基于GIS與地統計的莊浪縣土壤養分空間變異研究

摘 要：為了充分了解甘肅省莊浪縣土壤表層pH值、全氮、速效鉀、有效磷和有機質5種養分要素的空間變異規律，利用GIS與地統計的方法，對莊浪縣的832個土壤樣點數據進行描述性統計分析和克里格插值分析。結果表明，莊浪縣土壤pH值、有機質、全氮、有效磷和速效鉀5種養分的均值分別為8.58、14.13 g/kg、0.81 g/kg、24.20 mg/kg和180.55 mg/kg;土壤pH值、有機質、全氮、有效磷和速效鉀的變異系數分別為1.40%、17.60%、20.60%、49.34%和27.40%，其中有機質、全氮、有效磷、速效鉀為中等變異性，而土壤pH值為弱變異性。根據全國第二次土壤普查養分分級標準可知，莊浪縣土壤有機質和全氮含量處于相對缺乏的水平，有效磷和速效鉀含量處于豐富水平，土壤pH值屬于堿性。各土壤養分含量均存在較低水平的區域，在土壤管理與施肥過程中應注意合理調控。

關鍵詞：土壤學;土壤養分;空間變異

隨著GIS技術的不斷完善與飛速發展，對土壤養分空間變異性研究的關注度不斷提高，并受到了許多學者的廣泛重視。與此同時，地統計學也被認為是研究土壤空間變異特性及其規律較為主要且有用的方法之一。通過分析，其既能很好地解釋自然與人為活動對空間變異的影響，又能揭示隨機變量在空間上的分布與變異還有相關特征[1]。例如，孫祥斌等[2]主要是運用GPS進行定位并采取土樣進行化驗，然后通過GIS和克里格插值方法來分析城鄉交錯帶土壤的空間分布情況和肥力水平的變化。李琳一等[3]主要是在經典統計與空間統計方法的基礎上對菜棚內的土壤做出了采樣與測驗，并且對其空間變異特征進行了充分的分析，從而確定了取樣數量。宋云等[4]在GIS和地統計學的基礎上，通過測試崇明三島土壤中的有機質和全氮含量，研究了土壤有機質和全氮的空間變異特征及其影響因素。基于此，筆者以甘肅省莊浪縣為研究對象，采用GIS與地統計相結合的方法，擬用耕層土壤pH值、有機質、全氮、有效磷和速效鉀5種養分數據，研究土壤養分空間變異情況。為莊浪縣進一步提高糧食產量、減輕農民負擔、減少生產成本、防止農田環境污染提供相應的數據支持，同時也為提高土壤利用率提供一定的理論依據。

一、材料與方法

（一）研究區概況

莊浪縣地處甘肅省平涼市，東鄰華亭縣，西依靜寧縣，北與寧夏回族自治區隆德縣、涇源縣毗鄰，南與張家川縣、秦安縣接壤。莊浪縣東西長56.37 km，南北寬46.60 km，總面積1 553.14 km2，轄1街道5鎮13鄉。莊浪縣屬大陸性季風區溫帶半濕潤氣候，年均降雨量510 mm，年均氣溫8.1 ℃，無霜期159 d，年均日照時間為2 179 h。莊浪縣主要土壤類型有黃綿土、黑壚土、紅黏土、新積土和潮土等。

（二）土壤采樣與測定

莊浪縣共有耕地71 079.30 hm2，平均85.43 hm2耕地為一個采樣單位，在全縣范圍內共采集混合土樣832個，采用GPS定位技術，記錄經緯度，精確度0.1″。每個土樣由同一地塊“S”形的5個樣點的表層土壤（0～20 cm）經充分混合而成，四分法留取1 kg，所有樣品經風干、剔除雜質、研磨，分別過0.90 mm和20.00 mm篩[5]。之后對土壤pH值、全氮、有機質、有效磷和速效鉀進行檢測。

（三）數據處理與分析

1.特異值處理

將樣點的坐標投影與轉換后的投影疊加到養分分布圖中，仔細觀察其是否都在分布圖內，如果不在分布圖內，則作為特異值，直接刪去。

2.數據轉換

利用ArcGIS中的有關空間插值的方法和地統計學模塊進行半方差模型的擬合，繪制莊浪縣土壤pH值、有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量空間分布圖，之后將養分含量數據標準化，并將數據樣點做投影和坐標轉換。對于不符合檢驗的養分數據樣點進行對數轉換，讓其服從正態分布。

3.描述性統計分析

利用SPSS統計分析軟件，通過描述性統計分析得出5種土壤養分數據的平均值、最大值、最小值、標準差、峰度值、偏度值和變異系數等值，并且研究各個數據間的相關關系。

4.插值分析

在ArcGIS地統計學模塊中對莊浪縣土壤養分含量數據進行空間分析，再用克里格插值方法進行空間插值分析，并得到土壤養分空間分布圖。

二、結果與分析

（一）土壤養分的描述性統計分析

由表1可知，所研究區域內土壤pH值的變化范圍在8.13～8.89，有機質在3.91～26.56 g/kg，全氮在0.37～1.42 g/kg，有效磷在2.10～110.20 mg/kg，速效鉀在75～454 mg/kg。由以上分析結果可以看出，速效鉀的變化范圍最大，其原因可能是因為在農業生產過程中灌溉不均勻所致[6]。根據國家土壤pH值等級劃分標準和全國第二次土壤普查養分分級標準可知，莊浪縣土壤養分整體表現出土壤堿性較大、有機質和氮素相對缺乏、有效磷速效鉀含量豐富的特點。變異系數主要用來反映土壤養分的空間變異程度，普遍認為變異系數小于10%為弱變異性，10%～70%為中等變異性，大于70%則為強變異性[7]。從表1可以看出，研究區域土壤肥力各指標的變異情況各不相同，除土壤pH值為弱變異性外，其他4種養分都在中等變異的范圍內。從分析結果中可以看出有效磷的變異系數最高，達到49.34%;土壤pH值的變異系數最低，為1.40%;有機質、全氮、速效鉀的變異系數都處于17.60%～27.40%，說明這3種土壤養分含量比較穩定，具有相近的空間變異性。

（二）土壤數據的正態分布檢驗及轉換

直方圖是用于檢查數據是否服從正態分布的一種方式（接近鐘形曲線）。如果在匯總的數據中，數據偏度值接近0，峰度值接近3，并且中位數和平均值相接近，則說明數據服從正態分布。若數據不服從正態分布，則將不符合原始數據進行轉換，然后再進行正態分布檢驗[8]。由表1和圖1得出結論，土壤pH值、有機質、全氮的峰度都接近于0，偏度都接近于3，且土壤pH值、有機質、全氮樣點數據的中位數與平均值都較為類似，可認定為正態分布;土壤有效磷和速效鉀樣點數據的偏度和峰度，中位數和平均值相差較大，所以認為不符合正態分布，將數據進行對數轉換后其偏度和峰度，中位數和平均值均符合正態分布。

（三）空間插值分析

克里格插值模型相對而言是一種比較精確的插值方法，其主要是依賴于統計理論和大量的計算[9]。從圖2可以看出，土壤pH值總體基本呈斑點狀分布，呈西南和東北較高、西北和東南較低的趨勢，總體來說莊浪縣土壤pH值值較高且都呈堿性。有機質總體呈塊狀分布，從圖2中可以看出西北方向含量明顯高于西南方向，其最高含量出現在該研究區域中西部，達到26.56 g/kg，并由中西部向西北方向降低，最低含量為3.39 g/kg。從第二次全國土壤普查的數據結果來看，莊浪縣有機質含量處于相對較低的水平。經過更深一步的研究得出，該研究區的有機質分布特征與該地土壤的氣候條件、質地及其耕作方式有關[10]。全氮總體呈斑塊狀分布，其含量呈現出西南部、中部、東北部較高，西北、東南部較低的趨勢。總體來說，全縣全氮含量相對缺乏。所以，該縣在施肥過程中應注意對氮肥較為缺乏的地區增加氮肥的使用。莊浪縣有效磷含量分布趨勢不明顯，總體含量都在18.00～31.00 mg/kg，但中部東部及西南部有少量含量較高的區域。總體來說，有效磷的含量在全縣處于較為豐富水平。速效鉀在空間上基本成斑塊狀分布，且由研究區東部向西北西南方向遞減。總體來看，速效鉀的含量在全縣也處于較為豐富的水平。

三、結論

土壤養分變異情況及其分布情況對土壤精準施肥是非常重要的，所以摸清土壤養分變異情況和分布情況勢在必行。同樣的土壤養分也決定著糧食產量的提高、生產成本的減少及其農田環境的防護[11]。綜合之前對土壤樣點數據的描述性統計分析結果顯示出，土壤pH值、有機質、全氮、有效磷和速效鉀的平均值依次為5.58、14.20 g/kg、0.81 g/kg、24.39 mg/kg和181.75 mg/kg，其變異系數依次為1.80%、22.90%、20.60%、52.40%和29.40%，除土壤pH值屬于弱變異性外，其他均屬于中等變異。從土壤養分空間分布圖可以看出，莊浪縣土壤有機質含量總體處于相對缺乏的水平，且莊浪縣西南部區域有機質含量比其他區域更低，該區域在施肥時應增施有機肥;土壤中的全氮含量也處于相對缺乏水平，且全縣的全氮含量都相對缺乏;土壤有效磷處于豐富水平，但也有較為零星的極小部分地區有效磷含量比較低，導致這個的原因可能與當地施肥習慣有關，所以在該區域的施肥過程中應注重加磷肥的投入;土壤速效鉀含量處于豐富水平，并且空間分布呈現出東高西低的明顯趨勢。從總體上來看，莊浪縣的土壤養分含量處于相對缺乏的水平，通過分析認為導致這一現象的原因可能與當地人們的施肥方式、種植制度、作物種類等有關。對于土壤養分含量較低的區域，可以在施肥過程中合理增施其相對應的肥料;同樣的，對于含量較高的區域，在滿足作物生長的基礎上可適當減少相應肥料的投入，以免造成不必要的肥料浪費，導致農田環境受到污染。（基金項目：甘肅農業大學管理學院學生科研訓練計劃（SRTP）資助項目，項目編號：ZX2018042）

參考文獻：

[1]白由路，金繼運，楊俐蘋，等.基于GIS的土壤養分分區管理模型研究[J].中國農業科學，2001（1）：46-50.

[2]孔祥斌，張風榮，王茹，等.基于GIS的城鄉交錯帶土壤養分時空變化及格局分析：以北京市大關區為例[J].生態學報，2003（11）：2210-2218.

[3]李琳一，呂衛光，袁濤，等.設施蔬菜栽培土壤養分變異和取樣研究[J].上海農業學報，2008（1）：1-4.

[4]宋云，李德志，周燕，等.崇明三島土壤主要養分的時空變異特征[J].華東師范大學學報（自然科學版），2009（5）：85-93.

[5]中華人民共和國農業部.中華人民共和國農業行業標準、測土配方施肥技術規范[S].北京：中國農業出版社，2006.

[6]劉成林，曹養同，楊海軍，等.庫車前陸盆地古近紀—新近紀鹽湖環境變遷及其成鉀效應探討[J].地球學報，2013（5）：547-558.

[7]張偉，陳洪松，王克林，等.喀斯特峰叢洼地土壤養分空間分異特征及影響因子分析[J].中國農業科學，2006（9）：1828-1835.

[8]杜贇.楊壟小流域崩崗分布特征及洪積扇土壤性質空間變異研究[D].武漢：華中農業大學，2014.

[9]楊美玲，王雪梅，羅夢媛.基于GIS的庫車縣耕層土壤養分空間變異研究[J].水土保持研究，2015（1）：61-65.

[10]劉祖香，陳效民，靖彥，等.基于地統計學的農田尺度旱地紅壤養分空間變異性研究[J].土壤通報，2013（2）：392-397.

[11]劉立波.土壤施肥模型的研究與應用[J].安徽農業科學，2008（10）：4187-4188.