結(jié)合不同輔助信息的耕地土壤有機(jī)質(zhì)空間插值方法研究

張宏帥，朱高龍，吳錫麟

(1.福州大學(xué) 空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點實驗室，福建 福州 350108;2.閩江學(xué)院 海洋學(xué)院，福建 福州 350108)

耕地是人類賴以生存的基本資源和條件[1]。耕地土壤有機(jī)質(zhì)是土壤固相部分的重要組成成分，通常在其他條件相同或相近的情況下，有機(jī)質(zhì)的含量與土壤肥力水平呈正相關(guān)。為做好耕地質(zhì)量評價、及時掌握耕地有機(jī)質(zhì)空間變異規(guī)律，實現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)養(yǎng)分管理，通常需要獲取空間上所有區(qū)域的土壤養(yǎng)分值，可根據(jù)有限樣點的數(shù)據(jù)，利用空間插值技術(shù)將離散點的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面，從而獲取整個研究區(qū)的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)[2-3]。

在土壤屬性空間預(yù)測研究中，地統(tǒng)計學(xué)中的克里金插值應(yīng)用相對廣泛[4-7]，如趙軍等[8]應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)的方法，結(jié)合GIS空間分析技術(shù)，分析了海倫市黑土農(nóng)田養(yǎng)分含量的空間異質(zhì)性。于芳等[9]采用地統(tǒng)計學(xué)方法，利用相關(guān)分析和回歸分析法，探討了湖北省土壤有機(jī)質(zhì)含量的變異性及其影響因素。大量關(guān)于有機(jī)質(zhì)空間分布和插值方法的研究以地勢平坦的北方農(nóng)田為主，主要分析土壤有機(jī)質(zhì)空間變異的影響因素[10-14]。而在海拔較高、地勢起伏的南方丘陵山地，如何利用地形因素提高其空間插值精度成為研究的熱點。Bugress等[15]首次將克里格空間插值方法應(yīng)用于土壤調(diào)查中，為研究土壤性質(zhì)空間分布特征引入了新的方法。

近年來，關(guān)于如何提高土壤有機(jī)質(zhì)空間預(yù)測的精度，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列研究。Miller等[16]發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)的含量會隨著地形位置的變化而變化。Stolt等[17]研究表明，土壤母質(zhì)的差異在解釋土壤變異中最為重要。龍軍等利用29320個樣點，系統(tǒng)評價了福建省各典型縣耕地土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布特點，結(jié)果表明：不同地貌適用不同的插值方法[18]。余笑眉等[19]按地形地貌、耕地利用方式分類、整體不分類型3種情況，認(rèn)為按耕地利用分類和按地形地貌分類后插值精度均明顯優(yōu)于整體不分類型處理。陳慕松等[20]對比驗證了3種Kriging插值類型，繪制了福安市耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量分布圖，直觀地顯示了福安市耕地土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布情況。大量研究主要分析了有機(jī)質(zhì)的空間分布規(guī)律，描述了不同區(qū)域有機(jī)質(zhì)的豐缺狀況，未能結(jié)合影響有機(jī)質(zhì)含量的外界信息并探索適合該研究區(qū)的最佳插值模型。因此，可設(shè)計結(jié)合輔助信息的克里金插值，對研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)空間分布進(jìn)行預(yù)測。

本研究以福建省漳州市華安縣為例，結(jié)合該區(qū)特有的地形地貌信息設(shè)計3種克里金插值，并以普通克里金插值作為對比，探究了適合研究區(qū)的最佳空間插值模型，為農(nóng)用地分等定級、土地評價、耕地地力評價、耕地等別年度監(jiān)測等提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

華安縣位于福建東南部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)117°15′～117°42′、北緯24°38′～24°15′，縣域面積1315 km2?？h境內(nèi)東西最大距離43 km，南北最大距離62 km。地形地貌以山地丘陵為主,占全縣總面積的95.5%。最低海拔0 m，最高海拔1500 m，地勢西北高，東南低，由西北向東南呈階梯狀下降。該區(qū)地屬南亞熱帶北緣，夏季暖濕的海洋行季風(fēng)氣候入侵，氣候具有溫和多雨、四季常青等特點，年日照時數(shù)1889.2 h，平均氣溫20.6 ℃，年降雨量1870 mm。全縣耕地面積12500.47 hm2，占土地總面積的10.18%。境內(nèi)土壤以紅壤為主，約有7.73萬hm2，磚紅壤性紅壤面積次之，約有3萬hm2，水稻土約有0.87萬hm2。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本次研究數(shù)據(jù)來源于華安縣2014～2018年間耕地等別年度檢測評價中采樣數(shù)據(jù)。所有樣點均在秋收后同一時間段進(jìn)行采樣，水田采樣深度為0～20 cm，旱地采樣深度為0～25 cm，每個樣點由16個以上樣品混合而成，取1 kg混合土樣。用GPS定位采樣點坐標(biāo)，并記錄樣點編號、類型名稱、土壤類型。采用常規(guī)的重鉻酸鉀氧化-外源加熱法分析方法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量。全區(qū)共采集樣點214個，其中184個實驗數(shù)據(jù)、30個驗證數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置與采樣點分布

運用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析，根據(jù)峰度、偏度值和非參數(shù)檢驗的單樣本K-S值判別統(tǒng)計數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，對于非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)可采用對數(shù)轉(zhuǎn)換和平方根法使其服從正態(tài)分布。經(jīng)檢驗，所有數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后均服從正態(tài)分布，滿足地學(xué)統(tǒng)計的基本要求。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤有機(jī)質(zhì)的半方差分析 本研究利用ArcGIS 10.2中地學(xué)統(tǒng)計方法對土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行空間變異模型的擬合。半方差函數(shù)是地統(tǒng)計學(xué)中研究空間變異性的工具函數(shù)，用來表征隨機(jī)變量的空間變異結(jié)構(gòu)或空間連續(xù)性。其中塊金值、基臺值、變程是半變異函數(shù)的重要參數(shù)，用于反映區(qū)域化變量在一定尺度上的空間變異和相關(guān)程度。塊金系數(shù)反映土壤有機(jī)質(zhì)的空間依賴性，表明系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性程度，比值高說明外部隨機(jī)因素引起的空間變異程度較大，反之說明變量內(nèi)部因素引起的空間變異程度較大。

1.3.2 結(jié)合輔助信息的克里金插值 由于外界因素對土壤有機(jī)質(zhì)空間分布有重要影響，可以將其作為提高土壤屬性預(yù)測精度的輔助信息[21]。例如，相同海拔區(qū)域有機(jī)質(zhì)含量通常較為接近，而海拔差異較大區(qū)域有機(jī)質(zhì)含量通常存在較大差異。外界因素使有機(jī)質(zhì)在空間分布上不均勻，給其空間預(yù)測帶來了困難，為了降低空間預(yù)測的不穩(wěn)定性，提高預(yù)測精度，可以結(jié)合輔助信息以降低誤差。

結(jié)合輔助信息空間插值模型是將每一個樣點數(shù)據(jù)劃分為同一類型下的均值和殘差值之和，均值反映相同類型下有機(jī)質(zhì)的平均含量，殘差反映相同類型下有機(jī)質(zhì)含量內(nèi)部變異特性，將殘差值作為新的變量進(jìn)行克里金插值，其余沒有采樣點的空間預(yù)測值為同一類型均值與殘差的預(yù)測值之和。結(jié)合海拔高度的克里金插值法，首先計算有機(jī)質(zhì)隨海拔高度的變化率，根據(jù)變化率將所有采樣點修正到最低海拔高度，然后采用普通克里金法進(jìn)行插值，最后將結(jié)果與DEM數(shù)據(jù)有機(jī)質(zhì)隨海拔高度的變化率進(jìn)行柵格圖層代數(shù)運算，生成土壤有機(jī)質(zhì)插值圖。

1.3.3 精度評價 本研究通過插值模型內(nèi)部交叉驗證和外部檢驗點驗證綜合評價插值結(jié)果。

(1)內(nèi)部交叉驗證評價標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)平均預(yù)測誤差(Mean standardized)越接近于0、均方根誤差(Root-Mean-Square)越小、平均標(biāo)準(zhǔn)差(Average Standard Error)與均方根預(yù)測誤差越接近以及標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差(Root-Mean-Square Standardize)越接近于1時，表明該模型越好。

(2)外部驗證評價標(biāo)準(zhǔn)：均方根誤差越小越好，相關(guān)系數(shù)越接近于1越好，并優(yōu)先考慮均方根誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)特征值統(tǒng)計

由分析統(tǒng)計(表1)可知：華安縣土壤樣本有機(jī)質(zhì)含量最小值為10.00 g/kg，最大值為36.92 g/kg，平均含量為21.12 g/kg，按照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)劃分，屬于第三分級(20～30 g/kg)。變異系數(shù)為30.8%，屬于中等性變異，說明華安縣耕地土壤存在中等程度的空間變異性。

表1 有機(jī)質(zhì)描述性統(tǒng)計

2.2 坡度因素分析

研究區(qū)的耕地主要分布在山坡地、江河沿岸等區(qū)域，地形坡度會造成水土流失影響土壤有機(jī)質(zhì)的含量。根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》可將華安縣耕地按照坡度等級不同分為<6°(平坡)、6°～15°(緩坡)、>15°(斜坡)3個區(qū)域，統(tǒng)計不同坡度范圍內(nèi)樣點信息可知(圖2)：當(dāng)坡度小于6°時，有機(jī)質(zhì)含量最高為23.12 g/kg，隨著地形坡度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低，這與鮑麗然等[22]對渝西北土壤有機(jī)質(zhì)含量與坡度關(guān)系研究結(jié)果相似。為探究不同坡度之間的差異，可采用LSD法對不同坡度進(jìn)行多重比較(表2)。經(jīng)方差分析，不同坡度下土壤有機(jī)質(zhì)含量具有顯著性差異(表3)，可知<6°與>15°、6°～15°與>15°區(qū)域的有機(jī)質(zhì)含量均存在顯著差異，且坡度相差越大，其差異性越明顯。

表2 LSD多重比較

表3 不同坡度土壤有機(jī)質(zhì)含量的方差分析

圖2 不同坡度土壤有機(jī)質(zhì)含量的比較

2.3 海拔因素分析

華安縣平均海拔480 m，最高海拔1500 m，其耕地大多數(shù)分布在海拔較高的丘陵地帶。海拔高度對土壤有機(jī)質(zhì)的影響通常是間接性的，通過對其他環(huán)境因素影響而產(chǎn)生作用。例如，隨著海拔高度的增加，氣溫表現(xiàn)出下降趨勢，高海拔地區(qū)氣溫較低，利于有機(jī)質(zhì)積累。將采樣點數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析可知，土壤有機(jī)質(zhì)含量與海拔高度呈顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)r=0.2**)(表4)。

表4 海拔高度與有機(jī)質(zhì)含量方差分析

2.4 土地利用類型因素分析

研究區(qū)耕地以水田為主，其次為旱地，水澆地較少，其中水田土壤有機(jī)質(zhì)含量平均值為24.84 g/kg，旱地土壤有機(jī)質(zhì)含量平均值為18.72 g/kg。經(jīng)方差分析不同用地類型下土壤有機(jī)質(zhì)含量具有顯著性差異(表5)。

表5 不同用地類型土壤有機(jī)質(zhì)含量方差分析

2.5 基于不同因素的土壤有機(jī)質(zhì)空間分布預(yù)測

2.5.1 土壤有機(jī)質(zhì)的半方差分析與模型選擇 利用ARCGIS 10.2軟件中的地統(tǒng)計模塊對每種插值方法的半變異函數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表6所示。根據(jù)Cambardella等[23]的研究，發(fā)現(xiàn)所采用的插值方法表現(xiàn)的空間相關(guān)性一致，塊基比均在25%～75%之間，表現(xiàn)為中等強度的空間依賴性，即該研究區(qū)自然因素和人為因素對土壤有機(jī)質(zhì)空間分布的影響作用相當(dāng)。

表6 不同插值方法的最佳理論模型

根據(jù)以上分析，可設(shè)計結(jié)合坡度、海拔、土地利用輔助信息的克里金插值，并與普通克里金插值對比，得到相應(yīng)有機(jī)質(zhì)空間分布圖(圖3)。不同插值方法所得有機(jī)質(zhì)預(yù)測結(jié)果反映的土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布規(guī)律基本一致，在整個縣域呈現(xiàn)北部和西部較高、南部和中部偏低的趨勢。其中湖林鄉(xiāng)、高安鎮(zhèn)北部、馬坑鄉(xiāng)東部有機(jī)質(zhì)含量普遍較高，華豐鎮(zhèn)、沙建鎮(zhèn)、豐山鎮(zhèn)有機(jī)質(zhì)含量偏低。不同插值方法預(yù)測結(jié)果存在細(xì)部差別，普通克里金插值結(jié)果圖斑呈塊狀分布，不同區(qū)域分級明顯，整塊圖面簡單不易反映不同區(qū)域細(xì)部土壤有機(jī)質(zhì)含量的區(qū)別，耕地土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為19.98 g/kg。

圖3 不同插值方法土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布圖

結(jié)合坡度信息的克里金插值結(jié)果存在“牛眼”現(xiàn)象，由于采用分區(qū)計算的方法導(dǎo)致插值結(jié)果出現(xiàn)較多的碎圖斑，研究區(qū)細(xì)部特征明顯，能夠很好地反映區(qū)域之間的細(xì)微差別，耕地土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為20.46 g/kg。

結(jié)合海拔高度的克里金插值能明顯區(qū)分不同區(qū)域有機(jī)質(zhì)含量的差別，更加注重反映整塊研究區(qū)的細(xì)部特征，在一定程度上緩解了由于樣本數(shù)量較少而產(chǎn)生的“牛眼”現(xiàn)象，插值結(jié)果較為平滑，耕地土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為20.23 g/kg。

與其他3種插值方法相比，結(jié)合土地利用的克里金插值所得到的土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍較高，平均含量為23.5 g/kg。按照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)劃分，均屬于第三級(20～30 g/kg)。

2.5.2 不同插值方法的精度分析 通過內(nèi)部交叉驗證可知，結(jié)合土地利用類型的空間插值方法平均標(biāo)準(zhǔn)差與均方根預(yù)測誤差更接近且標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差更接近于1，空間插值效果最好，未結(jié)合輔助信息的普通克里金插值次之，結(jié)合坡度信息的空間插值優(yōu)于結(jié)合海拔高度的空間插值(表7)。

表7 不同插值方法的內(nèi)部交叉驗證

通過30個外部驗證點與不同插值方法所得結(jié)果進(jìn)行配對檢驗，探究各驗證點實測值與預(yù)測值之間的關(guān)系。由方差分析可知，結(jié)合坡度信息和海拔高度的插值方法，預(yù)測值和實測值在0.05水平上顯著相關(guān)；結(jié)合用地信息的空間插值預(yù)測值和實測值在0.01水平上顯著相關(guān)，且均方根誤差最小，相比于普通克里金插值有明顯下降，這與內(nèi)部交叉驗證結(jié)果一致，說明不同用地類型對耕地土壤有機(jī)質(zhì)影響較大(表8)。

表8 不同插值方法的配對檢驗

3 結(jié)論

華安縣土壤有機(jī)質(zhì)含量受地形坡度、海拔高度、土地利用的影響。其中，坡度與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著性負(fù)相關(guān)，坡度較大區(qū)域因水土流失、雨水沖刷等自然因素導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量較低。隨著海拔高度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，華安縣耕地主要位于海拔較高山坡地、江河沿岸，高海拔區(qū)域人類活動較少、氣溫相對適宜有助于有機(jī)質(zhì)的積累。不同用地類型有機(jī)質(zhì)含量具有顯著性差異。

華安縣耕地土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為23.5 g/kg，按照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)劃分，有機(jī)質(zhì)含量屬于第四級(10～20g/kg)占全縣耕地面積的5.17%，屬于第三級(20～30 g/kg)占全縣耕地面積的94.78%。有機(jī)質(zhì)空間變異系數(shù)為30.78%，屬于中等性變異。有機(jī)質(zhì)塊金系數(shù)為55.1%，表現(xiàn)為中等程度的空間自相關(guān)，說明結(jié)構(gòu)性因素和人為隨機(jī)因素對土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異影響作用相當(dāng)。

與普通克里金插值相比，結(jié)合其他輔助信息的克里金插值精度均有所提升，其中結(jié)合土地利用信息的克里金插值所得預(yù)測值和實測值相關(guān)系數(shù)為0.707，與普通克里金插值相比均方根誤差下降56.58%，預(yù)測效果最優(yōu)，結(jié)合海拔高度的克里金插值次之。插值結(jié)果顯示，華安縣耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布呈北部和西部較高、南部和中部偏低的趨勢。