基于GIS的秦安縣土壤養(yǎng)分空間變異特征研究

姬宏 杜芳芳

摘 ? 要：借助地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS相結(jié)合的方法，研究了秦安縣土壤養(yǎng)分中的有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、緩效鉀、速效鉀的空間變異特征。結(jié)果表明：①土壤各養(yǎng)分項(xiàng)目的變異系數(shù)都在0.1～1，為中等變異，其中變異系數(shù)最大的是有效磷，為51.21%。②有機(jī)質(zhì)、速效鉀、緩效鉀的空間變異都為中等相關(guān)性，空間相關(guān)性依次減弱，其中最弱的是有效磷，為75.26%。③有機(jī)質(zhì)含量較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)是西川鎮(zhèn)、中山鄉(xiāng)、王尹鄉(xiāng)、云山鄉(xiāng);緩效鉀和緩效鉀含量較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)是安伏鄉(xiāng)、葉堡鄉(xiāng)、郭嘉鎮(zhèn)、王甫鄉(xiāng)。

關(guān)鍵詞：GIS;秦安縣;土壤養(yǎng)分;空間變異;特征

土壤是覆蓋于地球表面連續(xù)變化的疏松層，土壤生成過程中受到外部和自身內(nèi)部因素的影響，其中自然屬性變異中最為重要的是空間變異性?？臻g變異性主要受內(nèi)外部因素的影響，外部因素一般有人類種植活動(dòng)、人為施肥、種植措施、種植制度等;內(nèi)部因素是指是受到自然環(huán)境的影響，主要包括土壤母質(zhì)、降水、地形、氣候等[1]。近年來，為了提高糧食生產(chǎn)量，人們盲目過度施肥，導(dǎo)致肥料消耗增加，但利用率卻很低，造成土壤層的破壞和環(huán)境的污染。

以往對(duì)土壤養(yǎng)分變異性的研究都是基于傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)，只對(duì)空間變量進(jìn)行定性描述，由于土壤具有變異性，要求對(duì)其進(jìn)行定量研究。在對(duì)土壤養(yǎng)分項(xiàng)目的屬性進(jìn)行管理時(shí)，地統(tǒng)計(jì)學(xué)很難對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，所以需要利用GIS來實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤屬性的管理。以往研究顯示，施肥對(duì)糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率達(dá)到50%以上，我國(guó)長(zhǎng)期存在非精準(zhǔn)施肥，使得施肥的效果降低，且植物未能吸收的剩余肥料導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境污染嚴(yán)重，水體富營(yíng)養(yǎng)化，嚴(yán)重時(shí)使土壤板結(jié)，土壤肥力越來越低。分析區(qū)域土壤變異特征和分布特征，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。本文對(duì)秦安縣土壤特性的研究，旨在合理規(guī)劃管理區(qū)域養(yǎng)分、對(duì)耕地進(jìn)行正確施肥培肥，從而提高肥料利用率，提高糧食產(chǎn)量。

1 ? 數(shù)據(jù)與方法

1.1 ? 研究區(qū)概況

秦安縣位于甘肅省東南部、天水市北部，北緯34°51′、東經(jīng)105°40′，下轄17個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，東西長(zhǎng)約65 km，南北寬約50 km，總面積1 601 km2;秦安縣屬于溫和半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣候較溫和，降水較少，大陸性季風(fēng)氣候顯著，年均日照時(shí)數(shù)2 206.7 h，年平均溫度10.4 ℃，降水和蒸發(fā)量差別較小;地貌以丘陵為主，土壤類型主要是黃綿土，由于不良耕作方式的影響，土壤肥力一般較低。最低海拔148 m、最高海拔4 500 m，相差較大[2]。圖1為研究區(qū)行政區(qū)劃圖。

1.2 ? 數(shù)據(jù)來源

該土壤農(nóng)化樣點(diǎn)數(shù)據(jù)來源于2012年測(cè)土配方施肥項(xiàng)目，土壤農(nóng)化樣點(diǎn)分布如圖2所示。經(jīng)過專業(yè)人員對(duì)所采集的土壤樣品進(jìn)行風(fēng)干，磨碎過篩，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定。

1.3 ? 研究方法

由于土壤本身是一個(gè)連續(xù)變化的復(fù)雜自然體，傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)很難準(zhǔn)確表達(dá)其空間變異性。本文應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究方法，定量描述其空間變化規(guī)律，該理論主要基于半方差和空間插值來完成。

1.3.1 ? 半方差函數(shù)

半方差用于研究對(duì)象空間相關(guān)性，又稱為半變異函數(shù)，主要是在一維條件下，當(dāng)空間采樣點(diǎn)X在一維軸X軸上變化時(shí)，區(qū)域變量Z（x）在點(diǎn)X和X+h處的值為Z（x）與Z（x+h）差的1/2，定義為區(qū)域變量Z（x）在X軸上的變異函數(shù)，記為r（x，h），如公式1所示，即半變異函數(shù)r（h）的估量為公式2。

受到采樣誤差和空間變異等因素的影響，使得2個(gè)采樣點(diǎn)非常接近時(shí)，變異函數(shù)值不為0，即存在塊金值（Co），當(dāng)其值小于25%，空間相關(guān)性最強(qiáng);當(dāng)其值處于25%～75%，空間相關(guān)性中等;大于75%系統(tǒng)空間相關(guān)性較弱。

1.3.2 ? 空間插值法

空間插值主要是運(yùn)用區(qū)域化變量的初始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)沒有采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量的取值進(jìn)行線性無偏最優(yōu)估計(jì)。

在進(jìn)行空間插值時(shí)，首先對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布驗(yàn)證，對(duì)異群值的非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，使數(shù)據(jù)呈基本的正態(tài)分布，然后選擇插值模型，在選擇模型時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)平均值最接近于0、均方根預(yù)測(cè)誤差最小、平均標(biāo)準(zhǔn)誤差接近于均方根預(yù)測(cè)誤差、標(biāo)準(zhǔn)均方根最接近于1的原則并借助于擬合曲線進(jìn)行[3]。

2 ? 結(jié)果與分析

2.1 ? 土壤養(yǎng)分基本統(tǒng)計(jì)特征

通過直方圖統(tǒng)計(jì)（表1）分析可知，秦安縣土壤養(yǎng)分基本特征為：土壤中有機(jī)質(zhì)含量在2.7～26.5 g/kg，平均含量為11.835 g/kg;土壤全氮含量在0.17～1.38 g/kg，平均含量為0.71 g/kg;有效磷含量在1～72.1 mg/kg，平均含量為11.30 mg/kg;土壤緩效鉀含量在234～2 130 mg/kg，平均含量為1 103.7 mg/kg;土壤速效鉀含量在52～498 mg/kg，平均含量為202.33 mg/kg。根據(jù)農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表2）可知，泰安縣土壤中有機(jī)質(zhì)含量低，屬于4級(jí);全氮含量也較為低，屬于5級(jí);有效磷含量較低，屬于3級(jí);緩效鉀和速效鉀的含量都很高，屬于1級(jí)。

變異系數(shù)（C.V.）表示土壤特性空間變異性的大小，變異系數(shù)C.V.≤0.1時(shí)為弱變異性，0.1

2.2 ? 土壤養(yǎng)分的空間結(jié)構(gòu)特征

2.2.1 ? 最優(yōu)模型選擇

對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、緩效鉀、速效鉀養(yǎng)分分別用不同模型進(jìn)行擬合參數(shù)的比較選擇最優(yōu)模型，以速效鉀養(yǎng)分項(xiàng)目為例，通過對(duì)表3養(yǎng)分項(xiàng)目模型擬合參數(shù)分析可看出，擬合模型較好的是三角函數(shù)。表4是其各養(yǎng)分要素的最優(yōu)模型，有機(jī)質(zhì)的最優(yōu)模型為球面模型，速效鉀和緩效鉀的最優(yōu)模型均為三角函數(shù)，全氮和有效磷的模型均為指數(shù)模型。

2.2.2 ? 土壤養(yǎng)分的空間變異結(jié)構(gòu)分析

塊金值與基臺(tái)值的比稱為基底效應(yīng)，表示樣本間的變異程度，其值越大，表示樣本間的變異更多的是由隨機(jī)因素引起的，該值小于25%，空間相關(guān)性最強(qiáng);25%～75%處于中等空間相關(guān)性;大于75%系統(tǒng)空間相關(guān)性最弱。從表5可以看出，有機(jī)質(zhì)、速效鉀、緩效鉀、全氮都為中等相關(guān)性，且空間相關(guān)性依次變?nèi)?，其中有效磷空間相關(guān)性最弱，為75.26%。

偏基臺(tái)值和基臺(tái)值的比值所反映的是土壤空間相關(guān)性的強(qiáng)弱，該值越大，空間相關(guān)性越強(qiáng)。空間相關(guān)性最強(qiáng)的是有機(jī)質(zhì)，為58.56%，進(jìn)一步表明有機(jī)質(zhì)的空間變異是由于結(jié)構(gòu)性因素的差異引起的。空間相關(guān)性最弱的是有效磷，為24.74%，其是由于受到隨機(jī)因素而引起的，與空間變異性結(jié)果一致。

2.3 ? 土壤養(yǎng)分的空間分布

本研究通過空間插值和分級(jí)得到各養(yǎng)分的空間分布，可以看出，土壤中有機(jī)質(zhì)和全氮含量的分布趨勢(shì)基本相似，其是由于土壤中有機(jī)質(zhì)本身和全氮含量密切相關(guān)。有機(jī)質(zhì)含量較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有西川鎮(zhèn)、中山鄉(xiāng)、王尹鄉(xiāng)、云山鄉(xiāng);有效磷主要分布在劉坪鄉(xiāng)、葉堡鄉(xiāng)、興國(guó)鎮(zhèn);緩效鉀的含量較高，主要分布在西北部，主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)有安伏鄉(xiāng)、郭嘉鎮(zhèn)、王甫鄉(xiāng);速效鉀的含量也較高，主要分布在中部，分布的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有葉堡鄉(xiāng)、郭嘉鎮(zhèn)、西川鎮(zhèn)?？傮w土壤養(yǎng)分各項(xiàng)目的分布沒有明顯的特征，主要受到該研究區(qū)地形地貌分的影響，由于該地區(qū)地形起伏不平、山川溝壑，而土壤各養(yǎng)分項(xiàng)目的含量中有機(jī)質(zhì)含量較低，緩效鉀、速效鉀含量較高，受到土壤母質(zhì)、人為施肥、種植制度等各因素的影響;該地區(qū)土壤類型是黃綿土，所以土壤腐殖質(zhì)低、肥力低。研究表明，土壤養(yǎng)分的分布受到地形的影響，而土壤養(yǎng)分含量的豐缺主要跟土壤類型相關(guān)。

3 ? 結(jié)論

通過對(duì)秦安縣0～20 cm耕層土壤養(yǎng)分空間變異分析可以得知，該地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量較低，鉀肥含量極高，所以土壤肥力差，不利于植物的生長(zhǎng)。

主要研究結(jié)果如下： （1）根據(jù)農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該地區(qū)有機(jī)質(zhì)的含量較低，緩效鉀和速效鉀含量極高;有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、緩效鉀、速效鉀的變異系數(shù)都在0.1～1，為中等變異，其中變異系數(shù)最大的是有效磷，為51.21%;變異系數(shù)最小的是緩效鉀，為17.61%。

（2）由半方差函數(shù)參數(shù)得出，有機(jī)質(zhì)、速效鉀、緩效鉀、全氮都為中等相關(guān)性，并且空間變異性依次變?nèi)?，且空間變異性最弱的是有效磷，這主要是由隨機(jī)因素引起的;空間相關(guān)性最強(qiáng)的是有機(jī)質(zhì)，為58.56%，空間相關(guān)性最弱的是有效磷，為24.74%，這和空間變異性得出的結(jié)果一致。

（3）通過對(duì)土壤養(yǎng)分的分布分析得知，該地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量較低，緩效鉀和速效鉀的含量又很高，說明該研究區(qū)土壤肥力較低，總體來看，土壤養(yǎng)分較高的地區(qū)是西川鎮(zhèn)、中山鄉(xiāng)、云山鄉(xiāng)、王尹鄉(xiāng)，養(yǎng)分較低的地區(qū)是郭嘉鎮(zhèn)、安伏鄉(xiāng)、劉坪鄉(xiāng)、興國(guó)鎮(zhèn)。研究表明，土壤養(yǎng)分的分布受地形的影響，而土壤養(yǎng)分含量的豐缺主要和土壤母質(zhì)相關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] 岳惠玲.農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間變異性特征分析[J].農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2020（4）：63-64.

[ 2 ] 鐘文挺，李浩，謝麗紅，等.基于GS+和ArcGIS的蒲江縣耕地土壤養(yǎng)分空間變異分析[J].農(nóng)業(yè)研究與應(yīng)用，2020（2）：37-43.

[ 3 ] 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.