承德市耕地土壤速效鉀空間變異特征研究

張翠珍，梁 笛

(承德市土壤肥料工作站，河北 承德 067000)

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承德市耕地土壤速效鉀空間變異特征研究

張翠珍，梁 笛

(承德市土壤肥料工作站，河北 承德 067000)

為了解承德市耕地土壤速效鉀的空間分布規(guī)律，在廣泛布點(diǎn)采樣測試的基礎(chǔ)上，以中小流域?yàn)閱挝?，分別進(jìn)行土壤速效鉀的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，探討土壤速效鉀的空間變異特征和分布格局，用克里金(Kriging)插值方法生成土壤速效鉀預(yù)測圖。結(jié)果表明，各流域土壤速效鉀具有不同的統(tǒng)計(jì)特征、正態(tài)分布及全局趨勢，空間自相關(guān)和分布均一強(qiáng)度均有明顯差異。

承德市；流域；土壤速效鉀；空間變異

土壤是一個(gè)復(fù)雜的自然綜合體，受生物、氣候、母質(zhì)、地形時(shí)間等成土因素的影響，使得土壤性質(zhì)具有高度的空間異質(zhì)性。人類活動(dòng)的影響又增強(qiáng)了土壤特性的變異性和不確定性，因此土壤養(yǎng)分空間變異性研究成為土壤科學(xué)研究領(lǐng)域的最前沿?zé)狳c(diǎn)之一。自20世紀(jì)70年代地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法引入土壤學(xué)研究領(lǐng)域以來，土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律研究從定性描述轉(zhuǎn)向定量研究階段。到90年代，隨著發(fā)達(dá)國家精確農(nóng)業(yè)、精確施肥技術(shù)的提出和開展，土壤養(yǎng)分的空間變異和空間插值技術(shù)研究得到眾多農(nóng)學(xué)家的關(guān)注。農(nóng)田土壤中的速效鉀是當(dāng)季作物可以獲取的主要養(yǎng)分資源 ,它標(biāo)志著目前乃至近期內(nèi)可供植物吸收利用的鉀的數(shù)量，是衡量土壤鉀素養(yǎng)分供應(yīng)能力的現(xiàn)實(shí)指標(biāo)，因而在土壤肥力、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要的意義。以全承德市范圍為研究區(qū)域，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS相結(jié)合的方法，分析近期取得的土壤測試數(shù)據(jù)，在較大尺度上進(jìn)行土壤速效鉀的空間變異性研究，旨在了解土壤速效鉀的空間分布規(guī)律，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)合理施肥，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益、實(shí)現(xiàn)資源的合理配置、促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

承德市位于河北省北部，轄8縣3區(qū)，地理坐標(biāo)東經(jīng)115°53′55″～119°14′36″，北緯40°11′28″～42°37′04″，轄區(qū)總面積 39 420 km2。地勢北高南低，海拔118 m～2 215 m。北部為內(nèi)蒙古高原南緣，中部為冀北山地，南部為燕山山地。境內(nèi)有灤河、潮白河、遼河、薊運(yùn)河四大水系。全市耕地面積437 840 hm2，土壤類型有栗鈣土、棕壤、褐土、黑土、灰色森林土、潮土、草甸土、沼澤土、新積土和風(fēng)沙土等。成土母質(zhì)類型包括：沖積物、洪積物、風(fēng)沙沉積物、黃土、人工堆墊物和各種巖石殘坡積物等。

1.2 流域的劃分

土壤速效鉀作為區(qū)域化變量，必然會(huì)存在地質(zhì)趨勢。為此，研究中以中、小流域?yàn)閱挝贿M(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。因?yàn)樵诖朔秶鷥?nèi)，受氣候、巖性、沉積物的作用，以及相近種植制度、耕作方式、管理水平的影響，變量(觀測數(shù)據(jù))在空間分布上的區(qū)域性、方向性變化趨勢基本一致。

全市流域劃分是以30 m分辨率的數(shù)字高程模型(DEM)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的水文分析工具，通過構(gòu)建模型自動(dòng)完成水流方向計(jì)算-計(jì)算匯流量-提取水系-河流連接-生成分水嶺，將全市劃分為19個(gè)中、小流域。

1.3 土壤樣品采集與測定

在研究區(qū)按土壤類型隨機(jī)布點(diǎn)，用GPS定位記錄采樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)，采集土壤農(nóng)化樣品34 420個(gè)(見圖1)，自然風(fēng)干后研磨過0.1 mm篩，用乙酸銨浸提—火焰光度法測試壤速效鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

此項(xiàng)研究以 ArcGIS 10.0為軟件操作平臺(tái)。根據(jù)采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度，建立點(diǎn)圖層，再投影形成高斯坐標(biāo)，鏈接測試數(shù)據(jù)。為消除極端異常值的影響，利用探索性數(shù)據(jù)分析工具查找全局異常值、利用聚類和異常值分析工具查找局部異常值，根據(jù)具體情況，作了刪除處理。并利用探索性數(shù)據(jù)分析工具進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)特征分析、全局趨勢特征分析。用地統(tǒng)計(jì)分析模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)的計(jì)算、理論模型擬合和空間插值。

2 結(jié)果與討論

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)特征分析

土壤速效鉀描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，大凌河上游流域、潵河流域、灤河中上游流域、潮白河流域、灤河上游流域、柳河流域、灤河中游流域速效鉀含量較高，在150 mg/kg以上。長河上游流域平均含量最低，在100 mg/kg以下，其它流域速效鉀平均含量在100～150 mg/kg。變異系數(shù)30%～55.88%，均屬于中等變異。各流域數(shù)據(jù)均為正偏態(tài)分布，即均有少量極高值。除灤河上游流域、青龍河流域、小灤河流域、長河上游流域、薊運(yùn)河上游流域以外，其它流域均為高峰度，即數(shù)據(jù)集中分布在平均值附近。

2.2 分布趨勢特征分析

全局趨勢分析表明，灤河上游流域、武烈河流域?yàn)?個(gè)趨勢；灤河上中游、潮白河、老哈河老牛河、柳河、瀑河、蟻螞吐河流域存在2個(gè)趨勢；小灤河、灤河中游、伊遜河、青龍河、潵河、興州河、薊運(yùn)河上游流域存在3個(gè)趨勢；陰河、大凌河上游流域沒有趨勢。

2.3 土壤速效鉀的空間變異特征分析

變異函數(shù)圖(見圖2)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)解釋土壤空間變異結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，它的精準(zhǔn)模擬是成功的空間內(nèi)插的關(guān)鍵。在土壤速效鉀的地統(tǒng)計(jì)分析中，插值生成最終預(yù)測表面之前，通過交叉驗(yàn)證，比較多個(gè)模型及參數(shù)的預(yù)測誤差，按照平均標(biāo)準(zhǔn)誤差(MSE)趨于0、均方根預(yù)測誤差(RMSE)盡量小且與平均標(biāo)準(zhǔn)誤差接近、標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差(RMSSE)趨近于1的判別標(biāo)準(zhǔn)，選擇最佳理論模型擬合各流域變差函數(shù)圖，插值生成各流域土壤速效鉀預(yù)測圖。各流域變異函數(shù)分析結(jié)果(見表1)表明：潮白河、伊遜河、老哈河流域符合K-Bessel模型；長河上游流域符合孔洞效應(yīng)模型；大凌河、薊運(yùn)河上游、灤河上游、青龍河、潵河、武烈河流域符合指數(shù)模型；灤河下游、老牛河、柳河、瀑河、小灤河、陰河流域速符合穩(wěn)定模型；灤河中游流域符合有理二次方程式模型；興州河流域符合五球模型。伊遜河、興州河、柳河、潵河、瀑河流域變差函數(shù)呈明顯各向異性，其他流域變差函數(shù)呈各向同性。柳河、潵河、老哈河流域塊金效應(yīng)較低，為明顯的空間自相關(guān)，表明其空間變異主要是結(jié)構(gòu)性因素引起的；其它流域塊金效應(yīng)較高，為中度空間自相關(guān)，表明其空間變異受隨機(jī)性因素影響較大。灤河上游流域、伊遜河流域、陰河流域土壤速效鉀變程較大，也就是分布均一性較強(qiáng)；蟻螞吐河、青龍河、薊運(yùn)河上游流域土壤速效鉀變程較小，也就是分布均一性較弱。

2.4 空間分布特征分析

通過合并各流域速效鉀的承德市土壤速效鉀含量圖(見圖3)可以看出，灤河上游流域、灤河上中游流域、伊遜河流域、蟻螞吐河流域、潵河流域、柳河流域、老牛河流域、大凌河流域速效鉀含量較高，陰河流域、興州河流域、潮白河流域、武烈河流域、老哈河流域含量中等，青龍河流域，長河上游流域含量最低。

3 結(jié)論

在承德市范圍內(nèi)，各中小流域由于存在氣候、地形、巖性、沉積物及土壤類型的差異，以及種植制度、耕作方式、管理水平的差異。這些結(jié)構(gòu)性因素及隨機(jī)性因素對(duì)土壤性狀影響程度也各不相同，因而導(dǎo)致耕地土壤速效鉀在空間分布上的區(qū)域性、方向性變化趨勢不同。表現(xiàn)為數(shù)據(jù)正態(tài)分布的不同，全局趨勢不同，變差函數(shù)模型、步長及步長分組、變程不同，空間自相關(guān)性和分布均一性強(qiáng)度不同。

表1 半方差函數(shù)模型類型及其參數(shù)

流域名稱模型變換趨勢移除長軸變程角度短軸變程偏基臺(tái)值塊金值基臺(tái)值步長步長組塊金效應(yīng)潮白河流域K?Bessel無21219712197140722423649700240．6145大凌河流域指數(shù)無044994499132329804303320360．6925薊運(yùn)河上游流域指數(shù)無320412041144419533397400240．5750老哈河流域K?BesselLog214400144000．114690．053210．1679600240．3169老牛河流域穩(wěn)定的無2120001200082110431864500240．5594柳河流域穩(wěn)定的無2486064．53165218719084095270180．4659灤河上游流域指數(shù)的Log122052220520．084490．102550．187041800240．5482灤河中游流域穩(wěn)定的無31080010800107614802556600240．5789灤河上中游流域有理二次方程式無234003400127720743351200240．6189瀑河流域穩(wěn)定的無215360111．07364139331114504480320．6908青龍河流域指數(shù)無31614161450110251526270120．6717潵河流域指數(shù)無36960163．53966114319013044580120．3583武烈河流域指數(shù)無19000900080010641864250360．5708小灤河流域穩(wěn)定的Log3875187510．148810．159390．3082400240．5172興州河流域五球無313380126．95635781118919701115120．6034伊遜河流域K?Bessel無31764043．27400151719313510490360．5501蟻螞吐河流域五球無211631163133531784513240180．7042陰河流域穩(wěn)定的無02400024000102615792605500480．6061長河上游流域孔洞效應(yīng)無312881288297634931280280．6810

[1] 陽正熙，吳塹虹.地學(xué)數(shù)據(jù)分析教程[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[2] 王遠(yuǎn)飛,何洪林.空間數(shù)據(jù)分析方法[M].北京：科學(xué)出版社,2007.

[3] 劉愛利,王培法.地統(tǒng)計(jì)學(xué)概論[M].北京：科學(xué)出版社,2012.

[4] 黃紹文,金繼運(yùn).土壤特性空間變異研究進(jìn)展[J].土壤肥料,2002(1)：8-13.

[5] 趙其國,史學(xué)正.土壤資源概論[M].北京：科學(xué)出版社,2007.

[6] 王政權(quán).地統(tǒng)計(jì)學(xué)及在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,1999.

Spatial Variability of Soil Available Potassium in Cultivated Land in Chengde City

ZHANG Cui-zhen， LIANG Di

(Chengde Soil Fertilizer Workstation, Chengde 067000, Hebei, China)

The paper divides chengde by river basin into 19 areas with the method of Gis hydrological analysis, and makes a geostatistical analysis of soil available k in cultivated land on the basis of extensive sampling test, as well as spatial variability characteristics and distribution pattern of cultivated land soil in different watershed. The soil available k prognostic map was generated by the Kriging interpolation method. The results show that the soil available potassium has different statiscal characteristics, normal distribution and global trend, There are obvious differences in the intensity of autocorrelation and distribution of space.

Chengde city； river’s basin； soil available potassium； spatial variability

2016-10-28

張翠珍(1971-),女，河北興隆人，高級(jí)農(nóng)藝師，主要從事土壤肥料技術(shù)推廣，E-mail：407880326@qq.com。

S143

A

1008-9446(2017)02-0048-06