瑪納斯縣黏土實(shí)測數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的比較差異性分析

魏影 武紅旗 張文太 軒俊偉

摘要：以新疆瑪納斯縣為研究區(qū)，以54個土壤調(diào)查樣點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對比分析了瑪納斯縣1∶5萬新疆土壤數(shù)據(jù)庫（XSD）、1∶100萬面向陸面模擬的中國土壤數(shù)據(jù)集（LSM）和1∶100萬世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）土壤黏粒含量的差異。結(jié)果表明，對于點(diǎn)數(shù)據(jù)而言，XSD平均絕對誤差和平均相對誤差均最大，分別為133.1 g/kg和45.87%。三種數(shù)據(jù)庫的土壤黏粒數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)均有不同程度的差異?，敿{斯縣1∶5萬土壤質(zhì)地圖顯示瑪納斯縣有黏土分布，黏土分布面積為141.8 km2。從瑪納斯縣土壤黏?？臻g分布圖可看出，同一區(qū)域不同數(shù)據(jù)庫之間存在差異，HWSD高于300 g/kg土壤黏粒分布面積最大，為1 621.7 km2，而XSD高于 300 g/kg土壤黏粒的面積僅為104.3 km2，LSM不存在高于300 g/kg的土壤黏粒分布區(qū)。通過實(shí)測值檢驗(yàn)了三種數(shù)據(jù)庫之間的差異，表明在縣域尺度XSD空間數(shù)據(jù)與實(shí)測值更接近，比LSM數(shù)據(jù)和HWSD數(shù)據(jù)更為可信。

關(guān)鍵詞：土壤黏粒；空間分布；不確定性； ArcGIS；瑪納斯縣；土壤數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：S155+.3（245）文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2018）05-0092-06

Abstract Taking Manas County as research area and based on the measured data of 54 soil survey samples， we compared and analyzed the difference of soil clay content between 1∶50 000 Xinjiang Soil Database of Manas County （XSD）， 1∶1 000 000 China Dataset of Soil Properties for Land Surface Modeling （LSM） and 1∶1 000 000 Harmonized World Soil Database （HWSD）. For the point data， the average absolute error and the average relative error of XSD were the largest， reaching 133.1 g/kg and 45.87%， respectively. All soil clay data of the three databases are quite different from those of the actual measurement results. The 1∶50 000 soil texture map of Manas County showed that it has clay soils， and the area was 141.8 km2. From the spatial distribution of soil clay in Manas County， we can see that there are differences between different databases in the same area. The area with soil clay content over 300 g/kg was 1 621.7 km2 in the HWSD and 104.3 km2 in the XSD， but there was no clay soil area for LSM. Through comparing the differences among the three databases with the actual measuring， we found that XSD data was closer to the actual measured ones and was more reliable than LSM and HWSD data at county scale.

Keywords Soil clay； Spatial distribution； Uncertainty； ArcGIS； Manas County； Soil database

中國土壤數(shù)據(jù)庫工作開始于20世紀(jì)80年代[1]。1979年新疆開展了第二次土壤調(diào)查工作[2]，并建立了數(shù)字化1∶100萬新疆土壤類型圖[3]。新疆地域廣闊，由于地形、地貌等因素限制，土壤調(diào)查范圍有限，歷史土壤數(shù)據(jù)可能存在較大的不確定性。1∶5萬土壤類型圖，雖然精度高，但不易獲取土壤黏粒數(shù)據(jù)，1∶100萬土壤黏粒數(shù)據(jù)雖然方便獲取，但精度較低，獲取精確的土壤數(shù)據(jù)尤為重要。研究者對樣點(diǎn)數(shù)量不同[4]、研究方法不同[5-7]、補(bǔ)充樣本[8]等空間不確定性已做了大量研究，Budiman等利用歷史數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)研究了土壤碳的變化，采用數(shù)字土壤制圖技術(shù)對不同地方進(jìn)行不確定性驗(yàn)證[9]。Zhao等[10]利用空間歷史數(shù)據(jù)和實(shí)際測量數(shù)據(jù)研究了土壤碳的變化，采用不同制圖方法探討了其不確定性。趙永存等[11]采用序貫指示模擬方法對張家港土壤表層（0～15 cm）Cu含量的空間不確定性進(jìn)行了定量評價(jià)。通常土壤采樣密度越大，表示的土壤氮素空間分布的不確定性越小，反之不確定性越大[12]。雖然有關(guān)不確定性研究已有很多，但以實(shí)測土壤黏粒數(shù)據(jù)對比不同數(shù)據(jù)庫土壤黏粒歷史數(shù)據(jù)差異性還較為少見。由于土壤剖面僅代表點(diǎn)，不同比例尺或不同基礎(chǔ)資料得到的新疆黏土分布區(qū)域有所差異，且分布區(qū)域較零散，僅以目前便于獲取的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，指導(dǎo)野外土壤剖面調(diào)查點(diǎn)的布設(shè)可能并不合理，需要進(jìn)行縣域高精度土壤調(diào)查。本研究以新疆瑪納斯縣為例，以實(shí)測土壤黏粒數(shù)據(jù)對比1∶5萬新疆土壤數(shù)據(jù)庫（XSD）、1∶100萬面向陸面模擬的中國土壤數(shù)據(jù)集（LSM）和1∶100萬世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）土壤黏粒含量的差異，并分析不同數(shù)據(jù)庫間的差異。了解土壤黏?？臻g變異將有利于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)規(guī)劃、農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣及精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展[13]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯縣東經(jīng)85°41′ ～ 86°43′，北緯43°28′ ～ 45°38′。全縣總面積為 10 196.4 km2。研究區(qū)地貌包括山地、平原、沙漠。土壤類型有灌淤土、灰漠土、栗鈣土、鹽土等，灌區(qū)農(nóng)業(yè)土壤成土母質(zhì)主要有河流沖積物、灌水淤積物、洪積物、殘積物、坡積物及風(fēng)積物。屬溫帶大陸性干旱半荒漠和荒漠氣候，夏季炎熱干燥，冬季漫長寒冷。年平均溫度6.8℃，年降水量167.2 mm，但生長季節(jié)熱量資源豐富，氣溫日差大，主要種植經(jīng)濟(jì)作物、糧食作物[14]。

1.2 樣品采集和測定

通過瑪納斯縣1∶5萬土壤圖確定黏土的分布區(qū)域，運(yùn)用Google Earth軟件從黏土區(qū)域選定采樣點(diǎn)經(jīng)緯度，由GPS導(dǎo)航進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦?、土地利用類型等最終確定采樣點(diǎn)位置。取0～30 cm表層土壤，共采集54個土壤樣點(diǎn)，54個樣點(diǎn)相鄰兩個點(diǎn)之間的平均間距是3.69 km，所代表區(qū)域面積為965.04 km2。帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干，過2 mm篩備用。土壤樣品中土壤機(jī)械組成的測定采用吸管法，重復(fù)樣品的相對誤差控制在5%以內(nèi)[15]。根據(jù)美國制土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，土壤顆粒劃分為3個等級，砂粒（2～0.05 mm）、粉粒（0.05～0.002 mm）、黏粒（<0.002 mm），并計(jì)算得到3個土壤粒徑數(shù)據(jù)[16]。

1.3 數(shù)據(jù)庫

研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自瑪納斯縣1∶5萬新疆土壤數(shù)據(jù)庫（XSD）、1∶100萬面向陸面模擬的中國土壤數(shù)據(jù)集（LSM）和1∶100萬世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）。

1∶5萬XSD為1981年《新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯縣土壤普查報(bào)告》記載的共22個土壤剖面黏粒數(shù)據(jù)[14]，通過加權(quán)平均法將土壤剖面深度統(tǒng)一成0～30 cm[17]，以22個土壤剖面地理位置為基礎(chǔ)，運(yùn)用Google Earth軟件實(shí)現(xiàn)瑪納斯縣樣點(diǎn)經(jīng)、緯度的查找，逐個得到剖面點(diǎn)經(jīng)緯度。使用ArcGIS10.2軟件運(yùn)用以點(diǎn)帶面法將數(shù)據(jù)逐一連接到1∶5萬數(shù)字化土壤圖相應(yīng)的圖斑上，生成土壤黏粒空間分布圖[18，19]。

1∶100萬LSM（來源于北京師范大學(xué)），以全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)和各省、市、自治區(qū)省級土壤圖為基礎(chǔ)，采用多邊形連接法生成土壤圖，按土壤剖面特征共分8個標(biāo)準(zhǔn)層，且最深達(dá)到2.3 m，共包括8 979個土壤剖面，達(dá)到30×30弧秒分辨率，2013年Shangguan等詳細(xì)介紹了1∶100萬LSM，且數(shù)據(jù)共享[20]。為了便于比較，本研究通過加權(quán)平均法將土壤剖面深度統(tǒng)一成0～30 cm[17]。

1∶100萬HWSD在2009生成，由世界土壤圖（Soil Map of the World）、中國科學(xué)院南京土壤研究所提供的1∶100萬中國土壤圖和歐洲土壤數(shù)據(jù)庫（the European Soil Database）等數(shù)據(jù)融合而成，且數(shù)據(jù)共享。其中1∶100萬中國土壤圖通過土壤類型法使屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)相連接生成空間圖，30×30弧秒分辨率，數(shù)據(jù)來自全國第二次土壤普查編制的中國土種志。采用的土壤分類系統(tǒng)主要為FAO-90。土壤剖面深度主要分0～30 cm和30～100 cm兩個范圍[21-23]。本研究只考慮土壤剖面深度0～30 cm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)處理過程中采用了SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征描述，ArcGIS 10.2主要用于矢量圖形的編輯、土壤黏?？臻g分布圖和土壤質(zhì)地分布圖的生成、從不同數(shù)據(jù)庫獲取點(diǎn)數(shù)據(jù)等，使用SigmaPlot 10.0制作散點(diǎn)圖，并利用均方根誤差（RMSE）比較數(shù)據(jù)間離散程度，平均絕對誤差（MAE）、平均相對誤差（MRE）可以判斷數(shù)據(jù)間的差異性，評價(jià)各數(shù)據(jù)庫間的不確定性[24]。計(jì)算公式如下。

式中，MRE代表平均相對誤差；MAE代表平均絕對誤差；RMSE代表均方根誤差；X為不同空間分布圖中的土壤黏粒數(shù)據(jù)，Xi為實(shí)測土壤黏粒數(shù)據(jù)。n為樣本數(shù)，本研究中，n=54。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)查點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

2.1.1 54個土壤樣點(diǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì) 采用吸管法對瑪納斯縣54個土壤樣點(diǎn)進(jìn)行測定，進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，由表1可知，土壤砂粒、粉粒和黏粒平均值分別為308.8、418.1 g/kg和273.1 g/kg，且砂粒最小值為63.31 g/kg，粉粒最大值為722.7 g/kg。砂粒標(biāo)準(zhǔn)差最大為175.0 g/kg。變異系數(shù)在25%～60%之間，屬于中等程度變異[25]，砂粒變異系數(shù)最大，黏粒變異系數(shù)最小，說明土壤采樣點(diǎn)砂粒的離散程度高于黏粒，砂粒、粉粒和黏粒呈現(xiàn)一定的空間變異性。54個土壤樣點(diǎn)中黏粒的極差、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)均最小，土壤各粒級所占百分比影響土壤保水、保肥、通氣、透水能力。

2.1.2 54個土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與歷史土壤黏粒數(shù)據(jù)的比較 使用SPSS 21.0軟件對表層土壤黏粒含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，由表2可知，實(shí)測土壤黏粒數(shù)據(jù)最大，為467.6 g/kg，LSM土壤黏粒數(shù)據(jù)最小，為49.0 g/kg，實(shí)測土壤黏粒數(shù)據(jù)平均值最大，為273.1 g/kg，LSM土壤黏粒數(shù)據(jù)平均值最小，為154.5 g/kg，LSM的土壤黏粒標(biāo)準(zhǔn)差最小，為49.25 g/kg，HWSD的土壤黏粒標(biāo)準(zhǔn)差最大，為79.27 g/kg，并與實(shí)測值、XSD和LSM標(biāo)準(zhǔn)差相差較大，且實(shí)測值與LSM和HWSD間均存在顯著性差異，這與樣本量和土壤采樣位置等不同有關(guān)。變異系數(shù)在25%～50%之間，屬于中等程度變異[25]，HWSD變異系數(shù)最大，達(dá)到了45.65%，實(shí)測值變異系數(shù)最小，為26.76%，說明數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的離散程度相對較低，江厚龍等[13]利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法證明了土壤顆粒在不同尺度上均具有一定程度的空間變異性。XSD平均絕對誤差、平均相對誤差均最大，分別為133.1 g/kg和45.87%，不同數(shù)據(jù)庫間均方根誤差相差較大，極差為28.90 g/kg。LSM、HWSD和XSD與實(shí)測值均有不同程度的差異，這可能是三種數(shù)據(jù)庫生成空間數(shù)據(jù)庫時使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源翔實(shí)程度不同造成的。

2.2 調(diào)查點(diǎn)土壤質(zhì)地與1∶5萬土種圖數(shù)據(jù)的比較

依據(jù)土壤中黏粒含量高于300 g/kg稱為黏土的標(biāo)準(zhǔn)[16]，根據(jù)瑪納斯縣1∶5萬土壤質(zhì)地圖，計(jì)算出黏土面積為141.8 km2，證明新疆瑪納斯縣有黏土分布。按機(jī)械組成劃分，實(shí)測54個樣點(diǎn)中21個樣點(diǎn)屬于黏土；按土壤質(zhì)地圖劃分，實(shí)測54個樣點(diǎn)中34個樣點(diǎn)屬于黏土。黏土劃分既屬于機(jī)械組成又屬于土壤質(zhì)地圖的樣點(diǎn)共有17個（圖1，表3）。證明實(shí)測數(shù)據(jù)與縣域土壤圖有差異，縣域高精度黏土調(diào)查并不是十分準(zhǔn)確，可能是土壤剖面僅代表點(diǎn)，新疆黏土分布區(qū)域較零散，面積較小造成的。土壤調(diào)查數(shù)據(jù)的使用不應(yīng)該只依靠土壤圖，應(yīng)與遙感、數(shù)字土壤制圖等野外工作相結(jié)合，提高土壤空間數(shù)據(jù)的分辨率和準(zhǔn)確性。0～50 cm土層黏粒的平均含量在300 g/kg以上，大致符合變性土劃分對黏粒含量的要求[26]。研究縣域高精度土壤黏粒空間分布圖不僅豐富當(dāng)?shù)赝寥蕾Y料，也可以為新疆開展變性土調(diào)查提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3 樣點(diǎn)尺度土壤黏粒歷史數(shù)據(jù)的不確定性

以實(shí)測采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度為基礎(chǔ)，從三種不同尺度數(shù)據(jù)庫中分別提取54個土壤黏粒數(shù)據(jù)，并分析，分別以實(shí)測土壤黏粒數(shù)據(jù)（實(shí)測值）為橫坐標(biāo)，得到圖2。以XSD、LSM和HWSD土壤黏粒數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖，并得出決定系數(shù)（R2）和顯著性差異結(jié)果（P）。隨著實(shí)測值的增加，XSD、LSM的土壤黏粒數(shù)據(jù)下降，實(shí)測值可以解釋5.8%的XSD土壤黏粒數(shù)據(jù)的變異，而對LSM解釋的變異程度更少，隨著實(shí)測值的增加HWSD的土壤黏粒數(shù)據(jù)上升，實(shí)測值可以解釋0.007%土壤黏粒數(shù)據(jù)的變異，實(shí)測值解釋XSD、LSM和HWSD的土壤黏粒數(shù)據(jù)變異均不太理想。在圖2中的1、2和3點(diǎn)，實(shí)測值均為161.6 g/kg，而從XSD、LSM和HWSD中分別提取的土壤黏粒數(shù)據(jù)分別為343.0、155.6 g/kg和230.0 g/kg，實(shí)測值與XSD、LSM和HWSD均有不同程度差異，但針對點(diǎn)數(shù)據(jù)而言，數(shù)據(jù)庫間差異均不顯著，這可能與三種數(shù)據(jù)庫生成空間圖方法及比例尺不同有關(guān)。

2.4 空間尺度土壤黏粒歷史數(shù)據(jù)的不確定性

應(yīng)用以點(diǎn)帶面法生成了瑪納斯縣1∶5萬新疆土壤數(shù)據(jù)庫（XSD）[18]，將此圖與1∶100萬面向陸面模擬的中國土壤數(shù)據(jù)集（LSM）和1∶100萬世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）分別疊置，生成0～30 cm土壤黏粒空間分布圖（圖3）。HWSD中土壤黏粒含量高于300 g/kg的面積最大，為1 621.7 km2，XSD中土壤黏粒含量大于300 g/kg的面積較小，僅為104.3 km2，LSM中土壤黏粒含量沒有超過300 g/kg的區(qū)域。研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料和空間圖生成方法不同，導(dǎo)致研究結(jié)果產(chǎn)生不同程度差異，即使相同比例尺結(jié)果也有差異，生成高精度土壤圖，提高土壤空間數(shù)據(jù)的分辨率和準(zhǔn)確性尤為重要，更準(zhǔn)確的評價(jià)土壤，可以為當(dāng)?shù)赝恋乩?、管理以及改良等方面提供科學(xué)依據(jù)。

3 討論

本研究只探討了實(shí)測數(shù)據(jù)與三種不同尺度土壤數(shù)據(jù)庫間空間數(shù)據(jù)的差異性。土壤粒徑劃分均統(tǒng)一為美國制，以實(shí)測點(diǎn)經(jīng)緯度獲取三種不同尺度土壤數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫的生成是以搜集已有資料為基礎(chǔ)，中國第二次土壤普查距今時間較長，獲取更精確的土壤數(shù)據(jù)資料至關(guān)重要。

本研究通過54個實(shí)測土壤黏粒數(shù)據(jù)與三種不同尺度數(shù)據(jù)庫土壤黏粒數(shù)據(jù)的比較，及54個采樣點(diǎn)土壤質(zhì)地的比較，可以看出空間尺度土壤黏粒歷史數(shù)據(jù)間存在具體差異，如XSD平均絕對誤差、平均相對誤差均最大，分別為133.1 g/kg和45.87%，不同數(shù)據(jù)庫間均方根誤差相差較大，極差為28.90 g/kg。但實(shí)測54個土壤黏粒數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)間差異不顯著。XSD數(shù)據(jù)與實(shí)測值更接近，在縣域尺度XSD比LSM數(shù)據(jù)和HWSD數(shù)據(jù)更為可信?？赡苁腔A(chǔ)資料翔實(shí)程度和生成空間圖方法差異使結(jié)果造成差異。獲取更精確的土壤資料，不僅對評價(jià)土壤有利，也可以為當(dāng)?shù)赝恋乩谩⒐芾淼忍峁┛茖W(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

以瑪納斯縣實(shí)測土壤黏粒數(shù)據(jù)為依據(jù)，對比了瑪納斯縣1∶5萬新疆土壤數(shù)據(jù)庫（XSD）、1∶100萬面向陸面模擬的中國土壤數(shù)據(jù)集（LSM）和1∶100萬世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）土壤黏粒的差異，實(shí)測值與三種數(shù)據(jù)庫平均絕對誤差、均方根誤差和平均相對誤差均相差較大。就空間數(shù)據(jù)而言，從瑪納斯縣土壤黏粒空間分布圖中看出XSD、HWSD和LSM中土壤黏粒分布有明顯差異，HWSD和XSD土壤黏粒含量高于300 g/kg的區(qū)域面積分別為1 621.7 km2和104.3 km2，LSM沒有土壤黏粒含量高于300 g/kg的區(qū)域。實(shí)測土壤黏粒數(shù)據(jù)與XSD、LSM和HWSD均有不同程度差異，基礎(chǔ)資料翔實(shí)程度和生成空間圖方法差異及比例尺不同均會使結(jié)果造成差異，實(shí)測土壤黏粒數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，能夠真實(shí)地反映當(dāng)?shù)赝寥李愋?，且XSD數(shù)據(jù)與實(shí)測值更接近，在縣域尺度比LSM數(shù)據(jù)和HWSD數(shù)據(jù)更為可信。土壤數(shù)據(jù)的使用應(yīng)與遙感、數(shù)字土壤制圖等野外工作相結(jié)合，提高土壤空間數(shù)據(jù)的分辨率和準(zhǔn)確性。

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