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基于GIS的秦安縣土壤養(yǎng)分空間變異特征研究

2020-11-06 03:11姬宏杜芳芳
種子科技 2020年17期
關(guān)鍵詞:土壤養(yǎng)分特征

姬宏 杜芳芳

摘 ? 要:借助地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS相結(jié)合的方法,研究了秦安縣土壤養(yǎng)分中的有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、緩效鉀、速效鉀的空間變異特征。結(jié)果表明:①土壤各養(yǎng)分項(xiàng)目的變異系數(shù)都在0.1~1,為中等變異,其中變異系數(shù)最大的是有效磷,為51.21%。②有機(jī)質(zhì)、速效鉀、緩效鉀的空間變異都為中等相關(guān)性,空間相關(guān)性依次減弱,其中最弱的是有效磷,為75.26%。③有機(jī)質(zhì)含量較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)是西川鎮(zhèn)、中山鄉(xiāng)、王尹鄉(xiāng)、云山鄉(xiāng);緩效鉀和緩效鉀含量較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)是安伏鄉(xiāng)、葉堡鄉(xiāng)、郭嘉鎮(zhèn)、王甫鄉(xiāng)。

關(guān)鍵詞:GIS;秦安縣;土壤養(yǎng)分;空間變異;特征

土壤是覆蓋于地球表面連續(xù)變化的疏松層,土壤生成過程中受到外部和自身內(nèi)部因素的影響,其中自然屬性變異中最為重要的是空間變異性。空間變異性主要受內(nèi)外部因素的影響,外部因素一般有人類種植活動(dòng)、人為施肥、種植措施、種植制度等;內(nèi)部因素是指是受到自然環(huán)境的影響,主要包括土壤母質(zhì)、降水、地形、氣候等[1]。近年來,為了提高糧食生產(chǎn)量,人們盲目過度施肥,導(dǎo)致肥料消耗增加,但利用率卻很低,造成土壤層的破壞和環(huán)境的污染。

以往對(duì)土壤養(yǎng)分變異性的研究都是基于傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué),只對(duì)空間變量進(jìn)行定性描述,由于土壤具有變異性,要求對(duì)其進(jìn)行定量研究。在對(duì)土壤養(yǎng)分項(xiàng)目的屬性進(jìn)行管理時(shí),地統(tǒng)計(jì)學(xué)很難對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,所以需要利用GIS來實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤屬性的管理。以往研究顯示,施肥對(duì)糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率達(dá)到50%以上,我國長期存在非精準(zhǔn)施肥,使得施肥的效果降低,且植物未能吸收的剩余肥料導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境污染嚴(yán)重,水體富營養(yǎng)化,嚴(yán)重時(shí)使土壤板結(jié),土壤肥力越來越低。分析區(qū)域土壤變異特征和分布特征,對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)長遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。本文對(duì)秦安縣土壤特性的研究,旨在合理規(guī)劃管理區(qū)域養(yǎng)分、對(duì)耕地進(jìn)行正確施肥培肥,從而提高肥料利用率,提高糧食產(chǎn)量。

1 ? 數(shù)據(jù)與方法

1.1 ? 研究區(qū)概況

秦安縣位于甘肅省東南部、天水市北部,北緯34°51′、東經(jīng)105°40′,下轄17個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),東西長約65 km,南北寬約50 km,總面積1 601 km2;秦安縣屬于溫和半濕潤季風(fēng)氣候,氣候較溫和,降水較少,大陸性季風(fēng)氣候顯著,年均日照時(shí)數(shù)2 206.7 h,年平均溫度10.4 ℃,降水和蒸發(fā)量差別較小;地貌以丘陵為主,土壤類型主要是黃綿土,由于不良耕作方式的影響,土壤肥力一般較低。最低海拔148 m、最高海拔4 500 m,相差較大[2]。圖1為研究區(qū)行政區(qū)劃圖。

1.2 ? 數(shù)據(jù)來源

該土壤農(nóng)化樣點(diǎn)數(shù)據(jù)來源于2012年測土配方施肥項(xiàng)目,土壤農(nóng)化樣點(diǎn)分布如圖2所示。經(jīng)過專業(yè)人員對(duì)所采集的土壤樣品進(jìn)行風(fēng)干,磨碎過篩,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定。

1.3 ? 研究方法

由于土壤本身是一個(gè)連續(xù)變化的復(fù)雜自然體,傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)很難準(zhǔn)確表達(dá)其空間變異性。本文應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究方法,定量描述其空間變化規(guī)律,該理論主要基于半方差和空間插值來完成。

1.3.1 ? 半方差函數(shù)

半方差用于研究對(duì)象空間相關(guān)性,又稱為半變異函數(shù),主要是在一維條件下,當(dāng)空間采樣點(diǎn)X在一維軸X軸上變化時(shí),區(qū)域變量Z(x)在點(diǎn)X和X+h處的值為Z(x)與Z(x+h)差的1/2,定義為區(qū)域變量Z(x)在X軸上的變異函數(shù),記為r(x,h),如公式1所示,即半變異函數(shù)r(h)的估量為公式2。

受到采樣誤差和空間變異等因素的影響,使得2個(gè)采樣點(diǎn)非常接近時(shí),變異函數(shù)值不為0,即存在塊金值(Co),當(dāng)其值小于25%,空間相關(guān)性最強(qiáng);當(dāng)其值處于25%~75%,空間相關(guān)性中等;大于75%系統(tǒng)空間相關(guān)性較弱。

1.3.2 ? 空間插值法

空間插值主要是運(yùn)用區(qū)域化變量的初始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特征,對(duì)沒有采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量的取值進(jìn)行線性無偏最優(yōu)估計(jì)。

在進(jìn)行空間插值時(shí),首先對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布驗(yàn)證,對(duì)異群值的非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換,使數(shù)據(jù)呈基本的正態(tài)分布,然后選擇插值模型,在選擇模型時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)平均值最接近于0、均方根預(yù)測誤差最小、平均標(biāo)準(zhǔn)誤差接近于均方根預(yù)測誤差、標(biāo)準(zhǔn)均方根最接近于1的原則并借助于擬合曲線進(jìn)行[3]。

2 ? 結(jié)果與分析

2.1 ? 土壤養(yǎng)分基本統(tǒng)計(jì)特征

通過直方圖統(tǒng)計(jì)(表1)分析可知,秦安縣土壤養(yǎng)分基本特征為:土壤中有機(jī)質(zhì)含量在2.7~26.5 g/kg,平均含量為11.835 g/kg;土壤全氮含量在0.17~1.38 g/kg,平均含量為0.71 g/kg;有效磷含量在1~72.1 mg/kg,平均含量為11.30 mg/kg;土壤緩效鉀含量在234~2 130 mg/kg,平均含量為1 103.7 mg/kg;土壤速效鉀含量在52~498 mg/kg,平均含量為202.33 mg/kg。根據(jù)農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)可知,泰安縣土壤中有機(jī)質(zhì)含量低,屬于4級(jí);全氮含量也較為低,屬于5級(jí);有效磷含量較低,屬于3級(jí);緩效鉀和速效鉀的含量都很高,屬于1級(jí)。

變異系數(shù)(C.V.)表示土壤特性空間變異性的大小,變異系數(shù)C.V.≤0.1時(shí)為弱變異性,0.1

2.2 ? 土壤養(yǎng)分的空間結(jié)構(gòu)特征

2.2.1 ? 最優(yōu)模型選擇

對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、緩效鉀、速效鉀養(yǎng)分分別用不同模型進(jìn)行擬合參數(shù)的比較選擇最優(yōu)模型,以速效鉀養(yǎng)分項(xiàng)目為例,通過對(duì)表3養(yǎng)分項(xiàng)目模型擬合參數(shù)分析可看出,擬合模型較好的是三角函數(shù)。表4是其各養(yǎng)分要素的最優(yōu)模型,有機(jī)質(zhì)的最優(yōu)模型為球面模型,速效鉀和緩效鉀的最優(yōu)模型均為三角函數(shù),全氮和有效磷的模型均為指數(shù)模型。

2.2.2 ? 土壤養(yǎng)分的空間變異結(jié)構(gòu)分析

塊金值與基臺(tái)值的比稱為基底效應(yīng),表示樣本間的變異程度,其值越大,表示樣本間的變異更多的是由隨機(jī)因素引起的,該值小于25%,空間相關(guān)性最強(qiáng);25%~75%處于中等空間相關(guān)性;大于75%系統(tǒng)空間相關(guān)性最弱。從表5可以看出,有機(jī)質(zhì)、速效鉀、緩效鉀、全氮都為中等相關(guān)性,且空間相關(guān)性依次變?nèi)?,其中有效磷空間相關(guān)性最弱,為75.26%。

偏基臺(tái)值和基臺(tái)值的比值所反映的是土壤空間相關(guān)性的強(qiáng)弱,該值越大,空間相關(guān)性越強(qiáng)??臻g相關(guān)性最強(qiáng)的是有機(jī)質(zhì),為58.56%,進(jìn)一步表明有機(jī)質(zhì)的空間變異是由于結(jié)構(gòu)性因素的差異引起的??臻g相關(guān)性最弱的是有效磷,為24.74%,其是由于受到隨機(jī)因素而引起的,與空間變異性結(jié)果一致。

2.3 ? 土壤養(yǎng)分的空間分布

本研究通過空間插值和分級(jí)得到各養(yǎng)分的空間分布,可以看出,土壤中有機(jī)質(zhì)和全氮含量的分布趨勢基本相似,其是由于土壤中有機(jī)質(zhì)本身和全氮含量密切相關(guān)。有機(jī)質(zhì)含量較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有西川鎮(zhèn)、中山鄉(xiāng)、王尹鄉(xiāng)、云山鄉(xiāng);有效磷主要分布在劉坪鄉(xiāng)、葉堡鄉(xiāng)、興國鎮(zhèn);緩效鉀的含量較高,主要分布在西北部,主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)有安伏鄉(xiāng)、郭嘉鎮(zhèn)、王甫鄉(xiāng);速效鉀的含量也較高,主要分布在中部,分布的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有葉堡鄉(xiāng)、郭嘉鎮(zhèn)、西川鎮(zhèn)??傮w土壤養(yǎng)分各項(xiàng)目的分布沒有明顯的特征,主要受到該研究區(qū)地形地貌分的影響,由于該地區(qū)地形起伏不平、山川溝壑,而土壤各養(yǎng)分項(xiàng)目的含量中有機(jī)質(zhì)含量較低,緩效鉀、速效鉀含量較高,受到土壤母質(zhì)、人為施肥、種植制度等各因素的影響;該地區(qū)土壤類型是黃綿土,所以土壤腐殖質(zhì)低、肥力低。研究表明,土壤養(yǎng)分的分布受到地形的影響,而土壤養(yǎng)分含量的豐缺主要跟土壤類型相關(guān)。

3 ? 結(jié)論

通過對(duì)秦安縣0~20 cm耕層土壤養(yǎng)分空間變異分析可以得知,該地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量較低,鉀肥含量極高,所以土壤肥力差,不利于植物的生長。

主要研究結(jié)果如下: (1)根據(jù)農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),該地區(qū)有機(jī)質(zhì)的含量較低,緩效鉀和速效鉀含量極高;有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、緩效鉀、速效鉀的變異系數(shù)都在0.1~1,為中等變異,其中變異系數(shù)最大的是有效磷,為51.21%;變異系數(shù)最小的是緩效鉀,為17.61%。

(2)由半方差函數(shù)參數(shù)得出,有機(jī)質(zhì)、速效鉀、緩效鉀、全氮都為中等相關(guān)性,并且空間變異性依次變?nèi)?,且空間變異性最弱的是有效磷,這主要是由隨機(jī)因素引起的;空間相關(guān)性最強(qiáng)的是有機(jī)質(zhì),為58.56%,空間相關(guān)性最弱的是有效磷,為24.74%,這和空間變異性得出的結(jié)果一致。

(3)通過對(duì)土壤養(yǎng)分的分布分析得知,該地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量較低,緩效鉀和速效鉀的含量又很高,說明該研究區(qū)土壤肥力較低,總體來看,土壤養(yǎng)分較高的地區(qū)是西川鎮(zhèn)、中山鄉(xiāng)、云山鄉(xiāng)、王尹鄉(xiāng),養(yǎng)分較低的地區(qū)是郭嘉鎮(zhèn)、安伏鄉(xiāng)、劉坪鄉(xiāng)、興國鎮(zhèn)。研究表明,土壤養(yǎng)分的分布受地形的影響,而土壤養(yǎng)分含量的豐缺主要和土壤母質(zhì)相關(guān)。

參考文獻(xiàn):

[ 1 ] 岳惠玲.農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間變異性特征分析[J].農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備,2020(4):63-64.

[ 2 ] 鐘文挺,李浩,謝麗紅,等.基于GS+和ArcGIS的蒲江縣耕地土壤養(yǎng)分空間變異分析[J].農(nóng)業(yè)研究與應(yīng)用,2020(2):37-43.

[ 3 ] 陳英,馮定邦,蔡立群,等.耕作層土壤養(yǎng)分含量的空間自相關(guān)分析——以秦安縣郭嘉鎮(zhèn)為例[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2016(1):66-73,107.

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