%以上[13]。

圖1 臨夏縣地理位置圖

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究使用的耕地土壤調(diào)查樣點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于農(nóng)業(yè)部測(cè)土配方施肥項(xiàng)目。2007年8—9月臨夏縣共采集土樣5 475份，取樣采用多點(diǎn)混合土樣采集法，取土深度為20 cm，并利用GPS定位獲取樣點(diǎn)經(jīng)緯度。樣點(diǎn)屬性包括采樣地塊基本情況(統(tǒng)一編號(hào)、經(jīng)緯度、土壤類型等)和土壤測(cè)試結(jié)果(有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀等)，其中有機(jī)質(zhì)采用K2Cr2O7-H2SO4溶液油浴法測(cè)試，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，有效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法。利用ArcGIS 9.3軟件將樣點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換成北京1954直角坐標(biāo)系坐標(biāo)，并與縣域耕地利用現(xiàn)狀圖相匹配，然后根據(jù)編碼規(guī)則將樣點(diǎn)屬性值導(dǎo)入圖層并保存入庫(kù)，最終形成臨夏縣耕地土壤調(diào)查樣點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理軟件與地統(tǒng)計(jì)學(xué)插值方法

本研究利用SPSS 19.0分析土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀的基本統(tǒng)計(jì)特征，借助ArcGIS 9.3的地統(tǒng)計(jì)分析工具對(duì)縣域耕地土壤養(yǎng)分分別進(jìn)行普通克里格(Ordinary Kriging，OK)、簡(jiǎn)單克里格(Simple Kriging，SK)、泛克里格(Universal Kriging，UK)和析取克里格(Disjunctive Kriging，DK)空間插值。這4種插值模型均以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，能最大限度地利用樣本信息對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)，在考慮樣點(diǎn)距離的同時(shí)，還考慮已知樣點(diǎn)的空間分布及與未知樣點(diǎn)的空間方位關(guān)系，是目前應(yīng)用較為廣泛的地統(tǒng)計(jì)學(xué)插值方法[14]。

本研究從兩個(gè)方面對(duì)插值精度進(jìn)行評(píng)估：一是地理信息系統(tǒng)軟件自帶的交叉驗(yàn)證功能，具體評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為平均預(yù)測(cè)誤差(ME)和標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差(MSE)越接近于0越好，均方根誤差(RMSE)越小且越接近于平均標(biāo)準(zhǔn)差(ASE)越好，均方根標(biāo)準(zhǔn)誤差(RMSSE)越接近于1越好，且優(yōu)先考慮RMSE[15]。二是從調(diào)查樣點(diǎn)中隨機(jī)抽取20%(1 095個(gè)采樣點(diǎn))作為驗(yàn)證樣點(diǎn)(圖2)，通過(guò)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)r及RMSE兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)精度評(píng)定，當(dāng)RMSE越小、r值越大時(shí)，預(yù)測(cè)精度越高。

(1)

式中：N為樣點(diǎn)數(shù)量；Xoi為樣點(diǎn)實(shí)測(cè)值，Xpi為樣點(diǎn)預(yù)測(cè)值。

圖2 基于耕地土壤的樣點(diǎn)分布

3 結(jié)果與討論

3.1 基于交叉驗(yàn)證的空間插值方法精度評(píng)價(jià)

本研究利用ArcGIS 9.3對(duì)臨夏縣2007年采集的5 475個(gè)耕地土壤調(diào)查樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了普通克里格、簡(jiǎn)單克里格、泛克里格和析取克里格4種不同地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的空間插值，并通過(guò)該軟件的交叉驗(yàn)證功能進(jìn)行精度評(píng)價(jià)(見表1)。從表1可以看出，縣域耕地土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮的RMSE分別為5.14～5.21 g/kg和20.76～21.32 mg/kg，均以析取克里格的RMSE最小，表明析取克里格插值效果優(yōu)于普通克里格、簡(jiǎn)單克里格和泛克里格，能更好地模擬臨夏縣耕地土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮的空間分布特征。有效磷和速效鉀的RMSE分別為17.06～17.12 mg/kg和32.18～32.38 mg/kg，且有效磷以普通克里格的RMSE最小，速效鉀以簡(jiǎn)單克里格的RMSE最小，說(shuō)明臨夏縣耕地土壤有效磷和速效鉀分別采用普通克里格和簡(jiǎn)單克里格的插值精度較高。從各種土壤養(yǎng)分不同插值方法交叉驗(yàn)證的誤差大小來(lái)看，泛克里格的RMSE均高于普通克里格、簡(jiǎn)單克里格和析取克里格，表明臨夏縣耕地土壤養(yǎng)分插值以泛克里格預(yù)測(cè)精度最低，因此不宜采用該方法進(jìn)行縣域土壤養(yǎng)分空間變異特征分析。從不同土壤養(yǎng)分的歸一化均方根誤差(RMSE與平均值的比值)來(lái)看，有效磷歸一化均方根誤差高于59.00%，而有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀歸一化均方根誤差均低于30.00%，表明基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的臨夏縣耕地土壤有效磷插值效果不夠理想，預(yù)測(cè)精度明顯低于有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀。

表1 臨夏縣耕地土壤養(yǎng)分地統(tǒng)計(jì)學(xué)插值方法交叉驗(yàn)證精度評(píng)價(jià)

3.2 基于驗(yàn)證樣點(diǎn)的空間插值方法精度評(píng)價(jià)

基于驗(yàn)證樣點(diǎn)的空間插值結(jié)果表明，基于析取克里格插值的臨夏縣耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)r為0.588 7，高于普通克里格(0.579 0)、簡(jiǎn)單克里格(0.582 0)和泛克里格(0.579 1)，RMSE為5.177 1 g/kg，小于普通克里格(5.288 2)、簡(jiǎn)單克里格(5.208 6)和泛克里格(5.282 2)，表明縣域耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量預(yù)測(cè)值析取克里格插值精度較高，這與交叉驗(yàn)證得出的結(jié)果相一致；另外，基于簡(jiǎn)單克里格插值的縣域耕地土壤速效鉀含量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)r為0.747 3，高于其他3種插值方法，且RMSE最小，說(shuō)明臨夏縣耕地土壤速效鉀含量預(yù)測(cè)值簡(jiǎn)單克里格插值效果較好，這也與交叉驗(yàn)證結(jié)果相一致。但從空間插值結(jié)果也可知，臨夏縣耕地土壤堿解氮和有效磷含量預(yù)測(cè)值分別以簡(jiǎn)單克里格和泛克里格插值精度最高，這與上述的交叉驗(yàn)證結(jié)果不一致。交叉驗(yàn)證是ArcGIS軟件利用樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的自我驗(yàn)證，得到的樣點(diǎn)預(yù)測(cè)值已經(jīng)受到該樣點(diǎn)實(shí)測(cè)值的影響，從理論上說(shuō)具有一定的“欺騙性”，而基于實(shí)測(cè)樣點(diǎn)所進(jìn)行的精度評(píng)價(jià)不同于交叉驗(yàn)證的自我驗(yàn)證，其已剔除了驗(yàn)證樣點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)測(cè)值的影響，是完全通過(guò)已知點(diǎn)來(lái)推算未知點(diǎn)的養(yǎng)分含量，并利用驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行精度分析的一種檢驗(yàn)方法[16]，因此基于實(shí)測(cè)樣點(diǎn)的精度分析結(jié)論比交叉驗(yàn)證有更大的可靠性，故本研究認(rèn)為臨夏縣耕地土壤堿解氮和有效磷含量預(yù)測(cè)分別采用簡(jiǎn)單克里格和泛克里格插值模型相對(duì)更優(yōu)。

從臨夏縣不同地統(tǒng)計(jì)學(xué)插值方法對(duì)各個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)預(yù)測(cè)的適宜性來(lái)看，有效磷含量1 095個(gè)驗(yàn)證樣點(diǎn)的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)r均低于0.40，明顯小于有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀，表明臨夏縣耕地土壤有效磷含量的地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間插值精度低于有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀。該結(jié)論與交叉驗(yàn)證結(jié)果是一致的，這可能與有效磷本身的空間分布特征有關(guān)。臨夏縣耕地土壤有效磷含量極大值與極小值相差200多倍，變異系數(shù)為62.86%，是有機(jī)質(zhì)和堿解氮變異系數(shù)的2倍、速效鉀變異系數(shù)的1.5倍。有研究表明，強(qiáng)烈的空間變異性對(duì)插值效果具有一定的影響，所以有效磷含量插值精度整體較低[17]。有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀1 095個(gè)驗(yàn)證樣點(diǎn)的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)均高于0.57，其中速效鉀的相關(guān)系數(shù)r均高于0.74；另一方面，有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀1 095個(gè)驗(yàn)證樣點(diǎn)的歸一化均方根誤差均低于29.00%，其中有機(jī)質(zhì)歸一化均方根誤差均低于25.00%，而有效磷歸一化均方根誤差均高于57.00%，約是其他3種養(yǎng)分的2倍，表明基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的臨夏縣耕地土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀插值效果整體較好，預(yù)測(cè)精度明顯高于有效磷，這與交叉驗(yàn)證結(jié)果相一致。造成這一現(xiàn)象的主要原因可能是有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀的空間變異程度均相對(duì)較低，有利于土壤屬性值的空間預(yù)測(cè)，該結(jié)論也符合很多學(xué)者認(rèn)為的“較低的空間變異性在一定程度上能保證較高的空間預(yù)測(cè)精度”的一般規(guī)律[17-19]。

3.3 縣域耕地土壤養(yǎng)分空間分布特征

4種不同地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間插值方法預(yù)測(cè)的臨夏縣耕地養(yǎng)分空間分布特征基本一致，即：有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量以中部及西北部較高，東北部較低；有效磷含量以東北部較高，中部較低；速效鉀含量以東南部較高，其他區(qū)域分布較為均勻，且以東北部含量最低。上述分布規(guī)律可能與該地區(qū)復(fù)雜的地形特征有關(guān)，臨夏縣地勢(shì)西南高而東北低，西部和南部多為山地，是青藏高原東北的邊緣隆起部分，海拔一般在3 000 m以上，氣溫相對(duì)較低，微生物活性較差，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮分解較慢；而中東部地區(qū)屬黃土高原，海拔介于1 750～2 300 m之間，明顯低于西南部，氣溫相對(duì)較高，土壤微生物生理活動(dòng)旺盛，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮分解速度較快[20]。此外，臨夏縣降水量分布極為不均，呈東北部少而西南部多的規(guī)律，而很多研究表明降水量大有利于土壤有機(jī)質(zhì)和全氮積累，這是東北部有機(jī)質(zhì)和全氮含量低的另一原因[21]。有效磷含量分布規(guī)律正好與有機(jī)質(zhì)和全氮相反，可能是因?yàn)楦吆０蔚貐^(qū)的土壤磷素受雨水沖刷而通過(guò)地表徑流的方式聚集在了地勢(shì)較低的地區(qū)。臨夏縣東南部速效鉀含量明顯高于其他區(qū)域，這可能與該區(qū)域耕地土壤質(zhì)地以黏土和黏壤土為主有很大關(guān)系，有研究表明，土壤黏粒含量與速效鉀含量呈極顯著的正相關(guān)[22]。

4 結(jié) 論

本研究以大規(guī)模采集的5 475個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用兩種驗(yàn)證方法綜合評(píng)價(jià)了普通克里格、簡(jiǎn)單克里格、泛克里格和析取克里格4種不同地統(tǒng)計(jì)學(xué)插值方法對(duì)臨夏縣耕地土壤養(yǎng)分含量空間預(yù)測(cè)精度的影響，結(jié)果表明：基于驗(yàn)證樣點(diǎn)的空間插值方法精度評(píng)價(jià)比交叉驗(yàn)證法具有更高的可靠性；臨夏縣耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量預(yù)測(cè)適宜采用析取克里格插值方法，堿解氮和速效鉀含量預(yù)測(cè)適宜采用簡(jiǎn)單克里格插值方法，有效磷含量預(yù)測(cè)適宜采用泛克里格插值方法。

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

S158.2

A

1000-0941(2015)11-0049-04

唐希賢(1987—)，男，甘肅臨夏縣人，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)師，主要從事農(nóng)業(yè)科技推廣、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)管理工作；通信作者張英明(1985—)，男，甘肅臨夏縣人，助理農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)業(yè)科技推廣工作。

2015-03-25