基于GIS技術(shù)的土壤養(yǎng)分時(shí)空變異研究

李慧芳，楊虎德，鄭隆舉

（1.蘭州城市學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

土壤養(yǎng)分是土地生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，是植物生長(zhǎng)的必要條件，也是衡量土壤質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，土壤養(yǎng)分具有空間和時(shí)間上的高度變異性。同一時(shí)刻，即使是在土壤類型和質(zhì)地相同的區(qū)域內(nèi)，其土壤養(yǎng)分特性在空間上也有很大的差異，這種屬性稱為土壤特性的空間變異性[1]，這是各種人為因素及氣候、土壤類型、地形等因素綜合影響的結(jié)果。土壤養(yǎng)分及空間變異，特別是對(duì)其量化過程的研究，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)民合理施肥具有重要意義。同時(shí)，土壤養(yǎng)分空間變異研究是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的一個(gè)基礎(chǔ)工作。由于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)田利用方式、施肥和管理策略的變化均會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分在時(shí)間上的變化[2]。研究一定時(shí)段內(nèi)土壤養(yǎng)分的變化及影響因素，揭示土壤養(yǎng)分在時(shí)間上的變化規(guī)律，制定合理的養(yǎng)分管理策略，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供必要的參考?？梢?，揭示土壤養(yǎng)分的時(shí)空變化規(guī)律為實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供必要的支持[3]。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)

民勤縣位于甘肅省西北部，東經(jīng)104°11′～109°50′，北緯 38°3′～39°27′，東、西、北三面被騰格里和巴丹吉林沙漠包圍，氣候干旱，地域遼闊，日照時(shí)間長(zhǎng)，光輻射強(qiáng)，晝夜溫差大，自然條件得天獨(dú)厚，適宜種植的作物種類多樣。由于所處特殊地理位置，形成了豐富的土壤類型，有6個(gè)土類，共36個(gè)土種，其中主要耕作土壤類型為灌淤土和潮土，是由黃土性沖積、洪積、湖積母質(zhì)發(fā)育而來。

1.2 研究方法

近年來，隨著3S技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)科學(xué)的迅速發(fā)展，將地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)相結(jié)合來研究土壤養(yǎng)分分布逐漸成為研究土壤養(yǎng)分分布的主要方法之一[4]。

地統(tǒng)計(jì)學(xué)是20世紀(jì)50年代初在南非采礦業(yè)中為了計(jì)算礦石儲(chǔ)量而發(fā)展應(yīng)用起來的，以變異函數(shù)為主要工具，研究那些在空間分布上既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性，或空間相關(guān)性和依賴性的自然現(xiàn)象的科學(xué)[4]。近年來，許多土壤工作者運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)來研究土壤養(yǎng)分的空間分布，并取得了一定的成果。

1.3 土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理

1.3.1 土壤數(shù)據(jù)采集 以行政村為單位進(jìn)行采樣，只在耕作土壤上取樣點(diǎn)，每個(gè)行政村至少包含一個(gè)樣點(diǎn)，樣點(diǎn)要盡量能夠代表該村的土壤養(yǎng)分狀況，選擇一塊有代表性的田塊，在周圍以梅花狀或蛇形采集土樣5個(gè)，混合。同時(shí)兼顧土壤類型，對(duì)土壤類型復(fù)雜區(qū)域或過渡區(qū)適當(dāng)增加采樣點(diǎn)。采樣樣點(diǎn)深20 cm，采樣點(diǎn)的位置用GPS定位、記錄（圖1）。

1.3.2 測(cè)定要素與測(cè)定方法 測(cè)定要素為作物最需要的大量元素和部分中微量元素，具體為：有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效鉀、速效磷。測(cè)定方法采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀滴定法，堿解氮的測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法，速效磷的測(cè)定采用碳酸氫鈉提取——鋁銻抗比色法，速效鉀的測(cè)定采用四苯硼鈉比濁法[5]。

1.3.3 土壤養(yǎng)分圖的制作 運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)分析方法Kriging插值法，以土壤采樣點(diǎn)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)為依據(jù)，進(jìn)行插值，生成土壤養(yǎng)分分布圖，克里格插值是目前地統(tǒng)計(jì)學(xué)中應(yīng)用最廣泛的最優(yōu)內(nèi)插法[6]，它以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以變異函數(shù)為主要工具[7]。

1.3.3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括屬性數(shù)據(jù)和圖件數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)主要是采樣點(diǎn)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，包括有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷、堿解氮等養(yǎng)分值的測(cè)定值；圖件數(shù)據(jù)主要有行政區(qū)劃圖、土地利用現(xiàn)狀圖。采樣點(diǎn)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)是多條記錄，包括GPS經(jīng)緯度，有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷、堿解氮等養(yǎng)分的測(cè)定值等字段。在ArcGIS中，將點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)，將養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)和GPS點(diǎn)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行連接，導(dǎo)出包括養(yǎng)分值的點(diǎn)圖層。

1.3.3.2 數(shù)據(jù)檢查 首先使用直方圖來檢查數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布，通過檢查后發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀、速效磷數(shù)據(jù)都呈正態(tài)分布。其次，用直方圖查找離群值，在我們采集的數(shù)據(jù)中有個(gè)別離群點(diǎn)，通過分析確定其為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，將其剔除。接下來我們進(jìn)行了趨勢(shì)分析，發(fā)現(xiàn)速效鉀、速效磷、堿解氮都沒有任何方向上的趨勢(shì)。

1.3.3.3 選擇合適的擬合函數(shù)進(jìn)行養(yǎng)分插值 Kriging內(nèi)插的最重要的一步就是根據(jù)樣本找到適合的變異函數(shù)理論模型，在本文中，有機(jī)質(zhì)、速效鉀、堿解氮都采用的指數(shù)函數(shù)模型，速效磷采用的是高斯模型。為了優(yōu)化內(nèi)插算法，關(guān)于克里格方法研究出了許多種優(yōu)化算法，包括簡(jiǎn)單克里格方法、指示克里格方法、普通克里格方法、協(xié)同克里格方法、通用克里格方法[8]，本文采用的是普通克里格方法，插值結(jié)果見圖2。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分時(shí)間變化

表1為測(cè)土施肥和第二次土壤普查養(yǎng)分含量比較。土壤有機(jī)質(zhì)增加了0.88 mg/kg，提高了11.2%；土壤速效磷增加了12.68 mg/kg，提高了214.2%；土壤堿解氮增加了0.34 mg/kg，提高了1.04%；土壤速效鉀減少了55.12 mg/kg，降低了27.40%。自1980年以來，由于長(zhǎng)期大量施肥，農(nóng)作物產(chǎn)量逐漸提高，隨著種植制度的變化，土壤養(yǎng)分發(fā)生了很大變化，第二次土壤普查結(jié)果表明，土壤養(yǎng)分含量的情況是“富含K、缺磷、少氮”，因此，當(dāng)?shù)剞r(nóng)技部門提出并推廣了相應(yīng)的施肥措施，氮肥和磷肥施用量增加，并在土壤中積累，到2006年，速效磷成倍的增加，有機(jī)質(zhì)較顯著的增加，速效氮也有一定的增加，而土壤速效鉀含量明顯下降。同時(shí)，由于第二次土壤普查結(jié)果顯示，民勤縣土壤富含鉀，因此長(zhǎng)期以來鉀肥施用量偏低甚至不施，而農(nóng)作物產(chǎn)量提高將近1倍，導(dǎo)致土壤速效鉀明顯降低。這個(gè)結(jié)果和農(nóng)民施肥習(xí)慣有必然聯(lián)系。

表2為土壤變異性的描述，通過第二次土壤普查測(cè)定值和2006測(cè)土施肥測(cè)定值變異系數(shù)比較可以看出，第二次土壤普查速效磷的變異系數(shù)最高，為89.75%；速效鉀其次，為41.47%；有機(jī)質(zhì)和堿解氮的變異系數(shù)較低，為23.74%，37.88%。有機(jī)質(zhì)和堿解氮變異系數(shù)較低，說明民勤縣有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量差別不大，速效磷差異較大。結(jié)合民勤縣的土壤圖來看，各種土壤類型之間有機(jī)質(zhì)含量差別不大，這主要是因?yàn)楣嘤偻粮鲿r(shí)間比較長(zhǎng)，土壤熟化程度高，因此，土壤有機(jī)質(zhì)含量差別逐漸變小。同時(shí)，我們結(jié)合民勤縣施肥統(tǒng)計(jì)資料發(fā)現(xiàn)，在第二次土壤普查之前，民勤地區(qū)磷肥用量普遍較低，因此速效磷平均含量也較低，而氮肥施肥量相對(duì)大一些，長(zhǎng)期的施肥讓不同地區(qū)的氮素含量之間的差異變小。民勤縣耕作土壤是在河流沉積母質(zhì)基礎(chǔ)上發(fā)育而來的，這種母質(zhì)本身富含鉀素，因此土壤速效鉀的含量相對(duì)較高。2006年測(cè)土施肥測(cè)定值中，堿解氮、速效磷、速效鉀變異系數(shù)都在降低，有機(jī)質(zhì)略有上升。這說明長(zhǎng)期以來的耕作、施肥和灌溉等人為因素使得土壤養(yǎng)分各種含量變異性逐漸變小。

表1 測(cè)土施肥和第二次土壤普查養(yǎng)分含量比較

表2 測(cè)土施肥和第二次土壤普查養(yǎng)分變異比較 %

2.2 土壤養(yǎng)分空間變異

在各向同性下土壤養(yǎng)分要素的空間變異的研究中，準(zhǔn)確估算土壤某一特性的半方差是關(guān)鍵的問題。因?yàn)榘敕讲詈瘮?shù)反映了土壤特性的空間變異結(jié)構(gòu)，其影響到空間變異分析的準(zhǔn)確性，選擇合適的半方差模型需要不斷地進(jìn)行各種參數(shù)的試驗(yàn)，以達(dá)到最佳值，本研究選取指數(shù)模型。

塊金值和基臺(tái)值之比反映了土壤養(yǎng)分空間變異性程度，如果該值比較低，說明由氣候、母質(zhì)、生物、地形等結(jié)構(gòu)性因素引起的空間異質(zhì)性較大；相反，則是由施肥、耕作、種植、灌溉等人為因素帶來的空間變異性程度較大。根據(jù)比值大小劃分，如果比值大于75%，則說明空間相關(guān)性很弱，如果比值小于25%，說明具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，在兩者之間，則表明具有中等的空間相關(guān)性。

從表3中參數(shù)可以分析：塊金值/基臺(tái)值：堿解氮最大，達(dá)到64.25%，說明堿解氮的空間變異性主要是由人為因素引起的，結(jié)構(gòu)性影響較小；有機(jī)質(zhì)和速效磷的分別為35.00%和30.71%，說明人為因素和結(jié)構(gòu)性因素同時(shí)對(duì)有機(jī)質(zhì)和速效磷的空間變異有著中等程度的影響；速效鉀的值較小，為12.00%，說明它們?cè)诖搜芯砍叨壬?，結(jié)構(gòu)性有著比人為性重要的作用，因此，速效鉀的含量受土壤母質(zhì)的影響較大，民勤縣土壤富含K素。

表3 2006年土壤養(yǎng)分空間變異

3 結(jié)論

與第二次土壤普查數(shù)據(jù)相比，測(cè)土施肥時(shí)期土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷含量均有增加，尤其是速效磷成倍增加，堿解氮變化不大，略有增加；速效鉀含量呈下降趨勢(shì)。

與第二次土壤普查數(shù)據(jù)相比，測(cè)土施肥時(shí)期土壤堿解氮、速效磷、速效鉀變異系數(shù)都在降低，有機(jī)質(zhì)略有上升，總體上來說依然是速效磷變異系數(shù)最大，達(dá)到52.08%，堿解氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)相對(duì)較小，這是因?yàn)槿藗儽容^相似的耕作方式、管理方式讓土壤養(yǎng)分的差異在逐漸變小。

從土壤空間變異特征分析表明，速效鉀的含量主要受土壤母質(zhì)影響較大，堿解氮的含量主要受農(nóng)民施肥及耕作習(xí)慣影響較大，而有機(jī)質(zhì)和速效磷的含量是受施肥、耕作、種植、灌溉等人為因素和結(jié)構(gòu)性共同影響的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

［1］李世清，高亞軍，李生秀.土壤養(yǎng)分的空間變異性及確定樣本容量的研究［J］.土壤與環(huán)境，2000，9（1）：56-59.

［2］孔祥斌，張鳳榮，王 茹.近20年城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶土壤養(yǎng)分時(shí)間空間變異特征分析——以北京市大興區(qū)為例［J］.土壤，2004，36（6）：636-643.

［3］海全勝，玉 山，阿拉騰圖雅，等.基于GIS的阿榮旗耕地土壤養(yǎng)分分布規(guī)律研究［J］.內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36（3）：363-365.

［4］李 艷，史 舟，徐建明，等.地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤科學(xué)中的應(yīng)用及展望［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2003，17（1）：178-182.

［5］邱現(xiàn)奎，董元杰，萬勇善，等.不同施肥處理對(duì)土壤養(yǎng)分含量及土壤酶活性的影響 ［J］. 土壤，2010，42（2）：249-255.

［6］傅伯杰，馬克明，周華峰，等.黃土丘陵區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)土壤養(yǎng)分分布的影響［J］. 科學(xué)通報(bào)，1998，43（22）：2444-2448.

［7］王 闖，李 琪，王洪祿，等.基于GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的遼寧省大洼縣耕地土壤養(yǎng)分空間分布變異特征研究［J］.科技論壇，2011（5）：81.

［8］高弼模，李 彥，于淑芳，等.測(cè)土配方的土壤養(yǎng)分含量施肥法解析［J］.安徽農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007，13（22）：71-72.