胡 俊

(拉薩市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站·西藏拉薩·850000)

堆龍德慶縣農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異研究

胡 俊*

(拉薩市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站·西藏拉薩·850000)

為推進(jìn)西藏測(cè)土配方施肥工作深入開展,提升農(nóng)民施肥技術(shù),以堆龍德慶縣為例,采用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法,對(duì)其土壤養(yǎng)分的空間變異及分布特征進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明,土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間變異函數(shù)為高斯模型,全氮、有效磷和速效鉀均為球狀模型,PH為指數(shù)模型。所有指標(biāo)具有中等的空間相關(guān)性,說明其受結(jié)構(gòu)因素和隨機(jī)因素共同影響。Kriging插值圖較為直觀地描述了堆龍德慶縣土壤養(yǎng)分的空間分布規(guī)律,并且與目前農(nóng)民的施肥習(xí)慣、耕作制度等因素高度相符。

空間分析 GIS 地統(tǒng)計(jì)學(xué) Kriging 土壤養(yǎng)分

土壤具有不均一變化特性和高度的空間變異性,對(duì)土壤空間變異量化過程的研究具有重要意義[1]。地統(tǒng)計(jì)學(xué)已經(jīng)被證明是分析土壤特性空間分布特征及其變異規(guī)律的最為有效的方法之一[2]。我國相關(guān)科研部門從20世紀(jì)80年代以來,運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)合GIS方法對(duì)農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異特性進(jìn)行了研究和應(yīng)用。經(jīng)過研究表明:與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)相比,地統(tǒng)計(jì)學(xué)能更好地揭示隨機(jī)變量在空間上的分布、變異和相關(guān)特性[3]。西藏自治區(qū)從2006年開始測(cè)土配方施肥項(xiàng)目,進(jìn)行了大量的野外土樣采集和化驗(yàn)工作,掌握了大量的一手資料。本文擬采用堆龍德慶縣測(cè)土配方數(shù)據(jù)庫土樣化驗(yàn)數(shù)據(jù),運(yùn)用GIS軟件平臺(tái)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行空間變異分析,有利于深刻認(rèn)識(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜性和時(shí)空變異性,有利于構(gòu)建循環(huán)高效的農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng),推動(dòng)農(nóng)業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展[4]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

堆龍德慶縣位于西藏自治區(qū)中南部,拉薩市的西北邊緣,其地理位置為北緯29°26'～30°39',東經(jīng)90°10'～90°27'之間,總土地面積2672.3平方公里。堆龍德慶縣全境均屬高原溫帶半干旱氣候區(qū),多年平均日照時(shí)數(shù)3000小時(shí)以上,全年太陽輻射總量186千卡/厘米2,日照百分率為68%。年平均氣溫7.5℃,六月最高氣溫15.4℃,一月平均最低氣溫-2.3℃,≥10℃積溫2124.3℃,年降水量444.8毫米,降水非常集中,水熱同期。年平均相對(duì)濕度45%,年蒸發(fā)量為降水量的5倍。種植業(yè)較單一,以春青稞和冬小麥為主,一年一熟制。

1.2 土壤采集和測(cè)定

按照農(nóng)業(yè)部《測(cè)土配方技術(shù)規(guī)范》關(guān)于采樣單元的規(guī)定,按照100畝為一個(gè)采樣單位的原則,將堆龍德慶縣8.27萬畝耕地劃分為827個(gè)采樣單元,在全縣范圍內(nèi)共采集混合土樣827個(gè),采樣深度為0—20cm,并用GPS定位。土壤測(cè)定項(xiàng)目包括:有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀、水溶態(tài)硼、PH。測(cè)試方法如下:PH用電位法、有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀-硫酸溶液-油浴法、有效磷用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法、速效鉀用乙酸銨浸提-火焰光度法、堿解氮用擴(kuò)散法、全氮用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法、全鉀用氫氧化鈉熔融-火焰光度法、水溶態(tài)硼用姜黃素比色法。在Arcgis中導(dǎo)入采樣點(diǎn)坐標(biāo),生成采樣點(diǎn)分布圖如下:

1.3 研究方法

1.3.1 描述性統(tǒng)計(jì)。

運(yùn)用SPSS17.0軟件,對(duì)有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀及PH進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì),掌握數(shù)據(jù)的基本特征。

1.3.2 正態(tài)性檢驗(yàn)。

運(yùn)用SPSS17.0非參數(shù)檢驗(yàn)K-S檢驗(yàn),結(jié)合Arcgis地統(tǒng)計(jì)分析模塊中的Explore Date中的Histogram、Normal QQPlot及半方差/協(xié)方差云圖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性判斷。通過檢驗(yàn),所有指標(biāo)均符合正態(tài)分布。

1.3.3 地統(tǒng)計(jì)分析。

運(yùn)用Arcgis9.3中的地統(tǒng)計(jì)分析模塊,選擇合適的模型,擬合半方差函數(shù),求得相關(guān)參數(shù)。采用Kriging插值法對(duì)縣域內(nèi)所有指標(biāo)進(jìn)行插值,得到養(yǎng)分含量分布圖。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法,對(duì)堆龍德慶縣農(nóng)田土壤養(yǎng)分進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì),其統(tǒng)計(jì)特征值結(jié)果見表1。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮平均值為23.62和1.45g/kg,變程為3.5-58.4、0.12-3.27g/kg;有效磷和速效救平均含量為10.6、69.63mg/kg,變程為1.8-106.6、20-187.0mg/kg;PH平均7.35,變程5.6-8.7。按照標(biāo)準(zhǔn)(CV＜10%為弱變異性,10%≤CV≤30%為中等變異性,CV＞30%為強(qiáng)變異性[7]),堆龍德慶縣農(nóng)田土壤的PH為弱變異,有機(jī)質(zhì)和全氮含量為中等變異,有效磷和速效鉀含量為強(qiáng)變異。其中尤以速效磷的變異程度最大,達(dá)到78%。

表1 堆龍德慶縣農(nóng)田土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)特征值

2.2 土壤養(yǎng)分空間變異特征

塊金效應(yīng)值可以反映土壤養(yǎng)分的空間相關(guān)程度。土壤養(yǎng)分空間變異是由結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同作用的結(jié)果[3]。塊金效應(yīng)值表達(dá)式[C0/(C0+C)],其中C0為塊金值,表示由試驗(yàn)誤差和小于實(shí)際取樣尺度引起的變異,表示隨機(jī)部分的空間異質(zhì)性;(C0+C)為基臺(tái)值,表示系統(tǒng)內(nèi)的總變異;塊金效應(yīng)值即塊金值與基臺(tái)值的比值,表示隨機(jī)部分引起的空間變異占總變異的比例。若塊金效應(yīng)值大,說明隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性程度高,而結(jié)構(gòu)性因素作用小;相反,若塊金效應(yīng)值小,說明隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性程度低,而結(jié)構(gòu)性因素作用大。在實(shí)際工作中,若塊金系數(shù)＜25%,則認(rèn)為具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性;若塊金系數(shù)在25%-75%,則認(rèn)為有中等的空間相關(guān)性;若＞75%,則認(rèn)為空間相關(guān)性很弱[8]。

圖1 有機(jī)質(zhì)半方差圖

圖2 全氮半方差圖

圖3 有效磷半方差圖

圖4 速效鉀半方差圖

圖5 PH半方差圖

擬合最佳模型,首先用Geostatistical Analysis模塊進(jìn)行分析,得到各種模型擬合的各種參數(shù)值,在眾多模型參數(shù)中選取Mean參數(shù)最接近零,Root-Mean-square參數(shù)和Average standard Error參數(shù)最小,Root -Mean-Square-standardized參數(shù)最接近1的模型類型,最后確定此模型即為最佳擬合模型。堆龍德慶縣土壤有機(jī)質(zhì)用高斯模型擬合,全氮、有效磷、速效鉀用球狀模型擬合,PH用指數(shù)模型擬合。見圖1-5,其擬合模型和相關(guān)參數(shù)見表2。

有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、PH的塊金效應(yīng)值均在27%-75%之間,具有中等的空間相關(guān)性,說明其變異受結(jié)構(gòu)因素和施肥、田間管理等隨機(jī)因素的共同影響?？臻g自相關(guān)性總的情況是:全氮＞有機(jī)質(zhì)＞PH＞速效鉀＞有效磷。有效磷的塊金效應(yīng)值最大,為68.67%,說明人為活動(dòng)對(duì)有效磷的影響較大,削弱了結(jié)構(gòu)性因素造成的強(qiáng)的空間自相關(guān)作用。變程的大小為PH＞速效鉀＞有機(jī)質(zhì)＞全氮＞有效磷,表明PH空間自相關(guān)距離最短,有效磷空間自相關(guān)距離最長。

表2 堆龍德慶縣土壤養(yǎng)分理論模型和相關(guān)參數(shù)

2.3 土壤養(yǎng)分空間分布

圖6-8是堆龍德慶縣土壤養(yǎng)分含量的空間布局插值圖,顯示了不同級(jí)別養(yǎng)分含量的分布狀況。從中可以直觀地看出,土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的空間分布規(guī)律相似,其高值中心出現(xiàn)在北部和中西部地區(qū),低值中心出現(xiàn)在中東部地區(qū)。這種分布一方面說明有機(jī)質(zhì)與全氮含量相關(guān)程度較高;另一方面與農(nóng)民施肥習(xí)慣相符,北部和中西部地區(qū)的農(nóng)區(qū)畜牧業(yè)比重比中東部地區(qū)高,有機(jī)肥質(zhì)量和施用量普遍比中東部地區(qū)高,由于長期施用大量的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥,造成土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量普遍高于中東部地區(qū)的分布格局。有效磷的高值分布于東南部地區(qū),低值區(qū)為中部和北部地區(qū),這與東南部農(nóng)區(qū)農(nóng)民喜歡施用高磷二元復(fù)合肥磷酸二銨有關(guān)系,與實(shí)際相吻合。速效鉀的高值區(qū)分布在中北部地區(qū),低值區(qū)分布在中南部地區(qū),這與該縣的種植制度和施肥習(xí)慣緊密相關(guān),一方面堆龍德慶縣長期以來不施用鉀肥,只施用氮肥和磷肥;另一方面中北部地區(qū)長期以來只種植春青稞(生育期為120天左右),中南部地區(qū)不僅種植春青稞,還種植大面積的冬小麥(生育期為300天左右),由于耕作制度的差異,顯然中南部地區(qū)耗鉀量比中北部地區(qū)大,而鉀肥有沒有得到及時(shí)補(bǔ)充,造成了目前北高南低的分布格局。PH總的分布規(guī)律是北高南低,南部也出現(xiàn)兩個(gè)高值帶,其與氣候條件、施肥習(xí)慣、耕作制度、田間灌溉等因素關(guān)系復(fù)雜,有待進(jìn)一步分析。

3 結(jié)論

通過對(duì)堆龍德慶縣土壤養(yǎng)分空間變異及分布特征的研究,得出主要結(jié)論如下:

3.1 從經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果來看,堆龍德慶縣農(nóng)田土壤的PH為弱變異,有機(jī)質(zhì)和全氮含量為中等變異,有效磷和速效鉀含量為強(qiáng)變異。其中尤以速效磷的變異程度最大,達(dá)到78%。

3.2 地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果表明,堆龍德慶縣農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)適合高斯模型、全氮、有效磷、速效鉀適合球狀模型、PH適合指數(shù)模型所有指標(biāo)的塊金效應(yīng)值均在27%-75%之間,具有中等的空間相關(guān)性,說明其變異受結(jié)構(gòu)因素和隨機(jī)因素的共同影響。

3.3 Kriging插值圖直觀地描述了堆龍德慶縣土壤養(yǎng)分的分布格局。總的來看,土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀及PH都呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性分布,并且與目前農(nóng)民的施肥習(xí)慣、耕作制度等因素高度相符。

[1]張敏.基于GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的土壤養(yǎng)分空間變異研究.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010:1.

[2]郭旭東,傅伯杰,馬克明.基于GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的土壤養(yǎng)分空間變異特征研究[J].應(yīng)用學(xué)報(bào),2000.11 (4):557-563.

[3]楊忠華,劉芳,趙澤英,馮延璽.基于GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異性研究.貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(9):120-123.

[4]楊玉建.農(nóng)田土壤速效鉀含量的空間變異研究[C].農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用研究和科學(xué)發(fā)展研討會(huì)文集. 2008(7):54-58.

[5]王紹強(qiáng),朱松麗,周成虎.中國土壤土層厚度的空間變異特征[J].地理研究,2001,20(2):161-169.

[6]李海濱,林忠輝,劉蘇峽.Kriging法在區(qū)域土壤水分估值中的應(yīng)用[J].地理研究,200 1,20(4):446-452.

[7]薛正平,楊星衛(wèi),段項(xiàng)鎖等.土壤養(yǎng)分空間變異及合理取樣數(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2002,(4):6-9.

[8]史利江,鄭麗波,柳云龍.農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異特征研究[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,42(1):51-56.

Study on spatial variability of soil nutrients in Duilongdeqing county

Hu jun
(Lhasa City Agricultural Technology Extension Station 850000)

To promote Tibetan soil testing and fertilizer work in depth,fertilization technology to enhance farmers to Duilongdeqin County as an example,the use of GIS and geostatistics method of combining its spatial variability and distribution of soil nutrients were analyzed.The results showed that the spatial variability of soil organic matter content as a function of the Gaussian model,total nitrogen,phosphorus and potassium are spherical model,PH for the exponential model.All indicators with moderate spatial correlation,indicating that structural factors and random factors affected by both.Kriging interpolation maps more intuitive description of the distribution Duilongdeqin County soil nutrients in space,and with the current farmers'fertilizer habits,and other factors cropping system highly consistent.

spatial analysis;GIS;geostatistics;Kriging;soil nutrient

胡俊(1978-),男,高級(jí)農(nóng)藝師。主要從事農(nóng)業(yè)科研與技術(shù)推廣工作。項(xiàng)目來源:西藏測(cè)土配方施肥項(xiàng)目。