基于不同空間插值類型的耕地土壤有機(jī)質(zhì)空間變異性分析

陳慕松，范曉暉，吳壽華

(福建省寧德市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，福建 福安 355017)

土壤有機(jī)質(zhì)主要是指土壤中以各種形式和狀態(tài)存在的各種含碳有機(jī)化合物，是土壤的重要組成部分，是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)[1-2]。因而，掌握耕地土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異特征，有助于促進(jìn)耕地的合理利用、提高耕地養(yǎng)分管理水平和保障農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3-4]。

隨著地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)空間變異性的研究已然成為土壤學(xué)的研究熱點(diǎn)[5-7]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)空間變異性在不同的區(qū)域尺度(村域[8]、縣域[9-11]和河流小流域[2,12]等)和不同地貌類型的研究區(qū)(丘陵區(qū)[2,13]、盆地[8]、平原區(qū)[14-16]、典型喀斯特區(qū)[17]、高原[12,18]、巖溶區(qū)[19]、城市郊區(qū)[20]等)開展了大量的研究。其中，Kriging插值方法是被普遍使用的方法，然而，這些研究結(jié)果最終選擇的最優(yōu)模型和插值類型相差迥異，因此，探討選取適合的模型和空間插值類型就顯得尤為重要。

為此，本研究以福建省福安市為研究區(qū)，通過(guò)野外實(shí)地GPS定點(diǎn)采樣，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)，對(duì)比3種Kriging插值類型(Ordinary Kriging、Simple Kriging、Universal Kriging)，通過(guò)獨(dú)立驗(yàn)證和交叉驗(yàn)證評(píng)價(jià)空間插值效果，選取最優(yōu)模型和插值類型，并完成耕地土壤有機(jī)質(zhì)的預(yù)測(cè)制圖，以期達(dá)到掌握福安市耕地土壤有機(jī)質(zhì)空間分布規(guī)律，為優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施和實(shí)現(xiàn)耕地的可持續(xù)利用提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

福建省福安市位于福建省東北部，地理位置介于北緯26°41′～27°24′、東經(jīng)119°23′～119°52′之間。行政區(qū)域面積1880.1 km2(圖1)。屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫13.6～19.8 ℃，年降雨量1350～2050 mm，無(wú)霜期平均為287 d。福安市主要的土壤類型為紅壤，面積11.6萬(wàn)hm2，遍布全市，占土地總面積的61.72%。種植作物主要有水稻、茶葉、果樹等。

圖1 研究區(qū)的數(shù)字高程圖、制圖點(diǎn)及驗(yàn)證點(diǎn)

1.2 土壤采樣及實(shí)驗(yàn)分析

隨機(jī)布設(shè)采樣點(diǎn)583個(gè)，野外GPS定點(diǎn)采樣，最終有效采集福安耕地0～20 cm的土壤樣品545個(gè)。經(jīng)風(fēng)干、磨碎及過(guò)篩后，利用重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量[21]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

本研究將545個(gè)樣點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)含量的數(shù)據(jù)，隨機(jī)選取55個(gè)點(diǎn)作為獨(dú)立驗(yàn)證的樣點(diǎn)集。其余剩下的490個(gè)樣點(diǎn)作為預(yù)測(cè)插值的制圖樣點(diǎn)(圖1)。利用SPSS 19.0軟件對(duì)原數(shù)據(jù)作描述性統(tǒng)計(jì)，使用GS+7.0軟件對(duì)土壤特性的空間異質(zhì)性進(jìn)行了定量分析，在ArcGIS 10.1軟件的地統(tǒng)計(jì)模塊支持下進(jìn)行不同插值方法的土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分布圖繪制。

1.4 預(yù)測(cè)精度分析

本文同時(shí)采用獨(dú)立驗(yàn)證和交叉驗(yàn)證評(píng)價(jià)3種不同Kriging類型的空間插值效果。交叉驗(yàn)證：移除一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)位置，然后使用其他位置的數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)該點(diǎn)的數(shù)據(jù)，再通過(guò)比較驗(yàn)證數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)量值來(lái)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)精度，判定指標(biāo)：標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差(Root Mean Square Standardized Error，RMSS)、標(biāo)準(zhǔn)平均值誤差(Mean Standardized Error，MSE)、均方根誤差(Root Mean of Squared Error，RMSE)。獨(dú)立驗(yàn)證：通過(guò)將研究區(qū)中部分已知數(shù)據(jù)抽離不參與插值過(guò)程，作為校驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)定預(yù)測(cè)精度，通過(guò)計(jì)算模型的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之間的差異，得到預(yù)測(cè)誤差的度量指標(biāo)：平均絕對(duì)值誤差(Mean Absolute Error，MAE)、均方根誤差(RMSE)[7]：

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)描述性統(tǒng)計(jì)分析

從制圖點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)的描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)看：土壤有機(jī)質(zhì)含量介于8.10～60.90 g/kg,平均值為26.88 g/kg；表示離散程度的變異系數(shù)(CV)一般情況下：CV≥100%為強(qiáng)變異性、10%

用于地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的數(shù)據(jù)要求符合正態(tài)分布，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的偏度和峰度值分別為0.83、0.70，但K-S檢驗(yàn)中P值為0，明顯不符合正態(tài)分布。在一般情況下，數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，可經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后使其呈正態(tài)分布[24-25]。本研究數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后，偏度和峰度值分別降至-0.11、0.17，K-S檢驗(yàn)表明P值為0.20，大于0.05，符合正態(tài)分布，滿足地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的基本要求。

表1 制圖點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)的描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異結(jié)構(gòu)特征

由表2可知，指數(shù)模型的決定系數(shù)(R2)為0.054，高于球狀模型(0.053)和高斯模型(0.053)；殘差(RSS)值表現(xiàn)為：指數(shù)模型(91.4)<高斯模型(91.5)<球狀模型(91.7)。按照決定系數(shù)(R2)最大、殘差(RSS)最小的原則選擇最優(yōu)半方差函數(shù)擬合模型[26]。本研究選取的最佳理論模型為指數(shù)模型。

同時(shí)，福安市耕地土壤有機(jī)質(zhì)的各理論模型的塊金值C0均大于0；基臺(tái)值(C0+C)差異不大，介于75.55～75.63之間。說(shuō)明其主要受土壤母質(zhì)、地形、氣候等結(jié)構(gòu)性因素相互作用的影響[27]。構(gòu)性因子C/(C0+C)反映變量的空間相關(guān)性程度，若C/(C0+C)≤25%，則變量空間相關(guān)性弱；若25%

表2 制圖樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)含量的半變差函數(shù)模型及參數(shù)

2.3 耕地土壤有機(jī)質(zhì)的Kriging插值及精度分析

2.3.1 插值制圖結(jié)果 根據(jù)以上的分析，利用ArcGIS 10.0軟件的地統(tǒng)計(jì)模塊，將耕地土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后，選用高斯模型；同時(shí)，分別使用Kriging插值類型中的Ordinary Kriging、Simple Kriging、Universal Kriging進(jìn)行插值制圖。

由圖2可知，3種插值類型得到的福安市耕地土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布規(guī)律大致相同，都呈現(xiàn)出東、東南方向土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，西北方向土壤有機(jī)質(zhì)含量中等，南、北方向的土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低的整體空間分布特征。同時(shí)，3種插值類型得到的福安市耕地土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布圖存在一定差別，預(yù)測(cè)得到的研究區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)的范圍不同，Ordinary Kriging、Simple Kriging、Universal Kriging分別為17.13～33.15 g/kg、24.00～27.16 g/kg、17.08～33.04 g/kg。

圖2 土壤有機(jī)質(zhì)的空間插值分布

2.3.2 交叉驗(yàn)證 利用分析ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析模塊的交叉驗(yàn)證結(jié)果得到理論模型的擬合參數(shù)(表3)。通過(guò)表3可知，Simple Kriging插值類型的標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差(RMSS)明顯小于其他2個(gè)插值類型，為0.98，最接近于1；同時(shí)，Simple Kriging插值類型的標(biāo)準(zhǔn)平均值誤差(MSE)的絕對(duì)值也明顯小于另外2種插值類型，僅為0.004。說(shuō)明Simple Kriging插值類型更適合本研究的土壤有機(jī)質(zhì)的空間內(nèi)插值。此外，對(duì)比3種插值類型的均方根誤差(RMSE)值，也驗(yàn)證了Simple Kriging插值類型為最佳插值類型。

表3 不同插值類型的交叉驗(yàn)證結(jié)果

2.3.3 獨(dú)立驗(yàn)證 本研究利用從總體545個(gè)樣點(diǎn)中隨機(jī)選取的55個(gè)樣點(diǎn)作為驗(yàn)證點(diǎn)，進(jìn)行預(yù)測(cè)精度分析。由表4可知，Simple Kriging插值方法的平均絕對(duì)誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)值分別為6.35和8.26，均小于另外2種插值類型，說(shuō)明Simple Kriging插值類型的精度與穩(wěn)定性較高，其更適合用于本研究土壤有機(jī)質(zhì)的空間插值制圖，本結(jié)果與交叉驗(yàn)證的結(jié)果一致。

表4 不同插值方法的獨(dú)立驗(yàn)證結(jié)果

3 結(jié)論

本研究利用SPSS 19.0軟件對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，使用GS+7.0軟件對(duì)福建省福安市耕地土壤有機(jī)質(zhì)的空間異質(zhì)性進(jìn)行定量分析，并運(yùn)用ArcGIS 10.1軟件的地統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行3種Kriging插值類型插值制圖的對(duì)比，主要結(jié)論如下：

(1)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，福安市耕地土壤有機(jī)質(zhì)原始數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布，滿足地統(tǒng)計(jì)分析要求；福安市耕地土壤有機(jī)質(zhì)(變異系數(shù)為32.48%)屬中等變異強(qiáng)度。

(2)利用GS+7.0軟件的有機(jī)質(zhì)半變異函數(shù)參數(shù)擬合分析，得出有機(jī)質(zhì)的最佳理論模型為指數(shù)模型，各理論模型的構(gòu)性因子C/(C0+C)均大于75%，空間相關(guān)性強(qiáng)。這說(shuō)明福安市耕地土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布主要受土壤母質(zhì)、地形、氣候等結(jié)構(gòu)性因素作用的影響。

(3)通過(guò)交叉驗(yàn)證和獨(dú)立驗(yàn)證，對(duì)比3種Kriging插值類型的空間預(yù)測(cè)制圖精度，結(jié)果表明：Simple Kriging插值類型為最佳插值類型。同時(shí)，福安市耕地土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布規(guī)律主要呈現(xiàn)為東、東南方向土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，西北方向土壤有機(jī)質(zhì)含量中等，南、北方向的土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低的整體空間分布特征。