基于GS+和ArcGIS的蒲江縣耕地土壤養(yǎng)分空間變異分析

鐘文挺 李浩 謝麗紅 孫娟 何玉亭 王科

摘 要：基于GS+7.0、ArcGIS10.2建立蒲江縣全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)5種耕地土壤養(yǎng)分含量的最優(yōu)半方差函數(shù)模型，利用該模型進行了空間變異和普通Kriging空間插值分析。研究區(qū)土壤全氮、堿解氮、有機質(zhì)均具有中等空間變異性，有效磷、速效鉀表現(xiàn)為弱空間變異性。全氮、堿解氮含量高低受地形、成土母質(zhì)、土壤類型等自然條件和施肥、種植模式、耕作措施等人為活動的共同影響，有機質(zhì)更多地受人為活動的影響，而有效磷、速效鉀則主要決定于人為活動的作用。5種土壤養(yǎng)分含量的空間插值圖可直觀地表達縣域耕地土壤養(yǎng)分的含量水平及其分布狀況，使用該圖件可方便地提出相應(yīng)的平衡施肥建議。

關(guān)鍵詞：GS+ ArcGIS 土壤養(yǎng)分 空間變異 蒲江縣

中圖分類號：S151.9? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： Based on GS+7.0 and ArcGIS 10.2， the optimized semi-variance model of five arable soil nutrients in Pujiang was established， including total nitrogen （TN）， alkali-hydrolyzable nitrogen （AN）， available phosphorus （AP）， available potassium （AK） and organic matter （OM），by which spatial variability and Kriging interpolation were analyzed. The contents of TN， AN， OM had moderate spatial variabilities， while AP and AK showed weak spatial variabilities. The contents of TN and AN were affected by natural characteristics such as topography， parent material and soil type，and anthropogenic activities such as fertilization， planting patterns and tillage measures. OM tended to be influenced by human activities， while AP and AK were mainly affected by human activities. Spatial interpolation map of five arable soil nutrients could visually show the level and distribution of soil nutrients. Recommendation for balanced fertilization could be put forward by using this map.

Key words： GS+; ArcGIS; soil nutrient; spatial variation; Pujiang

土壤養(yǎng)分因受自然因子和人為活動的綜合影響，其空間特征會產(chǎn)生明顯變化，普遍存在空間變異性[1-3]。揭示土壤養(yǎng)分空間變異規(guī)律，對于指導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)施肥，提高土壤環(huán)境質(zhì)量，促進耕地資源可持續(xù)利用具有很強現(xiàn)實意義[4-6]。上世紀90年代起，地統(tǒng)計學(xué)與GIS相結(jié)合的分析方法在土壤養(yǎng)分空間變異研究上得到廣泛應(yīng)用，它能夠通過使用有限的土壤樣本數(shù)據(jù)空間內(nèi)插，掌握整個研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分空間變異狀況并進行分析預(yù)測，從而大大提高分析效率，節(jié)省人力物力[7-12]。目前，ArcGIS地統(tǒng)計分析模塊是最常用的空間變異分析工具之一，但若使用其默認的參數(shù)設(shè)定進行分析往往會出現(xiàn)數(shù)據(jù)模型決定系數(shù)不高，擬合程度不強的問題，影響結(jié)果的精確性[13]。GS+地統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化相較于ArcGIS更為簡捷，故在使用ArcGIS地統(tǒng)計分析模塊之前，利用GS+進行模型優(yōu)化可以彌補這一不足。

蒲江縣是成都市傳統(tǒng)的獼猴桃和柑橘生產(chǎn)大縣，同時也是化肥、有機肥等農(nóng)用品的投入大縣。長期以來對蒲江縣的耕地土壤養(yǎng)分空間變異研究較少，然而該區(qū)域持續(xù)高強度的農(nóng)業(yè)開發(fā)不僅降低肥料利用率，增加農(nóng)業(yè)成本，而且造成農(nóng)業(yè)面源污染。因此本文以蒲江縣為研究區(qū)域，運用GS+和ArcGIS對該縣全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)5種耕層土壤養(yǎng)分進行空間變異分析，揭示其耕地土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律，以便制定科學(xué)的施肥方案，防范耕地土壤環(huán)境質(zhì)量惡化，為該縣綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供幫助。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

蒲江縣位于成都、眉山、雅安三市交界處，介于東經(jīng)103°19′ ～ 103°41′和北緯30°5′ ～ 30°21′之間，總面積582.86 km2，平均海拔534 m，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年均氣溫16.3 ℃，年均降水量1196.8 mm，日照時數(shù)春夏足而秋冬短，降雪少。蒲江縣境跨成都凹陷西南段之南部，東西兩緣皆有斷裂控制，平壩、丘陵、山地分別占總面積的20.24 %、63.11 %、16.65 %，耕地面積占總面積的41.40 %。蒲江縣土壤類型以水稻土、黃壤、紫色土為主，其中水稻土主要分布在溝谷低洼漕沖地帶及河流沿岸的近丘低平地，成土母質(zhì)為第四紀河流沖積物和近代河流沖積物;黃壤、紫色土主要分布在大、小五面山及長秋山山丘區(qū)，成土母質(zhì)以砂泥巖類為主[14，15]。蒲江縣農(nóng)業(yè)人口約18.92萬人，占總?cè)丝诘?0.52 %，是成都市傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大縣。

1.2 土樣采集與檢測

本次土樣采集采用網(wǎng)格法以30 hm2左右的土壤面積為單位均勻布設(shè)樣點（圖1），通過GPS定位，運用S形取樣法進行多點取樣。土樣于2017年8 ～ 12月完成采集，共計1070個耕層土壤樣品，其對應(yīng)的主要農(nóng)作物為獼猴桃、柑橘以及茶葉。土樣經(jīng)過雜物剔除、風(fēng)干、磨碎、過尼龍篩后分別裝入瓶中待測。全氮采用半微量凱氏法，堿解氮采用堿解擴散法，有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法，由具備省級以上計量認證資質(zhì)的檢測機構(gòu)完成上述項目的測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

運用SPSS17.0的箱型圖分析，根據(jù)《耕地質(zhì)量等級》、《耕地地力評價指南》及成都市耕地基礎(chǔ)養(yǎng)分評價指標體系[15，16]，結(jié)合土壤類型、種植模式、施肥習(xí)慣等進一步識別并剔除部分耕地土壤養(yǎng)分的離群值。利用GS+7.0對樣本數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計、正態(tài)性檢驗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并通過調(diào)整模型類型、有效滯后距、間距、塊金值、基臺值、變程，找出決定系數(shù)與殘差均表現(xiàn)較好的半方差擬合模型。將樣本數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS10.2，以上述模型的相關(guān)參數(shù)為基礎(chǔ)進行地統(tǒng)計分析，查看模型的交叉驗證結(jié)果，如若結(jié)果不佳再通過GS+7.0重新調(diào)整模型參數(shù)，最終選擇交叉驗證結(jié)果最優(yōu)的模型用于耕地土壤養(yǎng)分普通Kriging空間插值分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分統(tǒng)計特征分析

本次樣本的全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)5種土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)經(jīng)過箱型圖分析，分別有35、19、47、28、22個離群值，通過樣點土壤類型、種植模式、施肥習(xí)慣以及相關(guān)耕地土壤養(yǎng)分評價體系等方面的綜合考慮，最終分別確定了6、6、11、4、3個離群值并予以剔除。在傳統(tǒng)統(tǒng)計方法中，常用變異系數(shù)（CV）從總體上衡量測定值的變異程度，一般分為為弱變異性（CV<10 %）、中等變異性（10 %≤CV≤100 %）、強變異性（CV>100 %）3級[17]。用傳統(tǒng)統(tǒng)計方法對經(jīng)過離群值剔除的樣本數(shù)據(jù)進行一般描述性統(tǒng)計，其統(tǒng)計特征見表1。研究區(qū)5種土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)均呈中等變異性，變異程度由大到小依次為有效磷>速效鉀>堿解氮>全氮>有機質(zhì)。其中有效磷的變異系數(shù)比較突出，接近強變異性，這可能與有效磷在土壤中移動性小以及磷肥當(dāng)季利用效率較低有關(guān)[18]。地統(tǒng)計學(xué)分析的前提是樣本須服從正態(tài)分布，而未經(jīng)轉(zhuǎn)換的5種土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)均顯示出一定的偏態(tài)效應(yīng)。經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)換后由偏度系數(shù)和峰度系數(shù)檢驗結(jié)果可知，5種土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)均呈對數(shù)正態(tài)分布。

2.2 土壤養(yǎng)分空間變異分析

為使本次土壤養(yǎng)分空間變異分析結(jié)果更加精準可靠，本文結(jié)合運用GS+7.0、ArcGIS10.2，探索出決定系數(shù)高、殘差低以及交叉驗證結(jié)果最優(yōu)的半方差函數(shù)模型（圖2）。該模型利用GS+7.0從模型類型、有效滯后距、間距、塊金值、基臺值、變程等方面對經(jīng)過離群值剔除的樣本數(shù)據(jù)進行調(diào)整，再運用ArcGIS10.2地統(tǒng)計分析模塊進行交叉驗證，其相關(guān)參數(shù)與擬合程度如表2所示，交叉驗證結(jié)果如表3所示。結(jié)果顯示：全氮、速效鉀的模型類型以球狀為最佳，堿解氮、有效磷、有機質(zhì)的最適模型則為指數(shù)模型。5種土壤養(yǎng)分模型決定系數(shù)均在0.9以上，殘差均小于0.001，與ArcGIS默認參數(shù)下的擬合度相比較，決定系數(shù)提高了1.2 % ～ 10.2 %，殘差減小了59.6 % ～ 97.3 %，模型擬合效果更好。全氮與有機質(zhì)最優(yōu)模型的平均誤差最接近于0，標準化均方根誤差最接近于1，標準化平均誤差最接近于均方根誤差，表明它們相較于其他3種土壤養(yǎng)分最優(yōu)模型擬合狀況更好。研究區(qū)全氮、堿解氮、有機質(zhì)的塊金值（C0）均較小，表明上述3種土壤養(yǎng)分由實驗誤差和由小于實際取樣尺度下的耕作、施肥等因素所引起的隨機誤差較小。有效磷、速效鉀的塊金值（C0）偏大，特別是有效磷的塊金值（C0）達到了0.679，表明有效磷、速效鉀更有可能出現(xiàn)實驗誤差，也更傾向于受到小于實際取樣尺度下的耕作、施肥等人為因素的影響。5種土壤養(yǎng)分的變程由大到小依次為有效磷>速效鉀>有機質(zhì)>堿解氮>全氮，其中有效磷、速效鉀、有機質(zhì)的變程分別為6.536、4.852、4.470 km，是全氮、堿解氮變程的2倍以上，說明它們的空間變異尺度較大，在這個較大的空間范圍內(nèi)的空間自相關(guān)性較強。研究區(qū)土壤全氮、堿解氮、有機質(zhì)均表現(xiàn)為中等空間變異性，說明地形、成土母質(zhì)、土壤類型等自然因素和施肥、種植模式、耕作措施等人為因素對其空間變異性的影響較為均衡，但有機質(zhì)的塊金系數(shù)達到了67.71%，說明其更傾向于受到人為因素的影響。有效磷、速效鉀的塊金系數(shù)分別達到了83.01 %和86.36 %，表現(xiàn)為弱空間變異性，說明它們主要受人為因素的影響。

2.3 土壤養(yǎng)分空間插值分析

根據(jù)研究區(qū)5種土壤養(yǎng)分的最優(yōu)半方差函數(shù)模型，利用ArcGIS10.2中的普通Kriging空間插值方法生成相應(yīng)的土壤養(yǎng)分空間插值圖 （圖3）。根據(jù)相關(guān)耕地土壤養(yǎng)分評價體系[16，17]，蒲江縣5種土壤養(yǎng)分含量分布結(jié)果顯示：全氮總體處于中等至豐富水平，其分布狀況具有“南高北低”以及在局部范圍內(nèi)相對集中的特征，“北低”主要由連綿于縣境北部的大五面山的地質(zhì)背景值引起，局部范圍內(nèi)相對集中則可能與農(nóng)民在一定種植模式下普遍施用氮肥有密切關(guān)系。堿解氮總體處于較豐富至豐富水平，其分布狀況與全氮較為相似，但由于堿解氮更多傾向于受到當(dāng)季施入的氮素化肥量的影響，故地理空間本身特性對其影響較弱，人為劃定的種植業(yè)區(qū)域特性對其影響更大。針對全氮與堿解氮的這種分布特征，該縣在今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)注意在含量偏高的局部地區(qū)減少氮肥的施用，提高肥料有效利用率，降低因氮素過高造成的土壤生態(tài)環(huán)境風(fēng)險。有效磷總體處于豐富水平，縣境西北部及中部大部分含量過高區(qū)域，應(yīng)注意控制磷肥施用量，以施用復(fù)合肥為例，應(yīng)盡量選擇磷素配比低的復(fù)合肥。有效磷在縣境東北部、西南部、南部出現(xiàn)不太明顯的相對偏低趨勢，可見因為有效磷在土壤中具有移動性較差的特點，從而在一定程度上分別受到了來自大五面山、小五面山、長秋山的地質(zhì)背景值的影響。但另一方面，由于磷肥當(dāng)季利用效率較低，在土壤和作物未充分礦化或吸收的情況下，土壤有效磷極易受到施肥因素的影響，而這種影響極大的模糊了自然因素對該縣土壤有效磷的作用。速效鉀總體處于較缺乏至中等水平，以縣境西部與東北部區(qū)域最為缺乏。該縣大部分地區(qū)都應(yīng)通過適當(dāng)施用鉀肥、草木灰以及實行秸稈還田補充速效鉀，同時在施用鉀肥時應(yīng)盡量避開高溫多雨天氣，以免土壤溶液中的鉀素和交換性鉀素因淋溶作用迅速流失。有機質(zhì)總體處于中等至較豐富水平，其較豐富的區(qū)域主要集中分布在縣境西部。由于縣內(nèi)主要種植獼猴桃、柑橘、茶葉等經(jīng)濟作物，一直以來對施用有機肥較為重視，截至目前持續(xù)開展有機肥培肥地力等相關(guān)工作已有5年以上，特別是近兩年開展的“果—菜—茶有機肥替代化肥”工作更加有效的補充了土壤有機質(zhì)，故其有機質(zhì)更多受到人為活動的影響，該縣在今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)繼續(xù)保持有機肥的施用。

3 結(jié)論

本文利用GS+7.0、ArcGIS10.2建立了蒲江縣全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)5種耕地土壤養(yǎng)分含量的最優(yōu)半方差函數(shù)模型，并以此為基礎(chǔ)對5種土壤養(yǎng)分含量進行了空間變異分析和普通Kriging空間插值分析。研究結(jié)果表明：5種土壤養(yǎng)分最優(yōu)半方差函數(shù)模型的決定系數(shù)均在0.9以上，殘差均小于0.001，模型擬合效果均表現(xiàn)良好。全氮、堿解氮、有機質(zhì)均表現(xiàn)為中等空間變異性，主要受地形、成土母質(zhì)、土壤類型等自然因素和施肥、種植模式、耕作措施等人為因素的共同影響。有效磷、速效鉀表現(xiàn)為弱空間變異性，主要受人為因素的影響。5種土壤養(yǎng)分含量的空間插值圖直觀地表達了每一種土壤養(yǎng)分在不同區(qū)域的含量水平及分布狀況，為該縣的平衡施肥及土壤改良提供了理論依據(jù)。

參考文獻

[1]? ? ? 呂真真，劉廣明，楊勁松，等.環(huán)渤海沿海區(qū)域土壤養(yǎng)分空間變異及分布格局[J].土壤學(xué)報，2014（5）：944-952.

[2]? ? ? 邊慧芹，王雪梅，毛冬雷.渭-庫綠洲耕層土壤空間變異及影響因素分析[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2018，31（4）：759-764.

[3]? ? ? 趙明松，李德成，張文凱，等.淮北平原農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異特征——以安徽省蒙城縣為例[J].土壤通報，2016，47（3）：611-617.

[4]? ? ? 趙業(yè)婷，李志鵬，常慶瑞，等.關(guān)中盆地縣域農(nóng)田土壤堿解氮空間分異及變化研究[J].自然資源學(xué)報，2013（6）：1030-1038.

[5]? ? ? 李放，魏建林，徐洪明，等.東阿縣縣域耕地土壤養(yǎng)分空間分布狀況[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2016，32（36）：125-135.

[6]? ? ? 劉祖香，陳效民，靖彥，等.基于地統(tǒng)計學(xué)的農(nóng)田尺度旱地紅壤養(yǎng)分空間變異性研究[J].土壤通報，2013，44（2）：392-397.

[7]? ? ? 劉曉林，李文峰，楊林楠，等.基于ArcGIS地統(tǒng)計分析模塊的土壤養(yǎng)分空間變異分析——以云南省建水縣為例[J].土壤通報，2012，43（6）：1432-1437.

[8]? ? ? 胡艷霞，周連第，魏長山，等.水源保護地土壤養(yǎng)分空間變異特征及其影響因素分析[J].土壤通報，2013，44（5）：1184-1191.

[9]? ? ? 趙越，羅志軍，廖牧鑫，等.泰和縣耕地土壤養(yǎng)分空間分布及影響因素[J].水土保持學(xué)報，2018，32（5）：296-303.

[10]? ?陳英，馮定邦，蔡立群，等.耕作層土壤養(yǎng)分含量的空間自相關(guān)分析——以秦安縣郭嘉鎮(zhèn)為例[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2016（1）：66-73+107.

[11]? ?李小剛，馬友華，王強，等.縣域耕地土壤養(yǎng)分的時空變化及區(qū)域施肥研究——以肥東縣為例[J].土壤，2014，46（6）：976-983.

[12]? ? LI X Y， ZHANG S W， WANG Z M， et al. Spatial variability and pattern analysis of soil properties in Dehui city， Jilin province[J]. Journal of Geographical Sciences， 2004， 14（4）： 503-511.

[13]? ?陳毛華，高鵬，劉明廣，等.基于GS+的阜陽市城郊菜地重金屬空間分布研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2017， 31（8）：148-152.

[14]? ? 宮阿都，何毓蓉，黃成敏，等.成都平原土壤系統(tǒng)分類典型土系劃分[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2002（1）：70-73.

[15]? ? 曾必榮，李浩. 成都耕地[M].成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

[16]? ? 田友國，辛景樹，粟鐵申.耕地地力評價指南[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2006.

[17]? ? 崔貝，王紀華，楊武德，等.冬小麥-夏玉米輪作區(qū)土壤養(yǎng)分時空變化特征[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，46（12）：2471-2482.

[18]? ? 王永壯，陳欣，史奕.農(nóng)田土壤中磷素有效性及影響因素[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2013，24（1）：260-268.