于占超

(西北大學 城市與環(huán)境學院，陜西 西安710127)

土壤是時空連續(xù)的變異體，具有高度的間變異性[1]。對土壤養(yǎng)分空間變異的充分了解，是土壤養(yǎng)分管理和合理施肥的基礎(chǔ)[2]。地形是影響土壤理化性狀的重要因素[3]，是土壤養(yǎng)分空間分布的重要影響因子，其對陽光、熱量、水分、土壤類型形成的分布狀況有決定性作用，對人為的干擾也有間接影響，使得土壤養(yǎng)分的分布規(guī)律與地形因子具有空間上的相對一致性，這種一致性成為了解土壤養(yǎng)分的空間分布分析不可回避的參考因子。本文通過構(gòu)建DEM分析提取地形分區(qū)，進而探討不同地形部位各種土壤養(yǎng)分分布特征，揭示其分布規(guī)律，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及區(qū)域宏觀規(guī)劃提供決策支持。

1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

研究區(qū)為西安市藍田縣，地形地貌復(fù)雜，屬于秦嶺山地與關(guān)中平原接觸地帶，地貌從東南向西北大致分布為山地、塬地川，嶺地四種地貌類型。土壤類型復(fù)雜，主要有棕壤、褐土、淋溶褐土、立茬土、油土等。

1.1 數(shù)據(jù)獲取

采樣點數(shù)據(jù)從藍田土肥站進行調(diào)研獲得。采樣點數(shù)據(jù)的采集使用手持GPS測定，采樣方法遵循《全國耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》，符合全面性、均衡性、客觀性的原則。采樣深度為地表下0～20 cm，采樣點土樣重量1 kg左右，采樣點按地形起伏大小分為平原區(qū)和丘陵區(qū)布設(shè)，平原區(qū)采樣間隔為 6.7 ～3.0 hm2，丘陵區(qū)采樣間隔為 2 ～5 hm2，共設(shè)采樣點1 024個。

矢量圖形數(shù)據(jù)包括:統(tǒng)一比例尺1:5000的藍田縣土壤分布圖、土壤地形圖、土壤質(zhì)地圖、土地利用現(xiàn)狀圖等。土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)的收集主要有通過重鉻酸鉀外熱源法測定的土壤有機質(zhì)養(yǎng)分數(shù)據(jù);碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比法測定的速效鉀養(yǎng)分數(shù)據(jù);火焰光度法測定的速效磷養(yǎng)分數(shù)據(jù);以及堿解擴散法測定的堿解氮養(yǎng)分數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理及檢查

應(yīng)用Arc GIS 9.3的地統(tǒng)計分析模塊中 Explore data功能對采樣點數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，主要包括異常值的判斷與剔除、正態(tài)分布檢驗、趨勢分析等。根據(jù)屬性數(shù)據(jù)，對其中的有機物字段進行順序排序，參照表《陜西省土壤養(yǎng)分分解等級情況》，剔除異常值。對數(shù)據(jù)進行檢驗:檢測數(shù)據(jù)分布、發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)可能存在的趨勢、找出數(shù)據(jù)間的空間自相關(guān)以及方向效應(yīng)。當數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布時，利用插值方法生成具有最佳效果的表面。

2 研究方法

2.1 建立 DEM

使用拉伸樣條法將藍田1:5000地形圖，研究區(qū)采樣點的高程數(shù)據(jù)，在Arc GIS軟件的TOPOGRID模塊下生成的30m分辨率DEM。

2.2 地統(tǒng)計及 GIS方法

應(yīng)用地統(tǒng)計分析模塊中的Geostatistics Wizard功能進行半方差結(jié)構(gòu)的擬合與插值，主要包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、趨勢面剔除、各向異性驗證、模擬曲線的選擇與主要特征參數(shù)的調(diào)節(jié)、步長組數(shù)的確定以及搜索域的確定等測算過程。確定估算土壤某一特性的半方差函數(shù)模型是關(guān)鍵的問題，因為半方差函數(shù)反映了土壤特性的空間變異結(jié)構(gòu)，其影響到空間變異分析的精確性。研究半變異函數(shù)常用的四個重要的參數(shù)塊金值(Nugget)、變程(Range)、基臺值(Sill)、偏基臺值 (Partialsill)。在以上分析基礎(chǔ)上，根據(jù)西安市土壤養(yǎng)分含量分級標準對藍田縣土壤養(yǎng)分進行分級，并在借助Arc GIS 9.3繪制土壤養(yǎng)分空間分布圖。

3 結(jié)果和討論

3.1 描述性分析結(jié)果

經(jīng)過數(shù)據(jù)檢驗后可以得到初步的土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計表。

表1 土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計

通過上表可知，速效磷的變異系數(shù)最高，為69.62%;水解氮速效鉀其次，分別為33.07%和29.30%;有機質(zhì)最低，為20.90%。采樣點的土壤養(yǎng)分有機質(zhì)、水解氮、有效磷、速效鉀均具有一定的空間自自相似性，四種元素空間上呈中等相關(guān)，其中速效磷、速效鉀的空間自相似性比其它要強，它們能夠客觀的代表樣區(qū)的養(yǎng)分分布狀況。水解氮變異系數(shù)較低說明藍田縣范圍氮肥含量的差別不大，同時因為耕種措施、種植制度的相似性使有機質(zhì)的差別也不是很大;速效磷差異較大，可能是由于磷肥使用不均勻的結(jié)果;根據(jù)近年藍田縣施肥資料，施用鉀肥量很少，所以速效鉀的變化可能主要是受地形和土壤類型的影響。

3.2 地統(tǒng)計分析結(jié)果

半變異函數(shù)模型選取指數(shù)模型。依次得到有機質(zhì)、水解氮、有效磷、速效鉀的最佳理論模型及相關(guān)參數(shù)。

表2 土壤養(yǎng)分最佳理論模型

表3 土壤養(yǎng)分變異函數(shù)理論模型參數(shù)

塊金值(Nugget):有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀都有一定的塊金值且比較大，說明在比我們采樣更小的范圍內(nèi)有著不容忽視的某種過程，這種過程也對有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀分布規(guī)律有著一定的影響。從這點意義上來說，我們本次基于村級的采樣方法忽略了行政村內(nèi)部影響?zhàn)B分分布的某些過程，具有一定的宏觀性。

塊金值 /基臺值(Nugget/Sill):堿解氮的Nugget/Sill最大較大，達到63.6%，說明堿解氮的空間變異性主要是由隨機因素引起的，結(jié)構(gòu)性影響較小;有機質(zhì)為46.4%，說明隨機性和結(jié)構(gòu)性同時對有機質(zhì)的空間變異有著較大的影響;速效鉀、速效磷的值均較小，說明它們在此研究尺度上，結(jié)構(gòu)性有著比隨機性更重要的作用，速效鉀的結(jié)構(gòu)性是受土壤影響，因為從土壤學的角度來考慮，黃土本身含有豐富的K元素，從本次采樣點來看，速效鉀養(yǎng)分有著嶺區(qū)和黃土塬區(qū)的變化較小而川道等密集耕作區(qū)含量高的特點，這說明速效鉀的隨機性影響是人為因素引起的。

從結(jié)構(gòu)性因素的角度來看，塊金值 /基臺值比值＜25%，說明系統(tǒng)具有強烈的空間相關(guān)性;比值在25% ～75%之間，表明系統(tǒng)具有中等的空間相關(guān)性;比值 ＞75%說明系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱，可見四種元素的空間變異性均為中等中間相關(guān)。從另一個角度來看，其說明了四種元素在村級采樣尺度上具有一定的規(guī)律性和內(nèi)相似性，四個元素之間唯一的不同的是速效磷、速效鉀的自相似性最強，堿解氮最差，有機質(zhì)次之。

變程(Range)，即它們的自相關(guān)尺度分別為 13.1 km、14.5 km、3.4 km、3.1 km。說明它們的樣點距離在 13.1 km、、14.5 km、3.4 km、3.1 km 以外已經(jīng)不具有空間關(guān)聯(lián)性，本次采樣點平均距離約:1.5 km，小于各養(yǎng)分的變程。

3.3 結(jié)合地貌信息的分析結(jié)果

為研究地形與各養(yǎng)分空間分布的關(guān)系，將養(yǎng)分插值圖轉(zhuǎn)為Grid格式，與藍田DEM數(shù)據(jù)同時在Arc Scene中進行三維顯示，更好的反應(yīng)兩者的對應(yīng)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上加入地形分類信息更好表現(xiàn)不同地形區(qū)的養(yǎng)分空間關(guān)系。

從帶有地貌信息的土壤養(yǎng)分空間分布圖可以看出，各養(yǎng)分在空間分布上有較強的地域性，有機質(zhì)、水解氮等養(yǎng)分含量較高的等級主要集中在山地地形區(qū)，特別是山地地形區(qū)的東北部和東部。速效鉀的空間分布特點更加突出，等級較高部分分布于海拔較低的塬地川地及嶺地，等級較低部分分布與海拔較高的山地地形區(qū)。有效磷的空間分布特點與地形擬合較差，分布關(guān)系不明顯，主要與人為因素有關(guān)，但仍舊可以發(fā)現(xiàn)，在山地地形區(qū)的東北部有效磷的含量很高，同水解氮、有機質(zhì)等養(yǎng)分有一定的分布相關(guān)。從以上分析結(jié)果可以得到，在不同的地貌類型的影響下，插值過程中應(yīng)注意區(qū)分對待，即不同的地貌單元，應(yīng)該分開插值，對于提高插值精度有明顯影響。

4 結(jié)語

藍田縣土壤的各養(yǎng)分含量隨地區(qū)和地貌都有著不同范圍的變化，初步分析主要是由于各地區(qū)的施肥情況以及其土壤天然條件綜合作用引起的。通過對整個耕地集中區(qū)以及各地貌類型單元分區(qū)進行采樣點插值分析我們可以得到以下結(jié)論:有機質(zhì)含量大部分偏低，需進一步加強有機質(zhì)的施肥;水解氮由西北向東南增高，整體屬中等水平;有效磷呈不同小范圍集中聚集現(xiàn)象，這與不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間的施肥習慣有關(guān)，應(yīng)科學施肥，避免出現(xiàn)此種情況;速效鉀的分布主要是受土壤母質(zhì)的影響，呈大范圍連續(xù)分布。

[1]Burrough PA.Principles of geographical information systems for land resources assessmen[M].Oxford，UK:Clarendon Press，1986.

[2]S.M.Haefele，M.C.S.Wopereis.Spatial variability of wheat yield and soil properties on complex hills[J].Soil Sci，J.198852:1133-1141.

[3]馬餛，王兆，陳欣等.不同雨強條件下紅壤坡地養(yǎng)分流失特征研究[J].水土保報.