基于地統計的土壤有效磷空間變異分析
——以廣東乳源縣乳城鎮為例

（韶關學院英東農業科學與工程學院，廣東韶關512005）

基于地統計的土壤有效磷空間變異分析
——以廣東乳源縣乳城鎮為例

林昌華，李潔麗

（韶關學院英東農業科學與工程學院，廣東韶關512005）

在借鑒國內外學者研究成果的基礎上，利用地統計學方法對乳城鎮采集的土壤樣品數據進行土壤有效磷的空間變異分析.結果表明：研究區的土壤有效磷在空間分布上西部含量高于東部.土壤有效磷含量20～40 mg/kg分布面積最廣，約占總面積的69%.在此基礎上，提出合理施用磷肥的建議.

土壤有效磷；空間變異；地統計學；乳城鎮

合理施肥對于現代農業生產具有重要意義，現代農業的發展越來越需要精準的土壤養分管理.隨著地理信息系統（GIS）和地統計學的發展，土壤養分的空間預測逐漸發展起來.上世紀80年代中期開始，地統計學在土壤學中的應用得到了廣泛的認可，使得土壤空間分析的自動化程度越來越高，逐漸成為了土壤肥力分析中不可缺少的推理、決策和預測工具［1］.通過預測土壤養分在空間上的分布情況，可以進行針對性施肥，提高作物產量，降低資源浪費和環境風險［2］.根據相關學者研究成果，土壤養分在空間上變異的預測方法有反距離加權法、克里格法、樣條插值法、趨勢面法等，而利用克立法既能對變量進行線性最優無偏估值，又能保留變量在整個研究區域和局部地段的各自分布特點，精度和適應程度較其他方法高［2-4］.

本文主要借助地統計學和GIS技術分析韶關乳源縣乳城鎮土壤表層（0～20 cm）有效磷的空間分布特征，利用克里格插值方式繪制乳城鎮土壤有效磷的空間變異分布圖，從而更加準確和直觀地了解該鎮有效磷的空間分布狀況，及時調整該地區農業生產中磷肥的合理施用，確實開展測土配方施肥工作.

1 研究區概況

乳源瑤族自治縣位于廣東省北部、韶關市區西部31 km處，東鄰武江區，西連陽山縣，南毗英德市，北與樂昌市接壤，西北角與湖南宜章縣相依.乳城鎮是乳源瑤族自治縣政府所在地，是全縣的工業重鎮、政治、經濟、文化和交通樞紐中心.該鎮東臨武江區，西連東坪鎮，北與游溪、一六鎮交界，南鄰武江區.國道323線、坪乳公路和京珠高速公路在鎮區交匯，素有乳源“東大門”之稱，全鎮土地總面積209 km2，其中耕地面積351.3 hm2；下轄13個村委會和5個居委會，總戶數18 107戶，人口67 690人.該鎮地形西北高，東南低，大部分是海撥300 m以下的丘陵平原地帶，屬中亞熱帶季風氣候.林地面積3 550 hm2，森林覆蓋率為75.5%.

2 研究方法

2.1 研究方法

（1）地統計學分析方法.地統計學是基于區域化變量理論、以半方差函數為基本分析工具的一種數學方法，已經在土壤、環境等的時空變異分析及空間插值中得到了廣泛應用［5］.

（2）GIS技術.GIS已經廣泛應用于土壤特性空間變異、土地利用規劃、水文、地質、氣象、環境等各個領域.運用GIS空間分析與制圖可以更加直觀地分析某一研究對象的空間格局.本研究利用ArcGIS平臺及其地統計學模塊分析乳源縣乳城鎮土壤有效磷的空間分布.

2.2 土壤樣點確定、采集與分析

2.2.1 土壤樣點的確定

針對乳源縣乳城鎮的地形地貌、土壤類型、耕作制度、產量水平及土地利用現狀等因素，兼顧采樣點的代表性與均勻性，將乳城鎮劃分為若干個采樣區域.在各個區域中，根據種植制度、作物種類及面積大小等因素確定各區域的布點數量，并標注編號.然后，根據室內預定采樣點的位置，用GPS定位到實際田間地塊進行取樣.本研究將樣點數據轉換為高斯克里格投影、西安80坐標系.采樣點的分布見圖2所示.

圖2 采樣點分布圖

2.2.2 土壤樣品的采集

土壤樣品采自采點處10 m×20 m長方形4個頂點和中心點，各取表層（耕層0～20 cm）土壤約1 kg，混勻后用4分法從中選取1 kg土壤作為代表該點的混合土樣.本次研究中，共采集土壤樣品280個.

2.2.3 土壤樣品的分析

土壤樣品采集回來以后，將土樣進行風干處理并測定其有效磷含量.本研究采用“NaHCO3浸提——鉬銻鈧比色法”測定土壤中的有效磷含量.

2.3 數據處理

利用ArcGIS的探索性空間數據分析(ESDA)中的直方圖和正態QQPlot圖來檢驗數據的正態分布.利用ArcGIS中的地統計學半方差分析模塊提供的球狀、圓形、橢球、指數、高斯等多種模型分別對土壤有效磷進行空間插值與誤差分析，最終以平均誤差(ME)的絕對值最接近于0、均方根誤差(RMSE)越小、平均標準誤差(ASE)與均方根誤差(RMSE)最接近、均方根標準預測誤差(RMSSE)最接近于1等四個標準來確定適宜的半方差模型，借助克里格插值方法，在ArcGIS中對未采樣區域進行空間預測，生成空間插值圖.

3 結果分析

3.1 土壤有效磷的經典統計學分析

根據描述性統計分析表顯示，研究區有效磷的平均值為23.79 mg·kg-1，變化范圍為0.74～98.55 mg·kg-1，由統計結果可知，有效磷分布并不均勻，變幅很大.大部分土壤有效磷在平均值23.79 mg·kg-1以下，約占64.07%，換言之有64.07%的土地土壤有效磷在平均水平以下.

通常，有效磷小于5 mg·kg-1時，表明土壤嚴重缺磷，已經成為作物生長的限制因子；小于10 mg·kg-1時，土壤磷供應不足；而達到20 mg·kg-1時，可以滿足大多數作物高產的要求［5］.統計表明，土壤中小于5 mg·kg-1的樣點占總樣品的3.83%，小于10 mg·kg-1的樣點占5.92%，大于20 mg·kg-1的樣點占52.96%，說明研究區有一半區域的有效磷含量豐富，而仍有一半區域的有效磷含量不足，說明研究區域仍需增施磷肥.

變異系數反映了有效磷變異程度，通常認為變異系數CV<10%時為弱變異，10%

表1研究區土壤有效磷含量的描述性統計分析和正態分布檢驗

3.2 土壤有效磷空間變異的地統計學分析

3.2.1 數據的正態性檢驗

地統計學要求樣本能夠符合正態分布，才能得到較好的結果.通過直方圖和Normal QQPlot圖對采樣數據進行ESDA分析.從直方圖可以直觀地看出有數據符合何種分布.Normal QQPlot圖通過數據散點圖與正態圖中單變量整體分布的點比較，數據對稱說明與直線吻合比較好，符合正態分布，反之則不符合.通過直方圖和Normal QQPlot圖可分析數據的分布效果從圖中可看到，本研究中有效磷數據的直方圖近似鐘形曲線，其Normal QQPlot圖中的數據與直線吻合較好，故本研究中有效磷數據服從正態分布.

圖3 有效磷的直方圖

圖4 有效磷的NormalQQPlot分布圖

3.2.2半方差函數擬合

通過半方差函數模型，對比球狀、圓形、橢球、指數、高斯等多種模型的平均誤差、均方根誤差、平均標準誤差、均方根標準預測誤差，最終選擇高斯模型作為半方差函數，其中平均誤差為0.076 04，均方根誤差為16.28，平均標準誤差為18.56，均方根標準預測誤差0.894，半方差模型參數見表2所示.該模型表明，有效磷在空間上存在塊金值，說明土壤的有效磷受到耕作、施肥、管理水平等隨機因素影響；有效磷的C0/（C0+ C）比值為69.14%，屬于中等空間相關，說明研究區內土壤有效磷受到結構性因素和隨機因素的共同影響.由于施肥、田間管理等人為活動對土壤中有效磷養分的含量影響很大，而不同農戶有不同的施肥習慣和標準，進而導致土壤中有效磷的空間變異程度增加.

圖5 有效磷半方差圖

表2土壤有效磷養分空間變異參數

圖6 乳城鎮有效磷插值分布圖

3.2.3 土壤有效磷空間插值

在半方差函數理論模型的基礎上，利用ArcGIS9.2的地統計模塊對土壤有效磷進行普通克里格插值，繪制土壤有效磷的空間分布圖，詳見圖6所示.從擬合的成果圖可以看出，乳城鎮的土壤有效磷空間變異存在“東低西高”的特征，西部含量高于東部，而中間最高區位位于中北部，接近鎮中心.

按土壤有效磷含量豐缺程度分級，面積最多的是20～40 mg·kg-1，占總面積69%；其次是10～20 mg·kg-1，占總面積25%；5～10 mg·kg-1和大于40 mg·kg-1面積較少，各占總面積3%.總體上乳城鎮土壤磷含量處于中等水平，大部分區域能夠達到20 mg/ kg，可以滿足大多數作物高產的要求.但空間上變異較大，西部區域有效磷偏高，而東部區域土壤磷不足，需要結合各區域所種的作物的不同特點，有針對性地施用磷肥，以促進作物的生長，同時提高磷肥的利用效率.

4 施肥建議

研究結果表明，乳城鎮耕地土壤有效磷的含量在空間上存在較大差異.西部區域有效磷含量普遍較高，處于豐富程度，因此在這一區域進行農業生產時要控制磷肥的施用.施用過多的磷肥會造成磷素在土壤中的大量累積，既造成了磷肥資源的浪費，也必然導致農田徑流中磷濃度的增加，加速了水體富營養化過程.東部區域土壤的有效磷含量絕大部分小于20 mg·kg-1，基本不能滿足作物生長發育的需求，因此該區域在施肥時應注重配施一定數量的磷肥，做到平衡施肥，提高肥料的利用率.

此外，還應在掌握土壤供肥情況的基礎上，根據具體地塊所種植作物的需肥特點和臨界值以及肥料釋放規律，確定磷肥的合理施用量及與其他肥料配合的科學比例，真正做到土壤的可持續利用，實現糧食的高產穩產，節約肥料保護環境，降低過多磷素對環境的污染.

［1］徐敬敬.基于GIS的崇明土壤養分空間變異及肥力綜合評價研究［D］.上海：上海交通大學，2010.

［2］劉付程，史學正，顧也萍等.地理信息系統在土壤屬性制圖中的應用.安徽師范大學學報:自然科學版，2003，26(2)：173-176.

［3］Robinson T P,Metternicht G.Testing the performance of spatial interpolation techniques for mapping soil properties［J］.Computers and Electronics in Agriculture,2006,50:97-108.

［4］劉序,李華興,緱武龍,等.基于DEM和Cokriging的增城市水稻土土壤堿解氮空間變異研究［C］//土壤資源持續利用和生態環境安全——中國土壤學會第十一屆二次理事擴大會議暨學術會議論文集［C］.中國土壤學會，2009.

［5］張敏.基于GIS和地統計學的土壤養分空間變異研究［D］.河南：河南農業大學，2010.

［6］郭軍玲.基于GIS的不同尺度下農田土壤養分空間變異特征研究［D］.浙江：浙江大學，2010.

［7］陳寶政，蔡德利,王法清,等.草甸白漿土有效磷的空間變異性［J］.中國農學通報，2009，25(6)：159-161.

Spatial variability aanlysis of soil available phosphorus based on geostatistics——A case study of Rucheng town of Ruyuan country in Guangdong Province

LIN Chang-hua,LI Jie-li
（Yingdong College of Agricultuval Science and Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 512005,Guangdong,China）

The paper analyzed the spatial distribution of the soil available phosphorus content in Rucheng by soil sampling and geostatistics,based on research achievements of domestic and foreign scholars.The result showed that the west in the spatial distribution of the available phosphorus content is higher than the east and the area from 20 to 40 mg·kg-1is the most widely distributed,accounted for about 69%of the total area.On this basis,this paper put forward suggestions for the reasonable use of phosphate fertilizer.

soil available phosphorus;spatial variation;geostatistics;Rucheng town

S151.9*5

：A

：1007-5348（2014）10-0056-05

（責任編輯：邵曉軍）

2014-06-21

2010年韶關學院香港銘源基金項目.

林昌華（1976-），男，廣東韶關人，韶關學院英東農業科學與工程學院實驗師，博士研究生，主要從事土壤、植物營養與施肥研究.