基于GIS技术的土壤养分时空变异研究

李慧芳，杨虎德，郑隆举

（1.兰州城市学院，甘肃兰州 730070；2.甘肃省农业科学院，甘肃兰州 730070）

土壤养分是土地生产力的基础，是植物生长的必要条件，也是衡量土壤质量好坏的重要指标，土壤养分具有空间和时间上的高度变异性。同一时刻，即使是在土壤类型和质地相同的区域内，其土壤养分特性在空间上也有很大的差异，这种属性称为土壤特性的空间变异性[1]，这是各种人为因素及气候、土壤类型、地形等因素综合影响的结果。土壤养分及空间变异，特别是对其量化过程的研究，对指导农民合理施肥具有重要意义。同时，土壤养分空间变异研究是实现精准农业的一个基础工作。由于种植结构调整、农田利用方式、施肥和管理策略的变化均会导致土壤养分在时间上的变化[2]。研究一定时段内土壤养分的变化及影响因素，揭示土壤养分在时间上的变化规律，制定合理的养分管理策略，为农业可持续发展提供必要的参考。可见，揭示土壤养分的时空变化规律为实现区域农业可持续发展提供必要的支持[3]。

1 材料和方法

1.1 研究区

民勤县位于甘肃省西北部，东经104°11′～109°50′，北纬 38°3′～39°27′，东、西、北三面被腾格里和巴丹吉林沙漠包围，气候干旱，地域辽阔，日照时间长，光辐射强，昼夜温差大，自然条件得天独厚，适宜种植的作物种类多样。由于所处特殊地理位置，形成了丰富的土壤类型，有6个土类，共36个土种，其中主要耕作土壤类型为灌淤土和潮土，是由黄土性冲积、洪积、湖积母质发育而来。

1.2 研究方法

近年来，随着3S技术和地统计科学的迅速发展，将地统计学和GIS技术相结合来研究土壤养分分布逐渐成为研究土壤养分分布的主要方法之一[4]。

地统计学是20世纪50年代初在南非采矿业中为了计算矿石储量而发展应用起来的，以变异函数为主要工具，研究那些在空间分布上既有随机性又有结构性，或空间相关性和依赖性的自然现象的科学[4]。近年来，许多土壤工作者运用地统计学来研究土壤养分的空间分布，并取得了一定的成果。

1.3 土壤养分数据采集和数据处理

1.3.1 土壤数据采集 以行政村为单位进行采样，只在耕作土壤上取样点，每个行政村至少包含一个样点，样点要尽量能够代表该村的土壤养分状况，选择一块有代表性的田块，在周围以梅花状或蛇形采集土样5个，混合。同时兼顾土壤类型，对土壤类型复杂区域或过渡区适当增加采样点。采样样点深20 cm，采样点的位置用GPS定位、记录（图1）。

1.3.2 测定要素与测定方法 测定要素为作物最需要的大量元素和部分中微量元素，具体为：有机质、速效氮、速效钾、速效磷。测定方法采用国家标准：对有机质的测定采用重铬酸钾滴定法，碱解氮的测定采用碱解扩散法，速效磷的测定采用碳酸氢钠提取——铝锑抗比色法，速效钾的测定采用四苯硼钠比浊法[5]。

1.3.3 土壤养分图的制作 运用地统计分析方法Kriging插值法，以土壤采样点养分数据为依据，进行插值，生成土壤养分分布图，克里格插值是目前地统计学中应用最广泛的最优内插法[6]，它以区域化变量理论为基础，以变异函数为主要工具[7]。

1.3.3.1 基础数据准备 基础数据包括属性数据和图件数据。属性数据主要是采样点养分数据，包括有机质、速效钾、速效磷、碱解氮等养分值的测定值；图件数据主要有行政区划图、土地利用现状图。采样点养分数据是多条记录，包括GPS经纬度，有机质、速效钾、速效磷、碱解氮等养分的测定值等字段。在ArcGIS中，将点数据导入geodatabase数据库，将养分数据和GPS点数据在数据库中进行连接，导出包括养分值的点图层。

1.3.3.2 数据检查 首先使用直方图来检查数据是否服从正态分布，通过检查后发现土壤有机质、碱解氮、速效钾、速效磷数据都呈正态分布。其次，用直方图查找离群值，在我们采集的数据中有个别离群点，通过分析确定其为错误数据，将其剔除。接下来我们进行了趋势分析，发现速效钾、速效磷、碱解氮都没有任何方向上的趋势。

1.3.3.3 选择合适的拟合函数进行养分插值 Kriging内插的最重要的一步就是根据样本找到适合的变异函数理论模型，在本文中，有机质、速效钾、碱解氮都采用的指数函数模型，速效磷采用的是高斯模型。为了优化内插算法，关于克里格方法研究出了许多种优化算法，包括简单克里格方法、指示克里格方法、普通克里格方法、协同克里格方法、通用克里格方法[8]，本文采用的是普通克里格方法，插值结果见图2。

2 结果与分析

2.1 土壤养分时间变化

表1为测土施肥和第二次土壤普查养分含量比较。土壤有机质增加了0.88 mg/kg，提高了11.2%；土壤速效磷增加了12.68 mg/kg，提高了214.2%；土壤碱解氮增加了0.34 mg/kg，提高了1.04%；土壤速效钾减少了55.12 mg/kg，降低了27.40%。自1980年以来，由于长期大量施肥，农作物产量逐渐提高，随着种植制度的变化，土壤养分发生了很大变化，第二次土壤普查结果表明，土壤养分含量的情况是“富含K、缺磷、少氮”，因此，当地农技部门提出并推广了相应的施肥措施，氮肥和磷肥施用量增加，并在土壤中积累，到2006年，速效磷成倍的增加，有机质较显著的增加，速效氮也有一定的增加，而土壤速效钾含量明显下降。同时，由于第二次土壤普查结果显示，民勤县土壤富含钾，因此长期以来钾肥施用量偏低甚至不施，而农作物产量提高将近1倍，导致土壤速效钾明显降低。这个结果和农民施肥习惯有必然联系。

表2为土壤变异性的描述，通过第二次土壤普查测定值和2006测土施肥测定值变异系数比较可以看出，第二次土壤普查速效磷的变异系数最高，为89.75%；速效钾其次，为41.47%；有机质和碱解氮的变异系数较低，为23.74%，37.88%。有机质和碱解氮变异系数较低，说明民勤县有机质和碱解氮含量差别不大，速效磷差异较大。结合民勤县的土壤图来看，各种土壤类型之间有机质含量差别不大，这主要是因为灌淤土耕作时间比较长，土壤熟化程度高，因此，土壤有机质含量差别逐渐变小。同时，我们结合民勤县施肥统计资料发现，在第二次土壤普查之前，民勤地区磷肥用量普遍较低，因此速效磷平均含量也较低，而氮肥施肥量相对大一些，长期的施肥让不同地区的氮素含量之间的差异变小。民勤县耕作土壤是在河流沉积母质基础上发育而来的，这种母质本身富含钾素，因此土壤速效钾的含量相对较高。2006年测土施肥测定值中，碱解氮、速效磷、速效钾变异系数都在降低，有机质略有上升。这说明长期以来的耕作、施肥和灌溉等人为因素使得土壤养分各种含量变异性逐渐变小。

表1 测土施肥和第二次土壤普查养分含量比较

表2 测土施肥和第二次土壤普查养分变异比较 %

2.2 土壤养分空间变异

在各向同性下土壤养分要素的空间变异的研究中，准确估算土壤某一特性的半方差是关键的问题。因为半方差函数反映了土壤特性的空间变异结构，其影响到空间变异分析的准确性，选择合适的半方差模型需要不断地进行各种参数的试验，以达到最佳值，本研究选取指数模型。

块金值和基台值之比反映了土壤养分空间变异性程度，如果该值比较低，说明由气候、母质、生物、地形等结构性因素引起的空间异质性较大；相反，则是由施肥、耕作、种植、灌溉等人为因素带来的空间变异性程度较大。根据比值大小划分，如果比值大于75%，则说明空间相关性很弱，如果比值小于25%，说明具有强烈的空间相关性，在两者之间，则表明具有中等的空间相关性。

从表3中参数可以分析：块金值/基台值：碱解氮最大，达到64.25%，说明碱解氮的空间变异性主要是由人为因素引起的，结构性影响较小；有机质和速效磷的分别为35.00%和30.71%，说明人为因素和结构性因素同时对有机质和速效磷的空间变异有着中等程度的影响；速效钾的值较小，为12.00%，说明它们在此研究尺度上，结构性有着比人为性重要的作用，因此，速效钾的含量受土壤母质的影响较大，民勤县土壤富含K素。

表3 2006年土壤养分空间变异

3 结论

与第二次土壤普查数据相比，测土施肥时期土壤有机质、速效氮、速效磷含量均有增加，尤其是速效磷成倍增加，碱解氮变化不大，略有增加；速效钾含量呈下降趋势。

与第二次土壤普查数据相比，测土施肥时期土壤碱解氮、速效磷、速效钾变异系数都在降低，有机质略有上升，总体上来说依然是速效磷变异系数最大，达到52.08%，碱解氮、速效钾、有机质相对较小，这是因为人们比较相似的耕作方式、管理方式让土壤养分的差异在逐渐变小。

从土壤空间变异特征分析表明，速效钾的含量主要受土壤母质影响较大，碱解氮的含量主要受农民施肥及耕作习惯影响较大，而有机质和速效磷的含量是受施肥、耕作、种植、灌溉等人为因素和结构性共同影响的结果。

参考文献：

［1］李世清，高亚军，李生秀.土壤养分的空间变异性及确定样本容量的研究［J］.土壤与环境，2000，9（1）：56-59.

［2］孔祥斌，张凤荣，王 茹.近20年城乡交错带土壤养分时间空间变异特征分析——以北京市大兴区为例［J］.土壤，2004，36（6）：636-643.

［3］海全胜，玉 山，阿拉腾图雅，等.基于GIS的阿荣旗耕地土壤养分分布规律研究［J］.内蒙古师范大学学报，2007，36（3）：363-365.

［4］李 艳，史 舟，徐建明，等.地统计学在土壤科学中的应用及展望［J］.水土保持学报，2003，17（1）：178-182.

［5］邱现奎，董元杰，万勇善，等.不同施肥处理对土壤养分含量及土壤酶活性的影响 ［J］. 土壤，2010，42（2）：249-255.

［6］傅伯杰，马克明，周华峰，等.黄土丘陵区土地利用结构对土壤养分分布的影响［J］. 科学通报，1998，43（22）：2444-2448.

［7］王 闯，李 琪，王洪禄，等.基于GIS和地统计学的辽宁省大洼县耕地土壤养分空间分布变异特征研究［J］.科技论坛，2011（5）：81.

［8］高弼模，李 彦，于淑芳，等.测土配方的土壤养分含量施肥法解析［J］.安徽农业学报，2007，13（22）：71-72.