基于GIS和FCM的寧鄉(xiāng)植煙土壤養(yǎng)分管理分區(qū)

唐春閨+李強(qiáng)+李帆+楊紅武+向世鵬+劉優(yōu)雄+李立

摘要：采用GPS、地統(tǒng)計(jì)學(xué)和模糊c均值聚類相結(jié)合的方法，對(duì)湖南省寧鄉(xiāng)植煙土壤主要養(yǎng)分的空間變異特征和管理分區(qū)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，寧鄉(xiāng)植煙土壤主要養(yǎng)分指標(biāo)均為中等程度變異，有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀3項(xiàng)指標(biāo)的塊金效應(yīng)在25%～75%之間，表明研究區(qū)域該3項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)是由結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)因素共同作用的結(jié)果；堿解氮的塊金效應(yīng)>75%，表明研究區(qū)土壤堿解氮主要由隨機(jī)性因素決定。土壤有機(jī)質(zhì)為高水平，堿解氮和速效鉀均為中等水平，有效磷為極高水平，研究區(qū)大部分區(qū)域有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷為中等至極高，但約有40%的面積土壤速效鉀缺乏。寧鄉(xiāng)煙區(qū)可劃分為3個(gè)養(yǎng)分管理分區(qū)，分區(qū)間有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀含量差異極顯著。

關(guān)鍵詞：煙區(qū)；土壤養(yǎng)分；空間變異；管理分區(qū)

中圖分類號(hào)：S158；S572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）06-1029-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.06.009

Abstract： Base on GPS， geo-statistics and fuzzy c-mean algorithm， spatial variability and management zone of soil major nutrients in tobacco fields in Ningxiang were studied. The results indicates that soil main nutrients were intermediate variability. The nugget to sill ratio of organic matter， available potassium and available phosphorus was 25%～75%， which was of moderate spatial dependence. Spatial variability of these 3 nutrients were caused by structural factors and random factors. And the nugget to sill ratio of alkali hydrolyzable nitrogen was >75%， which was of week spatial dependence. Spatial variability of alkali hydrolyzable was caused by random factors. Soil organic matter was high level， alkali hydrolyzable nitrogen and available potassium and available phosphorus were moderate level. Available phosphorus was very high level. Most of study area organic matter， hydrolyzable nitrogen， total nitrogen， available phosphorus are moderate to extremely high， but about 40% of the area of soil available potassium deficiency. Ningxiang tobacco area could be divided into 3 nutrient management zone， there were very significant in organic matter， available potassium， available phosphorus and alkaline hydrolyzable nitrogen between management zone.

Key words： tobacco area； soil nutrients； spatial variability； management zone

土壤是煙草礦質(zhì)養(yǎng)分的主要來源，是煙葉生產(chǎn)的基礎(chǔ)，植煙土壤養(yǎng)分狀況直接影響烤煙生長發(fā)育、營養(yǎng)狀況，進(jìn)而影響煙葉的產(chǎn)量、品質(zhì)和風(fēng)格[1，2]。適宜的土壤養(yǎng)分是煙草獲取優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)的重要前提，探明土壤養(yǎng)分狀況是制定施肥方案的重要參考。因此中國煙區(qū)就植煙土壤養(yǎng)分狀況分析、豐缺評(píng)價(jià)、綜合評(píng)價(jià)等方面開展了大量研究[3-5]。近年來，養(yǎng)分管理分區(qū)成為研究熱點(diǎn)，有大量對(duì)不同尺度植煙土壤養(yǎng)分管理分區(qū)的報(bào)道[6，7]，對(duì)植煙土壤養(yǎng)分的差異化管理起到很好的作用。湖南省寧鄉(xiāng)煙區(qū)是中國濃香型優(yōu)質(zhì)煙區(qū)之一，其煙葉品質(zhì)純正，配伍性好，受到眾多重點(diǎn)卷煙工業(yè)企業(yè)的青睞，但有關(guān)其植煙土壤的報(bào)道主要為含量狀況分析[8]和綜合評(píng)價(jià)方面[9]，但未見有關(guān)該煙區(qū)土壤養(yǎng)分管理分區(qū)的報(bào)道。鑒于此，本研究采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和模糊c均值聚類相結(jié)合的方法對(duì)寧鄉(xiāng)植煙土壤主要養(yǎng)分空間分布進(jìn)行研究，并進(jìn)一步對(duì)該煙區(qū)進(jìn)行了養(yǎng)分管理分區(qū)，旨在為煙區(qū)土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域自然概況

寧鄉(xiāng)位于湖南省東部偏北，長沙市西部，是湖南省煙草種植大縣，位于東經(jīng)111°53′-112°46′，北緯27°55′-28°29′之間，寧鄉(xiāng)東西長88 km，南北寬69 km，總面積2 906 km2。境內(nèi)多為丘陵地帶，境內(nèi)地貌有山地、丘崗、平原。地表輪廓大體是北、西、南緣山地環(huán)繞，東南丘陵起伏，北部崗地平緩，東北低平開闊，整個(gè)地勢(shì)由西向東呈階梯狀逐級(jí)傾斜。寧鄉(xiāng)縣屬中亞熱帶向北亞熱帶過渡的大陸性季風(fēng)濕潤氣候，四季分明，寒冷期短，炎熱期長。年平均氣溫16.8 ℃，1月平均氣溫4.5 ℃，7月平均氣溫28.9 ℃。年平均無霜期274 d，年平均日照1 737.6 h，境內(nèi)雨水充足，年均降水量1 358.3 mm，年平均相對(duì)濕度81%。土壤類型有紅壤、黃壤、水稻土、黃棕壤及沖積土等。

1.2 樣品采集與分析

2014年11～12月翻耕前，選取有代表性的植煙田塊，并準(zhǔn)確記載田塊中心的GPS信息，采用五點(diǎn)取樣法采集耕作層0～20 cm土壤，將五點(diǎn)土壤混勻，并采用四分法保留約1 kg樣品進(jìn)行風(fēng)干過篩，用于主要養(yǎng)分指標(biāo)測(cè)定，具體測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[10]進(jìn)行。

1.3 土壤養(yǎng)分指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

植煙土壤主要養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的制定參考全國第二次土壤普查和文獻(xiàn)[11]制定，將瀏陽植煙土壤主要養(yǎng)分指標(biāo)分為極低、低、中、高和極高5個(gè)等級(jí)（表1）。

1.4 模糊c均值聚類

模糊c均值聚類（FCM）是用隸屬度確定每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)屬于某個(gè)類別程度的一種非監(jiān)督的聚類方法，在土壤、地形、產(chǎn)量和遙感等數(shù)據(jù)的分類中運(yùn)用較多[12]。FCM是一個(gè)迭代優(yōu)化的分類過程，具體是用隸屬度將n個(gè)觀測(cè)值分配到c個(gè)分類中的一種聚類算法[13]。聚類過程引入模糊性能指數(shù)（FPI）和歸一化分類熵（NCE）2項(xiàng)參數(shù)對(duì)農(nóng)田管理分區(qū)數(shù)（模糊類別數(shù)）進(jìn)行定量化表達(dá)和聚類有效性檢驗(yàn)[13]。分別可用公式表示如下：

FPI=1-■1-■■（uik）2/n （1）

NCE=■1-■■uikloga（uik） （2）

FPI數(shù)值介于0到1之間。FPI越小，表示聚類時(shí)共用數(shù)據(jù)少，類別劃分越明顯，聚類效果越好；反之，F(xiàn)PI越大，則聚類效果越差。NCE越小則模糊c分區(qū)的分解量越大，分類效果越好；反之，NCE越大，分類效果越差。FPI和NCE同時(shí)達(dá)到最小值時(shí)的聚類數(shù)為最佳分類數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用拉依達(dá)準(zhǔn)則法識(shí)別并剔除異常值。描述性統(tǒng)計(jì)和K-S檢驗(yàn)（Kolmogorov-Smimov test）利用SPSS 19.0完成[14]。采用GS+9.0進(jìn)行半方差函數(shù)分析和理論模型構(gòu)建[15，16]，模型選取以RMSSE接近1，且MSE接近0為好，以確保選取的模型具有較高的擬合精度[17]。Kriging插值和繪圖采用ArcGIS 10.2.2實(shí)現(xiàn)[18]。模糊c-均值聚類在MZA1.0.1中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 植煙土壤養(yǎng)分指標(biāo)基本統(tǒng)計(jì)特征

植煙土壤主要養(yǎng)分基本統(tǒng)計(jì)特征列于表2。從土壤養(yǎng)分指標(biāo)均值來看，有機(jī)質(zhì)為37.26 g/kg，堿解氮、有效磷和速效鉀均值分別為173.63、30.92、169.05 mg/kg。其中，有機(jī)質(zhì)為高水平，堿解氮和速效鉀均為中等水平，有效磷為極高水平；從土壤養(yǎng)分指標(biāo)的變化范圍來看，各指標(biāo)的最大值與最小值均相差較大；從變異系數(shù)來看，各項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)的變異系數(shù)均在10%～100%，均為中等變異。峰度檢驗(yàn)、偏度檢驗(yàn)和K-S檢驗(yàn)表明，有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀符合正態(tài)分布，有效磷經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布。

2.2 植煙土壤養(yǎng)分含量的空間變異

2.2.1 空間結(jié)構(gòu)分析 分別用不同半方差函數(shù)模型對(duì)植煙土壤主要養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行擬合，獲得了各項(xiàng)指標(biāo)最優(yōu)半方差函數(shù)模型及其相關(guān)參數(shù)（表3），RMSSE接近1且MSE接近0，表明選取的模型具有很高的擬合精度。土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀最佳擬合模型為高斯模型，堿解氮和有效磷的最佳擬合模型為指數(shù)模型；有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀3項(xiàng)指標(biāo)的塊金效應(yīng)在25%～75%之間，表明研究區(qū)域該3項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)是由結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)因素共同作用的結(jié)果，并具有中等的空間相關(guān)性；堿解氮的塊金效應(yīng)>75%，表明研究區(qū)土壤堿解氮主要由隨機(jī)性因素決定，且空間相關(guān)性較弱。

2.2.2 空間分布 根據(jù)所得的半方差函數(shù)模型，利用普通Kriging最優(yōu)內(nèi)插法，繪制了植煙土壤主要養(yǎng)分指標(biāo)空間分布圖（圖1），并利用ArcGIS中的統(tǒng)計(jì)模塊對(duì)各指標(biāo)的不同等級(jí)的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。有機(jī)質(zhì)主要分布等級(jí)為中等（25～35 g/kg）和高等（35～45 g/kg），中等等級(jí)主要分布在道林鎮(zhèn)和大屯營鄉(xiāng)，高等級(jí)覆蓋了其余80%以上的植煙區(qū)域；堿解氮主要分布面積是中等（110～180 mg/kg）和高等級(jí)（180～240 mg/kg），中等等級(jí)主要分布在道林鎮(zhèn)、大屯營鄉(xiāng)和流沙河鎮(zhèn)，高等級(jí)覆蓋了其余40%以上的植煙區(qū)域；有效磷主要分布面積為中等（10～20 mg/kg）、高等（20～30 mg/kg）和很高等級(jí)（>30 mg/kg），中等等級(jí)約占20%，高等和很高等級(jí)約各占40%；速效鉀主要分布面積是低等級(jí)（80～160 mg/kg）和中等等級(jí)（160～240 mg/kg），低等級(jí)面積約占60%，中等等級(jí)面積約占40%。

2.2 土壤養(yǎng)分管理分區(qū)

利用MZA1.0.1軟件對(duì)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行模糊c均值聚類分析，以300作為最大迭代次數(shù)，以0.001為收斂閾值，模糊指數(shù)取值1.30～2.00，模糊類別數(shù)取2～6進(jìn)行c均值模糊聚類，同時(shí)計(jì)算得到各分類數(shù)NCE和FPI的取值（圖2），當(dāng)分區(qū)數(shù)為3個(gè)時(shí)NCE和FPI均為最小值，表明研究區(qū)的最佳分區(qū)數(shù)為3個(gè)。

考慮到分區(qū)的連續(xù)性、行政區(qū)域的完整性和實(shí)際種植情況，獲得瀏陽植煙土壤養(yǎng)分管理分區(qū)，各分區(qū)所包含的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和位置見圖3。由圖3可知，第一分區(qū)位于中南部，包括資福和偕樂橋2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)；第二分區(qū)位于中西部，包括橫市、大成橋、黃材、老糧倉、流沙河、沙田、雙鳧鋪、巷子口和喻家坳9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)；第三分區(qū)位于東南部，包括大屯營和道林2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

進(jìn)一步對(duì)分區(qū)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以分區(qū)為單位對(duì)各養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表4。4項(xiàng)主要養(yǎng)分指標(biāo)中分區(qū)間差異均達(dá)顯著或極顯著水平，表明分區(qū)合理有效。第一分區(qū)的特點(diǎn)是高氮高磷低鉀，第二分區(qū)的特點(diǎn)是高氮高磷鉀素中等，第三分區(qū)的特點(diǎn)是適氮適磷低鉀。

3 小結(jié)與討論

寧鄉(xiāng)植煙土壤有機(jī)質(zhì)為高水平，均值為37.26 g/kg，有效磷為極高水平，堿解氮和速效鉀均為中等水平，均值分別為173.63、30.92、169.05 mg/kg，各項(xiàng)指標(biāo)均為中等程度的變異，有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀符合正態(tài)分布，有效磷經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布。

土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀最佳擬合模型為高斯模型，堿解氮和速效磷的最佳擬合模型為指數(shù)模型；有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀3項(xiàng)指標(biāo)的塊金效應(yīng)在25%～75%之間，表明研究區(qū)域該3項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)是由結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)因素共同作用的結(jié)果；堿解氮的塊金效應(yīng)>75%，表明研究區(qū)土壤堿解氮主要由隨機(jī)性因素決定。寧鄉(xiāng)煙區(qū)大部分區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)為中等至高等級(jí)；60%以上區(qū)域堿解氮為高等級(jí)；80%以上區(qū)域有效磷為高等和很高等級(jí)；大部分區(qū)域土壤速效鉀為中等等級(jí)，約20%左右的區(qū)域速效鉀缺乏。

利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和模糊c均值聚類算法將寧鄉(xiāng)植煙土壤劃分為3個(gè)養(yǎng)分管理分區(qū)，3個(gè)分區(qū)間有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量差異達(dá)到極顯著水平，表明分區(qū)效果較好，生產(chǎn)中可根據(jù)各分區(qū)養(yǎng)分差異，制定相應(yīng)的養(yǎng)分管理規(guī)程，推行差異化養(yǎng)分管理技術(shù)和肥料投入量。

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