土壤養(yǎng)分空間分析及綜合評(píng)價(jià)最新版

各省市年平均降雨量空間統(tǒng)計(jì)分析基于R語言朱青國佳欣摘要：基于贛州市贛縣2015年274份耕地土壤的土壤樣本數(shù)據(jù)：有機(jī)質(zhì)、土壤pH、全氮、有效磷、速效鉀、坡度、高程7個(gè)樣本指標(biāo)和縣域尺度土壤養(yǎng)分的合理采樣數(shù)。通過SPSS軟件統(tǒng)計(jì)分析的方法，全氮、有機(jī)質(zhì)兩種養(yǎng)分呈現(xiàn)較強(qiáng)的空間相關(guān)性且為顯著關(guān)系。有機(jī)質(zhì)、土壤PH其貢獻(xiàn)率分別為26.346%和20.458%，累積貢獻(xiàn)率將近50%；當(dāng)聚類距離擴(kuò)大到25時(shí)，274個(gè)樣點(diǎn)被聚一類；通過GS+，ArcGIS軟件進(jìn)行樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)地統(tǒng)計(jì)分析可得，高斯模型有機(jī)質(zhì)樣點(diǎn)的空間相關(guān)性很強(qiáng)烈，但變程不是很大;通過普通克里金插值算法表示樣本有機(jī)質(zhì)的空間分布特征。關(guān)鍵詞：贛州市贛縣；土壤養(yǎng)分；統(tǒng)計(jì)分析；普通克里金；Abstract:Basedon274soilsampleddatafromGancountyofGanzhoucityin2005.Includingsevensampleindexes:organicmatter,PHofthesoil,totalnitrogen,availablephosphorus,rapidlyavailablepotassium,slopeandelevation.Andreasonablesampleswithsoilnutrientinthecountyrange.ByusingstatisticanalysismethodoftheSPSSsoftware,totalnitrogenandorganicmatterpresentquitestrongspatialcorrelationandobviousnegativerelationship.ThecontributionrateoforganicmatterandpHofthesoilare26.346%and20.458%,theaccumulativecontributionrateisnearly50%.Whenclusteringdistanceextendingto25,274samplesaregatheredtooneform.ByusingGS+andArcGISsoftwareconductinggeostatisticalanalysisontheorganicmatterstatistics,wecanconclude:availablephosphorusofGaussianModelhasstrongspatialcorrelation,butthecodomainisnotlarge;AndtheOrdinaryKriginginterpolationalgorithmcandisplaythespatialdistributioncharacteristicsoftheorganicmattersamples.Keywords:GancountyofGanzhoucity;Soilnutrient;Statisticalanalysis;OrdinaryKriging;刖言土壤養(yǎng)分是由土壤提供的植物生長(zhǎng)所必須的營養(yǎng)元素，而土壤肥力則是土壤最重要的生態(tài)功能之一，實(shí)時(shí)掌握土壤養(yǎng)分的空間分布是管理好土壤養(yǎng)分和合理施肥的基礎(chǔ)。對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行空間分析，研究土壤養(yǎng)分的空間變異特征，對(duì)土壤進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者利用3S技術(shù)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)和曲面建模(HASM)等方法圍繞土壤變異已取得大量研究成果，對(duì)土壤pH值口⑵、和土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等養(yǎng)分［3F的空間變異特征做了較為深入的研究。但這些研究大都集中在田塊尺度和特定區(qū)域。除此之外在縣域尺度，苑小勇等⑹、王淑英等⑺分別對(duì)北京市平谷區(qū)的有機(jī)質(zhì)和全氮、有效磷的空間變異特征進(jìn)行了研究，楊奇勇等⑶對(duì)不同尺度上的有效磷和速效鉀的空間變異進(jìn)行了比較分析。綜合國內(nèi)外狀況，針對(duì)縣域土壤養(yǎng)分空間變異及采樣數(shù)的統(tǒng)研究還相對(duì)缺乏。本文基于贛州市贛縣2015年274份耕地土壤的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)(有機(jī)質(zhì)、土壤pH、全氮、有效磷、速效鉀、坡度、高程)，縣域行政區(qū)劃數(shù)字地圖，采用統(tǒng)計(jì)分析方法，從空間上綜合評(píng)價(jià)研究縣土壤養(yǎng)分分布特征及規(guī)律和相互關(guān)系，為贛州市贛縣土壤管理、科學(xué)研究和施肥決策提供依據(jù)。1材料與方法1.1研究區(qū)概況贛縣區(qū)位于江西省南部，贛江上游，環(huán)繞贛州老城區(qū)一章貢區(qū)，地處東經(jīng)114°42，至115°22，，北緯25°26，至26°17，之間。贛縣區(qū)境域地形屬丘陵山地。地勢(shì)東南高，中、北部低，東部和南部重巒迭嶂，迂回起伏，其間夾有山間條帶狀谷地，海拔在500?1000米之間。全境地處中亞熱帶丘陵山區(qū)季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，氣候溫和，陽光充足，雨量充沛，并具有春早、夏長(zhǎng)、秋短、冬遲的特點(diǎn)。年均氣溫19.3°C，年均日照1092小時(shí)，年均降雨量1076毫米，無霜期298天，四季常青。贛縣區(qū)境內(nèi)河流密布，700多條大小河流縱橫全境，平均河網(wǎng)密度每平方公里為0.77公里，水力資源豐富。水資源較豐富，包括地表水、地下水和過境水三個(gè)部分。土壤共分7個(gè)土類，15個(gè)亞類，51個(gè)土屬，96個(gè)土種。主要土類有山地草甸土、山地黃壤、紅壤、紫色土、石灰土、草甸土及水稻土等。1.2數(shù)據(jù)來源結(jié)合2015年測(cè)土配方施肥與耕地地力調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目，按照代表性、均勻性、科學(xué)性、可比性的原則，于2015年4月對(duì)贛縣進(jìn)行采樣。為了提高土壤養(yǎng)分空間預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度和精度，采樣點(diǎn)充分考慮不同土壤類型和地形特點(diǎn)，在受人類活動(dòng)影響強(qiáng)烈的地區(qū)加強(qiáng)布點(diǎn)（圖1），采樣時(shí)，利用GPS定位，記錄采樣點(diǎn)經(jīng)緯度位置，每一個(gè)取樣點(diǎn)取土壤表層0-20cm土壤，混合后代表該樣點(diǎn)土樣，共采集耕地土壤的樣點(diǎn)274份。贛縣耕地土壤樣點(diǎn)圖圖1：贛縣耕地土壤樣點(diǎn)圖對(duì)采集的土樣在自然狀態(tài)下風(fēng)干，過篩后測(cè)定有機(jī)質(zhì)、土壤pH、全氮、有效磷、速效鉀5個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)，用重銘酸鉀-硫酸溶液-油浴法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)，用pH計(jì)探頭測(cè)定土壤pH，用半微量開氏法測(cè)定土壤全氮，用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定土壤有效磷，采用乙酸銨提取-火焰光度法測(cè)定速效鉀。1.3研究方法1.3.1統(tǒng)計(jì)分析方法本文采用相關(guān)分析法計(jì)算有機(jī)質(zhì)與土壤pH、全氮、有效磷、速效鉀、坡度、高程的相關(guān)系數(shù)、偏相關(guān)系數(shù)，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)“全氮”和“有機(jī)質(zhì)”是顯著關(guān)系，從有機(jī)質(zhì)和其他指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)、偏相關(guān)系數(shù)可以看出各個(gè)指標(biāo)之間還是有一定的相互影響關(guān)系。其次通過主成分分析法對(duì)有機(jī)質(zhì)、土壤pH、全氮、有效磷、速效鉀、坡度、高程指標(biāo)進(jìn)行降維，求取其第一主成分、第二主成分特征值與貢獻(xiàn)率，發(fā)現(xiàn)第一主成分、第二主成分的特征值分別為1.846和1.432,累積貢獻(xiàn)率將近50%。最后通過聚類分析土壤樣點(diǎn)就行分類，發(fā)現(xiàn)當(dāng)選取的距離為5時(shí)，由于樣點(diǎn)數(shù)量多被聚類為將近13類；進(jìn)一步把聚類距離擴(kuò)大到20,274個(gè)樣點(diǎn)被聚為4類。最終，當(dāng)聚類距離擴(kuò)大到25,274個(gè)樣點(diǎn)被聚為1類。1.3.2地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法以半方差和Kringing插值為基本工具，可以對(duì)既具有隨機(jī)性又具有結(jié)構(gòu)性的各種變量在空間上的分布進(jìn)行研究。半方差函數(shù)是研究土壤特性空間變異的關(guān)鍵。本文對(duì)樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差分析，計(jì)算塊金值、變程和基臺(tái)值(球狀模型、指數(shù)模型、高斯模型、線型模型)，發(fā)現(xiàn)高斯模型有機(jī)質(zhì)樣點(diǎn)的空間相關(guān)性很強(qiáng)烈，其次是球面模型，再然后是指數(shù)模型。最后對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行普通克里金插值分析，合理預(yù)測(cè)有機(jī)質(zhì)在贛縣的含量。1.4軟件平臺(tái)以ArcGIS10.2和GS+9.0以及SPSS軟件為平臺(tái)，以SPSS軟件對(duì)土壤進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，ArcGIS地統(tǒng)計(jì)模塊(Geostatistics)進(jìn)行土壤養(yǎng)分的傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)特征分析、和普通克里金插值分析，GS+9.0用于分析半方差函數(shù)、選擇合適的半方差模型。2結(jié)果與分析2.1土壤養(yǎng)分分布特征及土壤養(yǎng)分空間變異特征分析表1為樣點(diǎn)的描述性統(tǒng)計(jì)參數(shù)。結(jié)合均值、中值、偏度和峰度可以反映出有機(jī)質(zhì)、全氮分布相對(duì)均勻，而另外3種養(yǎng)分分布相對(duì)比較分散。由表2可知變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差反映土壤特性空間變異性的大小。根據(jù)變異系數(shù)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)可以看出幾種養(yǎng)分的變異情況各不相同，變異系數(shù)為12.262%-26.376%，各種養(yǎng)分均處于低等強(qiáng)度的變異。速效鉀變異系數(shù)最小，為12.262%，有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)最大，為26.376%。有機(jī)質(zhì)變異性較大，這主要是與各地農(nóng)民未合理施用有機(jī)肥有關(guān)。

表1:描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表指標(biāo)個(gè)數(shù)單位最大值最小值均值中值偏度峰度有機(jī)質(zhì)274g/kg57.212.128.795327.90.504-0.11pH2746.74.55.093151.0781.389全N274mg/kg3.1780.3341.46851.43650.139-0.256有效P274mg/kg83.43.530.693426.850.910.532速效K274mg/kg2632163.2482482.6898.49坡度27443.317403.57170.75742.8613.649高程274M580.7527100176.67551502.63312.501表2：土壤養(yǎng)分空間變異數(shù)統(tǒng)計(jì)表元件初始特征值選取平方和載入總計(jì)變異的％累加％總計(jì)變異的％累加％11.84626.37626.3761.84626.37626.37621.43220.45846.8341.43220.45846.83431.17316.75763.5911.17316.75763.5914.95713.67077.2615.85812.26289.5236.5227.45596.9787.2123.022100.0002.3土壤養(yǎng)分的空間變異結(jié)構(gòu)半方差函數(shù)(Semi-variogram)及其模型，半方差函數(shù)也稱為半變異函數(shù)，它是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中研究土壤變異性的關(guān)鍵函數(shù)。土壤在空間上是連續(xù)變異的，所以土壤性質(zhì)的半方差函數(shù)應(yīng)該是連續(xù)函數(shù).但是，樣品半方差圖卻是由一批間斷點(diǎn)組成.可以用直線或曲線將這些點(diǎn)連接起來，用于擬合的曲線方程就稱為半方差函數(shù)的理論模型。利用GS+軟件計(jì)算土壤有機(jī)質(zhì)的的半方差函數(shù)各指標(biāo)值如下表:表3：各地理統(tǒng)計(jì)模型的塊金值、變程和基臺(tái)值模型塊金值基臺(tái)值變程塊金值/基臺(tái)值殘差RSS決定系數(shù)r線性模型76.2595.560.370.79809760.306球面模型0.1088.400.0380.00117270.483指數(shù)模型9.2089.700.0630.10265840.590高斯模型9.4088.500.03290.10627230.487由表3數(shù)據(jù)可知，從塊金值、基臺(tái)值、變程和塊金值與基臺(tái)值的比值來看:各個(gè)模型下的基臺(tái)值相差不大，這是因?yàn)榛_(tái)值代表有機(jī)質(zhì)的總體特征，所以變化相差不是很大。因?yàn)榛_(tái)值是塊金值與偏基臺(tái)值兩者之和，變化范圍主要體現(xiàn)在塊金值與偏基臺(tái)值之間。從得到的結(jié)果可以看出，線性模型下的塊金值相比其他三個(gè)模型最大，以致于塊金值與基臺(tái)值的比值，即空間相關(guān)系數(shù)最大。塊金方差/基臺(tái)值可表示空間變異程度，可度量空間自相關(guān)的變異所占的比例，當(dāng)該比

值＜25%說明具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，比值在25%與75%之間，說明具有中等空間相關(guān)性，若比值〉75%說明空間相關(guān)性很弱；從得到的結(jié)果來看，高斯模型有機(jī)質(zhì)樣點(diǎn)的空間相關(guān)性很強(qiáng)烈，其次是球面模型，再然后是指數(shù)模型，而在線性模型下則表現(xiàn)為很弱的空間相關(guān)性。另外，指數(shù)模型、球面模型和高斯模型下的變程相對(duì)變化不是很大，而線性模型的變程比較大。也就是說在線性模型下超過0.37這個(gè)距離則不再具有空間相關(guān)性，而另外三個(gè)模型所容許的距離則更小。2.4土壤養(yǎng)分的空間分布圖2至圖6為贛縣常規(guī)克里金插值分析圖，根據(jù)樣品空間位置不同、樣品間相關(guān)程度的不同，對(duì)每個(gè)土壤樣本賦予不同的權(quán)，進(jìn)行滑動(dòng)加權(quán)平均，以估計(jì)中心塊段平均品位，由于樣本數(shù)量較少，故采用常規(guī)克里金插值法，可知各個(gè)土壤養(yǎng)分（有機(jī)質(zhì)、土壤pH、全氮、有效磷、速效鉀）在贛縣的分布情況。常具新地土年.速技鉀克里金新值圖皇由Nil|1皿虹土官1*?圖6：贛縣耕地土壤速效鉀克里金法插值圖全縣耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量適宜,平均約為29.12g/kg,含量較高的區(qū)域主要分布在北部和南部部分地區(qū)，全縣大部分地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量在25?35g/kg之間，屬于適宜水平。全縣耕地土壤pH適宜,平均約為5.1,含量較高的區(qū)域主要分布在西北部地區(qū)，有48%的區(qū)域pH含量低于5.1,這說明贛縣耕地土壤全氮的整體含量處于次適宜水平。全縣耕地土壤全氮含量適宜，平均約為1.48g/kg,含量較高的區(qū)域主要分布在北部地區(qū)，有37%的區(qū)域全氮含量低于1.4g/kg,這說明贛縣耕地土壤全氮的整體含量處于適宜水平。全縣耕地土壤有效磷含量豐富，平均約為30.34mg/kg,含量較高的區(qū)域主要分布在西北地區(qū)，其中有效磷含量在20?40mg/kg之間的面積占整個(gè)研究區(qū)域面積的76%,這說明贛縣土壤耕地有效磷的整體含量處于較高水平。全縣耕地土壤速效鉀含量適宜，平均約為63.87mg/kg,含量較高的區(qū)域主要分布在西北部地區(qū)，有35%的區(qū)域速效鉀含量低于50mg/kg，而含量超過100mg/kg的區(qū)域占整個(gè)研究區(qū)的9%。3、結(jié)論與討論樣本土壤養(yǎng)分基本情況為，各指標(biāo)養(yǎng)分含量空間分布不均勻，有機(jī)質(zhì)與全氮分布相對(duì)均勻，土壤pH、有效磷、速效鉀空間分布不均勻；從土壤養(yǎng)分變異程度來看，各樣分均處于低等強(qiáng)度的變異。利用半方差函數(shù)研究得出：高斯模型有機(jī)質(zhì)樣點(diǎn)的空間相關(guān)性很強(qiáng)烈，指數(shù)模型、球面模型和高斯模型下的變程相對(duì)變化不是很大，而線性模型的變程比較大。也就是說在線性模型下超過0.37這個(gè)距離則不再具有空間相關(guān)性，而另外三個(gè)模型所容許的距離則更小。由克里金插值圖可知，合理的預(yù)測(cè)耕地土壤養(yǎng)分在贛縣的分布情況，能夠?yàn)閰^(qū)域土壤管理和施肥決策提供科學(xué)依據(jù)。本文以贛州市贛縣274份耕地土壤的土壤樣本數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提供了土壤養(yǎng)分在贛縣空間分布的研究案例，對(duì)其他相關(guān)地區(qū)有一定的借鑒意義，但其適用程度有待進(jìn)一步的研究探索。參考文獻(xiàn)郭曉敏，牛德奎，郭熙，胡東南，熊國輝,嚴(yán)伍明.平衡施肥毛竹林土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性研究(摘要)[A].中國土壤學(xué)會(huì).中國地壤學(xué)會(huì)第十次全國會(huì)員代表大會(huì)暨第五屆海峽兩岸土壤肥料學(xué)術(shù)交流研討會(huì)文集(面向農(nóng)業(yè)與環(huán)境的土壤科學(xué)專題篇)[C].中國土壤學(xué)會(huì):,2004:1.SHIWen-jiao，LIUJi-yuan，DUZheng-ping，etal.Surfacemodelingofsoilpropertiesbasedonlanduseinformation[J].Geoderma,2011,162(3/4):347-357.郭熙，郭曉敏,譚雪明，陳防.農(nóng)田鉀素空間變異插值模型研究——以江西省泰和縣蘇溪養(yǎng)分監(jiān)測(cè)村為例[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2003,04:528-531.楊奇勇，楊勁松，劉廣明.土壤速效養(yǎng)分空間變異的尺度效應(yīng)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2011,22(2):431-436.[YANGQi-yong,YANGJin-song,LIUGuang-ming.Scale-dependencyofspatialvariabilityof