基于ArcGIS地統(tǒng)計分析模塊的土壤養(yǎng)分與pH值空間變異分析
——以云南省尋甸縣為例

齊偉恒， 彭 琳， 郜魯濤， 葉 丹

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)大數(shù)據(jù)學(xué)院/云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650201)

隨著自然因素和人為因素的不斷影響，土壤空間變異不斷擴(kuò)大。近年來農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和農(nóng)業(yè)污染不斷加劇使土壤空間變異研究得到重視，并逐漸成為土壤科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[1]。了解土壤養(yǎng)分空間變異，掌握土壤養(yǎng)分的空間分布，對農(nóng)田土壤養(yǎng)分管理、作物種植指導(dǎo)與合理施肥具有重要作用，同時是推進(jìn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的前提和基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求[1]。

統(tǒng)計學(xué)應(yīng)用于土壤科學(xué)研究在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)開始了，特別是地理信息技術(shù)快速發(fā)展和地統(tǒng)計學(xué)的結(jié)合，使得近些年國內(nèi)很多學(xué)者對土壤空間變異分析做了大量研究，但也存在一些問題。例如，楊東等研究的基于地理信息系統(tǒng)(geographic information system，簡稱GIS)和地統(tǒng)計學(xué)的張掖市甘州區(qū)土壤全氮、有機(jī)質(zhì)的空間變異特征分析，主要是對土壤的全氮和有機(jī)質(zhì)進(jìn)行空間變異分析，沒有考慮其他的土壤養(yǎng)分空間變異[2]。劉曉林等基于地統(tǒng)計分析模塊的土壤養(yǎng)分空間變異分析，針對不同土壤養(yǎng)分空間變異進(jìn)行研究，缺少考慮pH值對土壤養(yǎng)分空間變異的影響[1]。研究地統(tǒng)計分析時很少會有作者結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際作物產(chǎn)量進(jìn)行研究與分析。因此，本研究對土壤養(yǎng)分和pH值進(jìn)行綜合空間變異研究的同時結(jié)合尋甸回族彝族自治縣作物近10年產(chǎn)量進(jìn)行分析，為農(nóng)業(yè)種植提供施肥建議。

云南省昆明市尋甸回族彝族自治縣是一個傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大縣，是云南省第一批高原特色農(nóng)業(yè)示范縣。然而不斷的農(nóng)業(yè)開發(fā)、濫用化肥、缺乏對土壤養(yǎng)分狀況的了解，不僅使化肥利用率降低，而且會加重農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，同時還會造成嚴(yán)重的土地污染，使當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。一直以來，對云南省尋甸回族彝族自治縣土壤養(yǎng)分空間變異的研究很少，所以本研究以尋甸回族彝族自治縣為例，利用ArcGIS 10.2地統(tǒng)計分析模塊，選擇土壤有效磷含量、速效鉀含量、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量和pH值對其空間變異進(jìn)行研究，了解尋甸回族彝族自治縣4種土壤養(yǎng)分和pH值空間變異規(guī)律，幫助農(nóng)民科學(xué)了解土壤養(yǎng)分情況，達(dá)到精準(zhǔn)施肥、提高肥料利用率的目標(biāo)，為尋甸回族彝族自治縣的土壤養(yǎng)分合理利用與管理提供有效的幫助。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

云南省昆明市尋甸回族彝族自治縣地處云南省東北部，位于102°41′～103°33′E、25°20′～26°01′N之間，總面積為359 800 km2，全縣共13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，常駐人口約45.7萬人。云南省尋甸回族彝族自治縣地形錯綜復(fù)雜，有高山、丘陵、壩子、坡地等多種地形地貌。縣內(nèi)最高海拔為3 294 m，最低海拔為 1 480 m，冬季無嚴(yán)寒，夏季無酷暑，冬春日照充足，氣候溫暖，干旱少雨；夏秋多雨，涼爽潮濕。年平均降水量為1 045 mm，年平均溫度為14.5 ℃，無霜期229 d，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候。全縣耕地面積為3 500 km2，主要種植玉米、水稻、馬鈴薯、煙草等，是云南省重要的糧食生產(chǎn)基地。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)為云南省測土施肥工程項(xiàng)目測得數(shù)據(jù)。在尋甸回族彝族自治縣選取具有代表性的地方，利用全球定位系統(tǒng)(global position system，簡稱GPS)定位技術(shù)記錄采樣點(diǎn)的坐標(biāo)。劃定采樣單元，一般5～10 km2為1個單元進(jìn)行采樣，去掉土壤的表層覆蓋物，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行均勻取土，水田約占20%，旱地約占60%，水澆地約占20%。經(jīng)過處理檢測與分析，用半微量開式法測全氮含量，重鉻酸鉀外加熱法測定有機(jī)質(zhì)含量，用抗比色法測定有效磷含量，速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定，pH值測定采用計電位法[2-3]，得到 1 147 個土壤采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)。整理采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)選取采樣數(shù)據(jù)中的有效磷含量、速效鉀含量、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、pH值進(jìn)行空間變異分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

利用采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，將整理好的采樣數(shù)據(jù)導(dǎo)入ARCMap軟件中，將采樣點(diǎn)轉(zhuǎn)化為以米(m)為單位的平面坐標(biāo)系，同時將尋甸回族彝族自治縣的邊界線進(jìn)行疊加，形成如圖1所示的尋甸回族彝族自治縣采樣點(diǎn)分布圖。在采樣得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)中會出現(xiàn)一些離群值，可能很高也可能很低，可能是采點(diǎn)過程中出現(xiàn)的一些錯誤操作造成的。所以使用ArcGIS中的地統(tǒng)計分析模塊用半變異/協(xié)方差和直方圖找出采樣數(shù)據(jù)中的離群值。若樣本平均值用a表示，標(biāo)準(zhǔn)差用s表示，離群值用c表示，當(dāng)c>a+3s時用a+3s代替c；當(dāng)c

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分和pH值的統(tǒng)計特征分析

為研究土壤養(yǎng)分和pH值的變異情況，選取中值、平均值等指標(biāo)，采用統(tǒng)計學(xué)方法對尋甸回族彝族自治縣土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀、全氮4種土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)和pH值進(jìn)行描述和分析。變異系數(shù)大小表示各土壤養(yǎng)分之間的變異程度。從表1可以看出，尋甸回族彝族自治縣土壤4種養(yǎng)分和pH值變異系數(shù)變化較大。變異系數(shù)的等級一般劃分為：當(dāng)變異系數(shù)<10%時為弱變異情況，當(dāng)10%≤變異系數(shù)≤100%時為中等變異情況，當(dāng)變異系數(shù)>100%時為強(qiáng)變異情況[1，4-5]。pH值變異系數(shù)最低，接近于弱變異。4種養(yǎng)分變異系數(shù)在64%～79%之間，均為中等變異。其中有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)最高，這可能與尋甸回族彝族自治縣土壤的成土母質(zhì)有關(guān)；有效磷的變異系數(shù)為75.590%，比有機(jī)質(zhì)略低一些，變異系數(shù)較高可能受當(dāng)?shù)氐氖┓屎透鞣椒ㄓ绊懀嗍鞘艹赏聊纲|(zhì)的影響。

研究地統(tǒng)計學(xué)的前提是樣本要服從正態(tài)分布，在進(jìn)行半變異分析之前對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。利用SPSS 19.0對土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)[6]。從表1可以看出，全氮含量服從正態(tài)分布，有效磷含量、速效鉀含量、有機(jī)質(zhì)含量、pH值顯示出一定的偏態(tài)效應(yīng)，經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)正態(tài)分布，可進(jìn)行地統(tǒng)計學(xué)研究。

表1 尋甸回族彝族自治縣土壤養(yǎng)分特征統(tǒng)計

2.2 土壤養(yǎng)分和pH值的空間變異特征分析

ArcGIS地統(tǒng)計分析模塊中的模型有很多種，如高斯模型、指數(shù)模型等。通過擬合參數(shù)比較選擇適合的理論模型。擬合參數(shù)的選擇一般包括均方根、平均預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)化均方根、均值、標(biāo)準(zhǔn)化均值。根據(jù)模型的判斷標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差越接近于1，預(yù)測誤差的均值越接近于0，其他值越小時，其模型擬合效果越好[1，7-8]。以pH值為例進(jìn)行擬合參數(shù)，選擇適合的模型，表2為pH值的模型擬合參數(shù)。可以看出，pH值擬合效果較好的是高斯模型。依據(jù)同樣的標(biāo)準(zhǔn)，對其他的養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到各養(yǎng)分最佳模型，如表3所示。塊金值(C0)通常表示由測量誤差和小于最小取樣尺度引起的隨機(jī)變異；基臺值(C0+C)表示系統(tǒng)內(nèi)的總變異，包括結(jié)構(gòu)性變異和隨機(jī)性變異；偏基臺值(G)表示基臺值與塊金值的差值；塊金系數(shù)[C0/(C0+C)]，別稱基底效應(yīng)，表示隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例，當(dāng)塊金系數(shù)小于25%，說明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的相關(guān)性，當(dāng)塊金系數(shù)大于75%，說明系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱[1，9-11]。從表3可以看出，有效磷的塊金系數(shù)較大，表明有效磷空間相關(guān)性很弱，主要是隨機(jī)性因子影響造成的塊金系數(shù)較大。pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀變異范圍在25%～75%之間，具有中等程度的空間相關(guān)性，表明它們受地形、氣候、土壤等結(jié)構(gòu)性因素和人為施肥、耕作等隨機(jī)性因素共同影響[4]。

圖2是pH值及4種養(yǎng)分對應(yīng)各自模型的半變異函數(shù)散點(diǎn)圖，其中橫坐標(biāo)是分離距離，縱坐標(biāo)是半變異函數(shù)值。

表2 pH值不同模型擬合參數(shù)結(jié)果

表3 不同模型擬合與檢驗(yàn)參數(shù)

2.3 土壤養(yǎng)分和pH值的空間分布格局

尋甸回族彝族自治縣土壤的養(yǎng)分受成土母質(zhì)、氣候、人為因素等影響會產(chǎn)生差異。由圖3可以看出，尋甸回族彝族自治縣全氮含量主要集中在0.27～3.85 g/kg，分布相對不是很均勻，主要是因?yàn)樵谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的不合理使用，造成土壤中氮含量分布不均；有效磷含量集中在15.00～85.00 mg/kg，有由東向西逐漸增多的趨勢；速效鉀含量主要集中在 60.00～380.00 mg/kg，大部分地區(qū)含量相對較高，可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)施用鉀肥。有機(jī)質(zhì)含量主要集中在6.00～80.00 g/kg，尋甸回族彝族自治縣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量施用有機(jī)肥料，不斷增加土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，保證土壤中有機(jī)質(zhì)的豐富度。尋甸回族彝族自治縣pH值主要集中在4.7～6.7之間，土壤大部分呈現(xiàn)弱酸性，在種植作物時要考慮作物適宜的酸堿度，種植適宜酸性土壤生長的作物，也可以施用石灰來調(diào)節(jié)土壤酸堿度。

2.4 土壤養(yǎng)分與當(dāng)?shù)刂饕N植作物的關(guān)系

尋甸回族彝族自治縣不僅是云南省高院特色農(nóng)業(yè)示范縣，而且也是昆曲綠色經(jīng)濟(jì)示范帶縣區(qū)，2012年農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值 131 931 萬元，占農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值的45%左右，在第一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中占有很大比例。尋甸回族彝族自治縣農(nóng)產(chǎn)品主要有玉米、小麥、稻谷、馬鈴薯等，圖4是近些年來尋甸回族彝族自治縣農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和以馬鈴薯為例的馬鈴薯產(chǎn)量折線圖。糧食總量從1999年到2012年整體呈增長趨勢，同樣馬鈴薯在十幾年間產(chǎn)量也是增長趨勢[12]。馬鈴薯是典型的喜鉀作物，需氮肥次之，需磷肥較少，一般生產(chǎn)15 000 kg/hm2馬鈴薯需從土壤中吸收氮82.5 kg，五氧化二磷33 kg，氧化鉀153 kg。農(nóng)戶種植馬鈴薯時須要根據(jù)地塊肥力特性在馬鈴薯生長的不同時期施用合理的氮、磷、鉀肥。尋甸回族彝族自治縣土壤pH值基本滿足馬鈴薯的正常生長發(fā)育需要，當(dāng)pH值在 5.0～5.5時最適宜馬鈴薯生長，當(dāng)pH值低于4.8時會影響馬鈴薯的生長發(fā)育，尋甸回族彝族自治縣中部部分地區(qū)不適宜馬鈴薯種植。因此，要因地制宜地種植馬鈴薯，避免盲目種植，盲目施肥[13-14]。玉米生長對土壤要求不是十分苛刻，一般高產(chǎn)玉米田，耕層有機(jī)質(zhì)含量在1.0%～1.5%之間，全氮含量為 0.7 g/kg，有效磷含量約為15～85 mg/kg，速效鉀含量為 150 mg/kg，pH值一般在5～8之間。從實(shí)際情況可以看出，尋甸回族彝族自治縣在種植玉米時須要大量施用氮肥，大部分地區(qū)都可以滿足玉米生長所需要的磷肥，在北部地區(qū)種植玉米時須要施用一定量的鉀肥，須要大量施用有機(jī)質(zhì)肥，不僅可以保證玉米不脫肥、不早衰，而且還可以獲得玉米高產(chǎn)。尋甸回族彝族自治縣北部和中部部分地區(qū)由于土壤酸性比較強(qiáng)，所以不適合玉米種植，弱酸地區(qū)可以施用適量石灰中和酸性，保證玉米最優(yōu)產(chǎn)量[15-17]。

3 結(jié)論與討論

目前，土壤養(yǎng)分空間變異分析研究采用GIS和地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方法進(jìn)行。通過土壤樣本采樣與分析，測定不同成分的含量，利用地統(tǒng)計分析模塊進(jìn)行空間變異分析。但一般研究只是考慮1種或2種土壤養(yǎng)分[1-2]，研究樣本單一，更不會考慮pH值并結(jié)合當(dāng)?shù)刈魑锂a(chǎn)量進(jìn)行研究。

本研究以云南省尋甸回族彝族自治縣為例，利用ArcGIS地統(tǒng)計分析功能研究尋甸回族彝族自治縣土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、速效鉀含量、有效磷含量和pH值的空間變異情況，4種養(yǎng)分和pH值均為中等變異，其中pH值變異稍弱。經(jīng)過半變異函數(shù)的參數(shù)擬合，得到有效磷含量、速效鉀含量和pH值為高斯模型，全氮含量和有機(jī)質(zhì)含量為指數(shù)模型。pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、速效鉀含量是中等空間相關(guān)性，主要是受結(jié)構(gòu)性因素和人為影響造成的，有效磷含量呈弱相關(guān)性，受隨機(jī)因素影響較大，在今后的土地利用中要加強(qiáng)用養(yǎng)結(jié)合，科學(xué)施用化肥。通過結(jié)合尋甸回族彝族自治縣近些年糧食總產(chǎn)量以及玉米、馬鈴薯幾種主要糧食作物產(chǎn)量，進(jìn)一步分析了玉米、馬鈴薯不同作物需肥量及生長在不同酸堿度土地的適宜情況。尋甸回族彝族自治縣大部分地區(qū)的pH值適合馬鈴薯和玉米生長，同時大部分地區(qū)滿足馬鈴薯和玉米生長的需肥量，少部分地區(qū)可根據(jù)情況改善土壤酸堿度和施用少量化肥來滿足玉米和馬鈴薯的種植。本研究能為尋甸回族彝族自治縣農(nóng)戶的種植提供一定的建議。